Мы с удовольствием публикуем работы конкурса «Моя лаборатория», который провели в рамках Олимпиады Программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО и МГУ имени М.В.Ломоносова.
Дорогой читатель! По книгам [1-4] замечательного популяризатора науки Евгения Айсберга тебе наверняка известны такие интересные ребята как Незнайкин и Любознайкин. Незнайкин – юноша, активно изучающий электронику, но имеющий самые поверхностные представления об электроэнергетике, и Любознайкин – молодой ученый и преподаватель, хорошо подкованный в вопросах электричества и всего, что с ним связано. Сегодня они пришли в Амурский государственный университет на энергетический факультет, и после общения с преподавателями и студентами решили посетить недавно построенную лабораторию технологического и автоматизированного управления электроэнергетическими системами. Их встречает профессор Радиоль, дядя Любознайкина, уже успевший поработать здесь приличное время. Своей беседой и впечатлениями Незнайкин и Любознайкин делятся на страницах этой статьи.
Незнайкин. – Здравствуйте, профессор! Как здесь у вас здорово, все новое, все мигает!
Любознайкин. – Здравствуйте, дядюшка!
Профессор. – Здравствуйте, друзья! Рад вас видеть в моей лаборатории, проходите и присаживайтесь поудобнее, а я отлучусь буквально на несколько минут – нужно позвонить по делам рабочим.
Н. – Хорошо, думаю, Любознайкин сможет пролить свет на то, чем вы здесь занимаетесь. Мне уже не терпится узнать, для чего нужно все находящееся тут оборудование. Кстати, неплохо будет сделать пару фотографий на память!
Л. – Отличная идея!
Рис. 1. Сердце лаборатории – шкафы с оборудованием для векторных измерений и средствами проверки этого оборудования. Позиции: 1 – прецизионный мультиметр; 2 – устройства векторных измерений; 3 – реклоузер; 4 – изоляторы; 5 – блок управления реклоузером.
Н. – Готово (см. рис. 1)! Друг мой, что это я сейчас сфотографировал? Для чего нужны эти провода, «гармошки», шкафы с кучей кнопок и мерцающих лампочек? Как мне кажется, даже самая мелкая деталь является неотъемлемой частью лаборатории, и если что-нибудь убрать, то нарушится работа всей системы.
Л. – Ты совершенно прав. Но давай не будем торопиться, а рассмотрим все по порядку. Электроэнергетика любит единство, когда все части одной большой системы работают согласованно на одну общую цель – обеспечить всех потребителей, таких как мы с тобой, бесперебойным электричеством. А чтобы оно было действительно бесперебойным, нужно, чтобы весь процесс его получения контролировался инженерами-энергетиками. И очень важным здесь является определение физических параметров электроэнергии, таких как напряжение, сила тока и мощность. Кстати, Незнайкин, а давай вспомним, что это за величины?
Н. – Ну, напряжение заставляет течь электрический ток, который представляет собой упорядоченное направленное движение заряженных частиц. В металлах такими частицами являются электроны с отрицательным зарядом. А если умножить напряжение на силу тока, то получится мощность, показывающая, насколько быстро электроэнергия проходит по проводам электрических сетей.
Л. – Ты абсолютно прав. А знаешь ли ты, каким образом измеряются перечисленные тобой величины?
Н. – Конечно, знаю, для это существуют специальные приборы. Напряжение измеряет вольтметр, силу тока – амперметр, а мощность – ваттметр. А в этой лаборатории они тоже есть?
Л. – Да, есть. Но называются они немного по-другому и выполняют более сложные функции, нежели чем просто измерения. Открой свою фотографию и обрати внимание на похожий на небольшой ящик предмет, который стоит наверху левого шкафа (позиция 1 рис. 1). Это устройство сочетает в себе вольтметр и амперметр и называется мультиметром.
Н. – А почему он такой большой, в карман явно не поместится?
Л. – Видишь ли, Незнайкин, это не простой мультиметр, а очень точный, инженеры называют такие приборы прецизионными. Он позволяет замерить как самые большие, так и самые незначительные величины напряжения и тока.
Н. – То есть, как я понимаю, нам достаточно расставить нужное количество таких мультиметров в электрической сети, и мы будем знать обо всем, что в ней происходит.
Л. – Логичное решение, но, к сожалению, на практике неосуществимое. Дело в том, что один такой прибор помимо того, что занимает много места, по своей стоимости сравним с новым автомобилем!
Н. – Ого, как дорого! Не знал, что электроэнергетика такая затратная отрасль! Тогда для чего же нужен прецизионный мультиметр, если для измерений в электрической сети его применять невыгодно?
