Новые мультиконтактные коммутационные системы и построение на их базе структуры интеллектуальных распределительных электрических сетей

Введение. Развитие элект^ических сетей п^оисходит в условиях ши^окого внед^ения инфо^матизации, ^оботизации, циф^овизации всех сфе^ жизни. Поэтому элект^ические сети, как элемент, взаимосвязующий все технологические п^оцессы как п^оизводства, так и быта, так же необходимо п^иводить в соответствие т^ебованиям за^ождающейся циф^овой экономики. Новой концепцией элект^ических сетей являются так называемые «умные» или «интеллектуальные сети», «SMART GRID», пе^вые идеи и п^оекты кото^ых начали появляться за ^убежом в конце п^ошлого века [1, 2] и в настоящее в^емя активно п^одвигаются в ^азных ст^анах, особенно США, ЕС [3, 4].

Несколько ^азные подходы к пониманию те^мина интеллектуальной сети и его насыщению связаны с особенностями эне^госистем, сложившихся в ^азных ст^анах. Так, в США в качестве п^ио^итетных п^изнаков умной сети выделяют способность к самовосстановлению, устойчивость к кибе^атакам, появление новых услуг. В Ев^опе это способность подст^аиваться под нужды пот^ебителей, экономичность, доступность и безопасность. В России основной упо^ делается на наблюдаемость и возможность ^егули^ования состояния и ^ежимов ^аботы сети. [2, 5, 6] Во всех п^очтениях указывается обеспечение надежности элект^оснабжения пот^ебителей с учётом использования в возобновляемых источников эне^гии. В [2] п^иводится оп^еделение, объединяющее указанные особенности: «SMART GRID (умные сети) – это система пе^едачи элект^оэне^гии от п^оизводителя к пот^ебителю, кото^ая самостоятельно отслеживает и ^асп^еделяет потоки элект^ичества для достижения максимальной эффективности использования эне^гии. Используя сов^еменные инфо^мационные и коммуникационные технологии, всё обо^удование сетей Smart Grid взаимодействует д^уг с д^угом, об^азуя единую интеллектуальную систему эне^госнабжения. Соб^анная с обо^удования инфо^мация анализи^уется, а ^езультаты анализа помогают оптимизи^овать использование элект^оэне^гии, снизить зат^аты, увеличить надежность и эффективность эне^госистем».

Стоит согласиться в целом с п^едложенной т^актовкой понятия интеллектуальной сети. В то же в^емя, согласно оп^еделению, п^иведённому в [5] основной упо^ в России делается на цент^ализацию уп^авления сетью. Оп^еделение звучит так: «Интеллектуальная элект^оэне^гетическая система с активноадаптивной сетью (ИЭС ААС) п^едставляет собой элект^оэне^гетическую систему нового поколения, основанную на мультиагентном п^инципе о^ганизации и уп^авления ее функциони^ованием и ^азвитием с целью обеспечения эффективного использования всех ^есу^сов (п^и^одных, социально-п^оизводственных и человеческих) для надежного, качественного и эффективного эне^госнабжения пот^ебителей за счет гибкого взаимодействия всех ее субъектов (всех видов гене^ации, элект^ических сетей и пот^ебителей) на основе сов^еменных технологических с^едств и единой интеллектуальной ие^а^хической системы уп^авления». Особенности отечественной эне^госистемы, а это именно единое уп^авление, достаточно жёсткая система ие^а^хии, п^инадлежность подавляющего большинства элект^ических сетей одной ст^укту^е (ПАО «Россети») естественным об^азом т^ебуют именно такого оп^еделения. К^оме того, пока в России невелико количество эксплуати^уемых возобновляемых источников эне^гии, особенно с малой мощностью, ^аботающих на сеть. Это так же оказывает влияние на концепцию интеллектуальной сети.

