Упредительное обслуживание – ключ к качеству электроснабжения

Проблемы напряжения

D. Bradley, Rhopoint Systems Ltd., Holland Road, Oxted, United Kingdom

Упредительное обслуживание – ключ к качеству электроснабжения

Оборудование для протоколирования событий в системах энергоснабжения давно имеется в распоряжении энергетиков. Ранние образцы такого оборудования протоколировали лишь самые основные параметры, обычно напряжение, и заносили данные на бумажный носитель. Современное оборудование фиксирует большее число параметров и хранит результаты в электронном виде, что позволяет осуществлять анализ результатов на персональных компьютерах. Соответственно, результаты контрольных измерений могут подвергаться различным видам анализа применительно к разнообразным задачам исследователя.

Ассортимент измерительно-протоколирующего оборудования широк: от простых однофазных регистраторов, присоединяемых к одной из пользовательских электророзеток в стене здания, до стационарных устройств, контролирующих все фазы электроустановки объекта.

Многие образцы измерительно-регистрационного оборудования протоколируют только события, выходящие за установленные оператором пороги колебаний напряжения. Такой подход снижает объем регистрируемых данных и упрощает хранение протоколов и их последующий анализ, однако не дает полного представления о происходящих в системе процессах, поскольку не дает представления о процессах, происходящих в пределах установленных пороговых значений параметров. Если значения порогов регистрации, обычно определяемые пользователем, установлены слишком жестко, то протоколируется избыточное количество информации, а если наоборот, с большим запасом, то важные данные могут быть пропущены.

Другим подходом является Концепция сплошного мониторинга (Full Disclosure Monitoring), предложенная американской компанией «Reliable Power Meters Inc» и британской компанией «Rhopoint Systems Ltd». Концепция основана на сплошной непрерывной фиксации всех заданных параметров с хранением такого информационного массива на специально предназначенных модулях электронной памяти и дисководах, соответствующих по своей емкости количеству данных. Для анализа к такому массиву могут прилагаться самые различные значения пороговых ограничений, требуемых на момент проведения анализа. Поскольку данные хранятся в электронном виде, их извлечение и обработка может производиться удаленно посредством доступа через сеть передачи данных или модем. Поскольку пороговые значения прилагаются не на стадии регистрации событий, а лишь на стадии анализа, то в массиве данных нет пробелов. На практике при измерении и регистрации существует возможность допуска на отклонение контрольных параметров, которые априори не имеют никакого практического значения и которые хоть и фиксируются при измерении, отфильтровываются на стадии сохранения информации, если это сочтет необходимым пользователь. Сплошное непрерывное наблюдение основано на устройствах с высокой частотой дискретизации и высокопроизводительной цифровой обработке сигналов, что позволяет уверенно осуществлять измерение, в том числе гармоник и импульсных выбросов каждого цикла. Поскольку сбор информации сплошной, измеряются колебания напряжения, в том числе импульсные явления и гармоники, мерцания, частоты, мощностные показатели и т. д.

Наличие подобного инструмента контроля и анализа позволяет осуществлять упредительное обслуживание электроустановки. Упредительное обслуживание ранее применялось в механике (например, в двигателях) и в электромеханике (в электроприводах, электродвигателях). Временной анализ частотного спектра вибраций подшипников валов двигателей и его изменения во времени позволяли точно рассчитать  дату следующего обслуживания для предотвращения аварии. Подобного рода предупредительный прогноз можно составить и для электроустановки путем выявления тенденции изменения контрольных параметров во времени.

Как уже упоминалось в настоящей серии публикаций, электроэнергия является весьма специфическим сырьем, одно из принципиальных качественных отличий которого состоит в том, что оно потребляется мгновенно по мере его производства и нет возможности методично и неторопливо осуществлять проверку его качества на неком складе на пути между местом производства и потребления для принятия решения о потреблении или отказе от него по соображениям качества. Знание истинных текущих параметров качества электроэнергии критически важно для операторов любой электроустановки, в которой предъявляются требования к качеству энергии.

