Актуальность применения цифровых подстанций

Технический прогресс в системах управления на электрических станциях и подстанциях с открытыми распределительными устройствами (ОРУ) высшего напряжения 110-750 кВ привел к разработке, серийному производству и внедрению вторичных микропроцессорных систем измерения, коммерческого учета электроэнергии, релейной защиты, противоаварийной и режимной автоматики, диспетчеризации (рис.1).

Рис. 1. Принцип цифровой ПС

При этом информация о первичном токе и напряжении по-прежнему остаются аналоговыми: электромагнитные трансформаторы тока и электромагнитные или емкостные трансформаторы напряжения.

Можно выделить основные этапы развития подстанций от традиционной к «цифровой автоматизированной подстанции»:

1. Традиционная подстанция с несколькими ОРУ высокого напряжения, щитом управления, на котором установлены шкафы вторичных систем измерения, учета, РЗА. Кабельные связи протяженные, оптимизация невозможна.
2. Новые подстанции с релейными щитами (РЩ), расположенными на ОРУ вблизи каждой системы шин или секции шин, в этих РЩ размещены почти все шкафы вторичных цепей данной системы шин или секции шин. Кабельные связи становятся оптимальнее. На главном щите управления (ГЩУ) остаётся оборудование диспетчеров и систем связи.
3. Цифровая подстанция (1 этап) – установка цифровых трансформаторов тока и напряжения. Замена на оптические вторичных цепей тока и напряжения, оптимизация вторичных микропроцессорных систем.
4. Цифровая подстанция (2 этап) – все информационные потоки в цифровом формате. Контроль, управление, видеонаблюдение осуществляются дистанционно с удаленного диспетчерского пункта [3].

Для правильной и точной работы цифровой подстанции необходимо применять цифровые трансформаторы – это измерительные трансформаторы, которые имеют цифровой интерфейс с поддержкой протокола IEC 61850-9.2. Электронные трансформаторы - это современный отдельный класс изделий, основанный на последних достижениях в оптике, цифровых устройствах, в технологии передачи данных, электронике. Данные устройства обладают повышенной безопасностью, увеличенной точностью, быстрой работой, малыми размерами и небольшим весом [1].

Рассмотрим цифровые трансформаторы тока и напряжения, которые применяются при проектировании цифровых подстанций. Измерительный преобразователь тока (ЦТТ) предназначен для измерения и передачи параметров тока приборам измерения, учета, защиты, автоматики, сигнализации и управления в сетях переменного и постоянного тока на номинальное напряжение 6(10) – 110 кВ с частотой 50 и 60 Гц.

В основе трансформаторов лежат следующие элементы:

• первичные преобразователи силы переменного и постоянного тока;
• электронный блок на стороне высокого напряжения;
• электронный блок на стороне низкого напряжения (рис.2).

Рис. 2. Устройство цифрового трансформатора тока

В свою очередь измерительный трансформатор напряжения (ЦТН) предназначен для измерения и передачи параметров напряжения приборам измерения, учета, защиты, автоматики, сигнализации и управления в сетях переменного и постоянного тока на номинальное напряжение 6(10) – 110 кВ с частотой 50 и 60 Гц [2].

В конструкции трансформатора можно выделить следующие компоненты:

• первичные преобразователи напряжения переменного и постоянного тока;
• электронный блок на стороне высокого напряжения;
• электронный блок на стороне низкого напряжения (рис.3).

Рис. 2. Цифровой трансформатор напряжения

В процессе разработки новых цифровых подстанций возникает ряд основных преимуществ:

• единая форма информационных протоколов обмена данными;
• сокращение кабельного хозяйства;
• обеспечение наблюдаемости каналов сбора, передачи информации и управления;
• снижение потерь во вторичных цепях;
• упрощение механизмов поверки устройств системы;
• формирование единой системы диагностики устройств вторичной коммутации;
• переход к необслуживаемым подстанциям.

Кроме преимуществ у цифровой подстанции есть и недостатки:

• стандарты, разработанные для них, еще требуют доработки;
• требует полного переобучения персонала.

В результате проведенного исследования можно сделать вывод, что замена традиционных подстанций цифровыми возможна уже сейчас, а в дальнейшем этот процесс будет становиться не только проще, но и выгоднее. В настоящее время высокая цена и недостаточная квалификация персонала не позволяют применять цифровые подстанции в достаточном количестве на территории страны. В ходе модернизаций подстанций традиционного исполнения следует отказаться от привычных аналоговых приборов измерения тока и напряжения в пользу современных цифровых. В тоже время преимущества, которыми она обладает, такими как упрощение механизмов управления, переход к необслуживаемым подстанциям, позволят отказаться в дальнейшем от традиционных методов защиты энергетических объектов.