Особенностями ^азвития отечественных концепций интеллектуальной сети является то, что они п^актически не ^ассмат^ивают под^обно сети низшего класса нап^яжения, до 1 кВ (в основном это сети 0,4 кВ), к кото^ым подключается подавляющее большинство бытовых и мелкомото^ных пот^ебителей, админист^ативных объектов. Получается ситуация, когда к умным сетям 0,4 кВ относят отдельные компоненты и уст^ойства, п^едназначенные, нап^име^, к уп^авлению обо^удованием т^ансфо^мато^ных подстанций (ТП) [10], или к элект^ическим сетям [9], п^ичём не всегда эти ^ешения даже можно отнести именно к интеллектуальным сетям, хотя они и нап^авлены на повышение надежности элект^оснабжения пот^ебителей (нап^име^, использование самонесущих изоли^ованных п^оводов или столбовых т^ансфо^мато^ов). Вст^ечаются студенческие публикации, в кото^ых декла^и^уется эффективность использования интеллектуальных сетей 0,4 кВ, но также нет какой-то конк^етной концепции данных сетей, не п^едлагается их ст^укту^а, набо^ основных компонентов [8].

Цель исследования – ^аз^аботка ст^укту^ы интеллектуальных ^асп^еделительных элект^ических сетей низшего нап^яжения на основе использования новых мультиконтактных коммутационных систем и умных систем монито^инга, конт^оля, учёта и уп^авления.

Основные принципы построения интеллектуальной сети низшего напряжения. Следует отметить, что п^инципы пост^оения интеллектуальной сети для ^азных классов нап^яжения подобны, с учётом некото^ых особенностей, главным из кото^ых, для ^асп^еделительных сетей, является непос^едственное п^исоединение пот^ебителей. Согласно [5], для сетей пот^ебителей и ^асп^еделительных сетей общего пользования важным является наличие:

автоматизи^ованной

системы

уп^авления

эне^гопот^еблением со сто^оны ЭЭС, в т.ч. с вовлечением потребителей-регуляторов к участию в режимном управлении;

• -    автоматизированной системы учета электропотребления;

• -    системы регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности;

• -    использования местных (резервных) источников генерации;

• -    интерфейса связи с единым центром управления;

• -    интеллектуальных энергосберегающих технологий в системах электроснабжения, в т.ч. «умный дом» - «умный город»;

систем автоматического конт^оля поузлового баланса активной и реактивной мощности (для распредсети);

• -    систем контроля качества электроэнергии в узлах сети (для распредсети);

• -    систем централизованного автоматического управления нагрузкой потребителей (для распредсети);

• -    управляемых сетевых элементов, изменяющих параметры сети (для распредсети);

• -    систем управления для поддержания баланса при выделении узлов на изолированную работу (для распредсети);

• -    систем контроля и управления надежностью электроснабжения (для распредсети).

Предлагаемые решения по построению интеллектуальных электрических сетей с использованием разработанных схем новых коммутационных систем. Следует отметить, что в пе^ечисленных системах не указаны непос^едственно системы обеспечения безопасности п^и эксплуатации сетей, системы уп^авления стоимостью элект^оэне^гии, системы монито^инга технического состояния элементов сети, системы автоматизации осуществления технологических п^исоединений и ко^^екти^овки догово^ов на п^исоединение. Конечно, косвенно эти аспекты входят в указанные выше системы, однако, на наш взгляд, они т^ебуют особого выделения, так как их наличие обеспечивает возможность дополнительных технико-экономических механизмов повышения эффективности электрических сетей.

Само понятие эффективности сетей так же не п^описано в публикациях и но^мативных документах, поэтому ^анее была п^едложена следующая т^актовка данного понятия [11]: «Эффективность системы электроснабжения - это характеристика совокупности источников и систем п^еоб^азования, пе^едачи и ^асп^еделения элект^ической эне^гии с позиции обеспечения пот^ебителей элект^ической эне^гией с минимально возможными изде^жками п^и условии соблюдения заданных па^амет^ов качества элект^оэне^гии и надежности элект^оснабжения, а так же соблюдения с^оков и качества технологических п^исоединений». То есть создание интеллектуальной сети должно обеспечивать минимизацию изде^жек п^и функциони^овании системы элект^оснабжения с учётом указанных в определении эффективности условий.

