Разработка автоматизированной системы управления электроснабжением КС "Ухтинская"

Характеристики ЦРП-10 кВ

ЦРП-10 кВ представляет собой сборку из шкафов следующего назначения:

§ ввод от энергосистемы - 2 шкафа;

§ ввод от ЦРП-10 кВ КС “Ухтинская” - 2 шкафа;

§ секционный выключатель;

§ секционный разъединитель;

§ шинный трансформатор напряжения - 2 шкафа;

§ отходящие линии к КТП 10/0,4 кВ и ВЛ-10 кВ (38 шкафов)

Ячейка MCset представляет собой КРУ в металлическом корпусе, предназначенное для внутренней установки. Устройство MCset объединяет в себе множество технических решений, реализованных на основе испытанных технологий: КРУ с высокими эксплуатационными характеристиками, цифровую защиту, системы контроля и управления, корпуса, устойчивые к воздействию внутренней дуги.

В ЦРП-10 кВ предусматривается установка ячеек MCset c блоками Sepam 2000. Блоки терминалов Sepam 2000 осуществляют защиту, контроль и управление соединений между подстанциями (вводы или отходящие линии, кабели, линии), а также связей между сборными шинами, осуществляют измерения, защиту, управление и контроль, необходимых для их нормальной эксплуатации.

Преимущества ячеек MCset:

Надежность - разработка, изготовление и испытание серии MCset проводились в соответствии со стандартом качества ISO 9000.

Простота

§ устройство снабжено общедоступным пользовательским интерфейсом;

§ ошибочные действия оператора предотвращаются системой встроенных блокировок и навесных замков;

§ блоки защиты типа Sepam обеспечивают доступ к информации без применения дополнительных устройств; техническое обслуживание сводится к простой текущей проверке работоспособности, смазке и чистке аппаратов с периодичностью 5 - 10 лет.

Безопасность

§ все операции с оборудованием, включая доступ в отсек кабельной сборки и отсек сборных шин, осуществляются с передней панели;

§ вкатывание и выкатывание возможно только при закрытой дверце;

§ на передних панелях ячеек расположены стационарные указатели напряжения;

§ заземляющий разъединитель обладает стойкостью к включению на короткое замыкание;

§ для всех операций на MCset используется одна рукоятка с анти-рефлексным устройством;

§ все ячейки обладают стойкостью к воздействию внутренней дуги.

Включение ячеек MCset в АСУ ЭС позволит решать задачи оптимизации системы электроснабжения. Это означает поиск путей для снижения прямых и косвенных эксплуатационных расходов и для обеспечения бесперебойной подачи электроэнергии. Для достижения этой цели ячейки MCset предоставляют необходимую информацию о работе ЦРП-10 кВ.

Определение максимального режима работы сети электроснабжения

Так как планируется строительство электростанции собственных нужд на КС «Ухтинская» на базе газотурбогенераторов ГТГ-1800 с трехфазными синхронными генераторами с выходным напряжением 10,5 кВ, то можно предложить следующий режим работы сети представленный на рисунке 1.6. ЭСН будет основным источником питания как для потребителей на КС «Ухтинская», так и потребителей КС-10, то есть два основных ввода на ЦРП-10 кВ будет от ЗРУ-10 кВ расположенного в здании ЭСН. В качестве третьего ввода будет использоваться один ввод от энергосистемы, который будет работать в параллель с ЭСН, второй ввод от энергосистемы отключен, и будет использоваться в качестве резервного. Таким образом, необходимо определить количество постоянно работающих генераторов на ЭСН, при этом примем, что генераторы будут брать на себя всю нагрузку, располагающуюся на территории двух КС. Известно, что в среднем за год КС-10 потребляет , тогда расчетная мощность потребителей составит

,	(1.2)

где - потребляемая электроэнергия, за год;

- число часов в году.

кВт.

Мощность, потребляемая электроустановками КС «Ухтинская» , составляет . Таим образом, полная мощность, которую должны обеспечить генераторы ЭСН, составит

,	(1.3)

кВт.

При работе генераторов с сетью с нулевым перетоком мощности возможны следующие варианты (номинальная мощность 1-го турбогенератора ):

§ 3 турбогенератора в работе, тогда каждый работает с загрузкой 1122,5 кВт, при аварии (выходе одного генератора из строя) будет работать два генератора с загрузкой 1683,8 кВт, генераторы близки к перегрузке.

§ 4 турбогенератора в работе, тогда каждый работает с загрузкой 841,9 кВт, при аварии (выходе одного генератора из строя) будет работать три генератора с загрузкой 1122,5 кВт (на 62%).

Таким образом, для обеспечения нормальной надежной работы системы необходимо, чтобы в работе постоянно находилось 4 турбогенератора.

Расчет токов короткого замыкания

Рассчитаем ток трехфазного короткого замыкания на шинах ЦРП-10 кВ. Для этого составим схему замещения прямой последовательности (рисунок 1.7). Определим сопротивления элементов входящих в схему замещения.

Сопротивление турбогенератора ГСБ-18000-10,5-1500УХЛ2

,	(1.4)

Ом.

,	(1.5)

кВ.

Сопротивление системы, определим, зная ток трех фазного к.з. на шинах ЗРУ-10 кВ ПС-110/35/10

,	(1.6)

Ом.

Активное и реактивное сопротивление кабельной линии ААБ2 (3х185) от ЗРУ-10 кВ на ПС-110/35/10 до ЦРП-10 кВ

, .	(1.7)

Ом,

Ом.

Активное и реактивное сопротивление воздушной линии АС-150 (3х150) от ЗРУ-10 кВ на электростанции собственных нужд до ЦРП-10 кВ

, .	(1.8)

Ом,

Ом.

Активное и реактивное сопротивление трансформаторов расположенных в КТП-10/0,4 кВ

, .	(1.9)

Трансформатор с номинальной мощностью 1000 кВА (Т1, Т3, Т6, Т11)

Ом,

Ом.

Трансформатор с номинальной мощностью 630 кВА (Т2, Т5, Т8, Т9)

Ом,

.

Трансформатор с номинальной мощностью 400 кВА (Т4, Т7, Т10, Т12, Т13)

Ом,

Ом.

