Цифровая трансформаторная подстанция
DIGITAL TRANSFORMER SUBSTATION

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к трансформаторным подстанциям 10/0,4 кВ и предназначено для применения в активно-адаптивных электрических сетях.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является цифровая трансформаторная подстанция (патент РФ №2552842, кл. H02J13/00, H02B7/00 опубл. 10.06.2015, Бюл.№16).
Недостатком известной цифровой трансформаторной подстанции являются ограниченные функциональные возможности в связи с отсутствием возможности регулирования реактивной мощности, автоматического регулирования напряжения с учётом отклонения напряжения в отходящих линиях, осуществления автоматического повторного включения коммутационных аппаратов отходящих линий и ввода низкого напряжения, осуществления сигнализации и блокировки от обратной трансформации, учёта электроэнергии с выделением потерь электроэнергии в силовом трансформаторе, возможности разгрузки силового трансформатора при перегрузках выше допустимой.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей цифровой трансформаторной подстанции.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность регулирования реактивной мощности, автоматического регулирования напряжения, осуществления автоматического повторного включения коммутационных аппаратов отходящих линий и ввода низкого напряжения, осуществления сигнализации и блокировки от обратной трансформации, учёта электроэнергии с выделением потерь электроэнергии в силовом трансформаторе, возможности разгрузки силового трансформатора при перегрузках выше допустимой.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что цифровая трансформаторная подстанция, содержащая силовое оборудование, коммутационные аппараты с возможностью дистанционного управления и систему управления оборудованием электрической подстанции, согласно изобретению, содержит датчики напряжения, соединённые с силовыми сетями трансформаторной подстанции и с блоком контроля и управления трансформаторной подстанцией, осуществляющие контроль напряжения в точках их установки и передачу данных о значениях напряжения в блок контроля и управления трансформаторной подстанцией, датчики тока, соединённые с силовыми сетями трансформаторной подстанции и с блоком контроля и управления трансформаторной подстанцией, осуществляющие контроль значений тока в точках их установки и передачу информации о значениях тока в блок контроля и управления трансформаторной подстанцией, датчики положения коммутационных аппаратов, соединённые с коммутационными аппаратами трансформаторной подстанции и с блоком контроля положения и управления трансформаторной подстанцией, осуществляющие контроль положения коммутационных аппаратов и передачу данных в блок контроля и управления трансформаторной подстанцией, блок бесперебойного питания, соединённый с силовыми сетями трансформаторной подстанции, с блоком контроля и управления трансформаторной подстанцией, устройством сбора, приёма и передачи данных, обеспечивающий бесперебойное питание блока контроля и управления трансформаторной подстанцией, устройство сбора, приёма и передачи данных, соединённое с блоком бесперебойного питания и с блоком контроля и управления трансформаторной подстанцией, осуществляющее сбор, приём и передачу данных, команд, поступающих от блока контроля и управления трансформаторной подстанцией и от диспетчера сети, блок регулирования напряжения, соединённый с устройством регулирования напряжения под нагрузкой и с блоком контроля и управления трансформаторной подстанцией, осуществляющий регулирование напряжения с учётом значения напряжения на шинах подстанции по алгоритмам, сформированным в блоке контроля и управления трансформаторной подстанцией, блок регулирования реактивной мощности, соединённый с блоком конденсаторов переменной ёмкости и с блоком контроля и управления трансформаторной подстанцией, осуществляющий регулирование реактивной мощности с учётом значения напряжения на шинах подстанции, значения реактивной мощности в сети по алгоритмам, сформированным в блоке контроля и управления трансформаторной подстанцией, блок контроля и управления трансформаторной подстанцией, соединённый с коммутационными аппаратами с возможностью дистанционного управления, блоком регулирования напряжения, блоком регулирования реактивной мощности, блоком бесперебойного питания, устройством сбора, приёма и передачи данных, датчиками напряжения, датчиками тока, датчиками положения коммутационных аппаратов, осуществляющий обработку информации с датчиков напряжения, датчиков тока, датчиков положения коммутационных аппаратов, устройства сбора, приёма и передачи данных, на основании этой информации формирующий сигналы управления коммутационными аппаратами с возможностью дистанционного управления, блоком регулирования напряжения, блоком регулирования реактивной мощности, выполняя алгоритмы регулирования напряжения, регулирования реактивной мощности, сигнализации и блокировки от обратной трансформации при несанкционированной подаче напряжения со стороны низкого напряжения трансформаторной подстанции, в том числе со стороны отходящих линий, алгоритмы автоматического повторного включения коммутационных аппаратов отходящих линий и ввода низкого напряжения в необходимых случаях, осуществляющий учёт потребляемой электроэнергии по отходящим линиям и на вводах высокого и низкого напряжения трансформаторной подстанции с выделением потерь электроэнергии в силовом трансформаторе, учёт количества и продолжительности отключений по отходящим линиям и по трансформаторной подстанции, разгрузку силового трансформатора при перегрузках выше допустимой за счёт отключения части нагрузки, а также другие заложенные в него алгоритмы контроля, мониторинга, учёта и управления.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема предлагаемой цифровой трансформаторной подстанции, содержащей силовое оборудование, коммутационные аппараты с возможностью дистанционного управления и систему управления оборудованием электрической подстанции.
Цифровая трансформаторная подстанция содержит датчик напряжения (ДН 1), коммутационный элемент для создания видимого разрыва на напряжение 10 кВ (КЭ10кВ 2), датчик положения (ДП 3), датчик положения (ДП 4), вакуумный коммутационный элемент с возможностью дистанционного управления на напряжение 10 кВ (ВКЭ 10 кВ 5), датчик напряжения (ДН 6), датчик тока (ДТ 7), блок регулирования напряжения (БРН 8), силовой двухобмоточный трансформатор с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (Т 9), датчик напряжения (ДН 10), датчик тока (ДТ 11), коммутационный элемент для создания видимого разрыва на напряжение 0,4 кВ (КЭ 0,4 кВ 12), датчик положения (ДП 13), датчик напряжения (ДН 14), датчик положения (ДП 15), вакуумный коммутационный аппарат с возможностью дистанционного управления на напряжение 0,4 кВ (ВКЭ 0,4 кВ 16), датчик напряжения (ДН 17), датчик тока (ДТ 18), вакуумный коммутационный аппарат с возможностью дистанционного управления на напряжение 0,4 кВ (ВКЭ 0,4 кВ 19), датчик напряжения (ДН 20), коммутационный элемент для создания видимого разрыва на напряжение 0,4 кВ (КЭ 0,4 кВ 21), датчик положения (ДП 22), датчик положения (ДП 23), датчик тока (ДТ 24), вакуумный коммутационный элемент с возможностью дистанционного управления на напряжение 0,4 кВ (ВКЭ 0,4 кВ 25), датчик напряжения (ДН 26), датчик положения (ДП 27), коммутационный элемент для создания видимого разрыва на напряжение 0,4 кВ (КЭ 0,4 кВ 28), датчик положения (ДП 29), датчик тока (ДТ 30), вакуумный коммутационный аппарат с возможностью дистанционного управления на напряжение 0,4 кВ (ВКЭ 0,4 кВ 31), датчик напряжения (ДН 32), коммутационный элемент для создания видимого разрыва на напряжение 0,4 кВ (КЭ 0,4 кВ 33), датчик положения (ДП 34), датчик положения (ДП 35), блок регулирования реактивной мощности (БРРМ 36), вакуумный коммутационный аппарат с возможностью дистанционного управления на напряжение 0,4 кВ (ВКЭ 0,4 кВ 37), блок контроля и управления трансформаторной подстанцией (БКиУТП 38), блок бесперебойного питания (ББП 39), устройство сбора, приема и передачи данных (УСППД 40), батарея конденсаторов с переменной ёмкостью (БКПЕ 41), датчик положения (ДП 42).
