Автоматизация цифровых подстанций

Современная электрическая сеть претерпевает цифровую трансформацию. В центре этого изменения находятся цифровые подстанции, которые интегрируют информационные и коммуникационные технологии в традиционное оборудование подстанций, такое как трансформаторы и выключатели. Автоматизация цифровых подстанций упрощает операции сети, повышает надежность и гибкость, и подготавливает почву для интеллектуальной сети будущего.

Необходимость модернизации

Электрические подстанции играют ключевую роль в электрической сети. Они повышают напряжение от электростанций для эффективной передачи электричества на большие расстояния. Они также снижают напряжение для распределения в дома и предприятия. Несмотря на их важность, многие подстанции все еще зависят от устаревших ручных операций и аналоговых систем управления. Существует несколько недостатков этой наследственной инфраструктуры:

Подвержены человеческим ошибкам: Ручное переключение, изменение отводов и измерения вносят риски для надежности. Например, рабочие могут сработать неправильный выключатель или неправильно записать показания.
Медленные времена отклика: Аналоговые системы не обладают сложностью для обнаружения и реагирования на проблемы в реальном времени. Проблемы могут распространяться, прежде чем операторы могут отреагировать.
Отсутствие видимости: Традиционные подстанции предоставляют ограниченные данные о производительности активов и состоянии сети. Операторы часто не могут определить причины нарушений.
Ограниченный контроль: Конвенциональные подстанции имеют фиксированные возможности управления и топологию. Им не хватает гибкости для быстрого перенаправления энергии и изоляции проблем.

Чтобы преодолеть эти ограничения, коммунальные предприятия внедряют автоматизацию цифровых подстанций. Эта модернизация жизненно важна для соответствия росту возобновляемой генерации, распределенных энергетических ресурсов, переменных нагрузок и более строгих стандартов надежности.

Основы цифровых подстанций

Цифровые подстанции интегрируют сетевые устройства сбора данных, интеллектуальные электронные устройства (IED) и автоматизированные системы управления. Это позволяет мониторинг, защиту, контроль и оптимизацию в реальном времени:

Сбор данных: Цифровые инструменты, такие как интеллектуальные счетчики и фазорные измерительные устройства, собирают данные системы с высокой скоростью и точностью.
Интеллектуальные устройства: IED — это контроллеры на базе микропроцессоров, которые защищают, контролируют и управляют активами подстанции. Они могут срабатывать выключатели, регулировать напряжение, обнаруживать неисправности и многое другое.
Системы автоматизации: Системы автоматизации подстанций служат «мозгом», координируя IED и удаленные активы через цифровую связь. Они выполняют приложения для мониторинга, управления и оптимизации.

Эти компоненты подключены в локальную сеть на основе Ethernet. Это обеспечивает высокоскоростную интероперабельность между всеми цифровыми элементами. Сети подстанций также интегрированы с глобальными сетями коммунальных предприятий и системами SCADA (Супервизорский контроль и сбор данных) через интерфейсы шлюза. Это позволяет полное наблюдение и контроль над сетью за пределами ограждения подстанции.

Мониторинг и управление в реальном времени

Автоматизация цифровых подстанций позволяет операторам «видеть» всю подстанцию в реальном времени:

Интегрированные данные предоставляют полное осознание ситуации: состояние выключателей, трансформаторов, шин и линий передачи консолидировано и визуализировано на экранах операторов.
Продвинутые аналитические инструменты преобразуют необработанные данные в действенные инсайты: приложения обнаруживают возникающие тенденции, прогнозируют проблемы активов и идентифицируют нарушения.
Быстрое время отклика минимизирует простои: интеллектуальные системы могут принимать коррективные меры за миллисекунды без вмешательства оператора.
Гибкая топология и реконфигурация: управление, определяемое программным обеспечением, позволяет операторам динамически перенаправлять энергию и изолировать неисправности в цифровом виде.
Раннее предупреждение о проблемах: постоянно мониторируемые активы предупреждают операторов о признаках неисправности до того, как произойдут отказы.
Анализ событий: журналы данных помогают операторам расследовать причины инцидентов и улучшать ответы.

Эти возможности оптимизируют потоки энергии, минимизируют простои, улучшают качество энергии и ускоряют восстановление службы, когда возникают проблемы.

Повышение надежности и устойчивости

Цифровая автоматизация непосредственно устраняет основные причины отказов в оборудовании подстанции, включая:

Превышение номинальных возможностей
Воздействие пиков напряжения или тока
Износ контактов из-за частого переключения
Тепловой стресс из-за перегрева
Вибрация и усталость
Экологический стресс, такой как влажность

Путем мониторинга условий 24 часа в сутки и контроля операций в безопасных параметрах, цифровые системы защищают активы от повреждений и отказов. Другие преимущества надежности включают:

Самовосстанавливающиеся системы, использующие автоматизацию в реальном времени и интеллектуальные устройства для быстрого обнаружения, изоляции и восстановления отказов.
Предиктивное обслуживание для проведения ремонтов до возникновения отказов, основанное на мониторинге состояний и анализах.
Снижение человеческих ошибок за счет минимизации ручных вмешательств.
Адаптивная защита от погодных условий, которая динамически регулирует настройки для поддержания безопасных запасов.
Резервные коммуникационные сети, устойчивые к единичным точкам отказа.
Меры кибербезопасности, такие как шифрование и контроль доступа, для предотвращения нарушающих атак или кражи данных.

Эти преимущества приводят к более надежной и устойчивой электрической сети, способной быстро восстанавливаться после проблем.

