Интеллектуальные подстанции, как основа Strong/SmartGrid

Куприяновский В.П., Esri CIS (vpkupriyanovsky@gmail.com, vk@esri-cis.ru), Долбнев А.В., Huawei (adolbnev@huawei.com), Волков С.А., Ангстрем (serge.volkov@gmail.com), Синягов С.А., DАТА+ (ssinyagov@dataplus.ru, ssinyagov@gmail.com), Селезнёв С.П., РКСС (sergei.seleznev@gmail.com)

Smart Grid of China. Smart Substations as a Basis for Strong/Smart Grid

В статье рассматривается опыт реализации в КНР ключевого элемента SmartGrid – цифровых энергетических подстанций. Приводятся примеры архитектур, систем моделирования и реализации преобразования традиционных подстанций в цифровые. Особый интерес представляет информация о зависимости времени реализации, эффективности и безопасности внедрения элементов SmartGrid от применяемых методик моделирования, инструментов реализации, технических и архитектурных особенностей Smart оборудования и решений. Особое место как в технологическом процессе преобразования подстанции, так и в последующей ее эксплуатации отводится технологии геоинформационных систем (ГИС).

Программа развития Strong/SmartGrid Китая

Министерство энергетики Китая имеет общую программу преобразования своих энергетических сетей не просто в Smart Grid, а в Strong Smart Grid. В этой программе есть существенный раздел, посвященный ГИС, который именуется Grid Information System (GIS-ГИС, Сетевая Информационная система/геоинформационная система, игра слов). Есть в программе и закольцованная система на постоянном токе (backbone), причем линии постоянного и переменного тока подвешиваются на одних и тех же опорах, и большая телекоммуникация, и сенсоры, и ЦОДы на «облачных вычислениях», и пр.

Однако все это трудно понимаемо практически, если не рассмотреть состояние дел, планы и опыт второй (или уже первой?) энергетики мира. Особенно интересен опыт КНР по практическому применению цифровых подстанций, в которых Китай почти безусловный мировой лидер. Часть авторов имела возможность изучить этот вопрос во время визита в КНР, продолжает работу с ведущими компаниями Китая, в частности, с №1 в Китае по цифровым подстанциям – компанией NR Electric Co., Ltd (NR). Общепризнано, что цифровая подстанция является ключевым звеном в развертывании Smart Grid, особенно в передающей части сети.

Энергетика КНР

Рассмотрим общие показатели по энергетике КНР. Производство электроэнергии в КНР занимает 2-ое место в мире, установленная мощность в 2010 году достигла 962 ГВт, далее:

• среднегодовой темп роста установленной мощности с 2005 до 2010 года: > 10%
• свыше 50% генераторов от 600 до 1000 МВт
• наибольшая единичная мощность: 1000 МВт термальный генератор; 800 МВт гидрогенератор; 1000 МВт ядерный генератор.

Положение энергетики Китая в мире представлено на диаграмме (рис. 1).

Рис. 1. Топ 8 стран по объёмам генерации.

Вторым показателем, иллюстрирующим состояние энергетики, является размерность передающей сети:

• 442 700 км ЛЭП по данным 2010 г. (220 кВ и выше)
• Трансформаторная ёмкость 1974 GVA на 2010 г.
• Передача переменного тока: ЛЭП 1000 кВ – 2 линии; ЛЭП 750 кВ – более 30 линий; ЛЭП 500 кВ – более 1200 линий; ЛЭП 220 кВ – более 6500 линий
• Передача постоянного тока: ±800 и ±500 kВ ЛЭП, в эксплуатации 13 линий.

Для сравнения, сеть ФСК – это 140 000 км ЛЭП (110Квт и выше).

Иллюстрируя динамику роста протяжённости ЛЭП (220Квт и выше) в Китае, приведём соответствующую диаграмму (рис. 2).

Рис. 2. Протяжённость ЛЭП переменного тока (220 кВ и выше).

Наиболее перспективным направлением линий переменного тока (по экономическим показателям) в КНР являются те, которые фактически соединяют Север и Юг страны.

Кстати, в планах Европейских компаний, например, Италии стоит использование Китайского опыта по переменному току.

