автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Управление режимами электроснабжения судоремонтного предприятия

На правах рукописи

ИВЛЕВ Марк Леонидович

УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СУДОРЕМОНТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Специальность: 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в филиале «СевмашВТУЗ» Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Научный руководитель — кандидат технических наук

Черевко Александр Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Фоминич Эдуард Николаевич

кандидат технических наук

Приходько Валентин Макарович

Ведущая организация — ФГУП ПО «СЕВМАШ»

Защита состоится « М » ^НСйл)? ^ 2006 г. в 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д (Д 212.2^8.03 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Автореферат разослан « Ъ\» _2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета,

Д.т.н., профессор

А.П. Сеньков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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. 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 крупных 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 с целью выбора 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 МаЛаЬ-БтиНпк. 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 (со эф), 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 МаИ^аЬ-БтиПпк) 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;

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 МаЛаЬ^тиНпк.

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 «0кеангео-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 журналах).

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 190 страниц, состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 76 наименований и одного приложения. Работа содержит 100 иллюстраций (включая осциллограммы) и 15 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и решаемые в диссертации задачи.

В первой главе приведены общие сведения об автоматизированных информационно-измерительных системах контроля и учета электропотребления (АИИСКУЭ), отмечены особенности систем коммерческого и технического учета. Обоснован выбор комплекса технических средств (КТС) «Энергия-*-» в качестве базы для построения АИИСКУЭ судоремонтного предприятия. Определен состав функциональных задач АИИСКУЭ (задачи измерения и контроля, задачи учета, вывод информации и отчетность, состав информации энергодиспетчера).

Рассмотрена краткая характеристика системы электроснабжения предприятия, приведена схема электроснабжения, определено место АИИС КУЭ в системе управления электрохозяйством предприятия. АИИСКУЭ обеспечивает автоматический сбор информации о функционировании системы, составляющей структуру электроснабжения объектов предприятия; обработку и распределение информации; формирование управляющих

команд, воздействующих на потребителей 2 и 3 категорий надежности; осуществление функций документирования; выполнение основных функций в масштабе реального времени.

В результате анализа схемы электроснабжения предприятия определен перечень точек коммерческого и технического учета электроэнергии и мощности. Определена структура системы (рис. 1), произведен выбор оборудования и функциональных узлов системы. АИИСКУЭ строится по двухуровневой схеме. Нижний уровень — электронные счетчики с цифровыми и импульсными интерфейсами, осуществляющие непрерывные измерения параметров энергоучета, технические средства для организации выделенных или коммутируемых каналов связи непосредственно с электросчетчиками. Верхний уровень — специализированный вычислительный комплекс (СВК), в состав которого входит информационно-вычислительный комплекс (ИВК), оснащенный техническими средствами для организации выделенных или коммутируемых каналов связи с нижним уровнем, система единого времени, обеспечивающая привязку всех данных АИИСКУЭ к точному астрономическому времени.

Во второй главе в соответствии с поставленной задачей разработана методика прогнозирования электропотребления, целью которого является установление плановой величины заявленной активной мощности предприятия, используемой при расчетах с энергоснабжающей организацией (ЭСО). Данный прогноз является оперативно-тактическим (за расчетный период при прогнозировании принимается один месяц) и не предназначен для целей долгосрочного прогнозирования. Указанный расчетный период принимается исходя из сложившейся практики взаимоотношений потребителя и ЭСО, подразумевающей, в том числе, возможность корректировки величины заявленной мощности на следующий расчетный период.

Эффективность мероприятий по планированию, оптимизации и управлению электропотреблением определяется достоверностью выявленных тенденций изменения графиков нагрузки как отдельных узлов системы электроснабжения предприятия, так и графиков нагрузки предприятия в целом, их взаимной коррелированности. В связи с этим возникает необходимость экспериментальной оценки этих зависимостей, определение достоверных математических моделей графиков нагрузки.

Характерной особенностью судоремонтных предприятий является существенная зависимость графиков электрической нагрузки системы электроснабжения от характера технологического процесса, этапа выполнения производственного графика, зоны рабочей смены, потребителей электроэнергии, подключенных к узлам нагрузки системы, их мощности, количества и режимов работы. Как показали экспериментальные исследования, наблюдается также взаимная зависимость изменения графиков нагрузки узлов системы электроснабжения, что объясняется взаимной согласованностью всех этапов производственного процесса.

Рис. 1. Структурная схема АИИСКУЭ

В работе проведено экспериментальное определение корреляционных характеристик графиков нагрузки отдельных узлов системы электроснабжения цеха — стапельного производства. Проведенные исследования показали, что графики нагрузки узлов системы электроснабжения предприятия характеризуются нестационарными случайными процессами как по математическому ожиданию, так и дисперсии. Важнейшими характеристиками, необходимыми для рационального построения схемы электроснабжения, прогнозирования и управления электропотреблением, является среднее значение, дисперсия й коэффициенты корреляции графиков нагрузки. Для всех узлов нагрузки системы установлены зависимости изменения дисперсии колебаний нагрузки в течений суток и связь ее со средним значением электропотребления. Характерный график изменения средней потребляемой активной мощности М[р] и дисперсии D[p] во времени для одного из узлов системы показан на рис. 2. Видно, что изменение дисперсии колебаний пропорционально изменению среднего значения электропотребления.

