CC BY
40
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КАК ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
10 КВ
А.Ю. Юдин, студент М.О. Шауркин, студент А.В. Малых, студент К.К. Окладников, студент
Иркутский национальный исследовательский технический университет (ИрНИТУ) (Россия, г. Иркутск)
DOI:10.24412/2500-1000-2022-11-4-41-48
Аннотация. Данная работа рассматривает отдельные проблемы существующих распределительных сетей 6/10 кВ и решение в виде системы автоматического восстановления электроснабжения (САВС), позиционирующее себя на рынке, как интеллектуальное и относительное доступное решение при реконструкции. Исследование доказывает актуальность САВС, учитывая затраты разных решений от подходов к реализациям данной системы. Варианты реализации САВС представлены на рынке от российских и иностранных компаний. В работе учитывается специфика организации интеллектуальности САВС, минимальная комплектация электротехнического и цифрового телемеханического оборудования.
Ключевые слова: интеллектуальные распределительные сети, восстановление электроснабжения, автоматизированные системы, автоматические системы, реконструкция распределительных сетей.
На момент 2018 года протяжённость распределительных сетей 6-10 (в том числе 20 и 0,4) кВ составляла порядка 3998,21 тыс. км [1]. Такие сети, как правило представляющиеся в виде ВЛ 6/10 кВ (так же и 110 кВ), держат на себе более 20 потребительских ТП. В отдельных районах, где электрификация не была завершена полностью или же не поспевала за развитием сельской/городской инфраструктуры, число потребителей, питающихся от ВЛ 6/10 кВ может доходить и до 50 потребительских ТП.
Распределительные сети являются важной частью ЕЭС России для передачи электроэнергии до потребителя и соответственно функционирования рынка энергетики и как следствие функционирования ЕЭС в дальнейшей перспективе.
1. Проблематика распределительных сетей
Проблема распределительных сетей, помимо высокой плотности потребительских ТП на отдельно-выделенный участок сети, состоит так же в том, что сети строились радиальными [2]. При возникновении
КЗ на одной из ВЛ, РЗ со стороны, питающей воздушные линии, ПС могла сработать не селективно, что вело к отключениям. К таким случаям относились и кратковременные КЗ. Для решения данной проблемы, применялись многократные АПВ, доказавшие, в последствие, свою полезность, повысив успешность срабатывания до 80% (на практике может достигать лишь 40% из-за недостатка селективности) [3]. Для протяжённых ВЛ 6/10 кВ решения с АПВ сопровождается большими трудностями в расчётах. Эти же проблемы возникают и при расчёте уставок РЗ.
Так же в таких сетях, как правило, присутствует проблема низкой наблюдаемости и автоматизации. Для сетевых компаний устранение аварий распределительных сетей требует выезда дежурного персонала специалистов, на время выезда и локализации аварии электроснабжение потребителей прекращается. Данная проблема становится всё серьёзнее для протяжённых сетей, так как для таких сетей проблема
нахождения аварийного участка становится первоочередной задачей.
2. САВС как интеллектуальное решение
Для решения проблемы надёжности распределительных сетей 6/10 кВ, в следствие возникновения устойчивых коротких замыканий, что составляют большинство в таких сетях [3], предлагается использовать Систему Автоматического Восстановления Электроснабжения (САВС) [4, 5, 6].
САВС для сетей 6/10 кВ представляет собой комплекс для автоматизации диспетчерского управления распределительными сетями 6-10 кВ в нормальных и по-слеаварийных режимах, а также в режиме однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью.
САВС, как интеллектуальное решение, представляет собой модернизацию действующих распределительных сетей 6/10 кВ с организацией логики локализации повреждённого участка и последующей изоляции повреждённого участка.
«Интеллектуальность» САВС достигается организацией логики локализации повреждённого участка. Логика представляет собой математическую модель, преследующие цели нахождения среднего решения с точек зрения минимизации операций коммутации, потерь электроэнергии, количества потерь подключенных потребителей [7].
