Модель управления качеством электроэнергии в промышленном секторе

Основа разработки методологии и проверки модели управления качества электроэнергии

Представляем вашему вниманию модель управления качеством электроэнергии системы энергоснабжения в промышленном секторе. Эта модель объединяет в качестве стратегического планирования компании, следующие действия: управление, контроль, мониторинг, обслуживание и улучшение качества электроэнергии системы энергоснабжения. Иными словами, качество электроэнергии является частью комплексной бизнес-стратегии организации.

В связи с использованием нелинейных нагрузок и наличием критических процессов, которые очень чувствительны к изменениям параметров энергоснабжения, потребителям необходимо контролировать качество электроэнергии и управлять им. В указанное понятие входит надёжность электроснабжения (количество прерываний питания) и собственно качество (напряжение, частота и форма волны). Нарушения могут привести к неправильной работе оборудования и даже к его повреждению, вызвав серьёзные материальные потери, уменьшение производительности труда и снижение эффективности компании.

Модель, представленная по управлению качеством электроэнергии, помогает оценить качество электроустановок применительно к проблемам, связанным с качеством электроэнергии и производственными процессами, в том числе с безопасностью персонала. При этом качество электроэнергии начинает становиться частью стратегического планирования всей электрической инфраструктуры. Для применения и проверки предложенной модели были выбраны две сахарных компании в Колумбии. Это было очень полезно как для совершенствования модели, так и для обоснования выводов и рекомендаций исследования.

Разработка методологии

Создание модели, характеризующей систему с точки зрения качества электроэнергии, имеет целью повышение производительности и экономическую оптимизацию в соответствии с целями компании в средне- и долгосрочной перспективе. Основу методологии, рекомендуемой для промышленных компаний, составляют 8 этапов, показанных на рис. 1.

A. Определение объёмов работ и поставленных целей

При разработке модели управления качеством электроэнергии нужно добиться следующих целей:

• определить различные зоны компании, где могут возникнуть проблемы, связанные с качеством электроэнергии;
• определить оборудование, системы или установки, которые могут быть причинами проблем с качеством электроэнергии в выбранных зонах;
• классифицировать это оборудование в соответствии с уровнем влияния на деятельность компании, т.е. в зависимости от уровня воздействия возможной неисправности на процесс производства компании;
• предложить план действий, который включает в себя решение проблем качества электроэнергии и направлен на повышение производительности и рентабельности.

B. Выбор и определение приоритетов подсистем, подлежащих анализу

После определения объёма исследований будет подготовлен перечень, включающий в себя установки в порядке их значимости и риска утраты или необходимости обслуживания и ремонта в процессе производства.

C. Диагностика качества электроэнергии

Этот этап процесса действий очень важен, потому что позволит с помощью программного обеспечения для предварительной диагностики, разработанного группой по проблемам энергетики Университета Лос Андес, получить следующую важную информацию о системе:

• характеристики энергосистемы компании (мощности, линейные и нелинейные нагрузки, политика обслуживания, рациональность использования энергии, реактивные мощности, фильтры и т.п.);
• вопросы, косвенно связанные с качеством электроэнергии (частота, длительность и тип отключений, выход из строя и деградация электронных компонентов и т.п.);
• проверка электроустановок (соответствие типовым схемам, реальное состояние компонентов и т.п.)
• измерения.

С целью улучшения модели можно провести сбор информации по специальным вопросам, таким как инвестиции в энергосистему предприятия, надёжность электроснабжения и показатели, используемые компанией для своих производственных процессов.

D. Анализ критичности

На основе результатов измерений, анализа электроустановок и сообщений программного обеспечения для предварительной диагностики была подготовлена SWOT-матрица для определения слабых сторон, возможностей, сильных сторон и угроз для подсистемы в отношении качества электроэнергии. Матрица воздействия показана в Таблице № 1.

Таблица № 1. Матрица воздействия

После проведения анализа воздействия, проводится подготовка к исследованию "уязвимостей" компании. Оно имеет следующие этапы:

• выявление конкретных факторов, влияющих на работу компании. Этими факторами, в частности, могут быть производственные и технологические процессы, финансовая ситуация и отношения с конкурентами;
• оценка конкретных факторов с точки зрения угрозы для бизнеса, т.е. определение уровня воздействия на эффективность и конкурентоспособность компании при ухудшении качества электроэнергии; модификация или изменение факторов, о которых шла речь на первом этапе. "Преобразование" конкретных факторов в угрозы должно быть завершено исполнительной группой и техническими экспертами в области качества электроэнергии. К примеру, неисправность или простой какого-либо оборудования может остановить процесс производства, т.е. будет нужно приобрести новое оборудование или произвести ремонт, что может ухудшить финансовую ситуацию;
• оценка последствий. Это тщательный анализ последствий для компании в случае осуществления указанной угрозы. Последствиями могут быть потеря данных, дорогостоящий ремонт, простой оборудования в течение определённого времени и т.п;
• оценка воздействия. Величина воздействия оценивается и классифицируется. Она может измеряться по шкале от 0 до 5, где 0 означает отсутствие воздействия на компанию, а 5 подразумевает катастрофические последствия;
• вероятность угрозы. Определяется оценка уровня возможности возникновения угрозы по шкале от 0 до 1. Если имеется высокая вероятность возникновения угрозы, должны быть приняты краткосрочные меры, т.е. должна последовать немедленная реакция. И напротив, если вероятность очень низка, для защиты могут быть приняты меры с длительным сроком реализации;
• способность принимать меры. На этом последнем этапе производится оценка по шкале от 0 до 5 способности компании принять меры для улучшения качества электроэнергии. 0 означает отсутствие способности, а 5 – полную способность. Оценка будет показывать тип действий, которые нужно предпринять компании, их временные рамки и величины.

Для анализа уязвимости используется матрица, подобная представленной в Таблице № 2.

Таблица № 2. Матрица анализа уязвимости

Степень уязвимости определяется величиной способности принимать меры и произведением оценки воздействия угрозы на вероятность её возникновения, как показано на рис. 2.

E. Выработка плана действий

Вырабатывается конкретный план действий с определёнными сроками для решения проблем качества электроэнергии, к примеру: приобретение нового оборудования, проведение технического обслуживания электрических установок по всей организации, проверка проводников электрической сети и т.п. В развитие анализа SWOT можно наметить некоторые краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные стратегии для компании.

Таблица № 3. Таблица SWOT-анализа

F. Реализация рекомендаций

Реализация состоит из выполнения рекомендованного плана действий компании

G. Отслеживание результатов

Мы стремимся рекомендовать определённые экономические и технические показатели для измерения эффективности выработанной стратегии, т.е. для оценки повышения качества электроэнергии и экономических выгод (экономии) для компании.

H. Обновления анализа или возврат к началу

Для повышения эффективности рекомендуется полностью повторять исследования с определённой периодичностью, т.е. нужно возвращаться к началу. К примеру, при добавлении компонента, который не был проанализирован, или для пересмотра допущений и выводов исследования.

Проверка

Проверка модели управления качеством электроэнергии проводилась на двух сахарных заводах в Колумбии, в Валле дель Каука и Рисаральда.

A. Определение объёмов и целей

Цели выполнения модели действий по управлению качеством электроэнергии для двух изучаемых заводов определены в пункте А раздела «Разработка методологии».

B. Выбор и определение приоритетов подсистем, подлежащих анализу

Места измерений были выбраны с учётом их важности или потенциальной опасности для производительности компании при неработоспособности или неисправности. Также в дополнение к ограничениям оборудования (AR5) были приняты во внимание рекомендации ответственного инженерного персонала. Измерения были проведены на низкой стороне трансформатора (440 В) в двух точках. Точка № 1: пресс, центрифуга, котёл. Точка № 2: цепь 440 В, фильтры, производство и котёл.

C. Диагностика качества электроэнергии

На этом этапе были проведены измерения в намеченных местах и получены следующие результаты показателей качества электроэнергии.

Изменения действующего значения напряжения. Стандарт NTC 1340 устанавливает, что изменения действующего значения напряжения не должны превышать 5% от номинального значения. Для измерений, сделанных в трёхфазной системе с напряжением 440 В, номинальное значение равно 254 В. Допустимое нижнее значение составляет 241,33 В, а допустимое верхнее значение – 266,75 В. На первом предприятии 17,2% от общего числа результатов измерений превзошли верхний предел напряжения и 0,28% оказались ниже нижнего порога. С другой стороны, на втором предприятии только 22,56% измерений напряжения от общего числа измерений соответствуют верхнему уровню. Это связано с изменениями нагрузки в различных точках измерения.

Частота. Значение частоты во многом зависит от самой компании, так как она имеет независимую генерацию (ТЭЦ). Поэтому важно проанализировать поведение частоты, чтобы убедиться, что её значение соответствует диапазону, приведённому в CREG 070-98. На обоих предприятиях нет отклонений частоты от пределов, заданных в нормативных документах, поэтому проблемы подобного характера отсутствуют. Минимальное значение частоты – 59,8 Гц, максимальное значение частоты – 60,2 Гц.

Коэффициент мощности. Два обследованных предприятия характеризуются небольшим энергопотреблением, поэтому правила, установленные для минимально допустимых значений, не выполняются. Это связано с тем, что измерения проводились на низком напряжении, а конденсаторные установки для коррекции коэффициента мощности обычно устанавливаются на стороне среднего напряжения. Конденсаторные батареи на среднем напряжении переключаются редко, что способствует защите систем управления электроприводов от бросков при переходных процессах.

Гармонические компоненты. Величины гармонических компонентов тока 3-й, 5-й, 7-й, 9-й, 11-й и 13-й гармоник в процентах от компонента на частоте сети для обеих компаний приведены в Таблице № 4. Из таблицы видно, что на предприятии № 1 значения 5-й и 7-й гармоник превышают допустимые пределы гармонических искажений, установленные стандартом IEEE 519-92. Это связано с наличием нелинейных нагрузок с 6-пульсными выпрямителями, которые увеличивают общие гармонические искажения. Коэффициент гармонических искажений (КГИ) напряжения составил 2,17% для предприятия 1 и 0,78% для предприятия 2. Эти значения ниже нормативного предела (5%).

Таблица № 4. Максимальные значения гармонических компонентов токов в процентах от компонента основной частоты и значения КГИ

На предприятии № 1 компонент 7-й гармоники имеет величину, большую, чем величины других гармоник. Его максимальное зафиксированное значение - 1,73% от компонента основной частоты. На предприятии № 2 преобладающей является 5-я гармоника. Ее максимальное зафиксированное значение составляет 0,22% от компонента основной частоты. В обеих компаниях не превышен предел искажений напряжения (3%), установленный IEEE. Это связано с тем, что на части электроустановок предприятий имеются фильтры гармоник.

Из Таблицы № 5, в которой представлены результаты анализа измерений в различных точках, видно, что на предприятии № 1 самые большие величины гармоник вносит центрифуга, при этом преобладающими являются компоненты 5-й и 7-й гармоник. Причиной этого является наличие нелинейных нагрузок в виде регуляторов скорости вращения для каждого из электродвигателей мощностью 200 л.с. и наличие двухскоростных электродвигателей.

Таблица № 5. Максимальные токи гармонических компонентов в процентах от компонента основной частоты в точках измерения и значения КГИ. Предприятие № 1

D. Анализ критичности

Анализ критичности был проведён для двух предприятий. Ниже мы представляем результаты, полученные только для предприятия № 1 как наиболее существенные.

Уязвимости:

1. аварии или простои на различных этапах процесса производства;
2. перегрев проводников, трансформаторов и электродвигателей, повреждение конденсаторных батарей;
3. недостаточность или отсутствие системы контроля качества электроэнергии;
4. недостаточные знания проблем качества электроэнергии и их причин специалистами энергослужбы.

Сильные стороны:

1. независимая генерация;
2. предприятие имеет грозозащиту, фильтры гармоник, подавители помех, вызванных переходными процессами, ИБП и конденсаторные батареи коррекции коэффициента мощности;
3. КГИ напряжения ниже предела, установленного стандартом IEEE 519-92;
4. наличие технических и экономических показателей (например, общее число часов простоя), которые используются в процессе принятия решений и способствуют поддержанию определённого уровня качества электроэнергии.

Угрозы:

1. наличие сильных электромагнитных полей из-за близости нелинейных нагрузок;
2. внезапные отключения электроэнергии распределительной компанией (EPM), которая поставляет энергию;
3. наличие гармоник в электроэнергии, поставляемой EPM, которые генерируют другие компании, подключенные к той же системе энергоснабжения;
4. высокий уровень напряжения заземления нейтрали из-за повышенного сопротивления системы заземления.

Возможности:

1. увеличение эффективности и производительности компании может быть достигнуто путем повышения надёжности энергоснабжения;
2. увеличение финансовых возможностей в результате сокращения числа поломок оборудования в процессе производства;
3. контроль показателей качества электроэнергии (коэффициент мощности, искажения напряжения, частота и т.п.)
4. в годовом бюджете компании на модернизацию электрооборудования отведено 6% общей суммы.

Таблица № 7. Результат применения матрицы воздействия для предприятия № 1

E. Выработка плана действий

План действий, предложенный ниже, может быть разработан для среднесрочной перспективы для обоих предприятий, так как в соответствии со SWOT-анализом оба предприятия используют очень похожую технологию.

• Недавно предприятия перенесли точки присоединения своих энергосистем ближе к центральным узлам энергосистемы. Поэтому необходимо удостовериться, что большие нагрузки не оказались подключенными через те же фидеры, что и чувствительные нагрузки.
• Удостовериться, что ИБП питают только чувствительные нагрузки, если они не имеют достаточную мощность для питания более мощных нагрузок. Питание других видов нагрузок может привести к нарушению питания критических нагрузок.
• Высокое сопротивление проводника нейтрали приводит к повышению ее потенциала, поэтому необходимо проверить проводники и подключение оборудования к системе заземления электроустановок.
• Установка корректирующих фильтров для гармонических компонентов с параметрами, основанными на информации о преобладающих гармонических компонентах, для каждой электроустановки в которой такие фильтры отсутствуют (частично они установлены).
• Обеспечить проведение профилактического технического обслуживания оборудования для снижения потенциальных убытков; анализ причин неисправностей.
• Необходимо внедрить систему мониторинга, ориентированную на различные показатели качества электроэнергии на каждом этапе производства, чтобы иметь надлежащий контроль и возможность принимать решения на основании полученных данных. Например, контролировать КГИ, чтобы не допустить перегрева и увеличить за счет этого производительность.
• Реализовать программу подготовки персонала.

F. Реализация рекомендаций

Реализация подразумевает, что компания должна выполнить на практике рекомендованный план действий.

G. Отслеживание результатов

Для контроля модели управления качеством электроэнергии в любой отрасли мы предложили следующие показатели.