Рис. 2. График изменения М[р] и D[p] Математическое ожидание M^fp] и дисперсия D^[p] суммарной нагрузки системы электроснабжения, состоящей из п узлов, равны

D,[ph±Di[pb2YiRu[p]4DMDJ[p\

1=1 /=| • Kj

Следовательно, наличие положительной корреляции приводит к увеличению суммарных колебаний нагрузки системы. Отрицательный коэффициент корреляции, наоборот, снижает суммарную дисперсию нагрузки предприятия. В работе приведен расчет корреляционных и взаимных корреляционных функций узлов нагрузки энергосистемы. В результате проведенного анализа электропотребления цеховых подстанций (узлов нагрузки) установлено: экспериментально полученные корреляционные и взаимные корреляционные функции показали зависимость параметров этих функций от типа потребителей электрической энергии и

вида технологического процесса, а знание корреляционных и взаимных корреляционных функций позволяет использовать их при планировании, прогнозировании и оперативно-диспетчерском управлении

электропотреблением предприятия.

В работе с использованием вероятностно-статистических методов проведен анализ графиков нагрузки предприятия в целом (рис. 3), полученных с помощью АИИСКУЭ (глава 1). В качестве исходных данных здесь использованы уровни потребляемой предприятием в целом мощности, причем для каждых суток имеются усредненные данные за 48 получасовых отрезков времени. Совместное рассмотрение массива таких графиков, полученных для рабочих дней, позволяют сделать вывод об идентичности их формы, одинаковом времени расположения точек максимумов и минимумов нагрузки, что объясняется неизменностью времени начала и окончания рабочего дня и перерывов в течение рабочего дня. Выходные (нерабочие) дни могут быть исключены из рассмотрения, так как потребление мощности в такие дни заметно ниже, чем в рабочие, и не может влиять на установление заявленной мощности.

Рис. 3. График электропотребления предприятия

Определены основные характеристики усредненного графика нагрузки,

м

Еп

а именно: среднее значение графика нагрузки Рс= ^ (Рк — значение нагрузки к — й ступени, М- число ступеней графика), среднеквадратичное

значение Рск=

М

дисперсия графика нагрузки БР=Р2

- Р2

среднеквадратическое отклонение графика аР=-/5р, коэффициент формы графика Кф=Рск/Рс, коэффициент максимума графика КМ=РМ/РС, коэффициент заполнения графика нагрузки К3=РС/РМ, коэффициент неравномерности Кн=Рт;п/Рм, модель графика нагрузки (рис. 4), автокорреляционная функция модели (рис. 5).

РШ

р1

р2

Щ/З

ьуз

ьуз

Рис. 5. Автокорреляционная функция модели графика нагрузки Полученные результаты позволяют определить функцию распределения Р(Р), являющуюся неубывающей функцией мощности (рис 6).

Оценка вида распределения осуществляется с использованием критерия статистики Колмогорова-Смирнова, путем сравнения его со значениями, приводимыми в справочной литературе, в результате чего определяется степень сходимости эмпирического и теоретического распределений. Вычисляя корреляционные коэффициенты графиков нагрузки, снятых при наличии различных внешних факторов, а также графиков, снятых в

различных узлах энергосистемы, можно прогнозировать электропотребление предприятия.

1

Ршш Ртах

Рис. 6. Функция распределения

Предлагаемый метод выполнения прогноза электропотребления промышленного потребителя основан на использовании коэффициентов корреляции, которые находятся путем статистической обработки архивных массивов данных, описывающих процесс электропотребления конкретного предприятия. В качестве базиса для выполнения прогноза на любой период времени используется усредненный график электропотребления за прошедший полный («базовый») год. Базовый график имеет форму, характерную для любого рабочего дня, и в зависимости от конкретных условий периода прогнозирования корректируется для определения точных параметров электропотребления, т.е. сдвигается по оси мощности для определения максимальной потребляемой мощности и масштабируется по оси времени для определения времени достижения максимумов электропотребления.

В предлагаемом методе все многообразие факторов, влияющих на потребление электроэнергии, учитывается путем введения в рассмотрение совместно с усредненным базовым графиком четырех корректирующих коэффициентов — месячного „ коэффициента (Км), температурного коэффициента (Кт), коэффициента загрузки основного производства (К3) и коэффициента режима работы (КР). Для любых начальных условий, определяемых параметрами периода прогнозирования, указанные коэффициенты имеют свои значения и, будучи выраженными в абсолютных единицах (мощности и времени), однозначно изменяют положение базового графика в системе координат «время-мощность», превращая его таким образом в искомый прогноз электропотребления. Определение обоснованности выбора таких коэффициентов производилось методами математической статистики (в целом аналогично исследованиям для узлов нагрузки, рассмотренным выше).

Процесс вычисления численных значений коэффициентов производится при помощи специально разработанного для этой цели

программного обеспечения ПЭВМ в среде в Delphi 6, работающей по представленному на рис. 7 алгоритму.

Рис. 7. Алгоритм автоматизированного выполнения прогноза В третьей главе с целью решения проблемы компенсации реактивной мощности в сетях судоремонтного предприятия предлагается использовать компенсатор реактивной мощности дискретного типа (КРМ ДТ), упрощенная структура которого показана на рис. 8. шины питания

КБ1 КБ2 КБЗ КБ4

Рис. 8. Структура КРМ ДТ

Силовая часть компенсатора состоит из четырех секций конденсаторных батарей (КБ1, КБ2, КБЗ, КБ4) с соотношением мощностей 1:2:4:8, при этом конденсаторы каждой секции включены треугольником. Каждая из секций конденсаторов подключается к сети посредством последовательно соединенных с ними бесконтактных коммутаторов, выполненных на основе бесконтактных ключевых элементов (ТК1, ТК2, ТКЗ, ТК4). Такая организация силовой части КРМ позволяет, во-первых, значительно сократить количество коммутационно-защитной аппаратуры, во-вторых, обеспечить 15 (с нулевым уровнем — 16) ступеней регулирования реактивной мощности компенсатора, обеспечивая достаточно плавное изменение мощности при широком диапазоне регулирования. Важнейшей особенностью предлагаемого компенсатора реактивной мощности по сравнению с применяемыми в настоящее время устройствами является то, что с целью исключения бросков тока в КБ при коммутациях, подключение конденсаторов к сети происходит не в произвольный момент времени, а в момент равенства мгновенного напряжения сети и остаточного напряжения на конденсаторах. Диаграмма, поясняющая работу КРМ ДТ и показывающая изменение величины реактивной мощности устройства, приведена на рис. 9.

