ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина VII, брой 5, 2015

Защита на шинни системи в SMART подстанции

Защита на шинни системи в SMART подстанции

Една възможна дефиниция за "смарт подстанция" е подстанция, която притежава способността да получава и съхранява данните, необходими й за подпомагане на интелигентни приложения, както и способността за бързо внедряване на нови интелигентни приложения.
Умните подстанции се характеризират с бързо събиране на голямо количество данни, подобряване на комуникациите между нивата на достъп в подстанцията, и стабилност на платформите на приложенията. Някои основни задачи за смарт подстанциите и предложените решения за постигането на тези цели могат да бъдат обобщени по следния начин.


Защитата на шинна система обикновено е функция на защитата на цялата подстанция, тъй като използва фолямата част от електрическите сигнали високо напрежение (HV) на територията на подстанцията. Събират се всички измервания, които определят зоната на защита на шините. Напреженията могат да бъдат включени към защитните релета на шините, тъй като броят на напреженията е сравнително малък, което не би довело до голяма допълнителна инвестиция за включването им в системата за защита. Това особено обстоятелство, когато всички високоволтови електрически сигнали са свързани с едно единствено устройство, позволява определяне на схемата за защита на шините като основна структура за изграждане на пълна защита, контрол и мониторинг в подстанциите високо напрежение.

Понастоящем защитата на шинната система не се определя като система за пълна защита, контрол и мониторинг поради предизвикателствата на събирането на данни. Всички високонапреженови електрически сигнали, сигнали за състояние на оборудването и съответното оборудване за контрол на сигналите, трябва да бъдат физически свързани към системата за защита на шините, и трябва да бъдат допълнително свързани с други устройства от други зони на защита. Защитата на разпределителни шини е разработена за частично справяне с това предизвикателство на събиране на данни. Устройствата за защита са монтирани в отделни линии, за да се опрости окабеляването необходимо за събиране на данните. Въпреки това, тези модулни единици все още обхващат само една зона на защитата, за това за защита на шините и модулните единици се използват кабелни връзки с други устройства.

Новата разпределена система за защита на шини представлява стъпка напред в предлаганите решения за смарт подстанции. Тази система е замислена не само като система за защита, но и като платформа, която включва събиране на данни от оборудването в IEC 61850 схемата на подстанцията. За разлика от модулните единици, тази система използва IEC 61850 метода на интерфейсни устройства (които съчетават сливането на възли и контакти I / O), за събиране на данни. Основното предимство е, че по този начин защитата на шинната система се разгръща. Разполагането на платформата се прави с цел събиране на данни за и от останалите защитни, контролни и мониторингови функции, необходими в подстанцията, като линии, трансформатор и фидер. Инсталирането на системата за събиране на данни дава възможност за опростяване на инженерни задачи, както и за значителни икономии в окабеляването, броя на компонентите, шкафове, монтаж и пускането в експлоатация.

Системи за защита на шинопроводи
Системите за защита на шинопровода в подстанция трябва да са подходящи за приложение при всеки от режимите на шините. Отвъд стандартните изисквания за защита и надеждност (както надеждност и сигурност при всяка повреда) и висока скорост (да се ограничи въздействието на повредата върху електроенергийната система), системата за защита трябва да бъде и избирателна. Това изисква системата за защита да елиминира само прекъсвачите, които са действително свързани с авариралия участък. За единична шинна система или шинна система „прекъсвач и половина“ това изискване се постига лесно, тъй като всички прекъсвачи могат да бъдат свързват само с една шина. Въпреки това, за по-сложни механизми, като например система с двойни шини, е много по-трудно да се отговори на изискванията за селективност.

Това поставя следните изисквания към системите за защита на шинопроводите. Осигуряване на независими защитни зони с независими настройки на защита за всяка част от шинната система. Мониторинг кой елемент от шината към кой фидер или източник е свързан. Изключване само на прекъсвачите, свързани със засегнатите части от шините. Динамично следене на свързаните фидери на всяка зона от шинната система. На първото изискване за защита е лесно да се отговори. Но второто и третото изисквания са свързани с окабеляването и трябва да се отчита точката на присъединяване. Състоянието на всеки прекъсвач и всеки разединител (който определя кой сегмент от шинната система с кой фидер е свързан) трябва да бъде следено от системата за защита. Например един фидер, свързан с двойна шинна система, ще изисква най-малко 6 входа (2 за прекъсвача във веригата, по 2 за разединителя) и един изход. Четвъртото изискване е за динамичен отговор на системата. Чрез него се проследява кой фидер към коя защитна зона е свързан. Следейки състоянието на прекъсвачите и разединителите, дава команди за заработване само на прекъсвачите, свързани с повредения участък. Такава система за защита на шинопроводите е непременно сложна и трябва да се предвиди голям брой цифрови входове и изходи.

Видове защити
В централизирана система за защита на шинопровод цялото окабеляване е свързано директно към релето за защита на шините. Това изисква огромни количества окабеляване, свързано с едно единствено реле. Това свързване е сложно и отнема много време, за да се проектира и инсталира.

