Системи за автоматизация на електрически подстанции

Високата експлоатационна достъпност и осигуряването на непрекъсната работа на подстанциите винаги са били сред приоритетите на електроразпределителните дружества. Възникването на повреда означава прекъсване на услугата за клиентите, което съответно е свързано с нежеланото от всяка компания намаляване на приходите. От самата поява на електрическите системи инженери и оператори се стремят към събиране на полезна информация за различните устройства в една подстанция, което да им помогне за оценка на състоянието на инсталацията, за прогнозиране на потенциални проблеми и в случай на неизправност – за анализиране и отстраняване на повредата възможно най-бързо, за да се защитят скъпоструващите активи и да се подобри качеството на предоставяната услуга.

В миналото в подстанциите се използват механични релета и измервателни инструменти, които рядко поддържат регистриране на данни и комуникация. Тогава информацията за възникналите повреди се събира предимно в таблици на хартия, което значително усложнява и утежнява процеса на разчитане и анализиране на тези данни. По тази причина и заради липсата на комуникация поддръжката и отстраняването на неизправности е скъп и продължителен процес особено когато се изисква изпращането на технически екип до подстанции в отдалечени и труднодостъпни райони.

Съвременните подстанции

С появата на микропроцесорната технология цифровата защита и устройствата за управление стават по-интелигентни. Новите интелигентни електронни устройства (IED) могат да събират и записват информация за множество различни параметри на една система, да я обработват благодарение на комплексна логика в рамките на части от секундата и да вземат решения относно анормални ситуации, изпращайки команди до комутатори и прекъсвачи с цел отстраняване на неизправността.

В допълнение към усъвършенстваната им изчислителна способност, съвременните устройства в подстанциите могат също да съхраняват информация във вътрешната си памет за определен период от време и да я подават към различни приложения за детайлно проучване и анализ. Интелигентните електронни устройства могат да изпращат данни към локален или отдалечен потребител посредством различни типове комуникация. Това дава на операторите повече гъвкавост по отношение на това как и кога да се обработи информацията, за да се осигури кратък срок за възстановяване от прекъсване в нормалното функциониране на подстанцията.

По-големият обем дистанционно достъпна информация позволява разработването на нови системи за управление, които значително улесняват операторите в контролния център. Една SCADA система може да събира информация от разнообразни интелигентни електронни устройства в електрическата система чрез различни методи на комуникация, след което да ги управлява и следи посредством редица технологии за визуализация. По този начин, на база предварително дефинирани параметри и алгоритми се автоматизира дори мониторингът.

Във всяка една подстанция се внедрява и човеко-машинен интерфейс (HMI), който предоставя на операторите възможност за управление и мониторинг на локално ниво. Това често е необходимо при конфигурация, пускане в експлоатация или извършване на дейности по поддръжката на подстанцията.

Комуникационни протоколи

Повечето от ранните протоколи в автоматизацията на електрическата индустрия са патентовани протоколи, разработени от производителите на устройства. Въпреки че те работят изключително добре с устройствата на същия производител, липсата на оперативна съвместимост, в комбинация със зависимостта от определен доставчик, обуславят прехода на електроразпределителните компании към стандартни и отворени протоколи. Като други протоколи, така и тези за автоматизация на подстанции еволюират паралелно с усъвършенстването на комуникационната инфраструктура. За разлика от бавните и склонни към грешки по-стари протоколи, новите могат да се справят с различни комуникационни среди, да се възстановяват от прекъсвания в комуникацията и да пренасят информация по по-надежден начин. Въпреки че в автоматизацията на подстанции все още се използват по стари протоколи като MODBUS, в повечето системи вече са внедрени протоколи като IEC 60870 (Европа) и DNP3 (Северна Америка).

Най-често ползваната архитектура на протокол с автоматизацията на подстанции е от типа master-slave (сървър-клиент). При някои протоколи клиентите също могат да инициират комуникация. Въпреки че традиционните протоколи изискват повече време и усилия по време на конфигурация и пускане в експлоатация, те са разпространени в автоматизацията на подстанции, защото са лесни за разбиране, конфигурация и откриване на проблеми.

Стандарт IEC 61850 е приет от повечето електроразпределителни дружества като съвременен протокол, който може да се справи с недостатъците на традиционните протоколи. За разлика от по-старите протоколи, IEC 61850 е по-скоро набор от стандарти, адресиращи различни аспекти на съвременната подстанция, а не просто комуникационен протокол. Той дефинира в подробности стандартен модел за всяка една функция в подстанцията заедно с комуникационните стандарти, необходими за поддържане на този модел, както и методите за свързване на модела с по-ниските нива на комуникация. IEC 61850 адресира също и хардуерните изисквания за устройствата, предназначени за подстанции. Стандартът включва и методи за изпитване, които потребителят може да използва във фазите на пускане в експлоатация и поддръжка на даден проект, за да се гарантира, че всички устройства функционират в съответствие с изискванията и своевременно да се изолират потенциалните проблеми.

Физическа комуникация

Свързаността към подстанцията и получаването на ценна информация от дистанционните устройства винаги са били сред предизвикателствата, пред които са изправени системните проектанти. Не всички подстанции са с еднаква големина или значимост. Много от тях се намират в отдалечени райони, където комуникацията може да се окаже най-големият проблем по отношение на мониторинга на подстанцията.