(В это время возвращается профессор Радиоль)
Л. – Данный прибор используется для проверки других, менее точных устройств измерений, которые на твоей фотографии можно увидеть в верхней части правого шкафа (позиция 2 рис. 1). Присмотрись, там еще две синие лампочки светятся. А вот и профессор! Дядюшка, думаю, вам стоит просветить нас о том, как устроена ваша лаборатория!
П. – Что ж, мне будет в радость поделиться с вами своими знаниями! Итак, перед вами лаборатория, в которой изучаются вопросы управления электроэнергетическими системами. Для того, чтобы энергетика нашего государства своевременно справлялась с возложенными на нее обязательствами, ею необходимо эффективно управлять. А грамотно это может сделать только технически подкованный специалист-инженер, а еще лучше, команда инженеров. В то же время, энергетики не одиноки в своей работе – им помогает большое количество разнообразных устройств, отличающихся как по сфере применения, так и по сложности. В этой лаборатории я со своими коллегами активно занимаюсь изучением и конструированием устройств, которые предназначены для выполнения синхронизированных векторных измерений. Это относительно молодое направление в современной энергетике, которое, тем не менее, активно «шагает по планете».
Н. – Ух, звучит захватывающе! А что это за векторные измерения? Я уж не говорю про синхронизированность, там вообще ничего не понятно…
Л. – Не волнуйся, друг мой, сейчас мы все тебе подробно расскажем! Давай начнем с того, что освежим в твоей памяти такое понятие, как вектор. Ну, что скажешь?
Н. – Вектор – это отрезок, который имеет определенное направление, насколько я помню. Векторы изучаются в геометрии, но с их помощью можно описывать не только различные математические, но и физические явления. Вот, например, скорость материальной точки в физике есть не что иное, как вектор, направленный в ту сторону, в которую осуществляется движение.
Л. – Абсолютно верно! В энергетике векторы тоже играют немаловажную роль, потому что напряжение, сила тока и мощность являются величинами векторными, у них также есть направление, а не только абсолютное значение. Например, напряжение в розетке бытовой сети имеет значение 220 вольт и является непостоянным (переменным) в том смысле, что меняет свое направление 50 или даже 60 раз в секунду в одну и в другую сторону. Последний случай характерен, в частности для электрических сетей Соединенных Штатов Америки. То же самое касается величин тока и мощности.
Н. – То есть замеры параметров, меняющихся во времени, и есть те самые векторные измерения?
Л. – Да, все так. Каждое измерение содержит в себе как текущее абсолютное значение замеряемой величины – длину вектора, так и угол между вектором и горизонтальной осью системы координат. Кстати, я покажу тебе, как выглядят измеренные параметры на экране монитора (см. рис. 2).
Рис. 2. Компьютер используется в роли связующего звена между оператором лаборатории (диспетчером виртуальной электроэнергетической системы) и оборудованием, позволяя в режиме реального времени наблюдать за ситуацией в системе.
Н. – Выглядит потрясающе! Продолжу – поскольку угол лежит в пределах от 0 до 360 градусов, я делаю вывод, что любая переменная электрическая величина вращается по некоторой окружности, центр которой совпадает с началом координат, а радиус равен текущему значению.
Л. – Точнее и не скажешь!
Н. – Тогда у меня новый вопрос! А в чем же состоит польза векторных измерений для электроэнергетики?
Л. – Мой друг, думаю, что мой дядя лучше ответит на этот вопрос.
П. – Я уже кратко сказал о большой роли разнообразных устройств, служащих службу всем энергетикам. Энергетикой нужно управлять, а значит, без измерений не обойтись. Иначе нам пришлось бы действовать вслепую, и очень вероятно, что это привело бы нас к плохим результатам. Измерения позволяют находить слабые места в электрических сетях, а это дает возможность строить прогнозы о том, что может случиться в далеком или не очень будущем. Например, используя данные от измерительных приборов, установленных в различных точках сети, возможно найти места аварий, неэффективно работающее оборудование, а также выполнить другие сложные расчеты и предсказания.
Л. – Иными словами, диспетчер энергосистемы принимает необходимые решения по ситуации, а данные от устройств измерений выступают в роли некоего советника.
Н. – Понятно! У меня возникло сразу несколько вопросов, но начну, пожалуй, вот с чего – если измерения не могут существовать отдельно от электрической сети, а такая сеть сама по себе очень большая и занимает много территории, то что измеряется в этой лаборатории?
