Создание автоматизированной информационно-измерительной системы безопасности электрической энергии как составной части интеллектуальной электроэнергетической. - презентация

1 Создание автоматизированной информационно-измерительной системы безопасности электрической энергии как составной части интеллектуальной электроэнергетической системы России Генеральный директор научно-производственного предприятия "ПРОРЫВ" д.т.н., проф. Тухас Вячеслав Анатольевич 1

2 2 Энергетическая безопасность - состояние защищенности экономики государства и его граждан от угроз надежному обеспечению топливом и электроэнергией; характеризуется тремя главными факторами: -обеспечение экономики достаточным количеством энергоносителей надлежащего качества; (качество электроэнергии) -рациональным использованием энергоресурсов; (энергоэффективность, снижение потерь в энергосистеме за счет увеличения качества электроэнергии) -устойчивостью ТЭК к внешним техногенным и природным угрозам. (электромагнитный терроризм и прогноз технического состояния и надежности энергосистемы через показатели качества электроэнергии) Что объединяет эти факторы? Необходимость организации систематического контроля за состоянием (мониторинг) электрооборудования и энергосистемы в целом.

3 3 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством

4 Характерные виды помех в системе электроснабжения в процессе производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии ПС- подстанции; ЦП – центры питания; ГРЭС – генераторы электростанций; РТП, РП, ТП распределительные трансформаторные подстанции; СК – синхронные компенсаторы; СТК – статические тиристорные компенсаторы; ФКУ – фильтрокомпенсирующие устройства; КБ – конденсаторные батареи; ДСП – дуговые сталеплавильные печи. ( из кн.: Управление качеством электроэнергии/И.И. Карташев и др. – М.: Издательский дом МЭИ, с.). 4

5 Основная цель создания АИИС БЭЭ - развитие инновационных технологий и алгоритмов прогноза режимной надежности в электроэнергетике Перечень критических технологий в электроэнергетике (Минэнерго США, Программа Roadmap 2030): - Полупроводниковые и сверхпроводниковые технологии - Технологии аккумулирования (сохранения и накопления) электроэнергии - Мониторинг энергосистемы в реальном масштабе времени - Силовая электроника 5

6 СПРАВКА В США и Канаде – общенациональная система мониторинга и управления электроэнергией создается с 2003 года по государственной Программе (50 тыс приборов). Основные задачи этой Программы: 1. Прогноз надежности энергосистемы через показатели качества электроэнергии, 2. Безопасность и устойчивость энергосистемы при воздействии естественных и техногенных помех (электромагнитный терроризм), 3. Снижение потерь в энергосистеме, 4. Коммерческое качество электроэнергии (стоимость электроэнергии определяется с учетом ее качества). Программа идет в следующих временных рамках: г.г. – Определение требований к системе на основе развертывания и эксплуатации локальной системы; г.г. – Развитие системы, демонстрация прототипа, развитие стандартов; (у нас с 2005 г. в РЖД идет опытная экспл. Фрагмента системы и его адаптация к треб. заказчика) с 2010 г. – территориальное расширение системы, коммерческое качество электроэнергии, коммерциализация и трансфер технологий (более 3 млн приборов, только в Калифорнии). Эта система в 2007 году защищена патентом США. Почему нужна специализированная система АИИС БЭЭ? Анализ результатов измерений, полученных с помощью системы мониторинга электроэнергии в режиме реального времени в США и Канаде показал, что: - 96% событий в электросети имеют длительность менее 2 секунд, -более 30% простоев технологического оборудования вызваны проблемами с качеством электроэнергии. Подобный подход находит все больше сторонников и в странах Евросоюза, где вначале упор был сделан на создание локальных автоматизированных информационно-измерительных систем в электроэнергетике. Очевидна необходимость принятия подобной Программы в России. 6

7 Нормативы Совета Европейских Органов, Регулирующих Электроэнергию (CEER 2005), различают три аспекта качества при поставках ЭЭ : - качество напряжения (качество электроэнергии, определяемое показателями качества ЭЭ), - коммерческое качество (определяется индивидуальными договорными отношениями поставщика и потребителя электроэнергии), - непрерывность, надежность, гарантированность поставок ЭЭ в соответствии с требованиями потребителя ЭЭ. 7

8 1.Снижение финансовых потерь за счет увеличения качества электроэнергии Состояние качества ЭЭ в точке учета в режиме реального времени характеризуется 8 и более показателями качества электроэнергии. Энергетическая эффективность - характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта. Класс энергетической эффективности - характеристика продукции, отражающая ее энергетическую эффективность (261 – ФЗ). Понятия энергоэффективности оборудования и класса энергоэффективности, уместны лишь для сети с известными показателями качества электроэнергии. СПРАВКА Убытки от «плохого» качества электроэнергии по 16 индустриальным секторам стран Евросоюза составляют 1% от годового товарооборота – это 150 Млрд евро ежегодно; в США - около 200 Млрд долларов ежегодно; по России подобных оценок не проводилось. 8

