Руководство по устройству электроустановок - Контроль и регулирование потребляемой мощности

5 Контроль и регулирование потребляемой мощности
Система контроля и регулирования потребляемой мощности может приносить большую пользу оператору или владельцу сети электроснабжения.
На нынешнем этапе наблюдается ускоренное развитие компаний, и соответственно эксплуатация оборудования в зданиях тоже становится более интенсивной. Сети энергоснабжения сталкиваются с постоянным ростом потребности в питании, что ведет к многократному возрастанию нагрузки и кроме того несомненно к росту «сопутствующих услуг» - например, к необходимости отслеживания затрат вследствие более острой конкуренции.
Даже если принято решение инвестировать средства в будущем, проект сети энергоснабжения должен предусматривать возможность применения системы контроля мощности. Если существующее оборудование готово к внедрению такой системы, это обеспечит Вам конкурентное преимущество.
В настоящее время внедрение методов контроля и регулирования мощности не означает установку сложной и дорогостоящей системы.
Некоторые из наиболее простых технических решений вполне доступны и имеют весьма приемлемый срок окупаемости, поскольку они могут быть непосредственно встроены в энергетическое оборудование.
Такая система может просто разделить канал передачи сервера информационной сети пользователя. Кроме того, для ее эксплуатации не нужны специальные навыки и обучение персонала. Требуется лишь безлицензионное программное обеспечение, например браузеры интрасети.

Возможность модернизации электросети на базе новых технологий, которые внедряются в области коммуникаций и автоматизации офисной деятельности (в частности, сейчас можно пользоваться несколькими протоколами передачи данных по одному и тому же каналу - например, имеющимся и новым), тоже сейчас вполне реальна. Эти новые возможности постепенно изменят стиль вашей работы.
5.1 Основные преимущества для пользователей
Контроль и регулирование мощности может заинтересовать по четырем основным причинам, способствуя:
более эффективной работе обслуживающего персонала
снижению затрат на энергию
оптимизации и увеличению сроков эксплуатации основного оборудования, подключенного к сети энергоснабжения
росту производительности связанного процесса (производственного процесса, административного управления или диспетчеризации инженерных систем здания) за счет предотвращения или снижения простоев, или обеспечения потребителей более качественной энергией).
Повышение эффективности работы обслуживающего персонала
Одно из основных требований к персоналу, обслуживающему сеть энергоснабжения - принимать правильное решение и проводить работы за минимальное время. Для этого персонал должен получать более полную информацию о том, что происходит в сети, причем желательно с любого места на территории объекта. Такая «прозрачность» в пределах объекта - главная особенность, дающая возможность обслуживающему персоналу:
иметь представление о потоках энергии - убедиться в том, что сеть энергоснабжения правильно сбалансирована, понять, кто является основными потребителями энергии, в какой период дня или недели и т.д.;
иметь представление о режиме работы сети - отключение кабеля питания легче понять, если у вас есть доступ к информации от подключенных к нему потребителей;
получать оперативную информацию о событиях в сети энергоснабжения, даже находясь за пределами территории объекта, с помощью современных средств мобильной связи;
сразу прибыть в нужное место на территории объекта с нужной запасной частью и пониманием общего состояния сети;
начать операцию технического обслуживания с учетом фактического использования устройства - не слишком рано и не слишком поздно.
Снижение затрат на электроэнергию

Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005
В компаниях счета за электроэнергию могут быть значительными, но все же не такими, на которые менеджеры обращают внимание в первую очередь. В то же время, предоставив инженеру-электрику возможность контролировать работу сети
энергоснабжения, Вы получите эффективное средство оптимизации, а в определенных
случаях и существенного снижения затрат на электроэнергию.
Ниже приведены некоторые примеры применения простейших систем контроля:
Сравнительная оценка различных зон с целью выявления участков повышенного потребления энергии
Отслеживание случаев непредвиденного потребления энергии
Обеспечение потребления энергии на уровне не выше, чем у конкурентов
Выбор наиболее выгодного контракта на снабжение энергией с энергосистемой общего пользования
Применение простого принципа отключения нагрузок к оптимизации контролируемых нагрузок таких как источники освещения.
Возможность требования компенсации за ущерб, причиненный вследствие поставки энергосистемой некачественной энергии (например, из-за падения напряжения в сети был остановлен процесс).
Оптимизация использования основного оборудования
Поскольку сеть энергоснабжения непрерывно расширяется, неизбежно встает вопрос: Способна ли моя сеть обеспечить это новое расширение?
Именно здесь система контроля потребляемой мощности может помочь владельцу сети принять правильное решение.
Регистрируя события и процессы в сети, она может архивировать фактическое использование основного оборудования и затем достаточно точно оценить резервную мощность сети, распределительного щита или трансформатора.
Увеличение срока эксплуатации основного оборудования
Более эффективное использование оборудования может увеличить срок его эксплуатации.
Системы контроля мощности могут дать точную информацию о фактическом использовании того или иного оборудования и после этого группа технического обслуживания может принять решение о выполнении соответствующей операции обслуживания в оптимальные сроки - не слишком поздно и не слишком рано. Кроме того, в некоторых случаях контроль гармоник может способствовать увеличению срока службы некоторых видов оборудования, например электродвигателей или трансформаторов.
Повышение производительности за счет сокращения простоев
Простои оборудования - это кошмар для тех, кто отвечает за работу электрической сети. Из-за них компания может понести большие убытки, от ремонтников жестко требуют восстановить энергопитание в минимальные сроки, а операторы работают в условиях стресса.
Система контроля и регулирования мощности может эффективно помочь сократить простои.
Обычная система контроля мощности, не говоря уже о дистанционной системе регулирования, которая является наиболее сложной и предназначена для критически важных применений, уже может обеспечить необходимую информацию, которая будет в значительной степени способствовать сокращению времени простоя:
Оперативно информируя оператора, даже находящегося за пределами соответствующего объекта (с помощью систем мобильной связи типа GSM/SMS)
Обеспечивая глобальный обзор состояния всей сети
Помогая обнаружить зону неисправности
Сообщая подробную информацию о каждом событии в сети, зафиксированном эксплуатационными устройствами (например, о причине отключения) Дистанционное управление устройством является целесообразным, но необязательным. Во многих случаях электрику необходимо осмотреть зону неисправности, поскольку может потребоваться принятие мер на месте.
Повышение производительности за счет более высокого качества электроэнергии
Некоторые из нагрузок могут быть чувствительны к плохому качеству электроэнергии и операторы могут столкнуться с неожиданными ситуациями, если качество поставляемой энергии не контролируется.
В таком случае контроль качества энергии является адекватным способом, чтобы предотвратить такое событие и/или устранить конкретную неисправность.

5.2 От системы контроля и регулирования электрической сети к интеллектуальному энергетическому оборудованию
Традиционно в течение многих лет системы контроля и регулирования были централизованными и основывались на системах автоматизации диспетчерского управления и сбора данных (Scada).
Из-за высокой стоимости применение подобных систем (позиция 3 на Рис. B16) было фактически ограничено критически важными электроустановками, поскольку они или являлись большими потребителями энергии или их процесс был очень чувствителен к снижению качества поставляемой энергии.
Такие системы основывались на технологиях автоматизации и очень часто проектировались, дорабатывались системным интегратором в соответствии с требованиями заказчика и затем поставлялись на объект. Однако большая начальная стоимость, высокие требования к квалификации оперативного персонала для правильной эксплуатации подобных систем и стоимость работ по их модернизации по мере расширениям сети энергоснабжения часто были препятствием для потенциальных пользователей.
Другой подход (позиция 2), реализующий специализированные технические решения, гораздо в большей степени отвечает специфическим потребностям сети энергопитания и действительно увеличивает окупаемость такой системы. Однако из-за использования централизованной архитектуры начальные затраты по-прежнему остаются большими. На некоторых объектах системы типа (2) и (3) могут использоваться совместно, обеспечивая при необходимости инженера-электрика самой точной информацией. В настоящее время появилась новая концепция интеллектуального энергетического оборудования (позиция 1). Основанная на возможностях Web-технологий, она предлагает действительно приемлемое по средствам решение для большинства пользователей. Кроме того, владелец объекта может поэтапно инвестировать во все более сложные системы контроля.
Уровень 1 может тогда рассматриваться как начальный этап для перехода к уровню 2 или 3 благодаря тому, что эти технические решения могут использоваться совместно в рамках одного объекта.

Рис. В16. Позиционирование систем контроля

Архитектура интеллектуального оборудования ( рис. B1 )
Эта новая архитектура появилась недавно благодаря возможностям Web-технологий и может действительно позиционироваться как начальный этап внедрения систем контроля.
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005
Основанная на Web-технологиях, она использует максимальную выгоду от стандартных услуг и протоколов связи и безлицензионного программного обеспечения. Доступ к информации о электроэнергии возможен с любого места рассматриваемого объекта, благодаря чему эффективность работы сотрудников службы главного электрика может значительно повыситься. Кроме того, предусмотрен доступ в Интернет для служб, не находящихся на данном объекте.