Вернёмся к подстанциям

Естественно, что именно подстанции и управление режимами их работы являются ключевыми элементами энергетической сети. Они – наиболее дорогой и важный элемент этой сети, и от согласованного их функционирования зависят качественные и количественные экономические показатели.

Понимая это, в Китае, по оценкам экспертов, доля интеллектуальных подстанций к 2020 году будет составлять порядка 50-60%.

Приведём определение интеллектуальной подстанции. Интеллектуальная (smart) подстанция – полностью цифровая подстанция. Она состоит из интеллектуальных первичных устройств и интеллектуальных электронных устройств (IEDs), объединённых в сеть для обеспечения информационного обмена и взаимодействия на основе стандарта IEC 61850 (рис. 3).

Рис. 3. Интеллектуальная подстанция.

Рис. 4. Традиционная и Smart-подстанция: отличия.

Рис. 5. Решение Nari “Smart-подстанция”. Реализация процессинговой шины с использованием стандартов MMS, GOOSE, SNTP.

Естественно, что необходимо понимать разницу между традиционными подстанциями и цифровыми. Понимание наших коллег из КНР мало отличается от мирового (рис. 4). Однако важным тут является конкретная, опробованная и внедрённая архитектура Smart-подстанции (от компании NR), см. рис. 5.

Архитектурные особенности Smart подстанции

Обращаем внимание, что в целях безопасности контур технологического управления развязан с системами управления зданием подстанции и на граничном слое установлены специализированные устройства защиты.

Важно понимать, что для процессного уровня, в который входят ключевые элементы, а именно, трансформаторы тока и напряжения, а также прерыватели, политика монтажа цифровых преобразователей и цифровых устройств заключается в наибольшем приближении их к устройствам процессного уровня.

Электронные блоки этого уровня помечены более темным цветом по схеме и монтируются в специальные 19’’ шкафы, естественно обеспечивающие климатические условия для электроники (NR использует специализированные стойки немецкого производства). К этим шкафам подводится оптика по скрытым коробам. Внутри здания подстанции оборудование, помеченное более светлым фоном, также монтируется в 19’’ шкафы, без климатических установок, которые производит сама NR.

С точки зрения специалистов по ИТ и телекоммуникациям, это давно знакомая и понятная схема того, что на каких уровнях стоит:

• Уровень станции
  • сервер/рабочая станция с пакетом ПО HMI, сетевыми принтерами
  • соединение с помощью шлюзов для загрузки диспетчерского центра
  • GPS-приёмник
• Bay-уровень (граничный)
  • управляющие модули bay-control
  • защита
  • измерения
  • другие IED (интеллектуальные электронные устройства), такие как модули дополнительного питания, аварийные регистраторы…
• Уровень процессной шины
  • блок объединения для трансформаторов ECT/VT или оптического CT
  • интеллектуальный контроллер прерывателя для распределительного устройства
• Сетевой уровень
  • одиночная/двойная сеть с распределённой или кольцевой структурой (электрическая или оптическая)
  • преобразователь протоколов
  • Ethernet-switch на 1 Гбит/100 Мбит

Как и в любой критически важной инфраструктуре, на подстанциях предусмотрено резервирование, которое разбивается на: резервные локальные сети для общей шины; резервная защита и управление; резервные блоки объединения (MU) для каждой стойки (bay); резервные IBC для каждой стойки (bay); резервные локальные сети или P2P для процессинговой шины. Кстати, именно изначально имеющееся на подстанциях резервирование позволяет планово и без прерывания технологического процесса (когда это в принципе возможно) заменять аналог на цифру. При хорошей подготовке замена одного направления занимает всего сутки(!).

Этапы преобразования подстанции

Имеется три этапа преобразования подстанции полностью в цифровую (рис. 6).

Фактически, Схема 1 – это замена аналоговых устройств на цифровые в здании подстанции. Схема 2 – это вынос электроники, размещенной в шкафах с климатикой, к процессному уровню и обеспечение связи по оптическим каналам. При этом перевод на цифру происходит без модернизации процессного уровня. Схема 3 означает появление цифровых электронных устройств непосредственно на объектах процессного уровня.

