Компьютерные технологии решения задач электроснабжения

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт — Электротехнический Направление — Электроэнергетика Кафедра — ЭПП Пояснительная записка к курсовому проекту Компьютерные технологии решения задач электроснабжения Выполнил Студент гр.

Акимов Н.Л.

Томск — 2012

Введение

программа электрическая сеть Рост технической оснащенности современных промышленных предприятий, увеличение единичной мощности оборудования, усложнение производственных процессов и связей между отдельными звеньями производства обуславливают необходимость повышения качества управления технологическими процессами, а также потребность в оперативной и достоверной коммерческой и технологической информации. Информации, которая позволила бы предприятию снизить финансовые затраты, как за счет снижения затрат электроэнергии, и ее сверхлимитного расходования, так и за счет перехода на более выгодные тарифные системы.

Системы электроснабжения промышленных предприятий являются сложными производственными объектами кибернетического типа, все элементы которых участвуют в едином производственном процессе, основными специфическими особенностями которого являются быстротечность явлений и неизбежность повреждений аварийного характера. Поэтому надежное и экономичное функционирование систем электроснабжения возможно только при автоматическом управлении ими.

Для автоматического управления системой электроснабжения в целом и обеспечения экономичности нормальных режимов ее работы в настоящее время применяются автоматизированные системы управления технологическим процессом и автоматизированные системы контроля и учета энергоресурсов, построенные на основе использования цифровых универсальных и специализированных (управляющих) электронных вычислительных машин. Поэтому необходимы автоматические информационные устройства, обеспечивающие сбор и передачу информации от контролируемых пунктов на диспетчерские пункты, где находятся ЭВМ и диспетчерский персонал

Для автоматического управления системой электроснабжения был выбран пакет ТРЕЙС МОУД что обуславливается, прежде всего, наличием единой интегрированной среды разработки, объединяющей в себе более 10 различных редакторов проекта, среди которых: редактор программ на визуальном языке Techno FBD, позволяющий создавать алгоритмы программ пользователю с квалификацией электрика, а не программиста, а также удобный и простой в освоении графический редактор. Кроме того, интегрированная среда разработки TRACE MODE содержит обширные библиотеки готовых компонентов и алгоритмов: свыше 1000 графических изображений, свыше 600 анимационных объектов, более 150 алгоритмов обработки данных и управления.

В качестве основных задач в данной работе были определены: построение графических экранов оператора АРМ, написание программ для расчета основных параметров электрической сети и коэффициентов графика нагрузки, представление информации о количестве и стоимости потребленной электроэнергии, осуществление связи оболочки со средствами MatLab и TraceMode через ОРС сервер.

1. Создание схемы электроснабжение предприятия Создание схемы выполняется на основе расчетов, произведенных ранее в пределах курса «Основы расчета электроснабжения». Воспроизводим уже имеющуюся схему в пределах среды Trace mode

Рисунок 1-Мнемосхема электроснабжения завода

Для осуществления дистанционного контроля за аппаратами защиты был смоделирован пульт управления и выполнены привязки соответствующим аппаратам.

Рисунок 2-Пульт управления

Для наглядного отображения действия аппаратов защиты, а также функционирования системы применяется цветовая динамизация различных её объектов. Для выполнения динамизации используем FBD программирование для создания логики переключения цвета. Далее можно видеть пример такой программы для выключателей низшего напряжения.

Рисунок 3-Программа динамизации цвета выключателей низшего напряжения

Программа динамизации цвета кабельных линий, для индикации напряжения, приведена ниже.

Рисунок 4-Программа динамизации цвета кабельных линий Программа динамизации цвета шин выполняется аналогичным образом Рисунок 5-Программа динамизации цвета шин

2.Создание графиков нагрузок

2.1 Моделирование асинхронного двигателя в Matlab

Режимы работы потребителей электрической энергии не остаются постоянными, а непрерывно изменяются в течение суток, недель и месяцев года. Соответственно изменяется и нагрузка всех звеньев передачи и распределения электроэнергии. Изменение нагрузок электроустановок в течение времени принято изображать графически в виде графиков нагрузки.

Существенная доля нагрузки промышленного предприятия может быть представлена в виде электрических двигателей. Одним из типов электрических машин является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АКЗ). Произведем моделирование асинхронного двигателя с помощью дифференциальных уравнений, описывающих его поведение и программного пакета Matlab

В системе уравнений используются приведенные относительные параметры. В качестве основных базовых величин выбираются амплитудные номинальнве значения фазного напряжения и тока, а также номинальное значение угловой частоты

.