Это возможно только в том случае, когда интеллектуальность сети позволяет создать технико-экономические механизмы, стимули^ующие как эне^гетические компании, занимающиеся п^оизводством, пе^едачей, ^асп^еделением и сбытом элект^оэне^гии, так и пот^ебителей к достижению заданных па^амет^ов функциони^ования системы элект^оснабжения. П^едлагается все зат^аты, возникающие п^и функциони^овании систем элект^оснабжения делить на катего^ии обеспечивающих (те, кото^ые непос^едственно используются на техническую часть системы элект^оснабжения, на её моде^низацию и т.п.) и на стимули^ующие (те, кото^ые включают в себя санкции за на^ушение заданных условий качества элект^оэне^гии, надежности, с^оков и качества осуществления техп^исоединений, элект^обезопасности и т.д.). Именно и только в интеллектуальном ва^ианте элект^ических сетей возможно осуществление технико-экономических механизмов, нап^авленных, как указано выше, на стимули^ование всех сто^он к повышению эффективности сетей [11, 12]. П^име^ом подобного механизма может служить ко^^екти^овка стоимости элект^оэне^гии в зависимости от её качества, предложенная в [13, 14].

Важным п^и создании интеллектуальных сетей является то, что возникает необходимость ^аз^аботки новых элементов сети, новых уст^ойств, позволяющих осуществлять функции монито^инга, уп^авления, конт^оля, связи, коммутации и т.д. Такие ^ешения должны ^аз^абатываться для ^азных ва^иантов исполнения схем сетей. Более того, ^аз^абатываемая ст^укту^а сети должна давать возможность автоматического изменения конфигу^ации сетей в ши^оких п^еделах для обеспечения высокой надёжности элект^оснабжения пот^ебителей, выделения пов^ежденного участка сети, возможности самовосстановления сети. П^едлагаемая ст^укту^а должна обеспечить возможность ^аботы сети с дополнительными источниками гене^ации, в том числе с возобновляемыми источниками эне^гии. Указанные выше системы безопасности, ко^^екти^овки стоимости, регулирования должны входить в структуру сети.

П^едлагаемая ст^укту^а интеллектуальной ^асп^еделительной элект^ической сети низшего нап^яжения, не соде^жащая дополнительных источников гене^ации, показана на ^исунке 1. Особенностью п^едставленной на ^исунке сети является то, что питание пот^ебителей осуществляется от двух т^ансфо^мато^ных подстанций (ТП), нап^име^ нап^яжением 10/0,4 кВ. П^и этом в но^мальном ^ежиме питание пот^ебителей 1, 2, 3, 8, 9 п^оизводится от ТП 1, а пот^ебители 4, 5, 6, 7, 10, 11 – от ТП 2. Разделение сети п^оисходит с помощью секциони^ующего пункта, оснащенного функцией АВР (СПАВР). В но^мальном ^ежиме ^аботы он отключен. СПАВР оснащен системами умного учёта (КУУ), осуществляющей учёт пот^еблённой элект^оэне^гии, количества в^емени включенного/выключенного состояния СПАВР, количества и видов действия с^едств автоматики СПАВР, конт^оль показателей качества элект^оэне^гии и учёт в^емени отклонения показателей качества элект^оэне^гии от но^ми^ованных значений. Так же СПАВР оснащён системой дистанционного конт^оля и уп^авления. Оснащение указанными системами данного и д^угих аппа^атов показано с помощью соответствующих символов (см. ^исунок 1).

С целью повышения надежности элект^оснабжения всех пот^ебителей в схеме сети так же п^едусмот^ена установка новых коммутационных с^едств – мультиконтактных коммутационных систем (МКС) с ^азным числом выходов. Эти системы позволяют осуществлять независимое уп^авление силовыми контактами, за счёт чего изменяется конфигу^ация элект^ической сети. Так же в сети установлены уст^ойства секциони^ования и уст^ойства АВР, обеспечивающие ^езе^вное питание пот^ебителей от непов^ежденного участка сети. Пот^ебители элект^оэне^гии показаны по одному на участке сети, но следует понимать, что это могут быть и г^уппы пот^ебителей.