Для определения токов к.з. в максимальном режиме определим эквивалентные сопротивления и ЭДС. Значения эквивалентных сопротивлений и соответствующих токов 3-х фазного к.з. представлены в таблице 1.9. Ток 3-х фазного к.з. определяется по формуле

,	(1.10)

где - эквивалентное ЭДС, кВ;

- эквивалентное сопротивление до точки к.з., Ом.

Таблица 1.9 - Расчет токов к.з. в максимальном режиме

Точка к.з.	Эквивалентное сопротивление
1	1,34	4,701
2	7,59	0,830
3	11,07	0,570
4	7,50	0,841
5	13,77	0,458
6	10,97	0,575
7	7,47	0,844
8	13,92	0,453
9	11,02	0,572
10	11,03	0,572
11	13,87	0,455
12	7,61	0,829
13	13,77	0,458
14	13,88	0,454

Определим ток 3-х и 2-х фазного короткого замыкания в минимальном режиме работы энергосистемы. В минимальном режиме работает два генератора, соответствующие эквивалентные сопротивления приведены в таблице 1.10.

Ток 2-х фазного к.з. определится по формуле

,	(1.11)

Таблица 1.10 - Расчет токов к.з. в минимальном режиме и токов замыкания на землю

Точка к.з.	Эквивалентное сопротивление
1	3,43	1,836	1,590	0,21
2	9,68	0,651	0,564	1,46
3	13,16	0,479	0,415	1,06
4	9,59	0,657	0,569	0,88
5	15,86	0,398	0,344	0,44
6	13,06	0,483	0,418	0,47
7	9,56	0,660	0,571	0,68
8	16,01	0,394	0,341	1,25
9	13,11	0,481	0,417	0,78
10	13,12	0,481	0,416	0,83
11	15,96	0,395	0,342	0,99
12	9,70	0,650	0,563	1,56
13	15,86	0,398	0,344	0,43
14	15,97	0,395	0,342	1,04

Определим токи замыкания на землю по формуле

,	(1.12)

где - емкость 1 км фазы сети относительно земли, Ом/км.

- длина кабеля от трансформатора 110/35/10 на понизительной подстанции до конца защищаемого кабеля, км.

Значения токов замыкания на землю представлены в таблице 1.10.

Проверка электрических аппаратов установленных в ячейках ЦРП-10 кВ

Вводные и отходящие ячейки тип AD1 укомплектованы выключателями LF1 со следующими данными:

- номинальное рабочее напряжение, кВ;

- номинальный ток отключения, кА;

- ток термической стойкости, кА;

- допустимое время действия тока термической стойкости, с;

- динамической стойкости, кА;

- время отключения, с.

Проверка выключателя по электродинамической стойкости

,	(1.13)

,

.

Проверка выключателя по термической стойкости

,	(1.14)

где - тепловой импульс от тока,

- предельный сквозной ток, кА;

- время срабатывания защиты, с.

,

.

Следовательно.

Проверка выключателя по отключающей способности

,	(1.15)

где - периодическая составляющая тока к.з., А;

- апериодическая составляющая тока к.з., А;

- постоянная времени затухания апериодической составляющей тока к.з., с;

,

.

Следовательно, условие по отключающей способности выполнено.

Проверим разъединителя установленного в шкафу секционного разъединителя типа GL1.

Проверка разъединителя по электродинамической стойкости

.

Проверка разъединителя по термической стойкости

.

Выбор защит КТП-10/0,4

Произведем выбор уставок защит для оной из цеховых КТП (ТП-1). В реле Sepam 2000 используются следующие защиты: максимальная токовая защита и токовая отсечка с действием на отключение, защита от перегрузки и защита от замыканий на землю с действием на сигнал.

Токовая отсечка

Ток срабатывания токовой отсечки выбираем по условию отстройки от максимального тока 3-х фазного к.з. за трансформатором 1000 кВА [3]

,	(1.16)

где - коэффициент надежности;

- максимальный ток 3-х фазного к.з. за трансформатором 1000 кВА.

А.

Чувствительность к току двухфазного к.з. в месте установки защиты в минимальном режиме работы электросети

,	(1.17)

.

Максимальная токовая защита

Ток срабатывания МТЗ выбираем по условию отстройки от тока самозапуска

,	(1.18)

где - коэффициент самозапуска;

- коэффициент возврата реле;

- номинальный ток трансформатора, А.

А.

Время срабатывания МТЗ выбираем по условию согласования с отсечкой секционного выключателя 0,4 кВ КТП

,	(1.19)

с.

Защита от перегрузки

Ток срабатывания защиты

,	(1.20)

А.

Время срабатывания защиты принимаем 10с.

Защита от замыканий на землю

,	(1.21)

где - коэффициент учитывающий бросок емкостного тока.

А.

2. Анализ промышленных шин для систем автоматизации

Одним из требований предъявляемых к современным автоматизированным системам с распределенным интеллектам, к которым относится разрабатываемая АСУ-Э, это использование унифицированных средств и систем автоматизации, программно-технических комплексов и интерфейсов взаимодействия уровней управления. По мере того, как интеллект системы становился все более распределенным, все очевиднее проявлялась потребность в общем, стандартном средстве связи, как между отдельными интеллектуальными устройствами, так и между ними, что позволило бы упростить визуализацию и управление контролируемым процессом. В результате появилось нескольких стандартов промышленных шин, применяемых в качестве средств связи различных устройств на цеховом уровне.

Промышленная автоматизация переживает сейчас большие изменения. Постепенно отходят от практики применения собственных систем и централизованных систем управления и начинают обращать внимание на системы с распределенным интеллектом. В результате фирменные и централизованные архитектуры понемногу сдают свои позиции на рынке, в то время как открытые распределенные системы (в которых для управления, сбора данных и обмена информацией используются промышленные шины - Fieldbus) начинают его завоевывать. Одна из причин этого кроется в том, что прокладка кабелей и развертывание системы с использованием промышленных шин обходится значительно дешевле. Системы с централизованным управлением обычно требуют, чтобы каждый датчик или группа датчиков подключалась к центральному контроллеру отдельным (и довольно дорогим) высококачественным кабелем. Напротив, в системе на базе промышленной шины рядом с каждым кластером датчиков располагается один интеллектуальный узел, преобразующий сигналы датчиков в цифровую последовательность и передающий их в этом виде в систему управления/мониторинга.