Рис. 6. Область применения IEC 61850.

Рис. 7. Схема технологического процесса модернизации подстанций.

Как организован процесс подготовки к этим операциям по Схемам1-3? Фактически, если у вас есть построенная база данных, вытекающая из СИМ модели объективных данных о конкретной подстанции, включающая 3D-модели для точных расчётов (а всё это диктуют два первых стандарта IEC из 5-ти базовых), то сам процесс не занимает много времени. Особенно, если эта база данных реализована средствами ГИС. Наиболее популярной в мире для реализации этих функций в энергетической области является платформа Esri ArcGIS (согласно отчёта Гартнера 2011).

Этот технологический процесс подготовки рабочей документации по модернизации подстанции занимает всего сутки (!). Этот же инструмент позволяет планировать, распределять и осуществлять монтаж в течение суток (рис. 7).

Для иллюстрации последнего этапа (Схема 3) покажем, как выглядят трансформаторы тока и напряжения. Кстати, цифровое управление для таких трансформаторов тоже производится NR. Для удобства, они обведены на рисунке 8 овалом. Примечательно, что и сами трансформаторы преобразовались в газовые, воздушные и оптические, заменив привычные, но опасные масляные (рис. 9).

Рис. 8. ECT/VT на подстанции.

Рис. 9. OCT на подстанциях.

Рис. 10. Цифровые устройства, применение в GIS/AIS.

Для новых газовых и воздушных трансформаторов появляются и новые, цифровые устройства (рис. 10), где GIS (Gas-insulated switchgear) – элегазовая распределительная аппаратура, AIS (air-insulated switchgear) – распределительная аппаратура воздушной изоляции. Любопытно, что мы опять видим аббревиатуру GIS, только в применении к электро-газовому хозяйству.

МестоГИСв Strong/Smart Grid

Значит ли это, что наши геоинформационные системы (ГИС) не применяются на подстанции? Отнюдь нет. ГИС возникает как ключевая подсистема в SCADA для цифровой подстанции и активно используются в других приложениях, в том числе в поле (осмотры, мобильные бригады, и т.п.).

Цифровая подстанция не нуждается в специальном присутствии персонала, а диспетчерские процессы, где активно используется ГИС, уходят по цифровым каналам от цифровой подстанции в Smart-диспетчерские, но это уже другая история.

Другие компоненты решений для цифровой подстанции

Естественно, архитектура решений во многом зависит от наличия компонентов и их разнообразия для ее реализации, наличия квалифицированного персонала и отработанных процедур установки и эксплуатации.

Например, в 2010 году в основных отраслях промышленности США было израсходовано 2,75 млрд. долларов на производство продуктов для систем Smart Grid, обеспечивающих улучшенный учет электроэнергии, регулирование спроса и управление распределительными сетями. Рынок услуг не является объектом рассмотрения настоящей статьи, но стоимость сервиса и оборудования может быть оценена в сумму, равную или даже большую, чем расходы на основную продукцию. В частности, компания GE объявила о специальной программе аутсорсинга решений Smart Grid для электрических сетевых компаний (Smart Grid как сервис).

Структура производителей систем Smart Grid более сформирована и географически распределена, чем это принято считать. В нее входят не только венчурные, но и широко известные государственные и частные компании. Многие из них занимаются производством действующего энергетического оборудования и работают над его адаптацией к новым требованиям рынка систем Smart Grid. Такая ситуация характерна и для США, и для Китая, и для Европы.

Рынок систем Smart Grid крайне неоднороден, и разные сектора требуют разного уровня компетентности – должны учитываться аппаратные и программные средства, технологии/продукты и услуги, а также разный опыт производителей. Это в значительной степени влияет на распределение служащих в производственной цепочке, начиная от разработки продукции и заканчивая монтажом системы и ее обслуживанием.

