Cистемы учета тепло- и электропотребления многофункциональных комплексов

Особенности построения и возможности оптимизации

В. В. Панкратов, директор ООО «ВВП»

 

Оптимизация тепло- и электропотребления многофункциональных комплексов предполагает мониторинг с последующей обработкой в тех или иных целях параметров электро- и теплоснабжения.

Крупные здания (объекты) имеют, как правило, несколько вводов электропитания. Так, например, если здание имеет собственный тепловой пункт (как правило, на подобных объектах речь идет о центральном тепловом пункте – ЦТП), то с точки зрения электроснабжения он запитывается от отдельного независимого ввода определенной мощности от трансформаторной подстанции. Таким образом, вводно-распределительные устройства (ВРУ) на больших объектах располагаются в различных частях здания. Соответственно, при проектировании системы электроснабжения всегда рассматриваются различные варианты резервирования – перераспределения электрической энергии в случае потери одной из линий электроснабжения. Первая категория электроснабжения предусматривает наличие автоматического включения резерва (АВР) – автоматического переключения с одного ввода на другой. Помимо автоматического может быть реализовано и ручное переключение. В данном случае под разными вводами подразумеваются разные трансформаторы одной подстанции. Однако в ситуации, когда обесточивается сама подстанция (в результате чего выходит из строя высоковольтная линия 6 или 10 кВ), в некоторых случаях (если данный аспект при-знается значимым, например, в зданиях промышленного назначения) используются схемы, когда с параллельных вводов с соседних подстанций предусматривается байпасное переключение и перераспределение энергии. В этом случае возникает необходимость в мониторинге текущей нагрузки, поскольку подключение байпасных линий в качестве дополнительной нагрузки может привезти к перегрузке и выходу линии из строя.

В настоящий момент рассматриваются две различные методики мониторинга электропотребления.

Традиционная методика предполагает для получения данных и передачи их в систему автоматизации использование аналоговых трансмиттеров тока-напряжения. Для мониторинга необходимо получать минимум два значения – напряжение и силу тока. Потреб-ляемая мощность вычисляется по этим значениям. В некоторых случаях снимается и значение частоты, данный параметр признается значимым в случае, когда он оказывает влияние на работу оборудования.

Рисунок 1 (подробнее)   Функциональная схема методики мониторинга электропотребления с аналоговыми трансмиттерами тока-напряжения

Функциональная схема данной методики мониторинга представлена на рис. 1. Измерение напряжения на каждой из фаз производится при непосредственном подключении к проводникам (при прямом контакте). Если есть необходимость, измеряется межфазное напряжение. На выходе прибора выдается стандартизированное аналоговое значение, либо токовое (если используется промышленный контроллер 4–20 мА), либо напряжение 0–10 В, и каждому замеренному значению ставится в соответствие некоторый уровень выходного тока или напряжения. Измерение силы тока провести сложнее, на вход прибора должно подаваться значение в определенном диапазоне, например, 0–5 А либо 0–50 А. В зависимости от диапазона измерений меняется и класс точности прибора. При выборе ВРУ рассчитывается величина тока, подключение происходит через трансформаторы тока, т. е. используется прибор одного класса, а измеряемые величины преобразуются посредством трансформаторов тока (обычно представляют собой индукционное кольцо), поскольку на слаботочный прибор невозможно подать, например, тысячу ампер. Соответственно, задается расчетная кривая в зависимости от выбранного коэффициента трансформации. В результате в контроллере путем перерасчета величин вычисляются фактические значения силы тока и напряжения. В дальнейшем данные величины могут обрабатываться каким-либо образом программным путем.

Непосредственно полученные при измерении величины позволяют судить о наличии как такового напряжения фаз. Ранее широко использовался метод мониторинга электроснабжения, который сводился к установке реле контроля фаз с выводом на контрольную панель лампочек наличия напряжения. Разумеется, пропадание одной из фаз является аварийной ситуацией, поскольку может привести к выходу из строя оборудования, и такой контроль необходим, но, с другой стороны, существует такое понятие, как «перекос фаз», когда одна из фаз по каким-либо причинам имеет серьезную просадку по напряжению (то есть напряжение на данной фазе не пропадает, но существенно уменьшается). Данную ситуацию при подобном простейшем контроле отследить достаточно сложно. Современная методика мониторинга более точная, она позволяет отслеживать в том числе и подобные ситуации. Более того, служба эксплуатации может сама устанавливать допустимый рабочий диапазон напряжения.

