ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина XII, брой 2, 2020

Цифровите подстанции, като част от Smart Grid

Цифровите подстанции, като част от Smart Grid

Енергийните системи на бъдещето все повече се декарбонизират, разпределят и дигитализират. Тази фундаментална трансформация е в разгара си и представлява широк спектър от предизвикателства пред всички заинтересовани страни. Само цифровизацията ще ни позволи да овладеем тези предизвикателства. Осигуряването на успех на цифровата трансформация в енергийния сектор изисква решителност, гъвкавост и интелигентни инвестиции в интелигентни цифрови технологии. Това е единственият начин да управлявате текущите задачи, като същевременно създавате достатъчно свобода за активно оформяне на бъдещето. Инвестициите в иновативни технологии днес създават устойчиви на бъдещето електрически мрежи, характеризиращи се с надеждност, ефективност и устойчивост.
Подстанциите са неразделна част от електрическите мрежи. Те свързват мрежите с различни нива на напрежение и тяхната контролираща и координираща функция е жизненоважна за стабилността на цялостната система.


С внедряването на интелигентни мрежи както електроразпределителните компании, така и потребителите очакват енергийният пазар да работи по-ефективно и по-икономично. За разлика от традиционното управление на мрежата, интелигентните мрежи предоставят на операторите възможност да наблюдават дистанционно подстанции и мрежовите съоръжения в реално време. Те добавят разпределени функции за автоматизация и дават възможност за прогнозна поддръжка.

Създаването на тази нова мрежова изчислителна и комуникационна архитектура се постига чрез IP, безжична и облачна технология. Безжичните комуникации са особено важни, тъй като позволяват лесната инсталация на системи за наблюдение и управление дори на отдалечени места. IoT (Интернет на нещата) датчиците дават възможност за наблюдение на състоянието на съоръженията на подстанцията, връзката им с облака и за незабавен обмен на данни с другите мрежови възли. Това предоставяне на данни в реално време ще има положително въздействие върху системите за управление и мониторинг на комуналните услуги.

Преходът от традиционните мрежи към интелигентните мрежи може да изглежда предизвикателство, но има разработена система за управление на приложения, която може да интегрира всички SCADA или традиционни комуникационни протоколи локално във възел на интелигентна мрежа. Те включват най-често използваните комуникационни протоколи като IEC 61850, IEC 60870-5, DNP3 и Modbus. Благодарение на тази иновативна работа, електроразпределителните компании в световен мащаб могат да се възползват от по-конкурентно разпределение на електроенергията, по-ниски разходи за управление и предсказуемо поддържане на енергийните съоръжения.

Инженерното предизвикателство Smart Grid
Едно от основните предизвикателства за промяна на традиционното управление на мрежата към управление на интелигентната мрежа ще бъде процесът на преход между двете. Традиционното управление на мрежата, което включва първични съоръжения в подстанциите като прекъсвачи и трансформатори, е много ограничено от своите комуникационни протоколи. Традиционната структура за управление на мрежата изисква специална връзка между системата за контрол на подстанциите и регионалният център за контрол. Обработката на данни е ограничена от системата за управление на подстанцията. Поради това традиционното управление на мрежата вече не може да отговори на нарастващото търсене на гъвкавост, по-строги експлоатационни и екологични регулации и по-големия брой участници в дерегулираната индустрия.

Преминаването към управлението на интелигентната мрежа ще осигури инфраструктура, която поддържа множество разпределени енергийни ресурси, цифрови подстанции и интелигентни мрежови технологии. Тази комбинация, която ще помогне за управление на потреблението на енергия, ще намали разходите както за доставчиците на енергия, така и за потребителите и ще спести енергия в дългосрочен план, като допринесе за по-здравословна среда. Въпреки че преминаването от традиционно управление към интелигентно управление е полезно, процесът на преход може да бъде предизвикателство, тъй като мрежите ще трябва да се адаптират, за да се справят с повишената сложност на системата за управление.

Съвременната комуникация в електрическите мрежи
Традиционно електрическите мрежи се състоят от първични и вторични съоръжения. Вторичните съоръжения следят и контролират основното оборудване. Информацията, изпратена от подстанцията до контролния център, е ограничена до оперативни данни чрез собствени комуникационни системи с комуникационни протоколи, специално разработени за електротехническата промишленост. Всичко необходимо за анализиране на данните трябва да бъде предварително обработено от компютърната система на контролния център и след това безопасно да се изнесе в специална система за управление на електрическите съоръжения за аналитични цели. В днешния вариант комуникацията с данни е ограничена до специализирани комуникационни линии, собственост на електроразпределителните дружества. Обменът на данни е фокусиран и ограничен до основен мониторинг и контрол на подстанциите.

Сложните комуникационни инфраструктури, които са част от съвременните системи за управление на електрическата мрежа, могат да предоставят много повече информация за управление на съоръженията и дори за управление на микромрежи.

С въвеждането на защитена технология за комуникация на данни като част от мобилните мрежи, се представят нови възможности пред електроразпределителните дружества. GSM и LTE услугите станаха популярни в индустрията като комуникационни медии. Те предлагат евтини и сигурни опции за управление на подстанции и дори дистанционно управление, което позволява въвеждането на мрежова автоматизация в широк мащаб в многобройните мрежи за разпределение на средно и ниско напрежение.

На пазара се предлагат гъвкави и цялостни системи за комуникация на данни и софтуер за автоматизация на процесите. Въз основа на разпределена база данни в реално време и система за управление на приложения, те позволяват интегриране на почти всеки SCADA комуникационен протокол като клиент или сървър. SCADA системите предлагат най-често използваните комуникационни протоколи като IEC 61850, IEC 60870-5, DNP3 и Modbus, като част от тяхната стандартна комуникационна библиотека.