Технические показатели качества электроэнергии

• Показатель качества обслуживания: измеряет эффективность обслуживания определённого оборудования в процентах. Выражается в отношении общего числа циклов обслуживания такого оборудования к общему количеству циклов технического обслуживания, проведённого на всём предприятии.
• Показатель стоимости обслуживания: измеряет эффективность финансовых ресурсов в процентах для обслуживания оборудования и модернизации электроустановок для профилактики проблем, относящихся к качеству электроэнергии, по отношению к общей стоимости обслуживания, заложенной в бюджете.
• Затраты на перемещение: общая стоимость перемещения нагрузок.
• Показатель загрузки ИБП: измеряет эффективность работы ИБП. Выражается как отношение количества ИБП с нагрузкой выше 80% номинальной к общему количеству ИБП.
• Соотношение неисправностей заземления: представляет долю в процентах неисправностей заземления по отношению к общему количеству электрических аварий.
• Снижение КГИ тока и напряжения: измеряет изменение во времени КГИ напряжения и тока.
• Общая стоимость установки фильтров.
• Стоимость аварий по причинам, связанным с гармониками: измеряет стоимость простоев по причинам, связанным с высшими гармониками.
• Стоимость потерь: представляет стоимость неполученных компанией средств по причине остановок процесса производства.

Корпоративные показатели

Корпоративные показатели очень важны для рассматриваемого процесса, так как они являются частью деятельности по повышению качества электроэнергии в рамках задач компании по повышению эффективности и производительности.

• Производительность: измеряет в процентах время остановки производства из-за проблем с энергоснабжением, выраженное в часах простоя, к общему числу часов работы.
• Затраты - результаты: соотношение между доходами, полученными в результате экономии. К примеру, при уменьшении материальных запасов и величины инвестиций в персонал, и затратами, заложенными в план действий.
• Показатель инвестиции - производительность: измеряет в процентах эффективность ресурсов, вложенных в модернизацию электроустановок для профилактики проблем качества электрического происхождения для повышения эффективности оборудования, используемого в процессе производства.

Значения этих показателей необходимо оценивать до и после реализации плана действий, чтобы сравнить текущее и будущее положения компании. Поскольку не имеется предыдущих записей или оценки предлагаемых показателей, определить отправные точки невозможно.

H. Обновление анализа или возврат к началу

Для повышения эффективности рекомендуется часто обновлять исследования для определения новых компонентов, обновления показателей, пересмотра политики совершенствования и инвестиционной политики и т.п., чтобы определить стратегии, касающиеся качества электроэнергии.

Выводы и рекомендации

• Работа по повышению качества электроэнергии оказывает значительное воздействие на промышленность, так как предотвращает необходимость внеплановых инвестиций в оборудование или электрическую инфраструктуру. С помощью предлагаемой модели можно определить, какое оборудование более чувствительно к электромагнитным явлениям и может стать причиной остановки процесса производства компании. Также можно обосновать минимальные инвестиции в проекты по модернизации электрической инфраструктуры и для целей расширения.
• В данном конкретном случае изучаемые предприятия имеют высокую способность принимать меры при столкновении с угрозами, относящимися к качеству электроэнергии, которые имеют сильное воздействие и происходят со средней периодичностью. Необходимо предпринимать немедленные действия по выяснению причин проблем, используя имеющиеся возможности и рекомендации для смягчения угроз.
• Разработанная модель была хорошо принята обследованными компаниями, так как она поддерживает компонент стратегического планирования, связанный с деятельностью по повышению производительности и улучшению системы энергоснабжения.
• Модель позволяет установить связь между предлагаемыми планами действий и корпоративными показателями компании.
• Модель проста и легка для применения, если хорошо понимать ключевые факторы получения полезных показателей работы компании.
• Планы действий и показатели, предлагаемые в этой методологии, применимы исключительно в обследованных компаниях и компаниях сахарной промышленности.
• Для последующих работ мы рекомендуем адаптировать программное обеспечение, используемое для проведения диагностики электросистемы и ТЭЦ с точки зрения качества электроэнергии. Так как это программное обеспечение основано на том, что поставщиком электроэнергии является промышленность, то это препятствует анализу явлений, происходящих в компании.
• Имеется необходимость проведения исследований влияния различных проблем качества электроэнергии на срок службы оборудования, так как этот фактор играет ключевую роль при анализе затрат и результатов.