Электроэнергетическая система — это сеть электрических компонентов, развернутых для поставки, передачи и использования электроэнергии. Примером энергосистемы является электрическая сеть , которая обеспечивает электроэнергией дома и промышленные предприятия в пределах обширной области. Электросеть можно в целом разделить на генераторы , которые поставляют электроэнергию, систему передачи , которая переносит электроэнергию от центров генерации к центрам нагрузки , и распределительную систему , которая подает электроэнергию в близлежащие дома и промышленные предприятия.
Меньшие энергосистемы также встречаются в промышленности, больницах, коммерческих зданиях и домах. Однолинейная схема помогает представить всю эту систему. Большинство этих систем используют трехфазный переменный ток — стандарт для крупномасштабной передачи и распределения электроэнергии в современном мире. Специализированные энергосистемы, которые не всегда используют трехфазный переменный ток, встречаются в самолетах, электрических железнодорожных системах, океанских лайнерах, подводных лодках и автомобилях.
В 1881 году два электрика построили первую в мире систему электроснабжения в Годалминге в Англии. Она работала от двух водяных колес и вырабатывала переменный ток, который в свою очередь снабжал семь дуговых ламп Siemens на 250 вольт и 34 лампы накаливания на 40 вольт. [1] Однако подача электроэнергии на лампы была прерывистой, и в 1882 году Томас Эдисон и его компания Edison Electric Light Company разработали первую паровую электростанцию на Перл-стрит в Нью-Йорке. Первоначально станция на Перл-стрит питала около 3000 ламп для 59 клиентов. [2] [3] Электростанция вырабатывала постоянный ток и работала на одном напряжении. Постоянный ток нельзя было легко или эффективно преобразовать в более высокие напряжения, необходимые для минимизации потерь электроэнергии при передаче на большие расстояния, поэтому максимальное экономичное расстояние между генераторами и нагрузкой было ограничено примерно полумилей (800 м). [4]
В том же году в Лондоне Люсьен Голард и Джон Диксон Гиббс продемонстрировали «вторичный генератор» — первый трансформатор, пригодный для использования в реальной энергосистеме. [5] Практическая ценность трансформатора Голарда и Гиббса была продемонстрирована в 1884 году в Турине , где трансформатор использовался для освещения 40 километров (25 миль) железной дороги от одного генератора переменного тока . [6] Несмотря на успех системы, пара допустила несколько фундаментальных ошибок. Возможно, самой серьезной было последовательное соединение первичных обмоток трансформаторов, так что активные лампы влияли на яркость других ламп далее по линии.
В 1885 году Отто Титуш Блати, работая с Кароем Циперновским и Микшей Дери, усовершенствовал вторичный генератор Голара и Гиббса, снабдив его закрытым железным сердечником и дав ему нынешнее название: « трансформатор ». [7] Три инженера представили на Национальной генеральной выставке в Будапеште систему электропитания, которая реализовала параллельную систему распределения переменного тока, предложенную британским ученым [a] , в которой первичные обмотки нескольких силовых трансформаторов питались параллельно от высоковольтной распределительной линии. Система зажгла более 1000 ламп накаливания и успешно проработала с мая по ноябрь того года. [8]
Также в 1885 году Джордж Вестингауз , американский предприниматель, получил патентные права на трансформатор Голарда-Гиббса и импортировал несколько из них вместе с генератором Сименса , и поручил своим инженерам экспериментировать с ними в надежде улучшить их для использования в коммерческой энергосистеме. В 1886 году один из инженеров Вестингауза, Уильям Стэнли , независимо осознал проблему с последовательным соединением трансформаторов, а не параллельным , и также понял, что создание железного сердечника трансформатора в виде полностью закрытого контура улучшит регулирование напряжения вторичной обмотки. [9] Используя эти знания, он построил многовольтную трансформаторную систему переменного тока, обслуживающую несколько домов и предприятий в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс, в 1886 году . [10] Однако система была ненадежной и недолговечной, в первую очередь из-за проблем с генерацией. [11] Однако, основываясь на этой системе, Вестингауз начал устанавливать системы трансформаторов переменного тока, конкурируя с компанией Эдисона, позже в том же году. В 1888 году Westinghouse лицензировала патенты Николы Теслы на конструкцию многофазного асинхронного двигателя переменного тока и трансформатора. Тесла в течение года консультировал Westinghouse Electric & Manufacturing Company , но инженерам Westinghouse потребовалось еще четыре года, чтобы разработать работоспособный многофазный двигатель и систему трансмиссии. [12] [13]