Цифровата подстанция
Една подстанция се състои от първични съоръжения, включително ОРУ, ЗРУ/КРУ, GIS (Gas insulated switchgear) и трансформатори, вторични съоръжения включително защити, автоматизация и RTU, регулатори на напрежение, електромери и комуникационно оборудване, както и свързаната инфраструктура. Различните първични и вторични съоръжения си взаимодействат, за да изпълнят основната задача на подстанцията, която е да осигури наличност на захранването с електрическа енергия при дадените обстоятелства - налична мощност (производство / разпределение), фактори на околната среда (време), дефекти и неизправности в захранващата система. Освен функционалните задачи, основен приоритет имат безопасността на хората и инвестицията, следвани от икономическите аспекти. Как традиционната подстанция се превръща в цифрова подстанция или кога може да се нарече една подстанция „цифрова“?

Това е мястото, където дигитализацията влиза в играта, което предизвика иновационен тласък на продукти и системи в индустриални области, като автоматизация на процесите, която предлага нови възможности за прилагане на ефективни процеси. Използването на базирана на Ethernet комуникация и в резултат на това опростената връзка на компонентите е само един пример.

Цифровата подстанция е термин, прилаган за електрически подстанции, където работата се управлява между разпределени интелигентни електронни устройства (IED), свързани помежду си от комуникационни мрежи. Това стана възможно чрез използване на изчислителни технологии в средата на подстанцията, подобряване на работата на основните функции на устройства за защита и предоставяне на функции като подобрена точност и стабилност.

Дигиталната подстанция носи големи ползи от гледна точка на проектиране и инженеринг, монтаж и експлоатация. Могат да се предложат готови решения, модификациите могат лесно да се приспособят, окабеляването (и следователно разходите), да бъдат намалени, а вградената диагностика да гарантира целостта на системата.

Ето защо един от основните елементи на цифровата подстанция е прилагането на стандарта IEC 61850. Международен валиден формат за обмен на данни и модел на данни, който осигурява оперативна съвместимост между продуктите и системите на различни производители. IEC 61850 отговаря на всички изисквания за актуална подстанция и е достатъчно гъвкав, за да бъде готов за нови изисквания и функции в бъдеще.

Шест основни аспекта на цифровата подстанция
Дигитализацията е един от най-големите влияещи фактори при реализиране на цифрова подстанция. Причината е, че цифровизацията оказва значително влияние върху дизайна и функционалността на продукта. В допълнение, той предлага напълно нови подходи за ефективно изпълнение и експлоатация на подстанцията.

Базираната на Ethernet комуникация по IEC 61850 - цифровизация на ниво подстанция; дигитализация на процесно ниво - въвеждане на процесна шина и NClT (неконвенционални трансформатори); поддръжка за управление на съоръжения - използване на данни от цифровата подстанция за управление на съоръженията; интегриран инженеринг - постоянен ефективен инженеринг; киберсигурност - предпоставка и неразделна част от всяка цифрова подстанция; поддръжка на мрежовия контрол - използването на данни от цифровата подстанция за поддръжка на мрежовия контрол.

Предимства на цифрова подстанция
Дигитализацията позволява на електроенергийния сектор да използва нови технологии, методи и процеси, особено в подстанциите, които повишават експлоатационната ефективност. В сравнение с конвенционална подстанция, цифрова подстанция предлага следните предимства.

Намалени инвестиционни и експлоатационни разходи чрез намаляване на използването на медни сигнални кабели, по-бързо пускане в експлоатация, включително инженерно и системно тестване, спестяване на пространство и тегло, по-специално за първични съоръжения, чрез използване на най-модерната технология за конвертор (NCIT), оптимизиран контрол на мрежата, тъй като са налични важни данни от измервания с помощта на съвременни процедури за оценка и анализ, управление и поддръжка на съоръженията поради актуални данни от измерванията на оборудването.

Повишена оперативна съвместимост и бъдеща сигурност чрез прилагането на IEC 61850 като международно признат модел за данни и формат на обмен и адаптиране на внедряване и разширяване с нови технологии.

Повишена лична и имуществена безопасност чрез цифровизиране на процесните променливи и използване на оптични влакна за комуникация за защита и контрол в подстанцията и прилагане на политика за киберсигурност. Това гарантира, че системата винаги е най-съвременна.

Цифровата подстанция гарантира, че е надеждна и преди всичко икономически ефективна през целия си жизнен цикъл чрез използване на цифрови устройства за защита, сензори и компоненти за автоматизация, както и базирани на Ethernet комуникационни технологии и стандартни комуникационни протоколи (като IEC 61850).

Цифровата подстанция използва технологии и методи, които позволяват икономически оптималната работа на електрическите мрежи за захранване и в същото време подобрява необходимата безопасност на системата.

Цифрова подстанция не е статична конструкция, която не се променя, а непрекъснато се адаптира към изискванията и условията през целия си жизнен цикъл. Киберсигурността е най -важният аспект в това отношение, тъй като целта е системата да поддържа актуализация на всичките си продукти по всяко време, за да намали риска от прекъсвания.

Реална добавена стойност за операторите и потребителите
С тази система, притежателите на електроразпределителни услуги могат да наблюдават електрическата мрежа в реално време, по всяко време и от всяко място, стига да имат интернет връзка. Възможни са нови методи за анализ на данни с помощта на опростения интерфейс. Освен това, тези решения са с модулна и графична архитектура, което дава възможност на операторите да реагират по-гъвкаво на бъдещите изисквания и съответно да коригират своите подстанции. Дори и при новото високо ниво на използваемост, съхранението в защитено облачно приложение гарантира пълна защита на данните.