Щ

i I I I I

i I I I I I I '

I I I I

i m

( 1 г

'I

I I «

tí 4(1

'Vil

Рис. 9. Диаграммы, поясняющие работу КРМ ДТ

В работе произведен расчет силовой схемы КРМ ДТ, выбор транзисторных коммутаторов секций КБ.

Для схемы замещения компенсатора реактивной мощности (КРМ) составлена система дифференциальных уравнений, которая преобразована к виду (1) (здесь еа, Ь) с, L^ ь, с> га, ъ, с — соответственно фазные э.д.с., индуктивности и активные сопротивления питающей сети; Саь, ьс, са — эквивалентные емкости ИРМ, rab(t), rbc(t), rca(t) — нелинейные сопротивления, принимающие два значения — 0 или о^ с помощью которых осуществляется связь между установившимся и аварийным режимом работы КРМ. В общем случае r(t) включается в линии или параллельно емкостям КРМ).

= 1С ,d2u с d2ucca + rC \ ducab duchc du„„

dt2 dt2 dt2 dt dt dt

= гг. IV V d2ucah d2ucca + rC \ ducbc ducab ducca

dt2 dt2 dt2 L dt dt dt

= I.C ' d2ucca 2-f2-- d\oh d2ucbc + rC оduоса ducab ducbc

dt2 dt2 dt2 dt dt dt

+ СГаЬ (О + " + Crca(t)-

Л

dt

du„.

МО

dt

J

После преобразований и нормализации (1) в работе получены выражения, позволяющие определять мгновенные значения напряжений на конденсаторах и мгновенные токи и падения напряжений во всех элементах схемы замещения питающей сети и КРМ.

В четвертой главе для осуществления процесса управления КРМ ДТ, обеспечения высокого качества и автоматизации процесса компенсации разработана система управления (СУ), выполненная на базе микроконтроллера типа КР1816ВЕ51.

Структурная схема СУ представлена на рис. 10. Система управления включает в себя датчик угла сдвига фаз между напряжением и током ДУ, датчик активного тока ДАТ, блок синхронизации с сетью БСС, расчетно-задающее устройство РЗУ, формирователь импульсов ФИ, четыре аналогичных модуля управления МУ, состоящих из датчиков равенства напряжения ДРН и выходных устройств ВУ. Выходной сигнал ВУ поступает на транзисторные ключи ТК, выполняющие функцию силовых коммутаторов секций конденсаторных батарей КРМ ДТ и реализованные на базе ЮВТ-транзисторов. ДУ предназначен для выработки сигнала информации о величине угла «ф» сдвига фаз тока и напряжения одной (опорной) фазы сети;

Рис. 10. Структурная схема системы управления КРМ ДТ

ДАТ определяет величину активной составляющей тока опорной фазы. РЗУ выполнено на базе однокристального микроконтроллера типа КР1816ВЕ51 и является основной частью системы управления; оно обрабатывает получаемую от остальных блоков системы информацию в соответствии с заданным алгоритмом и вырабатывает управляющие сигналы для коммутации ключей силовой части КРМ ДТ. БСС формирует синхронизированные с сетью управляющие импульсы для ТК, поступающие в ФИ. ФИ коммутирует управляющие импульсы, получаемые от РЗУ, на соответствующие МУ. ДРН предназначен для выработки сигнала в момент равенства мгновенного значения соответствующего линейного напряжения сети и остаточного напряжения на конденсаторе, который является наиболее благоприятным для коммутации конденсаторных батарей (коммутация в этот момент времени позволяет исключить переходные процессы в конденсаторах). ВУ обеспечивает необходимые для надежного управления ТК параметры управляющих импульсов, а также защиту ТК от перегрузок и коротких замыканий.

Разработанный алгоритм работы СУ обеспечивает высокое качество процесса компенсации, не допускает перекомпенсации реактивной мощности, оперативно реагирует на возникновение в энергосистеме аварийных режимов. Отличительной особенностью алгоритма работы СУ является его нечувствительность к резким и внезапным колебаниям тока в сети при включении/отключении мощных потребителей, что исключает ошибки при работе СУ. Это достигается за счет использования в РЗУ значений измеряемых величин, усредненных и мало меняющихся в течение определенного промежутка времени.

В пятой главе исследованы особенности резонансных явлений в электроэнергетических системах при питании кораблей с берега, когда система электроснабжения содержит мощные полупроводниковые преобразователи, для чего рассмотрены частотные характеристики условно-типовой системы электроснабжения с КРМ ДТ с целью выбора параметров компенсатора. Наличие в электроэнергосистеме (ЭЭС) мощных тиристорных преобразователей (ТПр) приводит к появлению в питающей сети высших гармоник тока и напряжения, в силу чего в контуре силовой трансформатор (СТ) — КБ могут возникать резонансные явления, вызывающие резкое ухудшение режима работы всей ЭЭС. Наибольшую опасность представляют резонансы токов в контурах между реактансами фаз СТ и емкостными реактивными сопротивлениями КБ.

В соответствии с составленной схемой замещения ЭЭС установлены соотношения, определяющие частоту резонанса токов в контуре СТ-КБ и порядок гармоники, на которой возможен резонанс токов. Учитывая возможность дискретного изменения емкости КБ, были рассчитаны зависимости Ск6=Г(хт), представленные на рис. 11. Из анализа зависимостей СКб=А(хт) следует, что практически для большей части СТ и типовых КБ существует возможность резонанса токов на высших гармониках с

порядковыми номерами от 5 до 19. Так, например, в ЭЭС с трансформатором типа ТМ-1000 (Рт=1000 кВт, ин=400 В, хт=0,019 Ом) при использовании от одной до трех КБ конденсаторов типа КС-2-0,4-30-ТМ емкостью по 597 мкФ каждая возможны резонансы токов на гармониках, порядки которых лежат в пределах 1> = 9-17.