К 1889 году электроэнергетическая промышленность процветала, и энергетические компании построили тысячи энергосистем (как постоянного, так и переменного тока) в Соединенных Штатах и Европе. Эти сети были фактически предназначены для обеспечения электрического освещения. В это время соперничество между компаниями Томаса Эдисона и Джорджа Вестингауза переросло в пропагандистскую кампанию по поводу того, какая форма передачи (постоянный или переменный ток) является превосходящей, серию событий, известных как « война токов ». [14] В 1891 году Вестингауз установил первую крупную энергосистему, которая была разработана для приведения в действие синхронного электродвигателя мощностью 100 лошадиных сил (75 кВт), а также для обеспечения электрического освещения, в Теллуриде, штат Колорадо . [15] По другую сторону Атлантики Михаил Доливо-Добровольский и Чарльз Юджин Ланселот Браун построили первую дальнюю (175 километров (109 миль)) высоковольтную (15 кВ, тогда рекордную) трехфазную линию электропередачи от Лауффена-на-Неккаре до Франкфурта-на-Майне для Электротехнической выставки во Франкфурте, где электроэнергия использовалась для освещения ламп и работы водяного насоса. [16] [9] В Соединенных Штатах конкуренция переменного и постоянного тока подошла к концу, когда Edison General Electric была поглощена их главным конкурентом в области переменного тока, Thomson-Houston Electric Company , образовав General Electric . В 1895 году, после длительного процесса принятия решений, переменный ток был выбран в качестве стандарта передачи, и Westinghouse построила электростанцию Adams No. 1 на Ниагарском водопаде , а General Electric построила трехфазную систему переменного тока для питания Буффало на 11 кВ. [9]
Развитие энергосистем продолжалось и после девятнадцатого века. В 1936 году между Скенектади и Механиквиллем, штат Нью-Йорк , была построена первая экспериментальная линия постоянного тока высокого напряжения (HVDC) с использованием ртутных дуговых вентилей . [17] Ранее HVDC достигался с помощью последовательно соединенных генераторов постоянного тока и двигателей ( система Тури ), хотя это страдало от серьезных проблем с надежностью. [18] [17] Первый твердотельный металлический диод, пригодный для общего использования в электроэнергетике, был разработан Эрнстом Прессером в TeKaDe в 1928 году. Он состоял из слоя селена, нанесенного на алюминиевую пластину. [19] В 1957 году исследовательская группа General Electric разработала первый тиристор, пригодный для использования в электроэнергетике, положив начало революции в силовой электронике. В том же году Siemens продемонстрировала твердотельный выпрямитель , но только в начале 1970-х годов твердотельные устройства стали стандартом в HVDC, когда GE стала одним из ведущих поставщиков HVDC на основе тиристоров. [20] В 1979 году европейский консорциум, включающий Siemens, Brown Boveri & Cie и AEG, реализовал рекордную линию HVDC от Кабора-Басса до Йоханнесбурга протяженностью более 1420 километров (880 миль), которая передавала 1,9 ГВт при 533 кВ. [17]
В последнее время многие важные разработки были получены в результате распространения инноваций в области информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) на сферу энергетики. Например, развитие компьютеров означало, что исследования потоков нагрузки могут проводиться более эффективно, что позволяет лучше планировать энергосистемы. Достижения в области информационных технологий и телекоммуникаций также позволили эффективно управлять распределительными устройствами и генераторами энергосистемы.
Электрическая мощность является произведением двух величин: тока и напряжения . Эти две величины могут изменяться во времени ( мощность переменного тока ) или могут поддерживаться на постоянном уровне ( мощность постоянного тока ).
