Освещение пунктов диспетчерского управления в энергетике

В последние десятилетия объекты отечественной электроэнергетики переживают значительную реконструкцию производственных мощностей, одним из важнейших элементов которой является модернизация и усовершенствование автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). На данный момент АСУ ТП можно рассматривать как основное оборудование большинства энергетических объектов, а термин «Цифровая подстанция» становится все более привычным.

Элементы телемеханического контроля оборудования начинают использоваться на диспетчерских пунктах 30-х годов прошлого века [1, 2], в 50-е годы широко внедряется звукозапись телефонных разговоров на диспетчерских пунктах, поскольку взаимодействие диспетчерского персонала на различных уровнях становится очень важным. Так же в это время наряду с центральными диспетчерскими пунктами были созданы объединенные диспетчерские управления, а позднее и центральное диспетчерское управление [3]. Качественные изменения в структуре диспетчерского управления повлекли за собой внедрение новых технических средств в процесс диспетчерского управления, а именно вычислительной и телевизионной техники [4, 5]. В конце 1970-х годов имели место первые попытки создания автоматизированных диспетчерских систем, базой которых являлись семантические сети, а реализация предполагала использование мини-ЭВМ [6]. Бурное внедрение АСУ ТП на объектах электроэнергетики России состоялось в середине 90-х годов [7] и сделало элементы автоматизации основным системообразующим компонентом [8].

Современная АСУ ТП предназначена не только для контроля, но и для управления процессом производства и распределения электрической и тепловой энергии, а также для регистрации и предотвращения аварийных ситуаций, для сбора данных о технологическом процессе. К функциям, реализованным в АСУ ТП энергетического комплекса, помимо измерения технологических параметров, преобразования их к цифровому виду, удаленного диспетчерского управления и контроля состояния оборудования следует отнести обеспечение человеко-машинного интерфейса с такими возможностями, как визуализация объекта автоматизации и технологического процесса, формирование трендов и осциллограмм происходящих процессов [9]. Полный набор требований к функциям АСУ ТП перечислен в [10–12].

Рабочие места операторов таких систем обычно представляют собой персональный компьютер в промышленном исполнении (или панель управления) с установленным на нем специализированным программным обеспечением. Визуальное отображение информации осуществляется посредством дисплеев, число которых для каждого рабочего места может достигать четырех и более [13]. Главный щит управления (ГЩУ) отличается увеличенным размером дисплейных элементов, которые позволяют демонстрировать наиболее важные анимированные мнемосхемы с основным оборудованием. В помещении ГЩУ для персонала, ведущего эксплуатацию станции, создаются все условия для контроля над работой объекта, возможно вмешательство во все основные процессы управления оборудованием, изменение режимов, регулирование параметров.

Зрительное утомление операторов АСУ ТП

Наличие автоматизированных систем управления технологическими процессами на предприятии позволяет повышать производительность и безопасность производства, а также минимизировать численность обслуживающего и оперативного персонала. Таким образом, внедрение современных технологий в функционирование станций приводит, с одной стороны, к упрощению работы специалистов, с другой стороны, к изменению привычных условий труда.

Длительная работа диспетчерского и оперативного персонала, связанная с постоянным наблюдением текущего состояния энергосистемы на дисплеях требует также повышенной сосредоточенности, что приводит к повышенным нагрузкам на органы зрения человека. Вследствие чего, у персонала развивается зрительное утомление, способствующее возникновению нервного напряжения, стресса, возможным ошибочным действиям. Причинами возникновения зрительного утомления являются, с одной стороны, неудовлетворительные параметры световой среды, а с другой, отсутствие четких требований к параметрам дисплейных терминалов.

Вопросы нормализации световой среды для операторов, проводящих значительную часть рабочего времени за распознаванием на экранах графических схем и числовых значений, на данный момент полностью не изучены и поэтому требуют углубленных исследований. Эти вопросы особенно актуальны, когда речь идет о дежурном персонале электрических подстанций, так как ошибочные действия этих работников могут привести к серьезным последствиям, например, к сбоям в работе энергосистем. Дополнительным неблагоприятным фактором для указанных работников является работа в ночную смену (при 12-часовом графике). Следует помнить, что большое количество электрических подстанций магистральных электрических сетей располагается в северных районах, характеризующихся недостатком естественного освещения в зимний период, соответственно, возрастает роль систем искусственного освещения. Система гигиенической оценки параметров световой среды диспетчерских пунктов энергосистем, сложившаяся с момента внедрения специальной оценки условий труда, не в полной мере обеспечивает контроль за безопасностью осветительных установок, кроме того, представленные на рынке образцы энергоэффективных источников света зачастую не обеспечивают подтверждение заявленных характеристик (в том числе качества освещения).

