Интелигентни разпределителни подстанции

Местните разпределителни подстанции свързват електрическите мрежи от средно и ниско напрежение. За разлика от конвенционалните разпределителни подстанции, интелигентните записват данни, които могат да бъдат отчитани и следени дистанционно чрез цифрова или аналогова връзка. Това позволява повредени части от електрическата мрежа да бъдат открити и възстановени максимално бързо с минимални разходи. В статията ще разкажем за концепцията и оборудването на интелигентните местни разпределителни подстанции, за комуникационната свързаност на универсалните устройства на интелегентните подстанции, за особеностите на разпределителното устройство на средно напрежение, за особеностите на регулируемите трансформатори, за Западно-европейската модулната концепция на интелигентната мрежа на бъдещето.

Текст: списание Енергия

снимка: SIEMENS

Изискванията към разпределението на електроенергията и следователно към електрическите мрежи със средно и ниско напрежение непрекъснато се увеличават. Промените в посоката на енергийния поток, колебанията на натоварването и напрежението, причинени главно от значително увеличение на броя на захранващите точки от непостоянни възобновяеми енергийни източници – фотоволтаични и биогазови електроцентрали и вятърни паркове, налагат съвременните разпределителни мрежи да работят на границата на мощността. Конвенционалните местни (градски, селски, районни) разпределителни подстанции, са проектирани за еднопосочен поток на електрическа енергия и са оборудвани с традиционни трансформатори. Поради това, те не са в състояние да се справят с допълнително включените непостоянни възобновяеми енергийни източници. А резултатът е по-чести и продължителни откази в работата на класическата разпределителна мрежа. За значително намаляване на броя на такива откази и разходите свързани с тяхното отстраняване, е необходима бърза адаптация при променени условия на натоварване.

Концепция на интелигентните разпределителни подстанции

Разпределителните мрежи трябва да отговарят на изискванията на съвременното ефективно разпределение на електроенергия чрез увеличаване на интеграцията на децентрализираните енергийни източници. Допълнително присъединените електроенергийни мощности в резултат на увеличения брой на възобновяеми енергийни източници, може да се компенсира чрез разширяване на електрическата мрежа. Основната задача на разпределителната мрежа е да балансира ефективното подаване на електроенергия чрез промяна в посоката на енергийния поток, колебанията в натотоварването и напреженията. Проблемите с обръщане на посоката на енергийния поток, колебанията в натоварването и поддържане на диапазон от стойности на напрежението, се решават само чрез въвеждане на интелигентни решения.

Такова решение, е активна преносна електрическа мрежа (АЕЦ, ТЕЦ, ВЕЦ, ВЕИ) с наличие на интелигентни местни разпределителни подстанции, като ключово място. Те са в състояние активно да управляват натоварването в разпределителната мрежа и позволяват бързо отстраняване на повреди в автоматичен режим. А това на практика означава безаварийно непрекъснато захранване. Следователно предимствата на интелигентните местни разпределителни подстанции са следните. Контрол и качество на електрозахранването. Отсъствие на претоварване. Минимизиране на разходите за използване на електрическата мрежа, със значително намаляване на времето за прекъсвания. Оптимизиране на разширяването на електрическата мрежа. Контролиране на местната разпределителна подстанция.

Оборудване на интелигентните разпределителни подстанции

Оборудването на интелигентната местна разпределителна подстанция се състои от компактни разпределителни устройства на средно напрежение, силови мрежови трансформатори, както и интегрирани решения за дистанционно управление (диспечеризация) и автоматизация за контрол и управление на мрежи със средно и ниско напрежение. Това решение позволява ранно разпознаване на претоварвания в електрическото оборудване и гарантира стабилност на стойността на напрежението, например чрез задаване на параметри за децентрализирани генератори. Разпределителното устройство на средно напрежение включва електрозадвижване за превключване на захранващи силови разединители или прекъсвачи от външни комутационни точки (например, диспечерска зала за контролиране на електрическата мрежа), сензори за ток и напрежение, интелигентни индикатори за посока на късо съединение/заземяване.

На локалната електрическа мрежа се използва регулируем по напрежение трансформатор. При устройствата за ниското напрежение, се регистрират нивата на натоварване, измерва се качеството на електроенергията, получават се съобщения за превключващи позиции. Организира се релейна защита, както и техническо или търговско измерване на електроенергията. Четвъртият елемент на интелигентната местна разпределителна подстанция, са дистанционният блок- Remote Terminal Unit RTU-устройство за дистанционно управление, модема и източника за непрекъсваемо захранване. Така с разпределителните си уреди, трансформатори, предпазни устройства и решения за дистанционно управление и автоматизация, интелигентните местни разпределителни подстанции осигуряват повишена надеждност на електроснабдяването. Те също се явяват и като ключов елемент на съвременната електроразпределителна мрежа.

Комуникационна свързаност на универсални устройства на интелегентните подстанции  

Експлоатацията на интелигентните електроснабдителни мрежи „Smart grid” изисква използването на интелигентни компоненти на всяко ниво, които имат възможност да комуникират помежду си. Съвременните универсални устройства за автоматизирано и дистанционно управление в местните разпределителни подстанции, са с функция на последователно включване (едно след друго) и „Ethernet” връзка. Осъществява се също и свързване на допълнителни устройства чрез протокол „Modbus RTU”. Използват се и свободно програмируеми приложни програми за решаване на местни проблеми за управление, блокиране или регулиране в съответствие с „IEC 61131-3”. Извършва се дистанционно обслужване, диагностика и параметризиране. Диагностицирането и тестването на устройствата, става чрез уеб браузър.

Особености на разпределителното устройство на средно напрежение Централният елемент на интелигентната разпределителна подстанцията е газоизолираното разпределително устройство за средно напрежение (РУСН). Използването на елегазова изолация (серен хексафлурид) прави възможно намаляването на размера му. Затова то може да бъде по модулен начин интегрирано в интелигентната мрежа заедно с компоненти, като непрекъсваеми източници на захранване, устройства за дистанционно управление, комуникационен модем, интелигентни индикатори за посоката на късото съединение/заземяване, задвижвания с дистанционно управление, сензори за ток и напрежение. Непрекъсваемите източници на захранване с акумулаторна батерия или кондензаторни модули, се използват в случай на повреда в мрежата в зависимост от изискването за продължителност на резервното захранване с постоянно регулирано напрежение 24V до няколко минути или часа.

Те поддържат комуникацията - Ethernet/PROFINET, или възможността за дистанционно управление на местната разпределителна подстанция в случай на повреда в мрежата. Устройство за дистанционно управление - RTU, има двоични входове и изходи, различни комуникационен интерфейс и свободно програмируеми приложни програми. RTU в рамките местната интелигентна подстанция служи като свързващ елемент с контролния център за управление на мрежата. То събира всички важни съобщения и получава команди за управление или работи автоматично според предварително зададени алгоритми за управление или регулиране. Изборът на комуникационния модем се базира на избраната или достъпна телекомуникационна технология. Той служи за надеждно предаване на данни от устройството за дистанционно управление до контролния център на мрежата, използвайки избрана телекомуникационна технология-оптични кабели, интернет връзка по захранващата мрежа-EthernetTCP/IP, безжична клетъчна връзка-GSM/GPRS (General Packet Radio Service), EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) и др.

Например, известно е, че рутер използващ клетъчна (мобилна) мрежа на комуникация от четвърто поколение (UMTS) и поддържащ технологията HSPA+ (High Speed Packet Access), осигурява високи скорости на приемане на данни до 14,4 Mbp/s, и на изпращане до 5.76 Mbp/s в зависимост от инфраструктурата на провайдера на клетъчна връзка. Интелигентните цифрови индикатори с функция за измерване на късо съединение и заземяване с посока или без нея, могат да се използват във всички видове мрежи. Използват се съвременни сензори с алгоритми за защита и ниска мощност съгласно IEC 60044,като се постига измерване с висока точност без калибриране и съгласуване с първични стойности. Те изпращат съобщения за къси съединения в разпределителната мрежа на средно напрежение. Важни данни от измерванията се записват и позволяват активно управление на натоварванията в разпределителната мрежа.

За комуникация с дистанционното устройство за управление, е наличен интерфейс „Modbus RTU”. За задвижванията с дистанционно управление се използват качествени електрически задвижващи механизми за блока на елетрификационния пръстен-„Ring-Main-Unit-RMU”, от съответния производител. При необходимост е възможно и просто преоборудване. За намаляване на времето за повторно включване при откриване на неизправност, силовите разединители или прекъсвачи с електрически задвижвания, са оборудвани с дистанционно управление. Токовите сензори, изработени по технология за преобразуватели на слаб сигнал се използват, като неразединени или разединени пръстенни ядра. Те са индуктивни преобразуватели на ток, чиито вторични намотки подават сигнал за напрежение чрез прецизен шунт. Номиналният ток на първичната страна е 225mV.

Налични са два възможни варианта на токови сензори. Разглобяеми кабелни преобразуватели, които се използват специално за преоборудване на съществуващи разпределителни уреди, и затворени пръстеновидни жила, които се монтират върху проходните изолатори на разпределителните уреди средно напрежение в едно- или триполюсно изпълнение. Токовият сигнал се използва за регистрация на къси съединения и заземяване, като резултат от измерванията за контролиране на потока или оптимална употреба на мрежовия капацитет. Сензорите за напрежение са омични делители, които при номиналния ток на първичната страна, осигуряват изходен сигнал от 3,25V. Те се предлагат като втулка от литиева смола, използваща се в кабелен адаптер вместо тапа. В този случай конусът отговаря на тип С, посочен в стандарт EN 50180/50181. Сигналът за напрежение се използва за регистриране на посоката на късо съединение или заземяване, като резултат от измерването за контрол на потока или регулиране на напрежението.

Модулните системи позволяват различни местоположения и функции, както вътре в блока на устройството на подстанцията, така и при сложно разположение на разпределителните уреди. РУСН осигурява максимална функционалност при минимална площ. В сравнение с блокови или сглобяеми системи, РУСН оставя повече място за допълнителни разклонения с ниско напрежение, допълнителни кабелни разклонения средно напрежение и интелигентни функции. Така се съкращава дължината трансформаторните кабели и разходите за полагане на тези кабели вътре в местна разпределителна подстанция, т.е. намаляват се инвестиционните разходи. Всички отделни устройства на интелигентните подстанции и техните блокове могат да бъдат разширени при необходимост. Допълнителните компоненти в разпределителното устройство на средно напрежение е възможно да бъдат адаптирани към всички условия, необходими за интегриране в интелигентната мрежова инфраструктура. В зависимост от изискванията, се използват различни компоненти за контрол и управление. Тези компоненти могат лесно и бързо да бъдат инсталирани по-късно.

снимка: Hitachi Energy

Особености на регулируемите трансформатори

Силовите трансформатори са основни компоненти на интелигентните разпределителни подстанции. Чрез тях се подава необходимото напрежение на крайните клиенти. Генерирането на електрическа енергия в мрежите с ниско напрежение от възобновяеми енергийните източници, претоварват местните разпределителни подстанции. Резултатът е значителни колебания на напрежението, които водят до нарушаване на допустимия диапазон на напрежение за крайните потребители. Ако критериите за качество на подаваното напрежение не са изпълнени в резултат на децентрализирано захранване от възобновяеми енергийни източници, то електро-разпределителните предприятия - ЕРП, трябва да прибягват до скъпо разширяване на електро-разпределителната мрежа. Икономическа алтернатива на този проблем, са стъпално-регулируемите трансформатори по напрежение на локалната мрежа.

Използването им позволява поддържане на постоянно напрежение в мрежи на средно и ниско напрежение. Поради това са налични диапазони от +/-10% за регулиране и в двете мрежи. Регулируемите трансформатори на местната електрическа мрежа са се утвърдили, като важен компонент на интелигентните електрически мрежи. За стабилно електроснабдяване поради увеличаване на дела от възобновяемите енергийни източници, се налага да се контролира и управлява мрежата с ниско напрежение в реално време. Коефициентът на трансформация на регулируемия трансформатор на местната електромрежа може да се променя под натоварване. Тази адаптация става възможна благодарение на тристепенния диапазон за регулиране на натоварването върху вторичната намотка на трансформатора. С него доставчиците на електроенергия могат да подават захранващото напрежение в рамките на допустимите граници и да спазват параметрите на стандарта EN 50160.

Западно-европейска модулна концепция за интелигентната мрежа на бъдещето

За удовлетворяване на повишените изисквания в бъдеще е възможна реализация на интелигентната мрежова система в три етапа. Първият етап се фокусира върху контрола на местните разпределителни подстанции за повишаване на стабилността и бързо локализиране на неизправностите, минимизиране на времето за прекъсване. За постигане на тази цел се използват компоненти, като устройство за дистанционно управление с комуникационна връзка, индикатор за посока на късо съединение/заземяване, токови сензори, сензори за напрежение, контакти на главния контролер, непрекъсваем източник на захранване. С приложението на посочените компоненти се следят стойностите на тока и напрежението в мрежата на средното напрежение. Вторият етап, заедно с контрола, също включва и възможността за дистанционно управление на разпределителното устройство и по този начин позволява минимизиране на прекъсването.

Типичното електрическо прекъсване на местните разпределителни подстанции днес се изчислява на часове, като поддържащите аварийни екипи търсят на място повредата в съответния контур. Те са принудени да дойдат в съответната местна разпределителна подстанция и да блокират мястото на повредата. Използването на индикатори за късо съединение/заземяване, само улеснява локализацията на неизправностите. Това може да намали прекъсването от часове на минути. Допълнителното спестяване на време се осигурява и от въвеждането на устройства за дистанционно управление-силови разединители или прекъсвачи, точно проектирани за тази задача. Така се намалява времето за повторно включване и се постига децентрализирано управление на електроснабдяването. На третия етап чрез автоматизация, се управляват резултатите от децентрализираното електроснабдяване-управление на разпределението на енергийния поток, водещо до значително се намаляване на загубите в мрежата.

Промяна на посоката на енергийния поток, колебанията в натоварването и напрежението причинени от постоянно нарастване на броя на регенеративните източници на енергия, принуждават съвременните разпределителни мрежи да работят до краен предел на мощността и понякога дори да надхвърлят границите на разрешеното напрежение. Внедряването на алгоритми за управление и регулиране в третия етап, е насочено към въздействие върху тези последици, постигане на съответствие с разрешените показатели на разпределителна мрежа и отлагане или избягване на скъпото разширяване на мрежата. За постигане на тази цел се използва измервателно и записващо устройство на качеството на електроенергията, регулируем трансформатор на локална мрежа, софтуер за контрол на електроенергийния поток, алгоритми за регулиране на регулируемия трансформатор. Чрез оборудване с интелигентна техника за управление, измерване и регулиране, се извършва стъпка по стъпка модернизирането на традиционните местни разпределителни подстанции. Така по най-добрия начин, те ще се включат в интелигентните (smart) електрически мрежи.