Автор:Татьяна Дроздова
Проектирование цифровых подстанций как опыт эффективного внедрения инновационных технологий
Несмотря на некоторое замедление темпов развития электроэнергетического сектора, внедрение новых технологий не становится для него менее актуальным. Только инновационные решения помогут в перспективе достичь такого уровня развития этой отрасли, который позволит говорить о его принципиально новой роли в федеральных масштабах.
Возможности внедрения инновационных решений при строительстве или техническом перевооружении энергообъектов постоянно обсуждаются в рамках профильных выставок, семинаров, конференций и круглых столов. В частности, в последнее время всё более актуальной становится тема перехода к созданию сетевых объектов нового поколения – цифровых подстанций (ЦПС).
В мировом энергетическом сообществе существуют два принципиально разных взгляда на необходимость и целесообразность создания цифровых подстанций. В странах Европы технологии ЦПС на данный момент активным образом не внедряются. Больший интерес там вызывает широкомасштабное использование возобновляемых источников электроэнергии и реализация элементов SmartGrid (в российской терминологии — активно-адаптивной сети). В Азии же цифровым подстанциям уделяют большое внимание: уже построено несколько десятков таких объектов, что свидетельствует о целесообразности внедрения данной технологии.
На сегодняшний день Россия только подходит к внедрению пилотных проектов ЦПС. Существуют 2 полигона ЦПС, созданных на площадках ведущих научных институтов. В настоящий момент планируется поставка некоторых элементов ЦПС на подстанции Федеральной сетевой компании, причем применение технологий ЦПС на этих энергообъектах будет происходить параллельно с созданием традиционно принятых информационно-управляющих систем подстанций, что, скорее всего, вызовет некоторые сложности в оценке целесообразности перехода ЕНЭС на цифровые подстанции.
При внедрении новых технологий необходимо учитывать как общую специфику и историю формирования ЕНЭС, так и некоторые частные особенности, такие как целесообразность применения новых технологий на энергообъектах низких классов напряжения, возможности частичного применения инновационных технологий, например, на объектах некомплексной реконструкции, и прочие. Также следует учитывать, что применение новых технологий должно быть оправдано не только с технической, но и с экономической точки зрения. Прежде чем приступать к применению новых технологий при построении систем, необходимо проанализировать существующую ситуацию, сделать грамотное технико-экономическое обоснование выбора того или иного решения, провести предварительные испытания и тестирования компонентов ЦПС и только потом приступать к внедрению пилотного проекта.
С июня 2013 года ООО «ЭнергопромАвтоматизация» ведет разработку проекта систем автоматизации и управления в рамках договора на проектирование двух подстанций для ОАО «ФСК ЕЭС» (ПС 330 кВ «Ильенко» (г. Кисловодск) и ПС 330 кВ «Каспий» (г. Кизляр)) с внедрением инновационных решений. Наша компания получила возможность использовать опыт инновационных разработок в создании проекта действующих энергетических объектов, провести технико-экономический анализ эффективности внедрения новых технологий, разработать структуры построения информационно-управляющих систем подстанций с применением наиболее подходящего оборудования и программного обеспечения.
Напомним, Цифровая подстанция – это технология построения систем автоматизации и управления энергообъектами, которая базируется на открытых стандартах МЭК 61850 с использованием принципиально новых устройств сбора и обработки информации — таких как цифровые трансформаторы тока и напряжения, выносные устройства сопряжения с объектом (УСО) и интеллектуальные электронные устройства.
Структура ЦПС определяется разделением на две информационные составляющие – шину процесса и станционную шину. Одной из особенностей построения подобной системы автоматизации является новый, отличный от традиционного, «полевой» уровень, который включает в себя инновационные устройства первичного сбора информации: выносные УСО, цифровые измерительные трансформаторы, встроенные микропроцессорные системы диагностики силового оборудования и т.д.