В миналото, когато повечето устройства имат много ограничени възможности за комуникация, мониторингът се осъществява с помощта на модеми. Първоначално се използват полеви геитуей устройства, които концентрират получаваната от серийните устройства информация и я изпращат към сървър посредством модем въз основа на предварително зададен времеви график. Концентрирането на информацията подобрява комуникацията и намалява разходите, тъй като комуникацията по този начин е по-бърза, отколкото ако се изпращат малки пакети данни от различни устройства в рамките на по-дълъг времеви период.

В съвременните подстанции повечето устройства комуникират посредством Ethernet връзки. Данните от различните устройства се изпращат към центрове за управление чрез разнообразие от комуникационни среди. Електроразпределителните компании обикновено предпочитат да инсталират своя собствена вътрешна комуникационна инфраструктура, използвайки фиброоптични връзки или радиочестотни мрежови системи, но в някои случаи, особено в отдалечени райони или при по-малки подстанции, за по-практични се смятат клетъчните модеми. Въпреки че използването на обществена инфраструктура като клетъчни мрежи може да доведе до редуциране на разходите за поддръжка, това е свързано с рискове по отношение на сигурността и експлоатационната достъпност.

Резервираност

Концепцията за резервираност не е нова, но съвременните технологии значително улесняват внедряването и управлението на резервирани устройства. В конфигурация тип “горещ резерв” две устройства (например гейтуеи) могат да работят в група, като едното е активно, а другото е в режим на готовност. Устройството в готовност непрекъснато следи състоянието на активното устройство, което, от своя страна, получава информация от друго оборудване и актуализира както вътрешната си база данни, така и тази на устройството в режим на готовност, и изпраща информация към един или няколко клиента. Ако устройството в готовност засече липса на комуникация от страна на активния компонент, то допуска (след предварително зададен период от време), че активното устройство вече не функционира и поема управлението, продължавайки процеса на изпращане/получаване на информация.

Усъвършенстваните системи за резервираност поддържат също и виртуални адреси. Те скриват физическите адреси на устройствата, осигурявайки прозрачност на прехода, докато за комуникацията се ползват виртуалните адреси.

Координиране по време

В подстанциите отдавна се ползват устройства за координиране по време и методи като GPS часовници и IRIG-B сигнали. Целта е вътрешният часовник на устройствата в системата да се поддържа синхронизиран, така че отчитанията на времето от различни източници да могат да бъдат сравнявани с високо ниво на точност при извършване на анализ. Координирането по време е от критично значение и за защитните системи.

Новите технологии за автоматизация на подстанции предлагат иновативни методи за синхронизация. За разлика от по-старите системи, при които времевият сигнал се разпространява жично, новите протоколи използват комуникационната инфраструктура за тази цел. Някои комуникационни протоколи (например DNP3 или IEC-104), както и времевите мрежови протоколи NTP и SNTP вече предоставят достатъчна точност за много приложения. Въпреки това високото ниво на прецизност, необходимо за приложения от критично значение, не може да се постигне чрез тези методи. През последните години се използва Precision Time Protocol, който предоставя възможност за точност до микросекунда за устройствата в системите за управление и защита.

Регистриране

По-големите изчислителна мощност и вътрешна памет на интелигентните електронни устройства позволяват генериране на повече информация относно тяхното функциониране. Регистрирането на тази информация и изпращането й към център за управление предоставя на операторите по-добра видимост по отношение на това какво се случва в устройството, а в случай на проблем – дава насоки откъде да се започне при отстраняването му. В системата може да бъде инсталиран сървър за събиране и съхранение на регистрите от различните устройства за целите на допълнителен анализ.

Вследствие на изменения в състоянието на дадено устройство или точка за събиране на данни също могат да бъдат генерирани файлове – например осцилографски файл, показващ промените в някои от параметрите на системата (напрежение, ток, фазов ъгъл) по време на неизправност. Анализирането на този файл предоставя на инженерите ценна информация за статуса на системата точно преди и след възникването на повредата.

Аналогично на регистрите, файловете, генерирани вследствие на дадено събитие, могат да се съхраняват в централен сървър и да са достъпни за широк спектър от потребители. Благодарение на този централен сървър се гарантира, че събраната от устройствата информация няма да бъда загубена, тъй като апаратурата все още има ограничена памет.

Оползотворяване на неоперативните данни

Обект на интерес за центровете за управление вече не са само оперативните данни. Днес събраните от подстанциите неоперативни данни могат да се входират в различни приложения, насочени към прогнозиране и предотвратяване на бъдещи проблеми, осигуряване на по-добра представа за функционирането на оборудването, управление на устройствата по по-сигурен начин и ограничаване на прекия достъп на операторите до апаратурата.

Повишената свързаност на устройствата в подстанциите предоставя възможност за извършване на множество задачи дистанционно, което спестява време и финансови средства чрез ограничаване на броя пъти, в които се налага изпращането на технически екип за отстраняване на възникналите неизправности. Централните системи за отдалечен достъп осигуряват високо ниво на сигурност, като регистрират всяко взаимодействие на оператора с устройството и съхраняват записа във вътрешната си памет за допълнително проучване, ако има необходимост. Този тип системи предлагат и възможност за централизирана оторизация на потребителите, преди да им се осигури достъп до конкретно устройство.

Концепцията за мониторинг на активите придобива практичност, когато новите технологии правят много по-лесно и достъпно подаването на разнообразие от неоперативни данни към центровете за управление. Мониторингът на активи може да покрие широка гама от приложения, но като цяло е насочен към използването на неоперативните данни от устройствата в подстанциите за прогнозиране или генериране на нова информация за различни аспекти на системата, като състояние, потенциални проблеми или предстояща поддръжка.