Большинство холодильников, кондиционеров, насосов и промышленного оборудования используют переменный ток, тогда как большинство компьютеров и цифрового оборудования используют постоянный ток (цифровые устройства, подключенные к сети, обычно имеют внутренний или внешний адаптер питания для преобразования переменного тока в постоянный ток). Преимущество переменного тока в том, что его легко преобразовывать между напряжениями, и его можно генерировать и использовать с помощью бесщеточного оборудования. Постоянный ток остается единственным практичным выбором в цифровых системах и может быть более экономичным для передачи на большие расстояния при очень высоких напряжениях (см. HVDC ). [21] [22]
Возможность легкого преобразования напряжения переменного тока важна по двум причинам: во-первых, мощность может передаваться на большие расстояния с меньшими потерями при более высоком напряжении. Поэтому в энергосистемах, где генерация находится далеко от нагрузки, желательно повышать (увеличивать) напряжение мощности в точке генерации, а затем понижать (уменьшать) напряжение вблизи нагрузки. Во-вторых, часто бывает более экономично устанавливать турбины , которые производят более высокие напряжения, чем те, которые используются большинством приборов, поэтому возможность легкого преобразования напряжений означает, что это несоответствие между напряжениями можно легко контролировать. [21]
Твердотельные устройства , являющиеся продуктами полупроводниковой революции, позволяют преобразовывать постоянный ток в различные напряжения , строить бесщеточные машины постоянного тока и преобразовывать переменный ток в постоянный . Тем не менее, устройства, использующие твердотельную технологию, часто дороже своих традиционных аналогов, поэтому переменный ток по-прежнему широко используется. [23]
Все энергосистемы имеют один или несколько источников энергии. Для некоторых энергосистем источник энергии является внешним по отношению к системе, но для других он является частью самой системы — именно эти внутренние источники энергии обсуждаются в оставшейся части этого раздела. Постоянный ток может подаваться батареями , топливными элементами или фотоэлектрическими элементами . Переменный ток обычно подается ротором, который вращается в магнитном поле в устройстве, известном как турбогенератор . Для вращения ротора турбины использовался широкий спектр методов, от пара, нагреваемого с использованием ископаемого топлива (включая уголь, газ и нефть) или ядерной энергии , до падающей воды ( гидроэлектроэнергия ) и ветра ( ветровая энергия ).
Скорость вращения ротора в сочетании с числом полюсов генератора определяет частоту переменного тока, вырабатываемого генератором. Все генераторы в одной синхронной системе, например, национальной энергосистеме , вращаются с кратными одной и той же скорости и, таким образом, генерируют электрический ток с одной и той же частотой. Если нагрузка на систему увеличивается, генераторам потребуется больший крутящий момент для вращения с этой скоростью, и на паровой электростанции на турбины, приводящие их в движение, должно подаваться больше пара. Таким образом, используемый пар и расходуемое топливо напрямую связаны с количеством поставляемой электроэнергии. Исключение существует для генераторов, включающих силовую электронику, такую как безредукторные ветровые турбины или подключенных к сети через асинхронную связь, такую как линия HVDC — они могут работать на частотах, независимых от частоты энергосистемы.
В зависимости от того, как питаются полюса, генераторы переменного тока могут производить переменное количество фаз мощности. Большее количество фаз приводит к более эффективной работе энергосистемы, но также увеличивает требования к инфраструктуре системы. [24] Системы электросетей соединяют несколько генераторов, работающих на одной частоте: наиболее распространенными являются трехфазные на 50 или 60 Гц.
