Перспективы развития РЗА энергосистем
 
Энергетика

Перспективы развития РЗА энергосистем

Основной объём будущих забот релейщиков — 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) [1]. 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 счёт 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 высоконадёжных оптических сетей внутри- и 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 надёжности 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 [1] предусматривается использование новых управляемых в темпе процесса on-line силовых элементов (УШР, УПК и т.д.), которые формируют потоки реактивной мощности, а также и множество собственных источников активной мощности распределённой генерации (ГТУ-ТЭЦ, накопители электроэнергии на базе аккумуляторов большой мощности и т.д.), что позволяет характеризовать подобные сети как активноадаптивные (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 ГТУ-ТЭЦ распределённой 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 учёта множества возможных режимов с множеством возможных значений параметров новых силовых элементов зачастую приводит к неразрешимым логическим противоречиям в расчётах уставок и вынуждает переходить к активной адаптации структуры и значений уставок РЗА в режиме on-line, или активно адаптированной РЗА (ААРЗА).

Каково общее свойство перспективных ААРЗА? Ответ на этот вопрос частично видится в аналогиях с живой природой.

Биологи выявили путь эволюции живой материи в процессе адаптации к условиям существования от бактерий до человека разумного, который имеет органы чувств для сбора информации и мозг, с помощью которого он моделирует в своём сознании возможные варианты действий и только потом принимает решение [2].

Следовательно, переход на «интеллектуальную» РЗА должен предусматривать адаптацию структуры и параметров РЗА и ПА в режиме on-line на основании собранной информации о структуре и параметрах ААС с целью многофакторной оптимизации на основе многовариантного моделирования [3].

Следует заметить, что системы, удовлетворяющие приведённому выше определению интеллектуальности РЗА и ПА, уже используются в ЕЭС России — это АРЧМиП и ЦСПА. Именно эти иерархические комплексы являются прототипом интеллектуальных ААРЗА.

Воистину — ничто не ново под Луной!

Итак, 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.

Продолжая аналогии между РЗА и живой природой, следует отметить разнообразие видов органов чувств, доставляющих человеку информацию о внешнем мире. Заметим, что и в теории и технике РЗА также не всё сводится к ТА и TV.

Перечислим известные технические решения и отметим перспективы расширения состава датчико-преобразующей аппаратуры РЗА.

Дуговые защиты КРУ используют в качестве датчико-преобразующей аппаратуры:
• клапанные реле — реагируют на скачки давления;
• оптические фотоэлементы с объективами — подобны зрению;
• оптические волокна с фотоприёмниками — подобны осязанию.

Газовые защиты трансформаторов, автотрансформаторов имеют пневматические и гидродинамические датчики. Системы контроля изоляции вводов СВН силовых автотрансформаторов, наряду с токами утечки, реагируют в опытных образцах и на частичные разряды (электромагнитные и акустические датчики), и на скачки давления.

Активные волновые локационные искатели, реагирующие на отражённые импульсные от неоднородности волнового сопротивления в месте повреждения, интегрированные в РЗА ВЛ, смогут в перспективе запрещать включение при явном наличии повреждения в зоне (блокировка АПВ, а также блокировка включения «от руки»).

Пассивные волновые приёмники используются в импульсных защитах от замыканий на землю в сетях 6—35 кВ и т.д. Так что перспективы развития РЗА энергосистем никак не могут быть сведены исключительно к экспансии микропроцессоров и заключаются в расширении разнообразия первичной датчико-преобразующей аппаратуры, используемой для выявления повреждений и ненормальных режимов работы.

Одно из перспективных направлений развития РЗА с целью обеспечения селективности, чувствительности, быстродействия и надёжности [4, 5, 6] лежит в области интеграции силовых электрических сетей и сетей связи. Из истории известно, что устойчивость параллельной работы электростанций [5] по плану ГОЭЛРО была обеспечена за счёт дифференциально-фазных защит с каналами связи — в те годы были использованы высокочастотные каналы связи [4].

В начале третьего тысячелетия ситуация со связью поменялась кардинально — использование разнообразных видов связи доступно, эффективно и прибыльно.

В ряде публикаций анализируется [6, 7, 8] технико-экономическая эффективность интеграции в общих узлах двух сетей — электрической и информационной. Наибольший эффект, как показывают расчёты значений SAIFI, SAIDI, может быть достигнут в распределительных сетях 6—35 кВ электроснабжения мегаполисов и высокотехнологичных зон с собственными (в техническом и юридическом смысле) источниками распределённой генерации [7].

Сеть связи, интегрированная с силовой сетью, уже рассматривалась в журнале «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» [7]. Такая комбинация позволяет применить централизованную РЗА и обеспечить:
• исключение выдержек времени для решения задач по управлению конфигурацией сети за счёт быстрого сбора, обработки и принятия решения о переключениях (РЗ, АВР, УРОВ, АПВ) [7];
• собственно устройства РЗА, рассредоточенные в электрической сети, могут иметь упрощённые алгоритмы (реле тока, реле направления мощности);
• для многочисленных потребителей распределительной сети существенно изменяются параметры потока провалов напряжения и значения SAIFI, SAIDI.

При правильной работе рассматриваемой централизованной РЗА практически возможны два значения длительности провала:
• ~ 0,1 сек — при КЗ на смежном фидере;
• ~ 0,3—0,5 сек — при КЗ на питающем фидере.

Подобные значения длительностей провалов способствуют обеспечению устойчивости ответственной нагрузки [8]:
• снижение длительности действия тока КЗ до ~ 0,1 сек позволяет обеспечить щадящий режим для работы изношенного силового электрооборудования;
• при новом строительстве радикально облегчаются условия обеспечения термоустойчивости экранов кабелей из сшитого полиэтилена при расчётном двойном КЗ, ток которого не уменьшается даже при резистивном заземлении искусственно создаваемых нейтралей в сетях 20 кВ;
• влияние на выбор коммутационной аппаратуры заключается в возможном переходе на выключатели нагрузки на многочисленных ТП и РП распределительной сети. Необходимость в установке силового выключателя сохраняется только для центров питания. В сочетании с уменьшением длительности протекания токов КЗ указанные обстоятельства обеспечивают возможность снижения габаритов (компактизация) и материалоёмкости (энергосбережение) конструкций ТП и РП;
• для агрегатов собственного источника обеспечиваются условия динамической устойчивости, так как длительность «площадки ускорения» не будет превышать ~ 0,1 сек.

Кроме перечисленных свойств управления в режимах КЗ сеть связи, интегрированная с силовой электрической распределительной сетью, обеспечивает:
• информационную поддержку процессов контроля и управления в рабочих режимах, включая учёт электроэнергии и реализацию наивыгоднейших режимов работы, в том числе за счёт 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, одно из перспективных направлений развития РЗА заключается в интеграции с сетями связи и использовании новых централизованных алгоритмов, которые позволяют реализовать дополнительные требования к РЗА в части устойчивости нагрузки и динамической устойчивости генераторов собственных источников распределённой генерации.


ВЫВОДЫ

В заключение сформулируем актуальные направления развития РЗА энергосистем:
• «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 отказом от выдержек времени;
• сочетание типовых и индивидуальных инновационных проектов участков электрических сетей с учётом дополнительных требований к РЗА по критериям устойчивости источников распределённой генерации, а также устойчивости высокотехнологичных электроприёмников.


ЛИТЕРАТУРА
1. Разработка программы модернизации электроэнергетики России на период до 2030 г. Энергетик. 2011, № 2, с.7—10.
2. Винер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине. Советское радио. М., 1968, 328 с.
3. Веников В.А. Теория подобия и моделирования применительно к задачам электроэнергетики. М.: Высшая школа. 1976, 478 с.
4. Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей. М.: Энергоатомиздат. 1984, 520 с.
5. Лебедев С.А., Жданов П.С. Устойчивость параллельной работы электрических систем. М.-Л.: Энергоиздат, 1933, 264 с.
6. Кобец Б.Б., Волкова И.О. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции Smart Grid. М.: ИАЦ Энергия, 2010, 208 с.
7. Арцишевский Я.Л., Вострокнутов С.А., Земцов А.А. Обеспечение надёжности и качества электроснабжения. «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение». 2010, № 3, с.14—17.
8. Арцишевский Я.Л., Задкова Е.А., Кузнецов Ю.П. Техперевооружение релейной защиты и автоматики систем электроснабжения предприятий непрерывного производства. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2011, 94 с. [Библиотечка электротехника, приложение к журналу «Энергетик». Вып.7 (151)].

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно