ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина VI, брой 1, 2014

Автоматизация на разпределителните подстанции в Smart Grid

Автоматизация на разпределителните подстанции в Smart Grid

снимка: ABB

Автоматизацията на подстанциите (SA) може да осигурява интегрирани функции за автоматизацията на електроразпределителната мрежа. Поради инсталиране на повече интелигентни електронни устройства (IED) необходимостта от тяхното управление и съответните усъвършенствани приложения е наложителна. Освен това, Smart Grid приложенията за интегриран напрежителен и капацитивен контрол (IVVC), изолиране на детектирани повреди и възстановяване (FDIR) в електроразпределителната автоматизация (DA), авангардната измервателна инфраструктура (AMI) и управлението на търсенето на електроенергия (DR), предлагат увеличена операционна функционалност за разпределителните подстанции и фидери.

Конвенционалните системи за автоматизация на подстанциите често се разглеждат отделно от защитните и контролните функции. Повишаващите подстанции често се автоматизират чрез инсталиране на устройства за отдалечен контрол (RTU), свързани към EMS/SCADA система с твърдо свързани входове и изходи в подстанцията и много малко автоматизирани приложения, които я правят по-автономна при неблагоприятни условия. Разпределителните подстанции са били свързвани много рядко към централна SCADA система и не са били достатъчно важни, за да бъдат автоматизирани. Дори съоръжения, които имат фидерна автоматизация (FA) като част от тяхната DA система често са били пренебрегвани при автоматизиране на разпределителните подстанции. През последните години някои съоръжения започнаха да събират данни от релейни защити с инсталирани в тях цифрови релета, свързани към централна SCADA система за визуализация и дистанционно управление. Бяха разработени и напълно интегрирани системи за автоматизация на подстанции с няколко интелигентни приложения. В допълнение, до съвсем скоро сигурността, базирана на потребителско име и парола, се е считала за напълно достатъчна. Дори различните нива на достъп, които могат да се постигнат със защита от такова ниво, не са били напълно използвани, като информацията за регистрация се е споделяла между инженерите, техниците и останалия персонал по поддръжка на мрежите. Това положение вече е променено значително във връзка със строгите изисквания на стандартите за надеждност и сигурност на критичната електроенергийна инфраструктура.

Съвременни функции за автоматизация на подстанциите в Smart Grid
След оценяване на ефективната архитектура на Smart Grid става ясно, че подстанцията трябва да има по-разширена роля в „интелигентността” на мрежите, отколкото в миналото. Подстанцията винаги е била важна за работата на мрежата и сега системата за автоматизация може да се превърне в ръководен център на Smart Grid. За да се случи това, наложително е създаването на стандарти, като пълната свобода на пазара в миналото при използване на регионални (IEEE) или глобални (IEC) стандарти трябва да бъде прекратена, за да бъдат обхванати всички ползи. Едно по-широко приемане на глобални стандарти би позволило на производителите на оборудване за автоматизация да се концентрират върху реални казуси и да предоставят оборудване (интелигентни електронни устройства, мрежово оборудване, софтуерни приложения) и решения, които ще повишат надеждността и ще подобрят работоспособността на електрическата мрежа.

Приемането на стандартизация в комуникационния протокол и системи, например IEC 61850, ще улесни използването на финансовите средства за развитие и внедряване за откриване на интелигентни преимущества за мрежите и получаване на една истинска Smart Grid. Основните групи от компоненти за постигане на тази цел включват интелигентни електронни устройства за приемане на сигнали от датчици, измервания и контрол на мрежови параметри и оборудване, комуникационни мрежи с оперативна съвместимост и софтуерни приложения на различни мрежови нива, включващи системата на подстанцията, която може да управлява другите съставни части на автоматизираната система.

В тази нова архитектура системата за автоматизация на подстанцията (SA) може да бъде разглеждана като децентрализиран център за управление, който дава възможност на мрежата да бъде по-ефикасна и по-надеждна локално, докато същевременно е свързана към по-високо интелигентно ниво с по-широка перспектива, например SCАDA/EMS/DMS системи. Запазвайки локалния характер на взетите решения по тези аспекти при съвместна работа на оборудването за автоматизация на подстанциите и фидерите, системите от по-високо ниво и комуникационната инфраструктура, която ги свързва, освобождават част от своя капацитет, за да могат да извършват оптимизиране на работата на мрежата на по-високо ниво и да намаляват загубите и неблагоприятните влияния, които преносът и разпределението на електроенергия имат върху околната среда.