Существует ряд конструктивных соображений для источников питания. Они варьируются от очевидных: Какую мощность должен выдавать генератор? Какова приемлемая продолжительность времени для запуска генератора (некоторые генераторы могут запускаться часами)? Приемлема ли доступность источника питания (некоторые возобновляемые источники энергии доступны только тогда, когда светит солнце или дует ветер)? До более технических: Как должен запускаться генератор (некоторые турбины действуют как двигатель, чтобы разогнаться, в этом случае им нужна соответствующая пусковая схема)? Какова механическая скорость работы турбины и, следовательно, какое количество полюсов требуется? Какой тип генератора подходит ( синхронный или асинхронный ) и какой тип ротора (беличья клетка, фазный ротор, ротор с явно выраженными полюсами или цилиндрический ротор)? [25]
Системы электропитания подают энергию на нагрузки, которые выполняют функцию. Эти нагрузки варьируются от бытовых приборов до промышленного оборудования. Большинство нагрузок ожидают определенного напряжения, а для устройств переменного тока — определенной частоты и количества фаз. Например, приборы, используемые в жилых помещениях, обычно будут однофазными, работающими на частоте 50 или 60 Гц с напряжением от 110 до 260 вольт (в зависимости от национальных стандартов). Исключение существует для более крупных централизованных систем кондиционирования воздуха, поскольку они теперь часто трехфазные, поскольку это позволяет им работать более эффективно. Все электроприборы также имеют номинальную мощность, которая определяет количество энергии, потребляемой устройством. В любой момент времени чистое количество энергии, потребляемой нагрузками в системе электропитания, должно равняться чистому количеству энергии, вырабатываемой источниками, за вычетом мощности, потерянной при передаче. [26] [27]
Обеспечение того, чтобы напряжение, частота и количество мощности, подаваемой на нагрузку, соответствовали ожиданиям, является одной из самых сложных задач в проектировании энергосистем. Однако это не единственная задача: в дополнение к мощности, используемой нагрузкой для выполнения полезной работы (называемой активной мощностью ), многие устройства переменного тока также используют дополнительное количество мощности, поскольку они вызывают небольшую рассинхронизацию переменного напряжения и переменного тока (называемой реактивной мощностью ). Реактивная мощность, как и активная мощность, должна быть сбалансирована (то есть реактивная мощность, вырабатываемая в системе, должна равняться потребляемой реактивной мощности) и может подаваться от генераторов, однако часто бывает более экономично подавать такую мощность от конденсаторов (см. «Конденсаторы и реакторы» ниже для получения более подробной информации). [28]
Последнее соображение относительно нагрузок касается качества электроэнергии. Помимо постоянных повышений и понижений напряжения (проблемы регулирования напряжения), а также постоянных отклонений от частоты системы (проблемы регулирования частоты), на нагрузки энергосистемы может негативно влиять ряд временных проблем. К ним относятся провалы, провалы и скачки напряжения, переходные перенапряжения, мерцание, высокочастотный шум, фазовый дисбаланс и низкий коэффициент мощности. [29] Проблемы с качеством электроэнергии возникают, когда подача электроэнергии на нагрузку отклоняется от идеала. Проблемы с качеством электроэнергии могут быть особенно важными, когда речь идет о специализированном промышленном оборудовании или больничном оборудовании.
