Технологии за управление, наблюдение и защита на КРУ

Ангажиментът към безопасността и устойчивостта при генерирането, преноса и разпределението на електрическа енергия е основен двигател в развитието на интелигентните решения за управление, мониторинг и защита в електроенергийните услуги. Решенията, използвани днес в индустрията, автоматично извършват проследяване и контрол на огромен набор от параметри за процеса на пренос, разпределение и прекъсване на електрическите мощности. Разпределителната уредба може да бъде интегрирана с управлението на генератора, със система за контрол на емисиите, за автоматично синхронизиране, както и за автоматично прекъсване.

Регистрирането на исторически събития и анализът на трендове от измервателните прибори са вече повсеместно прилагани функции, които сега се предлагат като стандарт.

Външните условия и отсъствието на отклонения във вътрешните параметри са съществен фактор за изправността и безопасността на разпределителните уредби. Една утечка например може да причини прегряване на оборудването. Натрупването на прах вътре в разпределителната уредба може да доведе до частичен разряд, който да нанесе значителни щети на апаратурата. В допълнение необходимостта от измерване и управление произтича и от условията на генериране и пренос на електрическата енергия и съвременните изисквания и стандарти за качество и сигурност на електроразпределителната услуга. Тъй като електрическият режим често е с различен характер на товаров график, съпътстван с променливо натоварване, комутационни напрежения, зависещи от редица параметри и от консуматорите, за да се гарантира сигурността и ефективната работа, системата за управление контролира състоянието на комплектната разпределителна уредба (КРУ). Важно е да се отбележи, че тази система е обвързана с цялото съоръжение, това може да бъде генератор с всички негови възли (ако КРУ и трансформаторният пост са свързани с генератор или група генератори) или електрическа подстанция (ако КРУ е част от такава), като същевременно тази система изпълнява и защитни функции.

Например, ако обща комплектна разпределителна уредба осъществява присъединяване на вятърни генератори в парк към електроенергийната система (EEC), контролираните параметри свързани с работата на КРУ ще се следят и управляват централизирано. В съответствие с изискванията за подобряване на качеството на електрическата енергия и изискванията към съответните показатели, се налага съобразно стойностите им да бъдат настроени и съответните защити. В този случай електрическите величини, подлежащи на контрол и защита, ще бъдат напрежение, ток, мощност, честота на мрежата, хармоници на тока.

Въвеждане в експлоатация и поддръжка

След като оборудването е инсталирано и напълно асемблирано, то трябва да бъде пуснато в експлоатация при извършване на определени проверки и тестове. Тестването доказва, че инсталацията отговаря на необходимите спецификации за безопасност. Общата компановка след асемблирането трябва да отговаря на заложеното в техническия проект и приложимите стандарти. За целта се препоръчва да се направи цялостна проверка преди пристъпване към въвеждане в експлоатация. Инсталираната комплектна разпределителна уредба трябва да включва монтирани фабрично сглобени и тествани модули, тоководещи части, комутационна, защитна и измервателна апаратура. Шинната система трябва да е защитена от определената според спецификациите изолационна среда. Степента на защита на изолацията и отделенията трябва да отговарят на посочените спецификации и техническия проект на оборудването съобразно средата, в която се инсталира уредбата.

Необходимо е да се предвидят блокировки, които да не позволяват погрешни манипулации, както и механична блокировка, която да не позволява неправомерен достъп до трансформаторната секция. Трябва да се осигури видимост на състоянието на заземителните ножове, както и възможност те да могат да се заключват в затворено и отворено положение. Mощностните разединители трябва да използват дъгогасителна среда съгласно спецификацията и да отговарят на изискванията на БДС EN 62271-200:2012 или еквивалентен стандарт. При задействане на предпазител в модул мощностен разединител с предпазители трябва да се осигури автоматично изключване на разединителя, да се гарантира максималнотокова, газова и термична защита и др.

Изследване на най-честите причини за повреда на разпределителни уредби за средно напрежение сочи, че 66% от всички повреди се дължат на дефектни компоненти и неадекватна поддръжка. Данните показват, че инсталирането на система за мониторинг на състоянието, включваща диагностика на прекъсвачите и следене на температурата и частичния разряд значително намалява този процент.

