ЦИФРОВЫЕ ПОДСТАНЦИИ: ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Цифровые подстанции – это новое слово в энергетике, которое постепенно становится все более популярным. Они позволяют существенно увеличить эффективность работы электросетей, обеспечивая более точное управление энергосистемой и уменьшая риски аварий. Перспективы развития цифровых подстанций огромны. В ближайшие годы мы можем ожидать значительного роста числа цифровых подстанций во всем мире. Это связано с тем, что цифровые технологии становятся все более доступными, а также с растущим спросом на энергию в связи с развитием промышленности и технологий. Цифровые подстанции – это комплексное решение для автоматизации и управления энергосистемой. Они представляют собой совокупность различных технологий, которые позволяют существенно повысить эффективность работы электросетей.

Рисунок 1. Основные преимущества цифровых подстанций

Одним из главных преимуществ цифровых подстанций является возможность удаленного управления и мониторинга.

Это позволяет быстро реагировать на возможные аварии и уменьшить время простоя электросетей.

Кроме того, цифровые подстанции могут быть использованы для интеграции возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая, в общую энергосистему.

Это может помочь уменьшить зависимость от нефти и газа, а также уменьшить выбросы парниковых газов.

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

• традиционная подстанция с несколькими ОРУ высокого напряжения, щитом управления, на котором установлены шкафы вторичных систем измерения, учета, РЗА. Кабельные связи протяженные, оптимизация невозможна;
• 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 оптимальными. На главном щите управления (ГЩУ) остаѐтся оборудование диспетчеров и систем связи;
• цифровая подстанция (1 этап) – установка цифровых трансформаторов тока и напряжения. Замена на оптические вторичных цепей тока и напряжения, оптимизация вторичных микропроцессорных систем;
• цифровая подстанция (2 этап) – все информационные потоки в цифровом формате. Контроль, управление, видеонаблюдение осуществляются дистанционно с удаленного диспетчерского пункта [1].

Цифровые подстанции могут стать важным элементом развития «умных городов». Они позволяют создавать интеллектуальные энергетические сети, которые могут адаптироваться к изменяющимся условиям и потребностям. Это может привести к более эффективному использованию ресурсов и уменьшению нагрузки на энергосистему.

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 [2].

Однако, в процессе развития цифровых подстанций могут возникать проблемы, которые затрудняют их внедрение и эксплуатацию. Рассмотрим основные проблемы и способы их решения.

Проблема 1: высокая стоимость внедрения.

Одной из главных проблем развития цифровых подстанций является высокая стоимость их внедрения. Для того чтобы обновить существующую подстанцию или построить новую, требуется значительное количество финансовых ресурсов.

Стоимость внедрения цифровых подстанций можно снизить за счет оптимизации затрат. Например, использование существующей инфраструктуры и оборудования, а также применение более дешевых технологий. Кроме того, можно использовать государственные программы поддержки развития энергетики.

Проблема 2: сложность интеграции с существующими системами. Еще одной проблемой, которая может возникнуть при внедрении цифровых подстанций, является сложность интеграции с существующими системами управления и мониторинга.

Для решения этой проблемы можно использовать стандартные протоколы и интерфейсы, которые позволяют интегрировать различные системы и оборудование. Также можно использовать программное обеспечение, которое позволяет управлять и мониторить все системы из одного центра управления.

Проблема 3: не менее важной проблемой, которая может возникнуть при внедрении цифровых подстанций, является безопасность данных. Цифровые подстанции хранят большое количество информации о состоянии энергосистемы, а также о клиентах.

Чтобы решить данную проблему, необходимо использовать современные технологии защиты данных, такие как шифрование, аутентификация и контроль доступа. Кроме того, необходимо проводить регулярную проверку на наличие уязвимостей и обновлять программное обеспечение.

Также, в данной статье мы рассмотрим различные виды цифровых подстанций.

