Автоматизация систем электроснабжения

Курс лекций до дисциплине: Автоматизация систем электроснабжения для обучающихся по специальности по специальности 23.05.05 (190901.65) Системы обеспечения движения поездов специализация «Электроснабжение железных дорог» Составитель: Ст. преподаватель кафедры ЭСЖТ Окладов С.А. 2016 Лекция 1 Система электроснабжения СЭЛ как сложный объект управления. Цели и задачи управления СЭЛ. Структура автоматизированной системы управления устройствами электроснабжения и функциональное назначение ее подсистем истемы электроснабжения электрифицированных железных дорог СЭЛ (рис. 1.12) представляют собой совокупность территориально рассредоточенных и работающих параллельно электроэнергетических пунктов — тяговых подстанций, постов секционирования, пунктов параллельного питания, понизительных подстанций и линий электропередачи между ними, объединенных общностью целей и осуществляющих прием, ретрансляцию, преобразование параметров, передачу и распределение электроэнергии. Организационно они разделены на отдельные дистанции, состоящие из десятков тяговых подстанций и постов секционирования, высоковольтных (ВЛ) линий Рис. 1.12. Структура взаимодействия системы электроснабжения электропередачи. Дистанциями выполняется организационно-экономическое и оперативнотехнологическое управление устройствами электроснабжения и режимами их работы, техническое обслуживание. Элементами СЭЛ — объектами управления и контроля являются устройства преобразования электроэнергии (трансформаторы, выпрямительные и инверторные установки, компенсирующие устройства и др.); устройства передачи электроэнергии (линии контактной сети, линии ДПР, линии вводов, линии районных потребителей); коммутационная аппаратура (разъединители, короткозамыкатели, отделители, высоковольтные выключатели переменного и постоянного тока, контакторы); устройство распределения электроэнергии (сборные шины с соответствующей коммутационной аппаратурой). К объекту управления относится также энергодиспетчерский пункт (ЭДП), где располагается персонал, выполняющий централизованное оперативное управление устройствами электроснабжения. Тяговые подстанции подключаются к ВЛ энергосистем и осуществляют прием, преобразование и распределение электроэнергии тяговым и нетяговым железнодорожным потребителям первой категории, районным потребителям, а также на собственные нужды. Выходные параметры системы электроснабжения, характеризующие качество энергии, надежность, безопасность и экономичность электроснабжения, определяются ее состоянием — режимом. Режим работы системы — это ее состояние, определяемое ограничениями на мощность, напряжение, ток, частоту, показатели надежности и др. Различают четыре несовместимых режима, в которых может находиться система. В нормальном режиме обеспечиваются параметры режима, характеризующие качество энергии, нагрузку и надежность в заданных пределах. В утяжеленном режиме не обеспечиваются заданные показатели качества энергии и надежности — выход напряжения за допустимые пределы, перегрузка оборудования, снижение уровня надежности и др. Система переходит в утяжеленный режим, как правило, вынужденно из нормального режима, например, при выходе из работы одной из тяговых подстанций. При этом создаются повышенная опасность возникновения аварий, ускоренный износ оборудования. Поэтому длительность утяжеленного режима ограничивается для СЭЛ и ее отдельных элементов, регламентируется Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), отраслевыми и местными инструкциями, Аварийный режим в системе возникает обычно внезапно в результате отказа ее элементов, сопровождается коротким замыканием и, как следствие, разрушающим воздействием на оборудование и нарушением электроснабжения, электробезопасности и устойчивости работы. Он подлежит немедленной локализации и устранению. Послеаварийный режим возникает после локализации аварийного режима и продолжается до установления заданного режима — нормального или утяжеленного; нарушается электроснабжение потребителей, расположенных в зоне аварии, поэтому его длительность должна быть минимальной. Элементы и пункты СЭЛ могут также находиться в ремонтном режиме. Управление СЭЛ в целом, ее пунктами и элементами направлено на поддержание (стабилизацию и оптимизацию) нормального режима, а при возникновении других режимов — на их устранение и осуществление переходов системы в нормальный режим с минимально допустимым запаздыванием, а также на ограничение ее влияния на окружающую среду и энергосистему. При этом само управление не должно являться причиной возникновения режимов, отличных от нормального режима. 1.8. Цели и задачи управления. Целью управления СЭЛ является удовлетворение железнодорожного транспорта, районных промышленных и сельскохозяйственных потребителей электроэнергией при минимальных затратах на ее получение, преобразование, распределение и передачу и при минимальном ущербе, наносимом потребителям, самой системе электроснабжения, окружающей среде и питающей энергосистеме вследствие нарушения ее нормального функционирования. В аварийном режиме целью управления СЭЛ являются локализация и устранение аварии при минимальном причиненном ею ущербе, в послеаварийном режиме - восстановление электроснабжения при минимальном ущербе для потребителей из-за перерыва в электроснабжении и обеспечение сохранности оборудования и электробезопасности; в утяжеленном режиме - поддержание устойчивости электроснабжения и качества электроэнергии при обеспечении сохранности и предотвращении недопустимого износа оборудования, электробезопасности и перевод системы за минимально возможное время в нормальный режим; в нормальном режиме - надежное снабжение потребителей электроэнергией установленного качества при максимальной экономичности и выполнении условий по безопасности электроснабжения, сохранности оборудования, влиянию на окружающую среду и питающую электросистему. В соответствии с целями управления можно выделить две группы задач управления. Первая группа задач управления - это задачи планирования и прогнозирования: составление долгосрочных (месяц, квартал, год), краткосрочных (сутки, более суток) и оперативных (решаемых в течение суток) планов и прогнозов эксплуатации СЭЛ, потребления электроэнергии, графиков ремонта оборудования, расчеты технико-экономических показателей, обработки различного рода статистической информации, анализа причин аварий и повреждаемости оборудования и др. Задачи первой группы характеризуются тем, что их реализация - получение исходной информации, ее передача, переработка и выдача решения - происходит не в темпе технологического процесса электроснабжения, а выполняется в течение относительно длительного промежутка времени, измеряемого часами, сутками и более продолжительными периодами. При этом сбор, передача, обработка информации