Выбор универсальной промышленной шины

Промышленная шина - это коммуникационная сеть, объединяющая несколько промышленных систем и функционирующая практически так же, как и локальная сеть в учреждении. Однако для поддержания режима реального времени промышленная шина должна быть детерминистичной - качество, отсутствующее в офисных локальных сетях. Именно поэтому ни Ethernet, ни другие аналогичные сети не применяются в чисто промышленных системах. Отвечая требованиям различных прикладных сфер, промышленные шины обладают соответствующими характеристиками, благодаря которым их можно использовать в условиях промышленной эксплуатации.

Характеристики промышленных шин

§ детерминированность,

§ поддержка больших расстояний между узлами,

§ защита от электромагнитных наводок,

§ высокая эксплуатационная надежность.

Многие промышленные шины опираются на стандарт двухпроводного канала RS485, обеспечивающего взаимосвязь нескольких устройств на расстояниях до нескольких сотен метров. Как правило, в промышленных условиях оперативность и предсказуемость времени передачи информации - характеристики более важные, чем способность передавать большие объемы данных. Скорости передачи по промышленным шинам колеблются от 50 Кбит/с до 4 Мбит/с (с одним исключением - шина PROFIbus имеет пропускную способность до 12 Мбит/с).

В распределенных промышленных системах объединяются сетевые узлы самых разных типов, с самыми разными скоростями, расстояниями передачи информации и типами данных. Для обновления изображения на дисплее оператора в большой системе управления технологическим процессом может понадобиться передача нескольких мегабайт информации.

Решить все задачи при помощи промышленной шины одного типа просто невозможно. Однако все вместе они могут удовлетворить требованиям практически любой системы управления, имеющей распределенную архитектуру.

Влияние электрической среды на выбор промышленной шины

В промышленных системах чрезвычайно важна защита от электромагнитных помех. Практически везде случаются значительные скачки напряжений и токов. Периодические отказы из-за воздействия помех обходятся очень дорого, ведут к потере производительности и поэтому просто недопустимы. В большинстве средних и крупных систем требуется соответствие различным международным стандартам (типа СЕ или UL), что является обязательным во многих странах (например, в США).

Обычно от отдельных fieldbus-продуктов не требуется обязательного соответствия международным стандартам защиты от электромагнитных излучений. Однако, если предприятие использует несертифицированное устройство, то ему возможно, придется сертифицировать устройство на соответствие требованиям системы. Это означает, что при покупке изделий для построения систем на базе промышленных шин лучше всего иметь дело с компаниями, которые с самого начала разрабатывают свои изделия с ориентацией на соответствие стандартам по электромагнитной защищенности.

Например, если для связи fieldbus-устройств в качестве линий связи применяются медные проводники, то их нужно тщательно экранировать. Алтернативой может быть оптоволоконная передающая среда. Некоторые стандарты промышленных шин прямо определяют использование оптоволоконных кабелей. Стандарты, в которых применение оптоволоконных кабелей специально не предусматривается, допускают применение серийно выпускаемых преобразователей (электрического сигнала в оптический и обратно) при прокладке промышленной шины через зоны с повышенным уровнем помех.

Влияние физической среды на выбор промышленной шины

Кроме электрических характеристик окружающей среды, необходимо учитывать и ее физические параметры. Электронные узлы промышленных систем часто работают в эстремальных условиях, например при больших температуратурных колебаниях, при больших вибрациях и ударных нагрузках.

Температура окружающей среды

Прежде чем выбрать тот или иной fieldbus-компонент, необходимо определить, к какому температурному диапазону относятся реальные производственные условия (учитывая при этом и метод охлаждения: принудительный или естественный (конвективный)).

Ударные и вибрацилнные нагрузки

Иногда промышленные системы подвергаются различным ударам и вибрациям. Системы на базе европлат (типа VME и CompactPCI) удовлетворяющие требованиям механических стандартов "Евромеханика" (входят в серию стандартов IEEE 1101) обычно могут противостоять ударам и вибрациям. Каждая плата должна быть зафиксирована со всех четырех сторон: направляющими объединительной панели (сверху и снизу), разъемами (сзади) и крепежными винтами или самоблокирующимися ручками вставки/извлечения (спереди).

Промышленные шины, лидирующие на рынке

В настоящее время на рынке присутствует около 50 различных промышленных шин, однако главенствуют только 4 из них

§ CAN,

§ PROFIbus,

§ LON,

§ Foundation Fieldbus.

CAN (Controller Area Network) - последовательная шина, разработанная компаниями Bosch и Intel для автомобильной промышленности. В настоящее время она используется и в распределенных системах управления (а также и в других областях автоматизации и контроля) для объединения интеллектуальных датчиков, интеллектуальных приводов и высокоуровневых систем.

CAN - это шина с несколькими мастер-узлами на основе пары медных проводников. Скорость передачи данных по этой шине зависит от длины линии связи. На расстояния до 40 метров данные могут передаваться со скоростью 1 Мбит/с, при передаче на 1000 метров скорость падает до 50 Кбит/с.

Foundation Fieldbus - FF

Foundation Fieldbus - это название промышленной шины, поддерживаемой организацией Fieldbus Foundation. Как и CiA, Fieldbus Foundation тоже является ассоциацией, появившейся в результате слияния североамериканских компаний ISP- Foundation и WorldFIP.

После многих лет безуспешной деятельности комитетов IEC (МЭК) и ISA по стандартизации единой универсальной промышленной шины в Fieldbus Foundation решили определить собственную шину, объединив несколько уровней самого разного происхождения. Таким образом, в Foundation Fieldbus используются

§ базовый физический уровень (H1 FF), обеспечивающий скорость передачи в 31,25 Кбит/с, - на основе модифицированной версии физического уровня IEC 1158-2,

§ скоростной физический уровень (H2 FF) с максимальной скоростью передачи в 1 Мбит/с - на основе IEC 1158-2,

§ уровень сетевого протокола, в котором используются элементы проекта стандарта унифицированной промышленной шины IEC/ISA SP 50.