1. Цифровые подстанции на основе программно-конфигурируемых контроллеров (PCC). Программно-конфигурируемые контроллеры (PCC) являются ключевым элементом цифровых подстанций. Они представляют собой устройства, которые позволяют управлять и контролировать работу электросетей. PCC обеспечивают быстрое реагирование на возможные аварии и уменьшение времени простоя электросетей. Цифровые подстанции на основе PCC обеспечивают высокую степень автоматизации и управляемости электросетей. Они позволяют быстро адаптироваться к изменяющимся условиям и потребностям, что повышает эффективность работы электросетей.
2. Цифровые подстанции на основе систем управления энергопотреблением (EMS). Системы управления энергопотреблением (EMS) позволяют оптимизировать работу электросетей и управлять энергопотреблением. Они обеспечивают мониторинг и анализ энергопотребления, что позволяет оптимизировать расходы на электроэнергию. Цифровые подстанции на основе EMS могут интегрироваться с другими системами управления, такими как системы управления зданиями, системы безопасности и т.д. Это позволяет создавать интеллектуальные энергетические сети, которые могут адаптироваться к изменяющимся условиям и потребностям.
3. Цифровые подстанции на основе систем управления активами (AM). Системы управления активами (AM) позволяют управлять активами электросетей, такими как трансформаторы, выключатели и т.д. Они обеспечивают мониторинг и анализ состояния активов, что позволяет предотвратить возможные аварии. Цифровые подстанции на основе AM обеспечивают эффективное управление активами и уменьшение рисков аварий. Они также позволяют оптимизировать расходы на обслуживание и ремонт активов.
4. Цифровые подстанции на основе систем управления ресурсами (RM). Системы управления ресурсами (RM) позволяют управлять ресурсами электросетей, такими как электроэнергия, вода, газ и т.д. Они обеспечивают мониторинг и анализ использования ресурсов, что позволяет оптимизировать их использование. Цифровые подстанции на основе RM могут интегрироваться с другими системами управления, такими как системы управления зданиями, системы безопасности и т.д. Это позволяет создавать интеллектуальные энергетические сети, которые могут адаптироваться к изменяющимся условиям и потребностям.
5. Цифровые подстанции на основе систем управления безопасностью (SM). Системы управления безопасностью (SM) позволяют обеспечить безопасность работы электросетей. Они обеспечивают мониторинг и анализ состояния электросетей, что позволяет предотвратить возможные аварии. Цифровые подстанции на основе SM обеспечивают высокую степень безопасности работы электросетей. Они также позволяют быстро реагировать на возможные аварии и уменьшить время простоя электросетей.

В России уже существует ряд цифровых подстанций, которые используются для оптимизации работы энергосистемы и обеспечения безопасности электросетей.

Одной из первых цифровых подстанций в России стала подстанция ОАО «Московские электрические сети», которая была запущена в эксплуатацию в 2010 году. Эта подстанция основана на системе управления энергопотреблением и обеспечивает мониторинг и анализ потребления электроэнергии, что позволяет оптимизировать расходы на электроэнергию.

В 2013 году была запущена цифровая подстанция ОАО «Россети», которая основана на системе управления активами. Эта подстанция обеспечивает мониторинг и анализ состояния активов электросетей, что позволяет предотвратить возможные аварии и оптимизировать расходы на обслуживание и ремонт активов.

В 2017 году была запущена цифровая подстанция ОАО «Транснефть», которая основана на системе управления безопасностью. Эта подстанция обеспечивает мониторинг и анализ состояния электросетей, что позволяет предотвратить возможные аварии и обеспечить высокую степень безопасности работы электросетей.

Кроме того, в России существует ряд других цифровых подстанций, которые основаны на различных системах управления. Например, в городе Сочи была запущена цифровая подстанция на основе системы управления ресурсами, которая обеспечивает мониторинг и анализ использования ресурсов электросетей.

Также в России активно развивается проект «Умный город», который предусматривает создание интеллектуальных энергетических сетей на базе цифровых подстанций. В рамках этого проекта была запущена цифровая подстанция в городе Казань, которая обеспечивает мониторинг и управление энергопотреблением в режиме реального времени.

В целом, перспективы развития цифровых подстанций огромны. Они могут стать важным элементом модернизации энергетических систем и обеспечения устойчивого развития. Развитие цифровых технологий позволит повысить эффективность работы электросетей, уменьшить риски аварий и создать интеллектуальные энергетические сети, которые могут адаптироваться к изменяющимся условиям и потребностям. Однако, для успешного внедрения цифровых технологий необходимо учитывать, как их преимущества, так и возможные риски и проблемы.

Существующая сетевая инфраструктура, по-видимому, отвечает части ожиданий (от традиционной и возобновляемой генерации до транспорта и части распределения), но она должна значительно улучшиться с точки зрения конечного пользователя и ожидаемых от нее функций. Прогнозы указывают на умеренный рост спроса, существенное увеличение возобновляемых источников энергии и потребность в устойчивой и гибкой мощности [1].

