Одним из важнейших направлений модернизации и инновационного развития электроэнергетики является переход к созданию интеллектуальных энергосистем с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС).

Интеллектуальная энергосистема (Smart Grid) – это,  по сути, новая ступень развития электроэнергетических систем в XXI столетии.

IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers, англ.)  дает определение Smart Grid как полностью интегрированной, саморегулирующейся и самовосстанавливающейся электроэнергетической системы, имеющей сетевую топологию и включающей в себя все генерирующие источники, магистральные и распределительные сети и все виды потребителей электрической энергии, управляемые единой сетью информационно-управляющих устройств и систем в режиме реального времени.

Интеллектуальная (активно-адаптивная) сеть — качественно новый вид электрической сети, позволяющей осуществлять в реальном времени мониторинг и управление сетью, осуществлять коммуникации между потребителями и поставщиками, предоставляя возможность оптимизации потребления, сокращая стоимость электроэнергии, и тем самым обеспечивая новый уровень надежности и экономичности энергоснабжения.

При поддержке  Правительства Российской Федерации ОАО «ФСК ЕЭС» приступила к реализации масштабного пилотного проекта по созданию ИЭС ААС на базе ОЭС Востока.

Характеристика проекта приведена на сайте ОАО «ФСК ЕЭС»:

(www.fsk-ees.ru/media/File/press.../Presentation_Budargin_26.10.10.pdf).

Первым результатом этого проекта станет создание первого в России кластера активно-адаптивной сети «Эльгауголь» с технологической платформой для реализации модели активно-адаптивного управления на базе решений ведущих отечественных и зарубежных производителей.

Управление пилотным проектом создания территориального кластера ААС «Эльгауголь» и его реализацию осуществляет компания ЗАО «НОВИНТЕХ», имеющая большой опыт системной интеграции и внедрения нового оборудования Российских и иностранных производителей.

В задачи ЗАО «НОВИНТЕХ» входит разработка и реализация проекта создания интеллектуальных контуров ААС на объектах кластера, в том числе:

• Разработка основных технических решений проекта.
• Проектирование.
• Испытания совместимости оборудования различных производителей в соответствии с МЭК 61850.
• Комплексные стендовые испытания оборудования.
• Поставка оборудования на объекты кластера.
• Ввод в опытную эксплуатацию оборудования.

В настоящее время утверждены основные технические решения по новым подстанциям и линиям электропередачи и осуществляется  разработка проектов по первичному и вторичному оборудованию.

Создание ААС кластера «Эльгауголь»  позволит отработать новые технологии и технические решения, которые могут использоваться при реализации новых проектов  создания интеллектуальной сети на территории России.

 

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КЛАСТЕРА «ЭЛЬГАУГОЛЬ»

Для электроснабжения Эльгинского угольного комплекса будут построены три подстанции 220 кВ: «Эльгауголь», «А» и «Б» и две линии электропередачи 220 кВ протяженностью 268 км каждая, включая специальный переход через Зейское водохранилище. Кроме того, будет проведена реконструкция действующей подстанции 220 кВ «Призейская».

Электроснабжение Эльгинского угольного комплекса будет реализовано в два этапа. К концу 2012 года ОАО «ФСК ЕЭС» создаст условия для обеспечения комплекса электроэнергией в объеме 83 МВт, а к концу 2014 года – 134 МВт.

Основные решаемые проблемы:

• Обеспечение резервирования энергоснабжения и качества электроэнергии горнопроходческой и тяговой нагрузки.
• Обеспечение противоаварийного и режимного управления.

Применяемые технологии:

• Цифровые ПС.
• Активные фильтры.
• Устройства синхронизированных измерений.
• СКРМ.

 

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ СОЗДАНИЯ КЛАСТЕРА ААС «ЭЛЬГАУГОЛЬ»

Целью реализации проекта интеллектуальной сети кластера «Эльгауголь» является создание в рамках  пилотных зон элементов ИЭС ААС и получение их основных технико-экономических показателей.

Основные задачи, которые необходимо решить в рамках реализацией проекта:

• Разработка основных проектных и технических решений создания элементов интеллектуальной сети ЕНЭС на уровне ПС и пункта управления группой ПС.
• Внедрение элементов ИЭС ААС на основе современных технологий с контролем результатов на каждом этапе.
• Комплексные испытания технических решений для создания элементов интеллектуальной сети в различных режимах функционирования.
• Оценка технико-экономических показателей предлагаемых инновационных решений в сравнении с традиционными.
• Выдача рекомендаций производителям по улучшению технических характеристик применяемого в проекте оборудования.
• Выработка рекомендаций  по изменению существующей и разработке новой нормативно-технической документации.
• Сравнительный анализ работы интеллектуального  и классического контуров кластера. 