и выдача решений могут носить нерегулярный характер, а возникающие сбои и задержки не оказывают существенного влияния на функционирование СЭЛ. Для задач этой группы требуются большой объем информации, точные математические методы их решения, для чего эффективно применение универсальных ЭВМ. Вторая группа задач управления включает в себя информационные и управляющие задачи. Информационные задачи представляют собой непрерывный контроль и диагностирование состояния схемы электроснабжения, оборудования, режима работы, выдачу текущей, аварийной и предупредительной информации о параметрах режимов, их отклонениях от заданных значений, регистрацию информации, сбор, анализ и передачу информации для выполнения задач первой группы и др. Управляющие задачи - это стабилизация и оптимизация процесса электроснабжения в нормальном режиме работы системы электроснабжения; оперативное управление оборудованием в соответствии с текущими задачами, состоянием схемы и процесса электроснабжения, включающее в себя осуществление противоаварийных мероприятий; предотвращение развития и устранение последствий аварий: восстановление электроснабжения потребителей в послеаварийном режиме; оперативная диалоговая связь с вышестоящими уровнями и др. Задачи второй группы являются задачами управления режимами СЭЛ в реальном времени. Задачи второй группы требуют непрерывного, быстрого в темпе с протекающим процессом решения с запаздыванием, не вызывающим недопустимых отклонений параметров управляемого процесса, основываются на оценке информации о СЭЛ в данный момент времени и реализуются воздействием на схему электроснабжения, состав и режим работы ее элементов. Информационные задачи предопределяют непосредственное участие человека, который получает информацию, анализирует ее и воздействует на систему электроснабжения. Решение управляющих задач связано с высокими требованиями по быстродействию, достоверности и надежности выполнения. Особенно это относится к задачам предотвращения развития аварий и противоаварийным, которые имеют высший приоритет среди всех задач управления. Их решение возлагается на высоконадежные локальные местные системы автоматики и релейной защиты. Оперативная связь носит характер обмена информацией, она необходима для выполнения задач обеих групп и должна иметь высокую скорость и достоверность передачи сообщений. Совместное решение задач первой и второй групп обеспечивает оптимальное в широком смысле управление системой электроснабжения. 1.9. Организационная структура и виды управления Структура управления. Система управления устройствами электроснабжения в масштабах сети железных дорог СССР состоит из пяти основных уровней управления (рис. 1.13). Первый уровень управления состоит из отдельных элементов и процессов (линии электропередачи, трансформаторы, преобразовательные агрегаты и т. д.); второй уровень управления — из отдельных пунктов и цехов (тяговые и трансформаторные подстанции, посты секционирования, районы контактной сети и т. д.); третий уровень управления (ЭЧ) — из совокупности элементов, пунктов и цехов (дистанции электроснабжения); четвертый уровень управления (Э) - из дистанций электроснабжения, объединенных в пределах железной дороги (служба электроснабжения); пятый уровень управления (ЦЭ МПС) - из дистанций электроснабжения и служб Э, объединенных в масштабах отрасли (Главное управление электрификации и электроснабжения МПС). Рис. 1.13. Организационная структура управления: 1- технологическое управление; 2, 3 - оперативно - диспетчерское управление, соответственно прямое и супервизорное; 4 - управление производственно хозяйственной деятельностью Основные внешние связи, регламентирующие текущие и перспективные режимы электроснабжения и электропотребления, устанавливаются с районными энергосистемами РЭС, Центральным диспетчерским управлением ЦДУ, Министерством энергетики и электрификации СССР и соответствующими подразделениями железнодорожного транспорта ЖДТ. Виды управления. Управление устройствами электроснабжения подразделяются на два вида: управление производственно-хозяйственной деятельностью (организационно-экономическое) и диспетчерскотехнологическое управление. Под управлением производственно-хозяйственной деятельностью понимается организация и координация действий трудовых коллективов, обслуживающих устройства электроснабжения. Этот вид управления осуществляется на третьем, четвертом и пятом уровнях управления, на которых предусматриваются элементы АСУП. Диспетчерско-технологическое управление заключается в целенаправленном воздействии на технологические процессы получения, преобразования, распределения и потребления электроэнергии. Объектами управления являются электроэнергетическое оборудование и процессы, а также оперативный персонал. Такое управление используют на всех уровнях управления. Оно подразделяется на оперативнодиспетчерское, выполняемое на третьем и выше уровнях из энергодиспетчерских пунктов, и на управление технологическими процессами, осуществляемое на первом и втором уровнях. Оперативно-диспетчерское управление реализуется автоматизированными системами диспетчерского управления АСДУ с соответствующим распределением функций между разными уровнями, обеспечивающими оптимальное централизованное управление электроснабжением. Управление технологическими процессами осуществляется местными и централизованными системами автоматического управления. Отличие оперативно-диспетчерского и автоматического управления заключается не только в решаемых задачах, но и во времени выработки решения. Автоматическое управление обеспечивает минимальное запаздывание и воздействия на объект и поэтому используется для управления всеми быстропротекающими процессами, в то время как оперативно-диспетчерское управление позволяет управлять длительно протекающими процессами. . 