9 Основные виды финансовых потерь от плохого качества электроэнергии по Евросоюзу цифры приведены в млрд Евро, общие издержки составляют 150 Млрд Евро/год, Источник: Обзор ECI PQ, 2007 Потери рабочего времени Незавершенная продукция Снижение темпов производства Повреждение оборудования Другие издержки 9

10 Основные показатели качества электроэнергии, приводящие к финансовым потерям в Евросоюзе цифры приведены в Млрд Евро, общие издержки составляют 150 Млрд Евро/год, Источник: Обзор ECI PQ, 2007 Провалы и короткие прерывания напряжения Длительные прерывания напряжения Гармоники Импульсные и ВЧ-помехи Фликер, разбаланс фаз, помехи в цепях заземления 10

11 Для обеспечения энергетической безопасности важно создание системы мониторинга в электроэнергетике на базе отечественных технологий и оборудования. Результаты работы нашей системы показаны на следующих слайдах. 11

12 12 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством 1.Регистрация пользователя. При регистрации пользователю присваивается определённая роль. Роль определяет возможности пользователя. «Потребитель» - самая простая роль, выводится информация только об отклонениях и провалах напряжения. «Управленец» - данная роль подразумевает возможность создания различных отчётов. «Диспетчер» - самая подробная информация по всем аспектам работы системы и приборов подключённых к ней. Возможность изменения настроек приборов. Такое разделение прав может быть изменено в будущем. Например можно отображать дополнительную информацию для «опытных пользователей», ввести новую роль «МЧС».

13 13 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством При входе в систему пользователь имеет возможность просмотреть карту с отмеченными на ней устройствами.

14 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень потребителя (провалы / пропадания / перенапряжения) Получение информации по тем параметрам, которые могут принести убытки потребителю.

15 15 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень потребителя (провалы / пропадания / перенапряжения) Установившееся отклонение напряжения (интервал - неделя) Снижается срок службы ламп освещения, так при величине напряжения 1,1·U ном срок службы ламп накаливания снижается в 4 раза.

16 16 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень потребителя (провалы / пропадания / перенапряжения) Установившееся отклонение напряжения (интервал - день) При снижении напряжения на зажимах асинхронного электродвигателя на 15 % момент снижается на 25 %. Двигатель может не запуститься или остановиться.

17 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень управленца (обобщённые данные) Отчёты и наглядная информация в виде графиков интересующих параметров за запрашиваемый период.

18 18 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень управленца (обобщённые данные) Отчёты за интересующий период времени

19 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень диспетчера (детальная информация) Графики всех ПКЭ, протоколы измерений, журнал событий.

20 20 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень диспетчера (детальная информация) Установившееся отклонение напряжения (интервал - неделя) Обобщённый узел нагрузки электрических сетей (нагрузка в среднем) составляет: 10 % специфической нагрузки (например, в Москве это метро 11 %); 30 % освещение и прочее; 60 % асинхронные электродвигатели.

21 21 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень диспетчера (детальная информация) Установившееся отклонение напряжения (интервал - сутки) При снижении напряжения увеличивается потребляемый от сети ток, что влечёт разогрев обмоток и возможность возникновения пожара. При длительной работе на напряжении 0,9·Uном срок службы двигателя снижается вдвое.

22 22 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень диспетчера (детальная информация) Отклонение частоты (интервал - неделя) Повышение частоты может быть вызвано резким уменьшением нагрузки Наиболее чувствительны к изменению частоты вращающиеся машины. Возможен срыв технологического процесса.

23 23 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень диспетчера (детальная информация) Несимметрия напряжения (интервал - неделя) суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит % несимметричной нагрузки. при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K2U = %, срок службы электрической машины снижается на %, а при работе на номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое.

24 24 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень диспетчера (детальная информация) Несимметрия напряжения (интервал - неделя) Коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K0U) одного 9-и этажного жилого дома может составлять 20 %, что в точке общего присоединения может превысить нормально допустимые 2 %.

25 25 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Несинусоидальность напряжения (интервал - неделя) Причина - электроприёмники с нелинейной вольт­амперной характеристикой, например, полупроводниковые преобразователи напряжения для энергоэффективных ламп (СПРАВКА. 35% электроэнергии преобразуется и потребляется на постоянном напряжении.) Неправильно срабатывают устройства управления и защиты

26 26 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень диспетчера (детальная информация) Несинусоидальность напряжения (интервал - неделя) Гармоники являются индикатором типа оборудования (различные сектора производства имеют характерный спектр искажений) и его ресурса (Высшие гармоники взаимодействуют с магнитным потоком электрических машин, в результате возникают вибрации на резонансной частоте ротора. Это приводит к накоплению усталости металла и возможному разрыву ротора.)