Проводники переносят мощность от генераторов к нагрузке. В сети проводники могут быть классифицированы как принадлежащие к системе передачи , которая переносит большие объемы мощности при высоких напряжениях (обычно более 69 кВ) от центров генерации к центрам нагрузки, или к системе распределения , которая подает меньшие объемы мощности при более низких напряжениях (обычно менее 69 кВ) от центров нагрузки к близлежащим домам и промышленным предприятиям. [30]
Выбор проводников основан на таких соображениях, как стоимость, потери при передаче и другие желаемые характеристики металла, такие как прочность на разрыв. Медь , с более низким удельным сопротивлением, чем алюминий , когда-то была предпочтительным проводником для большинства энергосистем. Однако алюминий имеет более низкую стоимость при той же пропускной способности тока и теперь часто является предпочтительным проводником. Проводники воздушных линий могут быть армированы сталью или алюминиевыми сплавами. [31]
Проводники в наружных энергосистемах могут быть размещены над землей или под землей. Воздушные проводники обычно имеют воздушную изоляцию и поддерживаются фарфоровыми, стеклянными или полимерными изоляторами. Кабели, используемые для подземной передачи или электропроводки зданий, изолируются сшитым полиэтиленом или другой гибкой изоляцией. Проводники часто скручиваются, чтобы сделать их более гибкими и, следовательно, более простыми в установке. [32]
Проводники обычно оцениваются по максимальному току, который они могут проводить при заданном повышении температуры по сравнению с условиями окружающей среды. По мере увеличения тока через проводник он нагревается. Для изолированных проводников рейтинг определяется изоляцией. [33] Для неизолированных проводников рейтинг определяется точкой, в которой провисание проводников станет неприемлемым. [34]
Большая часть нагрузки в типичной системе питания переменного тока является индуктивной; ток отстает от напряжения. Поскольку напряжение и ток не совпадают по фазе, это приводит к появлению «мнимой» формы мощности, известной как реактивная мощность . Реактивная мощность не выполняет измеримой работы, а передается туда и обратно между источником реактивной мощности и нагрузкой каждый цикл. Эта реактивная мощность может быть предоставлена самими генераторами, но часто дешевле предоставить ее через конденсаторы, поэтому конденсаторы часто размещают вблизи индуктивных нагрузок (т. е. если они не находятся на месте на ближайшей подстанции), чтобы снизить текущую потребность в энергосистеме (т. е. увеличить коэффициент мощности ) .
Реакторы потребляют реактивную мощность и используются для регулирования напряжения на длинных линиях электропередачи. В условиях малой нагрузки, когда нагрузка на линии электропередачи значительно ниже нагрузки волнового сопротивления , эффективность энергосистемы может быть фактически улучшена путем переключения реакторов. Реакторы, установленные последовательно в энергосистеме, также ограничивают броски тока, поэтому небольшие реакторы почти всегда устанавливаются последовательно с конденсаторами, чтобы ограничить броски тока, связанные с переключением конденсатора. Последовательные реакторы также могут использоваться для ограничения токов короткого замыкания.
Конденсаторы и реакторы переключаются автоматическими выключателями, что приводит к значительным ступенчатым изменениям реактивной мощности. Решение этой проблемы заключается в синхронных конденсаторах , статических компенсаторах реактивной мощности и статических синхронных компенсаторах . Вкратце, синхронные конденсаторы — это синхронные двигатели, которые свободно вращаются для генерации или поглощения реактивной мощности. [35] Статические компенсаторы реактивной мощности работают путем переключения конденсаторов с помощью тиристоров, в отличие от автоматических выключателей, позволяющих включать и выключать конденсаторы в течение одного цикла. Это обеспечивает гораздо более совершенную реакцию, чем конденсаторы, переключаемые автоматическим выключателем. Статические синхронные компенсаторы делают еще один шаг вперед, достигая регулировки реактивной мощности с использованием только силовой электроники .
Силовая электроника — это полупроводниковые устройства, способные переключать мощности от нескольких сотен ватт до нескольких сотен мегаватт. Несмотря на их относительно простую функцию, их скорость работы (обычно порядка наносекунд [36] ) означает, что они способны выполнять широкий спектр задач, которые были бы трудны или невозможны при использовании обычных технологий. Классическая функция силовой электроники — выпрямление или преобразование переменного тока в постоянный, поэтому силовая электроника встречается почти в каждом цифровом устройстве, которое питается от источника переменного тока, либо в виде адаптера, который подключается к стене (см. фото), либо в качестве внутреннего компонента устройства. Высокомощная силовая электроника также может использоваться для преобразования переменного тока в постоянный для передачи на большие расстояния в системе, известной как HVDC . HVDC используется, поскольку он оказывается более экономичным, чем аналогичные высоковольтные системы переменного тока для очень больших расстояний (сотни-тысячи километров). HVDC также желателен для межсоединений, поскольку он обеспечивает независимость от частоты, тем самым улучшая стабильность системы. Силовая электроника также необходима для любого источника питания, который должен производить переменный ток, но который по своей природе производит постоянный ток. Поэтому они используются в фотоэлектрических установках.
