Автоматизация энергосистем

Автоматизация энергосистемы — это действие по автоматическому управлению энергосистемой с помощью приборов и устройств управления. Автоматизация подстанции подразумевает использование данных от интеллектуальных электронных устройств (IED), возможностей управления и автоматизации на подстанции, а также команд управления от удаленных пользователей для управления устройствами энергосистемы.

Поскольку полная автоматизация подстанции основана на интеграции подстанции, эти термины часто используются взаимозаменяемо. Автоматизация энергосистемы включает процессы, связанные с генерацией и поставкой электроэнергии. Мониторинг и управление системами подачи электроэнергии на подстанции и на столбе сокращают возникновение отключений и сокращают продолжительность отключений, которые все же происходят. IED , протоколы связи и методы связи работают вместе как система для выполнения автоматизации энергосистемы. Термин «энергосистема» описывает совокупность устройств, которые составляют физические системы, которые генерируют, передают и распределяют электроэнергию. Термин «система контроля и измерительных приборов (КИП)» относится к совокупности устройств, которые контролируют, управляют и защищают энергосистему. Многие системы автоматизации энергосистем контролируются SCADA.

Автоматизация задач

Автоматизация энергосистемы состоит из нескольких задач.

Сбор данных: Получение данных относится к получению или сбору данных. Эти данные собираются в форме измеренных аналоговых значений тока или напряжения или открытого или закрытого состояния точек контакта. Полученные данные могут использоваться локально в устройстве, собирающем их, отправляться на другое устройство на подстанции или отправляться с подстанции в одну или несколько баз данных для использования операторами, инженерами, планировщиками и администрацией.
Надзор: Компьютерные процессы и персонал контролируют или отслеживают условия и состояние энергосистемы, используя эти полученные данные. Операторы и инженеры отслеживают информацию удаленно на компьютерных дисплеях и графических настенных дисплеях или локально, на устройстве, на дисплеях передней панели и ноутбуках.
Контроль: Управление относится к отправке командных сообщений на устройство для управления устройствами КИП и электросистемы. Традиционные системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) полагаются на операторов, которые контролируют систему и инициируют команды с пульта оператора на главном компьютере. Полевой персонал также может управлять устройствами с помощью кнопок на передней панели или ноутбука.

Кроме того, еще одной задачей является интеграция энергосистемы, которая представляет собой процесс передачи данных между IED в системе I&C и удаленными пользователями. Интеграция подстанции означает объединение данных с локального IED на подстанцию, чтобы на подстанции была единая точка контакта для всех данных I&C.

Процессы автоматизации энергосистемы основаны на сборе данных; надзор за энергосистемой и управление энергосистемой работают вместе в скоординированном автоматическом режиме. Команды генерируются автоматически и затем передаются таким же образом, как и команды, инициированные оператором.

Аппаратная структура автоматики энергосистемы

Система сбора данных

Измерительные трансформаторы с защитными реле используются для измерения напряжения и тока в энергосистеме. Они физически подключены к аппаратуре энергосистемы и преобразуют фактические сигналы энергосистемы. Преобразователи преобразуют аналоговый выход измерительного трансформатора из одной величины в другую или из одного типа значения в другой, например, из переменного тока в постоянное напряжение. Также входные данные берутся из вспомогательных контактов коммутационных устройств и оборудования управления энергосистемой.

Основные технологические контрольно-измерительные приборы и устройства (КИП)

Устройства I&C, созданные с использованием микропроцессоров, обычно называются интеллектуальными электронными устройствами (IED). Микропроцессоры — это однокристальные компьютеры, которые позволяют устройствам, в которые они встроены, обрабатывать данные, принимать команды и передавать информацию подобно компьютеру. В IED могут выполняться автоматические процессы. Некоторые IED, используемые в автоматизации энергосистем:

Удаленный терминальный блок (RTU): Удаленный терминальный блок — это ИЭУ, которое может быть установлено в удаленном месте и действует как точка окончания для полевых контактов. Для обнаружения каждого контакта и значения преобразователя используется выделенная пара медных проводников. Эти проводники берут начало в устройстве энергосистемы, устанавливаются в траншеях или подвесных кабельных лотках, а затем заканчиваются на панелях внутри RTU. RTU может передавать собранные данные на другие устройства и получать данные и команды управления от других устройств. Программируемые пользователем RTU называются «интеллектуальными RTU».
метр: Счетчик — это IED, которое используется для создания точных измерений тока, напряжения и мощности энергосистемы. Значения измерений, такие как потребление и пик, сохраняются в счетчике для создания исторической информации о деятельности энергосистемы.
Цифровой регистратор неисправностей: Цифровой регистратор неисправностей (DFR) — это IED, которое записывает информацию о нарушениях в энергосистеме. Он способен сохранять данные в цифровом формате при срабатывании условий, обнаруженных в энергосистеме. Гармоники, частота и напряжение — примеры данных, собираемых DFR.
Программируемый логический контроллер (ПЛК): Программируемый логический контроллер может быть запрограммирован для выполнения логического управления. Как и в случае с RTU, выделенная пара медных проводников для каждого контакта и значения преобразователя подключается к панелям в пределах PLC. Это как рабочая лошадка, которая работает по команде, данной ее хозяином.
Защитное реле: Защитное реле — это IED, предназначенное для обнаружения нарушений в энергосистеме и автоматического выполнения управляющих действий в системе I&C и энергосистеме для защиты персонала и оборудования. Реле имеет локальное завершение, так что медные проводники для каждого контакта не должны быть направлены на центральную панель завершения, связанную с RTU.

Устройства управления (вывода)

Переключатель ответвлений нагрузки (РПН): Переключатели ответвлений нагрузки — это устройства, используемые для изменения положения ответвлений на трансформаторах. Эти устройства работают автоматически или могут управляться через другое локальное IED или удаленным оператором или процессом.
Контроллер повторного включения: Контроллеры реклоузеров дистанционно управляют работой автоматических реклоузеров и переключателей. Эти устройства отслеживают и сохраняют условия энергосистемы и определяют, когда выполнять действия управления. Они также принимают команды от удаленного оператора или процесса.

Устройства связи

Процессор связи: Коммуникационный процессор — это контроллер подстанции, который объединяет функции многих других устройств I&C в одном IED. Он имеет много коммуникационных портов для поддержки нескольких одновременных каналов связи. Коммуникационный процессор выполняет сбор данных и управление другими IED подстанции, а также концентрирует полученные данные для передачи одному или нескольким ведущим устройствам внутри и снаружи подстанции.

Приложения

Защита от сверхтоков

Все линии и все электрооборудование должны быть защищены от длительного сверхтока . Если причина сверхтока находится поблизости, то автоматически этот ток немедленно прерывается. Но если причина сверхтока находится за пределами локальной области, то резервное обеспечение автоматически отключает все затронутые цепи после подходящей задержки времени.

Обратите внимание, что отключение, к сожалению, может иметь каскадный эффект, приводя к перегрузке по току в других цепях, которые затем также должны автоматически отключиться.

Также следует отметить, что генераторы , которые внезапно лишились нагрузки из-за срабатывания такой защиты, должны будут немедленно автоматически отключиться, а восстановление надлежащего баланса между спросом и предложением в системе может занять много часов, отчасти потому, что должна быть обеспечена надлежащая синхронизация, прежде чем любые две части системы смогут быть повторно подключены.

Повторное включение выключателей обычно осуществляется автоматически и часто оказывается успешным, например, во время гроз.

Диспетчерский контроль и сбор данных

Система диспетчерского управления и сбора данных ( SCADA ) передает и получает команды или данные от технологических приборов и оборудования. Элементы энергосистемы, начиная от выключателей на столбах и заканчивая целыми электростанциями, могут управляться дистанционно по каналам связи на большие расстояния. Дистанционное переключение, телеметрия сетей ( показ напряжения, тока, мощности, направления, потребления в кВт ·ч и т. д.), даже автоматическая синхронизация используются в некоторых энергосистемах.