Шина Foundation Fieldbus ориентирована на непрерывное управление во "влажных" производствах, в потенциально взрывоопасных средах и поэтому должна проектироваться на базе низковольтной малоточной логики. Шина Foundation Fieldbus очень похожа на шину PROFIbus-PA которая также имеет встроенные средства защиты. Кроме того, в ней имеются средства поддержки высокоуровневого супервизорного контроля.

LON

Шина LON (Local Operating Network) первоначально разрабатывалась компаниями Echelon, Motorola и Toshiba для интеллектуальных систем автоматизации зданий. Однако сейчас она используется также и в промышленных системах автоматизации и контроля. Шина LON предназначена для поддержки распределенного интеллекта. Каждый "нейрон" (узловая микросхема) этой сети содержит по 3 микропроцессора, один из которых специально выделен для поддержания коммуникационного протокола LonTalk с довольно большими вычислительными издержками. Для облегчения такой вычислительной нагрузки к одному "нейрону" может быть подключено несколько более простых устройств. На базе 48-разрядных идентификаторов возможно построение сетей LON с числом узлов более 32000.

PROFIbus

Самой широко используемой в Европе и США промышленной шиной для систем автоматизации и контроля является PROFIbus (PROcess FIeldbus). Эта шина разрабатывалась совместными усилиями нескольких компаний. Ее многосторонность отражается в применении как на горизонтальных, так и на вертикальных рынках.PROFIbus - это европейский стандарт (EN 50170), в настоящее время поддерживаемый в США профессиональной организацией PROFIbus Trade Organization. Есть несколько различных вариантов сетевого протокола PROFIbus, каждый из которых ориентирован на свою прикладную область:

§ PROFIbus-FMS,

§ PROFIbus-DP,

§ PROFIbus-PA.

PROFIbus-FMS - это универсальный коммуникационный протокол. В основном он используется различными супервизорными задачами на высшем уровне иерархии PROFIbus-системы. FMS стартовал в момент, когда пользователи производственных систем управления стали переключаться на протокол МАР (Manufacturing Automation Protocol). В результате многие элементы обмена сообщениями в FMS похожи на элементы МАР. Однако высокие накладные расходы этого протокола делают его неприемлемым для обслуживания низкоуровневых датчиков.

PROFIbus-DP - это оптимизированный по производительности протокол, разработанный специально для поддержания критичного ко времени доставки обмена информацией между распределенными интеллектуальными узлами ввода/вывода на нижних иерархических уровнях системы PROFIbus. Этот протокол нижнего уровня в части оптимизации для межсоединения низовых интеллектуальных устройстваналогичен протоколу CAL. Он может использоваться в распределенных системах как с одним, так и с несколькими мастер-узлами, допуская подключение к шине до 128 устройств.

PROFIbus-PA обычно применяется в системах автоматизации "влажных" химических и нефтеперерабатывающих отраслей, где из соображений безопасности необходима низковольтная и малоточная логика. Это, по сути, PROFIbus-DP, с теми же протоколами, но в иной физической реализации.

Век частно-фирменных систем управления различными технологическими процессами быстро близится к закату. Сегодня никакой производитель не может поставлять всю номенклатуру требующихся в современных системах управления устройств. Для построения собственных систем от специалистов по автоматике требуется сейчас умение применять высокотехнологичные изделия разных компаний, и, естественно, эти изделия должны быть совместимыми.

Для гарантии совместимости продукции различных производителей необходимы открытые стандарты аппаратных и программных средств. Одним из замечательных примеров реализации этой парадигмы в производстве систем управления является концепция OMAC (Open Modular Architecture Controller), разрабатываемая "большой тройкой" американских производителей автомобилей. В этой концепции для упрощения применения и повышения общности программирования систем управления производственными процессами определяется новый стандарт контроллеров. В качестве шины, обеспечивающей взаимодействие компонентов системы и снижение затрат на обслуживание и обучение персонала, выбрана шина PROFIbus.

Применение стандартного клиент-серверного интерфейса в автоматизированных системах

Другим заслуживающим упоминания стандартом является ОРС (OLE for Process Control). При помощи этого стандартного клиент-серверного интерфейса новые прикладные программы получат возможность обращаться к сервисным функциям существующих SCADA-систем, человеко-машинного интерфейса и других специальных средств управления и контроля. Появление подобного стандарта клиент-серверного интерфейса значительно упростит труд разработчиков прикладного программного обеспечения, традиционно вынужденных писать специализированные коды для получения доступа к данным низкоуровневых протоколов промышленных шин.

В этой области активны следующие компании Intellution, National Instruments, Wonderware, Siemens.

Поскольку стандарт ОРС объединяет в одну унифицированную структуру OLE, ActiveX, COM и DCOM, он позволит различным офисным приложениям для Windows обращаться как к информации низкоуровневых промышленных шин, так и к данным систем автоматизации и управления высокого уровня. В результате существенно упростится планирование производства, анализ выполнения графиков и представление информации, поскольку все данные будут извлекаться непосредственно из цехового уровня. Так как на все эти задачи накладываются менее строгие ограничения, то для снижения стоимости общей интегрированной системы возможно применение стандартных приложений, средств и утилит обычных настольных систем.

Перспективы для промышленных шин

Концепция промышленных шин родилась в Европе и развивалась там в течение многих лет. В настоящее время в самых разных специализированных прикладных областях используется более 50 промышленных шин. Вместе с тем (по мере их распространения в США) количество широко поддерживаемых шин не превышает половины десятка. Применение технологии промышленных шин знаменует собой совершенно новую эпоху в управлении процессами. Одна из важнейших примет этой эпохи - смещение интеллекта на нижние иерархические уровни систем автоматизации. Растущие масштабы активного применения промышленных шин позволят вынести несложные задачи контроля за рамки централизованной системы управления на «цеховой» уровень. Распределенные интеллектуальные средства, исполняющие эти задачи, смогут также одновременно собирать информацию реального времени и передавать ее узлам более высокого иерархического уровня.

В результате объем информации «цехового» уровня, собираемой в реальном масштабе времени, значительно возрастет. Только для сохранения, анализа и вывода результатов в реальном времени понадобится повысить производительность и расширить функциональные возможности используемых рабочих станций. Благодаря подобному подходу к "рассредоточению" интеллекта, операторы (а не только инженеры) получат возможность контролировать, настраивать и даже менять параметры автоматизированного процесса непосредственно с рабочего места. Использование в качестве стандартной цеховой платформы операционной системы Windows NT обеспечит применение необходимого инструментария на гораздо более низком управляющем уровне, что приведет к снижению затрат на разработку, а также к ускорению ввода разработанной системы в эксплуатацию.