3. Задачи САВС
К задачам САВС относятся:
- выявление междуфазных замыканий, однофазных замыканий на землю, обрывов;
- автоматическая локализация аварийного участка;
- автоматическое восстановление сети с учётом допустимости и оптимальности переключений;
- реконфигурация сети при исчезновении напряжения в питающих узлах;
- контроль и восстановление отсутствующих измерений;
- возможность работы в режиме советчика диспетчера.
4. Способы реализации САВС
Реализация САВС подразумевает под собой установку коммутационных аппаратов (КА) способных коммутировать токи короткие замыкания в том числе. К таким аппаратам относятся выключатели нагрузки и реклоузеры на напряжение 6/10 кВ.
Для организации логики САВС использование КА обязательно. Исходя из доступных вариантов, методы построения САВС меняются. В то время, как выключатель нагрузки предназначен для коммутации под нагрузкой цепей трёхфазного тока частотой 50 Гц напряжением 6 или 10 кВ [8], реклоузер является интеллектуальным коммутационным аппаратом, объединяющим в одном устройстве силовой вакуумный выключатель наружного исполнения с интегрированной системой измерения токов и напряжений, и микропроцессорный шкаф управления с продвинутыми функциями защит и автоматики, специально адаптированными под нужды воздушных распределительных сетей [9].
Прежде всего САВС организуется на тех участках, где топология сети, позволяет осуществить изолирование аварийного участка. Пример топологии сети, для которой возможна и рекомендуема реализация САВС представлена на рисунке 1.
Пример, представленный на рисунке 1, показывает один из вариантов работы САВС в распределительной сети. В начале процесса протекания токов ОЗЗ (или любого другого ТКЗ) отключается питание с 1СШ ЦП1 части распределительной сети посредством срабатывания РЗиА фидера сети 10 кВ (рис. 1, а). После отработки РЗиА фидера сети 10 кВ, по предварительно отснятым данным, логика САВС обеспечивает изоляцию участка, на котором произошло КЗ посредством выдачи команд телеуправления на КА, после восстанавливает питание тех потребителей, топология сети которых может себе это позволить, в случае данного примера, за счёт резервирования сети в трёх местах между 1СШ и 2СШ ЦП1, питание потребителей восстановилось полностью (рис. 1, б).
а) б)
Рис. 1. Топология сети, для которой возможна реализация САВС [10] (а - изолирование участка релейной защитой, питающей ПС; б - изолирование повреждённого участка логикой САВС, восстановления электропитания сети)
При организации САВС, после выбора оборудования следует предусмотреть организацию следующего типа телеинформации:
- положение КА (выключатель нагрузки или реклоузер), тип информации двуэле-ментный;
- значения токов нулевой последовательности, контроль токов междуфазных КЗ (реализация передачи этого типа информации отличается в зависимости от выбора КА, при реклоузере информация обрабатывается на самом реклоузере внутри микропроцессорного шкафа управления, при выключателе нагрузке, обработка логики будет осуществлена на верхнем уровне диспетчера, то есть централизованно), информация типа «значение величины с плавающей запятой»;
- организацию возможности выдачи команд телеуправления (необходимость появляется при использовании выключателя нагрузки).
Организация логики выбирается исходя из выбора КА и определяет «интеллектуальность» распределительной сети.
При использовании реклоузеров, установка программно-технического комплекса (ПТК) для расчёта сети и локализации
места аварии не обязательна, так как микропроцессорные шкафы управления могут взять на себя задачи этого ПТК в полной мере и для полной конфигурации логики, необходимо обеспечить передачу телеинформации в диспетчерский центр.