5000

МОО

3000

2000

т>

о

?-5

\ Л^ ^ / н

п

1 гГ V/

0,<5

0,05 &

Рис. 11. Зависимость между емкостью КБ и реактансом СТ Из проведенного анализа следует, что подключение к ЭЭС, питаемой от СТ типа ТМ-1000, АД мощностью Рад=50 кВт приводит к изменению индуктивного сопротивления примерно на 10%. Следовательно, при мощности АД, достигающей 5% от мощности СТ, уже может быть необходим учет его влияния на полный реактанс сети.

Изменение индуктивного сопротивления сети приводит к изменению величин гармоник тока, генерируемых ТПр в питающую сеть, и к смещению резонансной частоты параллельного резонансного контура СТ-КБ. Как известно, угол коммутации у определяется по известному значению выпрямленного тока 1,1 и полному сопротивлению коммутации хк из соотношения:

л/ЗЕ

Ч ~

Ь =-—вш—бш а + —

О - . ■ О . (2)

^к 2 V 2,

Полагая, что угол управления ТПр а — 0, и считая, что при подключении АД ток на выходе ТП не изменяется, из (2) получим:

2

.2 У

_2_, (3)

хк хк

где х'К, У " новые значения коммутационного реактанса питающей сети и угла коммутации после включения АД.

Для судовых ТПр угол коммутации обычно не превышает 15-20 эл.гр.,

у у

поэтому без большой погрешности можно считать бш^ « —, тогда из (3):

(4)

Расчеты, выполненные для случая подключения на шины питания АД мощностью 50% от мощности СТ, показывают, что угол коммутации при этом изменяется не более чем на 15-20%. Это позволяет для приближенной оценки изменения гармоник тока ТПр в случае подключения асинхронной нагрузки воспользоваться простым соотношением:

. vy'

Sm_2~

^mv = Imv уу > (5)

sin— 2

где Imy — амплитуда v -й гармоники тока ТПр при отключенном АД.

Если, как и в предыдущем случае, пренебречь влиянием активных сопротивлений на резонансную частоту, то после несложных преобразований можно показать, что частота резонанса токов в ЭЭС при подключении АД связана с собственной частотой контура СТ-КБ следующим соотношением:

11 + -^-. (6)

ад

Порядок высшей резонансной гармоники в этом случае равен:

^ _ i (хт +хад)хс

р 11 х^ "V

1+—• (7)

ад

Полагая в первом приближении, что мощность АД составляет 70% от мощности СТ, кратность пускового тока Кп=6 и созфАд ^собФ,- найдем, используя (7), отношение:

^=и"С°5Р'"-К'Р"=0,5-0,6, (8)

где хх 0.е. — среднее относительное значение реактанса СТ, равное 0,14 о.е.

Из (8) следует, что подключение к шинам питания эквивалентного АД, имеющего мощность в 70% от мощности СТ, изменяет резонансную частоту системы всего на 22-27%.

В реальных ЭЭС суммарная мощность АД обычно не превышает 70% от мощности СТ, на основании чего можно сделать вывод, что при подключении АД наибольшие изменения резонансной частоты не превысят 30%, что позволяет производить достаточно точную инженерную оценку

возможности возникновения резонансных режимов в ЭЭС без учета АД, то есть только в контурах СТ-КБ.

Проверка возможности резонансных явлений в электроэнергосистеме энергоблока, ЭЭС которого включает шесть трансформаторов типа ТМ-730, три эквивалентных двенадцатифазных преобразователя BAK3C-500-330, а также КБ суммарной мощностью 200 кВАр показала, что при работе двух СТ, ТПр и КБ в системе возможен резонанс на 7-ой гармонике.

При выборе емкости следует также принимать во внимание частотные характеристики узла питающей сети во избежание возможности возникновения нежелательных резонансных режимов в контурах, образуемых емкостью КБ и индуктивностями элементов системы, в первую очередь — индуктивностью питающего трансформатора. Для схемы замещения ЭЭС с КРМ ДТ (для первой гармоники), с учетом дискретности включения секций КБ, собственная резонансная частота (со0) параллельного контура «индуктивность трансформатора — емкость КБ» определяется как

= \L с »

У'-'ТР^КБ

и так как емкость КБ может изменяться в пределах С1<СКБ <,\5С1, то собственная резонансная частота узла питающей сети будет изменяться в пределах со0Гтт < со0Т < ео0Гтах, причем частота WoTmax соответствует емкости Ci, a WoTmin — емкости 15Сь

Так как цеховая трансформаторная подстанция в общем случае содержит полупроводниковый преобразователь, являющийся источником высших гармоник тока, в работе проведен анализ схемы замещения подстанции для высших гармоник. При этом установлено, что емкость КБ на высших гармониках соответствует значениям емкости, вычисленным на частоте первой гармоники. В силу имеющего место соотношения Хтр«Хад резонанс на высших гармониках, как и на первой, может возникать в контуре «индуктивность Тр — емкость КБ».

Из анализа АЧХ параллельного колебательного контура следует, что в диапазоне частот от 0 до co0tv параллельный контур обладает индуктивной, а после cootv — емкостной реакцией. При полной компенсации реактивной мощности в сети имеет место резонанс токов (cos0=l), что нежелательно из-за сверхтоков, возникающих в контуре «Тр - КБ». Следовательно, выбор емкости КБ необходимо проводить исходя из условия, что рабочая частота сети должна выбираться из соотношения вида

1

03 < ¿Vmin = / .

