Интеллектуальные сети Smart Grid. Автоматизация подстанции в соответствии с МЭК 61850

«Умная» энергетика уверенно шагает по миру, завоёвывая одну страну за другой: США, Швеция, Китай, Дания, Испания, Великобритания. Несколько лет назад концепция Smart Grid¹ пришла и в Россию. Строительство и развитие интеллектуальных сетей стало приоритетным направлением энергетической стратегии нашего государства. Согласно планам Президента и Правительства, к 2030 году будут созданы системообразующие и распределительные электрические системы нового поколения. Серьёзность подобных намерений подтверждает включение расходов на автоматизацию в инвестиционную программу ОАО «ФСК ЕЭС».

Основы Intelligrid

Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE – The Institute of Electrical and Electronics Engineers) определяет Smart Grid как электрические сети, удовлетворяющие требованиям энергоэффективного и экономичного функционирования энергосистемы за счёт скоординированного управления при помощи современных двусторонних коммутаций между подстанциями, аккумулирующими источниками и потребителями. В таблице 1 приведено подробное сравнение Intelligrid и традиционной сети.

В масштабах города умная сеть выполняет следующие функции:

• Удалённый доступ к распределительным подстанциям, оснащённым системой мониторинга, управления и защиты силового оборудования;
• Предотвращение развития аварии за счёт быстрого и селективного отключения повреждённого участка;
• Обеспечение в режиме реального времени информацией о состоянии сети, необходимой для оптимального управления потребляемой энергией.

Исходя из вышесказанного очевидно, что интеллект любой энергетической сети начинается с автоматизации оборудования распределительных трансформаторных пунктов (см. схему 1).

Для того чтобы усовершенствованные устройства могли передавать и использовать цифровые данные, при разработке концепции Smart Grid возникла необходимость создания новой информационной модели коммуникации. Эта задача была решена комитетом МЭК ТС57, который разработал протокол МЭК 61850 «Коммуникационные сети и системы подстанций». Он отличается от более ранних стандартов тем, что регламентирует вопросы описания схем подстанции, схем защиты, автоматики и измерений, конфигурации устройств. В стандарте предусматриваются возможности использования новых цифровых измерительных устройств вместо традиционных аналоговых измерителей.

МЭК 61850 активно применяется в разных странах для электрических подстанций, что позволило обеспечить высокий уровень совместимости различных устройств защиты и автоматики (в том числе и аппаратов разных производителей) и снабдить пункты распределения энергии современными средствами связи. Стандарт целесообразно применять прежде всего при сооружении новых подстанций, но многие электроэнергетические компании стремятся использовать его и при выполнении модернизации существующих объектов.

Схема 1. Четыре функциональных уровня для автоматизации оборудования

Совершенствование автоматизации

Для достижения целей, поставленных государством к 2030 году, в первую очередь требуется реконструкция существующих объектов электросетевого комплекса. Частью интеллектуализации действующих сетей должно стать внедрение стандарта МЭК 61850.

В России подобная практика пока не развита, однако в странах Европы уже есть примеры успешно проведённых модернизаций. Так, швейцарская компания «Электростанция Заднего Рейна» (ЭЗР) провела ретрофит открытой подстанции 380/220 кВ в Силсе. Необходимость усовершенствования данного энергетического узла возникла вследствие того, что вторичная система подстанции и основная часть оборудования вторичной цепи на 380 кВ выработали свой ресурс.

Вторичная система подстанции выполняет такие функции, как контроль состояния первичной цепи и защита её от короткого замыкания. Обе задачи решаются при помощи так называемых интеллектуальных электронных устройств, которые через свои входы и выходы соединены с оборудованием первичной цепи и контролируют всю или часть ячеек распределительного пункта.

На подстанции в Силс были внедрены интеллектуальные электронные устройства серии Relion 670 компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации. Все интеллектуальные электронные устройства присоединены к каналу передачи информации МЭК 61850. Стандарт определяет файл, который содержит все необходимые данные о конфигурации подстанции: от топологии основного оборудования до данных о вторичных цепях.

Вторая часть проекта (220 кВ) была интегрирована с использованием протокола МЭК 61850, для управления подстанцией 380/220кВ с новой системой контроля MicroSCADA Pro. Совместная деятельность компаний АББ и ЭЗР продемонстрировала пригодность стандарта МЭК 61850 для проектов модернизации.

Комплексное решение по автоматизации и первичному оборудованию

Помимо модернизации существующих объектов, для полноценного развития энергетики необходимо строить новые сети. Конечно, для этого нужны современные решения, а именно — создание цифровых подстанций с интеллектуальным первичным и вторичным оборудованием, соединённым посредством протокола связи МЭК 61850. В частности, на новых интеллектуальных объектах должны использоваться цифровые измерительные трансформаторы тока и напряжения (оптические или электронные), многофункциональные приборы измерений и учёта, станционная шина и шина процесса, система синхронизации, новая система отображения и управления подстанцией (SCADA).

В этом году специалистами компании АББ была предложена инновационная концепция для создания цифровых распределительных пунктов — КРУ (Комплектное распределительное устройство. — Прим. авт.) среднего напряжения UniGear Digital. Это перспективное решение на основе МЭК 61850, главная особенность которого состоит в объединении электронных измерительных трансформаторов (ЭИТ) тока и напряжения. Оно даёт следующие преимущества:

• Экономия до 250 мВт и сокращение выбросов СО2 на 150 тонн за 30 лет (по сравнению с UniGearZS1 на 14 фидеров. — Прим. авт.) благодаря отсутствию потерь с измерительных трансформаторов;
• Сокращение сроков поставки оборудования, в связи с тем, что ЭИТ являются складской позицией и не требуют производства под проект;
• Сокращается срок ввода объекта в эксплуатацию, т.к. монтажная группа избавлена от трудоёмких работ по монтажу и коммутации тяжёлых трансформаторов тока и напряжения (ТТ и ТН);
• Нет необходимости в объёмных инженерных расчётах для подбора ТТ и ТН. Это связано тем что ЭИТ охватывает весь диапазон электротехнических параметров, а так же при изменении электротехнических параметров сети можно использовать тот же ЭИТ, в отличие от ТТ и ТН.

Ячейка UniGear Digital укомплектована интеллектуальными электронными устройствами серии ABB Relion. Они отличаются от аналогов запатентованным блочным дизайном, который позволяет сократить время на установку, настройку и тестирование устройства защиты. Есть возможность монтировать корпуса до поставки самих аппаратов. Кроме того, релейная защита серии ABB Relion осуществляет высокоэффективный обмен GOOSE-сигналами (так называемая «горизонтальная связь»). Коммуникация релейной защиты и автоматики по данному протоколу обеспечивает расширяемость и гибкость системы.

КРУ среднего напряжения UniGear Digital успешно используются в Китае, Великобритании, Германии, Финляндии и других странах.

Благодаря внедрению «умных» сетей человечество вступит в новую фазу существования, которая будет характеризоваться гармоничным взаимодействием с окружающей средой, улучшением качества жизни и общим экономическим подъёмом.

¹От англ. smart — умный и grid — энергосистема. Также часто встречается термин Intelligrids, который имеет аналогичное значение.

Статья предоставлена пресс-службой компании «АББ»