В Голландию приходят самовосстанавливающиеся сети

Увеличение численности населения и прирост экономики увеличивают спрос на электроэнергию. Такая ситуация, наряду с жесткими условиями надежности и качества поставок электроэнергии, приумножает усилия, которые требуются от сетей распределения, с целью целостного обеспечения сети.
Очень большие затраты на замену устаревшего оборудования позволяют свести до минимума вероятность отказов, но не устраняют возможность их возникновения. Таким образом, в моменты, когда случаются отказы сетей, их владельцы ставят задачу минимизировать последствия таких отказов, снижая количество потребителей электроэнергии и период времени выхода из строя сети.

С целью уменьшения часовых промежутков в связи с отказом, нидерландская компания Stedin начала проект по автоматическому распределению электроэнергии внутри своей сети.

Начальная стадия проекта подразумевает установку индикаторов распространения отказов интеллектуального типа. Следующие две стадии внедряют более современные технологичные методы, такие как распределительные фидеры самовосстанавливающегося типа, и оборудование кольцевых магистралей на дистанционном управлении.

Пилотный проект

Сеть распределения электроэнергии в Нидерландах использует подземные кабели. Следовательно, могут возникнуть отказы длительного периода, которые невозможно будет устранить при помощи устройств повторного включения автоматического типа. По этой причине был разработан проект копании Stedin по самовосстанавливающейся сети. Такой проект применяет несколько периферийных устройств, в основе которых заложено программное обеспечение восстановительного типа. Связь с такими устройствами происходит через сотовую сеть пакетной радиопередачи обобщенных услуг, и дает возможность обнаружить местность отказа, изолировать его автоматическим образом и возобновить поставку электроэнергии.

Использую несколько вариантов различных архитектур можно реализовать автоматический план локализации отказа, его изоляцию и возобновления системы. Подробная картина топологии сети имеется в центральной системе управления распределением, которую использует централизованная архитектура. Архитектура локальной централизации использует высокоинтеллектуальные главные контроллеры. Любой из них имеет ограниченное число подчиненных и поддерживает с ними связь.

Архитектура, которую выбрала Stedin, полностью децентрализована. Между несколькими узлами распределяется весь интеллект системы. Алгоритм FLIR пускает в ход сообщения, которые приходят от некого количества RTU. Такая архитектура отображает структуру сети и упрощает удаление и добавление узлов.

Автоматическая сеть

Компания Stedin избрала сеть среднего напряжения (23 кВ), находящуюся в центре города Роттердам для расположения пилотной самовосстанавливающейся сети распределения энергии. Эта сеть состоит из 33 второстепенных подстанций на 23 кВ, которые соединены подземными кабелями в кольцо, и работает за счет образования точек штатного размыкания, как пара радиальных фидеров.

В идеале, все вторичные подстанции необходимо оснащать выключателями автоматического типа, но воплощение в жизнь такой задумки требует огромных затрат. Более выгодным вариантом было решение выбрать 5 вторичных подстанций и поделить кольцо на два фидера, которые включают по три секции, приблизительно одинаковую суммарную длину кабелей и приблизительно равное число клиентов.

Все вторичные подстанции имеют следующее оборудование для автоматизации раздачи электроэнергии:

• двигатель, который используется с целью управления выключателем нагрузки;
• периферийное устройство с запрограммированной последовательностью операций;
• индикаторы, предназначеные для распространения отказа;
• детекторы, показывающие наличие напряжения.

Для создания автоматических выключателей на 23 кВ (V502 и V503), первоначальная подстанция применяет такое оборудование:

• защитное реле, которое управляет выключателем;
• контроллер для наблюдения и сбора всех данных с RTU с целью управления и мониторинга;
• RTU самовосстановления, контроллер интеллектуального типа, который применяется для замыкания выключателя и запуска алгоритма FLIR.

Для обеспечения связи шкаф самовосстановления собран из RTU, модема GPRS и батареи.

Состояние отказа рассчитывается с применением текущих измерений от входящих и выходящих кабелей. К тому же, для выяснения наличия напряжения, через емкостное соединение к каждому кабелю подключается индикатор.

Данный проект был приведен в действие совместно с известной компанией Schneider Electric, которая является основателем платформы T200i, и типовых RTU на этой основе, применяющихся для автоматизации фидеров.

Именно периферийное устройство T200i было применено в пилотной разработке компании Stedin. Также, для этого пилотного проекта и работы в RTU, фирмой Schneider Electric было разработано специальное программное средство алгоритма самовосстановления.

