Содержание к диссертации
Список словных обозначений 4
Введение 5
Глава 1. Автоматизированная система контроля, учета и анализа электропотрсбления судорсмонтною предприятия 12
1.1. Общие сведения об АИИС КУЭ 12
1.2. Определение типа и состава функциональных задач АИИС КУЭ 13
1.3. Краткая характеристика системы электроснабжения предприятия и жилмассива о. Ягры г. Северодвинска 14
1.4. Место АИИС КУЭ в системе управления электрохозяйством предприятия 15
1.5. Возможности АИИС КУЭ на базе КТС «Энергия+» 17
1.6. Определение структуры АИИС КУЭ судоремонтного предприятия 18
1.7. Определение точек учета электроэнергии 18
1.8. Организация измерительных каналов 19
1.9. Структурная схема АИИС КУЭ 1.10. Выбор элементов и функциональных узлов АИИС КУЭ. Выбор элементов нижнего уровня 24
1.11. Выбор элементов и функциональных узлов АИИС КУЭ. Выбор элементов верхнего уровня 33
1.12. Выбор элементов каналов связи 38
1.13. Определение необходимого количества оборудования 38
Выводы по главе 1 41
Глава 2. Разработка методики прогнозирования электропотребления 42
2.1. Анализ статистических характеристик электропотребления стапельного цеха судоремонтного производства 42
2.2. Анализ графика элсктроиотребления предприятия 49
2.3. Прогнозирование электропотребления судоремонтного предприятия 54
2.4. Автоматизация прогнозирования 59
2.5. Экономический эффект внедрения методики прогнозирования элсктропотребления
судоремонтного предприятия 66
Выводы по главе 2 70
Глава 3. Компенсатор реактивной мощности дискретного типа и его математическое
описание 71
3.1. Компенсатор реактивной мощности дискретного типа 71
3.2. Расчет силовой схемы статического компенсатора реактивной мощности дискретного типа 72
3.3. Подключение компенсатора к сети электроснабжения 77
3.4. Модель статического компенсатора реактивной мощности 79
Выводы по главе 3 87
Глава 4. Система управления компенсатором реактивной мощности дискретного типа 88
4.1. Функциональная схема системы управления и общие принципы ее работы 88
4.2. Расчстно - задающее устройство 92
4.3. Датчик активного тока 106
4.4. Датчик уїла Ill
4.5. Блок синхронизации с сетью 113
4.6. Формирователь имп льсов 115
4.7. Датчик равенства напряжений 118
4.8. Выходное стройство 122
Выводы но главе 4 125
Глава 5. Особенности резонансных явлений в злектрознері етических системах питании кораблей с берега. Выбор параметров компенсатора реактивной мощности 126
5.1. Особенности резонансных явлений в электроэнергетических системах питания кораблей с берега с полупроводниковыми преобразователями 126
5.2. Частотные характеристики условно-типовой системы электроснабжения с КРМ ДТ
и выбор параметров компенсатора 132
Выводы по главе 5 137
Глава 6. Математическое моделирование и исследование режимов работы компенсатора реактивной мощности дискретного типа 138
6.1. Аналитическое описание системы электроснабжения, содержащей емкостный источник реактивной мощности для создания ее модели в среде MatLab-Simulink 138
6.2. Модель условно-типовой системы электроснабжения в MatLab-Simulink 141
6.3. Моделирование режимов работы системы электроснабжения с компенсатором реактивной мощности дискретною типа 154
Выводы по главе 6 165
Глава 7. Экспериментальное исследование компенсатора реактивной мощности дискретного типа 166
7.1. Экспериментальное исследование лабораторною образца компенсатора в статических режимах 166
7.2. Экспериментальное исследование опытного образца компенсатора реактивной
мощности дискретного типа в статическом и динамическом режимах 176
Выводы по главе 7 183
Заключение 184
Список использованных источников 185
Приложение 1. Акт внедрения результатов НИР 190
Приложение 2. Акт внедрения в учебный процесс
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Система электроснабжения современного судоремонтного предприятия представляет собой сложный комплекс устройств для передачи, преобразования, распределения электрической энергии и оперативно-диспетчерского управления ими, служащий для обеспечения производства различными (по роду тока, уровням напряжения и частоты) видами электроэнергии на всех этапах постройки и ремонта судов, кораблей, плавсредств, обеспечения вспомогательного производства и объектов инфраструктуры предприятия. Как правило, системы электроснабжения судоремонтных предприятий не имеют собственных генерирующих мощностей, чем обусловлена необходимость приобретения 100% потребляемой электроэнергии у поставщиков на оптовом или розничном рынках электроэнергии и мощности. Последнее обстоятельство делает предприятия в значительной мере зависимыми от условий, диктуемых энергоснабжающей организацией в части финансовых и технических вопросов их взаимодействия, регулируемых рядом нормативных документов, таких как Гражданский кодекс РФ, Федеральный закон РФ «Об электроэнергетике», Правила и нормы оптового рынка электроэнергии, нормативные документы РАО «ЕЭС России», договор купли-продажи электроэнергии, и другие. Действующая сегодня система взаимоотношений поставщика и потребителя электроэнергии диктует последнему необходимость наличия возможностей оперативного регулирования параметров электропотребления как по активной, так и по реактивной составляющим потребления, с одной стороны, и корректного установления плановых объемов потребления на заданные расчетные периоды времени, с другой стороны. Необходимо отметить, что неверное установление плановых объемов потребления (следствием чего является отклонение от них фактических величин потребления) влечет применение к потребителю крушплх штрафных санкций.
