Джеймс Иверсон – компания Cummins Power Generation

Многие десятилетия локальные энергосистемы использовали аналоговые системы управления. Сейчас, когда почти во всех промышленных областях преобладают надежные, гибкие и удобные в использовании технологии цифрового управления, по-прежнему большое количество новых энергосистем на местах оснащаются аналоговыми системами. Для традиционных резервных энергосистем (аварийное освещение небольших зданий и т. д.) их использование вполне оправданно. Однако в связи с увеличением количества различных энергосистем, более сложных систем распределения электропитания и т. д. – цифровые системы управления являются более предпочтительными.

Аналог и цифра: в чем отличие

Приборы аналогового управления энергосистем – это совокупность дискретных компонентов (резисторов, выключателей, конденсаторов, катушек, реле), которые обрабатывают сигналы входа и выхода и используют простую логику для конкретных функций управления. Типичные аналоговые системы управления состоят из взаимосвязанных модулей, выполняющих функции управления энергосистемой.

Наладка системы обычно требует физической подстройки одного из компонентов, например увеличения или уменьшения сопротивления подстроечного резистора или замены модулей. Состояние и отказы энергосистемы обычно отображаются индикаторными лампочками и/или аналоговыми измерительными приборами, аварийной сигнализацией.

В современных энергоустановках может быть до 200 причин аварийных состояний, вызванных перепадом нагрузки. В связи с тем что количество потенциальных аварийных факторов увеличилось, оборудование аналоговой системы управления не может эффективно передавать оператору информацию о состоянии системы.

В цифровой системе управления для контроля входа, выхода и внутренней логики используются микропроцессоры. Состояние системы может графически отображаться на компьютере, и эксплуатационные настройки осуществляются при помощи программного обеспечения путем нажатия клавиш на клавиатуре или сенсорном экране. Изменения могут производиться на экране компьютера, соединенного с центральной системой управления энергосистемы, или даже при помощи удаленного компьютера через сеть или Интернет. Цифровые системы обеспечивают высокую степень интеграции функций управления. Таким образом, одна цифровая система может выполнять функции нескольких аналоговых систем.

Надежность

Большинство конечных потребителей, не имея опыта работы с энергоустановками с цифровой системой управления, продолжают поль-зоваться устаревшими системами, несмотря на то что новые системы управления более надежны. Например, цифровое управление, применяемое в центральной системе управления Power-Command® энергоустановок компании Cummins Power Generation, имеет более 300 тысяч часов безотказной работы. В аналоговой системе управления только немногие дискретные компоненты имеют такую надежность.

Цифровые системы, имея собственный резерв, могут продолжать работать даже при неисправности какого-либо компонента в одном узле цепи управления. Повышению надежности способствует также отсутствие электрических соединений между логическими элементами – вместо них используются полупроводниковые цифровые компоненты (рис. 1).

Схема системы управления

С практической точки зрения, главная причина того, что резервные энергоустановки не «срабатывают», – это разряженные пусковые аккумуляторы. Более 80% всех неисправностей на стадии запуска происходит именно по этой причине. Цифровая система управления имеет функцию выявления разряженной батареи, благодаря чему напряжение батареи проверяется под нагрузкой во время работы двигателя. Если напряжение в течение продолжительного времени слишком мало, срабатывает сигнал слабой зарядки батареи.

В настоящее время цена перебоев в энергосистеме для конечного потребителя резко возросла (несмотря на высокую надежность современной единой энергосистемы), поэтому необходимо полностью исключить возможность аварий любой продолжительности. Если надежность резервных энергосистем невысока из-за устаревших аналоговых технологий управления, то при сбоях в электроснабжении значительно повышается финансовый риск. Что касается цифровых систем управления, то они снижают финансовый риск конечных потребителей за счет повышения надежности.

Системная интеграция

Одно из главных преимуществ цифрового управления – полная интеграция функциональных компонентов энергосистемы. Состояние всех компонентов и переменных значений в комплексе энергосистемы можно контролировать и изменять с экрана центрального или удаленного компьютера. Кроме того, можно контролировать электромеханическое оборудование (газотурбинные и дизельные двигатели, генераторы переменного тока, переключатели), включив его в общую систему управления (рис. 2). Эта способность цифровых систем объединять различные функции приобретает особенно важное значение в применении к современным дизельным двигателям с контролем выбросов.