При поддръжка, разчитаща на постоянен мониторинг, данните от сензорите се получават в реално време за разлика от поддръжката, основаваща се на профилактика, при която данни за състоянието са достъпни през интервал между две обслужвания. Въпреки че не всички повреди, свързани с разпределителните уредби, могат да бъдат обезпечени от сензорно наблюдение, дори ако се предприеме консервативен подход, поне половината от повредите могат да бъдат покрити с помощта на сензори. Разхлабен контакт може да бъде открит чрез термични сензори, дефектна изолация – чрез сензори за частичен разряд, а дефектни механични части в прекъсвачите – чрез диагностика на прекъсвача и отчитане на времето за отваряне и затваряне.

Следователно, рискът от неочаквана повреда значително намалява с внедряването на решение за мониторинг и диагностика. Важно е да се отбележи, че мониторингът на състоянието не елиминира изцяло нуждата от поддръжка, а я улеснява, като оптимизира подхода, което значително намалява разходите по поддръжка и повреди.

Надеждната защита и превенция от повреди по оборудването може да бъде подпомогната и чрез целенасочени разработки за оптимизиране на конструкцията на блоковете в уредбата. Водещи конструктори представиха изцяло нова концепция в областта на инженеринга на електрооборудване. Уникалната технология замества традиционната вертикална/хоризонтална тоководеща шина с цялостен шинен панел. С този революционен дизайн се елиминира рискът за операторите от излагане на части под напрежение, намалява се рискът от прескачане на дъга, причинена от механични повреди, и се редуцира времето за поддръжка. Влаганите шинни части са до 92% по-малко в сравнение с традиционните шинни системи. С до 25% се редуцира и физическият отпечатък на разпределителните уредби поради по-високата плътност на нареждане на модулите.

Релейни защити и електродъгова защита

Всички електроенергийни системи са оборудвани с релейна защита, която автоматично открива и локализира повредата в дадено съоръжение и изключва съответния прекъсвач, за да се възстанови нормалната работа на незасегнатите секции. Релейната защита реагира и на появата на анормални режими на съоръженията. За тази цел защитата изпълнява непрекъснато следене на състоянието на контролирания параметър: ток, напрежение, мощност, температура и др. При повреда или анормален режим към защитата постъпва информация за събитието и тя реагира съгласно предефиниран алгоритъм.

При модерните цифрови релейни защити постъпващата информация се регистрира, обработва и предава на ниво подстанция и диспечерски център и функциите за защита и управление се реализират централизирано. Аналоговите променливи величини се преобразуват в цифрови във входните блокове на релетата и се изчисляват от процесор. За всяка отделна функция на защитата има предварително зададена програма. Зададените настройки се използват като входни данни в тези програми. Всички съвременни цифрови защити са мултифункционални, като така се позволява функциите на защитата да се комбинират и изпълняват от един самостоятелен блок.

В утвърдената практика в едно и също устройство се съчетават функциите на релейна защита, управление, противоаварийна автоматизация, регулиране, регистриране на събития, измерване на разстоянието до мястото на повредата и други. Всеки блок на цифровите защити има вградени постоянно действащи програми за самонаблюдение и диагностика на хардуера и софтуера.

Микропроцесорните релета могат да бъдат програмирани така, че да контролират непрекъснато няколко от своите хардуерни и софтуерни подсистеми, откривайки по този начин евентуални погрешни итерации. Благодарение на функционалността за самопроверка отказите на релейната част могат да бъдат открити и отстранени, преди да са повлияли на експлоатацията.

Самонаблюдението и диагностиката намаляват риска от неправилна работа на защитата. Всички спонтанно възникнали откази в хардуера и софтуера се откриват автоматично и своевременно, съответната част от защитата се блокира и се изпраща сигнал.

Прекъсвачите в една подстанция също може да са защитени и управлявани от цифрова защита. Цифровите защити и контролерът са свързани в мрежа чрез интерфейс, а комуникацията между контролерите и защитите най-често се осъществява на база на разпространени протоколи, като например Modbus RTU. Контролерите са свързани с операторска станция, от която чрез инсталиран за целта софтуер се осъществява мониторинг на параметрите на подстанциите и оперативно превключване на прекъсвачите.

Функцията на модула за електродъгова защита е незабавно да установи появата на дъга в инсталацията и да прекъсне и изолира прекъсвача от повредата. Системата на електродъговата защита работи много по-бързо от конвенционалните защитни релета и минимизира щетите вследствие на дъга на късото съединение. Бързият и надежден модул за електродъгова защита предпазва персонала при повреда в КРУ по време на работа по или в близост до инсталацията и значително намалява производствените загуби благодарение на мигновеното задействане, като така увеличава експлоатационния живот на КРУ.

