ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина IX, брой 7, 2017

Системи за автоматизация на малки ВЕЦ

Системи за автоматизация на малки ВЕЦ

Разходите за експлоатация и поддръжка на малките водноелектрически централи (ВЕЦ) допринасят значително към техните годишни разходи. Конвенционалните методи за контрол на тези инсталации са станали напълно неикономични. В продължение на много години хидро-турбинните блокове са били наблюдавани и контролирани от оператори, както локално, така и отдалечено. Поради големия брой променливи параметри и бързите промени в променливите величини, ефективността на производството трудно и адекватно може да бъде оптимизирано от операторите, което може да повлияе на общата ефективност на ВЕЦ. Повечето от обектите са в отдалечени райони, където наличната работна ръка е ниско квалифицирана и няма необходимите познания по експлоатация и поддръжка на машините. Липсата на подходящ персонал оказва негативно влияние върху ефективността на генериращите мощности.
Управлението на работата и системата за поддръжка на ВЕЦ трябва да бъдат лесни, надеждни, евтини и с минимална намеса на оперативния персонал. Системата за управление трябва да бъде такава, че да може се извършва и дистанционно.


Водната енергия е един от най-обещаващите налични енергийни ресурси в света. Въпреки това, поради други проблеми като, високи разходи за строителство, свързани с околната среда в резултат на задържането на речните води и дълъг период на възвращаемост за големите водни централи, те са престанали да предлагат някакво дългосрочно решение за нашето нарастващо търсене на енергия. От друга страна малките водни централи могат да бъдат изградени за по-кратко време и да създадат по-малко проблеми с околната среда. През последните години управлението на процеса на работа и поддръжката на малки ВЕЦ са напреднали. Но някой от тях все още използват механични релета за реализиране на полу-автоматичен режим на работа на хидрогрупата и механично-хидравличен регулатор за отварянето на турбината и контрол на скоростта.

Системата за автоматичен контрол или система за автоматизация позволява автоматично стартиране, спиране, безопасната експлоатация и защита на оборудването, което е контролирано чрез компютърно управление. Допълнително предимство на системата за автоматизация е възможността да се управлява хидрогрупата по по-ефективен начин. Компютърно базираната автоматизация подобрява дейността по експлоатацията и поддръжката на ВЕЦ. Много дейности, които са извършвани по-рано от персонала на централата, могат да се извършват по-точно, безопасно и последователно чрез компютърно базирани системи за автоматизация. Те позволяват на собствениците да управляват и поддържат своите инсталации по по-добри начини. Алгоритми за управление на базата на критерии като ефективност, автоматичен контрол на производството, както и контрол на електрическите параметри, позволяват по-рентабилна и безопасна експлоатация на инсталациите и взаимосвързаните енергийни системи. Дейностите по поддръжката са подобрени чрез способността на компютъра да изолира проблеми, да описва тенденции и да пази записи за техническото обслужване. Този контрол от една точка има много предимства, включително намаляване на оперативните служители, последователни оперативни процедури, както и възможността да имат на разположение всякакви данни за справка по време на нормални и аварийни условия.

Класификация на автоматизацията
Има две общи класификации на системите, използвани за автоматизация за водноелектрическите централи. Единият клас системи използва патентован хардуер и софтуер, които предоставят малка или почти никаква синхронна работа с друг хардуер и софтуер. Те се обозначават като затворени системи. Друг клас на общата система е интегрирана система, при която всички компоненти за контрол и наблюдение на инсталацията, имащи обща комуникационна структура за данни, се поддържат от стандартни хардуерни и софтуерни структури. Тенденцията в тези системи за контрол е към отворени системи. За сравнение е включена традиционна система за мониторинг и контрол, за да се илюстрират приликите и разликите. На практика се вижда, че не съществува нито напълно затворена, нито истински отворена система. По-скоро съществуват системи, които имат възможност да комуникират с други системи, както е показано в таблица 1.






















Тип на системата Примери за приложения Основни компоненти
Затворена Самостоятелни системи (патентовани, контролери с една функция) Патентовани контролери, патентовани операторски конзолни станции.
Отворена Контролери (системи) за ВЕЦ, системи за управление на енергията, SCADA системи (микропроцесорни) Програмируеми логически контролери с поддръжка на комуникационни мрежи, свързани в мрежа компютри или работни станции, програмируеми от крайния потребител, отдалечени терминални устройства.
Традиционна система за мониторинг и контрол Кабелни системи за наблюдение и контрол Главни станции, непрограмируеми отдалечени терминали устройства


Табл. 1 - Класификация на компютърни системи за управление


Системи за управление на процесите във ВЕЦ и поддръжка
Общото управление на водноелектрически централи се определя в стандарта на IEEE 1010-1987. Съчетанието на компютърно базирано и некомпютърно оборудване, използвано за хидроблока, машините, съоръженията и системния контрол, трябва да бъде организирано по начин, описан в таблица 2.










































Категория Подкатегория Забележки
Местоположение Локално Управлението е локално в близост или в полезрението на контролираното оборудване.
Централизирано Управлението е дистанционно от контролираното оборудване, но на територията на централата.
Дистанционно Местоположение за управление е отдалечено от проекта.
Режим Ръчно Всяка операция се нуждае от отделното и самостоятелно иницииране; може да се прилага за всяко от трите местоположения.
Автоматично Няколко операции се изпращат чрез едно иницииране; може да се прилага за всяко от трите местоположения.
Управление (наблюдение) С присъствие Операторът е на разположение по всяко време, за да инициира контролна дейност.
Без присъствие Оперативния персонал обикновено не се намира на територията на обекта.


Табл. 2 - Системи за управление на процесите във ВЕЦ и поддръжка



Компютърното оборудване може да се справи само с автоматични единични последователности и събиране на данни, всички други функции, като локално ръчно управление, се обработват от некомпютърното оборудване. Ръчно управление се използва по време на изпитване, поддръжка и като резерва на оборудването за автоматично управление. Като цяло се инсталира паралелно ръчно управление на механизми, които се контролират дистанционно, като например помпи, компресори, вентили. Често е предвидено отделните елементи на оборудването да могат да се управляват също от комутационното табло при ръчен режим. При нормална работа, функциите за управление и мониторинг се изпълняват от компютърната техника, а отделни съоръжения се използват за защитните функции.

Компоненти за автоматизация
Компонентите на системата за измерване и управление на ВЕЦ, свързани с производителността и надеждността зависят от проекта за автоматизация. Компонентите за автоматизация са дадени по-долу:

PLC (programmable logic controller - програмируем логически контролер). Това е сърцето на цифровата система за контрол с възможност за програмиране, който изпълнява функции, подобни на релейна логическа система. PLC се състои от CPU (централен процесор), памет, захранване и средства за комуникация с I/O (входове/изходи) и други устройства.

RTU (remote terminal unit - устройство за отдалечен контрол). Функцията на RTU е да събира данни и то е подобно на PLC. Понякога, може да се обозначава като PLC, в зависимост от терминологията на доставчика. RTU обикновено се свързва с по-старите системи за управление с минимални възможности за контрол.

HMI (human machine interface - интерфейс човек-машина). Функцията на HMI е да бъде интерфейс за оператора на системата за управление. HMI нормално е LCD дисплей или компютър като клиентската част на архитектура клиент/сървър. В някои случаи HMI и сървъра са еднакви.

Data Server (сървър за данни). Функцията на сървъра за данни е да направи връзка между контролерите и мрежата за изпращане на данни до HMI и да получи команди от оператора чрез HMI обратно към контролерите.

Network LAN (local area network). В системата за управление на ВЕЦ обикновено съществуват две основни мрежи. TCP/IP мрежата (Ethernet) свързва сървъра (ите) с HMI устройствата, контролерите, регистраторите на данни, защитната стена и други Ethernet базирани устройства. I/O мрежата може да бъде също и Ethernet, но по-често от контролерите се използва полева мрежа със съответния комуникационен протокол.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition - система за контрол и събиране на данни). През последното десетилетие SCADA системите, PLC-базирани системи и DCS (разпределени системи за управление) са станали синоними.

I/O (wired input and output to field devices - жичен вход и изход към полеви устройства). Функцията на I/O е да изпраща команди към устройствата или да получава информация от устройствата.

Локално управление. Средства и устройства за управление, разположени на самото оборудване или в рамките на оборудването. В електрическата централа те са разположени на табло за управление.

Автоматично управление. Средства и устройства за управление, които осигуряват в специфична последователност превключване и управление на оборудването или и двете при предварително определени условия, без намесата на оператора след започване.

Firewall (защитна стена). Функцията на защитната стена е да ограничи и да защити индустриалната мрежа от външен неоторизиран достъп.

UPS (uninterruptible power supply - непрекъсваем източник на захранване). Функцията на UPS е да осигури временно захранване на системата в случай на отказ или повреда на главното захранване. UPS също така действа като филтър за да защити контролното оборудване.

IDS (intrusion detection system - система за откриване на проникване). Това устройство се намира на индустриалната мрежа за да открива и регистрира всякакви опити за проникване - неуспешни или успешни.

Регистратор на данни. Функцията на регистратора е да съхранява историческа информация от системата за контрол.

Инженерна работна станция. Функцията на инженерната работна станция е да се конфигурира софтуера за администраторите на системата за контрол, сървърите, HMI устройствата и други видове контролно оборудване.

Оптимизация на ефективността. Това е програма, която се изпълнява върху системата за контрол, за да се постигне максимална ефективност на централата.

Необходимост и ползи от компютърно базирано управление на малка ВЕЦ
Въпреки сложното контролно оборудване, което се използва за управление и защита на големите водноелектрически централи, същото не важи за малките водни централи поради високата цена на оборудването. Но при големите централи тези разходи в сравнение с общата инвестиция не са толкова значителни, а делът им е много по-висок при малките водноелектрически централи. За това е необходима сравнително евтина система, която може да осигури подходящи условия за контрол и защита.

Малките ВЕЦ обикновено са разположени в отдалечени райони и са обслужвани от оператори без подходящи умения. Това често води до редица проблеми, предизвикани от оперативна грешка, не предприети на време коригиращи действия, и т. н. Системата за управление трябва да бъде проста и лесна за обслужване, да бъде надеждна и без поддръжка, доколкото е възможно. Разходите за експлоатация трябва да са ниски, за това системата трябва да бъде проектирана да работи с минимален персонал. Автоматичният или полу-автоматичен контрол спестява разходи за дейността. Конвенционална система за управление използва отделно оборудване за управление на турбината, контрол и защита на инсталацията, регулиране на възбуждането на генератора. Такава система често се оказва доста скъпа и става сложна за управление и поддържа.

Инсталирането на една система за автоматизация в малка ВЕЦ е по-уместно поради следните причини: те се пускат и спират по-често, предоставяне на гъвкавост за промяна на режима на работа, управление на мощността на генератора, регулиране на нивото, осигуряване на успешна, ефективна и плавна работа.

Технически решения
Компанията Schneider Electric предлага интегрирани, диференцирани електрически & контролни решения за малки ВЕЦ, които ще подобрят както тяхната производителност така и тяхната надеждност. PlantStruxure е съвместна система, която позволява на промишлени и инфраструктурни компании да решат своите задачи за автоматизация и в същото време да изпълнят високите изисквания за управление на енергията. В една работна среда измерената енергия и процесните данни могат да бъдат анализирани и използвани за реализиране на комплексно оптимизирана инсталация.

Компанията ANDRITZ HYDRO предлага модерни решения за автоматизация от богатото си портфолио за автоматизация и контрол, възбуждане на синхронни генератори, управление на електроцентрала, мониторинг и диагностика, защита, синхронизация, управление на турбина. Голям успех в дизайна на оперативни технологични решения за ВЕЦ е създаването на интегрираната система Neptun. Тя се състои от цялото второстепенно оборудване на водноелектрическата централа, от турбинните регулатори до системите за възбуждане и защита, локални и съгласуващи системи за автоматизация и контрол. Специално внимание се обръща на системното прилагане на международните стандарти и непрекъснати системни функции, докато индивидуалните изисквания на самостоятелните устройства също са взети под внимание. Предимствата, които клиентите получават от една интегрирана концепция за автоматизация са по-ниски разходи за инвестиции, опростено стартиране, кратки времена на изчакване по време на системните подмени. Конвенционалните методи за контрол на ВЕЦ могат да са икономически неефективни поради високата си цена, ако се приложат към оборудване на малки централи, така интегрираната автоматизация и контрол се превръща в ефективно и икономически изгодно решение. Компютърно базираните контрол и автоматизация имат редица предимства в сравнение с другите конвенционални видове като по-ниска цена, лесна работа и поддръжка, операторите могат да удължат срока за експлоатация на оборудването им, като същевременно подобрят ефективността, надеждността и безопасността на своите системи.

Voith Hydro е лидер в производството на генератори, турбини и свързаните с тях системи за управление. Гама от услуги, от инженеринг до производство и управление на проекти до въвеждане в експлоатация, допълва портфолиото на компанията като водещ доставчик на продукти и на услуги. Автоматизацията на малка ВЕЦ не е някакъв готов продукт. Той е направен специално според индивидуалните изисквания на съответния обект. Фирмата предлага автоматизация от един източник за да се гарантира пълното обслужване и непрекъснатата работа на вашата водноелектрическа централа и всички нейни компоненти и системи.

