Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка принципов построения и основных технических решений цифровой подстанции (ЦПС) 110 кВ нового поколения высокой заводской готовности

Докладчик: Тумаков Анатолий Владимирович

Должность: Начальник лаборатории оборудования систем управления, начальник лаборатории

Цель проекта:
1. Ключевые проблемы, на решение которых направлена данная работа:  - очень большое количество распределительных подстанций (около 500 000), надежность работы которых фактически определяет надежность электроснабжения всех категорий потребителей;  - высокий процент (40 ÷ 70%) морального и физического износа основного технологического оборудования подстанций и в связи с этим острая необходимость повышения уровня контроля и диагностики за работой данного оборудования;  - низкий уровень (13 ÷ 40%) автоматизации распределительных подстанций Реализация данного проекта направлена на решение обозначенных выше проблем, связанных с модернизацией существующего электросетевого хозяйства РФ, а также усилит конкурентные позиции отечественных производителей в области создания цифровых подстанций. 2. Cоздание экспериментального образца программно-аппаратного комплекса компактной, модульной, быстромонтируемой, цифровой подстанции (ЭО ПАК ЦПС), включающей в себя распределительные устройства 6 (10, 20) кВ и 0,4 кВ, обеспечивающей сокращение сроков и стоимости реконструкции объектов 110-35-20(10, 6) кВ, включая затраты на проектно-изыскательские работы (ПИР), а также повышение их эксплуатационной надежности. При этом (по экспертным оценкам):  - стоимость основного электрооборудования уменьшается на 10-20%;  - стоимость строительной части уменьшается на 10-20% за счет уменьшения площади для размещения вторичных систем, облегченных кабельных сооружений;  - стоимость и сроки проектирования вторичных систем подстанций сокращается примерно в 2 раза;  - стоимость и сроки монтажа вторичных систем подстанции сокращается в 3-4 раза;  - стоимость и сроки пуско-наладочных работ (ПНР) уменьшаются примерно в 2-3 раза при одновременном улучшении качества наладки.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основные результаты проекта:
1) Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие в том числе:
а) аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему в области создания цифровых подстанций, в том числе, обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2014 гг.;
б) обоснование выбора направления исследований, методов и средств создания цифровых подстанций;
в) описание разработки и результаты исследования вариантов возможных решений и выбор оптимального варианта решения задачи создания цифровых подстанций (далее – ЦПС);
г) обоснование и описание разработки рациональной структурной схемы и выбор технических решений ЦПС;
д) обоснование и описание разработки требований к измерительным устройствам ПАК ЦПС, включая требования к универсальному интеллектуальному электронному устройству (ИЭУ) управления присоединениями;
е) обоснование и описание разработки основных функциональных требований и принципов построения подсистем ЦПС;
ж) обоснование и описание разработки требований к основному оборудованию ЦПС;
и) описание разработки концепции и структуры разрабатываемого экспериментального образца программно-аппаратного комплекса (ЭО ПАК) ЦПС.
к) описание разработки ЭКД ЭО ПАК ЦПС;
л) описание разработки ПД ЭО ПАК ЦПС
м) результаты исследовательских испытаний ЭО ПАК ЦПС;
н) сопоставление результатов анализа научно-информационных источников и результатов исследовательских испытаний;
о) оценку полноты решения задачи и достижения поставленных целей ПНИ;
п) оценку эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем;
р) обоснование и описание разработки требований к универсальной программно – аппаратной платформе для реализации следующих видов интеллектуального электронного устройства (ИЭУ):
- аналого-цифровые преобразователя для датчика тока и датчика напряжения;
- первичных датчиков для сбора дискретной информации и передачи команд управления на коммутационные аппараты;
- управляющего контроллера (управление выключателем, РПН);
- ИЭУ;
с) обоснование и описание разработки требований к системе разработки алгоритмов работы вторичных устройств ПАК ЦПС;
т) обоснование и описание разработки требований к программному обеспечению для конфигурирования измерительных систем ПАК ЦПС;
у) описание разработки ЭКД на универсальную программно-аппаратную платформу;
ф) описание разработки ЭКД на экспериментальный стенд для проведения исследовательских испытаний ЭО ПАК ЦПС;
х) описание разработки тестового программного обеспечения для проверки обеспечения требований по времени доставки информации по протоколу МЭК 61850-9.2LE для выбранной операционной системы универсальной программно – аппаратной платформы;
ц) описание разработки информационной модели макета ИЭУ в соответствии со стандартом МЭК 61850;
ч) описание разработки программной документации на ПО макета ИЭУ;
ш) результаты экспериментальных исследований макета ИЭУ;
щ) рекомендации по реализации результатов ПНИ в реальном секторе экономики;
э) обобщение и выводы по результатам ПНИ;
ю) технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики
2) Отчет о патентных исследованиях, выполненный в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
3) Эскизная конструкторская документация (ЭКД) на экспериментальный образец программно-аппаратного комплекса цифровой подстанции.
4) Программная документация (ПД) на экспериментальный образец программно-аппаратного комплекса цифровой подстанции.
5) Экспериментальный образец программно-аппаратного комплекса цифровой подстанции (далее – ЭО ПАК ЦП) в составе технологических подсистем:
- подсистема оперативного и диспетчерского контроля и управления цифровой подстанцией;
- подсистема информационной поддержки и контроля подсистем РЗиА, ПА и других специализированных систем автоматического управления и регулирования;
- подсистема управления режимами и мониторинга параметров показателей качества электрической энергии (ПКЭ);
- подсистема коммерческого и технического учета электрической энергии (мощности);
- подсистема мониторинга, диагностики состояния и эксплуатации основного технологического оборудования;
- подсистема автоматизации вспомогательных технологических процессов;
- подсистема информационного взаимодействия.
6) Программа и методики исследовательских испытаний работы ЭО ПАК цифровой подстанции.
7) Эскизная конструкторская документация (ЭКД) на универсальную программно – аппаратную платформу.
8) Эскизная конструкторская документация на экспериментальный стенд для проведения исследовательских испытаний ЭО ПАК ЦПС.
9) Экспериментальный стенд для проведения исследовательских испытаний ЭО ПАК ЦПС.
10) Программная документация на тестовое программное обеспечение для проверки обеспечения требований по времени доставки информации по протоколу МЭК 61850-9.2LE для выбранной операционной системы универсальной программно – аппаратной платформы.
11) Программная документация на ПО макета ИЭУ.
12) Программа и методики (ПМ) экспериментальных исследований работы макета ИЭУ.
13) Макет ИЭУ.
14) Технико-экономическое обоснование разработки продукции, включающее маркетинговые исследования.
15) Проект технического задания на выполнение ОКР по теме «Разработка цифровой подстанции (ЦПС) 110 кВ нового поколения высокой заводской готовности».

2. Основные характеристики результатов:
- Модульный принцип построения комплектной цифровой подстанции позволяет применить решения высокой заводской готовности. Таким образом, сокращаются сроки выполнения работ, начиная со стадии разработки технических требований, проектирования, до реализации строительства на объекте и последующей эксплуатации.
- Модульные решения также обеспечивают и более высокую надежность объекта вследствие применения заранее проработанных стандартных вариантов, как по строительной части, так и в части первичного оборудования и информационно-технологических систем.
- Для выполнения различных функций на ЦПС используются одни и те же источники информации, что приводит к уменьшению общего количества оборудования на ней.
- Модульные комплектные ЦПС обеспечивают простое увеличение функциональности и перспективное развитие при значительно меньших инвестициях в сравнении с традиционными подстанциями.
- Повышение точности измерений за счет исключения дополнительных погрешностей в измерительных цепях трансформаторов тока и напряжения.
- Экономия средств за счет применения групповых устройств автоматики и средств учета (одно устройство на несколько присоединений, например терминал резервной защиты или многофидерные приборы учета электрической энергии).

3. В рамках проведения данной работы впервые будет разработана целостная концепции создания компактной, модульной, быстромонтируемой, цифровой подстанции на напряжение 35-110 кВ, ЗРУ, РП и РТП 6-10, 20 кВ, функционирующими в распределительных электрических сетях.

4. Работы по созданию цифровых подстанций проводят:
 Компания Mikronika, Польша.
 Компания «General Electric», США.
 Компания Siemens AG, Германия.
 Компания «ABB», Швейцария, Швеция.
Особенностью всех решений является использование фирменного оборудования. Интеграция оборудования других производителей снижает функциональность комплексов.
Необходимо отметить, что опыт внедрения на российский рынок систем зарубежного производства выявил целый ряд проблем. Обозначим следующие:
 - неадаптированность используемых проектных решений к реалиям современной российской электроэнергетики.
 - для обеспечения эффективной работы всех подсистем требуется значительно больший объём входной информации, чем предусмотрено российскими (нормативно-технической документации) НТД. В проектах зарубежных систем предусмотрен, бесспорно, прогрессивный принцип однократного ввода исходной информации и её использования всеми подсистемами.
 - внедрение зарубежных систем контроля и управления электрическими подстанциями в такой стратегически важной отрасли как электроэнергетика, делает её крайне зависимой от фирм-поставщиков, т.к. российская сторона не имеет исходных текстов программного обеспечения и, следовательно, анализ аварийных ситуаций по вине системы невозможен без участия специалистов западной фирмы - производителя программного обеспечения (ПО).
 - из-за отсутствия исходных текстов программного обеспечения любая адаптация под требования конкретного объекта возможна только фирмой-изготовителем на контрактной основе. Помимо того, что это очень дорогостоящий и длительный процесс, в этом случае российская сторона вынуждена бесплатно передавать зарубежной фирме технологические алгоритмы, которые являются предметом НОУ-ХАУ. Это обстоятельство в частности привело к тому, что при строительстве АЭС в Китае по российскому проекту фирма Siemens смогла реализовать проект АСУ ТП без российского участия, что привело к значительным финансовым потерям для российской стороны.
 - следует отметить очень низкое качество переводной технической документации по современным системам автоматизации техпроцессов и высокую стоимость подготовки и обучения эксплуатационного персонала, что в случае увольнения такого персонала может значительно снизить эффективность использования данных систем.

5. Пути и способы достижения заявленных результатов.
Использование методов исследования:
- моделирование электрических сетей;
- методы объектно-ориентированного проектирования и программирования.

Ограничения и риски:
- Состояние и перспективы изменения в меньшую сторону платежеспособного спроса потенциальных потребителей продукции - сетевых компаний.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. В настоящее время в России в эксплуатации находится:
 - более 5000 подстанций 110-1150 кВ;
 - около 8 тысяч подстанций 35 кВ;
 - около 500 тысяч подстанций 6-10/0,4 кВ.
Подстанции 220 кВ и выше постепенно модернизируются, хотя и на них уровень автоматизации менее 40 %.
Гораздо хуже обстоит дело с подстанциями 110 кВ и ниже. По разным оценкам уровень автоматизации этих подстанций находится на уровне 7 – 13 %. Причем речь идет не о комплексной автоматизации, а хотя бы о телемеханизации этих подстанций.
Релейная защита и автоматика выполнена с использованием электромеханических реле (~ 98%), которые имеют большие габариты, разброс характеристик срабатывания реле по току и времени, невысокую чувствительность. Около 50% всех комплектов релейной защиты находятся в эксплуатации более 25 лет и морально устарели.
Основное количество (67%) подстанций было введено в эксплуатацию до 1980 года.

2. Областью применения результатов данного проекта являются объекты электросетевого комплекса: подстанции высоковольтных и распределительных электрических сетей.

3. В процессе выполнения данной работы предполагается разработать новые технические решения:
1) Разработка принципов создания цифровой подстанции (ЦПС) для решения задач контроля, управления и защиты.
- В электрооборудование встраиваются микропроцессорные полевые устройства, обеспечивающие преобразование информации и команд в цифровой поток, используемый при дальнейшей обработке; для повышения эффективности, в общем случае, выполняется адаптация электрооборудования.
- Обработка информации и формирование цифровых сигналов и команд управления выполняется в вычислительных устройствах, реализующих все технологические функции в соответствии с отраслевыми нормами (измерение, защита, автоматика, аварийная регистрация, диагностика и т.д.).
- Вычислительные устройства связаны между собой и полевыми устройствами по резервированным цифровым каналам связи.
2) Разработка требований к единой программно-аппаратной платформе для каждой функциональной группы устройств.
Требования будут разработаны для полевых устройств, вычислительных устройств, сетевого оборудования.
3) Разработка требований к универсальному интеллектуальному электронному устройству (ИЭУ) управления присоединениями 35 кВ и 110 кВ на подстанции.
Требования будут разработаны для систем управления, автоматики, релейной защиты, измерений, диагностики электрооборудования и др.; данное решение позволяет существенно сократить кол-во связей между различными устройствами и повысить надежность комплекса в целом.
4) Разработка требований к посекционной компоновке комплектно-распределительного устройства КРУ-6 (10, 20) кВ.

Текущие результаты проекта:
В рамках первого этапа проекта:
1) сделан аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему в области создания цифровых подстанций, в том числе: статьи в ведущих зарубежных или российских научных журналах, монографии или патенты - не менее 15 источников за период 2009 – 2014 гг;
2) проведены патентные исследования в соответствии ГОСТ Р 15.011-96;
3) выполнено обоснование выбора направления исследований, методов и средств создания цифровых подстанций;
4) разработаны и исследованы варианты возможных решений задачи создания цифровых подстанций и выбран оптимальный вариант;
5) выполнены обоснование и разработка рациональной структурной схемы и выбраны технические решения ЦПС;
6) выполнены обоснование и разработка требований к измерительным устройствам ПАК ЦПС, включая требования к универсальному интеллектуальному электронному устройству (ИЭУ) управления присоединениями;
7) выполнены обоснование и разработка требований к универсальной программно – аппаратной платформе для реализации следующих видов ИЭУ:
- аналого-цифровые преобразователя для датчика тока и датчика напряжения;
- первичных датчиков для сбора дискретной информации и передачи команд управления на коммутационные аппараты;
- управляющего контроллера (управление выключателем, РПН);
- интеллектуального электронного устройства (ИЭУ).
8) выполнены обоснование и разработка требований к системе разработки алгоритмов работы измерительных систем ПАК ЦПС;
9) выполнены обоснование и разработка требований к программному обеспечению для конфигурирования измерительных систем ПАК ЦПС;
10) разработана эскизная конструкторская документация (ЭКД) на универсальную программно – аппаратную платформу.