Цифровые измерительные трансформаторы передают мгновенные значения напряжения и токов по протоколу стандарта МЭК 61850-9-2 устройствам уровня присоединения. Существует два вида цифровых измерительных трансформаторов: оптические и электронные. Именно оптические являются оптимальными при создании систем управления и автоматизации цифровой подстанции, так как они используют инновационный принцип измерений, основанный на эффекте Фарадея (поляризация световой волны). Оптические измерительные трансформаторы имеют высокую точность измерений, пожарную безопасность, малые габариты и массу, устойчивы к электромагнитным помехам и надежны. Электронные измерительные трансформаторы разработаны на базе традиционных и используют специализированные аналогово-цифровые преобразователи.
Данные от традиционных измерительных трансформаторов преобразуются в широковещательные Ethernet-пакеты с использованием мультиплексоров (MergingUnits), предусмотренных стандартом МЭК 61850-9. Сформированные пакеты передаются по сети Ethernet (шине процесса) в устройства уровня присоединения (контроллеры АСУ ТП, РЗА, ПА и др.). Частота дискретизации передаваемых данных не хуже 80 точек на период для устройств РЗА и ПА и 256 точек на период для АСУ ТП, АИИС КУЭ и др.
Данные о положении коммутационных аппаратов (КА) и другая дискретная информация (положение ключей режима управления, состояние цепей обогрева приводов и прочее) собираются с использованием выносных модулей УСО, устанавливаемых в непосредственной близости от КА. Выносные модули УСО имеют релейные выходы для управления коммутационными аппаратами. Выносные модули УСО синхронизируются с точностью не менее чем 1 мс. Передача данных от выносных модулей УСО осуществляется по оптоволоконной связи, являющейся частью шины процесса, по протоколу МЭК 61850-8-1 (GOOSE). С их же помощью осуществляется и передача команд управления на коммутационные аппараты.
Силовое оборудование оснащается набором цифровых датчиков. Существуют специализированные системы мониторинга трансформаторного и элегазового оборудования, которые имеют цифровой интерфейс для интеграции в АСУ ТП без использования дискретных входов и датчиков 4-20 мА. Шкафы управления в современных комплектных распределительных устройствах с элегазовой изоляцией (КРУЭ) позволяют устанавливать выносные УСО для сбора дискретных сигналов. Установка цифровых датчиков в КРУЭ производится на заводе-изготовителе, что позволяет упростить как процесс проектирования, так и монтажные и наладочные работы на объекте.
Следующая особенность ЦПС — это объединение среднего (концентраторов данных) и верхнего (сервера и АРМ) уровня в традиционной схеме автоматизации в один станционный уровень. Такое объединение достигается благодаря единству протоколов передачи данных (стандарт МЭК 61850-8-1): средний уровень, ранее выполнявший работу по преобразованию информации из различных форматов в единый для интегрированной АСУ ТП, де-факто утрачивает свое назначение. Уровень присоединения включает в себя интеллектуальные электронные устройства, которые получают информацию от устройств полевого уровня, выполняют логическую обработку информации, передают управляющие воздействия через устройства полевого уровня на первичное оборудование, а также осуществляют передачу информации на станционный уровень. К этим устройствам относятся контроллеры присоединения, терминалы МП РЗА и другие многофункциональные микропроцессорные устройства.
При проектировании комплекса ЦПС необходимо уделять особое внимание характеристикам объекта управления. В зависимости от компоновки и типов основного силового оборудования может быть выбрана принципиально различная структура построения вторичных информационных систем.
После проведения исследований и проработки различных проектных решений было выделено несколько особенностей построения ЦПС с учетом различных характеристик объекта управления и требований к высоким технико-экономическим показателям внедрения новых технологий. Рассмотрим некоторые из них.
При наличии на объекте КРУЭ экономический эффект от внедрения технологий ЦПС вызывает сомнения, так как одним из преимуществ ЦПС является сокращение кабельных связей между РУ и ОПУ. Применение инновационных технологий в автоматизации распределительных устройств с элегазовой изоляцией станет оправданным при оснащении КРУЭ встраиваемыми цифровыми трансформаторами тока и напряжения с сохранением предыдущего поколения оборудования. В таком случае внедрение элементов ЦПС даст технические преимущества, а система не подорожает.
