АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Устройства управления отдельными объектами

Слово автоматика происходит от древнегреческого слова «automatos», что означает «самодействующий». Первые упоминания об автоматах относятся ко II–III векам до нашей эры. Одна из первых книг, в которой содержалось описание автоматов, называлась «Театр автоматов» и была написана знаменитым физиком и инженером древности Героном Александрийским во II веке до н.э.
Автоматы древности в основном использовались жрецами для создания всякого рода «чудес». В соответствии со значением слова, раньше под термином «автомат» понимались машины, игрушки, любые изделия, которые совершали те или иные действия без участия человека. Одним из направлений древней автоматики было создание андроидов, т.е. движущихся фигур, повторяющих или подражающих тем или иным движениям человека.
Первым автоматическим устройством, созданным для практических целей, были часы.

Автоматика в современном смысле этого слова возникла в XVII–XVIII веках, когда стала бурно развиваться машинная техника, требовавшая создания автоматических регуляторов.
В 1765 г. горнозаводский механик И.И. Ползунов сконструировал поплавковый регулятор для автоматического поддержания уровня воды в паровом котле. В 1784 г. в Англии Дж. Уатт изобрел центробежный регулятор скорости вращения паровой машины. Француз Жаккар в 1808 г. разработал систему программного управления ткацким станком. В ХIХ веке появились регуляторы для паровых турбин, котлов, гидротурбин, причем они изменяли не только скорость, но и температуру, давление, расход воды и пара и т. д.
Использование в промышленности достижений электротехники привело к еще более широкому распространению автоматики. В 1830– 1832 гг. П.Л. Шиллинг изобрел электромеханическое реле и телеграфный аппарат. В 1841 г. Якоби и Ленц построили первый регулятор напряжения. В.П. Шпаковский и В.Н. Чиколев создали регулятор для дуговых ламп. В то время автоматика начала внедряться в военную технику. В 1877 г. талантливый русский инженер А.П. Давыдов создал автоматическую систему управления огнем нескольких орудий, имевшую экзотическое название «Не тронь меня». С развитием автоматики стала развиваться и новая наука, которая в дальнейшем стала называться теорией автоматического управления (регулирования). Первые автоматические регуляторы зачастую создавались людьми, которые не знали высшей математики. Но регуляторы исправно работали, совершенствовались, повышалась их точность.
Однако некоторые из устройств, которые по расчетам создателей должны были быть очень точными, вообще переставали работать. Этой проблемой занялись видные ученые XIX века. В 1868 г.
Дж. К. Максвелл написал статью «О регуляторах». В 1876 г. русский ученый И.А. Вышнеградский опубликовал труд «О регуляторах прямого действия». Это были первые научные работы, положившие начало теории автоматического управления.
Учеными было выяснено, что при проектировании автоматических систем нельзя ограничиваться только статическими расчетами. Необходимо обязательно рассчитывать поведение системы в динамике, ведь требования статической точности и хороших динамических свойств находятся в диалектическом противоречии. С увеличением точности ухудшались динамические свойства автоматических систем, системы начинали работать неустойчиво. Причины этих явлений и были впервые рассмотрены в работах Максвелла и Вышнеградского. Работы Вышне-градского были продолжены и обобщены словацким ученым Стодола. По его просьбе швейцарский математик Гурвиц вывел условия устойчивости для линейных систем любого порядка.
В 1892 г. вышла классическая работа А.И. Ляпунова «Общая задача об устойчивости движения». Этот научный труд не потерял своего значения и сейчас.