1.10. Диспетчерско-технологическое управление -дистанцией электроснабжения Управление электроэнергетическим оборудованием и процессами дистанции электроснабжения включает три основных уровня. Структура комплекса технических средств диспетчерскотехнологического управления с распределением их по уровням управления приведена на рис. 1.14. Управление на первом и на втором уровнях. На первом уровне управления применяют ручное и автоматическое децентрализованное одно- и многоцелевое управление оборудованием и режимами. На втором уровне управления (тяговые подстанции и другие пункты) предусматривается местное оперативное (дистанционное) и автоматическое централизованное управление оборудованием, входящим в их состав. В зависимости от функционального назначения средства автоматического управления подразделяют на технологическую и системную автоматику. Технологическая автоматика выполняет задачи управления, имеющие местное значение, и обеспечивает нормальную работу электроэнергетического оборудования, необходимую для выполнения им своих функций, определяемых условиями работы в устройствах электроснабжения. К технологической автоматике относятся системы автоматического охлаждения трансформаторов, подогрева приводов и Рис. 1.14. Структура технических средств: * - устанавливают в рамках АСУЭ на тяговых подстанциях и энергодиспетчерских пунктах масла высоковольтных включателей, включения и выключения освещения и отопления; вентиляции, программно-логического включения и отключения оборудования; устройства противопожарной сигнализации и блокировки, обеспечивающие электробезопасность персонала. Системная автоматика решает задачи управления процессом электроснабжения, имеющие системное значение, и обеспечивает автоматическое управление в нормальном, утяжеленном, аварийном и послеаварийном режимах работы электроэнергетического оборудования. По своему преимущественному назначению системная автоматика подразделяется на системы управления в нормальных и аварийных режимах. Системы автоматического управления в нормальном режиме поддерживают заданное качество электроэнергии (по напряжению, частоте), повышают экономичность работы и осуществляют автоматическое регулирование напряжения (АРН) на шинах тяговых подстанций; автоматическое регулирование мощности тяговых подстанций (включенные трансформаторы, преобразовательные агрегаты в зависимости от нагрузки, уровня напряжения) (АРМ); автоматическое управление компенсирующими устройствами, обеспечивающее заданный уровень напряжения в сети; автоматическую частотную разгрузку (АЧР), действующую на отключение определенных потребителей электроэнергии в зависимости от их приоритетного и текущего электропотребления. Системы автоматического управления в аварийных режимах устраняют аварийный режим, восстанавливают нормальный режим, предотвращают возникновение аварий при перегрузках и выполняют релейную защиту электроэнергетического оборудования при коротких замыканиях и перегрузках; автоматическое повторное включение электроэнергетического оборудования; автоматическое включение резервного электрооборудования; автоматическое противоаварийное управление. Релейная защита предупреждает развитие аварий при коротких замыканиях, а также повреждение электроэнергетического оборудования при перегрузках в утяжеленном режиме. Она определяет и отключает от источников электроэнергии поврежденное оборудование, а также; выявляет режимы его работы, отличающиеся от нормальных, осуществляя предупредительную или аварийную сигнализацию об этом персоналу подстанции и энергодиспетчерского пункта. К релейной защите предъявляются высокие требования к надежности и эффективности работы, что предопределило ее выделение в самостоятельную область автоматики. Автоматическое повторное включение (АПВ) электроэнергетического оборудования (линий электропередачи с напряжением выше б кВ, в отдельных случаях трансформаторов и сборных шин) выполняется при их отключениях в результате кратковременных коротких замыканий или перегрузках. Автоматическое включение резервного (АВР) электроэнергетического оборудования проводится взамен работающего при его повреждении или параллельно ему при перегрузках. Статистические данные о повреждаемости ЛЭП напряжением до 330 кВ показывают, что число неустойчивых коротких замыканий, а следовательно, и успешность АПВ 70—80 %, а успешность АВР достигает 95 %, АПВ и АВР направлены на устранение после-аварийного и утяжеленного режимов, восстановление нормальной схемы электроснабжения, а следовательно, и электроснабжения потребителей. Автоматическое противоаварийное управление осуществляет разгрузку устройств электроснабжения для предупреждения развития аварий при недопустимом снижении напряжения или частоты. К ней может быть отнесена также АЧР. Действие всех видов системной автоматики должно быть скоординировано с работой систем релейной защиты, имеющей высший приоритет. Системной и технологической автоматикой оборудуют весь комплекс устройств электроснабжения: тяговые подстанции, посты секционирования, питающие линии высокого напряжения, контактной сети, линии нетяговых и районных потребителей. Управление на третьем уровне. На этом уровне реализуется автоматизированная система диспетчерского управления (АСДУ) и осуществляется оперативно-диспетчерское централизованное управление пунктами, элементами и режимами и обмен информацией с энергодиспетчерским пунктом районной электростанции, поездным диспетчером отделения железной дороги (ДНЦ) и энергодиспетчерским пунктом службы электрификации. Районная энергосистема регламентирует текущий и перспективный режимы подачи электроэнергии, а ДНЦ - потребления. От вышестоящих энергодиспетчерских пунктов электрификации - службы дороги и ЦЭ МПС на энергодиспетчерский пункт дистанции электроснабжения поступает нормативная и оперативно - управляющая информация, координирующая режимы работы дистанций электроснабжения в пределах железной дороги. Энергодиспетчерский пункт службы электрификации также учитывает основные показатели работы дистанций электроснабжения, выполняет все виды планирования в масштабах дороги, обменивается информацией с энергосистемами и энергодиспетчерским пунктом ЦЭ МПС. Последний решает общесетевые задачи; ведет оперативный контроль и управление, учет, все виды планирования в масштабах отрасли, выдает решения по технологии управления электроснабжением. Автоматизированная система диспетчерского управления обеспечивает автоматизированный сбор и обработку информации, необходимую диспетчерскому персоналу системы для непрерывного централизованного контроля. АСДУ является самостоятельной системой, а АСУЭ - оперативноуправляющей подсистемой. Задачи оперативного управления, решаемые АСДУ, определяются режимом, в котором находится система электроснабжения. В нормальном режиме - это регулирование режима электроснабжения в соответствии с краткосрочным и оперативным планом и его корректирование при отклонениях для максимальной экономичности при удовлетворении требований по качеству электроэнергии и надежности ее подачи; вывод оборудования в ремонт и в резерв и ввод его после ремонта и из резерва; сбор, обработка и документирование оперативной информации о работе дистанции электроснабжения, а в утяжеленном (вынужденном) режиме - устранение возникшей неисправности и восстановление нормального режима. Аварийный режим должен ликвидировать автоматические устройства первого уровня (релейная защита) и только в случае его неустранения энергодиспетчер обязан немедленно его локализовать. В этом и подобных случаях оперативно-диспетчерское управление резервирует автоматическое управление. Однако из-за большого запаздывания качество управления ниже. В послеаварийном режиме - восстановление нормальной схемы электроснабжения потребителей и заданного качества электроэнергии, ввод в работу отключившегося