Рис. B1 . Архитектура интеллектуального оборудования
Специализированная централизованная архитектура ( рис. B18)
В - Общая структура - Применяемые правила - Установленная мощность
B24
Эта архитектура предназначена для электриков и основана на использовании специализированных централизованных контрольных приборов, полностью отвечающих потребностям контроля электрических сетей. Разумеется, что она предъявляет более низкие требования к квалификации персонала в части ее установки и обслуживания - все электронные приборы включены в специализированную библиотеку. И, наконец, затраты на ее покупку действительно сведены к минимуму благодаря ограниченному участию системного интегратора.

Рис. B18. Специализированная система контроля сети

Традиционная универсальная централизованная архитектура (см. Рис. B1 )
Ниже представлена типичная архитектура, основанная на стандартных компонентах систем автоматизации, таких как системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA^ интерфейсы.
Несмотря на свою реальную эффективность, такая архитектура имела ряд недостатков, например:
Высокий уровень требований к квалификации оперативного персонала
Ограниченные возможности модернизации
B25
И, наконец, большой срок окупаемости таких систем.
Однако у таких систем нет альтернативы в случае критически важных объектов и их применение особенно целесообразно на центральных пунктах диспетчерского управления.

Рис. B19. Традиционная система контроля и регулирования в реальном времени:
5.3 Типовые услуги, потенциально предлагаемые интеллектуальным оборудованием в сравнении с другими вариантами системы контроля сети
Цель этого сравнения - помочь в выборе соответствующей системы на основании сравнения достоинств и недостатков каждой из них (см. Рис. B: ).

Рис. B20. Типовые услуги, предлагаемые разными системами контроля сети
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005

5.4 Базовая информация по системам обмена данными
Ниже приведен небольшой глоссарий основных терминов, используемых в области технологий обмена данными
Уровень обмена данными - модель OSI (модель взаимодействия открытых компьютерных систем)
Концепция уровня обмена данными полезна для понимания глоссария терминов в области обмена данными и того, как эти термины могут соотноситься друг с другом. Представленная на Зис. B2' модель OSI состоит из семи уровней обмена данными, но понятие «обмен данными» не всегда относится к этим семи уровням. Иногда добавляется 8-ой уровень для описания домена конкретного приложения и услуг.
Ethernet
Ethernet - семейство локальных вычислительных сетей, регламентируемых стандартом IEEE 802.3.
Сеть Ethernet относится уровням 1 и 2 модели OSI. Использования сети Ethernet недостаточно для спецификации обмена данными между двумя устройствами. Сеть Ethernet 802.3 часто ассоциируется с другими терминами, описывающими ее другие аспекты:
Ethernet 802.3 10 Base T представляет собой вариант реализации сети на неэкранированной витой паре со скоростью передачи данных 10 Мбит/с и использованием разъема RJ45.
IP означает протокол Internet (протокол IP)
Интернет в значительной степени способствовал распространению протокола IP, однако этот протокол используется не только в сети Интернет.
Протокол IP также широко используется для «внутреннего пользования» например в информационных сетях, а также в «закрытой» зоне.
Протокол IP позволяет обеспечить обмен данными между двумя удаленными устройствами, даже если между ними используется много типов сред. Переключение с одного типа на другой является полностью прозрачным для соответствующего приложения.
RS 485
Протокол RS 485 является рекомендованным промышленным стандартом на двунаправленную сбалансированную линию передачи.
Modbus
Modbus - первоначально протокол обмена данными, разработанный компанией Modicon. В настоящее время права на протокол Modbus и его дальнейшее развитие принадлежат организации Modbus-IDA.org, являющейся открытой и независимой ассоциацией, стремящейся развивать и обеспечивать функциональную совместимость и применения этого протокола в разных областях промышленной автоматизации. Коммуникационный протокол Modbus относится к уровню 7 модели OSI. Он может применяться в различных средах передачи:
Последовательный канал с использованием последовательного интерфейса RS 485 или RS 232 - наиболее распространенный способ описания протокола Modbus.
Сеть Ethernet (фактически с использованием межсетевого протокола TCP/IP и Ethernet) Кроме того, протокол Modbus позволяет передавать данные через модемы независимо от канала передачи (телефонная сеть общего пользования, радиоканал, сеть цифровой сотовой связи GSM и др.).
В настоящее время Modbus является де-факто признанным протоколом обмена данными для электротехнических применений в промышленности и строительстве.
Web-технологии
Этот термин объединяет все технологии, обычно использующие «Всемирную паутину» для:
Визуализации информации (HTML-файлы, передаваемые по протоколу HTTP/HTTPS)
Отправки почтовых электронных сообщений (протокол SMTP/POP)
Поиска/обмена файлами (протокол FTP)
Управления сетью (протокол SNMP)
Синхронизации устройства, подсоединенного к сети (протокол NTP/SNTP)
....