В 1930 г. по инициативе Г.М. Кржижановского был организован комитет для руководства работами по автоматизации в энергетике. В том же году был создан Московский энергетический институт и основан Энергетический институт АН СССР, специалисты которых внесли большой вклад в автоматизацию электроэнергетических систем. В 1935 г. в системе АН СССР стала работать Комиссия телемеханики и автоматики, которая занималась обобщением и координацией научно-исследовательских работ в этой области. В период 1928–1941 гг. создаются первые в СССР заводы по производству приборов и аппаратуры автоматики.
В стадии становления теория автоматического управления опиралась в основном на теоретическую механику и электротехнику. Как самостоятельная область науки и техники автоматика получила признание на Второй Мировой энергетической конференции, прошедшей в 1930 г. в Берлине.
В 30-х годах ХХ века появились учебные пособия по автоматическому регулированию в энергетике. Была разработана теория устойчивости при параллельной работе генераторов, позволившая создавать сложные электрические системы.
ния опиралась в основном на теоретическую механику и электротехнику. Как самостоятельная область науки и техники автоматика получила признание на Второй Мировой энергетической конференции, прошедшей в 1930 г. в Берлине.
В 30-х годах ХХ века появились учебные пособия по автоматическому регулированию в энергетике. Была разработана теория устойчивости при параллельной работе генераторов, позволившая создавать сложные электрические системы.
Особенно бурно стала развиваться теория автоматического управления с 40-х годов. Это объясняется началом широкого внедрения электроавтоматики, электронной автоматики, радиотехнических автоматических систем (например, радиолокационных), созданием автопилотов, беспилотных самолетов-снарядов, ракет и т.д.
Большой вклад в развитие теории автоматического управления внесли российские ученые – А.А. Андронов, А.В. Михайлов, И.Н. Вознесенский, Я.З. Цыпкин, Е.П. Попов, А.М. Летов, Л.С. Понтрягин, А.Н. Колмогоров и многие другие. Общие идеи построения и применения автоматических устройств и систем оказались настолько плодотворными, что их стали применять практически во всех областях науки и техники:

• автоматизация управления производственными процессами, энергетическими системами, транспортными объектами;
• автоматизация инженерных расчетов при проектировании машин, предприятий и самих автоматических устройств;
• автоматизация управленческих работ и др.

Автоматизация – это наука о принципах, методах и средствах построения систем и устройств, позволяющих управлять теми или иными устройствами и их совокупностями без участия человека.
Автоматизация широко используется в электроэнергетике. Под автоматизацией электроэнергетических систем (ЭЭС) понимают их оснащение отдельными устройствами и системами для управления производством, передачей и распределением электрической энергии в нормальных и аварийных режимах без участия человека. Роль автоматики, уровня ее совершенства, исключительно важна для обеспечения надежности ЭЭС.
Ввиду широкого использования электрической энергии абсолютно во всех сферах жизнедеятельности человека выход из строя энергосистемы, нормальная работа которой во многом определяется надежностью автоматики, приведет к негативным, а зачастую и ката- строфическим последствиям.
Так, например, из-за нарушений в работе устройств системной автоматики крупнейшей в США энергосистемы CANUSE («Канада – США восточная») 9 ноября 1965 года произошел «развал» энергосистемы. Эту аварию назвали «катастрофой века» – за 11 минут на территории 200 тысяч квадратных километров, где расположены такие гигантские города, как Нью-Йорк, Бостон, Монреаль и другие, полностью отключилось электричество. Остановились электропоезда, тысячи людей застряли в поездах метро в туннелях между станциями, самолеты не могли совершить посадку на «пропавших» в темноте аэродромах, многие остались в лифтах, остановившихся между этажами домов. Убытки, вызванные катастрофой, составили колоссальную сумму – около 100 миллионов долларов. А причиной аварии стало неправильное срабатывание одного из элементов системной автоматики – реле.

Важнейшим показателем совершенства ЭЭС является качество электроэнергии, под которым прежде всего понимается стабильность величины напряжения и его частоты. Отклонение этих параметров от номинальных значений приводит к ухудшению работы потребителей электроэнергии. Так, например, скачки напряжения сверх допустимых пределов и даже кратковременный перерыв подачи электроэнергии (0,01 с) приводят к сбою в работе электронного оборудования. Задачи поддержания требуемой стабильности величины напряжения и его частоты реализуются соответствующими автоматическими системами.
Для повышения надежности электроснабжения широкое применение находят автономные источники электроэнергии в виде дизельных электростанций, газотурбинных установок, установок гарантированного электропитания с использованием различных первичных источников энергии. Их нормальное функционирование также невозможно без автоматических систем управления.
Для контроля и управления режимами источников электроэнергии, обеспечения бесперебойного снабжения потребителей, руководства ликвидацией аварий в энергосистеме создаются службы диспетчерского управления энергосистемой. В настоящее время сложность задач оперативного управления большими ЭЭС приводит к тому, что диспетчер не в состоянии проконтролировать все узловые точки электрической сети и не способен достаточно быстро произвести операции по ее управлению. Поэтому на автоматику возлагаются операции по управлению ЭЭС с требуемой точностью, надежностью и быстродействием, соизмеримым с длительностью электромагнитных и электрических процессов, протекающих в системе.
Итак, главное назначение автоматизации ЭЭС состоит в обеспечении требуемого качества электроэнергии и повышении надежности снабжения потребителей электроэнергией. Отметим также, что автоматизация приводит к большей простоте и удобству экс-плуатации и повышает экономичность режимов работы ЭЭС.