Системи за автоматизирано управление и наблюдение

Централизираното управление и мониторинг в една съвременна подстанция се осъществяват чрез система за индустриална автоматизация, която комбинира софтуерен и хардуерен компонент и свързаната комуникационна инфраструктура. Автоматизираните системи подпомагат процеса, като увеличават производителността и намаляват разходите. Събраните данни правят възможна своевременната реакция от страна на операторите и позволяват качествен анализ и оптимизация в дългосрочен план. Системите спомагат и за проследяване на съответствието с действащите стандарти и процедури.

Посредством интерфейс човек-машина (human-machine interface, HMI) между верига от устройства, осигуряващи комуникация с функциите на първичния процес, в подстанциите се извличат данни в реално време и се подават към системата за наблюдение и управление. Организират се и се съхраняват в бази, от които се черпи информация за параметрите на процеса. За да бъде възможна тази функционалност, е необходимо изграждането на информационно-комуникационна инфраструктура, започваща с инсталирането на сензорни устройства в или върху основната апаратура и завършваща с екрана, представящ агрегираните и обработени данни на оператора.

Доминираща позиция в тенденциите за автоматизация за дистанционно наблюдение и управление в индустрията в момента заемат системите SCADA и DMS. Те са и най-широко интегрираните решения за управление на електроразпределителни съоръжения.

SCADA (Supervisory control and data acquisition) представлява централизирана система, която обработва и преобразува получената информация от обекта на управление и формулира и изпраща управляващи команди. Тя информира оператора или съответната управляваща функция за изследваните съоръжения и процеси.

Автоматично генерира команди, за да осигури диалог между оператора и наблюдаваната система и да извести за възникнали важни събития. Събраната информация за технически неизправности в електрическото оборудване се прехвърля в централната система и генерира сигнал за неизправността. След това се провежда анализ и контрол на операциите, за да се определи дали повредата е с най-висок приоритет (критична), след което информацията се визуализира спрямо времевия отчет на вътрешните процеси в мониторираната система, за да се предприеме оперативно действие.

SCADA работи на принципа на централизираното управление, при което повечето операции се изпълняват автоматично от съответното оборудване за събиране на данни и контрол, т. нар. отдалечени терминални възли (Remote Terminal Units – RTUs) или от програмируемите логически контролери (PLC). RTUs са компютри със специално предназначение, които съдържат аналогово-цифрови преобразуватели (ADC), цифрово-аналогов преобразувател (DAC), цифрови входове и изходи.

В резултат на новите изисквания, свързани с интелигентните разпределителни мрежи (smart grids) задачите, които отдалечените терминални възли изпълняват са се увеличили. Функцията им в най-общ смисъл е да събират аналогови и цифрови входни данни, да предават команди, като комуникират чрез стандартни протоколи със SCADA.

Освен тези основни функции те изпълняват и други важни задачи, например комуникация с интелигентни електронни устройства (IED), интегриране на функционалности за автоматизация или да изпълняват ролята на комуникационен гейтуей, осигуряващ обработка на данни от независими измервателни и контролни блокове. RTU имат модулна архитектура, състояща се от няколко карти със специфични функционалности, така че да се осигури мащабируемост. В зависимост от функционалните изисквания на клиента RTU могат да бъдат освен модулни и интегрирани, както и с вградена или изнесена комуникация.

SCADA позволява непрекъснато следене на контролерите. Тя работи с база данни в реално време и гарантира изпълнение на команди за управление без закъснение.

Същевременно данните се споделят с офлайн бази, за да може да се извършва последващ задълбочен анализ. SCАDA обикновено работи с разпределена база данни, която съдържа елементи, наречени точки. Една точка от базата представлява стойността на един-единствен вход или изход, контролиран от система. Точка може да бъде също и резултатът от логически и математически операции, приложени към други точки. Системата следи конкретни условия, за да определи дали е настъпило критично събитие и евентуално да извърши съответно правилни действия (напр. активиране на автоматично разединяване). Визуализирането на схеми, трендове и диагностични данни от базите и софтуерните програми се осъществява чрез HMI.

Разпределените системи за управление DMS (Distribution Management Systems) извършват процесен контрол, като калкулират изчисления както в реално време, така и офлайн, за да направят оценка на състоянието на апаратурата, мощността, оптималното превключване и други параметри. DMS системата се захранва от SCADA и корпоративни архиви с динамични данни като например такива относно състоянието на разединителите, а също така и със “статични данни” като обхват на мрежата, профили на натоварване и генериране, характеристики на проводници и т.н.