неповрежденного оборудования и принятие мер к устранению причин аварий, ремонт поврежденного оборудования. Ликвидацию аварий и восстановление нормального режима проводят без учета требований экономичности и только в нормальном режиме применяют меры к его оптимизации. Решения задач оперативно-диспетчерского управления предусматривают максимальное использование опыта и знаний энергодиспетчера. В зависимости от обстановки он может располагать различным временем для принятия решения, которое вырабатывает практически единолично. В аварийных ситуациях и в утяжеленном режиме объем информации резко возрастает, с одной стороны, с другой — необходимо принятие решений в кратчайшие сроки — в течение нескольких секунд или минут. Для обработки всей этой информации требуется ЭВМ, ускоряющая принятие энергодиспетчером правильных решений по управлению, а в последующем осуществляющая самостоятельное управление в заданных ситуациях. На тяговых подстанциях и постах секционирования предусматривается обязательное местное управление, которое необходимо для ремонта, опробования и как резерв централизованного управления. При переводе объекта, пункта на местное управление не допускается возможность других видов централизованного управления. В системах электроснабжения централизованное телемеханизированное оперативное управление в рамках АСДУ должно обязательно сочетаться с децентрализованной автоматизацией работы отдельных электроэнергетических объектов. Только в этом случае может быть обеспечена необходимая надежность управления, устойчивость работы системы электроснабжения и получен максимальный техникоэкономический эффект. АСДУ повышает надежность электроснабжения, позволяет полностью или частично сократить обслуживающий персонал тяговых подстанций, сократить число аварий и ускорить их ликвидацию за счет повышения оперативности управления и др. Основными техническими средствами АСДУ являются устройства телемеханики, состоящие из аппаратуры телеуправления всеми объектами участка электроснабжения, оборудованными автоматизированными исполнительными механизмами (электромагнитными приводами); аппаратуры телеконтроля — телесигнализации состояния и работы всего комплекса электроэнергетического оборудования, телеизмерения основных параметров процесса электроснабжения — напряжения, тока и т. д. 1.11. Автоматизированная система управления электроснабжением Автоматизированная система управления электроснабжением АСУЭ реализуется на базе вычислительной и управляющей техники, телемеханического и диспетчерского оборудования и обеспечивает автоматизированный сбор и обработку информации, необходимые для оперативного управления электроснабжением электрифицированных железных дорог, оптимизации работы электроэнергетического оборудования и режима электроснабжения, решения организационноэкономических, отчетно-статистических и других задач. Целью создания АСУЭ является совершенствование управления устройствами электроснабжения и энергетики и их эксплуатацией на основе оптимального планирования и автоматизации производственных процессов, поддерживающих заданные режимы в системе электрической тяги, и наиболее эффективного использования устройств, материальных и трудовых ресурсов. АСУЭ (рис. 1.15) создается в масштабах сети электрифицированных железных дорог СССР. Как и любая большая система, она имеет иерархическую структуру, состоящую из отдельных подсистем, находящихся на различных уровнях иерархии и взаимодействующих между собой, имеющих внешние связи с энергосистемами и подсистемами АСУЖТ. Организационная структура и виды управления на каждом уровне соответствуют ранее приведенной схеме управления устройствами электроснабжения (см. рис. 1.13). Первый, второй, третий уровни и решаемые на Них задачи управления являются базовыми уровнями АСУЭ. Системы автоматического управления объектами и процессами, система автоматизированного диспетчерского управления этих уровней являются подсистемами АСУЭ. В рамках АСУЭ к ним предъявляют повышенные требования в части надежности, точности и достоверности работы, унификации и стандартизации технических средств и их выходных параметров. Датчики, устанавливаемые на объектах, должны представлять необходимую информацию, объемы которой при этом увеличиваются для всех подсистем АСУ. Задачами подсистемы учета, планирования и прогнозирования являются систематизация и анализ данных по отказам устройств электроснабжения и энергетики с целью оценки их надежности и установления межремонтных сроков; учет и планирование потребности в электроэнергии; планирование капитального и текущего ремонтов Рис. 1.15. Структура АСУЭ дистанции электроснабжения устройств с прогнозом потребности в материалах и оборудовании; анализ качества электроэнергии; обработка и передача информации на другие уровни АСУЭ: в службу Э, в другие подсистемы АСУЖТ и РЭС. В отличие от подсистем первого, второго уровней данная подсистема является комплексной для всех подразделений дистанции электроснабжения. Целью подсистемы оптимального управления является оптимизация процесса электроснабжения и работы всей дистанции электроснабжения. К числу возлагаемых на нее задач относятся моделирование и расчеты режимов работы системы электроснабжения, в том числе тяговый расчет с учетом изменяющегося напряжения на токоприемниках электровоза; расчет потерь электроэнергии; расчет пропускной способности по устройствам электроснабжения; выбор оптимальных условий работы системы электроснабжения; определение объемов и сроков усиления устройств электроснабжения. Решение этих задач должно обеспечивать снижение потерь электроэнергии, минимизации затрат на техническое обслуживание устройств, определение и автоматическое поддержание оптимальных уровней напряжений в сети и условий электроснабжения тяговых и районных потребителей. Состав и объемы задач, решаемые этими подсистемами на третьем уровне, будут расширяться по мере развития АСУЭ. Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) являются технической основой АСУЭ наряду с местными децентрализованными и централизованными системами автоматики, устройствами телемеханики. Они выполняют расчетные и информационные функции, собирают и обрабатывают информацию, осуществляют технико - экономическое и планово-производственные расчеты, выдают соответствующие рекомендации, а в перспективе - управляющие функции с воздействием посредством устройств телемеханики на пункты, объекты и процессы. Подсистемы учета, планирования и прогнозирования, оптимального управления могут размещаться на ЭДП дистанции электроснабжения или же являться общими для группы дистанций в пределах железной дороги и соответственно размещаться в ЭДП службы электрификации. Решение отдельных задач может предусматриваться на ИВЦ дороги. Лекция 2 Понятие и виды систем управления. Принципы действия и задачи систем управления Управление Всякое управление предполагает наличие объекта управления ОУ, управляющего органа УО и окружающей среды ОС, взаимодействующих между собой в соответствии с поставленной целью управления (рис. 1.1, а). Управление — совокупность целенаправленных воздействий на объект, выбранных на основании определенной информации об объекте и окружающей среде и направленных на поддержание или перевод объекта в требуемое состояние в соответствии с имеющейся целью управления. Регулирование — частный случай управления, оно направлено на поддержание изменения по заданному закону или в установленных пределах какой-либо физической величины объекта управления. Основными факторами управления являются: цель управления Z; информация о состоянии объекта Y и окружающей среды X ; алгоритм управления φ; управляющие воздействия на объект U = φ (Z, Y, X). Цель управления выражается в виде набора требований, предъявляемых к состоянию объекта, т. е. к значению его выходных параметров К, и задается в виде области их значений в пространстве выходов . Рис. 1.1. Структура управления (а), входы и выходы объекта управления (б). Объектом управления может быть человек, технические устройства — машины, аппараты, сложные установки и пункты, например, линии электропередачи, трансформаторы, подстанции и т. д.; технологические процессы и отдельные их параметры, например, процессы получения, преобразования, передачи и потребления электроэнергии, уровни напряжения и т.д.; организации и предприятия— электростанции, дистанции электроснабжения, энергосистемы, отрасли народного хозяйства и т. д. На объект управления ОУ воздействуют, изменяют его состояние управляющий орган УО и окружающая среда ОС, представляющая множество элементов различной природы, находящихся вне объекта управления и управляющего органа и оказывающих на них влияние. Для управления в составе объекта управления (ОУ) должен быть исполнительный орган (механизм), изменяя положение которого, можно воздействовать на объект. Так, например, в электроэнергетических объектах управления такими являются электромагнитные приводы. Любой объект управления ОУ как бы имеет три входа (рис. 1.1, б): управляющий вход U, на который подаются управляющие воздействия от органа управления; входы, обусловленные влиянием окружающей среды— неуправляемый, но наблюдаемый, т. е. контролируемый (измеряемый) вход X, и неуправляемый и ненаблюдаемый вход Е, представляющий собой все внешние и внутренние неизмеряемые факторы, влияющие на состояние объекта. Последние два входа рассматриваются как возмущающие воздействия (помехи). Состояние объекта управления определяется управляющим и возмущающим воздействиями, т. е. Y = F (U, X, Е), где F — функция или оператор связи между входом и выходом. Различают простые и сложные объекты, между которыми четкого разграничения нет. К простым объектам относятся объекты, имеющие небольшое число выходных параметров и простые взаимосвязи между входами. Рис 1.2. Этапы процесса управления К сложным относят объекты, имеющие большое число выходных параметров и сложные взаимосвязи с входами. Описание работы объекта (модель) обычно представляется в виде состояний (режимов), в которых он может находиться, задаваемых совокупностью ограничений на значения выходных параметров типа Y* ≤ Y ≤ Y**. Если объект сложен, то применяется принцип декомпозиции, т. е. расчленения его по определенному признаку - структурному, функциональному на более простые объекты, объединенные функциональными и управляющими связями. Так, например, дистанция электроснабжения как сложный объект управления представляется совокупностью более простых объектов - тяговых подстанций, линий электропередачи, трансформаторов. Управляющим органом являются человек или (и) технические устройства управления и регулирования, воздействующие на объект управления в соответствии с заданной целью и изменяющие его состояние в требуемом направлении. Управляющий орган перерабатывает информацию и выдает управляющие воздействия на объект управления. Информация, поступающая и выходящая из управляющего органа, называется входной и выходной внешней информацией, а информация, циркулирующая внутри управляющего органа, - внутренней. Информация перерабатывается по алгоритму, представляющему собой последовательное выполнение совокупности правил переработки информации, обеспечивающих достижение поставленной цели управления. Для того чтобы понять сущность управления, рассмотрим процесс управления уровнем напряжения на шинах тяговых подстанций. Энергодиспетчер (управляющий орган), имея цель (поддержание заданного качества электроэнергии), наблюдает за уровнем напряжения (объект управления) и принимает решение, надо ли его изменять и, если необходимо, то как и насколько его увеличить или уменьшить. В этом процессе можно выделить следующие основные этапы. Сначала надо выделить информацию о фактическом уровне напряжения и окружающей среде, например, о нагрузке потребителей, что достигается с помощью контрольно-измерительных приборов, датчиков. Затем ее следует передать энергодиспетчеру. Если расстояние между ними и подстанцией велико, то для передачи информации используют специальные технические устройства, называемые устройствами телемеханики. Далее необходимо проанализировать полученную информацию, т. е. переработать информацию по алгоритму, реализующему цель управления, и на этой основе принять решение о необходимых управляющих воздействиях. Если переработка информации простейшая, то энергодиспетчер осуществляет ее самостоятельно. При больших объемах информации, например, если необходимо координированное управление уровнем напряжения в пределах дистанции электроснабжения, эта переработка может занять значительное время, снижающее эффективность управления. В этом случае могут применяться специальные устройства управления, в том числе средства вычислительной техники. Решение, полученное после переработки информации (управляющее воздействие), вновь надо передать для исполнения на механизмы, изменяющие уровень напряжения, где информация используется. Процесс управления может выполняться непрерывно или дискретно. Если в нем исключить хотя бы один из этапов, то управление станет невозможным. Рассмотренный пример показывает, что процесс управления состоит из пяти этапов: выделения, передачи, переработки, передачи и использования информации и протекает в определенной последовательности (рис. 1.2) по замкнутому контуру, называемому контуром управления, в котором циркулирует информация, а не сырье и энергия, как это имеет место в других машинах и механизмах. Управление может быть непрерывное или дискретное. Поток информации от управляющего органа к объекту — управляющие воздействия (команды и т. п.) — представляет прямую связь, а обратный поток — информация о состоянии объекта — обратную связь. Управление является замкнутым, если имеется прямая и обратная связь между управляющим органом и объектом управления, и разомкнутым, если используется одна связь. При наличии только прямой связи управление может осуществляться по заранее составленной программе — программное управление; если же имеет только обратная связь, то можно только контролировать состояние объекта. Оптимальное управление заключается в выборе наилучших по некоторому критерию эффективности управляющих воздействий из множества возможных в соответствии с заданной целью управления и на основе информации об объекте и окружающей среде. Таким образом, для организации управления надо иметь цель управления, датчики информации об объекте управления и окружающей среде, управляющий орган для переработки информации и алгоритм (программу) ее переработки, средства для передачи информации, исполнительные устройства, изменяющие состояние объекта. 