УДК 621.3.051.3

Подстанции и активные элементы интеллектуальной сети

Хрусталева Мария Сергеевна – студент кафедры электроснабжения и электротехники тверского государственного технического университета.

Павлов Александр Вячеславович – студент кафедры электроснабжения и электротехники тверского государственного технического университета.

Аннотация: В данной статье рассматривается вопрос интеллектуальной сеть передачи данных в энергосистеме. Изучены основные компоненты интеллектуальной сети: интеллектуальные центры управления, интеллектуальные сети передачи данных и интеллектуальные подстанций. Проведен анализ функциональных возможностей, которыми обладают интеллектуальные подстанции. Результатом исследования является вывод о том, что в постоянно развивающейся энергосистеме необходимо использования интеллектуальных элементов, которые упростят защиту, передачу данных и управление на подстанциях и в сетях.

Ключевые слова: электростанция, электроэнергия, энергосистема, элемент энергосистемы, электрическая сеть, интеллектуальная сеть.

Интеллектуальную сеть можно рассматривать как новую формирующуюся тенденцию к созданию современной инфраструктуры электросетей для повышения эффективности и надежности за счет автоматизированного управления, мощных преобразователей, современной инфраструктуры связи, технологий зондирования и учета, а также современных методов управления энергопотреблением, основанных на оптимизации спроса, энергии и доступности сети. Этот термин относится к использованию компьютерных, коммуникационных, сенсорных технологий и технологий управления, которые работают параллельно с электрической сетью, стремясь облегчить подключение новых источников генерации в дополнение к вышеупомянутым целям.

Интеллектуальная сеть передачи данных рассматривается как интегрированная система, функционально состоящая из трех интерактивных интеллектуальных компонентов, т.е. интеллектуальных центров управления, интеллектуальных сетей передачи данных и интеллектуальных подстанций. Интеллектуальные передающие и распределительные подстанции спроектированы на основе существующих и разрабатываемых технологий автоматизации подстанций. Эти технологии должны обеспечивать эффективный мониторинг, эксплуатацию, техническое обслуживание, защиту и контроль установленного оборудования на подстанциях. С точки зрения эксплуатации интеллектуальная подстанция должна быстро реагировать и обеспечивать повышенную безопасность оператора. Для достижения этих целей интеллектуальные подстанции должны предлагать следующие функциональные возможности [1]:

платформы цифровизации, позволяющие выполнять надежные задачи,
автономная работа и быстрое реагирование в аварийных условиях,
координация с другими подстанциями и центрами управления для повышения безопасности всей энергосистемы
самовосстановление для восстановления после сбоев сетевых компонентов, атак и катастроф.

Европейская комиссия упомянула, что управление распределительными сетями будет сосредоточено на максимизации производительности фидеров, трансформаторов и других компонентов сетевых распределительных систем и интеграции с системами передачи и операциями клиентов, что требует технологий связи внутри подстанции [2]. Проблема функциональной совместимости имеет решающее значение для достижения приоритетов интеллектуальной сети «Smart grid» на уровне системы и компонентов.

Подстанции играют важную роль в электросети, представляя собой соединительные узлы, соединяющие линии электропередачи и кабели с источниками питания с целью передачи и распределения электроэнергии [3]. Передающие подстанции используются для: подключения линий сверхвысокого напряжения (EHV), управления преобразованием сверхвысокого напряжения в определенное высокое напряжение (HV) с помощью трансформаторов, а также подачи различных уровней напряжения на распределительные подстанции [3].

Из того, что упоминалось ранее, подстанции обычно подразделяются на передающие и распределительные. В последнее время специальные подстанции используются для сбора электроэнергии из распределенных энергетических ресурсов, т.е. обычных электростанций и электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии, с целью достижения более высокой надежности, снижения выбросов углекислого газа и сопоставимой экономической отдачи от инвестиций.

Высоковольтные подстанции обычно расположены вблизи центров нагрузки, например, за пределами крупного города. Эти подстанции соединяют сети электропередачи с распределительными сетями, что позволяет распределять нагрузку между электростанциями и обеспечивать высокий уровень надежности. В этом случае выход из строя линии или электростанции не приведет к прерыванию энергоснабжения [4].

В соответствии с технологией изоляции подстанции можно разделить на два типа: подстанции с газовой изоляцией (GIS) и подстанции с воздушной изоляцией (AIS). Первые требуют небольшого пространства для установки и управления работой (обычно внутри помещений). Впервые ГИС была разработана в различных странах в период с 1968 по 1972 год. Примерно через 5 лет использования показатель использования новых подстанций увеличился примерно до 20% в странах с ограниченной площадью [5]. С другой стороны, подстанции АИС имеют большую площадь. С инженерной точки зрения на надежность подстанции или распределительного устройства (электрического процесса) влияют несколько факторов: одним из этих факторов является расположение (топология) шин и коммутационных устройств. В дополнение к надежности, расположение шин/коммутационных устройств повлияет на техническое обслуживание, защиту, первоначальные затраты на разработку подстанции [6].

