Преимущества и недостатки цифровых подстанций

В современном мире цифровые технологии все активнее проникают в различные сферы, обеспечивая дистанционное управление и обмен данными. Ярким примером является система "умный дом", о которой мы не раз рассказывали в нашем блоге.

Однако, внедрение цифровых решений на критически важных объектах, таких как подстанции, открывает как широкие возможности, так и новые риски. Это направление находится на передовой технического прогресса и требует глубоких знаний от специалистов.

Давайте вместе разберемся в этой сложной и перспективной области. Будем рады вашим комментариям и дополнениям!

Особенности устройства подстанции

Прежде чем погрузиться в тему цифровых подстанций (ЦПС), стоит вспомнить основы устройства обычной трансформаторной подстанции переменного тока. Это позволит лучше понять суть изменений. Отмечу, что расскажу об этом в общих чертах, учитывая объемность темы.

Некоторые считают, что подстанция -- это прежде всего трансформатор, а цифровая подстанция появится только вместе с цифровым трансформатором. Пока же, по их мнению, это лишь модное словосочетание.

Ключевым элементом подстанции является силовой трансформатор, который преобразует напряжение. Подстанции бывают понижающими и повышающими.

Для работы трансформатора необходима электроэнергия, которая подается через распределительное устройство (РУ). РУ отвечает за прием и распределение энергии и включает в себя коммутационные аппараты, шины, измерительные трансформаторы, системы защиты, учета, регулирования и вспомогательные системы. Также, через РУ, преобразованное напряжение подается на отходящие линии. РУ бывают открытыми (ОРУ) и закрытыми (ЗРУ), отличаясь местоположением оборудования (на открытом воздухе или в здании).

Работа релейной защиты

Для быстрого выявления и отключения повреждений в электроустановках используется релейная защита и автоматика (РЗА). Работает это так: РЗА непрерывно контролирует участок сети, получая сигналы от трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН), которые преобразуют высокие значения в измеримые. Если контролируемый параметр выходит за установленные границы (уставка), срабатывает реле. Оно запускает алгоритм, который даёт команду коммутационному аппарату на отключение поврежденного участка, предотвращая развитие аварии. Индикация срабатывания защиты обеспечивается указательным реле и сигнализацией. Главное отличие цифровой подстанции от обычной - цифровая связь и отсутствие персонала. Рассмотрим пример работы максимальной токовой защиты (МТЗ) в сети с изолированной нейтралью.

При коротком замыкании (К1) ток в линии резко возрастает, достигая уставки реле на подстанциях 1 и 2 (П/ст.1 и П/ст.2). Запускается алгоритм защиты на обеих подстанциях, но из-за меньшей выдержки времени (t1 < t2) на П/ст.1, защита сработает первой, отключая поврежденный участок. Это обеспечивает селективность защиты по времени. Если же П/ст.1 не отключится, сработает резервная защита на П/ст.2.

Защита на контроллерах

Современные системы защиты, реализованные на микроконтроллерах, представляют собой эволюционный этап в развитии РЗА, объединяя функциональность нескольких релейных панелей в одном устройстве. Они способны выполнять различные функции, такие как дифференциальная и максимальная токовая защита, резервирование выключателя, газовая защита трансформатора и РПН, отображая параметры срабатывания и сохраняя историю. Микропроцессорные защиты обладают повышенной чувствительностью, надежностью и быстродействием, а также способны к самодиагностике, превосходя электромеханические реле по этим параметрам. Однако, они требуют полной замены при неисправности и имеют более высокую стоимость, что является их недостатком по сравнению с ремонтопригодными релейными схемами.

Как учитывается электроэнергия

В сердце любой энергосистемы, на каждой подстанции, лежит критически важная задача - точный и надежный учет электроэнергии. Этот процесс является основой для коммерческих расчетов, планирования энергопотребления и обеспечения стабильности энергоснабжения. Традиционно, эту функцию выполняли устаревшие индукционные счетчики, известные своей простотой и долговечностью. Однако, с развитием технологий и ростом требований к точности и функциональности, на смену этим механическим устройствам пришли современные электронные модели. Эти интеллектуальные приборы учета электроэнергии представляют собой значительный шаг вперед, предлагая не только более высокую точность измерений, но и расширенные возможности для мониторинга и управления энергопотреблением.

Современные электронные счетчики могут функционировать как автономно, предоставляя локальные данные о потреблении электроэнергии, так и интегрироваться в единую, комплексную автоматизированную систему учета энергоресурсов (АИИС КУЭ). Интеграция в АИИС КУЭ открывает новые горизонты в управлении энергосистемой, позволяя в режиме реального времени собирать и анализировать данные о потреблении электроэнергии с различных точек учета, выявлять потери и несанкционированное потребление, оперативно реагировать на аварийные ситуации и оптимизировать работу оборудования. Эта автоматизация не только повышает эффективность учета, но и позволяет существенно снизить операционные издержки, повысить надежность энергоснабжения и предоставить потребителям более прозрачную и детализированную информацию об их энергопотреблении, что, в свою очередь, способствует более ответственному и эффективному использованию энергоресурсов. Развитие и внедрение современных систем учета электроэнергии на подстанциях, основанных на электронных счетчиках и интегрированных в АИИС КУЭ, является ключевым фактором для обеспечения устойчивого и эффективного функционирования современной энергосистемы.