Силовая электроника также представлена в широком спектре более экзотических применений. Она находится в основе всех современных электрических и гибридных транспортных средств, где она используется как для управления двигателем, так и как часть бесщеточного двигателя постоянного тока . Силовая электроника также встречается практически во всех современных транспортных средствах с бензиновым двигателем, это связано с тем, что мощности, обеспечиваемой только аккумуляторами автомобиля, недостаточно для обеспечения зажигания, кондиционирования воздуха, внутреннего освещения, радио и дисплеев на приборной панели в течение всего срока службы автомобиля. Поэтому аккумуляторы должны подзаряжаться во время вождения — подвиг, который обычно выполняется с помощью силовой электроники. [37]
Некоторые электрические железнодорожные системы также используют постоянный ток и, таким образом, используют силовую электронику для подачи сетевого питания на локомотивы и часто для управления скоростью двигателя локомотива. В середине двадцатого века были популярны выпрямительные локомотивы , они использовали силовую электронику для преобразования переменного тока из железнодорожной сети для использования двигателем постоянного тока. [38] Сегодня большинство электровозов питаются от переменного тока и работают с использованием двигателей переменного тока, но по-прежнему используют силовую электронику для обеспечения надлежащего управления двигателем. Использование силовой электроники для помощи в управлении двигателем и со схемой стартера, в дополнение к выпрямлению, отвечает за появление силовой электроники в широком спектре промышленного оборудования. Силовая электроника появляется даже в современных бытовых кондиционерах, позволяя им находиться в основе ветряной турбины с переменной скоростью .
Системы электропитания содержат защитные устройства для предотвращения травм или повреждений во время сбоев. Квинтэссенцией защитного устройства является предохранитель. Когда ток через предохранитель превышает определенный порог, элемент предохранителя плавится, создавая дугу в образовавшемся зазоре, которая затем гаснет, прерывая цепь. Учитывая, что предохранители могут быть построены как слабое место системы, предохранители идеально подходят для защиты схем от повреждений. Однако предохранители имеют две проблемы: во-первых, после того, как они сработали, предохранители необходимо заменить, поскольку их нельзя сбросить. Это может оказаться неудобным, если предохранитель находится на удаленном объекте или запасного предохранителя нет под рукой. И, во-вторых, предохранители, как правило, неадекватны в качестве единственного устройства безопасности в большинстве систем электропитания, поскольку они допускают протекание тока, значительно превышающего тот, который может оказаться смертельным для человека или животного.
Первая проблема решается с помощью автоматических выключателей — устройств, которые можно сбросить после того, как они прервали ток. В современных системах, которые потребляют менее 10 кВт, обычно используются миниатюрные автоматические выключатели. Эти устройства объединяют механизм, который инициирует отключение (определяя избыточный ток), а также механизм, который прерывает ток в одном блоке. Некоторые миниатюрные автоматические выключатели работают исключительно на основе электромагнетизма. В этих миниатюрных автоматических выключателях ток проходит через соленоид, и в случае избыточного тока магнитное притяжение соленоида достаточно, чтобы принудительно разомкнуть контакты автоматического выключателя (часто косвенно через механизм отключения).