На ранних проектируемых подстанциях измерения напряжения и тока производились с помощью обычных контрольно-измерительных приборов, а управление распределительным устройством осуществлялось с помощью команд операторов. Две основные функции выполнялись локально на подстанции (не из центров управления). Этими функциями были:

сбор данных о процессе подачи питания с помощью измерительных трансформаторов, т.е. измерение значений вольт и ампер;
выдача команд для изменения положения переключателя.

Возникла потребность в автоматизированных операциях для защиты наиболее дорогостоящего оборудования распределительных устройств, такого как трансформаторы, шины, фидеры и т.д. Следовательно, защита и управление требуют мониторинга оборудования и автоматического расчета многих параметров электроэнергии, таких как частота, значения активной и реактивной мощности [7].

Систему автоматизации подстанции можно определить по ее функциям, которые заменяют усилия операторов автоматизированными действиями, что отражено в ее названии. Таким образом, выполняемые автоматические функции необходимы для поддержания безопасного и надежного обслуживания системы передачи и распределения электроэнергии. Эти функции будут включать, но не ограничиваются ими, мониторинг, сбор данных, защиту, контроль и связь с удаленным доступом.

В прошлом для функций удаленного наблюдения удаленные терминальные устройства были доступны только в качестве интерфейсов между распределительным устройством электроснабжения на технологическом уровне на подстанциях и системой управления сетями коммунальных служб. Эти устройства имеют множество входов и выходов в качестве коммуникационных интерфейсов для удаленных центров сетевого управления (NCCS).

Очевидно, что система автоматизации подстанции предоставляет важную информацию для центральной системы на уровне коммунальной службы (предприятия). С другой стороны, система автоматизации подстанции получает обновленные управляющие данные из центров управления, чтобы поддерживать нормальную работу энергосистемы. Например, многие функции в системе автоматизации подстанции скоординированы для самовосстановления в случае отказа оборудования или короткого замыкания. Эти функции выполняют несколько устройств, и их задачи распределены либо на первичном оборудовании (например, автоматические выключатели, трансформаторы, измерительные трансформаторы и т.д.), либо на вторичном оборудовании (например, защитные реле, объединяющие блоки, интеллектуальные электронные устройства). Следовательно, кабельные и проводные соединения между этими устройствами и оборудованием становятся сложными и, как следствие, требуют огромных усилий и более длительного времени при проведении операций по техническому обслуживанию, ремонту, расширению или модификации. Многочисленные усилия, направленные на сокращение количества кабелей и разводок, приводят к внедрению и использованию сетей последовательной связи на разных уровнях иерархии подстанций.

Сегодня защитные реле становятся интеллектуальными электронными устройствами, т.е. программируемыми электронными устройствами защиты и управления, имеющими по меньшей мере один коммуникационный интерфейс. В него встроены логические программы, которые выполняют функции электроснабжения, такие как расчет реактивной мощности, мониторинг основного оборудования, отправка защитного срабатывания и т.д.

Как правило, интеллектуальные электронные устройства обмениваются информацией, которую можно собирать и сохранять локально или удаленно для детальной обработки и регистрации в журнале. Эта информация помогает коммунальным службам повысить надежность и включить программы управления активами, включая профилактическое обслуживание, продление срока службы и расширенное планирование.

Список литературы

Цифровизация и автоматизация в электроэнергетике: преимущества, технологии и перспективы развития: Научные Статьи.Ру. [Online]. URL: https://nauchniestati.ru/spravka/czifrovizacziya-i-avtomatizacziya-v-elektroenergetike/ (дата обращения: 27.01.2024).
European Commission, European Technology Platform – Smart Grids Vision and Strategy for Europe's Electricity Networks of the Future”, [Online]. URL: http://www.ec.europa.eu/ (дата обращения: 27.01.2024).
Освоение ультравысокого напряжения – как основа для глобализации электроснабжения: Энергетическая политика. [Online]. URL: https://energypolicy.ru/osvoenie-ultravysokogo-napryazheniya/neft/2019/20/31/ (дата обращения: 28.01.2024).
Распределение электроэнергии: подстанции, необходимое оборудование, условия распределения, применение, правила учета и контроля: Электрика-Инфо. [Online]. URL: https://elektrika64.ru/problemy/raspredelenie-elektroenergii.html?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F (дата обращения: 28.01.2024).
Electrical substation: Wikipedia. [Online]. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_substation (дата обращения: 28.01.2024).
Надежность схем распределительных устройств: Ozlib. [Online]. URL: https://ozlib.com/1042783/tehnika/nadezhnost_shem_raspredelitelnyh_ustroystv (дата обращения: 28.01.2024).
Управление, защита и автоматика на электростанциях: Современные технологии производства. [Online]. URL: https://extxe.com/16492/upravlenie-zashhita-i-avtomatika-na-jelektrostancijah/. (дата обращения: 27.01.2024).