1.2. Принципы и автоматизация управления. Принципы управления. По видам информации, используемой для формирования управляющего воздействия на объект, можно выделить следующие принципы управления: по следствию, по причине, комбинированный и прогнозирующий. При управлении по следствию (по отклонению) (рис. 1.3, а) управляющий орган УО реагирует на отклонение состояния объекта ОУ от заданного, т. е. на следствие, а не на причину, вызвавшую это отклонение. При этом он должен сравнивать текущее значение выходных величин у (t) с заданным значением y* (t) и управлять объектом в зависимости от результатов этого сравнения. Информация об окружающей среде не используется. Управление по этому принципу является замкнутым, т. е. необходима прямая и обратная связь. Примером использования данного принципа является рассмотренное ранее управление уровнем напряжения. Управление по следствию позволяет изменять по заданному закону выходные параметры объекта с большой точностью независимо от причины, вызвавшей отклонение. При управлении по причине информация об объекте управления не измеряется и не используется. Управляющее воздействие вырабатывается только на основе информации о возмущающих воздействиях на объект управления (управление по возмущению). Управление разомкнутое, обратная связь отсутствует. При этом возможны два варианта формирования управляющих воздействий: на основе информации о возмущающих воздействиях окружающей среды — принцип компенсации (рис. 1.3, б) и на основе информации, задаваемой целью управления в виде программы, — принцип программного управления (рис. 1.3, в). В обоих случаях управляющий орган реагирует на причину, вызывающую или требующую изменение состояния объекта. Рис 1.3. Схемы, поясняющие принцип управления Согласно принципу компенсации управляющее воздействие должно поддерживать (стабилизировать) состояние объекта, полностью или частично компенсируя возмущающее воздействие окружающей среды. Принцип программного управления применим при условии, что поведение объекта управления заранее строго известно, т. е. его состояние почти или совсем не подвержено влиянию окружающей среды. Управление осуществляется на основе информации, хранящейся в памяти управляющего органа или задаваемой извне. Принцип программного управления применяется при управлении станками, переключении электротехнических объектов. Комбинированное управление (рис. 1.3, г) представляет собой объединение рассмотренных выше принципов управления. При этом управляющий орган должен иметь информацию как о возмущающих воздействиях, так и о состоянии объекта. При прогнозирующем управлении измеряется информация о выходных параметрах объекта, воздействующих факторах окружающей среды и дополняется информацией о прошлых и возможных ситуациях. Примером данного принципа является принцип адаптации (приспособления), в соответствии с которым в процессе работы управляющий орган может изменять параметры функционирования самонастраивающееся управление; параметры и структуру -самоорганизующееся управление; совершенствовать алгоритмы переработки информации - самообучающееся управление. По способу организации управления можно выделить одноцентри-ческий - принятие решения по управлению выполняется в одном управляющем органе и многоцентрический, когда решения об управляющих воздействиях на объект формируются во многих управляющих органах. В последнем случае возможно возникновение недопустимых «конфликтных» ситуаций между управляющими органами. Поэтому при многоцентрическом управлении необходимо упорядочение (согласование) действий между управляющими органами, исключающее или сводящее к минимуму «конфликтные» ситуации между ними. Примером такой упорядоченности является иерархический принцип управления, в соответствии с которым выделяются главный и подчиненные управляющие органы, между которыми устанавливается определенное распределение прав и обязанностей, обеспечивающее наилучшее достижение цели управления. В устройствах электроснабжения наряду с од-ноцентрическим применяется иерархический принцип управления, например, главным управляющим органом оперативного управления режимами является энергодиспетчерский пункт, а соподчиненными органами пункты управления на тяговых подстанциях, постах секционирования. Автоматизация управления. Автоматизация управления заключается в замене физического и умственного труда человека, затрачиваемого на управление, техническими средствами, частично или полностью обеспечивающими это управление с заданной производительностью и качеством. В соответствии с этапами процесса управления технические средства автоматизации можно разделить на четыре группы. К средствам выделения информации относятся устройства получения информации об объекте управления и окружающей среде (измерительные преобразователи, датчики, приборы и т. п.); к средствам передачи информации — устройства приема, преобразования и передачи информации об объекте управления, окружающей среде и управляющих воздействиях (устройства телемеханики); к средствам переработки информации — устройства для преобразования, хранения и обработки информации и формирования управляющих воздействий (автоматические устройства управления, регуляторы, устройства вычислительной техники); к средствам вывода и управления — устройства использования управляющей информации в целях воздействия на объект управления и связи с человеком (исполнительные механизмы, электроприводы, усилители мощности и т. д.). Под автоматизацией устройств электроснабжения понимается оснащение их автоматизированными и автоматическими устройствами, управляющими процессами получения, преобразования параметров, передачи, распределения и потребления электроэнергии в нормальных и аварийных условиях. Особенности процесса электроснабжения - непрерывность и высокая скорость протекания, опасность для человека, необходимость незамедлительно иметь достоверную информацию - затрудняют или делают невозможным непосредственное выполнение человеком отдельных функций управления процессом электроснабже-ния. Автоматизация устройств электроснабжения направлена на обеспечение нормального функционирования электроэнергетического оборудования, его защиту от повреждений, надежную экономичную и безопасную работу устройств электроснабжения в целом, бесперебойность электроснабжения с требуемым качеством электроэнергии. , Лекция 3. Системы телемеханики в устройствах электроснабжения железных дорог Принцип функционирования Аппаратура автоматики обеспечивает непрерывный контроль и поддержание заданного режима работы основного оборудования системы электроснабжения и тем самым позволяет повысить качество и бесперебойность процесса электроснабжения. Разработка аппаратуры автоматики и телемеханики была начата в 30-х годах ХХ века, и за это время прошла путь от громоздких устройств контроллерного типа до микропроцессорных систем. Каждое новое поколение отличается более высокой надежностью, улучшенными техническими характеристиками и расширенными функциональными возможностями. Телемеханическими устройствами называют технические средства, которые преобразовывают и передают информацию на расстояние для управления производственными или технологическими процессами. Их делят на устройства телеуправления (ТУ) и телеконтроля (ТК). Устройства ТК подразделяются на устройства телесигнализации (ТС) и телеизмерения (ТИ). С помощью устройств телеуправления управляют на расстоянии отдельными объектами, оборудованием или целыми производственными комплектами. Чаще передают двухпозиционные команды «Включить – Отключить». Устройства телесигнализации предназначены для контроля на расстоянии за состоянием или положением управляемых, а также контролируемых объектов. В основном устройства ТС передают информацию в виде двух позиционных сигналов типа «Включено – Отключено». Телеуправляемыми объектами обычно управляет энергодиспетчер (ЭЧЦ) из центрального (диспетчерского) пункта. На диспетчерском пункте (ДП) размещают приемопередающую аппаратуру телемеханики – диспетчерский полукомплект (ТС ДП и ТУ ДП). Другие полукомплекты устанавливают непосредственно на контролируемых пунктах (КП), где расположены управляемые и/или контролируемые объекты (ТУ КП, ТС КП, ТИ КП). Связь между аппаратурой диспетчерского и контролируемого пунктов осуществляется через физическую линию связи по выделенным частотным каналам. В целом, всю работу системы телемеханики в общем виде можно представить в следующем виде (рисунок 1) Рисунок 1. Обобщающая схема работы системы телемеханики На щите сигнализации отображаются положения всех объектов управления (разъединителей, выключателей - лампочка горит или не горит) и возможные аварии и срабатывания защит. На панели управления энергодиспетчер нажатием кнопок выбирает тот объект, которым он хочет управлять. Диспетчерский комплект принимает телесигнализацию (ТС) от объектов и выдает телеуправление (ТУ) в линию. Линия связи представляет собой линию в магистральном кабеле идущем вдоль железной дороги. Стойка контролируемого пункта ставится рядом с объектом управления на линии и преобразует команду диспетчера в электрический сигнал. Управляемый объект с помощью электродвигателя или своих внутренних схем выполняет свои функции (переключается, отключается, включается). Структурная схема АСЭ представляет собой два структурных блока, состоящих из комплектов аппаратуры установленных на диспетчерском пункте (ДП) и из комплекта аппаратуры, установленной вблизи управляемых объектов – контролируемый пункт (КП). Объекты управления ТУ ТС ДП КП При _____ управлении объектами («включение/отключение») с диспетчерского полукомплекта (ДП) на КП передается приказ по системе телеуправления (ТУ) состояния объектов до подачи приказа и после его выполнения передается с КП на ДП по системе телесигнализации (ТС). Приведенная выше схема, при которой объекты располагаются компактно, получило название сосредоточенной схемы, то есть на все объекты устанавливается один комплект аппаратуры контролируемого пункта (Ех аппаратуры ТП). При значительном отстоянии управляемых объектов друг от друга исполняет схема рассредоточенных КП. КП2 ТУ123 ДП КП1 ТС3 ТС1 КП3 Данная схема ______ при управлении Ех постами секционирования(ПС). ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ТЕЛЕМЕХАНИКИ. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ТЕЛЕУПРАВЛЕНИЯ. ДП ПУ КУ РЭС ТУ ПР М ПРД РЭ С ДКУ НУ ЛС ОП ПЕРЕДАЮЩИЙ канал связи ТУ ПРИЕМНЫЙ ПКТУ КПТУ ТС ПЕРЕДАЮЩИЙ ПК СТ ДК РЭС ПР У М ПРИЕМНЫЙ ПК ТС и ТИ ПР М ТИ ОП – оператор, диспетчер; ПУ – пульт управления; КУ – кодирующее устройство; РЭС – блок разделения элементов сигнала; ПРД – передатчик; ПРМ – приемник; ЛС – линия связи; ДКУ – декодирующее устройство; ИУ – исполнительное устройство; ДТС – датчики телесигнализации; ДТИ – датчики телеизмерений; СТ – световое табло; ПРМ ТИ – приемник телеизмерений; ТУ – канал телеуправления; ТС – канал телесигнализации; ТИ –канал телеизмерения. ПРД ДЭ КУ С ЛС канал связи ТС ТИ ДТ С ДТ И Функционирование схемы телемеханики организовано следующим образом: ОП воздействия на ПУ задает команду «включение/отключение» определенного объекта ЭС, комбинация с ПУ поступает на КУ назначением которого является «сжатие информационного сигнала» с целью минимизации – времени передачи приказа. Блок РЭС обеспечивает помехоустойчивость при передаче приказа посредством разделения приказа по времени, либо по несущей D (частоте). Информация РЭС поступает на частотно - модулированный ПРД, а затем по ЛС приказ ТУ поступает на аппаратуру КП (контрол. пункт). В частотно – модулируемом ПРМ осуществляется I этап декодирования сигнала, несущего информацию о приказе. В приемном ПКТУ блоке РЭС производится операция обратная по отношению к передающему ПКТУ, окончательно сигнал дешифрируется в декодирующем (ДКУ), после чего он поступает на ИУ. ИУ(катушка реле) непосредственно переключает объекты ЭС в соответствии с заданным приказом. Информация о текущем состоянии объектов ЭС передается с КП на ДП по каналу телесигнализации, при этом состояние объектов ЭС оценивается датчиками ТС, ТИ и передается на диспетчерский ПК способом аналогичным в системе формирования приказа ТУ. За исключением, что вместо ИУ в приемном ПК,ТС, ТИ установлено световое табло (СТ) и приемник телеизмерений, которые обеспечивают визуализацию текущего состояния объекта. Системы ТУ классифицируются: 1. По методу кодообразования системы м.б. с прямым, кодовым, комбинированным избиранием кроме того некоторые системы с групповым избиранием (м/у прямым и кодовым), при прямом избирании каждый импульс приказа ТУ, ТС однозначно связан с конкретным номером объекта, видом осуществляемой операции и каждому импульсу определено специфичное место в приказе. 2. По способу разделения элементов сигналы системы подразделяются на частотные и временные (Ех: СТ-624, СТ–62 В). 3. По способу передачи сигналов: - циркулярные сигналы (одновременная передача сообщений); - нециркулярные ( при одной передаче 1 сообщения). 4. По способу включения системы: - непрерывного действия; - спорадического действия – включается в момент возникновения сообщения. 5. По виду исполняемых импульсных признаков (частотный, временной, амплитудный, фазовый). Лекция 4 ПРИНЦИПЫ (МЕТОДЫ) ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕМЕХАННИКИ ТС –ТУ Разделение элементов сигнала при передаче БЛОКИ разделения элементов сигнала РЭС в структурной схеме телемеханники (рис. 1.3) осуществляют отделение элементов кодовой комбинации для их независимой друг от друга передачи по линии связи. При этом элементы сигнала сохраняют свои параметры и не оказывают друг на друга искажающего влияния. Основными методами разделения каналов элементов сигналов являются: -электрический (схемный), при котором каждый элемент кодовой комбинации передается по своей паре проводов; - частотный, заключающийся в том, что каждый элемент передается на своей частоте, отличной от всех других; -временной, основанный на поочередной передаче элементов сигнала в течение определенного периода времени. Электрическое разделение элементов сигнала рассмотрим на примере схем рис. 9.1. Приказ ТУ набирается диспетчерами путем нажатия кнопки SВ1—SВN на пульте управления. Каждой команде соответствует своя комбинация включенных кнопок. Через замкнутые контакты кнопок ток протекает по проводам линии связи на контролируемый пункт, где находятся реле К1— КN, срабатывающие при протекании по их обмоткам тока. Срабатывают те реле, цепи которых замкнуты контактами кнопок. Через контакты сработавших реле замыкается цепь определенного объекта, которому соответствует комбинация включенных кнопок. В схеме рис. 9.1, а каждый элемент кодовой комбинации передается по своей паре проводов, а в схеме рис. 9.1, б — по одному проводу, а второй (обратный) провод является общим для всех элементов. Это дает экономию проводов, но такая схема связывает гальванически все цепи между собой, снижая надежность. При электрическом разделении требуется большое число проводов, передача информации на большое расстояние оказывается технически и экономически нерациоРис. 9.1. Электрическое разделение элементов сигнала Рис. Частотное разделение элементов сигнала 9.2. нальной. Поэтому такое разделение применяют только в тех случаях, когда передача о существляется на небольшое расстояние, например, от одного узла устройства к другому или в системах дистанционного управления, когда дальность передачи не превышает нескольких сотен метров. Частотное разделение поясняется схемой на рис. 9.2. Сигнал в виде кодовой комбинации, состоящей из элементов, подается на передающее устройство, которое уп рощенно представлено генераторами GF1— GFN. Каждый генератор работает на своей частоте f1 –fn. Запускаются только те генераторы, на которые в соответствии с кодо -вой комбинацией подается питание. Элементы сигнала в виде токов определенных частот передаются по линии связи на приемное устройство, где установлены частотные полосовые фильтры ZF1— ZFN. Каждый фильтр пропускает только ток определенной частоты. На выходе приемного устройства появляется кодовая комбинация/ Состоящая из тех же элементов, что и на входе передающего устройства. Для передачи информации необходимо иметь столько частотных каналов (генераторов в передающем устройстве, фильтров в приемном устройстве), сколько имеется элементов сиг нала (кодовой комбинации). Достоинством частотного разделения является: - использование для передачи информации одной двухпроводной линии связи в отличие от электрического разделения - одновременная передача всех элементов сигнала, как и при электрическом разделен ии. Недостатком частотного разделения можно считать необходимость использования для образования частотных каналов дорогой передающей и приемной аппаратуры. Временное разделение элементов сигнала получило широкое применение в системах телемеханики для передачи информации. При временном способе разделения каждому передаваемому элементу поочередно предоставляется линия связи на время, необходимое для его прохождения. В линии связи элемент существует независимо от других в течение отведенного для него времени и может быть выделен на приемной стороне. Последовательную передачу элементов осуществляют с помощью преобразователей параллельного кода в последовательный на передающей стороне, а обратное преобразование на приемной. В качестве преобразователей кода наиболее часто используют распределители импульсов. Рис.9.3. Временное разделение элементов сигнала: а — схема системы телемеханики; б — диаграмма передачи сигналов На рис. 9.3, а представлена схема, поясняющая принцип временного разделения ■ помощью распределителей RG и RG1. При работе они должны переключаться синхронно, т.е. одновременно с одинаковой частотой и синфазно, т.е. в каждый момент времени они должны находиться в одноименных позициях. Так, когда распределители находятся на позиции 1, то передается первый элемент кодовой комбинации, на позиции 2 — второй элемент и т.д. Приемный распределитель находится в той же позиции, что и передающий, поэтому элемент сигнала X1 в позиции 1 распределителей появится на первом выходе RG1, элемент х2 в позиции 2 — на втором выходе и т.д. На рис. 9,3б показан процесс передачи четырехэлементной комбинации двоичного кода 1101 с помощью временной диаграммы. Распределители для этой передачи должны иметь не менее четырех позиций. Значению сигнала 1 будет соответствовать импульс, а значению 0 — отсутствие импульса в соответствующей позиции распределителя. На входы x1, x2, … и х4 распределителя RG подаются сигналы 1, а на вход х 3 — сигнал 0. В позиции 1 распределителей по линии связи будет передан импульс, в позиции 2 — импульс, в позиции 3 — пауза (отсутствие импульса), в позиции 4 — импульс. Элементы кода поочередно поступают на распределитель RG1 и на выходах х1, x2, X3 И х4 появляются сигналы 1, 1, 0 и 1. Таким образом, обеспечивается независимая передача каждого из элементов кодовой комбинации 1101. Достоинством временного разделения является использование для передачи ин формации одной двухпроводной линии связи как и при частотном разделении, но аппаратура каналов связи при временном разделении значительно проще и дешевле. Недостатком временного разделения является значительная длительность цикла передачи Гц информации, которая зависит от количества и продолжительности временных интервалов дельта t. где п — количество временных интервалов (элементов сигнала). Таким образом, чем больше элементов содержится в кодовой комбинации, тем больше время передачи. Снизить время передачи можно за счет повышения быстродействия системы при переключении распределителей.