Кроме того, управление режимами электроснабжения судоремонтного предприятия необходимо осуществлять с целью поддержания характеристик и режимов работы отдельных элементов системы электроснабжения в рамках нормативных параметров во избежание нарушения их нормального функционирования, предупреждения и локализации аварий, повышения общего качества оперативно-диспетчерского управления энергосистемой.
Вместе с тем, исследования систем электроснабжения и организации работы энергослужб судоремонтных предприятий ГРЦАС выявили ряд серьезных проблем, а именно:
а) отсутствие обоснованных методик определения величин плановых объемов потребления электроэнергии и мощности;
б) отсутствие возможностей оперативного контроля параметров электропотребления и контроля с накоплением данных за определенный промежуток времени, что делает невозможным проверку объемов, предъявляемых энергоснабжающей организацией;
в) отсутствие возможности контроля и учета параметров электропотребления и параметров качества электроэнергии отдельных потребителей, в том числе объектов обеспечения постройки, ремонта и испытания кораблей и судов;
г) отсутствие устройств компенсации реактивной мощности, работающих в автоматическом режиме и обладающих необходимыми точностью и быстродействием;
д) как следствие, отсутствие реальных возможностей управления режимами электроснабжения на требуемом уровне.
Из сказанного выше следует, что для комплексного решения проблемы повышения качества управления режимами электроснабжения судоремонтного предприятия требуется разработка системы учета и контроля параметров электропотребления, разработка методики определения величин плановых объемов потребления мощности, разработка автоматизированных устройств для компенсации реактивной мощности, обладающих высокой точностью и быстродействием.
Цель работы и задачи исследований.
Целью работы является решение проблемы управления режимами электроснабжения судоремонтного предприятия за счет разработки методики установления плановых параметров потребления активной мощности, с одной стороны, и разработки устройств компенсации реактивной мощности, с другой стороны, что позволяет добиться повышения технико-экономических показателей работы энергохозяйства предприятия.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать автоматизированную систему контроля и учета электропотребления, обеспечивающую решение задач коммерческого и технического учета потребленной энергии и мощности, обработку и архивацию данных в форматах, пригодных для дальнейшего анализа, и выполненную на современном техническом уровне.
2. Обосновать и разработать методику прогнозирования величины заявленной активной мощности, используемую при расчетах с энергоснабжающей организацией.
3. Разработать математическое описание компенсатора реактивной мощности дискретного типа (КРМ ДТ), разработать математическую модель КРМ ДТ и исследовать ее в различных режимах работы устройства.
4. Исследовать особенности резонансных явлений в электроэнергетических системах питания кораблей с берега с полупроводниковыми преобразователями и частотные характеристики условно-типовой системы электроснабжения с КРМ ДТ и выбор параметров компенсатора.
5. Разработать алгоритм функционирования, функциональные и принципиальные схемы микропроцессорной системы управления КРМ ДТ, обеспечивающей высокое качество процесса компенсации и надежность работы устройства.
6. Изготовить опытный образец КРМ ДТ и его системы управления, провести их экспериментальные исследования.
Методы исследований.
Исследования проводились с применением современного математического аппарата (вероятностно-статистические методы, интегро-дифференциальное и матричное исчисления), методов теории электрических цепей.
Теоретические результаты подтверждаются математическим моделированием, выполненным на ПЭВМ в среде MatLab-Simulink. Достоверность теоретических положений подтверждена практическим использованием методики прогнозирования количественных характеристик электропотребления и исследованием опытных образцов КРМ ДТ, разработанных на основе положений данной диссертационной работы.