 

Структура цифровой системы управления

Тесная связь функций управления двигателем (расход топлива, регулирование впрыска) и колебаний нагрузки генератора необходима для минимизации выброса выхлопных газов дизельного двигателя. В комплексной цифровой системе (как на энергоустановке PowerCommand®) эти функции объединены в главном цифровом контроллере и не выделяются в отдельный регулятор двигателя. В результате улучшается работа двигателя при переменной нагрузке, сокращается выброс выхлопных газов, стабилизируется выходная частота и напряжение.

Способность цифровой системы управления выполнять логические функции играет важную роль в сокращении выброса выхлопных газов во время пуска установки. Обычно система управления числом оборотов двигателя «не знает», что установка находится на этапе запуска. В результате регулятор переполняет двигатель топливом во время запуска, что и приводит к выбросу выхлопного газа. Другими словами, при поступлении сигнала на главный контроллер, регулятор, определив, что двигатель еще не набрал нужных оборотов, подает максимальное количество топлива, чтобы двигатель быстро набрал нужную скорость.

Цифровая система управления определяет, что двигатель находится на стадии запуска и поэтому сразу не разгоняет его до номинальной скорости. Напротив, при запуске система контролирует обороты и постепенно подает необходимое количество топлива, чтобы разогнать двигатель до номинальной скорости. Это практически исключает повышенную эмиссию выхлопных газов при запуске. Кроме того, цифровая система управления определяет температуру двигателя и настраивает параметры регулятора в соответствии с этими данными, что делает двигатель более устойчивым при запуске и прогреве.

Компактность и защита

Использование полупроводниковой электроники и цифровых технологий является более эффективным не только с точки зрения производительности и надежности, но и экономии рабочего пространства.

Одно из основных преимуществ цифровых контроллеров заключается в полной интеграции функциональных компонентов энергосистемы. В зависимости от применения цифровая система управления может сэкономить от 25% до 40% полезного объема.

Кроме того, цифровые системы управления, по сравнению с аналоговыми, более устойчивы к внешним воздействиям, что позволяет раз-мещать их вместе с энергоустановкой, а не изолировать в отдельном, защищенном от пыли и вибрации помещении. Это позволяет упростить установку и сократить затраты на ее ремонт и обслуживание.

Аналоговые устройства, такие как автоматические выключатели, обеспечивают защиту несложных энергосистем, определяя перегрузку и размыкаясь для защиты электропроводки и установки в целом. Однако они не защищают генератор переменного тока согласно требованиям электротехнических правил и норм.

Большая сила тока генератора (даже из-за очень коротких перегрузок) приводит к выделению тепла, что сокращает срок службы изоляции и может повлечь за собой выход генератора из строя.

Аналоговые автоматические выключатели в литом корпусе (MCCB) плохо защищают генератор переменного тока от перегрузки и выделения тепла (рис. 3, 4).

Контроль температуры

Легкий доступ к информации

Системы цифрового управления обеспечивают доступ к информации о работе энергосистемы в реальном времени. Как только информация введена в микропроцессорную систему управления, ее можно получить различными способами в разных местах энергоустановки и даже дистанционно.

Системы автоматизации, коммуникации и безопасности можно создать на основе информации цифровой системы управления энергоустановки. Доступность информации позволяет управлять установкой эффективно и экономично. Уровень и температура масла и охлаждающей жидкости в двигателе, заряд батарей, уровень топлива и состояние каждого переключателя в системе энергораспределения – все это отслеживается на экране центрального компьютера в аппаратной или на удаленном терминале, соединенном через Интернет. Напротив, в аналоговой системе управления состояние переключателей можно определить лишь при непосредственной физической проверке каждого из них, что требует значительных затрат труда и времени.

Выводы

Цифровые системы управления энергосистемами имеют значительные преимущества по сравнению с аналоговыми системами, а именно:

  • высокую надежность;
  • более низкую стоимость эксплуатации;
  • меньшие габариты;
  • большую эксплуатационную гибкость;
  • более продолжительный срок службы оборудования;
  • возможность архивировать информацию в реальном времени;
  • более простое техническое обслуживание, удобное внесение изменений в систему при помощи программного обеспечения;
  • дистанционный контроль и управление;
  • лучший контроль за уровнем эмиссии выхлопных газов.

Технология цифрового контроля является характерной чертой энергоустановок PowerCommand компании Cummins Power Generation. Контроллеры энергоустановок Cummins спроектированы как цельная система, а не как ее часть. Эта единая система управления может напрямую управлять топливной системой двигателя, системой возбуждения генератора переменного тока и обеспечивать другие функции контроля, необходимые для повышения надежности. Цифровые контроллеры являются частью энергосистем PowerCommand, объединяя генератор и системы распределения и управления в единую систему, спроектированную одним производителем.