На этой основе определяются базовые значения всех переменных и коэффициентов, входящих в уравнения, а также базового времени

,

Рисунок 6- модель двигателя в среде Matlab

Осциллоскопы измеряют относительные значения электромагнитного момента и скорости Рисунок 7-Осциллограммы скорости и момента В целях оценки реальных значений показателей энергоэффективности необходимо перейти к именованным единицам, учитывая, что в неподвижной системе координат вектор фазного тока (напряжения) может быть представлен в алгебраической и показательной форме Дальнейшее преобразование числа фаз

2.2Технология связи matlab и trace mode через ОРС сервер Пакет MatLab содержит специальные OPCtool элементы, которые позволяют создать виртуальную связь обмена данными между клиентом и ОРС сервером.

Необходимую нам величину подаём на блок ОРС-write, при этом считывать значение ОРС сервера можно с помощью блока OPC-read. Далее можно отследить изменение значения в соответствующей ячейке (top) ОРС сервера. Для отображения величины в Trace Mode создаём соответствующий канал и выполняем привязки.

Рисунок 8-Передача величины активной мощности двигателя в ОРС сервер Рисунок 9-Отображение величины в ОРС сервере

2.3Определение стоимости электроэнергии и коэффициентов графика Для создания графика нагрузки цеха реализуем включение различного количества двигателей в различный период времени и отображаем их суммарную мощность.

При расчете стоимости электроэнергии используем тарифную ставку 2х ставочного тарифа, при котором оплата производится в соответствие с фактическими объёмами потребленной электроэнергии и заявленной мощностью, участвующей, а пике нагрузки системы. Потребленная энергия рассчитывается как интеграл функции зависимости мощности от времени

Фрагмент соответствующей программы можно видеть ниже.

Рисунок 10- Программа создания нагрузки и расчета стоимости электроэнергии

Показатели качества электроэнергии определяем с помощью блока stat, позволяющего определить максимальное, минимальное и средние значения графика.

Рисунок 11-Использование блока STAT

Коэффициент заполнения графика и коэффициент максимума определяются в соответствие с формулами:

.

Рисунок 12-Определение и

Рисунок 13-Итоговый график нагрузок и гистограмма стоимости

3. Создание автомата Мура для управления пускозащитной аппаратурой высоковольтного двигателя

Заданный тип двигателя: АКСБ — 15 — 44

Структурная схема пуска высоковольтного двигателя (рис.5) содержит следующую информацию. Исполнительные органы:

· М — трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором;

· М1 — привод масляного насоса системы принудительной смазки;

· М2 — сервопривод устройства замыкания ротора накоротко и подъема щеток (УЗЩ);

· М3 — привод вентилятора для форсированного воздушного охлаждения асинхронного двигателя;

· М4 — сервопривод для управления пусковым реостатом;

· R — пусковой реостат;

· Q — силовой выключатель.

· HL1- индикация состояния «Пуск начат»

· HL1- индикация состояния «Пуск окончен»

· TW1, TW2, TW3 -реле времени

Рисунок 14- Приводной агрегат с высоковольтным двигателем

Управляющие сигналы:

· / - включить/выключить силовой выключатель;

· - включить/выключить привод масляного насоса;

· / - включить/выключить УЗЩ;

· - включить/выключить привод вентилятора;

· - включить/выключить привод пускового реостата (прямой ход);

· - включить/выключить привод пускового реостата (обратный ход).

Сигналы обратной связи:

· - состояние силового выключателя (вкл/выкл);

· - напряжение сети;

· - состояние защиты от перегрузок;

· - состояние защиты от КЗ;

· - режим работы масляного насоса;

· - давление масла;

· - температура подшипников;

· - температура обмотки;

· - режим работы привода вентилятора;

· - воздушный поток;

· - сопротивление изоляции;

· - щетки подняты, ротор замкнут накоротко;

· - пусковой реостат в конечном положении (R=0);

· - пусковой реостат в исходном положении.

Двигатель снабжен системой принудительной вентиляции и масляным насосом для системы смазки. В двигателе имеется устройство для замыкания щеток накоротко и щеткоподъемный механизм (УЗЩ), а также пусковой реостат R. Предусмотрен контроль времени разгона двигателя.