Для достижения поставленной цели и выполнения задач проекта предлагается организовать пилотные зоны на ПС 220 кВ «Призейская», ПС 220 кВ «Эльгауголь», ПС 220 кВ «А» и ПС 220 кВ «Б» с организацией на ПС «Призейская» центра управления группой ПС (ЦУГП).

На новых объектах будет реализован ряд инновационных решений. Предполагается создать полномасштабные и полнофункциональные цифровые системы управления (ЦСУ), РЗА и АИС УЭР нового поколения, базирующиеся на цифровой шине процесса (IEC 61850-9-2).  Источником информации для шины процесса будут служить устройства сопряжения с шиной (УСШ), преобразующие мгновенные значения тока и напряжения в цифровой поток IEC 61850-9-2., а также дискретные сигналы в сообщения формата GOOSE.

На присоединениях ВЛ 220кВ предусматривается установка устройств системы векторных измерений (PMU).

В ЦУГП планируется установить ПТК для мониторинга сети и управления оборудованием.

 

Организация пилотных зон и основные технические решения, применяемые на объектах кластера «Эльгауголь»

 

РЕЖИМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ

Все оборудование ЦСУ с цифровыми системами РЗА и АИС УЭР, предназначенное для создания интеллектуальных контуров ААС, устанавливается параллельно с АСУ ТП,  РЗА и АИС УЭР традиционного исполнения (с поддержкой шины подстанции МЭК 61850-8.1). Это оборудование функционирует в режиме мониторинга без выдачи управляющих воздействий на исполнительные органы (а только «на сигнал»), в отличие от комплексов традиционного исполнения, которыев штатном режиме действует на отключение. Таким образом, ЦСУ с системами цифровых РЗА и АИС УЭР не будет оказывать никакого воздействия на работу как первичного оборудования ПС, так и на оборудование традиционных систем АСУ ТП и РЗА. Оборудование ЦСУ и  традиционных АСУ ТП и РЗА настраиваются идентично. Функционирование устройств, как новых принципов действия, так и традиционных будет протоколироваться для последующего сравнительного анализа. Информация от ЦСУ  и АСУ ТП классического исполнения будет поступать в виде двух параллельных потоков в ПТК ЦУГП для анализа и сравнения результатов работы всех систем подстанций.

 

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Цифровая система управления подстанций

Основой предлагаемого решения является полное и всестороннее применение стандарта IEC 61850 (части 8-1 и 9-2). Применение решений, основанных на этом стандарте, позволяет получить ряд существенных преимуществ, в том числе:

• Снижение капитальных затрат на кабельные связи и монтаж и наладку.
• Простая интеграция всех систем ПС в единое информационное пространство.
• Повышение скоростей информационного обмена.
• Повышение точности измерений за счет исключения дополнительных погрешностей.
• Экономия средств за счет применения групповых устройств автоматики (одно устройство на несколько присоединений, например терминал резервной защиты).
• Снижение эксплуатационных расходов.
• Повышение надежности работы подстанции за счет:
  -           средств самодиагностики терминалов и информационных сетей с возможностью раннего выявления нештатных режимов работы оборудования;
  -       исключения несанкционированных и неправильных действий персонала;
  -       применения волоконно-оптических линий связи, обеспечивающих идеальную гальваническую развязку.

Также значимой причиной использования стандарта IEC 61850 является поддержка его новыми типами первичного оборудования, что облегчает возможность информационной  интеграции, управления и диагностики.

Основным новшеством, апробируемым в данном проекте, является использование шины процесса (ProcessBus), которая позволяет обеспечить большую часть описанных выше преимуществ.

Под шиной процесса подразумевается высокоскоростная среда передача данных, обеспечивающая передачу измеренных и преобразованных в цифровой вид мгновенных значений тока и напряжения, а также положений КА для выполнения всех задач управления (РЗА ЦСУ, учета электроэнергии и др.). Шина процесса представляет собой оптический канал связи, обеспечивающий передачу данных согласно стандарту IEC 61850-9-2, и организуется виде сети Ethernet100BASE-FX. Источником данных для шины процесса являются комбинированные трансформаторы тока и напряжения с цифровым интерфейсом или устройства сопряжения с шиной, подключаемые к традиционным измерительным трансформаторам. Данные устройства проводят измерения мгновенных значений тока и напряжения и выдают их по сети Ethernet в формате согласно IEC 61850-9-2.

Для сбора дискретной информации и выдачи команд управления применяются устройства, которые фиксируют текущее состояние коммутационной аппаратуры и других источников дискретных данных, преобразуют  в цифровой вид (в формат GOOSE сообщения согласно IEC 61850-8-1) и передают их в сеть обмена данными (шину процесса).

Также к шине процесса подключаются и потребители этой информации – терминалы релейной защиты, контроллеры присоединений, счетчики электрической энергии регистраторы аварийных событий.

Для организации единого времени технологической шины процесса применяются  серверы времени с поддержкой протокола PTP.

Ввиду большой значимости системы цифровых коммуникаций для функционирования всего комплекса подсистем кластера, предусмотрены повышенные требования к информационной безопасности, в том числе защита данных от внешних и внутренних угроз, защита каждой точки потенциального вторжения в цифровую сеть, фильтрация сетевого трафика.

ЦСУ обеспечивает выполнение всех технологических и общесистемных функций,  соответствующих требованиям ОАО «ФСК ЕЭС» и отраслевых нормативных документов. Отметим поддержку технологических функций: сбор и обработка аналоговых и дискретных сигналов, управление оборудованием, определение места повреждения, регистрация авариных событий и процессов, контроль показателей качеств электроэнергии т.д.

ЦСУ обеспечивает интеграцию систем РЗА, АИС УЭР, подсистемы векторных измерений на базе МЭК 61850-8.1.

 

Структурная схема пилотных цифровых зон ПС 220 кВ «Призейская»

РЗА

Подсистема РЗА ЦСУ базируется на всестороннем применении стандарта МЭК 61850. МП терминалы интегрируются в цифровую шину процесса в соответствии с МЭК 61850-9.2 и станционную шину в соответствии с МЭК 61850-8.1. Система РЗА разрабатывается с минимальным количеством кабельных связей: обмен информацией между терминалам РЗА осуществляется посредством GOOSE сообщений, измеряемые ТТ и ТН аналоговые значения передаются терминалам SVпотоками, ключи оперативного управления исключаются из шкафов РЗА и заменяются командами управления с АРМ оператора ЦСУ. Состав защит интеллектуального контура позволяет в полном объеме обеспечить защиту всех силовых элементов кластера. На ПС А и ПС Б для защиты силовых трансформаторов опробуется решение HardFiberGEMultilin. На период опытной эксплуатации защиты интеллектуального контура работают на сигнал с последующим переводом  действия на  отключение.

АИС УЭР

Для коммерческого учета ЭЭ на каждое присоединение устанавливаются счетчики, принимающие данные мгновенных величин тока и напряжения с шины процесса в формате МЭК 61850-9.2. Преобразуя эти величины в интервальные приращения мощности и энергии, а также основные параметры электрической сети, счётчики передают измеренные значения в формате DLMSна уровень ЦУГП посредством канала Ethernetдля дальнейшей обработки На уровне ЦУГП устанавливается сервер АИС УЭР  в котором помимо визуализации и хранения данных о измерениях и журналов событий, реализуются функции расчётов балансов потребляемых мощностей по различным точкам учёта, прогнозирование энергопотребления по заданным точкам, а также экспорт данных необходимых для коммерческих расчётов на ОРЭ. Кроме того доступ к человеко-машинному интерфейсу выполнен в виде WEBсервиса, что позволяет организовать АРМы операторов на распределённой территории не применяя специализированного ПО.

PMU

Для управления и мониторинга нормальных и переходных режимов  транзита 220 кВ Призейская – Эльгауголь на всех присоединениях  ЛЭП используются устройства синхронных векторных измерений PMU, подключаемые к цифровой шине процесса.

ЦУГП

Создаваемый ПТК ЦУГП должен решить задачи  управления объектами, входящими в энергокластер Эльгауголь, в том числе, сбор, хранение и дальнейшая обработки оперативной и неоперативной информации, управление  оборудованием подстанций, включая оборудование пилотных зон объектов кластера.

В результате создания  ПТК ЦУГП  должны быть решены следующие основные задачи:

• Организация оперативного управление группой подстанций транзита.
• Организация верхнего уровня сбора оперативной и неоперативной технологической информации от ЦСУ и АСУ ТП  подстанций транзита 220 кВ.
• Мониторинг и диагностика интеллектуального первичного оборудования.
• Сбор информации от смежных диагностических систем: векторных измерений (PMU), Мониторинг ВЛ (SmartBall);
• Предоставление инструментария для сравнительного анализа информации, поступающей от АСУ ТП традиционного исполнения и от ЦСУ;
• Дистанционное управление оборудованием ПС, включая, сбор и анализ информации, поступающей от интеллектуальных сегментов ПС.
• Организация информационного обмена между ЦГУП и Амурским ЦУС (г. Благовещенск).

