Цифровые подстанции реализованные в Европе

Введение
Новые технологии производства современных систем управления перешли из стадии научных исследований и экспериментов в стадию практического использования. Разработаны и внедряются современные коммуникационные стандарты обмена информацией. Широко применяются цифровые устройства защиты и автоматики. Произошло существенное развитие аппаратных и программных средств систем управления.Цифровую подстанцию называют стержневым компонентом создания интеллектуальной сети, а эта тема в последнее время приобретает все большую популярность. Это прорывный, признанный на международном уровне метод автоматизации, решающий задачи эффективного управления энергетическими объектами, полностью переводящий его в цифровой формат. [1]Актуальность темы: За последние два десятилетия появились цифровые подстанции. Толчок от «обычной сети» до «умной сети» позволил цифровому миру значительно расшириться за рамки традиционной сферы защиты, управления и контроля, и сбора данных.Идеальное видение знания всех аспектов реализации цифровой подстанции в европейских странах дает возможность иметь информацию у нас под рукой, что говорит об актуальности данной темы. [2]Объект исследования: Цифровые подстанцииПредмет исследования: Характеристики цифровых подстанций в европейских странахЦель работы: Выявить характеристики цифровых подстанций, реализованных в европейских странах.Задачи:1. Рассмотреть проблематику реализации цифровых подстанций в России и за рубежом2. Провести анализ реализованных цифровых подстанций в Европе3. Привести примеры цифровых подстанций и дать более подробные характеристики данных подстанций в конкретных европейских странах: Франция, Республика Беларусь.
1 Описание проблематики
1.1 Общая проблемаВнедрение автоматизированных систем управления подстанциями представляет собой сложную задачу, плохо поддающуюся унификации. Появление новых международных стандартов и информационных технологий открывает возможности современных подходов к решению этой проблемы, позволяя создать подстанцию нового типа — цифровую. Многие страны реализовали цифровые подстанции, и необходимо рассматривать зарубежный опыт реализации цифровых подстанций как пример, который можно применить для их реализации в своем государстве.
1.2 Проблема в мире
Сегодня во всем мире выполнено уже много проектов, связанных с реализацией цифровых подстанций, показавших преимущества данной технологии. Вместе с тем ряд вопросов еще требует дополнительных проверок и решений. Это относится к надежности цифровых систем, к вопросам конфигурирования устройств на уровне подстанции и энергообъединения, к созданию общедоступных инструментальных средств проектирования, ориентированных на разных производителей микропроцессорного и основного оборудования.
1.3 Проблема в России
В настоящее время в России реализуется сразу несколько проектов цифровых подстанций, такие, как опытный полигон «Цифровая подстанция» на базе «НТЦ ФСК ЕЭС», подстанция 500 кВ «Надежда» на базе Магистральных электрических сетей Урала, а также кластер «Эльгауголь». Однако, как отмечают эксперты, пока в этом вопросе отсутствует самый важный компонент – методология проектирования в полном объеме. Необходимо решать вопрос автоматизации этого процесса, пока не подготовлены кадры. В противном случае это будет значительно тормозить процесс развития цифровых подстанций в России, что крайне нежелательно. Необходимо отметить, что российских компаний, утверждающих, что они имеют необходимое оборудование, освоили технологии и обладают должными компетенциями в области цифровых подстанций, достаточно, но практических шагов, как обычно, меньше. Именно поэтому изучение опыта реализации зарубежных цифровых подстанций является одним из направлений для повышения уровня реализации цифровых подстанций в нашей стране. [3]2 Цифровые подстанции, реализованные в Европе
2.1 Анализ реализованных цифровых подстанций в Европе
Цифровая подстанция – это подстанция, системы релейной защиты и управления которой построены на базе интеллектуальных электронных устройств (микропроцессорных терминалов) и передача сигналов осуществляется в цифровом виде на всех уровнях управления.Цифровизация подстанций основывается на шести ключевых аспектах:1) выполнение стандарта МЭК 61850;2) цифровизация процессов;3) обеспечение кибербезопасности на комплексном уровне;4) цифровое управление активами;5) повышение эффективности функционирования сетей с использованием, например, системы WAMS;6) комплексная инженерно-техническая программа – интеграция данных в процессе всего жизненного цикла подстанции (от проектирования до эксплуатации).Активное внедрение технологии цифровых подстанций осуществляют следующие сетевые операторы:Fingrid (Финляндия)Statnett SF (Норвегия)National Grid (Великобритания)RTE (Франция) и т.д.Например, компания Statnett SF совместно с предприятием Sprecher Automation GmbH осуществляет пилотный проект на подстанции 300 кВ, используя шину обработки данных.Шведско-швейцарский энергетический концерн АВВ реализовывает проект цифровой подстанции в Беларуси совместно с электросетевым оператором «Могилевэнерго».