V TP max

В шестой главе проведен анализ условно-типовой системы электроснабжения с КРМ ДТ, для нее составлена система интегро-дифференциальных уравнений, на основании которой в программной среде MatLab-Simulink составлена и исследована математическая модель ЭЭС с КРМ ДТ. Общий вид модели показан на рис. 12.

Проведенные на модели исследования показывают соответствие результатов моделирования теоретическим положениям, изложенным в предыдущих разделах работы.

В седьмой главе приведены результаты исследования опытного образца КРМ ДТ в статических и динамических режимах, в том числе аварийных. Как следует из осциллограмм, представленных в диссертационной работе, длительность переходных процессов при включении и отключении КБ в произвольные моменты времени не превышает четверти периода, т.е. 5-10"3 с, при этом скачки тока не превышают удвоенного амплитудного значения тока установившегося режима.

Рис. 12. Модель условно-типовой ЭЭС в среде МаЛаЬ-БтиНпк

При искусственном обрыве цепи управления от формирователя импульсов (рис. 10) был смоделирован аварийный режим работы компенсатора. В этом случае первоначальный бросок тока в КБ не превысил удвоенного амплитудного значения тока установившегося режима, а длительность переходного процесса оказалась не более 5 миллисекунд.

На основании проведенных экспериментов можно сделать выводы об эффективности работы компенсатора реактивной мощности дискретного типа и о надежной работе системы управления компенсатором.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные и практические результаты.

На основе проведенных исследований разработан комплекс мероприятий, совокупность которых направлена на совершенствование процесса управления электроснабжением судоремонтного предприятия, а именно:

1) разработана и обоснована методика прогнозирования величины заявленной мощности судоремонтного предприятия, внедрение которой позволяет добиться экономического эффекта в виде снижения оплаты заявленной мощности.

2) получены аналитические соотношения, позволяющие оценить возможность резонансных явлений в узле питающей сети и выбрать параметры компенсатора реактивной мощности с учетом характеристик питающей сети;

3) разработана математическая модель КРМ ДТ, адекватно отражающая реальные электромагнитные процессы процесса компенсации реактивной мощности;

4) разработана микропроцессорная система управления компенсатором реактивной мощности дискретного типа и алгоритм ее работы;

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.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ивлев М.Л., Черевко А.И. Автоматизация учета и контроля потребленной электроэнергии на промышленном предприятии. // Проблемы корабельной электротехники, автоматики и электроники. Сборник статей. -Северодвинск, РИО СевмашВТУЗа, 2002, с. 12-15.

2. Ивлев М.Л., Черевко А.И. Разработка методики прогнозирования электропотребления промышленного предприятия. // Вестник Уральского государственного технического университета — УПИ № 5 (25) «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электро-механические системы». - Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2003, часть 2, с. 263-265.

3. Ивлев М.Л., Черевко А.И., Лимонникова Е.В. Исследование эффективности применения компенсатора реактивной мощности дискретного типа в сетях электроснабжения промышленного предприятия. // Сборник докладов VIII РНТК «ЭМС-2004» - СПб., 2004, с. 201-205.

4. Ивлев М.Л., Черевко А.И. Прогнозирование электропотребления промышленного предприятия. // Вопросы технологии, эффективности

производства и надежности. Выпуск № 20. Сборник статей. — Северодвинск, РИО СевмашВТУЗа, 2004, с. 16-19.

5. Черевко А.И., Лимонникова Е.В., Ивлев М.Л. Исследование особенностей применения компенсатора реактивной мощности дискретного типа в сетях электроснабжения судоремонтного предприятия. // Сборник докладов V МНТК «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2004, с. 241-244.

6. Ивлев М.Л., Черевко А.И. К вопросу о разработке измерителя активного тока цифровой системы управления компенсатором реактивной мощности. // Проблемы корабельной энергетики и электроники. Сборник статей. - Северодвинск, РИО СевмашВТУЗа, 2005, с. 47-51.

7. Ивлев М.Л., Черевко А.И. Экспериментальная установка для исследования компенсатора реактивной мощности дискретного типа. // Электро. Электротехника электроэнергетика, электротехническая промышленность, М., № 3, 2005, с. 30-32.

8. Ивлев М.Л., Черевко А.И. Микропроцессорная система управления компенсатором реактивной мощности дискретного типа. // Сборник тезисов докладов РНТК «0кеангео-2005», Северодвинск, 2005, с. 28-29.

9. Лимонникова Е.В., Ивлев М.Л., Черевко А.И. Математическая модель компенсатора несимметрии и реактивной мощности дискретного типа. // Сборник тезисов докладов РНТК «0кеангео-2005», Северодвинск, 2005, с. 3031.

10. Ивлев М.Л., Черевко А.И. Математическая модель системы электроснабжения с компенсатором реактивной мощности дискретного типа в MatLab-Simulink. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 6366. Программа зарегистрирована во ВНТИЦ РФ, per. № 50200600942 от 15.06.2006 г.

11. К вопросу выбора параметров компенсатора реактивной мощности дискретного типа для цеховых подстанций судоремонтного предприятия. // Сборник докладов IX РНТК «ЭМС-2006» - СПб., 2006, с. 541-545.

12. Применение компенсатора реактивной мощности дискретного типа для управления режимами работы цеховых подстанций судоремонтного предприятия. // Технологии ЭМС, М., № 4,2006, стр. 38-43.|

РИО СевмашВТУЗа Подписано в печать 10.10.2006 г. Зак. 245. Тир. 100. 1,3 печ. листа

Список >слоимых обозначений.

Введение.

Глава 1. Автоматизировании» система контроля, учета и анализа элсктропотрсблении судоремонтного предприятия.