Исследования показали, что переход от централизованного управления к распределенным архитектурам на базе промышленных шин позволяет достичь экономии до 40 процентов.

3. Расчет экономического эффекта от внедрения автоматизированной системы управления электроснабжением КС-10

Так как в дипломном проекте подробно рассмотрена разработка автоматизированной системы управления электроснабжение (АСУ-ЭС) КС-10, то произведем расчет экономического эффекта от внедрения этой системы.

Краткое описание внедряемой системы

Разработанная система АСУ-ЭС занимается сбором информации о состоянии электроустановок. Данные поступают в диспетчерскую, обрабатываются и предоставляются в удобном для оператора виде. Диспетчер может постоянно получать информацию о состоянии всей системы электроснабжения. Период обновления информации на мониторе АРМ не превышает 1 с. Также предусматривается возможность диспетчерского управления (управление выключателями, аварийными электростанциями). Таким образом, в случае аварии или ненормальном режиме работы энергосистемы диспетчер может быстро принимать решения по ликвидации аварийной ситуации путем оперативных переключений возобновить питание отключенного оборудования.

Цель создания АСУ-ЭС:

- обеспечить высокий уровень автоматизации контроля, управления и защиты;

- повышения надежности и экономичности работы оборудования, за счет оптимизации технологических процессов, сокращения времени обнаружения неисправностей, за счет диагностики и информации об отказах, уменьшения времени простоев оборудования после аварийных остановов и в ремонте;

- улучшение условий и производительности труда эксплуатационного персонала за счет повышения информированности о ходе технологических процессов и работе оборудования, качества формирования и анализа оперативной и архивной документации.

Объектами автоматизации являются центральная распределительная подстанция (ЦРП-10 кВ), тринадцать комплектных трансформаторных подстанций 10/0,4кВ, семь аварийных дизельных электростанций.

Расчет единовременных капитальных затрат на внедрение АСУ-ЭС

Стоимость системы складывается из рыночной цены на программно-аппаратные средства (ПАС) автоматизации, взятые из каталогов фирм производителей. В таблице 3.1 представлены цены на оборудование, общая стоимость равна 1 565 884 руб.

Транспортные расходы определяем в размере 12% от стоимости программно-аппаратных средств

,	(3.1)

где - стоимости программно-аппаратных средств, руб.

руб.

Таблица 3.1 - Перечень программно-аппаратных средств автоматизации

Наименование	Кол.	Стоимость, руб.	Затраты на монтаж
			Прямые затраты, руб.	Оплата труда рабочих, руб.
1	2	3	4	5
ЦРП
Контроллер RTU-211	1	69310	4890	1630
Источник питания PS1 =220/ =110 В	1	2350	105	51
Оптоэлектрический преобразователь SPA-ZC17	42	1420	133	58
Оптическая распределительная коробка 24 порта	1	1100	280	112
Кабель интерфейсный RS-485 1м	44	107	2	2
Кабель оптический одножильный, 2 м	36	48	23	22
1	2	3	4	5
Кабель оптический дуплексный, 10 м	9	290	23	22
Кабель оптический 24-и жильный ДПЛ-М-24, 0,2 км	1	25950	35	34
Трансформаторные подстанции
Контроллер RTU-211	13	73080	5043	1681
Источник питания PS1 =220/ =110 В	13	2350	105	51
Оптоэлектрический преобразователь SPA-ZC17	13	1420	133	58
Оптическая распределительная коробка 2 порта	3	650	28	11
Кабель интерфейсный RS-485, 1м	13	107	2	2
Кабель оптический одножильный ДПЛ-М, 3,8 км	1	103120	293	117
Кабель оптический дуплексный ДПЛ-М-2, 0,7 км	1	28050	143	55
Диспетчерская
Источник бесперебойного питания	1	8410	168	56
Оптоэлектрический преобразователь SPA-ZC22	3	2240	148	59
Коробка оптическая распределительная 24 порта	1	1100	280	112
Вилка дуплексная ST, 1м	12	56	25	23
Кабель интерфейсный RS-232	5	124	2	2
Кабель интерфейсный Ethernet, 25м	1	105	54	18
Кабель интерфейсный к антенне GPS RG58, 15м	1	90	79	33
Компьютер базовый	1	16500	2068	1176
Рабочая станция инженера-релейщика	1	17500	2079	1187
Рабочая станция оператора	1	17500	2079	1187
Концентратор локальной сети на 12 портов Switch Super Stack 3	1	2090	110	44
Сервер печати	1	8190	128	61
RAD TinyBridge	2	930	107	43
Приемник GPS 166 Meinbere	1	9570	151	58
Программный пакет MicroSCADA	1	174000
Итого:		1565 884	89 382	33 323

Затраты на монтажные работы определяются для каждого элемента системы по СНиП [10], введенных в 2003 году, и представлены в таблице 3.1.

Затраты пусконаладочные работы определяются по методике приведенной в ценнике [11], введенном в 1984 году, и разбиваются на этапы приведенные в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Расчет стоимости пусконаладочных работ

Этапы пусконаладочных работ	Прямые затраты, руб.	Оплата труда рабочих, руб.
Подготовительные работы	32	21
Наладочные работы, проводимые до индивидуальных испытаний	227	148
То же, в период индивидуальных испытаний	227	148
Комплексное опробование автоматизированной системы и сдача в эксплуатацию	130	84
Оформление рабочей и приемо-сдаточной документации	32	21
Итого:	649	422

Таким образом, затраты на монтажные и пусконаладочные работы определятся следующим образом

,	(3.2)

где - прямые затраты на монтажные работы, руб.;

- прямые затраты на пусконаладочные работы, руб.; - индекс изменения сметной стоимости монтажно-наладочных работ в 1991 году по сравнению с ценами 1984 года; - индекс изменения сметной стоимости монтажно-наладочных работ в 2004 году по сравнению с ценами 1991 года.

руб.