В более мощных приложениях защитные реле , которые обнаруживают неисправность и инициируют отключение, отделены от автоматического выключателя. Ранние реле работали на основе электромагнитных принципов, аналогичных упомянутым в предыдущем абзаце, современные реле — это специализированные компьютеры, которые определяют, следует ли отключаться, на основе показаний энергосистемы. Различные реле будут инициировать отключения в зависимости от различных схем защиты . Например, реле максимального тока может инициировать отключение, если ток на любой фазе превышает определенный порог, тогда как набор дифференциальных реле может инициировать отключение, если сумма токов между ними указывает на возможную утечку тока на землю. Автоматические выключатели в более мощных приложениях также отличаются. Воздуха обычно уже недостаточно для гашения дуги, которая образуется при принудительном размыкании контактов, поэтому используются различные методы. Один из самых популярных методов — поддерживать камеру, охватывающую контакты, заполненной гексафторидом серы (SF6 ) — нетоксичным газом со свойствами надежного гашения дуги. Другие методы обсуждаются в ссылке. [39]
Вторая проблема, неадекватность предохранителей в качестве единственного устройства безопасности в большинстве энергосистем, вероятно, лучше всего решается с помощью устройств защитного отключения (УЗО). В любом правильно работающем электроприборе ток, текущий в прибор на активной линии, должен быть равен току, текущему из прибора на нейтральной линии. Устройство защитного отключения работает, контролируя активную и нейтральную линии и отключая активную линию, если оно замечает разницу. [40] Устройства защитного отключения требуют отдельной нейтральной линии для каждой фазы и могут сработать в течение определенного периода времени до того, как произойдет повреждение. Обычно это не проблема в большинстве жилых помещений, где стандартная проводка обеспечивает активную и нейтральную линии для каждого прибора (именно поэтому ваши вилки питания всегда имеют как минимум два щипца), а напряжение относительно низкое, однако эти проблемы ограничивают эффективность УЗО в других областях, таких как промышленность. Даже при установке УЗО воздействие электричества все равно может оказаться смертельным.
В крупных электроэнергетических системах диспетчерское управление и сбор данных (SCADA) используется для таких задач, как включение генераторов, управление выходом генератора и включение или выключение элементов системы для обслуживания. Первые внедренные системы диспетчерского управления состояли из панели ламп и переключателей на центральной консоли около контролируемой установки. Лампы обеспечивали обратную связь о состоянии установки (функция сбора данных), а переключатели позволяли вносить коррективы в установку (функция диспетчерского управления). Сегодня системы SCADA стали намного более сложными, и благодаря достижениям в области систем связи консоли, управляющие установкой, больше не должны находиться рядом с самой установкой. Вместо этого теперь обычно для установок управляют с помощью оборудования, похожего (если не идентичного) на настольный компьютер. Возможность управлять такими установками через компьютеры увеличила потребность в безопасности — уже были сообщения о кибератаках на такие системы, вызывающих значительные сбои в работе энергосистем. [41]
Несмотря на общие компоненты, энергосистемы сильно различаются как по конструкции, так и по принципу работы. В этом разделе представлены некоторые общие типы энергосистем и кратко объясняется их работа.
Жилые дома почти всегда получают электропитание от низковольтных распределительных линий или кабелей, которые проходят мимо дома. Они работают при напряжении от 110 до 260 вольт (фаза-земля) в зависимости от национальных стандартов. Несколько десятилетий назад небольшие дома питались одной фазой с помощью выделенного двухжильного кабеля обслуживания (одна жила для активной фазы и одна жила для нейтрального возврата). Затем активная линия проходила через главный изолирующий выключатель в коробке предохранителей , а затем разделялась на одну или несколько цепей для питания освещения и приборов внутри дома. По соглашению цепи освещения и приборов разделены, поэтому отказ прибора не оставит жильцов дома в темноте. Все цепи будут защищены соответствующим предохранителем в зависимости от размера провода, используемого для этой цепи. Цепи будут иметь как активный, так и нейтральный провод, при этом и освещение, и розетки питания будут соединены параллельно. Розетки также будут снабжены защитным заземлением. Это будет сделано для того, чтобы приборы могли подключаться к любому металлическому корпусу. Если бы этот корпус оказался под напряжением, теоретически соединение с землей вызвало бы срабатывание УЗО или предохранителя, тем самым предотвращая поражение электрическим током человека, который будет обращаться с прибором. Системы заземления различаются в зависимости от региона, но в таких странах, как Великобритания и Австралия, как защитное заземление, так и нейтральная линия будут заземлены вместе около коробки предохранителей перед главным изолирующим выключателем, а нейтраль будет заземлена еще раз на распределительном трансформаторе. [42]
За эти годы в практике бытового электроснабжения произошло несколько незначительных изменений. Некоторые из наиболее существенных отличий современных бытовых систем электроснабжения в развитых странах от старых включают:
Коммерческие энергосистемы, такие как торговые центры или высотные здания, по масштабу больше, чем жилые системы. Электрические конструкции для крупных коммерческих систем обычно изучаются с точки зрения потока нагрузки, уровней короткого замыкания и падения напряжения. Цели исследований — обеспечить надлежащее оборудование и размеры проводников, а также координировать защитные устройства таким образом, чтобы при устранении неисправности возникало минимальное нарушение. Крупные коммерческие установки будут иметь упорядоченную систему подпанелей, отделенных от главного распределительного щита, чтобы обеспечить лучшую защиту системы и более эффективную электрическую установку.