За най-добрият в класа си проект на системата за автоматизация, е изключително важно да има задълбочено познаване на оборудването и процесите в централата, отлични инженерни познания и опит в управлението, за да се избере, проектира и изпълни най-добрата система за автоматизация, с безпроблемна интеграция на всички инсталирани системи и свързаните с тях функции, отлична комуникация между собственика и доставчика за да се осигурят оптимално специфични функции.

Voith Hydro предлага планиране, изграждане и инсталиране на цялостни системи за автоматизация на водноелектрически централи от всякакъв вид и размер. Оптимизиране на цялостната система за постигане на висока наличност и ефективност на най-добра цена. Интегриране на системи за управление, електрическо и механично оборудване, за да се формира гладко функционираща и надеждна електрическа централа. Нашите решения за автоматизация са наистина завършени, от интерфейс към процесите до оборудване на оперативна зала, включително комуникации с центрове за дистанционно управление. Съчетаване на цифрова технология за автоматизация с механични и хидравлични елементи за управление, защита и системи за възбуждане, табла ниско напрежение и помощни средства, за да се формира завършена, напълно оптимизирана система. Използване на инженерно ноу-хау с опит в съвременните цифрови системи и мрежово базирано управление. Допълване на стандартна технология за контрол чрез добавяне на оптимизация, модули за диагностиката и управление на инсталациите, които са пригодени към специфичните нужди на електроцентралата. Обединяване на пръв поглед противоречиви изисквания за безопасност и достъпност, дълготрайност и адаптивност, доказани решения и най-модерна технология, стандарти и гъвкавост. Пускане в експлоатация на цялата система и обучаване на персонала, както и осигуряване на след продажбено обслужване, включително дистанционна експертна помощ.

Едно цялостно решение на Emerson за водноелектрически централи може да ви помогне да постигнете целите на бизнеса - от единична хидрогрупа, до инсталация с няколко генератора или няколко водноелектрически каскади. Способността на компанията да проектира, изпълнява и управлява проекти за автоматизация на ВЕЦ ще доведе до увеличаване на възвръщаемостта, редуциране на риска и въздействията на персонала. Компанията Emerson предлага софтуер за оптимизиране на използването на водите и финансовите резултати, он-лайн наблюдение на турбините, генераторите, системите за възбуждане и енергийната ефективност в реално време, контролиране на загубите.

В зависимост от конкретното решение, системата за управление и мониторинг може да включва HMI устройства, контролери, входове/изходи, комуникационни мрежи, контрол на нивото на изравнителя, водния поток в напорния тръбопровод, положението на савака, отварянето на турбината, премахването на боклука от скарата, SCADA система, сървъри за данни, електронна документация, интеграция с други системи и интернет, охрана, мониторинг на вибрации, интелигентни аналогови полеви устройства за налягане, температура, поток и ниво, трансмитери, електрически и хидравлични задвижващи механизми.

Системата HYMACON се състои от HMI за визуализация на работните параметри и управление на хидрогрупата в едно компактно устройство. Тя се събира в един или два шкафа и може лесно да се мащабира в съответствие с изискванията.

Системата HYMACON е изградена въз основа контролера YMAREG 10, който комбинира регулатор на турбината, блок за възбуждане и функция за автоматична синхронизация с мрежата. Контролерът е доказано и старателно тестван и предоставя функционалност, разработена според изискванията за по-големи системи. Всички времево критични функции се управляват от контролера YMAREG 10, докато друг PLC се грижи за контролната последователност, локалния операторски панел, регистриране и сигнализация на алармите, аналогов мониторинг и комуникация с оперативната зала.

Системата за управление работи с 15" операторски панел, монтиран на вратата на шкафа. Тя също така има възможност за дистанционно управление чрез интернет, от където можете да имате достъп до същите функции, които са на разположение на локално ниво. С помощта HYMACON могат да се поддържат ниски експлоатационни разходи и минимално количество оперативен персонал.

Обикновено системата за автоматизация се реализира с цел подобряване на ефективността, производителността и оперативното управление на ВЕЦ. Основните ползи от системата за автоматизация на малка водна централа са да предоставят пълна информация за нея по всяко време онлайн, ефективно използване на оперативния персонал, по-лесна и бърза поддръжка, намаляване на времето за престой, поради онлайн диагностика, намаляване на оперативния персонал, възможност да се интегрират функции за контрол на инсталацията в една хардуерна система, намаляване на пространството за шкафове и табла, подобрена производителност, осигуряване на сигурност срещу неправилни операции от страна на оператора, по-бързо автоматично включване и изключване на хидрогрупата, отколкото при ръчно пускане и спиране, чрез автоматизацията на практика може да се постигне най-висока стойност на ефективността и да се оптимизира производството, надеждна работа и ниски разходи за експлоатация и поддръжка.