,	(3.3)

где - заработная плата рабочих по монтажным работам, руб.;

- заработная плата рабочих по пусконаладочным работам, руб.;

- районный и северный коэффициенты.

руб.

Накладные расходы определяются в размере 87% от заработной платы монтажному и пусконаладочному персоналу:

	(3.4)

руб.

Плановые накопления определяются по формуле

	(3.5)

руб.

В таблице 3.3 представлена сводная таблица по расчету капитальных вложений.

Таблица 3.3 - Результаты расчета капитальных вложений

Наименование	Сумма, руб.
Стоимость программно-аппаратных средств	1 565 884
Транспортные расходы	187 906
Затраты на монтажные и пусконаладочные работы	109 046
Затраты на оплату труда монтажному и пусконаладочному персоналу	59 936
Накладные расходы	52 144
Плановые накопления	157 993
Капитальные вложения	2 132 910
Капитальные вложения с учетом НДС	2 516 834

Расчет эксплуатационных затрат

Так как разработанная система построена на базе микропроцессорной техники, вводится в эксплуатацию на 10 лет, то для обслуживания системы необходимо наличие только диспетчерского персонала, состоящего из одного инженера электрика, инженера релейщика и инженера программиста. Таким образом, эксплуатационные расходы будут складываться из фонда оплаты труда трех диспетчеров.

Списочная численность диспетчерского персонала на непрерывном промысле определяется по формуле

,	(3.6)

где - явочная численность диспетчерского персонала, чел.;

- коэффициент перевода явочная численность в списочную.

чел.

Расчет фонда оплаты труда диспетчерского персонала определяется по формуле

,	(3.7)

где - средняя заработная плата в газовой промышленности за 2004 год, руб. - единый социальный налог.

руб.

Амортизационные отчисления для микропроцессорной техники определяется в размере 10% от стоимости оборудования:

	(3.8)

руб.

Затраты на оплату за электроэнергию составят

	(3.9)

где - тариф за потребляемую электроэнергию, руб. за ;

- мощность потребляема аппаратными средствами автоматизированной системы, кВт;

h - число часов в году, ч.

руб.

Следуя рекомендациям книги [12], применяем следующую методику расчета экономического эффекта. Эффект достигается за счет предотвращения ущерба у потребителей благодаря применению средств автоматизации и определяется по формуле:

,	(3.10)

где - эффект от уменьшения ущерба у потребителей, руб.;

- единовременные капитальные затраты на средства автоматизации, руб.;

Л - число лет использования автоматизированной системы, в течении которых система будет приносить экономический эффект;

- эксплуатационные затраты, руб.

В формуле (3.10) для определения эффекта рассмотрим основной ущерб потребителей связанный с отключениями электроэнергии, вследствие чего предприятие несет потери. В [12] приведены значения удельного ущерба от недоотпуска электроэнергии. Для газовой промышленности в переводе на цены настоящего года этот показатель составляет 125 руб. на . В книге [13] приведена оценка надежности разных схем электроснабжения компрессорных станций. Для схемы электроснабжения применяемой на КС-10 среднее время простоя всей системы электроснабжения , необходимое для отыскания и устранения причины отказа, составляет 30,1 часов в год. По исследованиям, производимым в США [14], время на отыскание и устранение причины перерыва электроснабжения при применении централизованной АСУ снижается на 40%. Таки образом, для определения среднего значения можно воспользоваться формулой:

,	(3.11)

где - удельный ущерб предприятия от недоотпуска электроэнергии, руб/;

Р - значение отключаемой мощности, определяется как средняя мощность потребляемая электроустановками предприятия, кВт;

- время, на которое уменьшается перерыв электроснабжения, час.

руб.

В соответствии с формулой (3.9) экономический эффект от применения АСУ-ЭС на КС-10 составит:

руб.

В таблице 3.4 приведены результаты расчета экономического эффекта от внедрения автоматизированной системы.

Таблица 3.4 - Результаты расчета экономического эффекта от внедрения автоматизированной системы

	Наименование	Формулы	Сумма, руб.
1	Капитальные вложения с учетом НДС		2 516 834
2	Эксплуатационные затраты		1 447 780
	В том числе:
	Фонд оплаты труда		1 232 604
	Амортизационные отчисления		156 588
	Затраты на оплату электроэнергии		58 588
3	Эффект от предотвращения ущерба		3 178 368
4	Эффект от применения АСУ-ЭС		1 478 904

Необходимо подчеркнуть, что применяемый в формуле (3.10) эффект учитывает снижение только одного ущерба, а именно ущерба от перерывов электроснабжения, достигаемый за счет быстрого разбора и выявления аварийных ситуаций, при получении своевременной и полноценной информации для автоматических или ручных переключении (с системными подсказками для оператора).

Помимо этого применение автоматизации электроснабжения дает ряд других неявных эффектов:

§ Благодаря автоматическому техническому учету, появляется возможность рационального использования электрической энергии, а также выявление «невидимых» потерь и непроизводственных расходов.

§ Диспетчеризация управления энергообъектами с помощью АСУ электроснабжения дает экономию потребляемой электроэнергии за счет автоматического контроля и правильного планирования максимума нагрузки.

§ Автоматическое диагностирование режимов работы оборудования, отслеживание выработки ресурса и соответственно своевременность ремонтных работ, ведет к увеличению срока службы оборудования, снижению аварийности и затрат на ремонтные работы.

§ Снижение потерь от повреждения оборудования за счет предупреждения аварийных ситуаций.

4. Безопасность и экологичность проекта

4.1 Задачи в области безопасности жизнедеятельности

В настоящие время вопросы безопасности жизнедеятельности резко обострилось, и приняли характерные черты проблемы выживания человека. Увеличивается количество различного рода катастроф как природного, так и техногенного характера. При этом количество катастроф, связанное с деятельностью человека и гибелью людей, превышает природные в несколько раз.

Задача безопасности жизнедеятельности - обеспечить комфортные условия деятельности людей на всех стадиях жизни и нормально-допустимые уровни воздействия негативных факторов на человека, и природную среду.