Процесс пуска завершается за 7 шагов. Сначала по команде «Пуск» включается вентилятор и масляный насос (шаг 1). Как только получены сообщения об этом и информация о напряжении сети, состоянии устройств защиты, подаче воздуха для охлаждения, давлении масла, температуре подшипников и обмоток, сопротивлении изоляции, положении щеток и пускового реостата, включается силовой выключатель Q, и подается сигнал «Пуск начат» (шаг 2). После включения силового выключателя (шаг 3) устанавливается время ожидания c и начинается время контроля пуска мин. По истечении времени ожидания включается сервопривод пускового реостата и начинается отсчет времени наблюдения с (шаг 4). Если пусковой реостат находится в конечном положении, сервопривод отключается, ротор замыкается накоротко и щетки поднимаются (шаг 5). Если об этом поступило сообщение, пусковой реостат переводится в исходное положение и наблюдение прекращается (шаг 6). Как только пусковой реостат займет исходное положение, на последнем шаге (шаг 7) отключается сервопривод пускового реостата, время слежения за пуском обнуляется и подается сигнал «Пуск окончен».

Граф последовательного выполнения программы:

После определения характерных этапов и последовательностей действия выявляем функционирование элементов на каждом этапе и присваиваем 1 или 0 в соответствие с включенным или выключенным состоянием элемента

Таблица 1- таблица состояний процесса

На следующем этапе проектирования вычерчивается автоматный граф. В его узлах записываются обозначения исходных состояний и соответствующие им коды, определенные в таблице 1. Данная комбинация двоичных разрядов соответствует значениям переменных запоминающего устройства, как указано в узле A5.

На ветвях графа указаны весовые функции. Там же отмечается, какой элемент памяти при переходе из одного состояния в другое устанавливается или сбрасывается .

Для весовых функций ветвей, необходимых для составления условий установки и сбросасоставляем выражения:

После того как автоматический граф составлен, на его основе определяют функции установки и сброса для памяти управляющего устройства

функции для и, где и обозначают сигналы установки и сброса дляго JK-триггера, на выходе которого появляется сигнал .

Функции установки:

Функции сброса:

По таблице состояний процесса определяем выходные функции:

Q=A3+A4+A5+A6+A7 TW2=A5

M1=A1+A2 +A3+A4+A5+A6+A7 TW3=A7

M2=A6 HL1=A3

M3= A2 +A3+A4+A5+A6+A7 HL2=A7

M4=A5+A7

TW=A4

На основе функций состояния и сброса и выходных функций, реализуем модель автомата Мура, используя логические элементы и элементы памяти среды Trace Mode.

Рисунок 16- Автомат мура в среде Trace Mode

Представим автомат в виде единого блока с входами и выводами соответствующими входным и выходным функциям

Рисунок 17-Автомат Мура в виде единого блока

Заключение

В ходе проделанной работы осуществлялось создание виртуальной автоматизированной системы управления технологическим процессом на примере участка внутризаводской сети автозавода. В качестве программного обеспечения был выбран программный комплекс TRACE MODE.

В итоге выделяются 3 основных этапа:

На 1 м этапе работы осуществлялась реализация схемы электроснабжения предприятия, а также производилась её динамизация. В итоге был создан пульт управления позволяющий дистанционно управлять аппаратами защиты.

На 2 м этапе производилась имитация работы цеха с помощью задания графика нагрузки асинхронными двигателями. Связь смоделированного двигателя с каналом Trace Mode производилась посредствам ОРС сервера

На 3 м этапе выполнялось построение автомата мура для управления пуском высоковольтного двигателя. В итоге автомат представлен в виде компактного и наглядного элемента.

1. Е. А. Шутов Компьтерные технологии решения задач Электроснабжения. Учеб. пособие / Том. политехн. ун-т. — Томск, 2012. — 40 с.

2.А. В. Кабышев С. Г. Обухов Расчет и проектирование систем электроснабжения объектов и установок. Учеб. пособие / Том. политехн. ун-т. — Томск, 2006. — 249 с.

3.Справочник по проектированию электроснабжения / Под ред. Ю. Г. Барыбина и др. -М.: Энергоатомиздат, 1991. — 406 с.

4.Гаврилин А. И. Электроснабжение промышленных предприятий: Метод. указания / Томск: Изд-во ТПУ, 2001 — 94 с.

Энергия, 1979.-32 с.

5.Рожкова Л. Д., Козулин В. С. Электрооборудование станций и подстанций. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 646 с.

6. www.adastra.ru