Структурная схема прототипа цифровой трансформаторной подстанции

Введение. Количество трансформаторных подстанций (ТП) напряжением 6-20 кВ составляет по ПАО Россети более 475 тысяч штук [1]. Только в филиале ПАО «Россети Центр»-«Орёлэнерго» эксплуатируется более 5800 ТП 10/0,4 кВ [2]. Как правило это ТП с низкой степенью автоматизации. Они не оснащены управляемыми коммутационными аппаратами, редко оснащаются средствами мониторинга параметров режимов работы, таких как напряжение, ток в разных точках схемы ТП. В то же время развивается цифровизация подстанций (ПС) более высокого класса напряжения, так называемых цифровых [3, 4].

К перспективным функциям цифровой трансформаторной подстанции (ЦТП) 6-20/0,4 кВ 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; 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 [5].

Имеются на рынке предложения и по цифровизации трансформаторных подстанций 6-10/0,4 кВ. Это спектр устройств сбора и передачи данных, информационновычислительных комплексов, «умных» счетчиков электроэнергии, устройств телемеханики, устройств синхронизации времени [5, 6].

Решения «ЭНТЕЛС» для автоматизации трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ, предназначенные для автоматизации учета, диспетчеризации, энергомониторинга и контроля доступа на трансформаторные пункты внедряются в рамках проектов по цифровизации распределительных сетей [5, 7].

Широкий выбор оборудования автоматизации предлагают и компании НПО «МИР» [8], «ОВЕН» [9] и другие. Однако данное оборудование не обеспечивает многих перечисленных перспективных функций ЦТП 6-10/0,4 кВ и не объединяется в единую систему автоматизации ТП 10/0,4 кВ [5].

Предложены варианты структурных схем ЦТП 6-10/0,4 кВ, обеспечивающие выполнение всех указанных функций, например [10]. В то же время выполнение таких требований, как адаптивное автоматическое регулирование напряжения в сети 0,4 кВ и автоматическое адаптивное регулирование реактивной мощности в сети требует значительных капитальных вложений, так как регулирование напряжения требует установки трансформатора с устройством регулирования под нагрузкой (РПН), а управление реактивной мощности – установки конденсаторных батарей. Этот функционал перспективен при создании новых ЦТП. Кроме того, использование компенсирующих устройств на ТП вполне отработано, имеются существующие устройсва для его осуществления. Модернизация же существующих ТП 10/0,4 кВ позволит без вложения средств в регулирование напряжения и реактивной мощности обеспечить выполнение других указанных выше функций с гораздо меньшими затратами. Разрабатываемый прототип ЦТП 10/0,4 кВ не предполагает выполнения решений по регулированию напряжения и реактивной мощности. К отрабатываемым функциям прототипа отнесены: дистанционное и автоматическое управление коммутационными аппаратами; дистанционный контроль режимов работы оборудования ТП; контроль показателей качества электроэнергии на высокой и низкой стороне ТП, в отходящих ЛЭП; определение мест повреждений в отходящих ЛЭП; контроль надёжности электроснабжения потребителей, питаемых от отходящих линий; контроль загрузки силовых трансформаторов; сигнализация и предотвращение несанкционированной подачи напряжения, в том числе посредством обратной трансформации; осуществление алгоритмов АПВ отходящих ЛЭП с учётом возможности запрета их работы на аварийный участок.

Материалы и методы. В статье предложена структурная схема прототипа цифровой трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ.

Результаты и обсуждение.

Структурная схема прототипа ЦТП (ПЦТП) показана на рисунке 1. Схема (рисунок 1) содержит: имитацию ввода 10 кВ (ИВ1); управляемый коммутационный аппарат, имитирующий управляемый разъединитель 10 кВ (УКА2); предохранители (ПР3); ограничитель перенапряжения ОПН4; силовой трансформатор Т5; коммутационные аппараты на стороне 0,4 кВ (КА6-КА8); управляемые коммутационные аппараты на стороне 0,4 кВ (УКА9-УКА11); микроконтроллерный блок управления прототипом цифровой трансформаторной подстанции (МБУПЦТП12); устройство сбора и передачи данных (УСППД13); блок бесперебойного питания (ББП14); датчики напряжения (ДН15-ДН20); датчики тока (ДТ21-ДТ23); датчики положения коммутационных аппаратов (ДП24-ДП30); модели нагрузок (МН31, МН32); «умный» прибор учёта (УПУ33).