Предприятие Fingrid, финский оператор системы передачи электроэнергии (TSO), использует цифрового двойника сети передачи электроэнергии для решения задач планирования на средне- и долгосрочную перспективу. [4]Далее для рассмотрения характеристик цифровых подстанций в европейских странах, мы более детально рассмотрим следующие примеры зарубежных цифровых подстанций (таблица 1.1) [5]: Таблица 1.1 Примеры зарубежных цифровых подстанцийНаименование объектаПримечанияПС 110 кВ Приречная(Республика Беларусь)На базе оборудования General ElectricПС 225/90/20кВ «Блоко» («Blocaux»)(Франция)На базе оборудования General Electric2.2 Цифровая подстанция: 225/90/20кВ «Блоко» («Blocaux») во Франции:Подстанция «Блоко» была построена в 1970-е годы. Часть оборудования на подстанции уже ранее было заменено и модернизировано. В 2013 году было принято решение реализации проекта по строительству полностью «цифровой подстанции» во Франции. Компанией RTE (собственник подстанции) была определена указанная подстанция для реализации данного направления. В качестве основного производителя первичного и вторичного электротехнического оборудования была определена компания Alstom (входит в состав компании General Electric).Реконструкция подстанции велась с 2013 по 2016 год. Средства на строительство подстанции были выделены Правительством Французской Республики.На подстанции «Блоко» применены оптические трансформаторы тока и низконагрузочные трансформаторы напряжения, разъединители с возможностью контроля действующего момента на валу, уникальные системы мониторинга высоковольтных элегазовых выключателей и силовых трансформаторов и др. В качестве оборудования релейной защиты и автоматики (РЗА) принято оборудование Alstom DS Agile. На подстанции существенно уменьшено количество «медных» кабельных связей за счет передачи всех сигналов, как аналоговых, так и дискретных, в цифровом виде с помощью оптических кабелей связи.Очень большое внимание на подстанции уделено вопросам надежности и резервирования оборудования РЗА. Все элементы РЗА разделены на две подсистемы «А» и «Б» – каждый элемент подстанции имеет две независимые системы РЗА (полное дублирование схемы РЗА каждого присоединения). Для повышения надежности и обеспечения резервирования системы при неисправности «n–2» (выход из строя более двух элементов) для каждой подсистемы дополнительно предусмотрено отдельное устройство РЗА, которое может замещать любое устройство.Специалисты компании RTE отмечают успешный опыт создания и эксплуатации данной подстанции на оборудовании компании General Electric. также было сообщено, что технология «цифровая подстанция» будет применяться на всех объектах высоковольтной распределительной сети французской энергетики. Планируется, что к 2030 году все подстанции RTE будут переведены на указанную технологию «цифровая подстанция».Проекты «цифровая подстанция» на оборудовании General Electric реализованы в Дании, Франции и других европейских странах. Причем применяются не только современные интеллектуальные системы РЗА с использованием технологии «цифровая подстанция», но и оптические трансформаторы тока и другие элементы «цифровой подстанции».Технология «цифровая подстанция» является перспективным направлением с точки зрения технико-экономических показателей при реализации объектов строительства. Подстанция «Блоко» 225/90кВ является примером успешной реализации проекта реконструкции действующего объекта электроэнергетики, как со стороны оптимизации технико-экономических показателей, так и с позиции применения современных и передовых технологий. [6]2.3 Цифровая подстанция: ПС 110 кВ Приречная (Республика Беларусь):Концепция цифровой подстанции реализована на ПС-110 «Приречная» с применением системы Hard Fiber Process Bus – системы выносных модулей ввода/вывода с передачей данных по оптоволоконным кабелям. Система включает в себя МПРЗА, оптические кабели и выносные модули ввода/вывода (УСО), которые получили название Bricks (“Кирпичи”).Первым пилотным проектом по внедрению данной технологии стала подстанция AEP Corridor 345/138 кВ, г. Колумбус, штат Огайо. На базе системы HardFiber была построена дистанционная защита линий Conesville и Hyatt 345 кВ, а также УРОВ на выключателе, соединяющем эти линии в схеме 3/2. 12 модулей Bricks понадобилось для создания дублированной системы: по два модуля на каждый из трех выключателей, два на трансформаторы тока и напряжения каждой из линий, еще два на отдельно стоящий трансформатор тока. Модули крепились к металлическим конструкциям распределительного устройств. Система была сдана в эксплуатацию в 2009г. За время работы было зафиксировано около десяти внешних коротких замыканий, при этом устройства РЗА работали в штатном режиме.Построение системы РЗА на ПС-110 «Приречная» основывалось на двух взаимно противоречивых принципах:1. Надёжность – применено полное аппаратное дублирование всех устройств;2. Экономичность – максимальное использование всех возможностей каждого устройства для уменьшения числа используемых модулей и соединительных кабелей.Схема ОРУ 110 кВ ПС – двойная система шин с обходной с семью присоединениями: две ВЛ 110 кВ, три трансформатора, ШСВЭ, ОВЭ.