1.1. Общие сведения об АИИС КУЭ.

1.2. Определение типа и состава функциональных задач АИИС КУЭ.

1.3. Краткая характеристика системы электроснабжения предприятия и жилмассива о. Ягры г. Северодвинска.

1.4. Место АИИС КУЭ в системе управления электрохозяйством предприятия.

1.5. Возможности АИИС КУЭ на базе КТС «Энергия+».

1.6. Определение структуры АИИС КУЭ судоремонтного предприятия.

1.7. Определение точек учета электроэнергии.

1.8. Организация измерительных каналов.

1.9. Структурная схема АИИС КУЭ.

1.10. Выбор элементов и функциональных узлов АИИС КУЭ. Выбор элементов нижнего уровня.

1.11. Выбор элементов и функциональных узлов АИИС КУЭ. Выбор элементов верхнего уровня.

1.12. Выбор элементов каналов связи.

1.13. Определение необходимого количества оборудования.

Выводы но главе 1.

Глава 2. Разработка методики прогнозирования элестропотреблепия.

2.1. Анализ статистических характеристик электропотреблепия стапельного цеха судоремонтного производства.

2.2. Анализ графика электропотребления предприятия.

2.3. Прогнозирование электропотреблепия судоремонтного предприятия.

2.4. Автоматизация прогнозирования.

2.5. Экономический эффект внедрения методики прогнозирования электропотреблепия судоремонтного предприятия.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Компенсатор реактивной мощности дискретного типа и его математическое описание.

3.1. Компенсатор реактивной мощности дискретного типа.

3.2. Расчет силовой схемы статического компенсатора реактивной мощности дискретного типа.

3.3. Подключение компенсатора к сети электроснабжения.

3.4. Модель статического компенсатора реактивной мощности.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Система управления компенсатором реактивной мощности дискретного типа.

4.1. Функциональная схема системы управления и общие принципы ее работы.

4.2. Расчслю - задающее устройство.

4.3. Датчик активного тока.

4.4. Датчик угла.

4.5. Блок синхронизации с сетью.

4.6. Формирователь имп>льсов.

4.7. Датчик равенства напряжений.

4.8. Выходное >стройство.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Особенности резонансных явлений в электроэнер1етических системах питания кораблей с берега. Выбор параметров компенсатора реактивной мощности.

5.1. Особенности резонансных явлений в электроэнергетических системах питания кораблей с берега с полупроводниковыми преобразователями.

5.2. Частотные характеристики условно-типовой системы электроснабжения с КРМ ДТ и выбор параметров компенсатора.

Выводы но главе 5.

Глава 6. Математическое моделирование и исследование режимов работы компенсатора реактивной мощности дискретного типа.

6.1. Аналитическое описание системы электроснабжения, содержащей емкостный источник реактивной мощности для создания ее модели в среде MatLab-Simulink.

6.2. Модель условно-типовой системы электроснабжения в MatLab-Simulink.

6.3. Моделирование режимов работы системы электроснабжения с компенсатором реактивпои мощности дискретною типа.

Выводы по главе 6.

Глава 7. Экспериментальное исследование компенсатора реактивной мощности дискретного типа.

7.1. Экспериментальное исследование лабораторного образца компенсатора в статических режимах.

7.2. Экспериментальное исследование опытного образца компенсатора реактивной мощности дискретного типа в статическом и динамическом режимах.

Выводы по главе 7.

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 крупных 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 (cos ф), 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 «0кеангео-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.

Выводы по главе 7

В данной главе рассмотрены результаты практического исследования физических образцов компенсатора реактивной мощности дискретного типа как в статическом, так и в динамическом режимах его работы.

Приведены принципиальная схема исследовательского стенда, основные результаты исследований, графики и осциллограммы.

На основании проведенных экспериментов можно сделать выводы об эффективности работы компенсатора реактивной мощности дискретного типа и о надежной работе системы управления КРМ ДТ.

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные и практические результаты.

На основе проведенных исследований разработан комплекс мероприятий, совокупность которых направлена на совершенствование процесса управления электроснабжением судоремонтного предприятия, а именно:

- разработана и обоснована методика прогнозирования величины заявленной мощности судоремонтного предприятия, внедрение которой позволяет добиться экономического эффекта в виде снижения оплаты заявленной 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 микропроцессорная система управления компенсатором реактивной мощности дискретного типа и алгоритм ее работы;

- разработана математическая модель КРМ ДТ, адекватно отражающая реальные электромагнитные процессы процесса компенсации реактивной мощности.

Теоретические результаты подтверждаются математическим моделированием, выполненным на ПЭВМ в среде MatLab-Simulink. Достоверность теоретических положений подтверждена практическим использованием методики прогнозирования количественных характеристик электронотребления и исследованием опытных образцов КРМ ДТ, разработанных на основе положений данной диссертационной работы.

1. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. М.: Радио и связь, 1990.

2. Беляев Н.М., Давыдов А.Р., Дьячков А.И. Автоматизированная система коммерческого учета и финансовых расчетов с потребителями розничного рынка электроэнергии. //Промышленная энергетика, № 1-2005, с. 2-6.

3. Беркович М.А., Гладышев В.А., Семенов В.А. Автоматика энергосистем. М.: Энергоиздат, 1991.

4. Бессонов J1.A. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973.

5. Вадзинский P.II. Справочник но вероятностным распределениям. СПб.: Наука, 2001.

6. Воскобойников Д.М. Компенсация реактивной мощности в промышленных электрических сетях. Рига: ЛатНИИПТИ, 1982.

7. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. М.: Энергоатомиздат, 1987.

8. Гительсон С.М. Экономические решения при проектировании электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергия, 1971, 256 с.

9. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 2002.

10. Головкин П.И. Энергосистема и потребители электрической энергии. М.: Энергоатомиздат, 1984.