Следовательно, возникает новая концепция электрической сети, т.е. «интеллектуальной сети». Базовому определению «интеллектуальных сетей» может соответствовать «электрические сети, которые интеллектуально интегрируют поведение и действия всех субъектов, подключенных к ним (тех, кто генерирует электроэнергию, тех, кто потребляет ее, и тех, кто выполняет оба действия), чтобы обеспечить безопасное, экономичное и устойчивое электроснабжение» [2]. В таких сетях очень продвинутые интегрированные системы используются в процессе поставки электроэнергии на всех уровнях. Функция этих интегрированных систем заключается в защите компонентов электрической системы, управлении потоком мощности и мониторинге процесса. Например, устройства автоматизации электрических систем интегрируются в сети связи для обмена информацией между различными устройствами, а также с системами надзора.

Технологические тенденции интегрированных систем в автоматизации электрических систем будут определяться тремя различными технологическими тенденциями, такими как электронная интеграция, интеграция коммутационного оборудования и передача данных [3].

В последние годы были проведены обширные исследования производства энергии на основе ископаемых источников энергии. Источники ископаемого топлива эксплуатировались, полагая, что существует бесконечная доступность ресурсов, но эти источники наносят огромный ущерб окружающей среде.

Старая энергетическая модель, основанная на энергии ископаемого топлива, включала цепочку процессов, таких как генерация, распределение, транспортировка и потребление. Однако, чтобы удовлетворить спрос потребителей, необходимо модернизировать вышеуказанную энергетическую модель до распределенной генерации энергии. Эта новая энергетическая модель будет поддерживать различные источники энергии и увеличение использования возобновляемой энергии и эффективности.

Главным преимуществом новой энергетической модели является распределенная система генерации энергии. Эта система позволяет людям генерировать энергию на микроуровне и подключаться к национальной сети [4], что резко снижает потери, вызванные транспортировкой энергии.

Эта система облегчает подключение всех видов возобновляемых энергий к системе, что в конечном итоге улучшит энергосистему. Это возможно путем содействия интеграции неуправляемых видов энергии, таких как энергия ветра или солнца, и путем использования устройств хранения энергии, которые смогут заряжаться и разряжаться в сети.

Для выполнения всех действий, упомянутых ранее, топология сети должна [5], [6] иметь следующие характеристики:

• допускать самостоятельное управление инцидентами, устранять дефекты, возникшие в системе, и гарантировать поток электроэнергии во всех точках;
• иметь защиту от атак и дестабилизаций;
• увеличивать поток участия потребителей, продвигая локальный процесс генерации и поставляя избыточную энергию в сеть в часы пик;
• иметь возможность поставлять электроэнергию надлежащего качества для цифровой эпохи. Большее количество точек генерации позволит поставлять энергию различного качества для каждого типа применения;
• устанавливать различные режимы генерации и хранения благодаря микросетям и генерации распределяемой энергии;
• способствовать расцвету рынков за счет включения новых элементов в сеть, таких как электромобиль, большее количество возобновляемых источников энергии и т.д.;
• проводить более грамотную оптимизацию ваших активов и работы; это достигается за счет автоматизации всех участвующих элементов.

Концепция интеллектуальных сетей относится к интеллектуальному управлению электричеством с использованием компьютерных и коммуникационных технологий.

Концепция интеллектуальных сетей охватывает множество взаимосвязей между различными элементами генерации, передачи и распределения электроэнергии. Кроме того, концепция тесно связана с включением нетрадиционных возобновляемых источников энергии (как крупномасштабных с большими генераторами, так и на уровне домохозяйств) в электросеть, тем самым изменяя текущую парадигму уникальности генерации в сторону концепции распределенной генерации.

Интеллектуальная сеть – это интеллектуальная энергетическая сеть, которая объединяет все параметры генерации, передачи, распределения и потребление. Он также обеспечивает расширенные процессы управления для достижения эффективного и устойчивого снабжения [7].

Мотивация создания интеллектуальной сети: забота об окружающей среде, надежность и качество снабжения и улучшение работы сетей.

Следующие компоненты должны быть разработаны для достижения вышеупомянутых целей.

Интеллектуальный учет: интеллектуальный учет помогает потребителям генерировать собственную энергию и вводить излишки вырабатываемой энергии в сеть по определенной цене. Это увеличивает динамизм системы и снижает цены на электроэнергию [8].

Управление нагрузкой: данные, предоставляемые интеллектуальными счетчиками, помогают в эффективном управлении нагрузкой. Почасовое потребление энергии, поставляемой счетчиками, является основным решающим фактором для управления подключением или отключением источников генерации и нагрузок. Это подключение или отключение может быть автоматическим с помощью интеллектуальных контроллеров, что влечет за собой осведомленность и образование населения в целом. В конечном итоге, это помогает в развитии культуры низкого потребления и энергосбережения.