Особенностью ПТК ЦУГП является наличие двух потоков информации:

• от АСУ ТП  традиционного исполнения на базе оборудования Sprecher и Siemens, поставляемого в рамках основного титула строительства.
• от ЦСУ нового поколения - устройств измерений, управления, РЗА, и учета электроэнергии, функционирующих на базе шины процесса.

В  связи с этим, кроме традиционных задач, решаемых ПТК SCADA диспетчерских центров, данный ПТК  должен решать задачи взаимодействия и сравнительного  анализ двух систем АСУ ТП, реализуемых на объектах кластера. Также должно быть введено ограничение для управления оборудованием цифровых сегментов нового поколения - управление должно исполняться только «на сигнал» без непосредственного воздействия  на коммутационные аппараты.

В связи с неординарностью задачи повышаются требования к визуализации,  структура построения мнемокадров должна обеспечивать возможность анализа обеих систем, но в тоже время не загромождать зону визуального восприятия и обеспечивать удобный пользовательский интерфейс.

ААСОУ

Целью создания адаптивной автоматической системы оптимального управления напряжением и реактивной мощностью (ААСОУ) энергокластера «Эльгауголь» является автоматическое поддержание заданных уровней напряжений на шинах подстанций, входящих в энергокластер, при одновременной минимизации потерь электроэнергии и повышении качества электроэнергии в условиях изменения режимов работы и состава включенного в работу оборудования электрически близких электросетевых объектов.

Создание ААСОУ энергокластера «Эльгауголь» наряду с созданием ЦСУ формируют участок интеллектуальной энергосистемы – активно-адаптивную сеть энергокластера «Эльгауголь».

ААСОУ строится как двухуровневая система. Нижним уровнем  являются подстанционные локальные системы автоматического управления средствами компенсации реактивной мощности, устанавливаемые на объекты кластера (УШР, БСК, РПН Т и АТ, АУВ), реализующие команды управления, рассчитанные на верхнем уровне системы.  Верхним уровнем ААСОУ является централизованная адаптивная система автоматического оптимального управления напряжением и реактивной мощностью энергокластера «Эльгауголь», решающая задачу определения оптимальных уровней напряжения и перетоков реактивной мощности.

Система мониторинга ВЛ-220кВ

Для обеспечения контроля за параметрами ВЛ пролет в районе перехода через р. Зея  ВЛ 220 кВ Призейская – А и Призейская – Б оснащается системой мониторинга SmartBallHyundai. В ЦУГП транзита устанавливается контроллер и АРМ системы мониторинга ВЛ.

 

ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ ПОЛИГОН КЛАСТЕРА ААС «ЭЛЬГАУГОЛЬ»

Испытательный полигон кластера ААС «Эльгауголь» создается для опробования основных технических решений проекта и  проведения испытаний совместимости оборудования различных производителей согласно стандарту МЭК 61850. По результатам проведенных испытаний будет сделан окончательный выбор производителей, участвующих в проекте.  

 

Структурная схема испытательного стенда

На испытательном полигоне моделируется две ячейки  ВЛ 220 кВ с полным набором устройств ЦСУ, РЗА ЦСУ, АИС УЭР, PMU и локальным центром управления.

Для имитации реальных режимов в энергосистеме планируется использовать динамическую модель энергосистемы на базе комплекса RTDS. Итогом проведенных испытаний является определение поставщиков оборудования, отвечающих свойству совместимости стандарта МЭК 61850, разработка методик проведения пуско-наладочных работ оборудования комплекса, руководств по обслуживанию системы и проведению плановых проверок.

 

Проект ААС кластера «Эльгауголь» является пилотным и не имеет аналогов в ЕС России. Реализация проекта требует аккумулирования передовых  решений в области цифровых технологий автоматизации и их применение на строящихся подстанциях кластера «Эльгауголь». Опыт, который будет получен  в процессе разработки проекта, проведения испытаний, ввода в опытную эксплуатацию и последующего обслуживания интеллектуальных сегментов трудно переоценить – он будет востребован как разработчиками оборудования, так и проектными, инжиниринговыми и сервисными компаниями. Результаты опытной эксплуатации кластера лягут в основу нормативно-технической документации, регламентирующей базовые технические принципы разработки цифровых систем управления, их проектирования, ввода в работу и эксплуатации. Проект ААС кластера «Эльгауголь» является отправной точкой для реализации решений по элементам активно-адаптивного управления и предоставляет возможность на практике сравнить их с традиционными решениями.