Токовые значения снимаются для того, чтобы понять, какие из фаз перегружены. Не все потребители в здании рассчитаны на напряжение 380 В, соответственно, при проектировании инженерных систем нагрузка может распределяться по фазам неравномерно с учетом коэффициента одновременного использования. В условиях реальной экс-плуатации эти фазы необязательно будут одинаково нагружены. Поэтому имеет смысл, анализируя нагрузку на каждой из фаз, принимать решение о допустимости работы в данных условиях. На основании анализа данных показаний можно в дальнейшем принимать решение о возможности подключения каких-либо дополнительных нагрузок. В случае приближения данных значений к пограничным, т. е. при реальной угрозе отключения вводных автоматов по перегрузке, может быть принято решение о снижении нагрузки. Подобное снижение нагрузки может быть осуществлено путем отключения каких-либо нагрузок. Так, например, перегрузка возникает обычно при подключении байпасных линий. Если такая ситуация предусматривается на стадии проектирования, то, как правило, предусматривается и соответствующая оптимизация нагрузки. В ходе такой оптимизации различным инженерным системам выставляется различный приоритет. Например, при использовании многоскоростных систем или инверторного управления электроприводами, если в режиме нормальной работы данное оборудование работает на полную мощность, то в случае увеличения нагрузки и ее приближения к пограничным значениям (как правило, при увеличении нагрузки выдается два сигнала, предтревожный и тревожный), оборудование сначала переводится в пониженный режим работы (с высокой скорости на низкую, соответствующей пониженному энергопотреблению), а затем может быть и вообще отключено. Еще на стадии проектирования определяется, в каком порядке производится отключение различных систем. Так, например, для жилой части здания в ночное время лучше произвести отключение вентиляции, но при этом оставить работающим электрическое освещение, чем превысить нагрузку, что, в свою очередь, приведет к выходу из строя вводных панелей, в результате чего из всех систем в здании будет функционировать только аварийное освещение.

Другая методика мониторинга электропотребления предусматривает использование специализированных устройств – контроллеров мониторинга параметров электросети и энергоучета.

При всей простоте и надежности рассмотренной выше системы возникает вопрос энергоучета как такового для некоммерческого использования, т. е. получения каких-либо накопленных значений. Используя математические методы, можно произвести расчет количества потребленной энергии. Данные расчеты могут производиться как программно, так и непосредственно в специализированном приборе (контроллере) в режиме реального времени. Однако с учетом того, что разные потребители используют разную мощность, указанная величина не может быть достоверно точной. С учетом этого обстоятельства наиболее полно данные функции реализованы в приборах коммерческого или некоммерческого учета (рис. 2). В таких приборах также используются трансформаторы тока, причем существуют модели с разъемными трансформаторами (рис. 3). Разъемные (составные) трансформаторы тока можно устанавливать без демонтажа электрических проводников. Принципиальное отличие данных устройств в том, что все те математические функции, которые при использовании первой методики мониторинга приходилось описывать программисту, уже реализованы в микроконтроллере. На выходе прибора по одному из стандартных интерфейсов (Lonworks, Konnex, Modbus и т. д.) выдаются значения запрашиваемых параметров: фазные напряжения, межфазные напряжения, токи, частота, моментальная мощность, средняя за некоторый период и т. п. (как правило, порядка пятидесяти различных параметров). Таким образом, данное устройство фактически представляет собой полноценный прибор учета. В целях удешевления проекта, уменьшения стоимости оборудования приборы этого типа не оснащаются какими-либо индикаторами и все данные выдаются только посредством интерфейса. В результате подобного удешевления стоимость такого прибора сравнима со стоимостью комплекта приборов, необходимых для мониторинга по первой методике, но при этом не требуется параметризации за счет труда программиста. Кроме того, в случае использования единого прибора повышается достоверность получаемой информации.