11. Гордеев В.И. Регулирование максимума нагрузки промышленных электрических сетей. М.: Энергоатомиздат, 1986.

12. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

13. Гуртовцев A.JI. О происхождении и значениях термина «АСКУЭ». //Промышленная энергетика, № 8-2003, с. 5-6.

14. Дикмаров С.В., Садовский Г.Г. Регулирование мощности при производстве и потреблении электроэнергии. Киев: Техшка, 1981.

15. Елисеев Ю.В., Сердюков О.В., Скворцов A.II. Направления разработки и внедрения современных АСУ ТП для объектов энергетики. //Промышленная энергетика, № 7-2005, с. 6-13.

16. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности в сложных электрических системах. М.: Энергоиздат, 1981.

17. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии. М.: Энергоатомиздат, 1985.

18. Забелло Е.П. О проблемах модернизации основных производственных фондов в энергетике и создания систем автоматизированного электроучета. //Промышленная энергетика, № 4-2006, с. 51-54.

19. Забелло Е.Г1., Гуртовцев A.JI., Гурчик М.Е. и др. Опыт внедрения иерархических сетей контроля и учета энергии. //Промышленная энергетика, № 11990.

20. Забелло Е.П., Евсеев A.II. Особенности расчета регулируемых тарифов и цен на розничном (потребительском) рынке для потребителей регуляторов электрической энергии. //Промышленная энергетика, № 9-2005, с. 2-6.

21. Загорский Я.Т., Курбашалиев У.К. Сборник нормативных и методических документов по измерениям, коммерческому и техническому учету электрической энергии и мощности. М.: НЦ ЭПАС, 2002.

22. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нету шил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. M.-JI.: Госэнергоиздат, 1963.

23. Иванов B.C., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатом-издат, 1987.

24. Ивлев M.J1., Черевко А.И. Автоматизация учета и контроля потребленной электроэнергии на промышленном предприятии. // Проблемы корабельной электротехники, автоматики и электроники. Сборник статей. Северодвинск, РИО СевмашВТУЗа, 2002, с. 12-15.

25. Ивлев M.J1., Черевко А.И., Лимонникова Е.В. Исследование эффективности применения компенсатора реактивной мощности дискретного типа в сетях электроснабжения промышленного предприятия. // Сборник докладов VIII РНТК «ЭМС-2004» СПб., 2004, с. 201-205.

26. Ивлев M.JT., Черевко А.И. К вопросу о разработке измерителя активного тока цифровой системы управления компенсатором реактивной мощности. // Проблемы корабельной энергетики и электроники. Сборник статей. Северодвинск, РИО СевмашВТУЗа, 2005, с. 47-51.

27. Ивлев М.Л., Черевко А.И. Микропроцессорная система управления компенсатором реактивной мощности дискретного типа. // Сборник тезисов докладов РНТК «0кеангео-2005», Северодвинск, 2005, с. 28-29.

28. Ивлев М.Л., Черевко А.И. Прогнозирование электропотребления промышленного предприятия. // Вопросы технологии, эффективности производства и надежности. Выпуск № 20. Сборник статей. Северодвинск, РИО СевмашВТУЗа, 2004, с. 16-19.

29. Ивлев М.Л., Черевко А.И. Экспериментальная установка для исследования компенсатора реактивной мощности дискретною типа. // Электро. Электротехника электроэнергетика, электротехническая промышленность, М., № 3, 2005, с. 30-32.

30. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1987.

31. Калантаров П.Л., Нейман Л.Р. Теоретические основы электротехники. Часть вторая. Теория цепей переменного тока. M.-JI.: Госэнергоиздат, 1959.

32. Кильдишев Г.С., Френкель А.А. Анализ временных рядов и статистика. М.: Статистика, 1973.

33. Ковалев ИЛ I. Выбор компенсирующих устройств при проектировании электрических сетей. М.: Энергоатомиздат, 1990.

34. Колпаков Л. Применение IGBT. //Электронные компоненты, №1-1996.

35. Конюхова Е.Л., Титова Г.Р. Влияние параметров режимов и элементов системы электроснабжения предприятий на дисконтированные затраты при проектировании. //Промышленная энергетика, № 7-2005, с. 21-26.

36. Кочкин В.И., Нечаев О.П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М.: НЦЭНАС, 2000.

37. Кочкин В.Н., Обязуев А.И., Фокин В.К. Статические тиристорные компенсаторы для электрических сетей высокого и сверхвысокого напряжения. //Электрические станции, № 11-1993, с. 20-24.

38. Кудрин Б.И., Лагуткин О.Е. Прогнозирование электропотребления многономенклатурных производств на основе анализа продолжительных временных рядов в условиях нестабильных объемов выпуска продукции. //Промышленная энергетика, № 5-2003, с. 25-28.

39. Лимонникова Е.В., Ивлев М.Л., Черевко А.И. Математическая модель компенсатора несимметрии и реактивной мощности дискретного типа. // Сборник тезисов докладов РНТК «0кеангео-2005», Северодвинск, 2005, с. 30-31.

40. Льюис К.Д. Методы прогнозирования экономических показателей. М.: Финансы и статистика. 1986.

41. Методические указания по контролю и анализу электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 1. Контроль качества электрической энергии. РД 153-34.0-15.501-00. М.: Энергосервис, 2004.

42. Методические указания по контролю и анализу электрической энер1ии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии. РД 153-34.0-15.502-2002 ФР. 1.34.2003.00822. М.: Энергосервис, 2003.

43. Методы оптимизации режимов энергосистем. /Под ред. В.М. Горнштейна. М.: Энергоиздат, 1981.