Установка оптических трансформаторов тока и напряжения целесообразна только на открытых распределительных устройствах в случае строительства нового объекта или модернизации, включающей в себя замену измерительного трансформаторного оборудования. В случае же реконструкции энергообъекта, наличии на ОРУ традиционных ТТ и ТН, оптимальным вариантом будет использование мультиплексоров.
В случае модернизации существующей подстанции без замены силового оборудования для сбора и оцифровки первичной информации рекомендуется устанавливать выносные УСО, которые, помимо плат дискретного ввода/вывода, будут содержать платы прямого аналогового ввода (1/5 А). Платы позволяют собрать, оцифровать и выдать в протоколе МЭК 61850-9-2 данные от традиционных трансформаторов тока и напряжения.
Существует два подхода к установке выносных УСО. Первый вариант компоновки — для каждого присоединения непосредственно на ОРУ выполняется монтаж конструктива уличного исполнения с системой климат-контроля, в котором размещается дублированный комплект выносных УСО, обеспечивающий резервное управление выключателем. Второй вариант размещения контроллеров управления КА – установка непосредственно в шкафы приводов выключателей и разъединителей. Такое решение обеспечивает сокращение затрат на дополнительные конструктивы и кабельную продукцию, однако при этом возникают другие проблемы: значительное удорожание приводов разъединителей (контроллеры мониторинга и управления монтируются в шкафу привода каждого разъединителя, в отличие от УСО для присоединения в целом), увеличение количества сетевых устройств и информационных кабельных связей по причине увеличения числа контроллеров шины процесса, большие временные и трудовые затраты на производство новых приводов разъединителей и новых конструктивных исполнений контроллеров УСО, отсутствие на сегодняшний день решений для размещения выносных УСО в приводах выключателей.
Исходя из перечисленных плюсов и минусов каждого варианта размещения УСО, более оправданным в ближайшей перспективе выглядит решение с установкой отдельных выносных конструктивов на ОРУ. В дальнейшем, при условии конструкторской проработки и переходом к серийному производству, возможен переход к варианту размещения контроллеров в конструктивах шкафов приводов коммутационных аппаратов.
Реализация станционной шины в соответствии с технологиями ЦПС позволяет говорить об очевидной экономической выгоде за счет значительного сокращения количества контроллеров АСУ ТП, модулей ввода/вывода контроллеров АСУ ТП и РЗА, сокращения объемов внутришкафного монтажа, количества конструктивов шкафов, и пр.
Для сравнения основных показателей затрат при реализации традиционных и инновационных решений по автоматизации в рамках реконструкции ПС 330 кВ «Каспий» с учетом существующего на объекте открытого распределительного устройства (ОРУ) и ПС 330 кВ «Ильенко» с учетом КРУЭ были проведены расчеты по основным стоимостным характеристикам.
Проведенные исследования технико-экономических показателей позволяют сделать вывод, что стоимость новой технологии при реализации пилотного проекта практически равна затратам при внедрении традиционного проекта. Внедрение инновационных технологий будет дороже стоимости привычной автоматизации для подстанций с ОРУ ориентировочно на 1,4%, и на 17,4% для объектов с КРУЭ.
При промышленном внедрении и переходе на серийный выпуск продукции ожидается снижение стоимости ЦПС относительно традиционного построения систем автоматизации на 23,6% в случае применения на подстанциях с открытыми распределительными устройствами высоких классов напряжений и на 7,6% для подстанций, оснащенных КРУЭ.
Полученные результаты позволяют обоснованно заявить, что внедрение российской разработки «Цифровая подстанция» целесообразно для ЕНЭС России, обеспечивая получение как технической, так и экономической выгоды. Кроме того, технология ЦПС будет способствовать развитию отечественного производства и науки, а также повысит энергобезопасность нашей страны.