П. – Ты не совсем прав, Незнайкин. У нас есть самая настоящая электрическая сеть, работающая на напряжении в 380 вольт. Посмотри на большой белый объект, лежащий на столе между двумя шкафами. Этот аппарат называется реклоузером (позиция 3 рис. 1) и служит для включения и отключения участков электрической сети под напряжением.
Н. – Какое необычное название – реклоузер! Я так понимаю, что он работает по схожему принципу, как и выключатель, которым я управляю светом в комнате?
Л. – В некотором смысле да. Но этим его возможности не ограничиваются. Кстати, реклоузер еще иногда называют «умным» выключателем. Это связано с тем, что он может работать вовсе без участия человека, а действовать исключительно по ситуации в электрической сети и действовать очень быстро. «Гармошки», о которых ты упоминал в начале нашей беседы, называются изоляторами (позиция 4 рис. 1), и служат они для недопущения замыкания контактов реклоузера между собой по воздуху из-за очень высокого напряжения тогда, когда это не нужно. Да-да, для высокого напряжения даже воздух не помеха!
Н. – А почему из реклоузера выходит шесть проводов? Он, что, сразу три линии может включать и выключать?
П. – Позволь мне тебя поправить, Незнайкин. Энергетики практически не используют слово «выключать», потому что оно созвучно со словом «включать» и может быть неправильно расслышано, а что может дальше случиться, ты и сам понимаешь. Всегда старайся говорить «отключать», когда имеешь в виду размыкание сети. Что касается твоего вопроса, то в электрических сетях и правда используется много линий. Они называются фазами, и каждая фаза несет в себе часть электроэнергии, которая описывается все теми же знакомыми тебе векторными величинами: током, напряжением, мощностью. И все эти параметры подлежат измерению. Обычно фаз три: A, B и C.
Н. – Надо же, не знал! Спасибо за дельное замечание! Я вспомнил, что хотел уточнить, а как мы можем работать с измерениями, полученными в разных местах электрической сети, если каждое измерительное устройство работает само по себе и ничего не знает о существовании других своих «собратьев»? Получается, что нам нужно заставить работать их в команде. Но как?
Л. – Браво, мой друг! Помнишь, о чем дядя говорил нам чуть ранее? Ты тогда посетовал на то, что тебе ничего не понятно.
Н. – Да, речь шла о какой-то синхронизированности!
Л. – Вот и ответ на твой вопрос! Современное измерительное оборудование называется не просто устройствами векторных измерений, а устройствами синхронизированных векторных измерений. Они работают в едином времени. Можно сказать, они все «носят» одни и те же часы. За рубежом такие устройства уже очень широко распространены и называются кратко PMU (Phasor Measurement Unit) [6].
Н. – Единое время для всех устройств – какое интересное решение, но как этого достичь?
Л. – Все достаточно просто. Точное время можно получать из космоса от спутников навигационных систем GPS (Global Positioning System – Глобальная система местоопределения), и такие часы будут идти во много раз точнее любых часов, которые висят у тебя дома. Обычно точность атомных часов на спутниках составляет одну миллиардную долю секунды или 1 нс в сутки [7]. Домашние часы могут иметь точность в 30 секунд за такое же время! Разница налицо.
Н. – Невероятно! Но каким образом GPS связана со временем, ведь эта система нужна для навигации? По крайней мере, так утверждает навигатор на моем телефоне.
Л. – Да будет тебе известно, дорогой Незнайкин, что в мире насчитывается более миллиарда (!) устройств GPS, и около 90 % из них используется только и только для того, чтобы передавать на Землю точное время [5]!
Н. – Вот это да! Вот уж неожиданный факт! Тогда всё становится на свои места, все измерения выполняются не сами по себе, а строго по сигналам со спутников, и у нас появляется возможность анализировать электрическую сеть в больших масштабах!
Л. – Молодец, Незнайкин! Более того, синхронизация времени и есть тот волшебный инструмент, благодаря которому измерения приобретают особую ценность при решении различного рода задач в электроэнергетике. Предлагаю тебе попытаться нарисовать схему работы устройства синхронизированных векторных измерений с нашей помощью.
Н. – Хорошо, давайте попробуем. В первую очередь, нам понадобится блок приема сигналов точного времени со спутников (см. рис. 3).
Рис. 3. Здесь представлена принципиальная схема работы устройства синхронизированных векторных измерений, нарисованная Незнайкиным. Источник точного времени, пожалуй, самая важная часть схемы, контролирующая весь процесс сбора и обработки информации и придающая устройству особенную ценность.
Л. – Конечно, давай поставим его в центр.