При использовании выключателей нагрузки, использование ПТК является необходимостью. Каналы передачи телеинформации до уровня диспетчера обеспечивают видимость сети ПТК, затем после расчётов, ПТК на стороне диспетчера выдаёт в сторону КА команды ТУ для организации логики изолирования повреждённого участка. Это может сопровождаться последовательными отключениями с ПС, но с последующими быстрыми восстановлениями электропитания потребителей (не больше 10 с отсутствия электропитания). При удалённости диспетчера от места реализации САВС, возможна установка ПТК и на самой ПС с реализацией резервированного питания. Сам ПТК может быть резервирован на программном, географическом, аппаратном уровнях, что позволяет достичь высокого уровня гибкости САВС.
Места установки КА определяются на стадии организации решения на конкретном участке сети.
5. Зарубежные решения
В иностранной практике применяется интеллектуальное решение, называемое «Distribution Management System» (DMS) (в переводе - Система управления распределением). DMS является аналогом САВС для иностранного (в большей части Европейского) рынка. Решения реализуют такие компании, как: Schneider-Electric [11] и ETAP (Electrical Power System Analysis) [12].
Данные системы обладают схожими функциями и возможностями с САВС:
- обеспечивают графическое отображение локализации повреждённого участка в электрической модели;
- реализация единого контроля генерации/потребления в узлах потребителей;
- предсказательная симуляция сети и её повреждений на основе статистики;
- изоляция повреждённого участка сети и восстановление электропитания всей сети после изоляции;
- использование устройств компенсации реактивной мощности в своих расчётных схемах, в задачах оптимизации передачи электроэнергии в сетях;
- возможность телеуправления КА посредством выдачи команд, а также выведение информации о командах на панель диспетчера/автоматизированное рабочее место (АРМ), возможность сохранять отчёты работы сети и системы.
В качестве КА компании предлагают реклоузеры с организацией логики на месте диспетчера сетевой компании.
6. Технико-экономическое обоснование различных вариантов САВС
Реализация САВС является комплексным решением, стоимость которого будет является динамической и определяется на стадии проекта. В данной работе будет приведён минимальный перечень устройств для организации САВС согласно предложениям ИЦ «ЭНЕРГОСЕРВИС» [10] и «ПРО-СОФТ-СИСТЕМЫ» [13].
В первую очередь разница в экономичности, различных вариантов реализации
САВС, достигается следующими проектными решениями:
1) выбором типа используемых КА для САВС:
а) выключатели нагрузки с моторным приводом (как правило, дешевле реклоузе-ров, но требуют дополнительно установки вблизи модуля дискретных входов/выходов и контроллера);
б) реклоузеры (как правило, дороже, без необходимости в установке дополнительных модулей);
2) выбором типа организации логики САВС:
а) использование только шкафа управления при использовании реклоузеров;
б) резервирование одним ПТК или резервирование двумя ПТК;
в) организация расположения ПТК:
- на стороне диспетчера (дополнительные затраты на организацию каналов передачи данных);
- на стороне ПС (меньшие затраты на организацию каналов передачи данных);
3) выбором типа каналов передачи данных:
а) каналы связи типа ВОЛС (тип более надёжен с точки зрения доступа к данным, но более затратен);
б) типа GSM (тип менее надежён с точки зрения защиты доступа к данным, но менее затратен).
6.1. Решение САВС предлагаемое ИЦ «ЭНЕРГОСЕРВИС»
Решение заключается в организации двух взаиморезервируемых ПТК на стороне диспетчера с организацией каналов связи от узлов установки КА до ПТК. Структурная схема решения представлена на рисунке 2.
В качестве КА используются выключатели нагрузки с моторными приводами, оснащёнными электромагнитами отключения [8].