ИБ1

Рисунок 1 - Структурная схема ПЦТП 10/0,4 кВ

Прототип может выполняться на напряжение 10/0,4 кВ, или, для повышения безопасности исследований, на напряжение 0,4/0,4 кВ. Во втором случае следует применять трансформатор 0,4/0,4 кВ с соответствующими применяемым силовым трансформаторам 10/0,4 кВ схемами соединения обмоток. Также в этом случае и другое оборудование на стороне, условно, 10 кВ имитирует работу реального оборудования 10 кВ, такого как управляемый разъединитель 10 кВ, предохранители, ОПН. На стороне 0,4 кВ в обоих вариантах ПЦТП используется оборудование, рассчитанное на применение в условиях реальных ТП 10/0,4 кВ. Модели нагрузок МН31 и МН32 позволяют моделировать различные сочетания нагрузок по их характеру (активная, активно-индуктивная и т.п.), графику работы, балансу по фазам и т.д.

Датчики напряжения и тока выполняют измерения в точках их установки и передают результаты в МБУПЦТП12. Также в МБУПЦТП12 поступают данные от датчиков положения. Прототипом датчиков могут быть устройства КМНОН v2.2, позволяющие измерять токи, напряжение и положение коммутационных аппаратов. Такие устройства разработаны в рамках выполнения научных работ по резонансной передаче электроэнергии для контроля коммутационных аппаратов 0,4 кВ [11].

В МБУПЦТП12 закладываются алгоритмы, которые, на основе полученных данных, позволяют анализировать все режимы работы ТП и установленного на ней оборудования, определять положение коммутационных аппаратов и их причины отключений, идентифицировать аварийные ситуации. МБУПЦТП12 выдаёт команды на отключение, включение соответствующих УКА, передаёт информацию в систему диспетчеризации сети с помощью УСППД13 и принимает команды диспетчера. С учётом достаточно высоких рисков подачи несанкционированного напряжения [12] и сцелью повышения электробезопасности в МБУПЦТП12 должны вноситься и алгоритмы осуществления сигнализации и блокировки подачи несанкционированного напряжения в электрическую сеть. Это позволяет решать все перечисленные выше перспективные функции ЦТП. При этом не требуется широкой номенклатуры оборудования автоматизации. В МБУПЦТП12 могут быть заложены и алгоритмы реализации адаптивного автоматического регулирования напряжения, и регулирования реактивной мощности в случае возможности выполнения данных функций оборудованием ПЦТП.

В качестве прототипа МБУПЦТП12 может применяться микроконтроллерный блок управления, применяемый на мультиконтактных коммутационных системах, разработанный в ФГБНУ ФНАЦ ВИМ [13]. Блок бесперебойного питания ББП14 обеспечивает бесперебойное питание МБУПЦТП12 и УСППД13.

Изготовление ПЦТП позволит выполнить предварительные лабораторные испытания, необходимые для реализации ЦТП, отработать алгоритмы мониторинга, контроля и управления ЦТП.

Выводы:

Реализация решений по цифровизации и автоматизации трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ требует создания их прототипа для проведения необходимых экспериментальных исследований, отработки алгоритмов автоматизации.

К отрабатываемым функциям прототипа отнесены: дистанционное и автоматическое управление коммутационными аппаратами; дистанционный контроль режимов работы оборудования ТП; контроль показателей качества электроэнергии на высокой и низкой стороне ТП, в отходящих ЛЭП; определение мест повреждений в отходящих ЛЭП; контроль надёжности электроснабжения потребителей, питаемых от отходящих линий; контроль загрузки силовых трансформаторов; сигнализация и предотвращение несанкционированной подачи напряжения, в том числе посредством обратной трансформации; осуществление алгоритмов АПВ отходящих ЛЭП с учётом возможности запрета их работы на аварийный участок.

Изготовление ПЦТП позволит выполнить предварительные лабораторные испытания, необходимые для реализации ЦТП, отработать алгоритмы мониторинга, контроля и управления ЦТП.