27 27 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень диспетчера (детальная информация) Несинусоидальность (интервал - неделя) 9-я гармоника Фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельных линий электропередач, учащаются однофазные короткие замыкания на землю.

28 28 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень диспетчера (детальная информация) Несинусоидальность (интервал - неделя) 22-я гармоника Пробиваются конденсаторы.

29 29 Автоматизированная информационно-измерительная система безопасности электрической энергии, связанной с ее качеством Уровень диспетчера (детальная информация) Провалы напряжения Нарушение нормального хода технологического процесса. Особенно важно для индустриальных секторов с непрерывным производством (металлургия, бумагоделательная, полупроводниковая, телекоммуникации)

30 2. Прогноз технического состояния оборудования и негативных факторов, повышающих риск техногенных аварий в энергосистеме - Мониторинг - Анализа гармоник генерируемых оборудованием токов и напряжений - Использование показателей качества электроэнергии в качестве новых диагностических параметров, характеризующих изменение состояния или режима работы оборудования Результат: 1. Прогнозирование остаточного ресурса оборудования 2. Методы повышения безопасности эксплуатации оборудования, основанные на анализе взаимосвязи его технического состояния с параметрами генерируемых им токов и напряжений. СПРАВКА ( Холдинг МРСК, сентябрь 2010 г.): Средний износ оборудования – 69%, 52% - отслужило нормативный срок, из них около 7% - два срока. 30

31 СПЕКТР ТОКА ПРИ НАЛИЧИИ МЕЖВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ В ОБМОТКАХ СТАТОРА (ПРИМЕР) Исправный электродвигатель Наличие межвиткового замыкания 31

32 3. Противодействие электромагнитному терроризму Электромагнитный терроризм - новый вид террористических действий. Электромагнитный терроризм - злонамеренное генерирование электромагнитной энергии в электрические и электронные системы для преступных целей. Первый национальный стандарт в области электромагнитных воздействий большой мощности – ГОСТ Р –2009 (МЭК : 2004). Прогнозы специалистов - вероятность использования силового деструктивного воздействия по сетям электропитания год от года возрастает. АИИС БЭЭ позволят решить проблему контроля и управления ситуациями в системах энергоснабжения в условиях раздельного и совместного действия электромагнитных факторов природного и техногенного происхождения. Одна из обязательных составляющих защиты - снятие контрольного портрета электросети с помощью специализированных средств измерений после завершения ее монтажа и организация непрерывного мониторинга сети электропитания 32

33 Окупаемость систем мониторинга ЭЭ Каналы возврата денежных средств: - арбитраж - тарифы на ЭЭ - страхование (в данном случае, похоже, не нужна дополнительная нормативная база, важен лишь прецедент как в случае с Майкрософт и школьным учителем!) Кроме того, финансовый результат от применения системы мониторинга ПКЭ складывается из: Снижения потерь электроэнергии. Известно, что - несимметрия и несинусоидальность напряжения приводят к ошибкам при учете электроэнергии счетчиками до ± 40%. - измерения без учета гармонических составляющих приводят к значительному занижению уровней токов, иногда до 40%. Это приводит к тому, что в электроустановках используются проводники недостаточного сечения, и потери энергии увеличиваются на 2-3% от значения величины нагрузки. Дохода за счет штрафных санкций за несоблюдение требований ГОСТ потребителями электроэнергии на производственные нужды, при условии включения этих санкций в Договоры электроснабжения; Сохранение денежных средств от возможных потерь по санкциям потребителей электроэнергии (коммунально-бытовые нужды); Сокращение затрат на ремонт и замену оборудования, вышедшего из строя по причине систематических неконтролируемых событий в сети электропитания. Возмещение исков поставщиками электроэнергии за поставку некачественной электроэнергии. Возмещением страховых случаев по событиям в электросети. Отсутствием потерь, связанных с браком выпускаемой продукции, вызванным плохим качеством электроэнергии. 33

34 Инновационный потенциал АИИС БЭЭ Проект создания и развертывания АИИС БЭЭ содержит все атрибуты СТРАТЕГИЧЕСКОЙ ИННОВАЦИИ: 1. Создание новой потребительской стоимости: - Обеспечение права потребителя на получение электроэнергии надлежащего качества; - Обеспечение доказательной базы для эффективного страхования; - Непрерывный контроль за состоянием износа оборудования; - Информация об аварийных событиях. 2. Новые методы распределения и сбыта электроэнергии: - Цена электроэнергии формируется с учетом ее качества. 3. Выход на новые рынки: - Энергосберегающие технологии; - Прогнозирование отказов технологического оборудования; - Противодействие электромагнитному терроризму. 4. Новые бизнес-модели: - Заказчику продается не оборудование, а информационные услуги. 5. Создание новых рынков: - Рынок информационных услуг по качеству электроэнергии. 34

35 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! Научно-производственное предприятие "ПРОРЫВ" Россия, , г.Петрозаводск, ул.Андропова, д.10 т ф mailto: web page 35