Мы живём в очень интересное время. Современные технологии, постепенно проникая во все области нашей жизни, серьёзно меняют её. Причём меняют так, что, оглядываясь на недавнее прошлое, мы удивляемся — ну как же мы жили раньше без интернета, соцсетей и умных колонок?
Однако если влияние цифровых технологий способно так изменить наш быт, то как же это может отразиться на крупных промышленных объектах? Насколько всё это надёжно и безопасно? Вот возьмём, к примеру, основу любой экономики — электроэнергетику. Какая будет польза от её перевода «на цифру»?
Какая польза от цифровизации в энергетике?
Разумеется, темп технического прогресса остановить нельзя. Любой, кто посмеет встать на пути прогресса, будет неизбежно сметён им. В истории развития человечества таких примеров найдётся огромное количество. Можешь наиболее эффективно использовать свои ресурсы – неизбежно победишь своих конкурентов!
Для электроэнергетики, как раз критически важны точные методы измерения, эффективные системы сбора и обработки информации и автоматизация производственных процессов. Ведь процесс производства и потребления электрической энергии непрерывен, и любое отклонение от оптимальных значений грозит большими убытками. К тому же от этого зависит не только экономическая эффективность, но и безопасность обслуживающего персонала.
Разумеется, что достичь такого высокого уровня, можно, только применяя современные цифровые технологии. Только постоянное отслеживание всех аспектов работы каждого элемента энергосистемы и объединение элементов в «умную сеть», даёт возможность получить полную картину и принимать правильные решения. Как раз одну из таких возможностей и дают цифровые подстанции.
Почему так много внимания к подстанциям?
Именно подстанция является важнейшим элементом распределения и преобразования электрической энергии. Силовой трансформатор преобразовывает переменный электрический ток из одного напряжения в другое.
Если говорить ещё проще, трансформатор повышает или понижает напряжение. Собственно, по этому признаку, подстанции и разделяют на повышающие и понижающие.
Однако, прежде чем попасть в трансформатор, электрическая энергия по линиям электропередачи должна дойти до подстанции и попасть в распределительное устройство, которое, в зависимости от расположения могут быть как закрытым (ЗРУ), то есть, где всё оборудование находится в помещении, так и открытым (ОРУ), где оборудование находится на открытом воздухе.
Также в распределительном устройстве имеются шины, коммутационные аппараты, регулирующие устройства, трансформаторы напряжения и тока, подключённые к различным системам, а ещё и разнообразные вспомогательные системы и устройства. Вот как раз в способах подключения и управления работой различных систем и заключается основное различие между цифровой и обычной подстанциями.
Обычная подстанция
На обычной (традиционной) подстанции данные для работы различных систем релейной защиты и учёта получают от трансформаторов тока или напряжения.
Соответственно, для их подключения используется огромное количество проводников, передающих аналоговые сигналы этим системам.
При этом не только обрыв одного из множества проводников, но и даже пробой изоляции отдельного провода может нарушить работу и вызвать отказ важных систем.
Поиск и устранение самого незначительного повреждения, зачастую требует длительного времени и привлечения большого количества специалистов.
Современная подстанция
Разумеется, что различные энергокомпании очень заинтересованы в модернизации подстанций. Поэтому в обычных подстанциях практически повсеместно устанавливают различные системы, обладающие подключением к интернету. Например, автоматизированные системы контроля и учёта электроэнергии дают возможность контролировать и решать различные проблемы, связанные с коммерческим учётом.
Также переход от обычных реле на современные микропроцессорные системы релейной защиты позволяет повысить надёжность и даёт возможность автоматизировать различные процессы.
Однако, чтобы подстанция стала цифровой, недостаточно просто заменить морально устаревшие системы.
Чем цифровая подстанция отличается от других?
Основное отличие — это перевод «в цифру» всех процессов сбора и обмена информацией между отдельными системами, а также систем управления оборудованием подстанции, что позволяет достичь самого высокого уровня автоматизации и надёжности. Замена аналоговых сигналов на цифровые даёт возможность исключить множество проводников и применить вместо них шины для обмена информацией, поддерживающие современный протокол МЭК 61850.
