Представлен комплексный анализ перспектив развития релейной защиты и автоматики в электроэнергетике, сформулированы актуальные направления использования новейших IT-технологий, позволяющие интегрировать в цифровую среду функции управления оборудованием объектов электроэнергетики, релейной защиты, противоаварийной и режимной автоматики
анализ, перспективы, развитие, релейная защита, автоматика, электроэнергетика, IT-технологии, цифровая среда
Можно выделить три основных и одинаково важных тренда в сфере развития релейной защиты и автоматики (РЗА) в электроэнергетике [1-3].
1. Применение современных IT-технологий в электроэнергетике на базе стандарта МЭК 61850.
Стандарт международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission) МЭК 61850 (IEC 61850) представляет собой стандартизированный свод правил, который позволяет реализовать систему управления объектами электроэнергетики полностью в цифровом формате. Такой подход позволяет использовать новейшие IT-технологии, и интегрировать в цифровую среду все функции, включая функции управления оборудованием объектов электроэнергетики, релейной защиты, противоаварийной и режимной автоматики.
Фактически система управления объекта электроэнергетики строится как большой компьютер, в котором технические комплексы управления оборудованием и РЗА информационно объединены шинами данных. Это позволяет реализовать систему РЗА объектов электроэнергетики с совершенно новыми качествами, основным из которых является адаптивность, т.е. приспособляемость к постоянно меняющимся режимам работы оборудования объекта и энергосистемы в целом. Разрабатываемые и внедряемые в настоящее время технические решения на основе МЭК 61850 позволяют анализировать информацию о режиме работы и состоянии оборудования объекта электроэнергетики и отходящих от него линий электропередач (ЛЭП) в нормальных и аварийных условиях и, на основе полученных данных, реализовывать логику функционирования устройств и комплексов РЗА фактически для любой эксплуатационной ситуации. Это является целевой функцией современного развития систем технологического управления. Проекты внедрения систем управления на основе МЭК 61850 уже появились в единой энергетической системе (ЕЭС) России, например, на объектах Федеральной сетевой компании.
Построение систем управления на базе МЭК 61850 – это выбор мирового энергетического сообщества, и он объективно связан с развитием новейших IT-технологий.
2. Проблемы распределенной генерации.
Также, одно из направлений в развитии РЗА – это широкое использование в энергосистемах, в основном в распределительных сетях, возобновляемых источников энергии, так называемая распределенная генерация. Появление большого количества маломощных ветровых электростанций и объектов генерации на солнечных батареях – серьезный вызов специалистам, занимающимся вопросами управления энергосистемами, разработкой технических средств управления, прежде всего РЗА. Сегодня это один из ведущих трендов развития мировой энергетики, т.к. с каждым годом в энергосистемах будет внедряться все больше объектов генерации, относимых к возобновляемым источникам энергии. Эта тенденция актуальна и для ЕЭС России. Поэтому специалистам в области РЗА уже сегодня необходимо решать проблемы, связанные с разработкой новых требований к техническому совершенству комплексов РЗА энергосистем с распределенной генерацией.
Безусловно, разумно и правильно использовать энергию ветра, солнца, приливов. Однако эти объекты нетрадиционной энергетики начали создавать трудности в управлении энергосистемами: в какой-то момент ветер стих или облако закрыло солнце, соответственно этот объем электрической мощности из энергетического баланса энергосистемы исчез. А управлять энергосистемой даже в условиях резко меняющегося режима работы генерирующего оборудования надо так, чтобы обеспечивалось ее надежное функционирование.
Еще одно направление в развитии РЗА и управления электроэнергетическими системами (ЭЭС) – это широкое внедрение концепции Smard Grid (умные сети). Эта тема рассматривается прежде всего с точки зрения потребителя. Но есть еще и другие важные аспекты данной проблемы: как использовать элементы Smart Grid для задач управления энергосистемой в нормальных и аварийных режимах и что привнесет внедрение Smart Grid в сети высокого класса напряжения – системообразующие, магистральные, транзитные.
Инновационные решения по созданию в ЕЭС России интеллектуальных сетей, которые разрабатываются сегодня в российских сетевых, генерирующих компаниях, системном операторе ЕЭС России, очень созвучны с направлением Smart Grid и должны привести к созданию цифровых объектов электроэнергетики и энергосистем нового качества, технические комплексы управления которых будут базироваться на современных IT-технологиях, а внедренные в электрические сети элементы на базе силовой электроники обеспечат гибкость (адаптивность) управления электроэнергетическим режимом энергосистем. Smart Grid для сетей высокого и сверхвысокого класса напряжения – это особый комплекс задач разработки и внедрения современных силовых сетевых элементов, новых технологий и технических комплексов управления энергосистемой, обеспечивающих оптимальное управление электроэнергетическим режимом работы энергосистемы, исходя из критериев надежности и экономичности ее работы.