Рис. B21. Уровни модели OSI (1-8)
Эти протоколы разработаны общественной международной ассоциацией сети Интернет. Использование Web-технологий часто является для пользователя безлицензионным, поскольку в их основе стандартный инструмент, такой как Web-браузеры.
Функциональная совместимость
Чтобы обеспечить функциональную совместимость, по крайней мере семь уровней модели протоколов обмена данными OSI должны быть полностью совместимы между собой. Это означает, в частности, что наличие двух устройств Ethernet (уровней 1 и 2 модели OSI) не гарантирует того, что эти устройства будут функционально совместимы.
5.5 Основные ограничения при проектировании коммуникационного или интеллектуального силового оборудования
Выбор сети для подсоединения оборудования
Ниже перечислены основные факторы, которые необходимо оценить при выборе сети обмена данными:
Открытость и уровень зрелости сети
Проверенная способность работы в неблагоприятных электротехнических средах
Наличие силовых агрегатов, совместимых по шине, с гарантией функциональной совместимости
Уровень доработки интерфейса силового оборудования для обеспечения его подсоединения к остальной части системы (наличие бесшовной архитектуры)
Наличие вспомогательных устройств связи через шины для облегчения прокладки электрических проводов внутри небольших секций
Протокол Modbus для передачи данных по последовательному каналу является в настоящее время одним из самых надежных видов связи элементов оборудования в среде распределения электрической энергии и совместим с большинством 3d- устройств.
Он также был выбран большинством изготовителей в качестве предпочтительной сети. Его простая и бесшовная открытость для сетей Ethernet гарантирует простую интеграцию с остальной частью системы. Кроме того, он предлагает простой способ модернизации в будущем, не влияя при этом на используемые приложения.
Топология сети для подсоединения оборудования
Топология сети для подсоединения оборудования должна быть достаточно гибкой и охватывать всю структуру оборудования.
Возможность разъединения секций силового оборудования имеет важное значение для транспортировки.
На концах шины обычно должны быть предусмотрены сопротивления.
Чем выше скорость передачи данных по шине, тем более чувствительна шина к
проводке, оконечным нагрузкам и заземлению.
Разъем на фронтальной части оборудования
Для облегчения работы оперативного персонала, очень полезным является размещение электрического разъема на передней дверце шкафа с оборудованием. Эта опция может оказаться еще более эффективной, если с этого распределительного щита оперативный персонал может иметь доступ к информации, относящейся не только к подсоединенному силовому оборудованию, но и к остальной части объекта (например, к распределительному щиту, расположенному по сети перед ним или за ним).
Мощность собственных нужд
Мощность собственных нужд должна распределяться между основными силовыми агрегатами. Обычно требуется вспомогательная энергетическая установка постоянного тока.
Ее распределение может быть совмещено с каналом обмена данными: по одному и тому же кабелю осуществляется передача данных и мощности собственных нужд.
Дополнительные коммуникационные устройства
Дополнительные коммуникационные устройства могут понадобиться для того, чтобы облегчить монтаж проводки и обслуживание распределительного щита. Их использование помогает персоналу разобраться во внутренней проводке распределительного щита. И, кроме того, позволяет отключать какое-либо коммуникационное устройство в режиме онлайн.
Имеющиеся возможности электрических измерений
Электрические измерения - одна из основ контроля потребляемой мощности. В будущем они могут стать систематически необходимой функцией.
Существуют две основные концепции внедрения измерений в силовое оборудование:
Установка измерительных трансформаторов на кабелях или шинопроводе. Для этого потребуется место, но это единственное решение для переоснащения существующей электроустановки.
Использование многофункциональных реле защиты, в которых может быть предусмотрена такая функция и которые в этом смысле поддаются модернизации. Даже если требования сегодняшнего дня не включают проведение измерений, полезно предусмотреть возможность их проведения в будущем - выбирая силовые агрегаты, которые могут быть дооборудованы для проведения замеров внутри них, или предусматривая необходимое пространство для установки дополнительных измерительных трансформаторов.