Обычно одним из самых больших приборов, подключенных к коммерческой системе электроснабжения в жарком климате, является блок HVAC, и обеспечение адекватного питания этого блока является важным фактором в коммерческих системах электроснабжения. Правила для коммерческих учреждений предъявляют другие требования к коммерческим системам, которые не предъявляются к жилым системам. Например, в Австралии коммерческие системы должны соответствовать AS 2293, стандарту аварийного освещения, который требует, чтобы аварийное освещение поддерживалось в течение не менее 90 минут в случае потери основного питания. [43] В Соединенных Штатах Национальный электротехнический кодекс требует, чтобы коммерческие системы были построены как минимум с одной розеткой на 20 А для освещения наружных вывесок. [44] Строительные нормы могут предъявлять особые требования к электрической системе для аварийного освещения, эвакуации, аварийного питания, контроля дыма и противопожарной защиты.
Управление энергосистемой различается в зависимости от энергосистемы. Жилые энергосистемы и даже автомобильные электрические системы часто работают до отказа. В авиации энергосистема использует избыточность для обеспечения доступности. На Boeing 747-400 любой из четырех двигателей может обеспечивать питание, а автоматические выключатели проверяются как часть включения питания (сработавший автоматический выключатель указывает на неисправность). [45] Более крупные энергосистемы требуют активного управления. На промышленных предприятиях или горнодобывающих участках одна команда может отвечать за управление неисправностями, их усиление и техническое обслуживание. В то время как в электросети управление разделено между несколькими специализированными командами.
Управление неисправностями включает в себя мониторинг поведения энергосистемы с целью выявления и устранения проблем, влияющих на надежность системы. [46] Управление неисправностями может быть конкретным и реактивным: например, отправка команды для восстановления проводника, который был поврежден во время шторма. Или, в качестве альтернативы, может быть сосредоточено на системных улучшениях: например, установка реклоузеров на участках системы, которые подвержены частым временным сбоям (которые могут быть вызваны растительностью, молнией или дикими животными). [47]
Помимо управления неисправностями, энергосистемы могут потребовать обслуживания или расширения. Поскольку часто бывает неэкономично и непрактично, чтобы большие части системы были отключены во время этой работы, энергосистемы строятся со множеством переключателей. Эти переключатели позволяют изолировать часть системы, над которой ведется работа, в то время как остальная часть системы остается под напряжением. При высоких напряжениях следует отметить два переключателя: изоляторы и автоматические выключатели . Автоматические выключатели являются выключателями нагрузки, тогда как работа изоляторов под нагрузкой приведет к неприемлемому и опасному искрению . При типичном запланированном отключении срабатывают несколько автоматических выключателей, чтобы позволить переключить изоляторы, прежде чем автоматические выключатели снова будут замкнуты для перенаправления питания вокруг изолированной области. Это позволяет завершить работу на изолированной области. [48]
Помимо управления неисправностями и обслуживания, одной из главных трудностей в энергосистемах является то, что потребляемая активная мощность плюс потери должны быть равны произведенной активной мощности. Если нагрузка уменьшается, а входы генерации остаются постоянными, синхронные генераторы будут вращаться быстрее, и частота системы будет расти. Обратное происходит, если нагрузка увеличивается. Таким образом, частота системы должна активно управляться, в первую очередь, путем включения и выключения диспетчерских нагрузок и генерации . Обеспечение постоянной частоты обычно является задачей системного оператора . [49] Даже при поддержании частоты системный оператор может быть занят, обеспечивая:
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )