Главное назначение автоматизации

Автоматизация – это наука о принципах, методах и средствах построения систем и устройств, позволяющих управлять теми или иными устройствами и их совокупностями без участия человека.

Автоматизация широко используется в электроэнергетике. Под автоматизацией электроэнергетических систем (ЭЭС) понимают их оснащение отдельными устройствами и системами для управления производством, передачей и распределением электрической энергии в нормальных и аварийных режимах без участия человека. Роль автоматики, уровня ее совершенства, исключительно важна для обеспечения надежности ЭЭС.

Ввиду широкого использования электрической энергии абсолютно во всех сферах жизнедеятельности человека выход из строя энергосистемы, нормальная работа которой во многом определяется надежностью автоматики, приведет к негативным, а зачастую и катастрофическим последствиям.

Так, например, из-за нарушений в работе устройств системной автоматики крупнейшей в США энергосистемы CANUSE («Канада – США восточная») 9 ноября 1965 года произошел «развал» энергосистемы. Эту аварию назвали «катастрофой века» – за 11 минут на территории 200 тысяч квадратных километров, где расположены такие гигантские города, как Нью-Йорк, Бостон, Монреаль и другие, полностью отключилось электричество. Остановились электропоезда, тысячи людей застряли в поездах метро в туннелях между станциями, самолеты не могли совершить посадку на «пропавших» в темноте аэродромах, многие остались в лифтах, остановившихся между этажами домов. Убытки, вызванные катастрофой, составили колоссальную сумму – около 100 миллионов долларов. А причиной аварии стало неправильное срабатывание одного из элементов системной автоматики – реле.

Важнейшим показателем совершенства ЭЭС является качество электроэнергии, под которым, прежде всего, понимается стабильность величины напряжения и его частоты. Отклонение этих параметров от номинальных значений приводит к ухудшению работы потребителей электроэнергии. Так, например, скачки напряжения сверх допустимых пределов и даже кратковременный перерыв подачи электроэнергии (0,01 с) приводят к сбою в работе электронного оборудования. Задачи поддержания требуемой стабильности величины напряжения и его частоты реализуются соответствующими автоматическими системами.

Для повышения надежности электроснабжения широкое применение находят автономные источники электроэнергии в виде дизельных электростанций, газотурбинных установок, установок гарантированного электропитания с использованием различных первичных источников энергии. Их нормальное функционирование также невозможно без автоматических систем управления.

Для контроля и управления режимами источников электроэнергии, обеспечения бесперебойного снабжения потребителей, руководства ликвидацией аварий в энергосистеме создаются службы диспетчерского управления энергосистемой. В настоящее время сложность задач оперативного управления большими ЭЭС приводит к тому, что диспетчер не в состоянии проконтролировать все узловые точки электрической сети и не способен достаточно быстро произвести операции по ее управлению. Поэтому на автоматику возлагаются операции по управлению ЭЭС с требуемой точностью, надежностью и быстродействием, соизмеримым с длительностью электромагнитных и электрических процессов, протекающих в системе.

Итак, главное назначение автоматизации ЭЭС состоит в обеспечении требуемого качества электроэнергии и повышении надежности снабжения потребителей электроэнергией. Отметим также, что автоматизация приводит к большей простоте и удобству эксплуатации, и повышает экономичность режимов работы ЭЭС.

НАЧАЛЬНЫЕ ШАГИ АВТОМАТИЗАЦИИ

Автоматизация начинается с применения автоматических устройств для управления отдельными объектами. Их можно разделить на два больших класса:

1. Автоматы и автоматические системы, выполняющие определенного рода одноразовые или многоразовые операции.

2. Автоматические системы, которые в течение достаточно длительного времени нужным образом изменяют или поддерживают постоянной какую-либо физическую величину объекта управления.

Класс первый.

В электроэнергетике к системам первого класса относятся устройства и системы автоматизации следующих видов:

- автоматическая сигнализация;

- автоматическое включение синхронных машин на параллельную работу;

- противоаварийная автоматика (ПА);

- автоматическая частотная разгрузка (АЧР);

- автоматическое повторное включение (АПВ);

- автоматическое включение резерва (АВР);

- автоматизированные системы диспетчерского управления электроэнергетической системой.

Класс второй.

К автоматическим системам второго класса в электроэнергетике относятся, прежде всего, системы автоматического регулирования:

- напряжения генератора;

- частоты вращения дизеля;

- напряжения стабилизатора напряжения;

- напряжения трансформатора и др.

Автоматическое регулирование в ЭЭС используется в основном для регулирования напряжения и реактивной мощности, частоты и активной мощности. Основными задачами автоматического регулирования являются:

- обеспечение качества и заданных уровней напряжения в узлах ЭЭС и тем самым рационального распределения потоков реактивной мощности при передаче электроэнергии от источников к потребителям;

- обеспечение устойчивости и работы ЭЭС в нормальных и аварийных режимах.

Производство, распределение и потребление электроэнергии происходят в основном на переменном токе. Частота генерируемого напряжения жестко связана с угловой скоростью вращения синхронного генератора. Поэтому для обеспечения стабильности частоты агрегаты, приводящие во вращение генераторы, снабжаются автоматическими регуляторами частоты вращения. Они, кроме задачи стабилизации частоты, одновременно решают задачу оптимального распределения активной мощности между параллельно работающими генераторами, минимизируя затраты на производство электроэнергии.

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Остановимся более подробно на автоматических системах второго класса, которые по принципу построения подразделяются на замкнутые и незамкнутые, рассмотрев их основные достоинства и недостатки.

Замкнутая система.

Существенной особенностью принципа действия замкнутых автоматических систем является их универсальность. Вне зависимости от причин, появление ошибки вызывает ответное управляющее воздействие – система будет осуществлять автоматическое воздействие на объект управления, как при изменении задающего воздействия, так и при изменении возмущающего воздействия. Это является большим достоинством замкнутых автоматических систем.

Важной топологией построения замкнутых автоматических систем является то, что в них жесткие требования по стабильности характеристик и точности предъявляются только к измерительному элементу управляемой величины. Промежуточное и исполнительное устройства могут иметь характеристики, изменяющиеся в сравнительно широких пределах.

Промежуточное устройство может иметь в своем составе усилитель, чтобы управляющее воздействие было достаточно большим при малых ошибках управления, корректирующие устройства, назначением которых является улучшение динамических свойств системы.

Недостатком замкнутых автоматических систем являются противоречивые требования к их параметрам по соображениям точности и требуемых динамических свойств. Например, для обеспечения требуемой точности необходимо иметь большую величину коэффициента усиления, которая существенно ухудшает динамические свойства системы, что может привести к затянутости переходного процесса и даже к неустойчивой работе системы.