Интеллектуальное высоковольтное оборудование для распределительных электрических сетей

Интеллектуализация электроэнергетических систем является одной из важнейших, хотя и не единственной тенденцией развития электрических сетей 21 века.

Общие направления развития распределительных электрических сетей, их оборудования и систем включают:
– повышение надёжности и качества электроснабжения, в том числе за счёт автоматического секционирования и резервирования электроснабжения, перехода к магистральному принципу построения сетей для сельских районов и схем разомкнутого кольца для городов;
– улучшение управляемости сетей, а также снижение коммерческих и технологических потерь электроэнергии при применении автоматизированных систем на основе микропроцессорной техники, прежде всего с использованием интеллектуальных электронных приборов (IED) и цифровой передачи информации на основе принципов «smart grid», т.е. принципов интеллектуальных электроэнергетических сетей;
– снижение затрат на обслуживание и организация работ на линиях без снятия напряжения;
– повышение электрической и экологической безопасности оборудования электрических распределительных сетей, а также адаптация этого оборудования для применения в интеллектуальных электроэнергетических системах;
– сокращение числа ступеней трансформации напряжения за счёт роста номинального напряжения в реконструируемых сетях;
– увеличение срока службы линий передач и электрооборудования подстанций.

Основные требования к интеллектуальным электроэнергетическим системам были сформированы и представлены в опубликованных статьях и докладах еще в 90-х годах прошлого века.

Обобщая различные подходы к видению интеллектуальных электроэнергетических систем [1–4], можно дать следующее определение для таких систем - под «интеллектуальной» электроэнергетической системой следует понимать энергоэффективную систему, которая адекватно и оптимально реагирует на любые внешние и внутренние технологические возмущения на условиях обеспечения удобства, экологичности и безопасности для общества.

Существует три уровня интеллектуализации электроэнергетических систем: верхний – интеллектуализация энергосистемы, в том числе электрических сетей, в целом - как единой мегасистемы, средний – интеллектуализация комплексов оборудования (например, электростанций или подстанций) и, наконец, интеллектуализация отдельных видов достаточно сложного силового оборудования, оснащённого современными автоматизированными системами управления, а также электросетевых технологических комплексов потребителей ( «умных домов», «умных» улиц и др.).

Общую «умную» энергосистему как некоторый единый организм можно представить с помощью простой иллюстрации, представленной на рис. 1. Электроэнергетическая система, как бы, стоит на двойном основании: интеллектуальном силовом оборудовании и информационной инфраструктуре. Инструментами адаптивной подстройки к внешним и внутренним технологическим изменениям среды являются две «руки» – силовые устройства подстройки – устройства FACTS (системные устройства управляемых систем электропередачи электроэнергии – быстродействующие управляемые статические компенсаторы реактивной мощности, СТАТКОМы, вольтдобавочные трансформаторы и батареи конденсаторов с тиристорным управлением и т.д.) и электронные устройства тонкой подстройки – новое поколение микропроцессоров – IED (интеллектуальные электронные устройства).

Рис. 1
«Умные» электроэнергетические системы как единый технологический комплекс.

Управляется энергосистема центром («мозгом»), включающим базу данных, технологические системы управления, операторов и диспетчеров. Язык общения – протокол IEC 61850, нервная система – единая процессорная шина, позволяющая работать в реальном режиме времени [5]. Таким образом, «умная» энергосистема, независимо от её уровня – это единый интеллектуальный технологический комплекс.

В интеллектуальных распределительных электрических сетях управление, измерение, защита, создание базы данных, учёт электроэнергии и оптимизации распределения электроэнергии должны осуществляться динамически в режиме реального времени с учётом потребностей рынка электроэнергии.

Кроме того, в распределительных электрических сетях в этом же формате также должна быть сформирована внешняя инфраструктура по взаимодействию с системообразующими электрическими сетями, диспетчерским управлением, потребителями, сервисом и внешними сбытовыми компаниями.