П^име^ сети показан таким об^азом, что в неё установлены ^азные виды МКС, с^едств секциони^ования и АВР. Это позволяет п^одемонст^и^овать ши^окие возможности повышения надёжности элект^оснабжения пот^ебителей. П^и этом в ^еальной сети могут использоваться как все показанные уст^ойства, так и часть их, в зависимости от т^ебуемой конфигу^ации сети, т^ебуемой надёжности, ха^акте^истик п^опускной способности и т.п.

Действие каждого аппа^ата отслеживается системами учёта и конт^оля. Каждый аппа^ат может дистанционно уп^авляться. Для этого осуществляется связь аппа^атов с блоками об^аботки инфо^мации и уп^авления (БОИиУ) т^ансфо^мато^ных подстанций ТП1 и ТП2 (БОИиУ1 и БОИиУ2 соответственно), а так же единым блоком об^аботки инфо^мации и уп^авления (БОИиУ). Каналы связи могут быть о^ганизованы ^азными способами. Это и JPS, JPRS, ^адиочастоты, PLC- модемы и т.п. К^оме того, мик^оконт^олле^ные (или мик^оп^оцессо^ные) блоки уп^авления уст^ойств должны иметь алго^итмы ^аботы п^и отсутствии связи. Эти алго^итмы могут быть пост^оены на использовании анализа п^изнаков ^ежимов ^аботы сети, под^обно ^ассмот^енных, нап^име^, в [15].

Т^ансфо^мато^ные подстанции укомплектованы следующими системами автоматики, конт^оля и уп^авления:

• -    системы (комплекты обо^удования) оп^еделения мест пов^еждений в ЛЭП и ТП - ОМП;

• -    системы (комплекты обо^удования) ^егули^ования па^амет^ов качества элект^оэне^гии (в т.ч. с^едства адаптивного автоматического ^егули^ования нап^яжения, нап^име^ [16]) – РПКЭ;

• -    системы (комплекты обо^удования) автоматизации подстанции (АВР, АПВ, А^Р, пе^е^асп^еделение наг^узки по шинам, комплекты РЗиА и т.п.) – БАП (блок автоматизации подстанции);

• -    системы (комплекты обо^удования), обеспечивающие безопасность на подстанции (защита от об^атной т^ансфо^мации п^и несанкциони^ованной подаче нап^яжения с низкой сто^оны, с^едства конт^оля ^асстояния от ^аботника до частей ТП, находящихся под нап^яжением и т.п.) – ББП (блок безопасности подстанции);

• -    системы (комплекты обо^удования) автоматического ^егули^ования (компенсации) ^еактивной мощности – КРМ;

• -    системы умного учёта – КУУ. Система КУУ описана ^анее п^и описании СПАВР. Но КУУ ТП имеет ту особенность, что учитывают ^аботу систем автоматики ТП, ^ежимы ^аботы, заг^узки т^ансфо^мато^а, а так же осуществляют учёт элект^оэне^гии по каждой отходящей линии, на вводах т^ансфо^мато^а по высокой и низкой сто^оне. На основе изме^ений на ТП и пос^едством связи с КУУ пот^ебителей и коммутационных уст^ойств, установленных в сети, системы КУУ оп^еделяют поте^и элект^оэне^гии в силовом т^ансфо^мато^е, в каждой ЛЭП с ^анжи^ованием, для т^ансфо^мато^а, на поте^и холостого хода и ко^откого замыкания, а в целом (в том числе отдельно по участкам ЛЭП) – на технические и комме^ческие;

• -    д^угие системы по ме^е их ^аз^аботки.

Инфо^мация со всех указанных и пе^спективных систем должна пе^едаваться в БОИиУ1, БОИиУ2, кото^ые должны иметь канал связи между собой, а также в БОИиУ, а затем в единый цент^ уп^авления (им может быть диспетче^ская сетевой о^ганизации). Это позволяет осуществлять дистанционный конт^оль ^аботы ТП и, п^и необходимости, дистанционное уп^авление.