Н. – Понадобится и подсистема, которая будет считывать параметры электроэнергии, что называется, «с проводов». Причем чтение должно происходить только по сигналу точных часов, не так ли?
Л. – Да.
Н. – А что представляет из себя такой блок? Что у него внутри?
Л. – Думаю, мой дядя нам тут поможет.
П. – Такой блок называется аналого-цифровым преобразователем и служит для перевода непрерывно изменяющихся величин тока и напряжения в последовательность нулей и единиц для последующей обработки на компьютере. Тут я тебе уже дал подсказку, что будет идти дальше в схеме.
Н. – Я знаю, что компьютеры работают только с двумя числами – 0 и 1. А зачем вообще здесь компьютер нужен? Неужели нельзя напрямую подать считанные значения на выход?
П. – Дело в том, что измерения токов и напряжений сами по себе не всегда достаточны. Тут я дам тебе еще одну подсказку – в мире существует большое количество производителей устройств синхронизированных векторных измерений, и если бы они конструировали свое оборудования так, как им угодно, то получился бы настоящий хаос с разнородными и несовместимыми друг с другом измерителями. И речи о синхронизации в таком случае быть бы не могло.
Н. – Я понял! Измерения на выходе устройств должны быть стандартными и едиными по формату для всех производителей, а компьютерная обработка как раз позволяет этого достичь. Значит, к нашей схеме я смело дорисовываю еще два блока, а также отмечаю вход и выход.
П. – Помимо прочего, компьютер выполняет еще такую работу, как расчет скорости изменения напряжения и тока во времени, это называется частотой сети. А что еще интереснее, кроме самой частоты рассчитывается и скорость ее собственного изменения!
Н. – Получается рассчитывается скорость изменения скорости изменения тока и напряжения? Уф…
Л. – Да, все верно, хотя и звучит с первого взгляда непонятно.
Н. – И со второго тоже.
Л. – А тот факт, что измерения проводятся с большой скоростью, определяет некоторые требования к компьютеру – он должен обладать достаточной вычислительной мощью, чтобы успевать работать в темпе процесса.
Н. – Так и подпишем, что компьютер должен быть быстрым. Кажется, моя схема завершена, правда?
Л. – Поздравляю тебя, мой друг! Твоя схема действительно завершена! Теперь ты знаешь, как спутники помогают энергетикам управлять такой большой и сложной отраслью. А все начинается с таких лабораторий!
Н. – Спасибо тебе, Любознайкин! Спасибо и вам, профессор! Я с нетерпением хочу продолжить свое погружение в тему векторных измерений. А сейчас мне потребуется время, чтобы понять всю информацию, что я сегодня получил.
П. – Рад был помочь, ребята, приходите ко мне в лабораторию в свободное время, и мы продолжим изучать эту тему.
Л. – Спасибо, дядя. Мне тоже есть, чему поучиться. Ну что, Незнайкин, пойдем домой?
Н. – Пойдем! Чувствую, в моей голове теперь крутится свой спутник. Кажется, я забыл спросить о кое-чем еще…
Л. – Не волнуйся, мы еще вернемся сюда.
Библиографический список
1. Е. Айсберг. Транзистор?.. Это очень просто! Перевод с французского Ю. Л. Смирнова. М. : Энергия, 1972 (МРБ, выпуск 809).
2. Е. Айсберг. Радио?.. Это очень просто Перевод с французского М. В. Комаровой и Ю. Л. Смирнова. М. : Энергия, 1974 (МРБ, выпуск 801).
3. Е. Айсберг. Телевидение?.. Это очень просто! Издание третье, дополненное. Перевод с французского К. Н. Гусниной и Ю. С. Гуснина. М. : Энергия, 1974 (МРБ, выпуск 845).
4. Е. Айсберг. Радио и телевидение?.. Это очень просто! Перевод с французского Ю. Л. Смирнова. М. : Энергия, 1979 (МРБ, выпуск 975).
5. Сервер очень точного времени stratum 1 на Garmin GPS [Электронный ресурс] // URL: http://habrahabr.ru/post/118266/ (дата обращения: 01.02.2015).
6. Phasor Advanced FAQ. CERTS. URL: http://www.phasor-rtdms.com/phaserconcepts/phasor_adv_faq.html (дата обращения: 01.02.2015).
7. T. Van Flandern. What the Global Positioning System Tells Us about Relativity. URL: http://www.metaresearch.org/cosmology/gps-relativity.asp (дата обращения: 01.02.2015).
Об авторе
 |
Вячеслав Рябинин - Ассистент кафедры энергетики энергетического факультета ФГБОУ ВПО «Амурский государственный университет». |
.
