Структурная схема прототипа цифровой трансформаторной подстанции
Автор: Виноградов А. В., Букреев А. В., Сорокин Н. С.
Журнал: Агротехника и энергообеспечение @agrotech-orel
Рубрика: Электротехнологии, электрооборудование и энергоснабжение агропромышленного комплекса
Статья в выпуске: 1 (46), 2025 года.
Бесплатный доступ
Цифровизация, автоматизация сельских электрических сетей не реализуема без разработки соответствующих решений для трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ. Средства автоматизации должны обеспечивать наблюдаемость и управляемость трансформаторных подстанций данного класса напряжения, создания цифровых трансформаторных подстанций. В том числе должны быть обеспечены возможности дистанционного определения положения коммутационных аппаратов, причин их отключения, возможности управления некоторыми коммутационными аппаратами. Также следует обеспечивать выполнение функций контроля несанкционированной подачи напряжения и предотвращения обратной трансформации, контроля параметров режимов работы электрической сети в разных точках трансформаторной подстанции и ряд других функций. Реализация решений по цифровизации и автоматизации трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ требует создания их прототипа для проведения необходимых экспериментальных исследований, отработки алгоритмов автоматизации. В статье приведена разработанная схема прототипа цифровой трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ.
Трансформаторная подстанция, цифровая трансформаторная подстанция, сельские электрические сети, электроснабжение, схема
Короткий адрес: https://sciup.org/147251307
IDR: 147251307 | УДК: 621.3
Structural diagram of the prototype of a digital transformer substation
Digitalization, automation of rural electrical networks is not feasible without the development of appropriate solutions for 10/0.4 kV transformer substations. Automation tools should ensure the observability and controllability of transformer substations of this voltage class, the creation of digital transformer substations. In particular, the ability to remotely determine the position of switching devices, the reasons for their shutdown, the ability to control some switching devices should be provided. It is also necessary to ensure the performance of functions for monitoring unauthorized voltage supply and preventing reverse transformation, monitoring the parameters of the operating modes of the electrical network at different points of the transformer substation and a number of other functions. The implementation of solutions for digitalization and automation of 10/0.4 kV transformer substations requires the creation of their prototype to conduct the necessary experimental studies and develop automation algorithms. The article presents the developed prototype diagram of a 10/0.4 kV digital transformer substation.
Текст научной статьи 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.