Научная новизна.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основе проведенных исследований разработан комплекс мероприятий, совокупность которых направлена на совершенствование процесса управления электроснабжением судоремонтного предприятия. В частности:
- разработана микропроцессорная система управления компенсатором реактивной мощности дискретного типа и алгоритм ее работы;
- разработана математическая модель КРМ ДТ, адекватно отражающая реальные электромагнитные процессы в ходе компенсации реактивной мощности;
- получены аналитические соотношения, позволяющие оценить возможность резонансных явлений в узле питающей сети и выбрать параметры компенсатора реактивной мощности с учетом характеристик питающей сети; - разработана и обоснована методика прогнозирования величины заявленной мощности судоремонтного предприятия, внедрение которой позволяет добиться экономического эффекта в виде снижения оплаты за заявленную мощность.
Практическая значимость работы и реализация.
На основе анализа графиков нагрузки судоремонтного предприятия предложена методика прогнозирования величины заявленной мощности, базирующаяся на обработке статистических данных предыдущих периодов и планируемых основных производственных и прогнозируемых природных факторов. Методика отличается простотой, а ее применение позволяет с достаточной точностью определить планируемые величины, используемые предприятием в расчетах с энергоснабжающей организацией, избегая при этом применения к предприятию штрафных санкций за отклонения фактических объемов потребления от планируемых. Предложен вариант автоматизированной информационно-измерительной системы контроля и учета электропотребления судоремонтного предприятия, осуществляющей функции технического и коммерческого учета электроэнергии и мощности, позволяющей производить сбор, обработку и накопление данных энергопотребления и мониторинг параметров качества электрической энергии.
Разработан принцип действия устройства для компенсации реактивной мощности - КРМ ДТ, произведен расчет силовой схемы устройства. Предложен алгоритм работы компенсатора, разработана микропроцессорная система управления КРМ ДТ. Устройство отличается простотой силовой схемы и, вместе с тем, позволяет производить регулирование величины реактивной мощности в широких пределах, отличается высоким быстродействием, не содержит контактных коммутационных элементов. Благодаря особенностям алгоритма работы КРМ ДТ, исключаются переходные процессы (броски тока) при коммутации конденсаторных батарей. Микропроцессорная система управления отличается малыми габаритами и массой. КРМ ДТ может применяться для регулирования реактивной мощности в узлах нагрузки на стороне напряжения 0,4 кВ; устройство способно в автоматическом режиме поддерживать заданную величину коэффициента мощности (cos0), не допуская при этом перекомпенсации; указанные факторы прямо влияют на надежность функционирования энергосистемы и поддержание заданных (договорных) величин потребления реактивной мощности.
Разработано математическое описание КРМ ДТ. Также (в программной среде MatLab-Simulink) разработана математическая модель КРМ ДТ, работающего в составе условно-типовой системы электроснабжения, позволяющая проводить исследования режимов работы устройства.
Рассмотрены особенности резонансных явлений в сетях питания кораблей с берега с мощными полупроводниковыми преобразователями, получены аналитические соотношения, позволяющие оценить возможность резонансных явлений в узле питающей сети и выбрать параметры компенсатора реактивной мощности с учетом характеристик питающей сети.
Результаты работы используются предприятием (ФГУП «МП «Звездочка»), отражены в научных статьях.
На защиту выносятся:
1. методика прогнозирования величины заявленной мощности судоремонтного предприятия;
2. структура и состав автоматизированной информационно-измерительной системы контроля и учета электропотребления судоремонтного предприятия;
3. структура и состав компенсатора реактивной мощности дискретного типа, алгоритм работы его системы управления;
4. структура и состав микропроцессорной системы управления КРМ ДТ;
5. математическая модель КРМ ДТ в составе условно-типовой системы
электроснабжения, выполненная в программной среде MatLab-Simulink. Апробация работы.
Основные положения и научные результаты работы докладывались на: международной конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы», Екатеринбург, 2003 г.;
- международной конференции «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2004 г.;
- всероссийских конференциях «Электромагнитная совместимость», С. Петербург, 2004 и 2006 гг.;
всероссийской научно-практической конференции «100 лет подводному флоту России», Северодвинск, 2006 г.
- региональной научно-практической конференции «Океангео-2005», Северодвинск, 2005 г.;
- конференциях «Перспективные технологии строительства и утилизации судов на предприятиях Государственного Российского Центра
Атомного Судостроения (ГРЦАС)», Северодвинск, 2001-2005 гг.;
Публикации.
Основные научные результаты диссертационной работы отражены в 12 публикациях (в том числе 2-х публикациях в рецензируемых изданиях).
Личный вклад.
Постановка и решение вопросов диссертационной работы, разработка математической модели КРМ ДТ, системы управления КРМ ДТ, методики прогнозирования показателей электропотребления принадлежат лично автору.
Структура и объем работы.
Диссертация содержит 191 страницу, состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 76 наименований и двух приложений. Работа содержит 100 иллюстраций (включая осциллограммы) и 15 таблиц.