В соответствии с [16] в Российской Федерации осуществляется государственное управление охраной труда, надзор и контроль за соблюдением требований охраны труда. Основными направлением государственной политики в области охраны труда является, прежде всего, обеспечение приоритета сохранения жизни и здоровья работников. Государственное управление охраной труда осуществляется Правительством Российской Федерации. Государство гарантирует работникам защиту их права на труд, при этом должны сохранятся следующие принципы:

§ охрана труда должна обязательно учитываться при принятии решений по всем вопросам производства и на всех его уровнях;

§ обеспечение и организация охраны труда должна быть первоочередной заботой высшего руководящего состава предприятия;

§ ответственность за охрану труда должен нести каждый руководитель - от работодателя до мастера;

§ при оценке личного вклада любого работника должна учитываться степень его компетентности в вопросах охраны труда.

В ОАО «Газпром» для обеспечения безопасности труда принят специальный документ «Единая система управления охраной труда и промышленной безопасности». Документ устанавливает единые требования к организации безопасности труда в обществе и регламентирует: порядок управления охраной труда, создание здоровых и безопасных условий труда, совершенствование структуры управления охраной труда. Единая система управления охраной труда предусматривает шестиуровневый контроль за состоянием охраны труда и промышленной безопасности. Объектами шестиуровневого контроля являются на 1-м уровне - участок цеха, рабочие места, вахты, на 2-м уровне - цех, служба филиала, на 3-м уровне филиал, на 4,5-м - организация, в зависимости от ее структуры, на 6-м ОАО «Газпром».

4.2 Потенциально опасные и вредные факторы влияющие на человека и окружающую среду

К опасным и вредным производственным факторам, которые могут возникнуть при обслуживании объектов газового хозяйства, относятся повышенная загазованность, повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны, повышенные уровни шума и вибрации на рабочем месте, недостаточная его освещенность, движущиеся детали машин и механизмов.

Компрессорная станция является особо опасным объектом, так как на ней присутствуют или могут образовываться такие вредные вещества как метан, газоконденсат, сероводород, сернистый газ, окись углерода, метанол, антифриз.

Вредными являются вещества, которые при контакте с организмом могут вызвать производственные травмы, профессиональные заболевания.

Так как дипломный проект имеет прямое отношение к электрооборудованию, а именно к установке средств автоматизации в ЦПР-10 кВ, и КТП-10/0,4 кВ, то основным опасным фактором, которому подвергается персонал, это электрический ток.

Особенности поражения электрическим током:

Отсутствие внешних признаков грозящей опасности поражения электрическим током, так как человек не может заранее обнаружить возможность поражения током.

Тяжесть исхода электротравм: потеря трудоспособности при электротравмах, как правило, бывает длительная, возможен даже летальный исход.

Токи частотой 50Гц могут вызвать интенсивные судороги мышц, происходит "приковывание" к токоведущим частям и человек не может самостоятельно оторваться от токоведущих частей.

Основные виды травм при поражении электрическим током:

Электрический ток оказывает на человека внутреннее воздействие, приводит к внешним травмам, электроударам и электрическому шоку.

Внутреннее воздействие может быть термическое, электролитическое и биологическое.

Термическое воздействие - это ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов, перегрев сердца, мозга и др внутренних органов, что приводит к их функциональным расстройствам.

Характер поражения током зависит от значения и рода тока, от пути прохождения, длительности воздействия, индивидуальных особенностей человека, от физиологического состояния в момент поражения.

4.3 Охрана труда

Охрана труда представляет собой систему законодательных, технических, санитарно-гигиенических, социально-экономических, лечебно-профилактических и организационных мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность сохранение здоровья и работоспособность человека в процессе труда.

Высокая производственная дисциплина всего персонала, четкое знание технологии производства обо всех особенностях обслуживаемого оборудования, строгая регламентация должностных обязанностей, знание и соблюдение правил техники безопасности является обязательным условием безопасности работы на компрессорной станции.

К работе на КС допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие вводный инструктаж, обучение безопасным приемам и методам работы, инструктаж на рабочем месте по правилам внутреннего распорядка, технике безопасности при эксплуатации технологического оборудования по профессиям и выполнении отдельных видов работ, правилам пожарной безопасности на КС и успешно сдавшие экзамены на допуск к самостоятельной работе. Весь персонал должен уметь оказывать первую помощь пострадавшим. Персонал должен быть обеспечен средствами индивидуальной защиты (СИЗ) в соответствии с типовыми отраслевыми нормами и характером выполняемой работы.

Защитными мерами от поражения электрическим током являются при работах в электроустановках:

§ защита от прикосновения к токоведущим частям;

§ защита от прикосновения к нетоковедущим частям;

§ изолирующие защитные средства.

К средствам защиты от прикосновения к токоведущим частям относится применение малых напряжений не опасных для человека (12, 36, 42 В), контроль за состоянием изоляции в электроустановках, обеспечение недоступности токоведущих частей (используют ширмы, щиты, решетки деревянные, изолирующие прокладки, специальные резиновые или пластмассовые колпаки).

Металлические корпуса электроустановок, так называемые нетоковедущие части, могут случайно оказаться под напряжением. Для защиты людей при прикосновении к нетоковедущим частям служат защитное заземление и зануление.

Изолирующие защитные средства служат для изоляции человека от токоведущих частей оборудования находящихся под напряжением, а так же для изоляции человека от земли в тех случаях, когда возникает опасность поражения электрическим током человека стоящего на земле при прикосновении к токоведущим частям электроустановки или к металлическим корпусам электрооборудования с поврежденной изоляцией. Изолирующие защитные средства делятся на основные и дополнительные.

Монтажные, пуско-наладочные работы выполняются организациями и лицами, имеющими соответствующие лицензии и допуски, соответствующую квалификацию, и ознакомленными с правилами охраны труда и пожарной безопасности.

При этом руководитель организации, на которой выполняются работы, обязан обеспечить:

§ безопасную эксплуатацию производственных зданий, сооружений, оборудования, безопасность технологических процессов, а также эффективную эксплуатацию средств коллективной и индивидуальной защиты;

§ режим труда и отдыха, установленный законодательством;

§ на каждом рабочем месте условия труда в соответствии с требованиями КЗОТ, других нормативных правовых актов и правил по охране труда;

§ разработку, утверждение инструкций по охране труда, а также обеспечение ими всех работников;

§ обучение, проведение своевременных инструктажей и проверку знаний работниками норм и инструкций по охране труда;

§ возмещение вреда, причиненного здоровью работников;

§ информирование работников о состоянии условий и охраны труда на рабочем месте;

распределение функций по охране труда между специалистами организации.

