The issues of digital transformation of electrical equipment and automation tools are considered using the example of a district substation, which allows solving issues of remote control of switching devices, predictive diagnostics of equipment and optimization of network operating modes
digital transformation, electrical equipment, automation, district substation, control, predictive diagnostics, optimization
Надежное функционирование электрической подстанций является определяющим фактором для обеспечения электроэнергией потребителей, получающих от нее электроэнергию. Районные подстанции – это подстанции, обычно 110/35/10 кВ, предназначенные для приема высокого напряжения от энергосистем и его распределения между крупными потребителями, промышленными районами или сетями 10-35 кВ населенных пунктов. Представляя собой системообразующий объект, районные подстанции требуют проведения комплексного анализа технического состояния и разработки мероприятий по ее модернизации [1-3].
В современных условиях эксплуатации подстанции возникают критические проблемы, связанные с физическим износом оборудования и ростом нагрузок в энергосистеме. Особое внимание требует состояние трансформаторов тока (ТТ) в сети 110 кВ, эксплуатируемых сверх нормативного срока службы [4].
На сегодняшний день существует ряд технических решений для повышения надежности и эффективности работы подстанции. Для рационального использования энергетического потенциала необходимо обеспечить:
- своевременную замену устаревшего оборудования;
- внедрение современных технологий мониторинга;
- оптимизацию режимов работы оборудования;
- повышение уровня автоматизации процессов.
Ключевым фактором, определяющим необходимость модернизации, является критическое состояние основных элементов подстанции. ТТ, ошиновка и коммутационное оборудование требуют замены в связи с превышением нормативного срока эксплуатации и снижением надежности работы [5-6].
Экспертная оценка технического состояния ряда районных подстанций выявила следующие проблемные зоны:
- превышение нормативного срока службы основного оборудования;
- недостаточная термическая стойкость элементов подстанции;
- риск возникновения аварийных ситуаций из-за износа изоляции;
- отсутствие современных систем мониторинга и управления.
Для обеспечения надежной работы районной подстанции необходимо реализовать комплекс мероприятий по модернизации, включающий:
- замену трансформаторов тока на современные элегазовые или оптические модели;
- реконструкцию открытых распределительных устройств;
- модернизацию линий электропередачи;
- внедрение систем противопожарной защиты [7].
Особое внимание требует решение вопросов сейсмической безопасности объекта, если подстанция расположена в регионе с повышенной сейсмической активностью. Необходимо применение современных технологий усиления фундаментов и опорных конструкций [8-10].
Предлагаемые технические решения обладают четко измеримой экономической эффективностью, которая проявляется в двух ключевых аспектах: снижении текущих эксплуатационных затрат и сокращение ущерба от аварийных ситуаций.
Снижение эксплуатационных затрат на 30-40 % достигается за счет комплекса мероприятий:
- замена устаревшего оборудования (ТТ, высоковольтных выключателей, проводов):
- снижение частоты плановых и внеплановых ремонтов;
- сокращение расходов на закупку запасных частей и расходных материалов (масло, изоляционные компоненты);
- уменьшение трудозатрат на обслуживание (благодаря автоматизации и цифровым системам).
Энергоэффективность новых решений достигается за счет следующих мероприятий:
-
- снижение потерь электроэнергии в линиях за счет оптимального выбора провода и устройств компенсации реактивной мощности;
- экономия на системах обогрева и вентиляции (современные шкафы и модули имеют улучшенную теплоизоляцию и управляемые режимы работы).
Внедрение средств автоматизации и цифровизации позволяет решить следующие вопросы:
-
- удаленное управление коммутационными аппаратами (сокращение выездов бригад);
- предиктивная диагностика оборудования (выявление дефектов до аварий);
- оптимизация режимов работы сети (снижение перегрузок и перерасхода энергии).
Прогнозируемое снижение годовых эксплуатационных расходов составляет 30-40 % от текущего уровня, абсолютная экономия – порядка 3-4 млн руб./год (исходя из типичных затрат на обслуживание районных подстанций аналогичного класса).
Сокращение времени ликвидации аварий достигается за счет мероприятий, позволяющих:
-
- уменьшить время отключения повреждений до 0,02-0,05 с (благодаря цифровым терминалам релейной защиты);
- ускорить поиск и локализацию неисправностей за счет SCADA-систем и датчиков реального времени;
- сократить продолжительность ремонтных работ благодаря модульности нового оборудования и наличию запасных элементов.
Перечисленные выше мероприятия приводят к снижению длительности перебоев электроснабжения в 2-3 раза, минимизации ущерба от недоотпуска электроэнергии (оценка до 2 млн. руб./год), и к сокращению штрафов за нарушение нормативов качества электроснабжения [7, 8].
Срок окупаемости проекта по реализации предлагаемых мероприятий – 5-7 лет, при общих инвестициях в объеме 22-25 млн. руб. (включая оборудование, монтаж, пуско-наладочные работы, обучение персонала). Годовая экономия от снижения эксплуатационных затрат и предотвращения ущерба – около 5 млн. руб./год при учете дисконтирования и инфляционных процессов (ставка дисконтирования – 8-10 %).
Увеличение срока службы оборудования до 30-50 лет снижает потребность в капитальных вложениях в перспективе на 15-20 лет. Повышение пропускной способности сети позволяет подключать новых потребителей без дополнительных инвестиций. Также предполагается снижение страховых взносов за счет уменьшения пожарных и аварийных рисков. Все это может привести к росту инвестиционной привлекательности региона благодаря надежной энергоинфраструктуре.
Экономическая эффективность модернизации типовой районной поддстанции подтверждается:
- значительным снижением текущих затрат (30-40 %);
- сокращением ущерба от аварий (до 2 млн руб./год);
- приемлемым сроком окупаемости (5-7 лет) в рамках отраслевых стандартов;
- долгосрочными выгодами от повышения надежности и цифровизации.
Проект цифровой трансформации районной подстанции, включающий вышеизложенные положении, демонстрирует высокую экономическую обоснованность за счет детального расчета инвестиционных затрат и операционных расходов на весь жизненный цикл. Его устойчивость обеспечивается диверсифицированными источниками финансирования и четким планом окупаемости в среднесрочной перспективе. Ключевым преимуществом является достижение баланса между текущими затратами и долгосрочными стратегическими выгодами для региональной энергосистемы. Проект способствует повышению надежности энергоснабжения, снижению потерь в сетях и созданию резервов мощности. В результате реализация проекта не только окупает вложенные средства, но и формирует основу для устойчивого развития энергетической инфраструктуры региона.
В процессе модернизации предполагается решение ключевого противоречия современной электроэнергетики:
- с одной стороны – возрастающие требования к надежности, безопасности и энергоэффективности сетей;
- с другой – критический износ оборудования, введенного в эксплуатацию 40–50 лет назад.
Особое внимание к вопросам цифровой трансформации электрооборудования и средств автоматизации районной подстанции уделяется в связи с тем, что:
- такая подстанция является системообразующим элементом энергосети региона и обеспечивает электроснабжение урбанизированных территорий;
- частые ремонты увеличивают эксплуатационные затраты;
- аварийные отключения ведут к недоотпуску электроэнергии;
- новые потребители, в том числе развивающееся загородное строительство с электроотоплением, создают пиковые нагрузки.
Модернизация районной подстанции должна быть направленная на поиск научно обоснованных решений по продлению жизненного цикла при сохранении требований надежности – не просто техническое мероприятие, а единственно возможный путь обеспечения:
- надежности электроснабжения в условиях роста нагрузок, когда текущее оборудование работает на пределе;
- соответствия современным нормам безопасности (правила устройства электроустановок, своды правил, ГОСТы); замена масляных выключателей на вакуумные (ресурс – 50 000 операций), установка элегазовых/оптических ТТ (пожаробезопасность, срок службы – 30 лет), усиление фундаментов и опорных конструкций с учетом сейсмических норм СП 14.13330.2018, монтаж систем газового пожаротушения (локализация возгораний за 10-20 с).
- снижения эксплуатационных затрат за счет внедрения энергоэффективного оборудования; интеграции подстанции в цифровую энергосистему региона, установка цифровых терминалов релейной защиты с возможностью удаленной настройки; внедрение систем SCADA для мониторинга параметров сети в реальном времени; интеграция в Smart Grid региона (обмен данными с диспетчерскими центрами) [11].
Модернизация районной подстанции – системное решение, которое:
- устраняет критические риски, связанные с износом оборудования;
- обеспечивает надежность электроснабжения при растущих нагрузках;
- приводит объект в соответствие с современными стандартами безопасности;
- создает экономическую эффективность за счет снижения затрат и предотвращения ущерба;
- закладывает основу для цифровой трансформации региональной энергосистемы.
Без реализации мер своевременной цифровой трансформации районная подстанция не может выполнять свои функции в долгосрочной перспективе, что угрожает энергобезопасности целого региона.
Таким образом, модернизация районной подстанции с учетом тенденции на цифровую трансформацию электрооборудования и средств автоматизации, представляет собой единственно возможный путь сохранения энергобезопасности региона и позволяет:
- ликвидировать накопленные технические проблемы;
- создать задел для устойчивого развития энергосистемы;
- обеспечить экономическую целесообразность эксплуатации объекта.
Реализация предложенных мер переведет районную подстанцию из состояния «критического износа» в режим надежной, безопасной и интеллектуальной эксплуатации, соответствующий требованиям XXI века. Это не просто техническое обновление – это инвестиция в энергетическую стабильность целого региона на десятилетия вперед.
1. Andreev V.M., Sokolov P.A. Modernizaciya podstanciy v usloviyah povyshennoy seysmicheskoy aktivnosti: tehnicheskie resheniya i ekonomicheskaya effektivnost' // Energeticheskaya politika. 2022. № 5. S. 78-85.
2. Kuznecova E.N., Morozov I.V. Cifrovye terminaly releynoy zaschity: opyt vnedreniya i perspektivy // Elektrotehnika i elektroenergetika. 2023. № 3. S. 44-51.
3. Charonov, V.Ya. Sovershenstvovanie rezhima potrebleniya elektroenergii na neftedobyvayuschih predpriyatiyah / V.Ya. Charonov, B.N. Abramovich, V.P. Ganskiy, Yu.V. Konovalov, A.S. Loginov // Neftyanoe hozyaystvo. 1988. № 7. – S. 7-9.
4. Petrov S.L., Ivanova A.Yu. Elegazovye i opticheskie transformatory toka: sravnitel'nyy analiz i praktika primeneniya // Elektrotehnicheskie kompleksy i sistemy. 2021. № 4. S. 22–29.
5. Grigor'ev D.K., Vasil'eva M.P. Povyshenie propusknoy sposobnosti VL 110 kV: sovremennye resheniya // Elektricheskie stancii. 2022. № 7. S. 56-63.
6. Konovalov, Y.V. Optimization of power supply system reactive power compensation at the oil field electrical substation / Y.V. Konovalov, D.N. Nurbosynov // 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manu-facturing, ICIEAM 2017 - Proceedings. electronic edition. 2017. – S. 8076228.
7. Sidorov A.V., Nikolaeva L.I. Energoeffektivnost' i pozharnaya bezopasnost' podstanciy: puti modernizacii // Bezopasnost' v energetike. 2023. № 2. S. 31-38.
8. Konovalov, Yu.V. Analiz kachestva elektroenergii na predpriyatii / Yu.V. Konovalov, I.I. Vorob'ev // Vestnik Angarskoy gosudarstvennoy tehnicheskoy akademii. 2014. № 8. – S. 57-60.
9. Konovalov, Yu.V. Avtomatizaciya i cifrovizaciya ob'ektov elektro-energetiki / Yu.V. Konovalov, A.E. Vaygachev, A.A. Uvarov // Vestnik Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2021. № 15. – S. 51-55.
10. Myasoedov Yu. V., Kas'yan A. P. Prospects for Implementing Digital Tech-nologies at Power Systems Substations, opublikovana v zhurnale «Vestnik Amurskogo gosudarstvennogo universiteta 2024. – № 105. – S. 96-103.
11. Konovalov, Yu.V. Cloud technologies in energy / Yu.V. Konovalov, O.A. Zasukhina // Journal of Physics: Conference Series. 13. Ser. "Computer-Aided Technologies in Applied Mathematics". 2020. – S. 012024.