Рисунок 2. Функциональная схема методики мониторинга электропотребления с использованием специализированного контроллера

Рисунок 3. Разъемный трансформатор

Контроллеры мониторинга параметров электросети и энергоучета разработаны для приложений, где необходимо измерение и мониторинг параметров электросети, также возможно использование этих контроллеров для измерения произведенной мощности. Выпускаются модели как для однофазных линий электропитания, так и для трехфазных. В контроллерах имеется встроенный архиватор данных. Для мониторинга в режиме реального времени, визуализации и анализа информации, получаемой от контроллеров, используется специальное программное обеспечение.

Например, одна из серий контроллеров такого типа позволяют измерять и передавать по стандартному протоколу следующие параметры:

• Истинная среднеквадратичная мощность – фаза А, фаза B, фаза С, все фазы.

• Реактивная мощность – фаза А, фаза B, фаза С, все фазы.

• Коэффициент мощности (отношение активной мощности к полной) – фаза А, фаза B, фаза С, все фазы.

• Истинная среднеквадратичная энергия – фаза А, фаза B, фаза С, все фазы.

• Реактивная энергия – все фазы.

• Частота переменного тока.

• Вычисленное среднеквадратичное значение напряжения – фаза А, фаза B, фаза С.

• Вычисленное среднеквадратичное значение силы тока – фаза А, фаза B, фаза С, все фазы.

• Энергопотребление.

• Пиковое энергопотребление.

Контроллеры имеют встроенный архиватор данных, который позволяет фиксировать текущие параметры через установленный интервал времени (по умолчанию – 15 мин). Зафиксированные данные могут использоваться для вычисления потребления (средняя мощность) для каждого промежутка времени, а также для вычисления пикового значения потребления в течение зафиксированного периода. Контроллер оснащен энергонезависимой памятью, позволяющей сохранять данные даже в случае пропадания электропитания (это важно, например, с точки зрения анализа причин аварий, подробнее об этом см. ниже).

АВР работает следующим образом. Имеется реле контроля фаз, и в случае пропадания одной из фаз или перегрузки производится автоматическое переключение на резервную линию. В этом случае отслеживается только, какой из вводов в настоящее время задействован. В некоторых случаях допускается ручной (посредством переключателя на панели) либо дистанционный выбор ввода. Дело в том, что в некоторых случаях рекомендуется, чтобы силовой кабель был под нагрузкой, например, если он проложен в земле. Если есть основной и резервный кабель, то, несмотря на защиту, может происходить проникновение влаги через изоляцию (оболочку) неиспользуемого кабеля. Для борьбы с этим явлением в процессе эксплуатации периодически задействуется и резервный ввод вне зависимости от работо-способности основного.

Для анализа полученных аналоговых значений на уровне программного обеспечения выстраиваются тренды, например, с дискретностью 5 с. Если по каким-то причинам произошла авария и один из вводов переключился на резервный, то с учетом трендов имеется возможность установить, по какой причине данная ситуация имеет место: по пропаданию напряжения, нарастанию нагрузки, перегрузке данного ввода и т. д. Установление причины переключения на резервный ввод чрезвычайно важно, поскольку если ввод вышел из строя в связи с перегрузкой, то переключение на резервный ввод приведет к выходу из строя и этого ввода. Соответственно, в этом случае необходимо принять превентивные меры по снятию нагрузки.

При использовании отдельного устройства (контроллера) возможности анализа увеличиваются. В этом случае возможен анализ пикового энергопотребления, среднего энергопотребления, можно оценить, каким образом меняется нагрузка в течение года в зависимости от сезона, что может быть использовано в качестве исходных данных для построения систем оптимизации электропотребления (следует отметить, что, вообще говоря, подобные функции могут быть реализованы программно и для первой методики).

Рассматриваемые контроллеры являются активными устройствами и требуют установки отдельных схем питания. Возникает проблема, каким образом организовать такое питание. Если схемы запитываются от того же ввода, который контролируется устройством, то, разумеется, они перестают работать при пропадании питания. Возможно запитать их от источника бесперебойного питания, в этом случае при пропадании питания система будет выдавать нулевые сигналы.

Применение подобных устройств оправдано и в некоторых случаях, когда внутри здания выделяются отдельные коммерческие потребители электроэнергии (как правило, жильцы оплачивают потребленную энергию согласно показаниям электросчетчика).

