Обзор степеней автоматизации ДЭС

Дизельные электрогенераторы играют важную роль в энергетической системе России. Они используются в различных сферах - от обеспечения энергией жилых и коммерческих зданий до поддержки промышленных объектов и сельского хозяйства. Дизельные генераторы обеспечивают надежное резервное электроснабжение в случае перебоев с основными источниками энергии. Это особенно актуально для удаленных и труднодоступных регионов, где подключение к централизованной электросети может быть затруднено. Дизельные электрогенераторы зачастую портативные и могут быть быстро перемещены или установлены в необходимых местах, что делает их полезными для строительных площадок, военных объектов и в ситуациях, требующих временного электроснабжения. Актуально их применение и в сельских электрических сетях для использования в качестве источников резервного питания потребителей в секционированных линиях электропередачи [1, 2, 3].

В условиях геополитических рисков и потенциальных угроз энергоснабжению, наличие дизельных генераторов способствует повышению энергетической независимости и безопасности регионов. Таким образом, дизельные электрогенераторы являются важным элементом энергетической инфраструктуры России, обеспечивая надежность, гибкость и устойчивость системы электроснабжения. Работа дизельной электростанции должна быть безопасной. Это обеспечено наличием четкого регламента и нормативной базы в виде ГОСТ ДГУ, определяющих формат и условия эксплуатации генерирующего оборудования. Эксплуатация ДЭС в России регулируется положениями ГОСТР 55006-2012, утвержденным Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии в 2012 г. Указанные стандарты применяются к дизельным электростанциям мощностью до 30 тысяч кВт. [4].

Цель работы заключается в анализе степеней автоматизации ДЭС, выявить необходимость разработки УМЗЭГ.

Материалы и методы исследования

Автоматизированная установка предполагает наличие устройств и систем, обеспечивающих выполнение пусковых операций, контроль и управление работой в автоматическом режиме. Такие установки довольно точно работают в заданном режиме и без участия персонала, чья основная функция, в основном, сводится к настройке автоматизированной системы согласно заданному режиму, регулярным осмотрам, подготовкой к эксплуатации и ремонту [5].

Комплексная автоматизация дизельных электростанций по ГОСТ включает автоматическую регулировку:

• •    скорости вращения коленвала;

• •    напряжения на генераторе;

• •    температурного режима для воды и масла в двигателе;

• •    автозапуск и перевод под нагрузку;

• •    сигналов состояния агрегатов двигателя;

• •    защитной остановки при аварийных значениях температуры, давления, частоты вращения и т.д.;

• •    дистанционного отключения дизельного двигателя;

• •    сервисных операций.

Генераторы делятся на аварийные, резервные, автономные. Последние применяют в ситуациях, когда электростанция не имеет подключения к стационарной сети, т.е. является единственным рабочим источником энергии. Для таких установок автоматизация охватывает процессы запуска (дистанционного, по управляющему импульсу), организации посменной работы группы агрегатов.

Генератор может использоваться в качестве дополнительного источника питания, когда основные электроагрегаты перегружены, либо, когда решается проблема пиковой нагрузки, когда часть общей нагрузки временно распределяют при ремонте или обслуживании основных источников электроснабжения. Предназначение ДЭС для резервного электроснабжения при авариях - электроснабжение при аварии, поломке, внезапной остановке, при выходе из строя основного источника электроснабжения. Для подобного оборудования важно, чтобы автоматически поддерживалась «горячая» готовность к пуску.

Степени автоматизации дизельных электрогенераторов могут варьироваться в зависимости от конкретных моделей и применяемых технологий [6]. Основные уровни автоматизации управления дизельными электрогенераторами:

• 1    - Полуавтоматическое управление. Генератор может быть запущен и остановлен автоматически по заданным условиям (например, при падении напряжения в сети), однако для выполнения других операций требуется вмешательство оператора. Система может отображать основные параметры работы, но администрация требует наблюдения за состоянием оборудования.

• 2    - Автоматическое управление с функциями мониторинга. Генератор автоматически запускается и останавливается в зависимости от условий нагрузки или сбоев в подаче электроэнергии. В этом режиме также доступны функции мониторинга состояния оборудования и удалённый доступ к параметрам работы через интерфейс.

• 3    - Полная автоматизация (АВР). Система полностью автоматизирована, она может осуществлять автоматический ввод/вывод в эксплуатацию, подключение к встречной сети, управление нагрузкой и реагирование на изменения в реальном времени. Полная автоматизация может включать системы защиты от перегрузок и другие функции, такие как автоматическое управление топливом и системой охлаждения.