Всё это требует применения нового оборудования, систем и их топологии.

В представленном докладе рассмотрены вопросы создания интеллектуального силового электрооборудования для распределительных электрических сетей.

К силовому электросетевому оборудованию, которое в современных условиях требует интеллектуализации, следует отнести трансформаторы, распределительные устройства и специальное системное оборудование, снабженные системами управления, защиты, мониторинга и учёта электроэнергии (рис. 2).

Рис. 2
Формирование технологического комплекса оборудования для интеллектуальных распределительных электрических сетей.

Новый уровень управления в интеллектуальном оборудовании означает применение для систем управления этого оборудования более совершенных микропроцессоров, контроллеров, терминалов удалённого доступа (RTUs), интеллектуальных электронных приборов, возможность работы в этом оборудовании систем управления, защиты, мониторинга не только «по вертикали» – через автоматизированные системы управления верхнего уровня, – но и «по горизонтали» – через связь с другим оборудованием, передачу информации в режиме реального времени.

«Интеллектуальным» следует называть трансформатор, обеспечивающий максимально возможный контроль состояния всех систем трансформаторного оборудования (активной части, масла, вводов, системы охлаждения, устройств регулировки напряжения под нагрузкой, технологических защит и др.), самодиагностику и выдачу рекомендаций по дальнейшим действиям в случае появления развивающегося повреждения или ненормированного воздействия на трансформатор. При этом трансформатор должен обеспечивать все режимы управления своими регулируемыми устройствами – автоматический, ручной местный и ручной дистанционный, в том числе из удалённых центров управления, с полным контролем правильности исполнения команд. Последнее обстоятельство становится особенно важным при использовании трансформаторного оборудования в «умных сетях» с необслуживаемыми подстанциями.

На рис. 3 приведена принципиальная схема управления такого трансформатора.

Рис. 3
Блок-схема интеллектуального трансформатора [6].

При создании оборудования для интеллектуальных электрических сетей комплектные распределительные устройства также следует рассматривать как элементарную базовую ячейку, элементы которой позволяют встраивать распредустройство в общую интеллектуальную систему подстанции и сети в целом. Для эффективного функционирования подстанций необходимо наличие надёжных средств, обеспечивающих управление и контроль, защиту и автоматизацию всей системы в комплексе, в том числе на уровне ячеек распредустройства. Решение этой проблемы распадается принципиально на две основные задачи: разработку цифровой системы управления, защиты и мониторинга ячеек распределительного устройства на основе протокола обмена данными по МЭК 61850 и оснащение силового оборудования современными датчиками.

Важнейшим условием перехода к «интеллектуальным» распределительным сетям является и применение современных специальных системных силовых устройств, обеспечивающих необходимый уровень надёжности и качество электроснабжения. К ним следует отнести вольтдобавочные трансформаторы, статические тиристорные компенсаторы, автоматизированные батареи конденсаторов, ограничители тока, накопители энергии и реклоузеры.

Отсутствие эффективных средств регулирования напряжения в распределительных сетях сейчас приводит к недопустимо высоким колебаниям напряжения у потребителя (до 50% и более при норме 10%).

В современных условиях вольтодобавочные трансформаторы применяются как автоматические регуляторы напряжения. Возможности этих автоматических регуляторов напряжения могут быть расширены, если они будут применяться с параллельным подключением батарей статических конденсаторов.

Включение в качестве компенсирующего устройства батарей конденсаторов позволяет повышать напряжение сети. Конденсаторы, подключённые параллельно к сети, обеспечивают поперечную компенсацию реактивной мощности. В этом случае конденсаторы, генерируя реактивную мощность ёмкостного характера, повышает коэффициент мощности сети и одновременно регулируют напряжение – в результате уменьшаются потери мощности в сети.

Статические тиристорные компенсаторы в распределительных сетях используются для динамической стабилизации напряжения, повышения пропускной способности, снижения колебаний напряжения, поддержания напряжения в установившемся режиме. Как правило, статические тиристорные компенсаторы позволяют изменять напряжение в сети как минимум в пределах ±5%. Целесообразно устанавливать такие компенсаторы рядом с основными центрами нагрузки (например, вблизи крупных заводов) и в узлах сети, где возможно снижение напряжения до критического значения, что характерно для удалённых участков сети.

Создание интеллектуальных распределительных электрических сетей невозможно без разработки новых типов ограничителей тока.

Сейчас в крупных городах в электрических сетях 110–220 кВ наблюдается увеличение токов короткого замыкания до величин, превышающих отключающую способность коммутационной аппаратуры вследствие роста плотности и интенсивности электропотребления, а также модернизации и развития электрических сетей.

Существующие меры (установка токоограничивающих реакторов и стационарное деление сети) снижают надёжность работы энергосистемы, повышают потери мощности и энергии в электрических сетях.

Для кардинального решения проблемы ограничения токов КЗ требуются новые технические разработки, основанные на высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) и полупроводниковых технологиях.

Такие токоограничители нового типа позволят не только ограничить значение ударного и установившегося тока КЗ, но и поддержать на высоком уровне напряжение в узлах сети, обеспечить автоматическое срабатывание и восстановление после устранения тока КЗ, уменьшить сброс активной нагрузки с генераторов электростанций, не оказывать существенного влияния на нормальный режим работы сети

Накопители электрической энергии, встроенные в распределительные электрические сети как аварийные источники питания, помогают существенно повысить надёжность электроснабжения.

Мощность уже эксплуатируемых стационарных накопителей энергии достигает 50 МВт и более.

Наибольший интерес для практического применения в распределительных электрических сетях имеют никель-кадмиевые, литий-ионные и натрий-серные аккумуляторы, суперконденсаторы, кинетические накопители и сверхпроводящие накопители энергии.

Современный реклоузер – это коммутационный аппарат, который, наряду с возможностью проведения многократных операций включения и отключения, объединяет в себе практически все виды противоаварийной автоматики: автоматическое повторное включение, автоматический ввод резерва, максимальная токовая защита, защиты от замыканий на землю, устройство плавки гололёда и др. Как правило, реклоузер устанавливается на опоре, удалённой от подстанции. На базе реклоузеров реализуются децентрализованные системы защиты и автоматического управления, в которых целый ряд функций центрального управления передаётся по заданному алгоритму удалённым технологическим устройствам.

В дополнение к децентрализованным системам защиты и управления, которым может быть оснащено оборудование распределительных сетей, широкое распространение имеют дистанционные системы наблюдения и управления SCADA (как правило под SCADA понимают программный пакет, предназначенный для разработки и обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. Но в более широком понимании это - комплекс приборов и устройств, обеспечивающих реализацию этого программного обеспечения). Это система управления и сбора информации, включающая микропроцессорные элементы, компьютеры и программное обеспечение. Данная система обеспечивает мониторинг состояния оборудования, быстрое обнаружение аварийных секций, линий; позволяет диспетчеру системы в случае необходимости производить ручное секционирование линий, дистанционно следить за изменением напряжения, тока, активной и реактивной мощности, гармонических составляющих и других параметров переходных процессов, а также дистанционно изменять уставки реклоузеров, регуляторов напряжения и конденсаторных батарей.

К перспективному виду интеллектуального оборудования распределительных сетей следует отнести оборудование, использующее принцип высокотемпературной сверхпроводимости.

Особенностью распределительных электрических сетей середины 21 века должно стать появление «высокоамперных» линий электропередачи.

Кардинальным решением по увеличению рабочих токов передающих электроэнергию линий, повышению их безопасности и экологичности является применение высокотемпературных сверхпроводящих кабелей (ВТСП кабелей), где рабочий ток при тех же радиальных габаритах токоведущей жилы может быть увеличен в 7–10 раз.

Появление в 2002–2003 годах высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения резко активизировало в мировой энергетике работы по практическому применению этих технологий.

Наиболее существенным препятствием для широкого использования сверхпроводящих силовых энергетических устройств является технологическая отработка производства лент сверхпроводников, их соединений, обеспечение стабильности свойств. Поэтому начало реального широкого применения силовых ВТСП устройств с учётом имеющегося опыта внедрения принципиально новых технологий в электроэнергетике следует ожидать не ранее чем через 10–30 лет. Однако использование ВТСП кабелей как элемента «интеллектуальных» электроэнергетических систем (рис. 4), также как и ВТСП трансформаторов, ограничителей тока, генераторов, в перспективе не вызывает сомнения.

Рис. 4
ВТСП кабель («NKT-cable») на напряжение 20 кВ в опытно-промышленной эксплуатации.

Заключение

1. «Интеллектуальная» электроэнергетическая система – это энергоэффективная система, включающая генерацию электроэнергии, её передачу, распределение, потребление, технологическое управление этой системой, блок рынка и бизнеса, связанного с реализацией электроэнергии как товара, блок услуг по доставке электроэнергии до потребителя, взаимосвязанные между собой, которая адекватно и оптимально реагирует на любые внешние и внутренние технологические возмущения на условиях обеспечения удобства, экологичности и безопасности для общества.

2. Ключевыми технологиями для создания «интеллектуальных» электроэнергетических систем являются не только новейшие информационные технологии, использующие оптоэлектронные устройства, интеллектуальные электронные приборы (IED), микропроцессоры, терминалы удалённого доступа, цифровой обмен данными, системные программно-аппаратные комплексы и базы данных, но и развивающиеся технологии «интеллектуального» силового оборудования (в том числе системного характера).

3. Для формирования интеллектуальных распределительных сетей необходимо создание специальных «интеллектуальных» трансформаторов, комплектнораспределительных устройств, а также применение современных системных силовых устройств – вольтдобавочных трансформаторов, автоматизированных батарей конденсаторов, статических тиристорных компенсаторов, ограничителей тока, накопителей энергии и «интеллектуальных» реклоузеров.

4. Важнейшей перспективой развития распределительных электрических сетей в 21 веке является появление «высокоамперных» линий электропередачи на основе применения силовых устройств (кабелей, трансформаторов, ограничителей тока, накопителей энергии), использующих принцип высокотемпературной сверхпроводимости.

Литература
1. L. Hossenlopp, D.Chatrefou, D,Tholomier, D.P.Bui, Process bus: Experience and impact on future system architectures. Paper B5-104, CIGRE 42d session, Paris, 2008, K. Frohlich. Strategic directions 2010–2020.
2. EPRI’s IntelliGridSM initiative, http://intelligrid.epri.com.
3. The Modern Grid Initiative Version 2.0, Conducted by the National Energy Technology Reliability, January 2007, http://www.netl.doe.gov/moderngrid/resources.html
4. Б.Б. Кобец, И.О. Волкова, «Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции Smart Grid-М., ИАЦ Энергия, 2010.
5. M. Adamiak, B. Kasztenny, J. Mazereeuw, D. Mcginn, S. Hodder, Considerations for IEC 61850 Process Bus Deployment in Real-world Protection and Control Systems: a business analysis. Paper B5-102, CIGRE 42d session, Paris, 2008.
6. В.Н. Вариводов, Г.М. Цфасман, Е.И. Остапенко, А.Н. Панибратец, В.С. Чемерис, Р.Н. Шульга, «Основные направления создания комплекса оборудования для интеллектуальных электрических сетей», VIII Международная научно-техническая конференция «Интеллектуальная электроэнергетика. Автоматика и высоковольтное коммутационное оборудование», 9–10 ноября 2010 г., Москва.