Все вторичные подстанции автоматизированы и включают оборудование кольцевой магистрали типа RM6, которые снабжены двигателями Schneider Electric и поставляются этой компанией.

Точки штатного размыкания имеют другой тип RMU и оснащены двигателями LINAK. Двигатели такого типа универсальны и способны адаптироваться под любой тип аппаратуры кольцевой магистрали.

Самовосстанавливающаяся сеть

Сеть такого типа была создана с целью автоматизации процедуры после отказа, которая ранее выполнялась вручную. Система самовосстанавливающегося типа быстро восстановит секции фидера и подключит потребителей, изолируя поврежденную секцию. Поиск места повреждения и отказа внутри секции проводится ручным методом. Таким методом также проводится восстановление поставок электроэнергии остающимся потребителям.

Система самовосстанавливающегося типа способна идентифицировать также отказы кабеля, наравне с отказами RMU. В случае двух отказов одновременно, система способна возобновить кое-какие поставки электроэнергии.

Два основных принципа лежат в основе алгоритма отыскивания отказа и его полной изоляции:

1. Если же детекторы короткого замыкания обнаружили, что оно случилось между двумя узлами, значит это сопряжено с отказом кабеля. В таком случае, выключатели среднего напряжения в обоих узлах размыкаются.
2. Если же детекторы короткого замыкания обнаружили, что оно случилось в узле, это связано с кабельным шкафом в RMU. Тогда размыкание выключателя в узле не может гарантировать, что отказ будет находиться в изолировании. Таким образом, размыкаются выключатели двух смежных узлов.

Такой алгоритм также принимает во внимание моменты иного типа:

• Безопасность. Когда один какой-то узел переходит в локальный режим, схема во всех остальных узлах самовосстановления автоматически прекращает работу.
• Надежность. В том случае, если выключатель не способен изолировать короткое замыкание, система пытается разомкнуть последующий выключатель.
• Отказоустойчивость. Таким образом, проявляется способность системы справиться с неимением индикации об отказе.

Типы узлов

В течение процедуры возобновления в обычных условиях, секция кабеля, где обнаружено замыкание, изолируется от всей системы методом размыкания двух выключателей прерывания нагрузки. Исправная секция подсоединяется при помощи выключателя, либо при помощи установки соединения в точке размыкания, что приводит к определению соединяющих и размыкающих узлов.

Узлы размыкающего типа используются для изолирования, вышедшего из строя компонента, а узлы соединяющего типа снабжают напряжением сеть среднего напряжения. Контроллеры в каждом узле сконфигурированы на определенный тип узла.

Месторасположения отказа и алгоритм изоляции

Поочередность операций поиска и изоляции отказа стартует в то время, когда контроллер основной подстанции находит срабатывание защитного реле. Процесс такого алгоритма выполняется в 2 фазы. Первая фаза являет собой действие изолирования «против течения»: в таком процессе каждый узел анализирует, пребывает ли отказ выше него, и, при необходимости, проводит изоляцию участка перед собой. Во время второй фазы выполняется изолирование «за течением»: каждый из узлов анализирует, пребывает ли отказ ниже него, и, при необходимости, проводит изоляцию участка после себя.

Выполняемые операции

В период первой фазы направляются уведомления вниз по сети от узла фидера, и от размыкающих узлов к соединяющим узлам. В тот момент, когда сообщение получает размыкающий узел, он анализирует свои индикаторы отказа, чтобы понять, пребывает ли отказ где-то выше него. В случае если это действительно так, узел производит размыкание одного из своих выключателей, тем самым изолируя себя от точки отказа.

Когда короткое замыкание успешно изолирует размыкающий узел, он направляет сообщение до узла соединяющего типа. Такое сообщение выглядит так «короткое замыкание находится выше, и изолировано». Во время получения такого сообщения узел соединяющего типа замкнет контакт уровня штатного размыкания.

Во второй фазе происходит послание второго набора уведомлений вверх по сети, с соединяющего узла до размыкающих узлов, и до узла соединительного типа выключателя фидера. В процессе такой фазы, размыкающий узел анализирует, пребывает ли короткое замыкание где-то ниже него. В том случае, если это так, он размыкает выключатель и изолирует отказ сверху.

Когда размыкающий узел провел операцию успешно и изолировал место отказа, то он направляет уведомление в соединяющий узел выключателя фидера, которое выглядит так: «короткое замыкание находится ниже и изолировано». Во время получения такого извещения соединяющим узлом выключателя фидера, произойдет замыкание им выключателя.

В заключение каждого цикла действий, напряжение будет отсутствовать лишь на изолированном сегменте. В то время состояние каждого узла посылается в центр управления и в любой момент может быть направлена бригада ремонтников непосредственно к изолированному месту фидера, дабы обнаружить отказавший кабель.

В зависимости от количества операций коммутации и быстроты срабатывания выключателя нагрузки, весь цикл операции по восстановлению сети может занять меньше минуты. Таким образом, подключенные к сети клиенты, лишь одну минуту будут испытывать перебой в подачи энергии. Это очень большое улучшение, так как среднее время простоя в обычной сети составляет где-то около двух часов.

Полученные уроки

Стартовавший в октябре 2011 года, тестовый проект самовосстанавливающейся сети фирмы Stedin был окончен, и в июне 2012 года был введен в эксплуатацию в полном виде. С момента ввода самовосстанавливающейся сети, на этой автоматической сети фидера не происходило никаких коротких замыканий. Таким образом, на текущий момент нет информации о реакции потребителей на нововведения, которые снижают время отказа поставки электроэнергии. Вдобавок, не существует опыта восстановления фидера с помощью автоматики на практике.

Система связи GPRS, которая использована в проекте, спроектирована в качестве телефонной сети, потому ее можно было также применять для передачи данных. Тем не менее, система в первую очередь ориентирована на передачу телефонных звонков высокого качества, что негативно влияет на ее общедоступность в приложениях, которые связанны с самовосстановлением. Кроме этого, оператор может выключать некоторые антенны на ночь для экономии энергии, а это в значительной степени может повлиять и на уровень сигнала в некоторых автоматизированных подстанциях. Все вопросы такого типа необходимо принимать во внимание во время фазы планировки коммуникаций для самовосстанавливающихся сетей.

Наибольшие затраты времени в самовосстанавливающихся сетях обусловлены сбросом модемов, которые инициируются оператором связи. Операторы связи в дневное время сбрасывают все соединения, которые не используются. Таким образом, при необходимости, нужно запускать модем снова и самовосстанавливающаяся сеть становится недоступной приблизительно в течение пары минут.

Следовательно, в дальнейшем развитии применение сетей интеллектуального типа, необходимо большое внимание уделять работе сети связи. Фирма Stedin ожидает, что эффективность сетей данного типа будет адаптирована операторами связи, в том числе, введением разнообразных тарифных планов, чтобы сделать связь более подходящей для такого использования.

Проектирование сети

Сети не всех типов среднего напряжения приспособлены для установки самовосстанавливающейся системы. В сети, которая имеет ячеистую структуру, доступны разные возможности для возобновления сети после отказа. Это приводит к усложнению программного обеспечения, и также увеличивает риск неудовлетворительной его работы. Потому, чтобы использовать максимум преимуществ от автоматизации сети распределения энергии, функции автоматизации необходимо учитывать уже во время проектирования будущих распределительных сетей. А это значит, что структура кольцевого типа с одним штатно разомкнутым контактом лучше всего подходит для функционирования самовосстанавливающейся сети. На текущий момент, обслуживаемые фирмой Stedin сети распределения не определяются как кольцевые.

Направление развития

Фирма Stedin начала создавать другой проект самовосстанавливающейся сети, он связан с региональным контроллером, а не целиком с децентрализованной архитектурой. Региональный контроллер размещается на первичной подстанции источника энергии и к нему добавляется некое количество локальных контроллеров, которые располагаются на вторичных подстанциях. Такой проект также использует сотовую сеть GPRS для связи между локальными контроллерами и региональным контроллером.

Ядром системы выступает региональный контроллер, в котором производится выполнение алгоритма самовосстановления, и он принимает все решения по коммутации для возобновления работы сети. Локальные контроллеры, выполняя такие коммутационные операции, обеспечивают центральное устройство регулирования информацией состояния сети.

Кроме всего этого, фирма Stedin начала реализацию системы управления данными в собственном центре управления и планирует использовать все функции этой системы. Поэтому, она будет оснащена алгоритмом самовосстановления.

Все проекты будут оценены после прохождения испытательного периода в 12 месяцев. После этого, компания Stedin будет иметь возможность сделать выбор дизайна будущих распределительных сетей электроэнергии, необходимые алгоритмы самовосстановления, и лучшие технологии, которые необходимо применить для повышения надежности поставок.