Функциите за автоматизация на подстанциите могат да доведат до различни ползи за електросъоръженията. Първият вид е оперативната полза,с която се постига оперативна съвместимост, разпределен интелект, интегрирани комуникации и системи за повишена работоспособност и надеждност на оборудването, мрежата и доставянето на електроенергия. Друг вид полза е финансовата, като се реализират директни финансови печалби вследствие на намалените загуби. Всеки kWh електроенергия, който не трябва да бъде произведен или пренесен, директно намалява цената за доставяне. Чрез по-ефикасно използване на мрежите се осигурява по-дълъг живот на оборудването и увеличено производство на полезна енергия, като се дава възможност на съоръженията да забавят мрежовите ъпгрейди. Благодарение на интелигентните мрежови приложения и автоматизацията на подстанциите върховите товари могат да бъдат намалени. Това намаление води до директни ползи поради закупуване на по-малки количества от най-скъпата върхова електроенергия от по-малко ефективни електроцентрали, като по този начин се намалява цената за операциите на електросъоръженията. Друг вид полза е нефинансовата, която се получава чрез намаляване на емисиите от парникови газове, подобрено удовлетворение на клиентите поради по-висока надеждност и намалени прекъсвания на електрозахранването, по-ефикасно използване на дефицитния висококвалифициран персонал и предоставяне на информационни материали и провеждане на обучителни курсове за индустриалните потребители.

Приложения DA, DR и AMI за автоматизация на подстанции
В разширените системи за автоматизация на подстанциите се включват и внедряват различни видове приложения, които увеличават операционната производителност и системните възможности. Първият вид включва DA приложенията за интегриран напрежителен и капацитивен контрол (IVVC) и изолиране на детектирани повреди и възстановяване (FDIR). Електроразпределителната автоматизация (DA) е не само ключов модул в работата на електроразпределителната мрежа, но също осъществява свързването между други важни модули и приложения в Smart Grid като система за управление на търсенето на електроенергия (DRMS), авангардна измервателна инфраструктура (AMI) и система за управление на прекъсванията (OMS). Най-общо, една DA система се състои от разнообразни авангардни приложения като топологичен процесор (TP), разпределителен енергиен поток (DPF), детектиране на повреди, изолиране и възстановяване на работата (FDIR), интегриране на напрежителен/капацитивен контрол (IVVC), оптимално фидерно преконфигуриране (OFR), разпределителен анализ на случайностите (DCA), оценка на разпределителното състояние (DSE), прогнозиране и оценка на разпределителните товари (DLF/DLE) и др. Приложенията FDIR и IVVC са ключови при работа в реално време и следователно се считат за типични DA приложения при внедряване на решения за автоматизация на подстанциите.

Приложението за интегриране на напрежителен/капацитивен контрол (IVVC) е създадено за подобряване на операционната производителност на електроразпределителните системи. Това приложение има за цел да намали фидерните мрежови загуби, чрез управление на включването и изключването на фидерните кондензаторни батерии, поддържане на необходимото напрежение при нормални работни условия и намаляване на върховия товар като се регулира фидерното напрежение чрез управление на позициите на трансформаторните превлючватели на напрежение в подстанциите и регулаторите на напрежение на фидерните секции. IVVC оптимално координира управлението на кондензаторните батерии, регулаторите на напрежение и позициите на трансформаторните превключватели, инсталирани във фидерните вериги и подстанциите. Тъй като капацитивният изход на кондензаторната батерия е пряко свързан с напрежението, управлението на една кондензаторна батерия или на един регулатор на напрежение може да доведе до значителни взаимни влияния. Необходими са авангардни алгоритми за оптимизация, за да се осъществи координирано управление в IVVC и да се получат оптимални ползи от стабилното напрежение и фидерната работоспособност.

От друга страна, приложението за детектиране на повреди, изолиране и възстановяване на работата (FDIR) е създадено, за да се подобри надеждността на електроразпределителната система посредством детектиране на повреди, възникнали във фидерните секции, на базата на дистанционни измервания от фидерните дистанционни терминални устройства (FTU), които бързо изолират повредата чрез отваряне на съседни превключватели и след това възстановяват нормалната работа за изправните секции. Приложението FDIR може да намали времето за възстановяване на работата от няколко часа до 30s или по-малко, подобрявайки надеждността и качеството на електроразпределителната система, съответно индексите за надеждност CAIDI, SAIFI, SAIDI и др.

В допълнение към FDIR и IVVC, приложението топологичен процесор (TP) осигурява работа в реално време на тези две ключови приложения. TP трасира електроразпределителната мрежа и проследява топологичната свързаност за извършване на вътрешна обработка на данни за приложенията и цветовете на дисплея. Топологичният процесор също така извършва интелигентна обработка на алармите, като потиска ненужните такива, възникнали вследствие на топологични промени .

Друго ключово приложение е разпределителният енергиен поток (DPF), който представлява съществена функция на почти всяко DA приложение, особено за приложенията FDIR и IVVC. DPF намира решение за трифазния небалансиран товарен поток на радиалните електроразпределителни системи и се използва за оценяване или други аналитични цели.