В качестве устройств релейной защиты присоединений 110 кВ были применены микропроцессорные РЗА GE серии UR, в которых платы прямого аналогового ввода были заменены на платы ввода МЭК 61850 (оптический Ethernet). На каждом присоединении 110 кВ установлено по два модуля ввода/вывода (Brick), подключенных к разным кернам ТТ. Также на них заведены вторичные цепи ТН 1С.Ш. 110 кВ и ТН 2С.Ш. 110 кВ.Переключение с одного ТН на другой производится вручную испытательными блоками в зависимости от фиксации каждого присоединения. Операции отключения и включения выключателя выполняются контактами Brick по командам устройств РЗА серии GE UR. В каждом Brick имеется 4 независимых цифровых ядра и, таким образом, к одному Brick можно подключить до 4-х устройств защиты по схеме «точка – точка».Рисунок 1. Устройство цифровых подстанций ПС 110 кВ Приречная Для защиты каждого присоединения используется два одинаковых терминала защиты, каждый из которых может общаться с каждым Brick, установленных на выключателе, т.е. неисправность любого компонента системы не приводит к фатальным последствиям.Рисунок 2. Устройство цифровых подстанций ПС 110 кВ ПриречнаяВсе оптические кабели, приходящие с ОРУ от Brick, собираются в шкафах ДЗШ, и оттуда через панель кросс-коммутации соединяются с устройствами защиты.Все сигналы блокировок, либо пусков между терминалами защит (пуск УРОВ, запрет АПВ, внешнее отключение и т.п.) передаются по оптическим линиям связи через виртуальные входы и выходы Brick. В связи с этим при организации взаимодействия терминалов защит между собой пришлось применить не стандартные решения по передаче этих сигналов. Особенно это коснулось взаимодействия с терминалами дифференциальной защиты шин, у которых отсутствуют дискретные входы и выходы. [7]
Заключение.
В данной работе мы рассмотрели цифровые подстанции, реализованные в европейских странах. Мы дали более подробную характеристику цифровых подстанций в следующих европейских странах: Франция, Республика Беларусь. Цифровая подстанция – это подстанция, системы релейной защиты и управления которой построены на базе интеллектуальных электронных устройств (микропроцессорных терминалов) и передача сигналов осуществляется в цифровом виде на всех уровнях управления.Технология «цифровая подстанция» является перспективным направлением с точки зрения технико-экономических показателей при реализации объектов строительства. Подстанции «Блоко» 225/90кВ, ПС 110 кВ Приречная являются успешными примерами реализации цифровых подстанций в европейских странах, как со стороны оптимизации технико-экономических показателей, так и с позиции применения современных и передовых технологий.Современная цифровая подстанция — это определенно качественно новый шаг к будущему энергетики. Ценность идеи развития цифровой подстанции является, в частности, не только в повышении энергетической и экономической эффективности энергосистемы страны, но и важно и то, что проект способен привести государство к новому этапу - преодолеть привычный путь ресурсного развития и сделать шаг к практической модернизации. Разработка собственного российского решения по Цифровой подстанции позволит не только развивать отечественное производство и науку, но и повысить энергобезопасность нашей страны. Применение технологии Цифровой подстанции должно позволить в будущем существенно сократить расходы на проектирование, пусконаладку, эксплуатацию и обслуживание энергетических объектов. В конце работы, мы бы хотели выделить следующие преимущества перехода к реализации цифровых подстанций повсеместно:
•Значительное сокращение затрат на проектирование и монтаж;
•Невозможность ошибок при монтаже: один оптический кабель вместо нескольких медных; мгновенное сообщение об ошибке при неправильном соединении устройств
•Значительное снижение вероятности ошибок при эксплуатации
•Постоянная самодиагностика системы, в том числе, и соединительных кабелей.
Библиографический список:
1. Цифровая подстанция // URL: http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/26967/1/TPU165988.pdf (дата обращения: 13.01.2022).2. Цифровые подстанции // URL: https://dspace.tltsu.ru/bitstream/123456789/11387/1/Симонов%20А.М._ЭЭТм_1704а.pdf (дата обращения: 13.01.2022).3. Цифровые подстанции в России: процесс пошел // URL: https://www.eprussia.ru/epr/246/16072.htm (дата обращения: 13.01.2022).4. Обзор международных исследовании по цифровизации энергетического сектора // URL: https://in.minenergo.gov.ru/upload/iblock/437/437affeea94889783096c359b68752d4.pdf (дата обращения: 13.01.2022).5. Цифровые подстанции. Российские и зарубежные: НТД, опыт, примеры // URL: https://elensis.ru/2019/04/20/цифровые-подстанции/ (дата обращения: 13.01.2022).6. Белорусские энергетики изучили опыт создания «цифровой подстанции» во Франции // URL: http://proenergo.blogspot.com/2017/02/digital-substation-in-France.html (дата обращения: 13.01.2022).7. Реализация концепции Цифровая подстанция на ПС-110 Приречная // URL: https://www.gomelenergo.by/conf/pdf/Реализация%20концепции%20Цифровая%20подстанция%20на%20ПС-110%20Приречная.pdf (дата обращения: 13.01.2022).