Существуют определенные коммерческие отношения между арендатором и арендодателем. В многофункциональных комплексах часть помещений отдается под офисы и, с учетом того, что в каждом таком здании имеется собственная служба эксплуатации, производятся некоторые взаиморасчеты по теплоносителям и электропотреблению. Соответственно, необходимо каким-то образом выделять электропотребление отдельного офиса. Данная задача может быть решена путем установки упомянутого прибора. Следует иметь в виду, что энергоснабжающая организация показания таких приборов во внимание не принимает, в этом случае учет ведется по приборам, установленным этой организацией, однако служба эксплуатации здания может сверить данные значения с показаниями собственных приборов учета.

Далее рассмотрим идеологию построения систем мониторинга и учета теплоносителей.

На рынке в настоящее время представлены приборы учета энергоресурсов – теплосчетчики, расходомеры и т. д. различного исполнения. Приборы должны быть сертифицированы для учета тепловой энергии в теплосетях. Существуют линейки оборудования, в котором предусмотрена возможность выдачи информации по протоколу RS–485.

Система учета построена по следующему принципу. В здании устанавливается тепловой пункт, ИТП либо ЦТП, в котором находятся приборы учета тепловой энергии и воды. Указанные приборы учета дополнительно оснащаются адаптером, обеспечивающим возможность подключения прибора по одному из интерфейсов (Lonworks, Modbus и т. д.). Соответственно, все данные, которые получает прибор учета, могут быть переданы в систему автоматизации и диспетчеризации здания. Это дает возможность мониторинга теплопотребления в реальном времени, а также позволяет выполнять прогнозирование возможных аварийных ситуаций.

В случае установки подобных счетчиков можно несколько умень-шить капитальные затраты за счет отказа от отдельных датчиков температуры и давления (в составе счетчика имеются собственные датчики температуры и давления на подающих и обратных магистралях).

Помимо мониторинга показаний данных приборов учета, существуют и другие методы мониторинга, дублирующие основной. Так, все тепловые вводы в здание оснащаются датчиками температуры и давления, и в случае выхода этих параметров за пределы установленного диапазона (падение температуры и давления) может быть принято решение о введении ограничений по потреблению тепловой энергии путем, например, остановки некоторых инженерных систем. В случае аварии теплосети, как правило, сначала отключаются системы общеобменной вентиляции (с учетом защиты от замораживания), с тем чтобы оставить в работе циркуляционные контуры радиаторного отопления. Если мониторинг указанных параметров не производится, то в случае аварии система автоматики может отработать таким образом, что это приведет к максимальному открытию клапанов и очень быстро температура в здании упадет до некоторой температуры, при которой произойдет срабатывание термостатов защиты калориферов от замораживания (например, 5 °С), однако достижение данной температуры уже означает, что здание выстужено. Зачастую при программировании системы автоматизации и диспетчеризации здания данная ситуация учитывается и устанавливается более высокий порог по температуре аварийной остановки приточных установок (например, 12 °С), не дожидаясь срабатывания термостатов защиты от замораживания. Однако и в этом случае температуры воздуха в здании опустится ниже комфортных параметров. В случае мониторинга параметров теплоносителя на вводе в здание можно спрогнозировать данную ситуацию и осуществить превентивное отключение систем. Именно такой алгоритм работы системы автоматизации реализован, например, в здании аэропорта «Домодедово».

Иногда имеют место ошибки, вызванные человеческим фактором, например, при переходе с зимнего на летний режим, при этом все ИТП, кроме одного, работают нормально, и именно наличие счетчиков позволяет оценить данную ситуацию.

Расходомеры по воде также позволяют отслеживать аварийные ситуации. С учетом того, что все контуры замкнутые, расход воды осуществляется только на хозяйственно-бытовые нужды. Данный расход можно соотнести с некоторым расчетным значением, и если расчетная величина существенно превышена, то это косвенно свидетельствует о протечке (вызванной человеческим фактором либо технической неисправностью оборудования).

Если на входе установлены только датчики температуры и давления, то могут быть рассчитаны только пограничные значения. Часто такие датчики устанавливаются с единственной целью – поддержание графика температуры возврата теплоносителя.