В разпределена система за защита окабеляването за всеки фидер и модул е свързано към модулния блок. След това всеки блок е свързан с централният блок за цифрови комуникации. В повечето съществуващи проекти, блоковете са действително релета, които изпращат текущи измервания, и приемат команди от централния блок чрез метод за комуникация. Двата метода за защита на събирателна шина отговарят на изискванията за защита на сложни шинни системи.

“Process bus” като част от смарт подстанция
“Process bus” не е нищо повече от способността за комуникация между токове, напрежения, статус на различните видове оборудване и команди за контрол между шинна система и приложенията на съответното ниво. Яно е, че тази комуникация е ключова част от смарт подстанция. Комуникационният интерфейс инсталиран в първичното оборудване на разпределителната уредба съставя извадка за стойностите на токовете и напреженията, статуса на оборудването и задава команди към контролните уреди чрез IEC 61850 формат на съобщенията. Това замества сложното окабеляване и прави данните от първично оборудване подходящи за всички включени в системата приложения. Проектирането на нови подстанции трябва не само да има за цел намаляване на първоначалните инвестиции и интегрирането на устройства, но и свеждане до минимум на разходите за дългосрочна поддръжка и бъдещи преустройства. Понятието “Process bus” позволява удължаване на жизнения цикъл на проектираните електрически подстанции. Стандартизацията на интерфейсите между първично оборудване и вторични системи, намаляване на броя на медни кабели и използването на предварително свързани кабели позволява ремонтните дейности да се улеснят многократно. Освен това, “Process bus” подпомага разработването на система за защита, контрол и мониторинг, подхожда от гледна точка на ефективността. Системата “Process bus” произхожда от следните цели: постигане на икономия на разходи, намаляване на продължителността на проектиране, както и значително намаляване на разходите за труд. Оптимизират се разходите чрез редуциране количеството медно окабеляване. Подобряване на ефективността и безопасността на системата. Комуникацията използва унифицирани отворени стандартни съобщения.

Защита на шинната система чрез „Process Bus“
Типичната архитектура на „Process Bus“ включва интерфейсни устройства, разпределени в цялата подстанция, които събират сигнали от първичното оборудване. За да се осъществи „Process Bus“, системата за защита трябва да се свърже и колекционирането на данни от устройствата, разположени в съответните токови трансформатори, прекъсвачи и изолатори, започва. Всички функции за защита и контрол се изпълняват в централната трансферна единица, която се свързва с подходящо устройство. Концепцията за разпределена архитектура с дистанционно получаване на данни е с добре изградена структура за защита на шинна система. „Process Bus“ използва стандартен метод за индустриална комуникация, IEC 61850. Тази защитата осигурява вградено разширяване и надграждане на системите за защита и контрол в подстанцията.

Нови системи за защита на разпределителни шини с Process Bus
Целта на новите системи е да се отговори на нуждите на все по популярните смарт подстанции. Новата система се базира на централна трансферна единица за всички функции за защита и контрол. Използва тези звена за събиране на всички сигнали и осигуряване на контрол на първичното оборудване чрез IEC 61850 комуникации между централното звено за релейна защита и интерфейсните устройства. Централната единица, в допълнение, събира всички свързани и необходими данни в едно устройство. Така че тази нова разпределена система се разгръща над цялата смарт подстанция. Употребата на един комуникационен протокол за всички нива на достъп улеснява достъпът до данни. Също така, тази система може да бъде бъдеща платформа за защита и контрол на подстанцията в по-широки граници.

Тъй като всички данни се получават чрез интерфейсни устройства и IEC 61850 комуникации, конфигурацията може да бъде направена с помощта на обикновени техники за програмиране. Централното звено за повторно полагане на новата система включва специфични функции, като например състояние на прекъсвача, токовия трансформатор и връзки между отделните компоненти. Системата също така дефинира понятието за "източник", които представлява функционален блок, който обединява функциите на системата. Следователно, източникът е отговорен за определянето на връзките между отделните сегменти и е отговорен за издаването на съответните команди към прекъсвача на веригата.

Спестяване на разходи от окабеляване
Както вече беше отбелязано, системата за зашита на големи шинопроводи е скъпа поради времето за проектиране, инсталиране и всички действия, свързани с окабеляване. Всяко устройство в тази защитена зона изисква свързване с реле за получаване на измерванията, наблюдение състоянието на оборудването, както и за издаване на контролни команди. Всеки един кабел между първичното оборудване и съответното реле трябва да бъдат проектиран, монтиран и изготвен специално за конкретния проект. Всеки един от тези кабели трябва да бъде вързан последователно или успоредно на защитни релета, свързани със зоните на защита и т.н. Крайният резултат е много интензивен и склонен към грешки процес, който добавя значително време и разходи към всеки проект и прави дългосрочната поддръжка скъпа и трудна за изпълнение. Това усилие би било почти същото, ако в проектът е заложена за инсталиране новата система за защита, или пък просто се добави допълнителен източник към съществуваща система. Новата система за защита заменя голяма част от медните кабели с оптични. Състои се от интерфейсна разпределена структура, която използва звена с централизирана обработка на данните, извършена от едно устройство.

