智能用电管理系统及其在工业领域的应用 - 2014环境系统科学与工程IERI Procedia 9

© 2014 Ugleva E.M.，Zmieva K.A.，Kuznetsova E.V.出版社：Elsevier B.V.信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectIERI Procedia 9（2014）117 - 1222014年环境系统科学与工程智能用电管理系统Ugleva E.M. *，Zmieva K.A.，库兹涅佐娃诉俄罗斯联邦莫斯科国立科技大学“STANKIN”“工业能效”研究与教育中心，莫斯科，127994摘要在本文中，我们认为创建和引入智能管理系统的问题，提高工业能源效率的最重要的机制之一。介绍了MSTU«STANKIN»开发的用于工业工厂交流和直流电网的智能配电系统的工作原理。构成系统的关键设备被认为是，它们的技术特点进行了描述。给出了实验结果。© 2014作者。由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：智能系统，能源消耗，工业。1. 介绍充足、稳定的能源供应是国民经济发展的重要条件。能源消耗的持续增长、费率的提高、能源传输和分配过程中的重大损失使得国民经济各个领域的节能和效率成为国家面临的主要问题之一。建立有效的能源供应系统是当今世界提高燃料和能源综合效率的最有前景的趋势之一。通过为用户的能源供应系统配备固件和信息，*通讯作者：电话：+7-915-234-12-59;传真：+7-499- 973-31-52电子邮件地址：kotik-fox@yandex.ru。2212-6678 © 2014作者由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究所负责的选择和同行评审118E.M. Ugleva等人/ IERI Procedia 9（2014）117分析和管理组件，这些组件在适当的时间和适当的量提供从源到接收器的可靠和高质量的电力传输[1，2]。这种系统被称为“智能”或“聪明”。在全球范围内，“智能”网络是一种复杂的技术手段，可以立即改变电网的特性。在技术层面上，电网、能源消费者和生产者在联合自动化系统中聚集，该系统能够实时监测和控制其所有部分的运行条件[2]。目前，许多发达国家都在积极而成功地引进智能能源供应网络。由于在美国电网中使用智能系统，峰值负荷降低了，电费发票平均降低了10%，电费成本增长了15%。在欧洲，未来30年将提供7500亿美元的“智能”网络融资计划。如今，最活跃和最广泛的发展和分布的技术智能电网是在丹麦[3，4]。根据《俄罗斯至2030年能源战略》，电力工业领域科技进步的优先方向之一是在俄罗斯联合能源系统中创建新一代高度集成的智能系统-形成和分配电网。2. 工业装置如上所述，MSTU «STANKIN»正在进行研究，在工业工厂上创建智能节能配电系统，旨在通过制造自动化自适应系统来管理工厂上使用的设备的个人特性的消费者，从而提高电力使用效率。正在开发的系统的操作方案如图所示。1.一、图1.工业厂房正在开发的系统包括：E.M. Ugleva等人/ IERI Procedia 9（2014）117119 本地设备，用于校正电源电压参数（ES-1）; 无功补偿装置（ARPCC）; 安装在每个用户（D）上的检测器组; 独特的自动化管理系统，提供快速响应，收集有关电网参数的信息，在其每一个点，并形成控制信号发送到电网的所有元件，以最大限度地减少电网中的电损耗，提高设备的能源效率。所有提到的系统组件都是由MSTU «STANKIN»的研究人员开发ES-1节能电源作为电源电压参数校正装置（图2）在MSTU «STANKIN»开发和设计。图2.节能电源ES-1节能电源ES-1将供电线路的参数转换为最适合工业设备工艺流程实现的参数，并将校正后的供电电压输出给设备的电机，从而提高其运行能效。该设备已获得射频实用新型专利No.106058，106388[5]。为了补偿产生的无功功率，使用自动无功功率控制和补偿装置（ARPCC）。无功补偿装置的优点是当电动机输出轴上突然出现可变负载时，可以补偿无功功率（图3）。(a)（b）第（1）款图3.自动无功功率控制和补偿装置ARPCC：（a）。ARPCC的一般观点;（b）。ARPCC连接到车床16K20器械的主要特征如下：120E.M. Ugleva等人/ IERI Procedia 9（2014）117 自动模式下的功率因数控制; 可根据需要增加和减少固定功率; 对于100 kVAr，有功功率损失在0.30-0.45 kW范围内可忽略不计 器件质量小，迁移率高; 操作方便[6]。上述设备被提交给管理系统-一种复杂的软件工具，其允许估计从设备获得的数据，做出决定并将控制信号发送到相应的设备。软件综合体受注册号为2011613118、2011619073、2011613118的软件证书保护。对实验和试点样本的充分研究表明，工业设备发动机能耗降低了20-30%（取决于工艺过程的类型），设备生产率始终保持在高水平。电网的电参数（功率因数、总功率、有功功率）的变化特性以及随电源电压幅值变化而产生的动量如图4所示（a）（b）（c）第（1）款图4. 电气参数变化特征：（a）功率因数;（b）总功率;（c）有功功率使用所述系统将允许： 降低工业工艺设备在变负荷工况下的能耗，节约能源，提高设备生产率和产品质量; 降低能源消耗总量; 提高可靠性和安全性; 提高工厂电网的承载能力; 增加（可能的）连接负载;E.M. Ugleva等人/ IERI Procedia 9（2014）117121 以增加电力线和电气设备的寿命。在这种情况下，经济效率是由于工业工厂的能量消耗率降低，这些工厂将引入正在开发的智能节能系统，并且由于工厂的电工系统和综合体的可靠性和寿命增加。3. 发展直流电网MSTU «STANKIN»的活动不仅限于开发由交流电供电的节能设备。由于在某些工业领域，将内部电网从交流三相电流转换为直流电流是必要的，因此中心活动的方向之一是调查重建工业工厂的条件，旨在让它们使用直流电源。使工业工厂适应直流电源与异步三相电动机的逐步取代有关，异步三相电动机是将电能转换为机械能的主要机电设备，新一代发动机-需要直流电源的无刷直流电动机。这种电机具有更高的技术特性，因此可以设计具有先进功能的最新工业设备。然而，在相当长的一段时间内，带有三相异步电动机的机床站和设备将与新设备并排工作。安装在新设备上的直流电动机将从设备中包含的自主整流器获得电力。配备三相异步电动机的老式设备的现代化正在通过将其配备单独的频率转换器来实现，这可以大大改善现代化机床的操作特性。现代变频器通常根据两级甚至三级方案设计，这意味着它们中的每一个都包含DC链路。因此，发动机的很大一部分需要直流电来立即或在转换的中间阶段操作。当总消耗功率的足够大的部分落入直流电中时，将机床的部分/分区/组的能量供应从三相AC转换为DC在经济上是合理的。将能量供应转换为DC允许避免将自主整流器装配到每个机器，并且通过排除输入整流的部分来显著简化频率转换器并使其更便宜，输入整流的部分包括具有冷却系统的最少6个功率整流器和高容量的高压存储电容器。为设备提供AC所需的整流器的总功率远小于各个自主整流器和整流单元的功率之和，但其能量效率显著更高。有了一个强大的整流器，它更容易配备智能管理系统，通过使用最新的原理图和算法解决方案，提高其功率因数，将值cosφ保持在给定的范围内，降低峰值因数，并在相位上提供对称负载。此外，可以使给定的配电网单元主动补偿供电电压波形的不对称和畸变，从而提高整个能量系统的cosφ。直流电网可以包含自治或分组存储电容器，用于补偿启动电流和过载力矩，并减少消费者的相互影响。直流电网易于相互融合，由于消除了同步和定相问题，如果它们具有多个电源，则控制这样的电网的算法要容易得多。直流电网中的能量回收不需要复杂的转换器和同步器方案。备用电源系统（例如，自动柴油发电机）可以与借助于二次蓄电池供电源的附加储备相结合，这允许使具有连续生产周期的重要对象或工业的电力供应实际上不间断。控制直流电网需要测量装置、检测器、转换和分配装置（CDD）和智能管理系统。122E.M. Ugleva等人/ IERI Procedia 9（2014）117为了创造适当的条件，重建工业工厂，使他们能够使用直流电，MSTU«STANKIN»积极开发上述设备。我们开发的转换和分配单元，提供转换三相交流380/220 V 50 Hz到直流220/440 V，多达10个分层组织的设备在主和从模式和模式的比例负载分配有可能使用DC总线并行操作。当作为主设备运行时，电压的可接受偏差不应超过标称值的5%，当作为从设备运行时，主设备的负载应构成100%，从设备应根据其优先级提供彼此之间分配的缺电。为了在多个CDD之间提供协作负载共享，关于电流强度的信息应该可用于所有并行单元，因此编码的电流强度出现在连接所有工作CDD的通信和管理总线上。每个CDD都可以通过专用键切换到主模式或从模式。主单元在从零到给定CDD的标称功率的功率限制内提供直流电源。当总消耗功率超过主机额定功率时，不足功率由从机提供。系统可以包含任何数量的主单元和从单元，这包括其中之一等于零的情况。一个范围的单元协作，即，它们带给总负载的功率与它们的标称功率成比例地分配。在这种情况下，转换和分配单元作为使用协议MODBUS和/或CANOPEN的信息网络的一部分操作，并且可以在信息网络故障的情况下通过切换到具有均匀分布的负载的自主模式来保持运行和稳定。4. 结论该设备和系统推荐用于连续工作周期的生产过程中，其中可靠性是最重要的特征。此外，该系统建议使用高可变负载的系统进程。系统的模块化设计允许通过添加额外的模块来增加总容量。使用正在开发的设备和系统将能够显著降低能源消耗，提高电网的可靠性、寿命和电力使用效率。确认这项工作得到了俄罗斯联邦教育和科学部的支持引用[1] IEC智能电网标准化路线图，中小企业智能电网战略组（SG3）。[2] M. Tarafdar Haque，A.M. Kashtiban.神经网络在电力系统中的应用，综述，世界科学、工程和技术学会。（2005）53-57。[3] 欧洲智能电网技术平台智能电网，未来欧洲电力网络的愿景和战略，2006年。[4] 技术路线图，智能电网/国际能源署，2011年。[5] Kolechitskaya N.A.，Lazarev N.S.，Shul'Gara R.N.，Zmieva K.A. 6- 10- kV变电站母线上的铁磁谐振现象//俄罗斯电气工程。第84卷，第4期，2013年4月，第177-184页。[6] K.A.兹米耶娃使用无功功率自动补偿器以提高金属切削机床电驱动控制的功率效率的方法//俄罗斯电气工程。80（11）（2009）604- 609。