Зачастую в рамках расширения крупных объектов производится наращивание производственных мощностей, но при этом дополнительная мощность теплосети не может быть обеспечена. Подключение дополнительных потребителей (через ИТП или ЦТП) приводит к снижению температуры обратной воды, что, в свою очередь, может привести к падению температуры и в подающих магистралях. В результате все системы начинают работать в нештатном режиме, ситуация все больше ухудшается, системы автоматизации стараются распределить тепловую энергию равномерно и просадка происходит по всем системам. Ставится задача оптимизировать средствами автоматизации работу инженерных систем в этих условиях. Данная задача в случае крупных комплексов достаточно сложна, поскольку на некоторых объектах мониторинг параметров производится по 20–30 тыс. точек и только вентиляционных систем может быть установлено более ста.

Рассмотрим способ решения задачи оптимизации работы инженерного оборудования средствами автоматизации на примере системы климатизации аэропорта «Домодедово».

Некоторая экономия тепловой энергии и холода осуществляется за счет гликолевого рекуператора, который используется для первичного подогрева и охлаждения вентиляционного воздуха. В летнее время гликолевый контур позволяет на несколько градусов снизить температуру приточного воздуха, что достаточно актуально в связи с тем обстоятельством, что из-за особенностей архитектурной планировки аэропорта (наличие большого количества забетонированных и асфальтированных поверхностей) температура наружного воздуха в зоне аэропорта на несколько градусов выше, чем в данной местности на небольшом удалении.

Коррекция температуры приточного воздуха осуществляется в соответствии с температурой вытяжного воздуха. Это позволяет очень точно учитывать существенно меняющееся влияние теплопоступ-лений с солнечной радиацией, тепловыделений от людей, бытовых теплопоступлений. Эти меры позволили в зимнее время несколько уменьшить температуру приточного воздуха, что привело как к экономии тепловой энергии, так и к уменьшению жалоб на некомфортную температуру.

Часть установок оснащается двухскоростными приводами, часть – инверторным управлением. В данном случае не используются системы с переменным расходом воздуха (VAV – Variable Air Volume), а инверторное управление применяется лишь для того, чтобы обеспечить три различных режима работы установок. Системы, обеспечивающие кондиционирование воздуха в общественных зонах, предусматривают режим, когда инвертор работает на 30 % мощности. В случае использования двухскоростных приточных установок они блокируются с вытяжными установками, с тем чтобы постоянно обеспечивался требуемый баланс расходов воздуха.

Существует график (расписание) полетов, в соответствии с которым определяются моменты большей и меньшей загрузки помещений аэропорта. Так, например, в середине недели пассажиропоток может быть существенно меньше, чем в выходные дни, а в ночное время пассажиропоток меньше, чем днем. Кроме того, общественная часть аэропорта разделена на отдельные зоны, в настоящее время выделено 28 таких зон, однако с учетом ведущегося расширения аэропорта чис-ло зон будет значительно увеличено. Каждая зона обслуживается отдельными системами климатизации. Зоны в каждый момент времени загружены неравномерно. В соответствии с расписанием полетов можно определить загрузку каждой такой зоны и выбрать один из режимов работы системы климатизации зоны. Существует три режима загрузки – зона не занята, зона занята частично, зона загружена максимально. В соответствии с этими режимами выбираются и режимы работы системы климатизации. В случае если зона не занята, часть установок климатизации не работают, но часть все равно обеспечивают некоторый воздухообмен (работают на минимальной мощности), поскольку даже в отсутствие пассажиропотока возможно наличие некоторого количества транзитных пассажиров, пассажиров, ожидающих рейсы, и т. д. Кроме того, когда зона не занята, помимо перехода на низкую скорость занижаются уставки: в летнее время уставка завышается по отношению к комфортной, позволяя снизить нагрузку на холодильные станции, а в зимнее время уставка занижается, позволяя снизить нагрузку по теплу. За некоторое время до первого рейса система климатизации выводится на штатный режим, чтобы к моменту максимального пассажиропотока комфортные параметры микроклимата были обеспечены. Здесь существенно минимизировано влияние человеческого фактора на работу инженерных систем.

В результате обеспечивается экономия электрической энергии за счет минимальной нагрузки на электроприводы инженерных систем и экономия тепловой энергии или холода. Таким образом, оптимизация работы инженерного оборудования средствами систем автоматизации позволяет снизить нагрузку на тепловые сети и на систему электроснабжения.