Для организации логики САВС устанавливаются следующие первичные аналоговые датчики:
- электромагнитный разборный трансформатор тока нулевой последовательности (ДТНП);
- однофазный электромагнитный индикатор тока короткого замыкания (ИТКЗ) с оптическим выходом;
- катушка Роговского, однофазный измерительный датчик тока (КР);
Организация сбора и передачи данных для организации логики САВС, на каждом узле установки КА предусматривается шкаф управления КА, включающий в себя по крайней мере следующие модули:
- ЭНЛЗ - устройство фиксации КЗ посредством ИТКЗ с функцией измерения синхронизированных векторов токов НП посредством ДТНП;
- УМТ - трансформатор напряжения для подключения ЭНЛЗ (модификаций ЭНЛЗ-1-Ш или ЭНЛЗ-1-ШП) к обмотке 3и0 ИТН;
- ББМ-БТ - многофункциональное измерительное устройство, объединяющее в себе трехфазный многотарифный счетчик учета электроэнергии, прибор контроля качества электроэнергии и многофункциональный измерительный преобразователь. В качестве первичных преобразователей применяются размыкаемые катушки Ро-говского и емкостные (резистивные) делители напряжения или существующие трансформаторы напряжения 6-10 кВ;
- ЭНМВ-1 - модуль ввода-вывода дискретных сигналов для сбора телесигнали-
зации, контроля положения коммутационной техники и выполнения телеуправления выключателями;
- ЭНКМ-3 - устройство сбора и передачи данных (УСД) для передачи информацию по двум резервируемым каналам связи (3G/2G) со встроенными ГЛО-НАСС/GPS приемником и 3G/2G модемом.
Возможность реализации данного решения присутствует в местах с достаточно сильным сигналом GSM. При невозможности организации каналов связи GSM, возможна реализация каналов передачи данных через ВОЛС, с дополнительной установкой в шкаф управления модуля ЭНКС-3М с SFP-модулями.
Стоимость такого решения не будет минимально возможной, но решение является практичным, так как необходимость ПТК обусловлена тем, что РЗА на используемых КА отсутствует по определению, так же, для густонаселённых районов, данное решение показывает себя с лучшей стороны, так как позволяет в кратчайшие сроки реализовать САВС на месте (организация каналов передачи данных через GSM, менее затратна, чем вариант с организацией каналов передачи данных через ВОЛС).
Положение КА Управление КА
Рис. 2. Структурная схема решения САВС от ИЦ «ЭНЕРГОСЕРВИС»
6.2. Решение САВС предлагаемое «ПРОСОФТ-СИСТЕМЫ»
Решение заключается в организации двух взаиморезервируемых ПТК на стороне диспетчера с организацией каналов связи от узлов установки КА до ПТК. Структурная схема решения представлена на рисунке 3.
В качестве КА используются реклоузе-ры [9].
Для организации логики САВС вся необходимая информация собирается с внутренних ТТ реклоузера и внутренних делителей напряжения реклоузера.
Организация сбора и передачи данных для организации логики САВС осуществляется посредством шкафа управления реклоузером, который совмещает функции микропроцессорного терминала РЗА, кон-
троллера сбора и передачи данных, модуля дискретных сигналов.
Возможность реализации данного решения присутствует в любых сетях, так как для данного решения используется интерфейс Ethernet организованный через ВОК или МЖК.
Стоимость такого решения будет максимально возможной. Решение является практичным лишь для сильноразветвлён-ных, так как в таких местах присутствует необходимость в высоком резервировании САВС в сети. При обрыве канала передачи данных через ВОЛС, РЗА самих реклоузе-ров могут селективно отрабатывать отключения на своих участках распределительной сети и сохранить электропитание оставшихся потребителей.
Рис. 3. Структурная схема решения САВС от «ПРОСОФТ-СИСТЕМЫ»
Заключение. САВС, как решение для струкцией сетей, за счёт той логики рабо-распределительных сетей, является акту- ты, которая прописана в принципе работы альным. Проблемы, описанные в первом системы.
разделе данной работы, не получается САВС на рынке представлен в виде
полностью и селективно решить за счёт двух решений от отечественных компаний, устройств РЗиА, понижая показатель базирующихся на их собственном обору-устойчивости сетей. САВС повысит довании, а также, обращаясь к зарубежно-надёжность и устойчивость распредели- му рынку и несколькими иностранными тельных сетей, при минимальных капи- заводами. тальных вложениях в сравнении с рекон-
Библиографический список
1. Цифровая электроэнергетика и цифровизация распределительных электрических сетей на уровне базового звена - Цифрового РЭС. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://digitalsubstation.eom/wp-content/uploads/2018/07/Dorofeev-V.V._TSifrovoj-RES.pdf. (дата посещения 22.10.22).
2. Технические и технологические проблемы распределительных электрических сетей. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.lib.tpu.rU/fulltext/e/2014/C82/067.pdf. (дата посещения 22.10.22).
3. Виноградов А.В., Зелюкин В.И., Семёнов А.Е., Виноградова А.В. Эффективность использования автоматического повторного включения в сопоставлении с причинами повреждений ВЛ-10 кВ // Вестник аграрной науки Дона. - 2018. - №42.
4. Головинский И.А. Возможности автоматического восстановления электроснабжения в распределительной сети при группе одновременных повреждений // Вестник СевероКавказского федерального университета. - 2021. - №4. - С. 7-16.
5. Li, C., Xi, Y., Lu, Y. et al. Resilient outage recovery of a distribution system: co-optimizing mobile power sources with network structure. Prot Control Mod Power Syst 7, 32 (2022).
6. Fabio da Silva Avelar , Paulo Cicero Fritzen , Mariana Antonia Aguiar Furucho/ Power Flow Analysis and Self-recovery of Electrical Energy Distribution Network Using Artificial Neural Networks // Braz. Arch. Biol. Technol. v.61, 2018.
7. Xuri Sun, Yanzhen Li. Power Recovery Strategy of Distribution Network with Distributed Power/ The 3rd Asia Energy and Electrical Engineering Symposium, 2021. Authorized licensed use limited to: California State University Fresno. Downloaded on June 21,2021 at 21:33:13 UTC from IEEE Xplore
8. Выключатели нагрузки 10 кВ ВНА-СЭЩ 10. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.electroshield.ru/catalog/razyediniteli-i-vla/vna-seshch-10-kv/ (дата посещения 22.10.22).
9. Реклоузеры 6-20 кВ. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.tavrida.ru/ter/solutions/REC15/ (дата посещения 22.10.22).
10. Система автоматического восстановления электроснабжения сетей 6-10 кВ на базе ПТК «Цифровой РЭС». - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://enip2.ru/Publication/public_art_SAVS_2020.pdf (дата посещения 22.10.22).
11. Distribution Management System. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.se.com/ww/en/work/solutions/for-business/electric-utilities/distribution-management-system-dms/ (дата посещения 22.10.22).
12. Distribution Management System. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://etap.com/packages/distribution-management-system (дата посещения 22.10.22).
13. Система автоматического восстановления электроснабжения (САВС) сетей 6КВ, 10КВ, 20КВ (FLISR/FDIR). - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://prosoftsystems.ru/solution/show/sistema-avtomaticheskogo-vosstanovlenija-jelektrosnabzhenija-savs-setej-6kv-10kv-20kv-flisrfdir (дата посещения 22.10.22).
AUTOMATIC POWER SUPPLY RESTORATION SYSTEM AS AN INTELLIGENT SOLUTION FOR 10 KV DISTRIBUTION NETWORKS
A.Yu. Yudin, Student
M.O. Shaurkin, Student
A.V. Malykh, Student
K.K. Okladnikov, Student
Irkutsk National Research Technical University
(Russia, Irkutsk)
Abstract. This work examines individual problems of existing 6/10 kV distribution networks and a solution in the form of an automatic power supply restoration system (SAVS), positioning itself on the market as an intelligent and relatively affordable solution for reconstruction. The study proves the relevance of SAVS, taking into account the costs of different solutions from approaches to implementations of this system. ABC implementation options are presented on the market from Russian and foreign companies. The work takes into account the specifics of the organization of the intelligence of the SAVS, the minimum configuration of electrical and digital telemechanical equipment.
Keywords: intelligent distribution networks, restoration of power supply, automated systems, automatic systems, reconstruction of distribution networks.