• 4    - Интеллектуальные системы управления. Используют современные технологии, такие как IoT (internet of things - это сеть устройств, которые обмениваются друг с другом данными и командами без участия человека) и машинное обучение, для оптимизации работы генераторов. Эти системы могут самостоятельно адаптироваться к условиям эксплуатации, проводить диагностику и предлагать профилактические меры или ремонты.

Каждый уровень автоматизации персонализируется в зависимости от потребностей пользователя и специфики применения генератора [7].

В дизельных электрогенераторах используется несколько типов автоматики, обеспечивающей их эффективную и безопасную работу [8].

Основными комплектующими для автоматизации ДЭС служат:

^ Контроллеры генератора. Они отвечают за мониторинг и управление работой генератора. Они контролируют параметры, такие как напряжение, частота, ток, температуру и уровень масла.

^ Системы автоматического запуска и остановки. Автоматика, которая позволяет автоматически запускать и останавливать генератор в зависимости от состояния сети или спроса на электроэнергию.

^ Системы защиты. Данная система включает в себя защиту от перегрузки, короткого замыкания, низкого уровня масла, перегрева и других ненормальных условий, что обеспечивает безопасность работы генератора.

^ Системы автоматического регулирования частоты и напряжения. Эти системы стабилизируют выходные параметры генератора, что важно для обеспечения безопасного и качественного электрического питания.

^ Интерфейсы связи и мониторинга. Многие современные генераторы оснащены системами удаленного мониторинга, которые позволяют отслеживать состояние и параметры работы генератора через интернет или специальные интерфейсы.

^ GPS и системы учета топлива. Используются для мониторинга местоположения генератора и управления расходом топлива, что особенно актуально для мобильных или резервных генераторов.

Степень автоматизации ДГУ определяется ГОСТ 14228-80, где все дизели классифицируют по объему автоматизации [9]. Техническими стандартами предусмотрено четыре степени автоматизации:

Первая степень предполагает минимальный набор операций с авторегулированием частоты вращения коленвала, регулировкой напряжения, температурного режима в смазке и охлаждающей системе. Такие установки по генерации электрического тока поддерживают местное/ дистанционное управление при запуске, остановке, операциях перед пуском, после остановки, контролем частоты вращения, реверсирования. Также требуется автоподзарядка аккумулятора, благодаря которому производится пуск и питание устройств, обеспечивающих автоматизацию. В перечень требований входит наличие аварийно-предупредительной сигнализации и защиты, с индикацией показателей на щитке или пульте. Часто с этой степенью предлагается дизельная электростанция:

• ■    Стабилизация выходных электрических параметров

• ■    Аварийно-предупредительная сигнализация и аварийная защита

• ■    Автоматическое поддержание нормальной работы после пуска и включения нагрузки, в том числе без обслуживания в течение 4 или 8ч

Первая степень автоматизации имеет смысл только в том случае, если в месте установки постоянно присутствует необходимый персонал, который и включит генератор при необходимости, и нет потребителей для которых критична длительность простоя на время запуска ДГУ. 1 степень автоматизации выполняет следующий минимум операций:

• ■    автоматическое регулирование частоты вращения вала дизеля, напряжения и температуры в системах охлаждения и смазки;

• ■    местное и(или) дистанционное управление пуском, остановом, предпусковыми и послеостановочными операциями;

• ■    автоматическая подзарядка АКБ, обеспечивающих пуск и питание средств автоматизации;

• ■    автоматическая аварийно-предупредительная сигнализация и защита;

• ■    индикация значений контролируемых параметров на местном щитке и(или) дистанционном пульте.

Вторая степень расширяет автоматизацию до управления пуском, остановки, предпусковых/послеостановочных операций, частоты вращения и реверсирования (если есть), с приемом нагрузки в автономном режиме эксплуатации с сигнализацией о готовности к нагрузке. Автоматизируется совместная работа двигателей, включая автоприем нагрузки при синхронизации дизель-генераторов друг с другом и внешней средой. Такие генераторные установки должны выполнять условия по авторегулированию топливной вязкости с управлением переходом при смене вида топлива, а также поддержания готовности дизеля быстро принимать нагрузку. Предусмотрена исполнительная сигнализация и возможность экстренного пуска/остановки.

Данная степень автоматизации наиболее оптимальная, поскольку не требуется участия человека для ее запуска (экономия на персонале и на времени простоя потребителей - можно значительно продлить срок службы аккумуляторов в ИБП), дополнительно к первой степени присутствует: дистанционное и (или) автоматическое управление при пуске, работе и остановке со сроком необслуживаемой работы в течение 16 или 24 ч. 2 степень автоматизации нужна для снижения или исключения следующих затрат: потерь от простоя оборудования (например разморозка холодильника со скоропортящимся продуктом за то время пока, электрик ночью приедет в магазин и нажмет кнопку, если вообще будет известно об отключении электричества, износа аккумуляторов в ИБП) и затрат на логистику и персонал, который должен добраться до удаленного объекта и запустить генератор . Дополнительно к 1-ой степени автоматизации выполняется:

• •    дистанционное автоматизированное и (или) автоматическое управление пуском, остановкой, предпусковыми и послеостановочными операциями;

• •    автоматический прием нагрузки при автономной работе или выдача сигнала о готовности к приему нагрузки;

• •    автоматическое поддержание двигателя в готовности к быстрому приему нагрузки;

• •    автоматизированный экстренный пуск и(или) остановка;

• •    исполнительная сигнализация.

Третья степень предполагает дополнительное пополнение топливом, маслом, емкости охлаждения в автоматическом режиме. Должно быть установлено устройство управления вспомогательными устройствами, сервисными операциями двигателя. 3 степень, дополнительно ко второй степени включает: дистанционное и (или) автоматическое управление всеми технологическими процессами, в том числе при параллельной работе, со сроком необслуживаемой работы в течение 150 или 240 ч (для электроагрегатов и электростанций с тракторными двигателями 90 и 120 ч). 3 степень нужна для продления времени автономной работы (объект удален или опасен и т.п.). Контроллер ДГУ подключается к системе наподобие SCADA. Устанавливается дополнительный топливный бак с системой автоматической подкачки в основной. Часто к контроллеру можно подключить GSM-модем или сетевую карту. Третья степень автоматизации дополнительно ко 2-ой степени автоматизации должны выполняться:

• •    автоматическое пополнение расходных емкостей: топлива, масла, охлаждающей жидкости;

• •    автоматизированное и(или) автоматическое управление вспомогательными агрегатами и(или) отдельными операциями обслуживания двигателя.

Четвертая степень автоматизации означает, что устройство оснащено централизованным управлением двигателя и автоконтролем, а также есть функции автоматизированной диагностики отдельных систем или всего дизеля. Стабилизация выходных электрических параметров, аварийно-предупредительная сигнализация и аварийная защита. Дистанционное и (или) автоматическое управление всеми технологическими процессами. Дистанционный контроль работоспособности с элементами диагностики неисправностей и рекомендациями по их устранению. К 4 степени добавился дистанционный контроль работоспособности с элементами диагностики неисправностей и рекомендациями по их устранению - позволяет облегчить и ускорить работу обслуживающего персонала за счет более точной предварительной диагностики, что приведет к сокращению простоя и снижению стоимости работ [10].

Таблица 1. Степени автоматизации электрогенераторных установок

Степень/ Мощность	До 100 квт, час	Выше, час
Первая	4	8, 12
Вторая	24	36, 50
Третья	150	250
Четвертая	250	375

Результаты и обсуждение

Системы автоматизации позволяют повысить эффективность работы и надежность дизельных электрогенераторов, а также облегчить процесс их эксплуатации и обслуживания. Однако все электрогенераторы могут подвергаться перегрузкам. Это возникает из-за подключения большой нагрузки на одну или несколько фаз, или возникновения несимметрии на фазах. Как итог, это приводит к механической вибрации и быстрому перегреву ротора. Необходима разработка новых способов и средств защиты генераторов от различных ненормальных и аварийных режимов, в том числе, связанных с несимметрией токов и напряжений. Это позволит предотвратить резко несимметричные режимы работы генераторов и их перегрузку.

Одной из таких разработок должно стать устройство индикации пофазной нагрузки и сигнализации о перегрузке электрогенератора. Данное устройство поможет специалистам облегчить эксплуатацию генераторов при помощи функций, которые будут в данном устройстве. Они будут видеть нагрузку на каждую фазу в генераторе, что поможет исключить несимметричный режим. В случае перегрузки генератора данное устройство так же сможет подать сигнал и персонал сможет незамедлительно исправить ошибку [11].

Выводы

Автоматизация электрогенераторных установок открывает широкие возможности для повышения их эффективности и надежности. Правильно спроектированная система автоматизации позволяет существенно снизить эксплуатационные расходы и снизить риски, связанные с авариями. В условиях современных требований к качеству и надежности электроснабжения, автоматизация генераторных установок становится не только целесообразной, но и необходимой. Эти системы и устройства обеспечивают надежность, безопасность и эффективное управление электрогенераторными установками.

Благодаря разработке новых устройств, таких как УМЗЭГ можно будет заменить многие вышеперечисленные комплектующие автоматизации в ДЭС, повысить надежность, облегчить работу персонала и сохранить нормальный, рабочий режим электрогенератора.