Обзор оборудования автоматизации трансформаторных подстанций 6-20/0,4 кВ и структурная схема цифровой трансформаторной подстанции

Введение. Общее количество трансформаторных подстанций распределительного электросетевого комплекса, находящихся в эксплуатации, составляет более 489 тысяч, в том числе: - напряжением 110-220 (330) кВ - 6 982 ед.; - напряжением 35 кВ - 7 332 ед.; -напряжением 6-20 кВ - 475 027 ед. [1]. Активное развитие цифровизации электрических сетей напрямую затрагивает и подстанционное оборудование. Появилось понятие цифровой подстанции (ЦПС). Это, согласно [2], подстанция с широким внедрением систем автоматизации и управления, цифровых коммуникационных систем, построенных на базе открытых протоколов международного стандарта МЭК 61850. Строятся ЦПС, как правило, классов напряжения 110 кВ и выше, разработаны нормативные документы по ним [3].

Осуществляется и автоматизация, оснащение телеметрией трансформаторных подстанций 6-20/0,4 кВ, проводятся научные исследования в данной теме. В частности, в [4] приведены желательные функции цифровой трансформаторной подстанции (ЦТП) 6-20/0,4 кВ. К основным из них отнесены: дистанционное и автоматическое управление коммутационными аппаратами, установленными на ТП; дистанционный контроль режимов работы оборудования ТП, отходящих ЛЭП; контроль показателей качества электроэнергии на высокой и низкой стороне ТП, в отходящих ЛЭП; адаптивное автоматическое регулирование напряжения в сети 0,4 кВ [11]; автоматическое адаптивное регулирование реактивной мощности в сети; определение мест повреждений в отходящих ЛЭП; контроль надёжности электроснабжения потребителей с помощью оснащения ТП системами мониторинга надёжности и качества электроэнергии; контроль загрузки силовых трансформаторов и оценка потерь электроэнергии в них с ранжированием на потери холостого хода и короткого замыкания в процессе функционирования ТП; предотвращение несанкционированной подачи в сеть 10 кВ напряжения от сети 0,4 кВ посредством обратной трансформации; осуществление алгоритмов АПВ и АВР на ТП и отходящих ЛЭП с учётом возможности запрета их работы на аварийный участок [4].

Материалы и методы. В статье выполнен обзор ранка оборудования для автоматизации трансформаторных подстанций 6-20/0,4 кВ, предложена концептуальная структурная схема цифровой трансформаторной подстанции.

Результаты и обсуждение. Ряд компаний предлагает оборудование для цифровизации трансформаторных подстанций 6-10/0,4 кВ. Так, компания АО ГК «Системы и технологии» представляет широкий спектр оборудования для цифровизации трансформаторных подстанций 6-10/0,4 кВ [5]:

• -    устройства сбора и передачи данных (к устройствам сбора и передачи данных относятся разного вида контроллеры, предназначенные для автоматизации учета энергоресурсов и диспетчеризации объектов энергетики (например: SM160-02, SM1-02M));

• -    информационно-вычислительные комплексы (комплексы информационновычислительные (ИВК) предназначены для измерений электрической энергии, мощности, коммерческого и технического учёта энергоресурсов, сбора, обработки, хранения, отображения и передачи полученной информации (ИВК Пирамида));

• -    счетчики электроэнергии (счетчики однофазные/трехфазные предназначены для измерения и учёта активной и реактивной электрической энергии. Позволяют контролировать такие параметры как: фазные токи; частота сети; отключение частоты; активная мгновенная мощность по каждой фазе; реактивная мгновенная мощность по каждой фазе; полная мгновенная мощность по каждой фазе; положительного и отрицательного отклонения напряжения; фазные напряжения (например:ST1000-9;ST2000-12));

• -    комплексы телемеханики (комплексы устройств телемеханики многофункциональные (КТМ) предназначены для построения распределённых систем

диспетчерского и автоматического контроля и управления территориально распределенными технологическими объектами);

• -    устройства синхронизации времени (предназначены для обеспечения единого времени в автоматизированных информационно-измерительных системах).

Представленное оборудование позволяет выполнять ряд функциональных возможностей для организации автоматизированной информационно-измерительной системы коммерческого учета электроэнергии и мощности (АИИС КУЭ), комплексов устройств телемеханики многофункциональных и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) [5].

Компания ООО «Энтелс» имеет ряд разработанных решений для автоматизации трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ, предназначенных для автоматизации учета, диспетчеризации, энергомониторинга и контроля доступа на трансформаторные пункты. Данные решения разработаны совместно с компанией "Россети Центр" и внедряются в рамках проектов по цифровизации распределительных сетей [6].

Оборудование данной компании позволяет получать информацию с приборов учета (фазные токи; частота сети; отключение частоты; активная мгновенная мощность по каждой фазе; реактивная мгновенная мощность по каждой фазе; полная мгновенная мощность по

Агротехника и энергообеспечение. - 2023. - № 3 (40) И⁴⁹

каждой фазе; положительного и отрицательного отклонения напряжения; фазные напряжения), датчиков, устройств охранной сигнализации и контролировать наличие напряжения на отходящих присоединениях [6]. Для этого на ТП 6-10/0,4кВ устанавливается шкаф, предназначенный для организации учета электроэнергии и диспетчеризации. Шкаф оборудован контроллером (например: КМ ЭНТЕК), модулем контроля наличия напряжения фаз и счетчиков электроэнергии косвенного включения (например: Меркурий 230) [6]. Шкаф контролирует такие параметры как: дискретные сигналы; напряжение по фазам отходящих фидеров; телеизмерения со счетчиков электроэнергии косвенного включения на вводе 0,4 кВ в ТП; а так же в некоторых модификациях осуществляется контроль телеизмерений со счетчиков, устанавливаемых у абонентов, по интерфейсу PLC [6].

Компания НПО «МИР» представляет широкий спектр оборудования для цифровизации трансформаторных подстанций 6-10/0,4 кВ [7]:

• -    интеллектуальные приборы учета (приборы учета для многотарифного учета активной и реактивной энергии прямого и обратного направлений в однофазных и трехфазных цепях переменного тока. Позволяют измерять такие параметры как: напряжение; ток; активную и реактивную энергию; изменение параметров качества электроэнергии; измерение тока в нейтрали; установившееся отклонение напряжения; положительное и отрицательное отклонение напряжения; отклонение значения основной частоты напряжения; провалы напряжения и перенапряжения; прерывания напряжения (например:МИР С-03.Б));

• -    контроллеры и оборудование для передачи данных (контроллеры предназначены для использования в качестве контроллера присоединения, объектового контроллера или коммуникационного шлюза при создании АСУ ТП или систем телемеханики. Выполняют функции контроллера, а так же осциллографирования, измерение параметров электрической сети (например: КПР-01М));

• -    коммуникаторы предназначены для автоматического сбора информации с приборов учета электроэнергии, многофункциональных измерительных преобразователей и других интеллектуальных устройств (ИУ) (например: МИР МК-01.А);

• -    модули ввода-вывода предназначены для сбора и обработки дискретных сигналов и выдачи дискретных команд управления в составе комплексов и систем автоматизации технологических процессов (например: МИР МВ-01);

• -    преобразователи измерительные предназначены для измерения электрических параметров (сила тока, напряжение, мощность) и преобразования измеренных значений в единые унифицированные токовые сигналы для систем контроля и управления (например: серия «МИР»).

Компания «ОВЕН» производит следующие оборудование для цифровизации трансформаторных подстанций 6-10/0,4 кВ [8]:

• -    контроллеры для диспетчеризации и телемеханики (рекомендованы для построения систем телемеханики АСУ ТП электрической подстанции (35/6(10)/0,4 кВ). Позволяют производить сбор со счетчиков текущих (показания, измерения) и архивных (энергия, профили мощности) данных, журналов событий счетчиков для передачи на любой верхний уровень (например ПЛК 110-30-ТЛ [М02]));

• -    средства измерения или контроллеры для учета ресурсов (контроллеры для учета ресурсов предназначены для считывания данных коммерческого и/или технического учёта со счётчиков по последовательным интерфейсам и передачи полученной информации на

верхний уровень по каналам GPRS и Ethernet. Используются в системе учета электрической подстанции (0,4/6(10)/35 кВ) (например: КСОД));

• -    SCADA-система (инструмент для проведения полного цикла работ по настройке сбора данных и управлению, заданию алгоритмов обработки, формированию сигналов тревог, настройке баз данных истории, формированию технологических и оперативных схем отображения информации (например: ОВЕН Телемеханика ЛАЙТ);

• -    модемы для удаленного обмена данными (Позволяют через беспроводные системы связи стандарта GSM производить удаленный обмен данными с оборудованием, оснащенным последовательными интерфейсами связи RS232 или RS485 (например: ПМ01));

• -    модули ввода (модули предназначены для измерения унифицированных аналоговых сигналов встроенными аналоговыми входами, преобразования измеренных величин в значение физической величины и последующей передачи этого значения по сети RS-485 (например, МВ110));

• -    модули измерения электрической сети (модули предназначены для измерения напряжения, силы тока, частоты, мощности, фазового угла и коэффициента мощности в трехфазных сетях и передачи результатов измерений в сеть по RS-485 (например МЭ110)).

Представленное оборудование позволяет выполнять ряд функциональных возможностей для организации комплексов устройств телемеханики многофункциональных и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) [8].

Оборудование, компаний АО ГК «Системы и технологии», ООО «Энтелс», «ОВЕН», НПО «МИР», не обеспечивает большинства перечисленных выше функций, которые ЦТП 610/0,4 кВ.

Предложена концептуальная структурная схема ЦТП 6-10/0,4 кВ (рисунок 1) описанная в [9].

Структурная схема ЦТП содержит: датчики напряжения (ДН 1, ДН 6, ДН 10, ДН 14, ДН 17, ДН 20, ДН 26, ДН 32); датчики тока (ДТ 7, ДТ 11, ДТ 18, ДТ 24, ДТ 30); датчики положения коммутационных аппаратов (ДП 3, ДП 4, ДП 13, ДП 15, ДП 22, ДП 23, ДП 27, ДП 29, ДП 34, ДП 35, ДП 51); блок контроля тока (БКТ 45); блок контроля напряжения (БКН 46); блок контроля положения коммутационных аппаратов (БКПКА 44); блок бесперебойного питания (ББП 48); датчики параметров режимов работы потребителей (ДПРРп 36, ДПРРп 39); коммутационный элемент для создания видимого разрыва на напряжение 10 кВ (КЭ 10кВ 2); коммутационные элементы для создания видимого разрыва на напряжение 0,4 кВ (КЭ 0,4кВ 12, КЭ 0,4кВ 21, КЭ 0,4кВ 28, КЭ 0,4кВ 33); вакуумный коммутационный элемент с возможностью дистанционного управления на напряжение 10 кВ (ВКЭ 10 кВ 5); вакуумный коммутационный аппарат с возможностью дистанционного управления на напряжение 0,4 кВ (ВКЭ 0,4 кВ 16, ВКЭ 0,4 кВ 19, ВКЭ 0,4 кВ 25, ВКЭ 0,4 кВ 31,); устройства сбора, приема и передачи данных потребителей (УСППДп 37, УСППДп 40) ; блок регулирования напряжения (БРН 8); блок регулирования реактивной мощности (БРРМ 42); силовой двухобмоточный трансформатор с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (Т 9); батарея конденсаторов с переменной ёмкостью (БКПЕ 50); устройство сбора, приема и передачи данных (УСППД 49); блок контроля и управления трансформаторной подстанцией (БКиУТП 47); Потребители (Потр 38, Потр 41).

Рисунок 1 - Концептуальная структурная схема ЦТП 6-10/0,4 кВ

Датчики напряжения осуществляют контроль напряжения в точках их установки и передачу данных о значениях напряжения в блок контроля напряжения. Блок контроля напряжения БКН46 осуществляет первичную обработку получаемых данных, выявляя отклонения напряжения, исчезновения, прерывания, искажения напряжения, несимметрию по напряжению и выполняет передачу информации об этом (и о точке, в которой произошёл данный факт), а также значения напряжения во всех контрольных точках в блок контроля и управления трансформаторной подстанцией [9].

Датчики тока осуществляют контроль значений тока в точках их установки и передачу информацию о значениях тока в блок контроля тока БКТ45. БКТ45 осуществляет первичную обработку полученных данных о значениях тока, выявляя точки, в которых произошло превышение заданных значений тока, появился ток короткого замыкания, имеются факты несимметрии по току. Далее БКТ45 передаёт информации, в том числе значения тока во всех контрольных точках, в блок контроля и управления трансформаторной подстанцией БКиУТП47 [9].

Датчики положения коммутационных аппаратов осуществляют контроль положения коммутационных аппаратов и передачу данных в БКПКА 44. БКПКА 44 осуществляет обработку данных с датчиков положения коммутационных аппаратов и передачу информации в БКиУТП47.

Блок бесперебойного питания обеспечивает бесперебойное питание компонентов сети.

Датчики параметров режимов работы потребителей осуществляют контроль значений тока, напряжения, потребления электроэнергии в точках присоединения потребителей и передачу данных в устройства сбора, приёма и передачи данных потребителей. Устройства сбора, приёма и передачи данных потребителей осуществляют сбор, приём и передачу данных о значениях тока и напряжения в точках присоединения потребителей по каналу связи в БКиУТП47 [9].

Блок регулирования напряжения осуществляет активно-адаптивное регулирование напряжения [10] с учётом значения напряжения на шинах подстанции и напряжения в точках присоединения потребителей по алгоритмам, сформированным в блоке контроля и управления трансформаторной подстанцией [9].

Блок регулирования реактивной мощности осуществлет активно-адаптивное регулирование реактивной мощности с учётом значения напряжения на шинах подстанции и напряжения в точках присоединения потребителей, значения реактивной мощности в сети по алгоритмам, сформированным в блоке контроля и управления трансформаторной подстанцией [9].

Блок контроля и управления трансформаторной подстанцией БКиУТП47 осуществляет обработку информации, получаемой с БКТ45, БКН46, БКПКА44, от УСПД потребителей, информации и команд, поступающих от УСПД49 и на основании этого формирует сигналы управления коммутационными аппаратами с возможностью дистанционного управления, блоком регулирования напряжения, блоком регулирования реактивной мощности. В БКиУТП47 заложены алгоритмы активно-адаптивного регулирования напряжения, активно-адаптивного регулирования реактивной мощности, сигнализации и блокировки от обратной трансформации при несанкционированной подаче напряжения со стороны низкого напряжения трансформаторной подстанции, в том числе со стороны отходящих линий [11, 12], алгоритмов автоматического повторного включения коммутационных аппаратов отходящих линий в необходимых случаях, осуществляющий учёт потребляемой электроэнергии по отходящим линиям и на вводах высокого и низкого напряжения трансформаторной подстанции с выделением потерь электроэнергии в силовом трансформаторе и отходящих линиях, учёт количества и продолжительности отключений по отходящим линиям и по трансформаторной подстанции, а также другие заложенные в него алгоритмы контроля, мониторинга, учёта и управления [9].

Выводы:

Оборудование автоматизации и телемеханики для ТП 6-20/0,4 кВ, представленное на отечественном рынке, не обеспечивает выполнения многих функций, необходимых для реализации ЦТП 6-10/0,4 кВ.

Предложенная концептуальная структурная схема ЦТП 6-10/0,4 кВ, позволяет повысить наблюдаемость сети 0,4-20кВ, эффективность диспетчерского управления сетями. Это, в свою очередь, ускорит ликвидацию нарушений и аварий и снизит недоотпуск электроэнергии за счет получения оперативной информации о состоянии оборудования и возможности оперативного управления объектом, а также снизит потери электрической энергии и мощности. Также особенностью схемы является применение вакуумных коммутационных элементов на стороне 0,4 кВ для обеспечения возможности дистанционного управления отходящими линиями, реализации функции АПВ.