Оптические волокна

Энергетические компании защищают высоковольтные линии, осуществляя постоянный мониторинг. Этот надзор требует передачи информации между подстанциями для обеспечения корректной работы при контроле каждой тревоги и сбоя. Устаревшие телекоммуникационные сети были соединены металлическими проводами, но среда подстанций характеризуется высоким уровнем электромагнитных полей, которые могут нарушать работу медных проводов.

Власти используют схему телезащиты, чтобы подстанции могли общаться друг с другом для выборочной изоляции неисправностей на высоковольтных линиях , трансформаторах , реакторах и других важных элементах электростанций. Эта функциональность требует постоянного обмена критически важными данными для обеспечения корректной работы. Для гарантии работы телекоммуникационная сеть всегда должна находиться в идеальном состоянии с точки зрения доступности, производительности, качества и задержек.

Первоначально эти сети были сделаны из металлических проводящих сред, однако уязвимость каналов 56–64 кбит/с к электромагнитным помехам , контурам заземления сигнала и повышению потенциала земли сделала их слишком ненадежными для электроэнергетики. Сильные электромагнитные поля, вызванные высокими напряжениями и токами в линиях электропередач, регулярно возникают на электрических подстанциях.

Более того, в условиях неисправности электромагнитные возмущения могут значительно возрасти и нарушить каналы связи, основанные на медных проводах. Надежность линии связи, соединяющей реле защиты, имеет решающее значение и поэтому должна быть устойчива к эффектам, возникающим в зонах высокого напряжения, таким как высокочастотная индукция и повышение потенциала земли.

В результате энергетическая промышленность перешла на оптоволокно для соединения различных элементов, установленных на подстанциях. Оптоволокно не нуждается в заземлении и невосприимчиво к помехам, вызванным электрическим шумом, что устраняет многие ошибки, обычно возникающие при электрических соединениях. Использование полностью оптических линий связи от реле мощности до мультиплексоров, как описано в IEEE C37.94, стало стандартом.

Более сложная архитектура для схемы защиты подчеркивает понятие отказоустойчивых сетей. Вместо использования прямого релейного соединения и выделенных волокон избыточные соединения делают процесс защиты более надежным за счет повышения доступности критически важных обменов данными.

С37.94

IEEE C37.94 , полное название Стандарт IEEE для N раз 64 килобит в секунду оптоволоконных интерфейсов между телезащитой и мультиплексорным оборудованием , — это стандарт IEEE , опубликованный в 2002 году, который определяет правила соединения телезащитных и мультиплексорных устройств энергокомпаний. Стандарт определяет формат кадра данных для оптического соединения и ссылается на стандарты для физического соединителя для многомодового оптоволокна . Кроме того, он определяет поведение подключенного оборудования при отказе линии связи, а также временные и оптические характеристики сигнала .

Системы телезащиты должны очень быстро изолировать неисправности , чтобы предотвратить повреждение сети и отключение электроэнергии. Комитет IEEE определил C37.94 как программируемый nx 64 кбит/с (n=1...12) многомодовый оптоволоконный интерфейс для обеспечения прозрачной связи между реле телезащиты и мультиплексорами на расстоянии до 2 км. Для достижения больших расстояний электроэнергетика позже также приняла одномодовый оптоволоконный интерфейс.

Стандарт определяет защитное и коммуникационное оборудование внутри подстанции с использованием оптоволокна, метод восстановления тактовой частоты, допустимые допуски джиттера в сигналах, метод физического соединения и действия, которым должно следовать защитное оборудование при возникновении любых сетевых аномалий и неисправностей. C37.94 уже был реализован многими производителями защитных реле, такими как ABB, SEL, RFL и RAD; и производителями тестеров, такими как Net Research (NetProbe 2000), ALBEDO и VEEX. Оборудование телезащиты когда-то предлагало выбор интерфейсов передачи, таких как совместимый с IEEE C37.94 оптоволоконный интерфейс для передачи по парам волокон и G.703 , 64 кбит/с сонаправленный и интерфейсы E1 .