44. Нечитайлов В.Ю., Вилесов И.А. Прогнозирование сбытовых показателей деятельности энергосистемы с помощью аппарата нейронных сетей. //Промышленная энергетика, № 4-2002, с. 2-8.

45. Новые модели однофазных счетчиков. //Энергосбережение, № 2-2006, с. 44.

46. Общая теория статистики /Под ред. A.M. Гольдберга, B.C. Козлова. М.: Финансы и статистика, 1985.

47. Овчаренко Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем. М.: НЦ ЭНАС, 2000.

48. Осика Л.К. Критерии расстановки измерительных комплексов для коммерческого учета на оптовом рынке электроэнергии. //Промышленная энергетика, № 4-2003, с. 7-20.

49. Осика JI.K. Метрологические проблемы создания измерительных систем для целей коммерческого учета на оптовом рынке электроэнергии. //Промышленная энергетика, № 9-2003, с. 2-11.

50. Осика JI.K. Принципы создания автоматизированных систем управления электроснабжением территориально распределенных потребителей. //Промышленная энергетика, № 4-2004, с. 9-13.

51. Правила устройства электроустановок. Изд. 6. М.: Энергоатомиздат, 1985, 640 с.

52. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Пер. с англ. В 2-х томах. М.: Постмаркет, 2001.

53. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Физматлит, 2002.

54. Розенблюм Ф.М. Измерительные органы противоаварийной автоматики энергосистем. М.: Энергоиздат, 1981.

55. Романов A.II. Политика энергосбережения в вопросах компенсации реактивной мощности. //Промышленная энергетика, № 11-1992, с. 41-42.

56. Севастьянов Б.Г. Алгоритм перспективного прогноза для систем учета электропотребления. //Промышленная энергетика, № 7-2004, с. 7-11.

57. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. Часть 1. Электронные устройства информационной автоматики. / Под общ. ред. А.А. Краснопрошиной. Киев: Вща школа, 1989.

58. Справочник по электроустановкам промышленных предприятий. Том 1. проектирование электроустановок промышленных предприятий. Под ред. Я.М. Большама, В.А. Грачева, M.J1. Самовера. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.

59. Статические источники реактивной мощности в электрических сетях /В.А. Веников, J1.A. Жуков, И.И. Карташев, Ю.Г1. Рыжов. М.: Энергия, 1975.

60. Статические компенсаторы для регулирования реактивной мощности / Под ред. P.M. Матура: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1987.

61. Таряник Н.А. Математические модели прогнозирования расхода электрической энергии с учетом сезонного фактора. //Промышленная энергетика, № 12-1992, с. 22-25.

62. Тенденции компенсации реактивной мощности. Часть 2. Методы и средства компенсации реактивной мощности. Обзорная информация. М.: Инфор-мэлектро, 1988.

63. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. /Пер. с нем. Под ред. А.Г. Алексеенко. М.: Мир, 1982.

64. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. /Пер. с англ. Под ред. М.В. Гальперина. М.: Мир, 1983.

65. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. /С.В. Якубовский, Л.И. Писсельсон, В.И. Кулешова и др. М.: Радио и связь, 1990.

66. Четыркин Е.М. Статистические методы прогнозирования. 2-е изд., пере-раб. и доп. М.: Статистика, 1977.

67. Шило B.JI. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. 2-е изд., испр. Челябинск: Металлургия, Челябинское отд., 1989.

68. Широков А.В., Вербицкий А.С. Организация измерений потребления энергоресурсов. //Энергосбережение, № 2-2006, с. 30-34.

69. Щелкунов Н.П., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и системы. М.: Радио и связь, 1989.

70. Электрические нагрузки промышленных предприятий. /С.Д. Волобрин-ский, Г.М. Каялов, ГШ. Клейн и др. JL: Энергия, 1971.

71. Электроника. Справочная книга. /Под ред. Ю.А. Быстрова. СПб., Энерго-атомиздат, 1996.

72. Электротехнический справочник. Том 1. М.: Энергоатомиздат, 1986.

73. Электротехнический справочник. Том 2. М.: Энергоатомиздат, 1986.76. http://np-ats.ru. Сайт НП «Администратор торговой системы».

74. Утверждаю» Главный инженер2004 г

75. ФГШ1 «МШфездочка» Щ/l^f О А Фролов1. АКТо внедрении результатов НИР

76. Программу автоматизированного анализа, учета, прогноза и управления режимами электропотребления судоремонтного предприятия

77. Принципиальные схемы, методику и инструкцию по наладке блоков автоматики и управления импортных компенсаторов реактивной мощности

78. Функциональные и принципиальные схемы системы управления компенсаторов реактивной мощности дискретного типа.при работе которых исключаются броски токов в конденсаторных батареях и питающей сети

79. Принципиальную схему и программу расчетов компенсатора несимметрии, выполненного на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем

80. Структурную и принципиальную схемы анализатора качества электроэнергии, реализующего алгоритм быстрого преобразования Фурье на базе ЭВМ IBM/PC и микроконтроллеров Р1С16С770

81. Структурную и принципиальную схемы регистратора импульсных помех, позволяющего фиксировать амплитуды и длительности импульсных помех, вызывающих сбои в работе автоматики и вычислительной техники

82. Полученный предприятием комплекс научно-технических разработок выполнен на современном научно-техническом уровне и будет использован при проведении работ по модернизации цеховых подстанций судоремонтного предприятия ФГУП «МП «ЗВЕЗДОЧКА»

83. Научные результаты диссертационной работы использованы при разработке научно-исследовательских стендов «Микропроцессорная система управления компенсатора реактивной мощности», «Система питания кораблей с берега».

84. К.т.н., доцент, и.о. зав. кафедрой № 6 Л-В. Балакшина

85. К.т.н., профессор кафедры № 6 В.Ф. Ищенко

86. К.т.н., доцент кафедры № 6 А-И- Чурносов