В конвенционалните мрежи автоматизацията на подстанциите (SA) се дефинира като система за автоматизация в пределите на самата подстанция и е напълно изолирана от функциите за електроразпределителна автоматизация (DA). В Smart Grid обаче, конвенционалната SA система може да бъде ефективно разширена, с цел съединяване на DA функции чрез включване на фидерните функции за автоматизация в района, обслужван от подстанцията. Това разширява територията на обслужване на конвенционалната SA система до областта на фидерните вериги в нейната територия на обслужване, като ефективно комбинира функциите за автоматизация на подстанциите (SA) и тези за автоматизация на фидерите (FA)

Една от сравнително новите функции в Smart Grid се нарича управление на търсенето на електроенергия (DR). Тя е създадена за директно управление на индивидуалните товари на клиента чрез двупосочна комуникация. Частта от индивидуалните товари, която е потенциално предназначена за изпращане, може да бъде обединена и да участва в общото системно икономично изпращане, като така се намалява търсенето на върхова електроенергия и се получава минимална цена на електроенергия. От друга страна, общото изпратено количество от отдела за управление на товарите може да бъде разпределено към индивидуалните товари чрез разделяне на отделни части. Процесите на обединяване и разделяне изискват ефективна координация с DA системата за оптимална работа на мрежата във връзка с напрежителните и товарни ограничения. По време на етапа на възстановяване е необходим подобен процес, когато индивидуалните клиенти се връщат към нормалната си работа. DA функциите в автоматизацията на подстанцията могат да бъдат проектирани за работа по начин, подобен на централизираната DMS система.

В Smart Grid се обръща все по-голямо внимание на приложението авангардна измервателна инфраструктура (AMI). Освен конвенционалното използване в счетоводството и изготвянето на сметки, AMI данните от индивидуалните клиенти могат да се използват за подобряване на работата и управлението на електроразпределителната система, като се включват архивни товарни профили за по-точно прогнозиране и оценка на товарите, както и информация в реално време в крайните точки на фидерите за нуждите на DA функциите.

Подходи за включване на приложенията DA, DR и AMI в автоматизацията на подстанции (SA)
Традиционно, територията на обслужване на SA системите е ограничена в рамките на самата подстанция. След разширяване на обхвата на автоматизация и включване на фидерите, обслужвани от подстанцията, обхватът на обслужване на SA се разширява до разпределителните фидерни вериги. Поради факта, че фидерите могат да имат отворени връзки с други фидери, обслужвани от други подстанции, DA системата в една подстанция трябва да поддържа оперативна съвместимост със съседните подстанции, което се превръща в истинско предизвикателство за разпределените DA системи за автоматизация на подстанции. Както бе описано по-горе, интегрирането на приложенията DA, DR и AMI чрез обмяна на данни и информация може да увеличи операционната производителност в работата на електроразпределителните системи. Това преимущество може да се приложи и към разпределителните DA системи. Все пак, една разпределена DA система може да включва само предварително конфигурираните за подстанцията фидери, които са една малка част от цялата електроразпределителна мрежа. Цялата електроразпределителна мрежа може да включва много разпределителни DA системи за автоматизации на подстанциите, като всяка покрива една или повече подстанции (логическа или виртуална подстанция). За да се внедри автоматизиране на част или на цялата електроразпределителна система чрез разпределителни DA системи, е необходим авангарден, самокоординиращ се механизъм, който да позволява на индивидуалните DA системи да работят правилно посредством peer-to-peer комуникации, при които всяка страна има еднакви права и възможности за иницииране на комуникационни сесии. Областта на обслужване на една разпределена DA система може да включва една или повече подстанции. Всяка област е част от свързаната електроразпределителна мрежа, която се свързва към съседните области посредством нормално отворени превключватели. Възловата точка на всеки край на превключвателя принадлежи на областта, в която се намира, поставяйки границата на тази област. DA функцията във всяка област е отговорна за функционирането й. Двете страни могат да обменят или споделят граничната информация. Може да се осъществи типична координация между две подстанции за FDIR и IVVC операции. Ако се детектира повреда от DA системата на първата подстанция, FDIR логиката изолира повредената секция, възстановява веднага обслужването на горните секции, след това изчислява общия товар на долните секции и проверява натоварването и границите на напрежението, които втората подстанция може да поеме. Ако втората подстанция не може да поеме товара за възстановяване е необходимо да се направи оценка на алтернативни подходи, включващи използването на съставни източници, трансфериране на товари от един фидер към друг от втората подстанция, за да се освободи допълнителен капацитет или да се извърши частично възстановяване на обслужването на възможно по-голям товар. При положение, че част от фидерната верига във втората подстанция се захранва от първата подстанция чрез свързващия превключвател, IVVC логиката на DA системата ще осигури обмен на данни между двете подстанции.

При конвенционалните системи автоматизацията на подстанциите е фокусирана върху функции като мониторинг, контролиране и събиране на информация вътре в подстанцията. Това е един ограничен подход, който все пак дава възможност за ефективен контрол на автоматичните устройства в подстанцията, но не осигурява преимуществата на автоматичните фидерни устройства. В Smart Grid системите за автоматизация в разпределителните подстанции могат да бъдат разширени и да включат разпределителните вериги с автоматизирани фидерни устройства, захранени от подстанцията. Функциите за автоматизация на разпределителните подстанции могат да включват основни DA функции като IVVC и FDIR и могат да осигуряват AMI и DR данни за по-нататъшно увеличаване на операционната производителност.