Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка адаптивных устройств автоматики, управления и защиты для интеллектуальных электрических сетей

Докладчик: Топольский Дмитрий Валерианович

Должность: к.т.н., доцент

Цель проекта:
В соответствии с направлениями модернизации энергетики России поставлена задача создания высокоинтегрированных интеллектуальных системообразующих и распределительных электрических сетей нового поколения в Единой энергетической системе России (интеллектуальные сети — Smart Grids). При реализации концепции интеллектуальных электрических сетей важным моментом является взаимодействие основных автоматизированных компонентов. Устройства, измеряющие электрические параметры, должны обмениваться данными с управляющими устройствами в реальном времени по цифровым каналам связи на всех участках сети от генерирующих станций до конечных потребителей. Все устройства автоматизации должны быть связаны на программном уровне SCADA-системами, а эти системы, в свою очередь, обмениваться данными друг с другом. Группой важнейших параметров интеллектуальных электрических сетей являются токи в линиях электропередач (ЛЭП), которые подходят к подстанциям и напряжения на этих линиях. Измерение этих токов и напряжений в настоящее время осуществляется в основном с помощью высоковольтных электромагнитных измерительных трансформаторов тока и напряжения, которые преобразуют большие токи высоких напряжений в меньшие токи низких напряжений, и высокие напряжения – в низкие, которые затем могут быть преобразованы в цифровые коды с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Такие трансформаторы имеют значительные массу, габариты и стоимость. Например, измерительный трансформатор тока ТГФМ-220 класса 220 кВ имеет массу 700 кг и стоит около 700 тыс. руб. Измерительный трансформатор напряжения ЗНГА-220 на 220 кВ имеет практически такие же массу и стоимость. Комбинированный измерительный трансформатор тока и напряжения VAU-245 класса 220 кВ имеет массу 1230 кг. Кроме того, к этим приборам нужны электронные преобразователи сигналов в цифровой код. В последние годы в области измерения токов высоких напряжений появилось новое направление – оптические трансформаторы и преобразователи тока и напряжения. Такие преобразователи выпускаются рядом зарубежных (NxtPhase T&D Inc., ABB и др.) и отечественных (НПП Оптолинк, Профотек и др.) фирм. Эти преобразователи имеют заметно меньшую массу, позволяют измерять наряду с переменным также и постоянный ток и передавать оптический сигнал о токе на значительное расстояние. Главным недостатком оптических преобразователей является чрезмерно высокая цена. Так, преобразователь тока NXCT фирмы NxtPhase T&D Inc. на ток до 4 кА при напряжении до 220 кВ стоит свыше 2 млн. руб. Волоконно-оптический преобразователь тока ВОПТ класса 110 кВ разработки ЗАО «Профотек» стоит свыше 1 млн. руб. Комбинированный оптический преобразователь тока и напряжения NXVCT на ток до 4 кА и напряжение 220 кВ стоит свыше 3 млн. руб. Для повышения точности коммерческого учета электроэнергии целесообразно совмещать преобразователи тока и напряжения так, чтобы аналого-цифровые выборки тока и напряжения одной и той же фазы производились синхронно. При раздельных преобразователях тока и напряжения такая синхронизация затруднена, в то время как в комбинированных преобразователях выборка осуществляется одновременно естественным образом путем применения многоканальных микросхем АЦП с синхронным запуском преобразования. Аналогов предлагаемого решения c сопоставимыми ценами на мировом рынке не выявлено. Разработка является своевременной и уникальной, инновационным результатом является решение научно-технической задачи по комбинации преобразователей тока и напряжения с соответствующей синхронизацией. Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 года разрабатываемая технология, обеспечивающая замещение импорта, соответствует приоритетным направлениям научно-технического прогресса в энергетическом секторе, включающим создание автоматизированных систем управления спросом на электроэнергию, создание высокоинтегрированного информационно-управляющего комплекса оперативно-диспетчерского управления в режиме реального времени с экспертно-расчетными системами принятия решений, создание и широкое внедрение централизованных систем противоаварийного управления, охватывающих все уровни Единой энергетической системы России. Цели реализуемого проекта: Разработка научно-технических основ создания устройств автоматики, управления и защиты для интеллектуальных электрических сетей с алгоритмами автоматической адаптации к изменениям топологии и параметров режимов электрических сетей с использованием моделирования электрических сетей, функционирующих на основе применения современных технологий управления на основе образца адаптивного цифрового комбинированного трансформатора тока и напряжения (АЦКТТН) на примере ЛЭП переменного тока класса напряжения 220 кВ с диапазоном измерений тока 200 – 2000 А, класса точности 0,2S по току и 0,2 по напряжению.

Основные планируемые результаты проекта:
Планируемые результаты проекта:
— разработанный в ходе исследований экспериментальный образец адаптивного цифрового комбинированного трансформатора тока и напряжения должен быть предназначен для использования в качестве удалённого терминала SCADA-системы, включающего интеллектуальные датчики тока и напряжения для систем управления и защиты электрических подстанций, а также для автоматизированного коммерческого учета электроэнергии;
— представление теоретических изысканий в области высокоточного измерения переменных тока и напряжения, с преобразованием результата измерения в цифровую форму непосредственно на высоковольтных шинах и с передачей цифровой информации об измерениях на низковольтную сторону по ВОЛ в цифровой форме для классов напряжений 110 – 220 кВ, на основании анализа мировых аналогов разрабатываемых адаптивных цифровых комбинированных трансформаторов тока и напряжения; технико-экономическая оценка аналогов и обоснование прогнозируемых технических и ценовых параметров новой разработки;
— проведение патентных исследований, выявление особенностей разрабатываемого устройства и возможность получения результата, способного к правовой охране;
— научные и научно-технические основы для создания нового поколения адаптивных цифровых комбинированных трансформаторов тока и напряжения, технологии проведения высокоточных измерений;
— алгоритмы и методики преобразования результата измерения в цифровую форму непосредственно на высоковольтных шинах и передача цифровой информации об измерениях на низковольтную сторону по ВОЛ в цифровой форме для классов напряжений 110 – 220 кВ;
— технические и технологические решения непосредственного измерения на высоковольтной шине и передача цифровой информации об измерениях на низковольтную сторону по ВОЛ в цифровой форме, что позволит значительно снизить себестоимость разрабатываемого экспериментального образца;
— проведение расчетов и получение математических (программных) моделей адаптивного цифрового комбинированного трансформатора тока и напряжения;
— разработка рекомендаций по интеграции адаптивного цифрового комбинированного трансформатора тока и напряжения в энергосистемы в качестве устройства автоматики, защиты и управления для интеллектуальных электрических сетей, направленных на повышение уровня автоматизации технологических процессов измерения токов в ЛЭП, решение задач диспетчеризации и автоматизации, коммерческого учета электроэнергии, обеспечение интеллектуализации создаваемого оборудования на основании анализа инновационных компонентов, технологий, информационных и управленческих решений;
— конструкторская и конструкторско-технологическая документация по изготовлению адаптивных цифровых комбинированных трансформаторов тока и напряжения, методические указания по проведению исследовательских испытаний разрабатываемого устройства и высоковольтных опор адаптивных цифровых комбинированных трансформаторов тока и напряжения, технические требования по реализации адаптивных цифровых комбинированных трансформаторов тока и напряжения в интеллектуальных электрических сетях.
Пути решения:
Предлагается построение комбинированного измерительного трансформатора на основе электромагнитного трансформатора тока и емкостного делителя напряжения, размещенных на стороне высокого напряжения, со встроенным электронным блоком синхронного преобразования аналоговых сигналов от трансформатора и емкостного делителя в цифровой код и передачей этих сигналов по оптоволоконному кабелю. При этом питание электронного блока предлагается осуществлять путем отбора мощности от измеряемой цепи. Такое построение позволяет на основе разработанного экспериментального образца сравнительно просто разрабатывать аналогичные устройства с другими диапазонами токов и напряжений.
В существующих комбинированных измерительных трансформаторах такое сочетание не используется. По нашим данным серийный выпуск подобных изделий в настоящее время не производится, а это указывает на возможность получения результата, способного к правовой охране.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Управление и защита оборудования цифровых подстанций ЛЭП переменного тока, оперативный коммерческий учет электроэнергии. Широкомасштабное использование принципиально новых адаптивных цифровых комбинированных трансформаторов тока и напряжения вместо традиционных электромагнитных измерительных трансформаторов тока и напряжения позволит снизить установочные затраты на 50%, расходы на обслуживание до 90%. В соответствии с данным подходом может быть переоборудовано большинство электростанций РФ с объемом внедрения новых приборов только по России в объеме свыше 10 тыс. шт. Соответственно, экономический эффект от внедрения на электростанциях и подстанциях РФ составит ежегодно свыше 100 млн. руб. Мировая потребность по различным оценкам
составляет свыше 200 тыс. шт. в год.
За счет коммерциализации в экономически целесообразных объемах свыше 1000 шт. адаптивных цифровых комбинированных трансформаторов тока и напряжения в год предполагается рост производственных мощностей предприятий соответствующей направленности, что обеспечит
дополнительный социально-экономический эффект от использования инновационной продукции и технологий, создаваемых на основе результатов данного исследования.

Текущие результаты проекта:
В процессе выполнения I этапа проекта достигнуты следующие результаты:
1) В стадии подготовки к представлению Заказчику находится промежуточный отчет о ПНИ, содержащий:
1. аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, 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 – 2013 гг..
При выполнении работы «Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ» получен ряд выводов:
- В соответствии с направлениями модернизации энергетики России поставлена задача перехода на цифровые подстанции, которые при отсутствии постоянного персонала передают информацию о режимных параметрах оборудования на предприятия электрических сетей и/или в энергосистемы по цифровым кабелям связи.
- Измерение токов в линиях электропередач (ЛЭП), которые подходят к подстанциям в настоящее время осуществляется в основном с помощью высоковольтных электромагнитных измерительных трансформаторов тока с масляной или элегазовой изоляцией, которые преобразуют большие токи высоких напряжений в меньшие токи низких напряжений, которые затем могут быть преобразованы в цифровые коды с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП).
- Одно из последних направлений в области измерения токов высоких напряжений – оптические трансформаторы и преобразователи тока.
- Существует направление преобразования тока высокого напряжения в сигнал низкого напряжения, функционально
связанный с измеряемым током - электронные трансформаторы тока.
- Проектирование электронных трансформаторов тока и напряжения регламентировано нормативными документами на государственном уровне. - Для уменьшения отбираемой мощности при больших токах в ЛЭП используют трансформаторы с быстронасыщающимися магнитопроводами.
- Передача энергии от низковольтной части через высоковольтную изоляцию может осуществляться оптическим излучением или электромагнитным способом.
- Повышение точности и быстродействия при измерении токов можно достигать путем оптимизации вычислительных процедур в микроконтроллерах высоковольтной и низковольтных частей.

2. обоснование выбора направления исследований, методов и средств разработки адаптивных устройств автоматики, управления и защиты для интеллектуальных электрических сетей. Выполнение работы «Выбор и обоснование направления исследований» показало, что выполняемое ПНИ соответствует политике инновационного развития, энергосбережения и повышения энергетической эффективности ОАО «Россети».

3. результаты сравнительной оценки эффективности возможных направлений исследований. Выполнение работы «Проведение сравнительной оценки эффективности возможных направлений исследований» показало, что широкомасштабное использование принципиально новых адаптивных цифровых комбинированных трансформаторов тока и напряжения (АЦКТТН) в области управления и защита оборудования цифровых подстанций ЛЭП переменного тока, а также оперативного коммерческого учета электроэнергии вместо традиционных электромагнитных измерительных трансформаторов тока и напряжения позволит снизить установочные затраты на 50%, расходы на обслуживание до 90%. В соответствии с данным подходом может быть переоборудовано большинство электростанций РФ с объемом внедрения новых приборов только по России свыше 10 тыс. шт. Соответственно, экономический эффект от внедрения на электростанциях и подстанциях РФ составит ежегодно свыше 100 млн. руб. Мировая потребность по различным оценкам составляет свыше 200 тыс. шт. в год.

4. разработку вариантов возможных решений задачи, выбор и обоснование оптимального варианта решения задачи. Выполнение работы "Разработка вариантов возможных решений задачи, выбор и обоснование оптимального варианта решения задачи" дало следующее решение для дальнейшего выполнения работ. В конструкции АЦКТТН предлагается совмещать преобразователи тока и напряжения так, чтобы аналого-цифровые выборки тока и напряжения одной и той же фазы производились синхронно. В комбинированных преобразователях выборка осуществляется одновременно естественным образом путем применения многоканальных микросхем АЦП с синхронным запуском преобразования.

2) Выполнение работы «Проведение патентных исследований по ГОСТ 15.011-96» показало, что аналогов предлагаемого решения с сопоставимыми ценами на мировом рынке пока не выявлено.