Преимущества непрерывного наблюдения

Во многих правительственных, военных, финансовых и коммерческих учреждениях существуют критические и ключевые задачи, для выполнения которых вычислительные системы (компьютеры) работают непрерывно 24 часа в сутки 365 дней в году. Они могут даже осуществлять контроль за движением космических пилотируемых или беспилотных объектов и многомиллиардных трансакций в банковской сфере. Осо-знавая важность и критичность таких задач, владельцы оборудования производят значительные инвестиции в инфраструктуру для обеспечения бесперебойности его функционирования. В любом крупном центре хранения и обработки данных есть мощные ИБП (Источник бесперебойного питания (UPS)), источники аварийного энергоснабжения и, как правило, тщательно спроектированная и смонтированная система питания. Цель одна – стремление к 100%-й непрерывности функционирования системы. Непрерывное наблюдение за источником электроснабжения является неотъемлемой частью мероприятий по активному обеспечению непрерывности электроснабжения. Преимущество такого подхода состоит в следующем:

- обеспечивает наличие истории состояния и поведения системы, что позволяет выявлять формирующиеся тенденции, как, например, увеличение числа скачков или провалов напряжения и их степени или рост гармонических искажений – для принятия упреждающих профилактических мер. Упреждение незапланированных остановок является крайне важной ресурсосберегающей (в финансовом смысле)  задачей для центров обработки данных и финансовых учреждений. Упредительно обслуживание способствует снижению суммарного времени простоя критически важного оборудования;

- обеспечивает достоверные данные для принятия таких дорогостоящих решений, как приобретение дополнительных трансформаторов и аварийно-дублирующих систем и планирования расширения системы;

- ответственный персонал в режиме реального времени информируется о возникших и только возникающих проблемах путем получения сообщений на терминалы персональных компьютеров или индивидуальных пейджеров для того, чтобы незамедлительно изолировать проблемный участок для избежания лавинообразного распространения на всем объекте;

- непрерывное наблюдение за гармониками, чтобы постепенное увеличение нагрузок по мере роста системы не привело к перегреву и преждевременному выходу из строя трансформаторов, проводников и срабатыванию устройств защитного отключения;

- данные, собранные в ходе непрерывного наблюдения, позволяют поставить точный диагноз причин происшедшего в случае аварий – что произошло, почему, какие элементы и параметры привели к аварии. Это позволяет точно спланировать мероприятия по предупреждению подобных аварий в будущем.

Интересно, что подобное непрерывное сплошное наблюдение за состоянием системы энергоснабжения показалось полезным и энергоснабженческим организациям, некоторые из которых начали  осуществлять его на распределительных сетях для последующей оптимизации и улучшения качества энергоснабжения. Некоторые энергоснабженческие организации приняли решение о самостоятельном сплошном непрерывном мониторинге систем энергоснабжения в пользу потребителей (т. е. предоставляя последним доступ к результатам мониторинга) как часть контрактных обязательств или даже в добровольном порядке.

Сравнивая данные во времени

Система упредительного обслуживания начинается с установки измерительных устройств на всех критических частях электроустановки. Каждый такой измерительно-регистрационный модуль осуществляет наблюдение в течение определенного периода, например, недели или месяца, после чего массив данных переносится на постоянный носитель и сохраняется, а модуль продолжает новый цикл измерений. Каждый такой сохраненный массив первичных данных архивируется в соответствии с рациональной системой, и результаты сравниваются между собой. Набор таких баз за год или даже больший период является достаточной информацией для инженера для анализа тенденций. Сравнение постоянных параметров еженедельно или ежемесячно позволит выявлять новые тенденции, ухудшение некоторых показателей. Пороговые показатели могут быть установлены и по длительности – некоторые единичные и короткие случаи превышения пороговых значений могут не отображаться в отличие от событий, превышающих пороги длительности и/или повторяемости.

Принципиальная разница между концепцией непрерывного сплошного наблюдения  и концепцией наблюдения за превышением пороговых значений отображена на рис. 1.

Установленные вручную пороговые значения образуют «мертвые зоны» внутри кривой допуска. События внутри кривой, пусть формально и не представляющие значения для текущей функциональности системы, однако служащие индикаторами, предвестниками накапливающихся проблем, остаются вне внимания  специалистов. При системе сплошного непрерывного наблюдения применяется технология адаптивного установления пороговых значений, собирается для целей последующего анализа вся доступная информация.

Поскольку задачей непрерывного сплошного наблюдения является обеспечение максимально возможного времени функционирования системы (или снижение времени простоя), то сбор и регистрация аномальных событий или развития тенденций являются лишь первым шагом стратегии. Следующим шагом является  анализ имеющейся информации для описания состояния системы на основе запротоколированных событий, что является основой для выработки дальнейших профилактических мероприятий. Это осуществляется с помощью специальных пользовательских программ при помощи персонального компьютера.