Требования к параметрам световой среды рабочих мест, оборудованных дисплейными терминалами специфичны [14], их можно назвать более строгими. При нормировании большинства видов зрительных работ ограничивается только мини- мальное значение освещенности, большие уровни освещенности при этом считаются допустимыми. Но при работе с дисплеями избыток освещенности приводит к снижению контраста экранного изображения, затруднению его распознавания, следовательно, необходимо ограничивать не только минимальное, но и максимальное допустимое значение освещенности. Наиболее строгими следует признать требования, касающиеся качества освещения таких рабочих мест, а именно пульсации светового потока. Если для основных видов зрительных работ допустимым является 20%-ная пульсация освещенности, то при использовании дисплеев только 5%-ная. Эти особые требования (недопустимость избыточного освещения и ограничение пульсации) обязательно должны учитываться при проектировании освещения рабочих мест с дисплейными терминалами.

Особенности построения энергоэффективных осветительных систем диспетчерских пунктов

Построение энергоэффективных осветительных систем на основе светодиодных (СД) светильников становится все более привычным, большинство проектировщиков старается добиться максимального энергосбережения. Кроме фактического энергосбережения, полученного в результате замены традиционных ламп на светодиоды, целесообразно использование систем управления освещением, обеспечивающих дополнительную экономию энергии и повышающих комфорт на рабочих местах [15–19].

Учитывая, что создание избыточных уровней освещенности не выгодно с экономических позиций, но и недопустимо для операторов дисплейных терминалов с точки зрения гигиенического воздействия, необходимо применение светодиодных светильников с регулируемой яркостью, обеспечить которую можно разными способами. Световой поток светодиодных светильников теоретически может регулироваться с помощью диммеров общего назначения (с отсечкой по заднему фронту), однако, такой способ все реже применяется на практике.

Учитывая, что СД – это приборы, функционирующие на постоянном токе, становится возможным применение таких методов управления как широтно-импульсная модуляция (ШИМ), позволяющих эффективно менять ток СД и их световые характеристики в широких пределах. Возможность плавного изменения светового потока СД лампы позволяет управлять освещенностью на рабочем месте, создавая наиболее комфортные условия [20].

Принцип ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. ШИМ включает и выключает светодио-

Электроэнергетика

ды с высокой частотой, что уменьшает время нахождения светодиода во включенном состоянии и обеспечивает уменьшение излучаемого им света. Метод регулирования яркости при помощи ШИМ был оправдан и не имел особенных противопоказаний для применения в светильниках с люминесцентными лампами, но для светодиодных источников, обладающих незначительной инерционностью этот метод приводит к колоссальной пульсации светового потока, незаметной для человека, но негативно сказывающейся на здоровье. Пульсация источников света определяется двумя факторами – их инерционностью и схемой управления (форма и частота тока). Инерционность СД определяется временем нарастания его светового потока от 0,1 до 1,0 и спада от 1,0 до 0,1 его номинального значения при подаче и снятии напряжения. У современных СД это время составляет от 5 до 50 нс [21– 25], поэтому на частоте до десятков кГц такие источники света можно считать абсолютно безынерционными элементами, пульсация которых полностью определяется пульсацией входного тока устройства управления. Следует заметить, что актуальные нормативные документы [26–30] не содержат требований к импульсам выходного напряжения при работе светодиодных модулей.

Учитывая отсутствие инерции СД источников, становится очевидным необходимость рассмотрения инерционных свойств зрения человека.

Приt= тд: T^x 5(тд) = kL(1 — e-v) . (3) Для темной фазы: TS\      t—T ^п(т) = kL (1 — e v)-e v . (4) При т„ = Т: _,            /      -TS\     T—T 5(т„) = kL (1 — e v)-e v . (5) Величина изменения светлоты ΔS будет при переходе от светлой фазы к темной

Д5 = 5( т _s )-S(т _n ) =

= kL (1 — e v ) — kL (1 — e v )

Исследуя Δ S на максимум,

Д5 = kL (1 — e-v) —

2        ^TS\      ^T s+ ^T n ^—T

—kL (1 — e^-V) • e    v =

(      _ TL     _ Ta _T'

= kL (1 — e v — e v + e v

Так как T_n = T — T_д , то Д5( т_д) = kL (1 — e^-” » — e

T—T

• e ^v .