• автоматическая сигнализация;
• автоматическое включение синхронных машин на параллельную работу;
• противоаварийная автоматика (ПА);
• автоматическая частотная разгрузка (АЧР);
• автоматическое повторное включение (АПВ);
• автоматическое включение резерва (АВР);
• автоматизированные системы диспетчерского управления электроэнергетической системой.

• напряжения генератора;
• частоты вращения дизеля;
• напряжения стабилизатора напряжения;
• напряжения трансформатора и др.

• обеспечение качества и заданных уровней напряжения в узлах ЭЭС и тем самым рационального распределения потоков реактивной мощности при передаче электроэнергии от источников к потребителям;
• обеспечение устойчивости и работы ЭЭС в нормальных и аварийных режимах.

Производство, распределение и потребление электроэнергии происходят в основном на переменном токе. Частота генерируемого напряжения f жестко связана с угловой скоростью вращения синхронного генератора. Поэтому для обеспечения стабильности частоты f агрегаты, приводящие во вращение генераторы, снабжаются автоматическими регуляторами частоты вращения. Они, кроме задачи стабилизации частоты f , одновременно решают задачу оптимального распределения активной мощности между параллельно работающими генераторами, минимизируя затраты на производство электроэнергии.

Остановимся более подробно на автоматических системах второго класса, которые по принципу построения подразделяются на незамкнутые и замкнутые. Блок-схема незамкнутой автоматической системы приведена на рис.1, где:

• g – задающее воздействие;
• f – возмущающее воздействие;
• y – управляемая величина.

Крупным недостатком разомкнутых систем автоматического регулирования является практическая невозможность точной компенсации вредного влияния возмущающего воздействия из-за нелинейности характеристик и их изменения с течением времени и под влиянием внешних факторов, например, температуры, давления и др. Поэтому точность таких систем мала.
Кроме того, возмущающих воздействий может быть много и для компенсации каждого из них необходимо вводить соответствующие звенья, что усложняет систему. Во многих случаях возмущающее воздействие не удается измерить, и тогда, естественно, невозможно создать и компенсирующий сигнал. Отметим, что на основных объектах управления электроэнергетических систем (генератор, дизель, турбина) основные возмущающие воздействия измерить удается.
Незамкнутые автоматические системы, построенные по схеме рис. 1, часто называют системами с управлением по возмущению.
Достоинством автоматических систем, в которых используется управление по возмущению, являются их хорошие динамические свойства.

Блок-схема замкнутой автоматической системы показана на рис.2. В замкнутых автоматических системах управляющее воздействие, прикладываемое к объекту управления, зависит от отклонения управляемой величины y от требуемого значения g, которое называется ошибкой x = g – y.
Существенной особенностью принципа действия замкнутых автоматических систем является их универсальность. Вне зависимости от причин, появление ошибки вызывает ответное управляющее воздействие – система будет осуществлять автоматическое воздействие на объект управления как при изменении задающего воздействия, так и при изменении возмущающего воздействия. Это является большим достоинством замкнутых автоматических систем.
Системы автоматического управления, построенные по схеме рис. 2, называются также системами с управлением по ошибке и системами с обратной связью.

Для того чтобы использовать положительные свойства автоматических систем с управлением по ошибке и по возмущающему воздействию, были предложены комбинированные системы автоматического управления (рис. 3).
Такие системы нашли широкое применение в системах автоматического регулирования напряжения синхронных генераторов. В электроэнергетике они получили название систем компаундирования.
Основным возмущающим воздействием для синхронных генераторов, вызывающим изменение величины напряжения генератора, является ток нагрузки генератора. При токовом компаундировании используется компенсирующий сигнал, зависящий только от величины тока. При фазовом компаундировании используется компенсирующий сигнал, зависящий и от величины тока, и от фазы.