Вводы всех пот^ебителей оснащены системой КУУ, что позволяет, как указано выше, оп^еделять значения поте^ь элект^оэне^гии, в^емя пе^е^ывов в элект^оснабжении, отслеживать ^аботу с^едств защиты и автоматики сети пот^ебителя, выявлять несанкциони^ованное подключение элект^оп^ибо^ов (нап^име^, сва^очного т^ансфо^мато^а), выявлять несанкциони^ованное подключение гене^ато^ов без соблюдения п^авил безопасности и т.п. К^оме того, КУУ пот^ебителей позволяет осуществлять ко^^екти^овку стоимости элект^оэне^гии в зависимости от её качества, в зависимости от количества и п^одолжительности пе^е^ывов в элект^оснабжении, д^угих факто^ов. Должна быть обеспечена возможность п^едва^ительной оплаты элект^оэне^гии и д^угие пе^спективные функции.

Линии элект^опе^едачи, не зависимо от их исполнения (кабельные или воздушные) оснащаются системами дистанционного монито^инга технического состояния (состояние изоляции, за^астание, наклон опо^ и т.п.), пе^едающими данные о состоянии элементов ЛЭП на БОИиУ и, соответственно в ЕЦУ.

В случае ава^ийной ситуации на одном из участков ЛЭП, на основе полученных данных от систем конт^оля и уп^авления, систем монито^инга и учёта п^оисходит автоматическое уп^авление коммутационным обо^удованием сети. То есть конфигу^ация сети изменяется благода^я пе^еключениям контактов МКС, СП, СПАВР, АВР таким об^азом, чтобы изоли^овать пов^еждённый участок и обеспечить питание пот^ебителей по ^езе^вным участкам.

П^име^, п^иведённый на ^исунке 1 не исче^пывает всех возможностей использования п^едставленных систем, в зависимости от необходимых па^амет^ов надёжности можно конст^уи^овать схему сети. П^инципы пост^оения сети и виды коммутационных аппа^атов, п^едставленные на ^исунке, могут быть использованы и в сетях д^угих классов нап^яжения.

Рисунок 1 – Ст^укту^а интеллектуальной сети низшего нап^яжения, не соде^жащей дополнительных источников гене^ации.

На ^исунках 2 и 3 п^едставлены схемы сети, соде^жащей источники гене^ации, в качестве кото^ых могут выступать возобновляемые источники эне^гии (ВИЭ), такие как биогазовые установки (БГУ), солнечные элект^останции (СЭС), вет^оэлект^останции (ВЭС), дизельные (бензиновые) элект^останции (ДЭС) и д^угие.

В этом случае возникает необходимость более гибкого уп^авления конфигу^ацией элект^ической сети. Для этого ^аз^аботана мультиконтактная коммутационная система с мостовой схемой (МКСМ), кото^ая так же может иметь несколько выходов. В данном п^име^е п^иведена МКСМ с 4-мя выводами, хотя их может быть и 3, и более 4-х. Это уст^ойство позволяет осуществлять целый ^яд пе^еключений в сети, выполнить кото^ые д^угими с^едствами или невозможно, или не^ационально. Могут использоваться и комбинации этих уст^ойств, как это показано на ^исунке 2 (уст^ойства МКСМ-4 с ^имскими номе^ами I и II).

Рисунок 2 – Ст^укту^а интеллектуальной сети низшего нап^яжения соде^жащей дополнительные источники гене^ации.

Рисунок 3 – П^име^ использования мультиконтактных коммутационных систем для ^аз^аботки мик^осетей, соде^жащих ВИЭ

Так, совместная ^абота МКСМ-4 I, МКСМ-4 II и д^угих уст^ойств позволяет выполнять ^азличные комбинации питания пот^ебителей и использования источников гене^ации. Нап^име^ возможно запитать от ВИЭ всех типов только пот^ебителя №3. В это в^емя все остальные пот^ебители будут питаться от ТП 1 и ТП2. Не станем описывать все возможные конфигу^ации сетей, отметим только, что п^едлагаемый подхода к пост^оению сети позволяет получить их ог^омное количество, п^ичём, по с^авнению с т^адиционными ва^иантами сетей, с использованием ЛЭП меньшей п^отяжённости. Конечно, ^еализация всех этих ва^иантов возможна только п^и условии оснащения сети интеллектуальными системами уп^авления.

На ^исунке 3 п^едставлен ва^иант, на кото^ом показано использование МКС в комбинации с д^угими коммутационными аппа^атами для создания мик^осети, основными источниками элект^оэне^гии в кото^ой являются ВИЭ, а также имеется сетевой ^езе^в от ТП. Схема позволяет питать всех пот^ебителей от любого из источников элект^оэне^гии. Имеется возможность накопления элект^оэне^гии. ТП, как и все д^угие источники элект^оэне^гии в схеме можно заменить. Нап^име^, вместо ТП установить ДЭС.

Безусловно, п^едлагаемые ^ешения по выполнению интеллектуальных сетей и по п^именению новых коммутационных систем следует ещё п^ове^ять п^актикой и математическим модели^ованием. Однако, в ^езультате п^оведенной ^аботы выявлены новые задачи по ^аз^аботке коммутационных аппа^атов и систем уп^авления ими, по ^аз^аботке систем монито^инга, учёта, уп^авления, безопасности, необходимых для всех элементов элект^ических сетей. Поэтому авто^ п^иглашает к сот^удничеству всех заинте^есованных п^оизводителей коммутационных аппа^атов, мик^оп^оцессо^ных и мик^оконт^олле^ных систем уп^авления и конт^оля, п^оизводителей п^ог^аммного обеспечения, п^едставителей сетевых о^ганизаций, учёных для обсуждения и ^аботы над созданием компонентов интеллектуальных элект^ических сетей, использующих новые коммутационные системы как для сетей низшего, так и д^угих классов нап^яжения.

Заключение.

По итогам выполненного исследования можно сделать следующие выводы:

• 1.    В лите^ату^ных источниках п^иводится достаточно большое число концепций пост^оения интеллектуальных элект^ических сетей. Однако сети низшего нап^яжения в этом отношении ^ассмот^ены го^аздо менее конк^етно, отсутствуют ^ешения по созданию коммутационной аппа^ату^е для обеспечения изменяемой в ши^оких п^еделах конфигу^ации элект^ических сетей. В имеющихся концепциях интеллектуальных сетей п^едусмат^ивается далеко не весь спект^ с^едств монито^инга, конт^оля, учёта и уп^авления.

• 2.    Раз^аботаны новые мультиконтактные коммутационные системы для п^именения в элект^ических сетях, позволяющие, п^и использовании умных систем конт^оля, монито^инга, учёта и уп^авления изменять конфигу^ацию сети в ши^оких п^еделах, обеспечивая высокую степень надёжности элект^оснабжения пот^ебителей.

• 3.    П^едложенные подходы к пост^оению интеллектуальных элект^ических сетей актуальны как п^именительно к сетям, получающим питание от цент^ализованных систем элект^оснабжения, так и к мик^осетям, включающим в себя возобновляемые источники эне^гии, дизельные и д^угие малые элект^останции.

• 4.    П^иглашаются к сот^удничеству все заинте^есованные п^оизводители коммутационных аппа^атов, мик^оп^оцессо^ных и мик^оконт^олле^ных систем уп^авления, учёта, монито^инга и конт^оля, п^оизводители п^ог^аммного обеспечения, п^едставители сетевых о^ганизаций, учёные для обсуждения и ^аботы над созданием компонентов интеллектуальных элект^ических сетей, использующих новые коммутационные системы как для сетей низшего, так и д^угих классов нап^яжения.

https://www.energy.gov/oe/activities/technology-development/grid- modernization-and-smart-grid Дата об^ащения 19.09.2018г.

NEW MULTI-CONTACT SWITCHING SYSTEMS AND

Sciences, center FNAC VIM, Moscow, Russia