Отличие цифровой подстанции от обычной

Простое наличие современной РЗА и электронных счетчиков не превращает подстанцию в цифровую. Цифровая подстанция (ЦПС), согласно стандарту ПАО «Россети», - это автоматизированный объект, работающий без постоянного персонала, с цифровыми информационными и управляющими системами, объединенными в единую сеть.

Ключевое отличие ЦПС - высокая автоматизация и цифровой обмен информацией по стандарту МЭК-61850. Аналоговые сигналы от оборудования преобразуются в цифровые с помощью специальных устройств или оптических датчиков и передаются по оптоволокну в ЦУС/РДУ и на сервер обработки данных. Через коммутаторы также передаются команды управления и изменения уставок защит.

Важно отметить, что на ЦПС, как, например, на ПС имени М. П. Сморгунова, могут использоваться и аналоговые системы в качестве резервных. Внедрение ЦПС обеспечивает полную наблюдаемость и управляемость в реальном времени, а также повышает надежность за счет самодиагностики.

Центр управления

Несмотря на высокую степень автоматизации, цифровая подстанция (ЦПС) требует удалённого управления. Внедрение ЦПС без современного центра управления сетями (ЦУС) теряет смысл, поэтому необходимо модернизировать существующие ЦУСы одновременно с вводом новых ЦПС. Самый сложный этап -- переходный период, требующий одновременной работы с подстанциями всех типов, что создаёт дополнительную нагрузку на персонал. Примером успешной реализации является запуск двух цифровых подстанций 110 кВ ("Витебская" и "Морская") в Санкт-Петербурге 1 марта 2023 года, одновременно с самым передовым на тот момент ЦУС в России.

ЦПС

Началом массового внедрения цифровых подстанций (ЦПС) можно считать 2008 год, когда в США была запущена подстанция TVA Bradley 500 кВ. Этот проект стал экспериментальной площадкой для проверки различных решений и совместимости оборудования от разных компаний, с учетом стандарта МЭК 61850.

Опыт эксплуатации TVA Bradley 500 кВ показал, что необходимо улучшить методы тестирования оборудования на совместимость. Выяснилось, что, несмотря на формальное соответствие стандартам, разные производители по-разному интерпретируют их требования, что приводило к проблемам на практике.

В 2009 году в Мадриде (Испания) была запущена ЦПС Alcala de Henares, при строительстве которой был учтен американский опыт. Особенностью этой подстанции стало использование устройств для связи с коммутационными аппаратами, передающих данные по оптоволоконным линиям связи на коммутатор.

Тем не менее, лидером в области цифровых подстанций стала Китайская Народная Республика, введя в эксплуатацию 70 ЦПС уже в 2009 году. К концу 2013 года количество таких подстанций в Китае достигло 893, при этом использовалось оборудование только китайского производства.

Недостатки цифровых подстанций

Проблемы стандартизации ограничивают развитие цифровых подстанций (ЦПС). Разные сетевые организации (и страны) имеют разные представления о таких системах, технологиях, стандартах и схемах энергораспределения. Это значит, что каждую новую ЦПС приходится разрабатывать индивидуально.

Важно также обучать персонал, обеспечивать ремонтопригодность и взаимозаменяемость компонентов. Автоматизированное управление повышает риски кибератак, способных вызвать серьезные перебои в электроснабжении.

В текущей политической ситуации необходимо использовать отечественные решения, как программные, так и аппаратные. Успешное импортозамещение и стабильные поставки высокотехнологичного оборудования откроют путь для широкого распространения ЦПС в России.

В заключение стоит подчеркнуть, что цифровизация -- это не пункт назначения, а скорее бесконечный путь к оптимизации и улучшению. Это непрерывный процесс, охватывающий как программное обеспечение, требующее постоянного обновления и адаптации, так и аппаратное обеспечение, нуждающееся в модернизации и развитии. Цифровизация предполагает постоянное внедрение новых технологий и подходов, чтобы соответствовать изменяющимся требованиям рынка и потребностям пользователей.

Широкое внедрение цифровых подстанций (ЦПС) открывает новые возможности для анализа больших объемов данных, позволяя выявлять сложные закономерности в потреблении и генерации электроэнергии. Использование систем Big Data позволяет оптимизировать распределение ресурсов, прогнозировать пиковые нагрузки и повышать эффективность работы энергосистемы в целом. В конечном итоге, это приводит к снижению затрат на производство и передачу электроэнергии, что положительно сказывается на конечной цене для потребителей. Более того, интеллектуальный анализ данных, обеспечиваемый цифровыми технологиями, значительно повышает надежность электроснабжения, минимизируя риски аварий и обеспечивая стабильное энергоснабжение для предприятий и населения. Внедрение ЦПС позволяет создать более гибкую, адаптивную и устойчивую энергетическую систему, способную эффективно реагировать на изменения в спросе и предлагать более качественный сервис.

Передвижная электротехническая лаборатория — оперативная диагностика, точные измерения и безопасность на любом объекте. Энергия под контролем, где бы вы ни были!