Интероперабельность и стандартизация

Для плавной интеграции компоненты цифровых подстанций соответствуют международным техническим стандартам. Стандарт IEC 61850 определяет архитектуры связи, модели данных, процессы проектирования и испытания для систем автоматизации подстанций. Он обеспечивает:

Интероперабельность между устройствами от нескольких поставщиков, как устаревшими, так и будущими.
Последовательные форматы данных, семантику и процедуры обмена.
Стандартные методы проектирования, минимизирующие проблемы интеграции.
Соответствие испытаниям и сертификация устройств автоматизации подстанций.

IEC 61850 позволяет «plug-and-play» эксплуатацию оборудования от различных производителей. Он предлагает гибкость для обновления компонентов без привязки к собственным технологиям. Стандартизация закладывает основу для экономически эффективного расширения сетей цифровых подстанций.

Оптимизация операций сети

Сложные приложения автоматизации используют данные и управление цифровыми подстанциями для оптимизации производительности сети:

Адаптивная защита: в реальном времени регулирует параметры защитных реле в соответствии с текущими условиями сети, чтобы поддерживать селективность и надежность.
Оптимизация потоков энергии: рассчитывает и применяет оптимальную топологию для направления потоков активной и реактивной энергии для повышения эффективности и стабильности.
Прогнозирование нагрузки: предсказывает модели спроса на подстанции на основе исторических данных для информирования операций по диспетчеризации.
Контроль напряжения/реактивной мощности: регулирует уровни напряжения и выход реактивной мощности, чтобы минимизировать потери и потребление энергии.
Локализация неисправностей: определяет точное расстояние до неисправностей на линиях, основываясь на данных IED на каждом конце.
Обнаружение изоляции: выявляет и изолирует «острова», созданные неисправностями, чтобы защитить оборудование.

Эти интеллектуальные алгоритмы используют расширенные данные, возможности управления и действия в реальном времени, реализуемые системами автоматизации. Приложения автоматически настраиваются для постоянного поддержания баланса надежности, эффективности, качества энергии и безопасности.

Переход к интеллектуальной сети

Автоматизация цифровых подстанций служит платформой для эволюции текущей сети в динамичную интеллектуальную сеть. Ключевые возможности интеллектуальной сети, поддерживаемые цифровизацией подстанций, включают:

Продвинутая измерительная инфраструктура: цифровые трансформаторы инструментов и счетчики предоставляют данные для регулирования использования и поддержки инновационных тарифов.
Распределенные энергетические ресурсы: системы подстанций интегрируют и контролируют локальные возобновляемые источники энергии, хранение и микросети.
Гибкая передача переменного тока: управление подстанциями быстро регулирует потоки энергии для снятия перегрузки.
Динамическая классификация линий: мониторинг предоставляет ситуационную осведомленность в реальном времени, раскрывая скрытую пропускную способность передачи.
Мониторинг и управление крупными зонами: данные от подстанций в сети позволяют координацию активов в обширных регионах.

Цифровые подстанции также готовы поддерживать новые технологии, такие как хранение, электромобили и реакция на спрос через возможности обнаружения, связи и управления.

По мере того, как цифровые подстанции становятся все более распространенными, они служат основой для двусторонних потоков энергии, координации в реальном времени, самовосстанавливающихся ответов и устойчивых операций интеллектуальной сети.

Реализация преимуществ

Хотя автоматизация цифровых подстанций требует первоначальных инвестиций, она предлагает значительную ценность благодаря повышенной надежности, эффективности, видимости, управлению и гибкости. Финансовые преимущества включают:

Снижение затрат на простои: избежание простоев быстро окупается от потерь из-за отключений.
Снижение затрат на обслуживание: продление срока службы активов и оптимизация планирования обслуживания снижают расходы.
Увеличение пропускной способности системы: большая осведомленность о ситуации и управление позволяют более высокую отдачу от существующих активов.
Снижение потерь электроэнергии: оптимизация и правильная регулировка напряжения уменьшают потери и потребление энергии.
Отсрочка инвестиций в инфраструктуру: продление полезности оборудования откладывает дорогостоящие замены.
Улучшение качества энергии: минимизация колебаний предотвращает повреждение оборудования клиентов, что может привести к ответственности.

Помимо прямой экономии, цифровая автоматизация минимизирует регуляторные штрафы, улучшает удовлетворенность клиентов и открывает путь к новым доходам через технологии и услуги интеллектуальных сетей.

Для коммунальных предприятий автоматизация подстанций является инвестицией с высокой отдачей, которая предлагает надежность, эффективность и ориентированные на будущее возможности для модернизации электрической сети. Продолжающаяся цифровая трансформация открывает новые возможности для более безопасной, умной, экологически чистой и надежной доставки электроэнергии.

Вывод

Автоматизация цифровых подстанций преобразует операции в электрической сети, повышая надежность, улучшая безопасность, повышая операционную эффективность и упрощая управление активами. Применяя передовые технологии, интегрируя надежные кибербезопасные протоколы и продвигая стандартизацию и интероперабельность, коммунальные предприятия и операторы сетей могут в полной мере воспользоваться преимуществами цифровых подстанций. Поскольку мы движемся к более интеллектуальному и устойчивому энергетическому ландшафту, автоматизация цифровых подстанций, несомненно, сыграет решающую роль в развитии энергетических систем будущего.

Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация о нашей программе подстанций или решениях для микросетей и AMI, не стесняйтесь связаться с нами. Мы здесь, чтобы помочь, и будем рады вашим ценным мыслям и комментариям.