Рассмотренные перспективы определяют основные задачи – это техперевооружение, замена и модернизация физически и морально устаревшего релейного оборудования с обеспечением информационной «прозрачности», наблюдаемости и управляемости в составе интегрированных программно-технических комплексов (ПТК) автоматизированной и автоматической системы диспетчерского и технологического управления, включая РЗА – (АСТУ) [4]. При этом процесс глобализации производства микропроцессорной универсальной элементной базы для АСТУ энергосистем является общемировым явлением, характеризующимся рядом следующих факторов.
1. Интеграция отдельных устройств РЗА, выполненных на универсальной микропроцессорной базе, в единый терминал повышает технико-экономическую эффективность исполнения за счет исключения дублирования аналогово-цифровых преобразований, многофункциональности отдельных терминалов РЗА, простоты организации обмена логической и измерительной информацией между отдельными алгоритмическими процедурами внутри терминалов РЗА, что позволяет уменьшить многочисленные цепи вторичной коммутации.
2. Интеграция отдельных терминалов, выполненных на универсальной микропроцессорной элементной базе, в единый ПТК АСТУ исполняется, как известно, с помощью высоконадежных оптических сетей внутри межобъектовой цифровой связи. В настоящее время усилия электроэнергетиков в значительной степени ориентированы на применение, совершенствование и развитие группы стандартных протоколов МЭК 61850, которые используются при организации обмена логической и измерительной информацией между отдельными терминалами РЗА в составе АСТУ, находящихся как на одном, так и на разных электроэнергетических объектах. Использование оптических цепей вторичной коммутации и сетей связи на базе универсальных протоколов в соответствии со стандартами МЭК 61850 позволяет радикально сократить количество металлических жил информационных кабелей.
3. Востребованный в настоящее время уровень информационной производительности ПТК АСТУ энергообъектов, выполненных на универсальной микропроцессорной элементной базе, практически недостижим на элементных базах предыдущих поколений РЗА.
4. Обеспечение информационной «прозрачности», наблюдаемости и управляемости электроэнергетических объектов превращает в действительность возможности по оптимизации режимов энергосистемы с целью энергосбережения, повышения надежности и качества электроэнергии по критериям снижения ущербов и потерь при нарушениях, а также сохранения ресурса электрооборудования.
Для решения этих актуальных задач на современном этапе развития энергосистем [4] предусматривается использование новых управляемых в темпе процесса on-line силовых элементов, таких как управляемые реакторы, установки компенсации, которые формируют потоки реактивной мощности, а также и множество собственных источников активной мощности распределенной генерации (мини ГЭС и ТЭЦ, накопители электроэнергии на базе аккумуляторов большой мощности и т.д.), что позволяет характеризовать их как активноадаптивные сети (ААС).
Появление новых силовых элементов в ААС ставит перед РЗА следующие новые задачи:
• выбор структуры и параметров РЗА этих новых силовых элементов;
• модернизация РЗА в прилегающих сетях для обеспечения динамической устойчивости генераторов распределенной генерации;
• обеспечение скоординированного регулирования параметров новых силовых элементов.
Обеспечение чувствительности, селективности и быстродействия РЗА в ААС с обеспечением ближнего и дальнего резервирования в условиях необходимости учета множества возможных режимов с множеством возможных значений параметров новых силовых элементов зачастую приводит к неразрешимым логическим противоречиям в расчетах уставок и вынуждает переходить к активной адаптации структуры и значений уставок РЗА в режиме on-line, или активно адаптированной РЗА (ААРЗА).
Переход на «интеллектуальную» РЗА должен предусматривать адаптацию структуры и параметров РЗА в режиме on-line на основании собранной информации о структуре и параметрах ААС с целью многофакторной оптимизации на основе многовариантного моделирования [5].
Построение интеллектуальных ААРЗА – одно из перспективных направлений развития РЗА, которое заключается в наполнении новыми интеллектуальными алгоритмами и доработке ПТК существующих АСТУ. Материальная основа и элементная база для этого уже существует.
Одно из перспективных направлений развития РЗА с целью обеспечения селективности, чувствительности, быстродействия и надежности [6-9] лежит в области интеграции силовых электрических сетей и сетей связи. В начале третьего тысячелетия ситуация со связью поменялась кардинально – использование разнообразных видов связи доступно, эффективно и прибыльно.
Исследованиями [9-11] подтверждена технико-экономическая эффективность интеграции в общих узлах двух сетей – электрической и информационной. Наибольший эффект может быть достигнут в распределительных сетях 6-35 кВ электроснабжения мегаполисов и высокотехнологичных зон с собственными источниками распределенной генерации [10].
Сети связи, интегрированные с силовой электрической сетью, позволяют применить централизованную РЗА и обеспечить:
• исключение выдержек времени для решения задач по управлению конфигурацией сети за счет быстрого сбора, обработки и принятия решения о переключениях [11];
• собственно устройства РЗА, рассредоточенные в электрической сети, могут иметь упрощенные алгоритмы (реле тока, реле направления мощности);
• для многочисленных потребителей распределительной сети существенно изменяются параметры потока провалов напряжения и другие режимные значения.
Кроме перечисленных свойств управления в аварийных режимах коротких замыканий (КЗ) сеть связи, интегрированная с силовой электрической распределительной сетью, обеспечивает:
• информационную поддержку процессов контроля и управления в рабочих режимах, включая учет электроэнергии и реализацию наивыгоднейших режимов работы, в том числе за счет управления электрической нагрузкой;
• предоставление требуемой пропускной способности сети связи для удовлетворения потребностей информационного общества и корпоративных сетей высокотехнологичных зон, включая информационное обеспечение технологий энергосбережения, «умного дома» и т.д.;
• коммерческое использование сети связи позволяет провести диверсификацию бизнеса и получать внетарифные доходы для сетевой компании.
Таким образом, интеграция силовых электрических сетей с сетями связи и использование новых централизованных алгоритмов позволяет реализовать дополнительные требования к РЗА в части устойчивости нагрузки и динамической устойчивости генераторов собственных источников распределенной генерации.
Актуальными в электроэнергетике направлениями развития РЗА являются следующие:
• «интеллектуализация» как высшее свойство адаптивности РЗА. При этом обеспечивается многофакторная оптимизация на базе многовариантного моделирования в режиме on-line;
• расширение элементной базы датчико-преобразующей аппаратуры, состава и частотного диапазона контролируемых физических величин, построение алгоритмов РЗА на базе развития диагностических методик;
• интеграция систем РЗА в централизованные комплексы на основе сетей связи с уменьшением выдержек времени срабатывания защит;
• сочетание типовых и индивидуальных инновационных проектов участков электрических сетей с учетом дополнительных требований к РЗА по критериям устойчивости источников распределенной генерации, а также устойчивости высокотехнологичных электроприемников.
1. Коновалов Ю.В. Тенденции развития мировой энергетики в современных условиях / Ю.В. Коновалов, Н.В. Буякова, А.А. Терехова, Н.К. Малинин, А.С. Хухрянская // Сб. научн. тр. АнГТУ. – Ангарск. – 2024. № 21. – С. 302-307.
2. Цифровая трансформация электроэнергетики России [Электронный ре-сурс] Режим доступа: http:// digitenergy.ru/wp-content/themes/energy/img/materials-2018/2/5. (дата обращения: 20.10.2024).
3. Коновалов, Ю.В. Применение цифровых регуляторов для оптимального использования компенсирующей способности синхронных двигателей совместно с конденсаторными батареями / Ю.В. Коно-валов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2010. № 7(47). – С. 175-182.
4. Разработка программы модернизации электроэнергетики России на период до 2030 г. Энергетик. 2011, № 2, с. 7-10.
5. Веников В.А. Теория подобия и моделирования применительно к задачам электроэнергетики. М.: Высшая школа. 1976, 478 с.
6. Голованов, И.Г. Повышение надёжности релейной защиты и автоматики с помощью систем диагностирования / И.Г. Голованов, П.А. Маслихов, Ю.В. Никульшинов, У.Э. Туратбек // Современные технологии и научно-технический прогресс. 2019. Т. 1. – С. 222-223.
7. Коновалов, Ю.В. Учет пространственного положения ротора синхронной машины при преобразовании координат / Ю.В. Коновалов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2013. № 2. – С. 97-102.
8. Голованов, И.Г. Повышение надёжности функционирования систем релейной защиты и противоаварийной автоматики систем электроснабжения / И.Г. Голованов, Е.В. Жабин // Вестник Ангарской государственной технической академии. 2013. № 7. – С. 56-59.
9. Кобец Б.Б., Волкова И.О. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции Smart Grid. М.: ИАЦ Энергия, 2010, 208 с.
10. Арцишевский Я.Л., Вострокну-тов С.А., Земцов А.А. Обеспечение надежности и качества электроснабжения. «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распре-деление». 2010, № 3, с. 14-17.
11. Арцишевский Я.Л., Задкова Е.А., Кузнецов Ю.П. Техперевооружение релейной защиты и автоматики систем электроснабжения предприятий непрерывного производства. М.: НТФ «Энергопро-гресс», 2011, 94 с. [Библиотечка электро-техника, приложение к журналу «Энергетик». Вып. 7 (151)].