Включение возобновляемых источников энергии и электрической мобильности: интеллектуальная сеть также охватывает вопрос микрогенерации в домохозяйствах. Для этой цели необходимо изучить природные ресурсы, которые могут быть использованы в домах в различных географических секторах страны, и усовершенствовать технологии их подключения к распределительным линиям.

Обновление текущих сетей передачи: основной момент для достижения вышеуказанных пунктов требует включения эффективной сети передачи. Распределенная генерация и значительное увеличение количества нетрадиционных возобновляемых источников энергии, вводимых в сеть, требуют системы передачи, которая поддерживает эти двунаправленные потоки. Таким образом, окончательно интеллектуальная сеть требует различных технологий, которые могут обеспечить правильную работу этой новой сети из-за сложности, которая добавляется, чтобы стать интеллектуальной [9].

Среди новых технологических тенденций интеллектуальных сетей, подстанции представляют собой интеллектуальные сети, которые предназначены для управления потреблением каждого элемента, подключенного к ним «интеллектуальным» образом [10]. Эти сети будут использовать инновационное оборудование и услуги, а также новые технологии связи, управления, мониторинга и самодиагностики, которые помогут достичь следующих целей [11]:

• усиление и автоматизация сети, достижение улучшения функциональности системы, лучшие показатели качества и меньшие потери в сети;
• оптимизация связи между областями, имеющими возобновляемые источники энергии, улучшение мощностей подключения и снижение затрат на подключение;
• изучить архитектуры децентрализованной генерации, делая более мелкие установки (распределенная генерация) в равновесии с системой [12];
• разработать интеграцию прерывистой генерации и новые технологии хранения;
• продвигаться в развитии рынка электроэнергии, предоставляя новые функции и услуги рынку;
• позволить потребителям лучше управлять своей энергоэффективностью за счет активного управления спросом.

Расширенная автоматизация распределения позволяет системе распределения электроэнергии быть полностью контролируемой для повышения эффективности, устойчивости и надежности. Некоторые приложения для расширенной автоматизации распределения – это мониторинг, сбор данных и управление, управление напряжением и реактивной мощностью, локализация неисправностей, автоматическая реконфигурация, изоляция и восстановление услуг, информация для пользователей, управление временем, управление активами и дистанционное управление. Основная причина для расширенной автоматизации распределения – гарантировать безопасность обслуживания, качество энергии и эффективность энергетической системы. Вышеуказанное возможно, как только будут автоматизированы следующие три процесса управления операцией распределения [13, 14]. Эти процессы управления: данные размещаются почти в реальном времени, оптимальные решения и координация со службами различных систем генерации и распределения для управления операциями распределения.

Автоматизированная система расширенного распределения сможет выполнять сбор данных, а также проверку и исправление согласованности этих данных. Кроме того, система должна перенастроить многоуровневый фидер. Она должна быть заранее оснащена схемами корректирующих действий и организацией срочных действий в распределении. Он должен заботиться о предыдущей сборке схем восстановления и координации корректирующих действий в распределении, регистрации и отчетах [15].

Технологии распределенных источников энергии состоят из ресурсов хранения и генерации электроэнергии, обозначенных как «за счетчиком». Эти ресурсы устанавливаются на стороне клиента и используются для поставки частичной или полной энергии, потребляемой клиентом. Эти энергетические ресурсы также могут вводить энергию в систему распределения и систему передачи или в локальную сеть параллельно с общественной сетью. Более того, включены определенные технологии, такие как системы комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ), фотоэлектрическая солнечная энергия (PV), микросети, ветряные турбины, микротурбины, резервные генераторы и накопители энергии. Эти ресурсы представляют огромную важность, поскольку они могут способствовать надежности сети. Они могут производить энергию для поддержки нагрузки хоста или системы. Эти технологии развивались быстрыми темпами за прошедшие годы. Однако текущие проблемы требуют уникального планирования, эксплуатации и управления рынком.

Более того, термин, характеризующий его как «за счетчиком», означает, что он представляет определенные ресурсы, которые напрямую не подключены к коммерческой системе электроснабжения, но подключены к точке доступа клиента. В этом случае возможно, что ресурсы действуют для удовлетворения внутренних электрических нагрузок клиента, или ресурсы могут работать для продажи в систему электроснабжения.

Прогресс в области информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) помогает поддерживать распределение электроэнергии, при этом ограничивая экологические последствия. В дополнение к этому, ИКТ позволяют более широко использовать возобновляемые источники энергии.