Рисунок 1. Концепция полного непрерывного наблюдения против «классической»

Рисунок 2. Расчет коэффициента качества элеткроэнергии

Рисунок 3. Графики ККЭ для четырех объектов

Коэффициент качества электроэнергии

Качество энергии не может быть описано одной фразой или уравнением – оно инвариантно, а потому сложно для формализованного описания. Однако одной из попыток упрощенного описания качества электроэнергии является применение коэффициента качества электроэнергии  (ККЭ). Идеальное качество электроэнергии имеет ККЭ (Power Quality Index), равный 0, а значение 100 соответствует негодному качеству (рис. 2). События, расположенные на графике между двумя упомянутыми значениями, получают значение, пропорциональное расстоянию от кривой. Среднеквадратичное значение таких событий за период исследования принимают за ККЭ с учетом максимального значения ККЭ за этот же период. Сравнение ККЭ в различных сериях измерений/анализа позволяет быстро установить общую тенденцию на наблюдаемом объекте и определить узкие участки.

На рис. 3 изображено среднеквадратичное значение ККЭ для четырех точек непрерывного и сплошного наблюдения на промышленном объекте. График наглядно иллюстрирует периоды роста или переменного состояния ККЭ для некоторых их четырех объектов и свидетельствует о стабильном состоянии системы на одном из них (Network Closest). Наглядно видно, что наихудшее положение у объекта Lobby в силу того, что кривая ККЭ имеет как тенденцию к росту во времени, так и наибольшие значения колебаний. Если для последнего объекта не выявить причины и не выработать меры устранения негативного развития, то последствия могут быть неприятными. Локализация проблемы и выработка упредительных мер коррекции с последующим подтверждением эффективности таких мер путем дальнейшего наблюдения (кривая должна снизиться и выровниться) и составляют основу концепции упредительного обслуживания.

Системные и программные средства концепции непрерывного сплошного наблюдения за системами электроснабжения позволяют при анализе событий применять критерии и требования, в том числе CBEMA, ITIC и ANSI или редактированные для специальных целей, любую из этих кривых (Подробнее кривые СBEMA и подобные рассматриваются в разделе 5.1).

Обработка данных

Возможности обработки данных средствами специального программного обеспечения на персональном компьютере соответствуют ожиданиям: можно сравнивать развитие тенденций одного параметра во времени с другим, параметра одной точки (объекта)  наблюдения с другими, в том числе группами точек (объектов).

Кроме того, пользователь имеет возможность выделить любой аспект первичной информации. На рис. 4 изображена кривая  среднеквадратичного значения ККЭ для объекта Service Entrance  с коэффициентом максимальных значения ККЭ для самого неблагоприятного события (обратите внимание, что остальные показатели не учитывались). Так, коэффициент перерывов в подаче энергии составил около 1 000. Некоторые отдельные показатели имеют особое значение. Собранные за год 12 блоков о колебаниях напряжения позволяют установить отсутствие тенденции к перенапряжению (рис. 5).

Рисунок 4. ККЭ, среднеквадратичный и максимальный

Рисунок 5. Среднеквадратичная история ККЭ (колебаний напряжения)

Рисунок 6. Кривая допусков с оттененными по времени событиями

Выявление тенденций

Анализ развития событий посредством временного изменения коэффициента является одним из способов выявления тенденций. Другой подход состоит в сравнении каждого события с образцовой кривой (как, например, кривая CBEMA) и применения уменьшающейся яркости для отметки события по мере его устаревания (рис. 6). Такое оттенение на цветном мониторе позволяет наглядно определить направление развития события – улучшение или улучшение ситуации, что помогает мгновенно установить как направление развития (лучше/хуже), так и его концентрацию (ярче центр или периферия).

Выводы

Непрерывное сплошное наблюдение (мониторинг) в сочетании с развитыми средствами анализа помогают как установить исходное состояние системы, так и отслеживать ее изменения в динамике, упредительно выявляя тенденции, что позволяет заблаговременно принять меры по обеспечению ее устойчивой бесперебойной работы.

Перепечатано с сокращениями из издания  Европейского института меди 

«Прикладное руководство по качеству электроэнергии» 

Перевод с английского Е. В. Мельниковой,

Редактор перевода В. С. Ионов