Экосистема решений SmartGridдля подстанции

“Интеллектуальные сети” получили широкую известность в электрических сетевых компаниях задолго до того, как Министерство энергетики США в октябре 2009 года установило инвестиционные гранты размером 3,4млрд. долларов на развитие этого направления. Внедрение в устаревшие системы электропитания интеллектуальных IT-решений на уровне управления и обеспечения взаимодействия является базовой концепцией “интеллектуальных сетей” и рассматривается в качестве основной цели в энергетической промышленности. Размер грантов на поощрение перехода к Smart Grid составляет от 500тыс. до 20млн. долларов.

Условием предоставления грантов является не только достижение экономических и экологических эффектов, но и предоставление Министерству энергетики США определенного рода информации, необходимой для мониторинга состояния электрических сетей на постоянной основе. Аналогичные механизмы предполагается внедрять и в России на основе ФЗ «Об энергосбережении» 2009 г.

Согласно архитектуре Smart Grid от EPRI, имеется разделение между непосредственно электрической инфраструктурой и инфраструктурой, обеспечивающей «интеллектуальные» свойства сети (рис. 11).

Рис. 11. Архитектура интеллектуальной сети от EPRI.

Аналогичным образом ранее подразделялись и поставщики решений. Однако со временем к разработке и поставке интеллектуальной составляющей подключились компании, производящие электрическое оборудование. И, наоборот, часть традиционных поставщиков ИТ или коммуникационных решений развернулись в сторону Smart Grid технологий.

Структура оборудования, и, соответственно, производителей делится на сектора, определенные в концептуальной модели Smart Grid, разработанной в NIST. Модель NIST является одной из наиболее широко распространенных структур и фокусируется на 7 ключевых зонах электросети: производство, передача и распределение электроэнергии, потребители, рынки, операции и провайдеры услуг. Для иллюстрации выделим зоны, относящиеся к подстанции (рис. 12). Выделенные синим цветом зоны модели относятся непосредственно к подстанции, а красным цветом выделены зоны модели, сопрягаемые с подстанциями.

Рис. 12. Модель NIST.

Анализ показывает, что между производителями оборудования для «интеллектуальной» части Smart Grid (датчиков, счетчиков, измерения состояния электрических сетей, систем связи и т.п.) формируется большое количество разнообразных связей на рынке. Производители счетчиков, такие как Itron, Landis+Gyr, GE, Elster и Sensus, проникли во все сферы рынка Smart Grid, как и производители систем связи, такие как Silver Spring Networks, HUAWEI, CISCO.

Эта динамика начинает распространяться и на производителей действующих систем электропитания, благодаря чему налаживание связей на рынке происходит более последовательным образом.

Примером такой интеграции являются решения компании NR.

Что же представляет собой компания, производящая такие решения

NR Electric Co., Ltd (NR), которая выросла из производителя аналоговой автоматики для электриков, представляет собой электронный завод и проектную организацию, мало чем отличающуюся от, например, НПО Ангстрем. В зданиях NR размещены устройства для набивки ЧИПов на ленту (Канада), машины для монтажа плат (США), пайки, сборки, тестирования, климатических испытаний, и т.п.

Возможно есть только два отличия, чисто электрического свойства – это стенды компьютерного моделирования энергетики и физические стенды энергетических испытаний.

В результате все производство и компания NR в целом имеют сертификат соответствия на IEC 61850 (стандарт на цифровую подстанцию), выданный им известной непрофитной американской компанией КЕМА.

По оценкам независимых экспертов NR занимает порядка 50% рынка Китая по цифровым подстанциями и другим решениям. NR поставляет свои решения не только сетевым энергетическим компаниям КНР, Индии, Пакистана, Средней Азии, Армении, Гонконга, Австралии, но также осуществляет поставки решений для высокоскоростных железных дорог, метрополитенов, космодромов, автомобильных дорог и пр.

Очень интересное комплексное решение они реализовали в ходе подготовки Олимпиады 2008 в Пекине. Запланированное количество подстанций в этом проекте было сокращено…вдвое.

На сегодняшний день в мире сделано, приблизительно, 60 цифровых подстанций по Схеме 3, 50 из них реализованы в Китае, 25 сделаны полностью компанией NR.

Кстати, у NR очень неплохой сайт на русском языке. (www.nrelect.com, www.nari-relays.com).