Что такое «цифровая подстанция»?

В общем смысле, сам по себе термин «цифровая подстанция» включает в себя описание так называемых «подстанций будущего», представляющих собой подстанционные устройства совершенно нового типа, построенных с применением передовых технологий электротехники, силовой электроники и микропроцессорной техники.

Общие сведения о цифровых подстанциях

Цифровая подстанция – это относительно новый тренд в энергетике. На данный момент существует несколько стандартизированных реализаций цифровых подстанций, которые между собой отличаются степенью этой самой цифровизации, т.е. качественным и количественным составом микроэлектронных и микропроцессорных устройств, которые участвуют в преобразовании, передаче и распределении электроэнергии, а так же в схемах автоматики управления и защит.

В качестве основы любой цифровой подстанции лежит классическое подстанционное устройство, включающее в себя силовые трансформаторы, коммутационные аппараты и распределительные устройства.

А вот начиная с первичных преобразователей (т.е. трансформаторов тока и напряжения) уже можно наблюдать существенные отличия.

Чем выше степень цифровизации подстанционного устройства, тем выше степень применения современных цифровых устройств преобразования, управления и защит.

Нужно отметить, что различные производители оборудования, как и собственники электроустановок, видят варианты исполнения цифровых подстанций по-своему. Но, в общем и целом, можно выделить три условные различающиеся между собой варианта исполнения. Данные отличия хорошо описаны в Стандарте ФСК ЕЭС СТО 56947007-29.240.10.299-2020 «Цифровая подстанция. Методические указания по проектированию ЦПС» в разделе «Архитектуры».

Варианты исполнения цифровых подстанций

Первый вариант является наиболее близким к классическому построению подстанций, где в качестве основных цифровых устройств применяются устройства релейной защиты и автоматики на базе микропроцессорной техники, которые включены в единую систему управления технологическими процессами (так называемую АСУ РЗА). В этом варианте вся подстанцию соответствует классическим требованиям к проектированию подстанционных устройств, в части вторичных цепей и их устройств. Отличия заключаются лишь в специфических методах сбора и обработки сигналов о состоянии всех систем подстанции.

Второй вариант предполагает наличие обмена между терминалами РЗА и исполнительными устройствами (АУВ – автоматикой управления выключателями, например) в дополнение к полной интеграции устройств РЗА и АУВ в АСУ РЗА.

Третий вариант представляет собой наиболее полный спектр технологий и протоколов, свойственные современной цифровой подстанции. С каждым годом данные технологии совершенствуются и расширяются. Однако, данный уровень цифровизации предполагает наличие микроэлектронных первичных преобразователей тока и напряжения, обмен управляющими воздействиями и информационными сигналами между исполнительными устройствами, терминалами РЗА и АСУ РЗА происходит только с применением цифровых протоколов (серия стандартов, получивших широкое распространение на текущий момент – IEC(МЭК)-61850).

Напомним, что современная наука и техника не стоит на месте. Поэтому часть стандартов семейства IEC 61850 могут видоизменяться. Данный процесс можно отследить по существующим поколениям данных стандартов.

Что включает в себя цифровая подстанция?

РУ – распределительное устройство, которое может быть совершенно различных видов исполнений: от открытых и закрытых до элегазовых. Включает в себя такие элементы как системы шин, коммутационные аппараты и вспомогательное оборудование.

ПТ – повышающий (понижающий) транформатор (автотрансформатор).

СН – система собственных нужд, включающая в себя трансформатор или трансформаторы собственных нужд, распределительные устройства, шкафы и щиты. Так же к собственным нуждам подстанции относятся и устройства питания постоянным оперативным током, хотя их чаще всего выделяют в отдельную группу устройств.

ЦС – система центральной сигнализации, являющаяся неотъемлемой частью как терминалов защит присоединений, так и общеподстанционной автоматизированной системы управления релейной защитой и автоматикой.
ЦТТ – цифровые трансформаторы тока (ещё – первичные цифровые преобразователи тока, оптические трансформаторы тока). Это микроэлектронные устройства преобразования значения силы первичного тока в цифровой электрический или оптический сигнал.

ЦТН – цифровые трансформаторы напряжения (ещё – первичные цифровые преобразователи напряжения, оптические трансформаторы напряжения). Это микроэлектронные устройства преобразования значения первичного напряжения в цифровой электрический или оптический сигнал.

(ц) АУВ – микропроцессорные устройства автоматики управления выключателями, со всем необходимым набором интерфейсов и протоколов, для подключения к цифровым сетям передачи данных полевого уровня.

(ц) РЗА – микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики, со всем необходимым набором интерфейсов и протоколов, для подключения к цифровым сетям передачи данных полевого и верхнего уровня (для подключения к АСУ РЗА.

СТВ – сервер точного времени, используемый для синхронизации времени на всех микропроцессорных устройствах технологического цикла энергообъекта.

ССОД – серверы сбора, обработки и хранения данных о технологическом цикле энергообъекта и о состоянии основного и вспомогательного оборудования.

АРМ – автоматизированные рабочие места оперативного персонала.

СТМиС – система телемеханики (телеуправления и телеизмерений) и связи энергообъекта. Используется для управления и контролем состояния за технологическим циклом и оборудованием энергообъекта.

АИИСКУЭ – автоматизированная информационно-измерительная система коммерческого учёта электроэнергии.

В дополнение к АСУ РЗА могут использоваться различные локальные системы микропроцессорные системы управления вспомогательным оборудованием (такие как системы пожаротушения, вентиляции, кондиционирования и .д.)

Эффект от использования новых технологий

Применение цифровых технологий на современных подстанциях позволяет добиться значительной экономии места для расположения оборудования и значительного количества кабельной продукции.

Если на подстанциях с небольшим количеством присоединений и повышающих (понижающих) трансформаторов эффект от внедрения цифровых технологий выражен не особо ярко, то на больших объектах можно наблюдать существенную экономию на кабельных трассах, кабельной продукции, габарите шкафов защит и автоматики (в первую очередь, за счёт экономии места за счёт сильного уменьшения клеммных рядов аналоговых и дискретных сигналов). Снижается время на монтаж оборудования.

Кроме того, при использовании аппаратуры, соответствующей всем стандартам на цифровые подстанции, значительно ускоряется процесс наладки терминалов РЗА и АУВ.

Где применены технологии цифровых подстанций?

Успешной реализацией проектов в области цифровых подстанций занимается немецкий концерн Siemens и китайский NR Enegy. Ряд отечественных производителей РЗА, такие как ЭКРА, Механотроника, Радиус-Автоматика, Релематика и другие, заявляют о полном соответствии семейству МЭК 61850 выпускаемой ими аппаратуры РЗА.

Первой в России цифровой подстанцией высокого класса напряжения считается ПС 500кВ «Тобол». На подстанции применятся оборудование РЗА отечественной фирмы «ЭКРА», АСУ РЗА от «Прософт-Системы» и аппаратура для построения ЛВС от российской компании «Энергосервис».

Кроме того, существует ряд проектов цифровых подстанций у «Россетей» на класс напряжения 110кВ.

Ссылки на литературу

1. СТО 56947007-29.240.10.299-2020 «Цифровая подстанция. Методические указания по проектированию ЦПС»
2. Статья «РОССЕТИ» ВВЕЛИ В ЭКСПЛУАТАЦИЮ ПЕРВУЮ В РОССИИ ЦИФРОВУЮ ПОДСТАНЦИЮ
3. Статья на тему "Цифровые подстанции. Российские и зарубежные".
4. Трансформаторы тока измерительные оптические.
5. Основы цифрового предприятия на сайте Siemens.