_ т—Тд    _т v +e v

Первая производная Д5(т _д ):

Д5’( т5) =

Моделирование инерционных свойств зрения

Одной из важных характеристик зрения явля-

/Jj0 e(J e '■ •/ ■ (;. 0)

kL L/” , о-Т—ТL^

= "V\ ^{e v + e v} ).                        (7)

Если у Д5( т д ) имеется максимум, то

Д5'( т _д ) = 0. ^Г не может быть равно нулю, следовательно

• _- ^т & ^Т—Т 8            т₈       ^Т — ^Т ₈

• e v — e v = 0 ^ e v = e v .

ется световая чувствительность, во многом определяемая адаптационным свойствами глаз.

Для того чтобы понять представляет ли метод регулирования яркости посредством ШИМ вред для органов зрения, необходимо применить математическое моделирование особенностей воспри-

Отсюда следует

^т д = ^{T — т} д , ^{2 т} д = ^T ,

т. е.

или

т ^т Д = 2 ,

ятия непостоянного освещения органами зрения.

Инерционные свойства зрения можно рассмотреть, представив блок инерции зрения в виде линейной модели для одиночных вспышек:

S(t) = 1; JL L(т)•Л(t-т)dт,           (1)

где S ( t ) - светлота (ощущение яркости); L(т) - яркость; A ( t ) — функция затухания; v — постоянный коэффициент.

Или

1-   4-                   t—T

S(t)=-Jl _m 2,(r)-e—dr.              (2)

Исследуем эту формулу при прямоугольных

т д = т „ .

Таким образом, максимум изменения светлоты имеет место при равной продолжительности светлой и темной фаз, то есть некоторые режимы прерывающейся работы ламп (равная продолжительность темной и светлой фаз) неприемлемы

относительно восприятия зрением.

Исследуем изменение светлоты при изменении частоты ШИМ-регулирования.

При изменении частоты пульсации с постоянной скважностью Д5 будет равняться

Д5 = kL (1 — e^{- TL} —

-Та    -Т\ e v + e v).

периодических мельканиях с произвольным соотношением длительности светлой фазы т д к тем-

ной т „ .

Предположим, что t = 0. Тогда для светлой фазы светлота будет

гтз 1

После подстановки T = - : v

Д5 = kL (1 — 2e^- 5vv + e^-™).

1г t          t—T

S д ⁽ t ⁾ = т / ₀ L • e ^v йт =

= kLe v (1 —

Исследуем производную

Д5 на максимум, найдя первую

kL - 1 _rt. ^T , —e v I L • е ^ ат =

J 0

V

e v ) = kL (1 — e v ).

Д5 ' = —2kLe^- 5^^ (— 2Г ) (— i ) +

--(AC ¹ kL -A

+kLe ^UK") = ^(e vv

—

e 2 ^v v ).

При наличии максимума Д5 = 0, может быть равно нулю, следовательно 11  11

5 W — 5 2W — 0^5 W — 5 2W

1      1

но

kL не w2

w 2w , что тоже невозможно.

Это позволяет сделать вывод, что максимума Δ S при изменении частоты пульсации нет.

Рассмотрим динамику изменения ΔS при из- менении частоты пульсации.

При v — 0: Д5 — kL (1 — (1 — 5^_ ” - При v ^ да :

_ 1     _A\

5 2w + 5 wl —

_^A 5 2Wl —

—

+ 5 ' ) — kL.

nm „^ ₀ AS ' ^— ^( ⁵ w ^—

kL   _^-

— lim —- (5 2w

-^ да w² \

_—

— 5 2wl —

— lim6,39-^kL • 5^_ 2T" —

-^ да     W²

i

— 6,39^1™ -^ да ^T—0-

Анализ (8) показывает, что при увеличении частоты пульсации светлота монотонно уменьшается от величины kL до нуля, следовательно, увеличение частоты ШИМ-регулирования оправдано с точки зрения гигиенического воздействия освещения на органы зрения.

Аналитическое изучение инерционных свойств зрения показывает, что значимым фактором в формировании зрительных ощущений при пульсации освещения является не только частота пульсации, но и величина скважности.

Заключение

При использовании регулирования светового потока светодиодных светильников методом ШИМ необходимо учитывать особенности восприятия непостоянного освещения органами зрения. Аналитические исследования показали, что при значениях коэффициента заполнения, равных 0,5, возрастает вероятность зрительного утомления, поэтому при необходимости изменения освещенности в широком диапазоне регулирование за счет ШИМ нецелесообразно.

Осветительные установки, используемые для освещения диспетчерских пунктов объектов энергетики, должны учитывать особенности восприятия мерцающего освещения зрением.