Разумеется, что такое решение позволяет, не только заметно упростить конструкцию подстанции, повысить управляемость, надёжность и безопасность работы, точность измерений, автоматизировать различные процессы, но также значительно повысить гибкость архитектуры за счёт более простого подключения различных элементов систем. Кроме того, цифровая подстанция позволяет в реальном времени наблюдать и управлять работой систем и оборудования.
Датчики тока
Нельзя забывать и про другое «слабое звено» — трансформаторы тока и напряжения. Думаю, если спросить любого специалиста службы подстанций, какое оборудование они меняют чаще всего, то ответ будет вполне предсказуемым. Скорее всего, специалист укажет именно на данные трансформаторы.
Одним из решений проблемы является переход на трансформаторы NCIT (нетрадиционными измерительными трансформаторами). Эти устройства также называются датчиками тока, причём данное определение, на мой взгляд, более точное.
Принцип работы данных устройств основан на измерении изменений оптических характеристик материала под воздействием магнитных и электрических полей.
Преимущества нетрадиционных измерительных трансформаторов NCIT перед обычными трансформаторами:
- Высокая точность, надёжность, быстродействие и больший диапазон измерения.
- Оцифровка величин тока и напряжения, поступающих от измерительных трансформаторов, и простота доступа к этим данным через цифровой стандартизированный интерфейс.
- Интеллектуальный мониторинг, функции защиты на базе программных модулей и новые распределённые функции на компьютерах присоединения.
- Интеллектуальный контроль системы NCIT предотвращает отказы, исключает несвоевременные ремонтные отключения и обеспечивает надёжное функционирование подстанций благодаря использованию интеллектуального резервирования.
- Совместимость с оборудованием разных поставщиков достигается благодаря использованию стандартного протокола «Шина процесса» (МЭК 61850-9-2).
ИЭУ
Интеллектуальные электронные устройства (ИЭУ) — общее название группы многофункциональных устройств защиты, автоматики, измерений, телемеханики. Такие устройства используют в качестве процессоров, цифровых датчиков информации и средств автоматизации. Они собирают данные, выполняют расчёты и реализуют логику принятого алгоритма.
От традиционных устройств ИЭУ отличает применение высокоскоростных коммуникаций, основанных на промышленной сети Ethernet. При этом поддерживаются горизонтальные связи между ИЭУ для обеспечения резервирования и безопасности.
Устройства сопряжения с объектом
Устройства сопряжения с объектом (УСО) на цифровой подстанции используются для оцифровки и сбора дискретной и аналоговой информации с основного оборудования, такого как коммутационные аппараты и измерительные трансформаторы.
УСО включают преобразователи аналоговых сигналов (ПАС) и преобразователи дискретных сигналов (ПДС). Информация передаётся от основного оборудования к УСО по контрольному кабелю с медными жилами.
Архитектура
К сожалению, углубляясь только в особенности работы некоторых устройств, можно потерять общее понимание того, как отдельные устройства должны функционировать вместе. Восполним этот пробел и рассмотрим архитектуру цифровой подстанции.
Условно, все устройства, которые находятся на подстанции, можно разделить на 3 уровня. Рассмотрим состав и назначение каждого из этих уровней.
Уровень процессов включает в себя распределительные устройства (ОРУ, ЗРУ), силовые трансформаторы и различные вспомогательные системы подстанции. Также сюда относятся и устройства, необходимые для организации интерфейса и интеллектуальные электронные устройства.
К уровню присоединений относят устройства связи, релейной защиты, устройства контроля, мониторинга и диагностики.
Соответственно, к уровню станции относят устройства для передачи данных в телекоммуникационную сеть, устройства для управления системами подстанции и т. п.
Заключение
Разумеется, что внедрение нового оборудования на подстанциях и цифровизация не должны стать самоцелью. Ведь, несмотря на все преимущества современной техники, решающее слово должно оставаться за человеком. Поэтому для обеспечения наиболее эффективного управления следует модернизировать и диспетчерское управление, а именно организовывать современные центры управления сетями.
Кроме того, с ростом внедрения цифровых подстанций возрастёт и информационный поток. Обработка такого потока с применением систем Big Data позволит выявлять такие закономерности, о существовании которых никто и не подозревал. А это означает, что появляются новые пути ещё большего повышения надёжности и эффективности работы энергосистем.
Автор статьи — Илья Корчагин.