Бързо разширяване на системата за защита чрез „Process Bus“
Системата за защита е предназначена да работи като самостоятелна разпределителна защитна система на шинопроводите в подстанциите. Модулните единици на тази система са общуват чрез IEC 61850 комуникационни протоколи. Разширяването на вече съществуваща система е чрез инсталиране на интерфейсните устройства за защита, като те са на разположение за ползване за всяка друга зона на защитата и процеса на трансфер на данни.

В съответствие с едно от изискванията на смарт подстанциите, новата разпределена система за защита може да се използва, за да предоставя допълнителни функции, чрез които да се осигури по-добър достъп до информация. С достъп до данните в цялата подстанция, новата система също има способността да функционира като основна централизирана дигитална система за следене и запис на повреди и аварии. Устройството включва специфични настройки и цифрови тригери за започване на запис.

Системата за защита на разпределителни шини като компонент на интелигентната подстанция
Използването на „Process Bus“, интерфейсни устройства и модулни единици намалява използването на медни проводници и времето за изпълнение на проекта до минимум. Комуникациите между централното звено за релейна защита и помощните устройства използва общия комуникационен протокол на IEC 61850. Системата също така улеснява събирането на данни от другия край на подстанцията от други устройства, пулт за управление, както и традиционните SCADA системи. И най-накрая, инсталирането на тази система е с нисък риск, икономически ефективен начин за започване на инсталирането на системите за защита. По-ниска цена от като традиционната разпределена система за защита и лесно разширяване на другите системи за защита.

Фирмени решения
Решението на Alstom е избран кръг от Micom Px4x, които са на разположение с IEC 61850-9-2LE интерфейс. Интерфейсът позволява на устройствата да получават моментни стойнопсти на токовете и напреженията в системата като извадка при 80 проби/цикъл от конвенционални или неконвенционални измервателни трансформатори чрез подходящи свързващи звена. В комбинация със съществуващият IEC 61850-8-1 интерфейс, Micom Alstom предлагат пълен „Process Bus“, помагащ за превръщането на стандартната подстанция в цифровата. Системата осигурява гъвкава конфигурация за изследваните входни величини. Проектирана е да бъде устойчива в присъствието на мрежови неизправности и липса на данни или съмнение за некоректни такива. Възможност за повторно използване на получените стойности, включени в извадката, чрез доказани алгоритми за защита. Също така гарантира улеснено, по-безопасно и по-надеждно пренасяне на сигнала в подстанцията чрез оптична кабелна мрежа.

Hard Fiber е системата за защита с IEC 61850 комуникационни протоколи, представена от General Electric, която позволява измерване на стойности от всички релейни защити в ОРУ. HardFiber системата е насочена към ключовите технически и логистични предизвикателства пред трудовите изисква за проектиране на смарт подстанциите, изграждането и поддръжката им. Определя се като пробив в инсталациите за наблюдение на системи за защита и контрол, чрез намаляване на общия труд, необходим за проектиране, изграждане и тестване. Това иновативно решение е насочено към три ключови въпроса, необходим за защита и контрол на проектирането, строителството и тестванет - всяка подстанция е уникална по себе си и изисква изготвянето на самостоятелен проект. Обикновено са нужни километри медни проводници, за да се осигурят всички необходими връзки между отделните устройства за контрол, измервания и мониторинг. Тестването и отстраняването на повреди в тези връзки отнема много време и съответно труда на висококвалифициран персонал. HardFiber системата е проектирана да отговаря на тези предизвикателства и да намали общия труд, свързан със задачите на проектиране, документиране, монтаж и тестване на системите за защита и контрол. Система дава възможност за по-голямо усвояване и оптимизиране на ресурсите, с крайната цел да бъдат намалени разходите за защита и контрол.

Siemens предлага своите осъвършенствани технологии в преносната електрическа мрежа високо напрежение с нов „Process Bus“ Siprotec 5та серия - устройства за защита с новоразработена входно/изходна единица. Има своите предимства, особено в областта на високо напрежение, когато защитните устройства обикновено се инсталират на известно разстояние от трансформаторите. Могат да бъдат монтирани в близост до трансформаторите и могат да бъдат свързани с устройствата за защита, чрез оптични Ethernet връзки, вместо чрез меден кабел. Това не само намалява окабеляването и разходите за поддръжка, но намалява разходите за монтаж и за действителното свързване. Технологията на процеса на автобус също увеличава гъвкавостта на системата за защита. Автоматизацията на комутационна апаратура е в съответствие с IEC 61850-8-1. Новата технологията намалява броя на медни кабели и намира широко приложение. Замяната на медни кабели показва колко успешно Ethernet технологиите могат да подобрят ефективността и надеждността на системите за автоматизация на енергийната система.