Цифровизация «всего и вся» — явный тренд современности. Система умного дома с управляемым «по воздуху» чайником, школьные порталы и сервисы дополнительного образования, электронная регистратура и другие медицинские сервисы стали неотъемлемой и весьма удобной частью нашей новой реальности. Разумеется, эти изменения не могли обойти стороной ведущие сферы экономики. В промышленности во главе цифровизации стоит SCADA — система для централизованного контроля и управления всей системой промышленного производства. Цифровизация же объектов энергетики, при общих с системой SCADA принципах, имеет свои тонкости и нюансы. О том, как устроены цифровые подстанции и каковы их преимущества, рассказываем сегодня.
Согласно нормам ФСК ЕЭС цифровая подстанция (ЦПС) — это подстанция с высоким уровнем автоматизации, в которой практически все процессы информационного обмена между элементами ПС, а также управление работой ПС осуществляются в цифровом виде на основе стандартов серии МЭК 61850.
Главная идея цифровизации заключается в стандартизации всех решений, начиная от проектирования и заканчивая эксплуатацией объекта. В основе организации любой цифровой подстанции — требования стандарта МЭК 61850*, а соответствие единым стандартам — это безусловное преимущество: общие правила и унификация требований упрощают проектирование, повышают надежность объектов и позволяют оптимизировать процессы их эксплуатации.
Это позволяет устранить проблему «трудностей перевода», препятствующую модернизации энергосистемы в целом. В одних сетях требуют установки испытательных блоков (БИ) в токовых цепях, а в других – нет; на одном предприятии для передачи данных используют протокол Profibus, а на другом Modbus, а где-то вообще принято передавать данные по дискретному выходу сигнала прибора — «сухой контакт». Таких примеров масса, а в результате отсутствие стандартов (как физического выполнения устройств, так и на программном уровне) оказывается реальным барьером для внедрения и эксплуатации современного оборудования на объектах энергетики.
Полная реализация потенциала ЦПС в плане эксплуатации объектов возможна при условии проектирования с применением BIM-технологий. А BIM — это цифровое представление физических и функциональных характеристик объекта, которое охватывает не только геометрию здания, но и позволяет «видеть», контролировать на всех стадиях, начиная от проектирования и заканчивая регламентами по обслуживанию и сносу объекта.
Идея обоих инструментов — создание цифровой (абстрактной) модели объекта. И перспективность ЦПС будет повышаться по мере интегрирования инструментов её проектирования в пространство BIM.
Разберемся, каковы основные принципы организации цифровой подстанции:
- По составу первичного оборудования ЦПС — это классическая подстанция с трансформаторами, силовыми выключателями, ячейками КРУ и измерительным оборудованием (рис.1), за исключением последнего. Измерительные трансформаторы тока и напряжения должны быть цифровыми и скорее всего оптическими.
Рис. 1. ОРУ классической подстанции 35/10 кВ
- Состав вторичного оборудования при этом отличается кардинально. Для лучшего понимания обратимся к работе современной защиты. Как правило — это микропроцессорный терминал, по сути, компьютер, который устанавливается на каждом присоединении. На ПС много присоединений и еще больше терминалов, и все они окутаны множеством связей. Инженерам пришла идея использовать один компьютер и заводить все связи в него, чтобы избавиться от лишних кабелей. Поэтому в ЦПС в общеподстанционном пункте управления (ОПУ), где обычно несколько панелей защит (от 10 и более (рис. 2)) с множеством связей, теперь стоят два промышленных взаиморезервирующих компьютера, и к ним подведено всего несколько оптических кабелей, по которым в режиме реального времени стекается всевозможная информация от каждой единицы оборудования. Там же, непосредственно у оборудования, устанавливается контроллер присоединения, который собирает всю необходимую информацию. Например, от трансформатора тока он может измерять ток, давление элегаза, для выключателя — положение главных контактов, состояние всех вторичных автоматов, может отдавать команды на катушки включения и отключения выключателя. Контроллер обрабатывает и оцифровывает информацию и направляет по каналу связи, также и в обратном порядке — может получать сигнал, преобразовывать и что-нибудь включать или отключать.
- Внутри главных компьютеров находится виртуальная модель подстанции, свойства которой поддерживаются в актуальном состоянии в режиме реального времени. Как только в сети происходит какое-либо возмущение, компьютер это «видит» и предпринимает действие, чтобы отключить то или иное присоединение, или вообще всю секцию при дифференциальной защите шин (ДЗШ), выполнить автоматическое повторное включение линии (АПВ), отрегулировать напряжение в сети трансформатором (РПН).
Рис. 2. Панели защит в современном ОПУ
Совмещение мониторинга и управления на одном устройстве значительно расширяет функциональные возможности и делает проще их внедрение. Например, переход от технического учета к коммерческому (или его внедрение там, где учета не велось в принципе) на ЦПС возможен путем активации дополнительного алгоритма на управляющем устройстве (наподобие установки приложения для смартфона). Понадобилось сделать на подстанции автоматику частотной разгрузки (АЧР) — «скачиваем приложение» и АЧР в работе. Не надо ни дополнительно устанавливать новые терминалы АЧР, ни прокладывать шинки очередей АЧР, ни организовывать питание. Таким же образом можно решать вопросы системной автоматики, взаимодействия подстанций между собой, получая в итоге «умные сети» — Smart Grid.
Пусть к массовому строительству ЦПС тернист и труден.
Надо признать, что реализация проекта строительства ЦПС в настоящее время сопряжена с объективными трудностями, обусловленными «молодостью» решения. Поэтому, принимая решения о строительстве ЦПС, стоит иметь в виду, что:
1. Если ваши планы ограничиваются строительством 1 ЦПС, эффект будет мало заметен, а затраты на переобучение сотрудников работе вряд ли себя оправдают.
2. Реальный экономический эффект проявляется при строительстве нескольких объектов, причем они должны находиться в поле деятельности одной службы. Уже имеющиеся немногочисленные ЦПС раскиданы по разным уголкам нашей страны, что вносит немалые трудности обслуживающему персоналу. Но в любом случае строительство второй ЦПС уже задает вектор на стандартизацию в соответствии идей МЭК 61850, что само по себе уже хорошо.
3. Дополнительные траты возникнут на приобретение специализированного диагностического оборудования, так как имеющееся работает на совершенно других принципах.
Рис. 3. Схема структурная комплекса технических средств. Загружена информацией и непроста в понимании. Подобных схем при проектировании ЦПС очень много
4. Уже сейчас имеется множество технических проблем при проектировании и наладке оборудования, с которыми сталкиваются инженеры, но постоянно идет активное улучшение со стороны разработчиков, набор опыта у наладчиков, и будем надеяться, что большинство трудностей в скором будущем будут решены.
5. Стоимость возведения ЦПС значительно превышает инвестиции в строительство традиционной и современной подстанции. Ожидать ее снижения стоит лишь после увеличения числа реализованных проектов. Именно так развивался рынок микропроцессорных терминалов, стоивших ощутимо дороже устаревшей электромеханики, на момент появления.
6. Обслуживающему персоналу будет не просто понять концепцию ЦПС, придется ломать шаблоны мышления, разбираться в новых видах схем (рис. 3) что не так-то просто.
7. Специалистам службы релейной защиты и автоматики (РЗА) придется делить зону ответственности в оборудовании со специалистами службы автоматизированной системы управления (АСУ) или может быть объединяться, образуя новую службу, которая может решить все вновь возникающие задачи в области РЗА и АСУ ТП.
8. На данный момент нет полноценного законченного инструментального ПО для конфигурирования системы. Отсюда много работы по программированию и параметрированию производится вручную. И на выходе надежность работы ЦПС сильно зависит от квалификации, опыта и таланта наладчика.
9. Обеспечение информационной безопасности должно вестись на всех этапах, начиная от решений, закладываемых при проектировании, заканчивая эксплуатацией готового объекта.
10. Уставки защит можно изменять удаленно прямо с компьютера, что никак не может уложиться в голове «Релейщика». А проверка? А опробывание? Нельзя так просто изменить уставки, необходимо удостовериться что после изменения все отработает как надо. Надо сказать, что инструменты, позволяющие тестировать устройства без вывода его из работы в ЦПС, имеются, но на законодательном уровне они еще недопустимы. Вопрос является острым и открытым.
Слишком много аргументов «Против»? Возможно, и тем не менее, за идеей ЦПС будущее.
Стандарт МЭК 61850 постоянно дорабатывается и улучшается, уже ведутся разработки его применения не только для подстанций, но и для объектов генерации. Логично ожидать, что с его последующими доработками и расширением сферы проникновения цифровых технологий, существующие недостатки и противоречия постепенно будут сглаживаться и исправляться.
А экономический потенциал перехода на цифровые подстанции становится более очевидным. При сохранении существующей тенденции роста потребности в электроэнергии, требования к управлению, безопасности и эффективности энергоснабжения неизбежно будут расти. И только рост числа ЦПС и их объединение в умные сети позволит обеспечить эти требования на уровне, соответствующем технологическому развитию других сфер экономики XXI века.
* МЭК-61850 — стандарт «Сети и системы связи на подстанциях», описывающий форматы потоков данных, виды информации, правила описания элементов энергообъекта и свод правил для организации событийного протокола передачи данных.