К работе в помещениях с электротехническим оборудованием допускаются работники, прошедшие инструктаж, производственное обучение, стажировку и проверку знаний.

Для предприятий транспорта газа характерны наличия большого количества горючих газов в магистральных газопроводах, высокое давление в трубопроводах, наличие большого количества горючесмазочных материалов (ГСМ) (турбинного масла).

Опасность возникновения пожаров на предприятиях газовой промышленности определяется, прежде всего, физико-химическими свойствами природного газа, который при несоблюдении определенных требований воспламеняется, вызывает пожары и взрывы, влекущие за собой аварии.

Степень пожарной опасности зависит также от особенностей технологического процесса производства. Пожары на КС происходят в основном из-за воспламенения масла в компрессорных цехах при разрыве маслопроводов и попадания его на горячие поверхности газоперекачивающих агрегатов; разрушение обвязочных газопроводов компрессорных цехов, сопровождающихся воспламенением газа и других горючих веществ и материалов; попадания посторонних предметов в полость нагнетателя; проникновения газа к очагу пожара из-за неплотного закрытия кранов в технологической обвязке; нарушений требований действующих правил и инструкций во время проведения огневых и газоопасных работ, а также требований пожарной безопасности персоналом служб ЛПУМГ.

Борьба с пожарами и мероприятия по их предупреждению могут быть эффективными только в том случае, когда противопожарные правила усвоены и повседневно соблюдаются всем персоналом предприятия.

Для установления и поддержания надлежащего режима эксплуатации все здания и сооружения на КС должны быть классифицированы по взрыво- и пожароопасности, о чем делается надпись на металлических знаках, укрепляемых на воротах, калитках и дверях всех зданий, помещений и объектов, находящихся в ЛПУМГ.

В каждом цехе, на складе и других объектах на основе действующих правил пожарной безопасности должны быть разработаны противопожарные инструкции с учетом специфики производства, а также оперативный план ликвидации пожара, и проводиться систематические тренировки персонала по тушению пожара.

Контроль за состоянием ОТ и ТБ на КС-10 осуществляется по трехступенчатой шкале. В подразделениях ведутся журналы первой и второй ступени. Третья ступень административно-общественного контроля осуществляется комиссией, состав которой определен приказом. Активное участие в работе комиссии принимают уполномоченные по ОТ по подразделениям. Комиссия АОК проводит обследования объектов и подразделений в соответствии с утвержденным графиком, согласованным с председателем комитета профсоюза.

Право на отдых обеспечивается установленным для рабочих и служащих рабочей неделей не превышающей 40 часов, сокращенным для ряда профессий и производств продолжительностью рабочей недели, ограничением работы в ночное время, предоставлением ежегодных оплачиваемых отпусков.

Проверки знаний рабочих и ИТР, периодические инструктажи рабочих проводятся согласно утвержденных графиков.

При возникновении несчастного случая на производстве создается комиссия, образуемая из представителей работодателя, а также профсоюзного органа. Состав комиссии утверждается приказом руководителя организации или уполномоченного им ответственного должностного лица. Результаты расследования каждого несчастного случая рассматриваются работодателем в целях разработки и реализации мер по их предупреждению, решения вопросов о возмещении вреда пострадавшим (членам их семей), предоставления им компенсаций и льгот.

4.4 Возможные чрезвычайные ситуации на компрессорной станции

Газовыделения типичны для объектов газовой промышленности, они делятся на фоновые постоянные (через неплотности разгерметизированного оборудования и запирающих устройств); технологически неизбежные эпизодические (при продуах скважин, стравливании из трубопроводов, аппаратов во время ремонтных работ, при открытии сбросных, предохранительных продувочных клапанов и т.д.); технологически неизбежные постоянные (через дымовые трубы и факелы); аварийные (при разрывах, повреждениях оборудования).

Природный газ мало токсичен, но при содержании в воздухе более 18% оказывает на человека удушающее воздействие. При содержании от 5 до 15% возможно воспламенение (взрыв) газа.

В технологических процессах участвует ряд веществ, являющихся токсичными, взрыво- и пожароопасными - метан, газоконденсат, сероводород, сернистый газ, окись углерода, метанол. Сероводород является сильным нервным ядом, вызывает смерть от останова дыхания, относится к высоко опасным веществам (2-й класс опасности). Сернистый газ и окись углерода сильно раздражают дыхательные пути, имеют 3-й класс опасности. Метанол - сильный яд, опасен тем, что его можно принять за этиловый спирт и получить сильное отравление (30 грамм метанола является смертельной дозой).

В условиях КС наибольшей опасностью является возможность образования взрывоопасных смесей природного газа с воздухом. Наиболее вероятными причинами образования взрывоопасных концентраций газовых смесей, а также концентраций веществ, опасных для здоровья человека, могут быть:

§ выбросы веществ при нарушениях технологического режима работы оборудования и несоблюдение мер безопасности, предусмотренных регламентами работ и инструкциями по эксплуатации оборудования;

§ неплотные фланцевые соединения оборудования и трубопроводов с опасными веществами;

§ выделение вредных и опасных веществ при ремонте и разборке оборудования и трубопроводов.

Наиболее вероятными причинами взрыва при наличии взрывоопасных концентраций могут быть применение при производстве работ в газоопасных зонах искрообразующего инструмента; производство работ в "газоопасных зонах" с применением открытого огня.

При эксплуатации основных производственных процессов предприятий газовой промышленности следует руководствоваться технологическим регламентом, противопожарными требованиями соответствующих глав ведомственных норм и правил. Установки должны соответствовать техническому паспорту.

4.5 Охрана окружающей среды

На компрессорных станциях сосредоточено большое количество энергоемкого оборудования, предназначенного для обеспечения технологического процесса транспорта газа, функционируют разветвленные системы технологических коммуникаций, задействовано большое количество обслуживающего персонала. Для решения текущих и перспективных вопросов, связанных с охраной окружающей природной среды, и выполнения контрольно-измерительных мероприятий на компрессорных станциях созданы специальные экологические службы.