ДН 1 соединен с вводной силовой цепью и с БКиУТП 38. КЭ 10 кВ 2 установлен в вводной силовой цепи и соединен с ДП 3. ДП 3 соединен с КЭ 10 кВ и с БКиУТП 38. ДП 4 соединен с ВКЭ 10 кВ 5 и с БКиУТП 38. ВКЭ 10 кВ 5 установлен в силовой цепи между КЭ 10 кВ 2 и Т 9, соединен с ДП 4 и БКиУТП 38. ДН 6 соединен с силовой цепью между ВКЭ 10 кВ 5 и Т 9, соединен с БКиУТ 38. ДТ 7 соединен с силовой цепью между ВКЭ 10 кВ 5 и Т 9, соединен с БКиУТП 38. БРН 8 соединен с Т9 и с БКиУТП 38. Т 9 установлен в силовой цепи между ВКЭ 10 кВ5 и КЭ 0,4 кВ 12, соединен с БРН 8. ДН 10 соединен с силовой цепью между Т 9 и КЭ 0,4 кВ 12, соединен с БКиУТП 38. ДТ 11 соединен с силовой цепью между Т 9 и КЭ 0,4 кВ 12, соединен с БКиУТП 38. КЭ 0,4 кВ 12 установлен в силовой цепи между Т 9 и ВКЭ 0,4 кВ 16, соединен с ДП 13. ДП 13 соединен с КЭ 0,4 кВ 12 и с БКиУТП 38. ДН 14 соединен с силовой цепью между КЭ 0,4 кВ 12 и ВКЭ 0,4 кВ 16, соединен с БКиУТП 38. ДП 15 соединен с ВКЭ 0,4 кВ 16 и с БКиУТП 38. ВКЭ 0,4 кВ 16 установлен в силовой цепи между КЭ 0,4 кВ 12 и КЭ 0,4 кВ 21, КЭ 0,4 кВ 28, КЭ 0,4 кВ 33, ВКЭ 0,4 кВ 43, соединен с ДП 15. ДН 17 соединен с силовой цепью между ВКЭ 0,4 кВ 16 и КЭ 0,4 кВ 21, КЭ 0,4 кВ 28, КЭ 0,4 кВ 33, ВКЭ 0,4 кВ 37, соединен с БКиУТП 38. ДТ 18 соединен с силовой цепью между ВКЭ 0,4 кВ 19 и КЭ 0,4 кВ 21, соединен с БКиУТП 38. ВКЭ 0,4 кВ 19 установлен в силовой цепи после КЭ 0,4 кВ 21, соединен с ДП 22 и с БКиУТП 38. ДН 20 соединен с силовой цепью после ВКЭ 0,4 кВ 19 и с БКиУТП 38. КЭ 0,4 кВ 21 установлен в силовой цепи между ВКЭ 0,4 кВ 16 и ВКЭ 0,4 кВ 19, соединен с ДП 23. ДП 22 соединен с ВКЭ 0,4 кВ 19 и с БКиУТП 38. ДП 23 соединен с КЭ 0,4 кВ 21 и с БКиУТП 38. ДТ 24 соединен с силовой цепью между КЭ 0,4 кВ 28 и ВКЭ 0,4 кВ 25, соединен с БКиУТП 38. ВКЭ 0,4 кВ 25 установлен в силовой цепи после КЭ 0,4 кВ 28, соединен с ДП 27 и БКиУТП 38. ДН 26 соединен с силовой цепью после ВКЭ 0,4 кВ 25 и с БКиУТП 38. ДП 27 соединен с ВКЭ 0,4 кВ 25 и с БКиУТП 38. КЭ 0,4 кВ 28 установлен в силовой цепи между ВКЭ 0,4 кВ 16 и ВКЭ 0,4 кВ 25, соединен с ДП 29. ДП 29 соединен с КЭ 0,4 кВ 28 и с БКиУТП 38. ДТ 30 соединен с силовой цепью между КЭ 0,4 кВ 33 и ВКЭ 0,4 кВ 31, соединен с БКиУТП 38. ВКЭ 0,4 кВ 31 установлен в силовой цепи после КЭ 0,4 кВ 33, соединен с ДП 35 и с БКиУТП 38. ДН 32 соединен с силовой цепью после ВКЭ 0,4 кВ 31 и с БКиУТП 38. КЭ 0,4 кВ 33 установлен в силовой цепи между ВКЭ 0,4 кВ 16 и ВКЭ 0,4 кВ 31, соединен с ДП 34. ДП 34 соединен с КЭ 0,4 кВ 33 и с БКиУТП 38. ДП 35 соединен с ВКЭ 0,4 кВ 31 и с БКиУТП 38. БРРМ 36 соединен с БК ПЕ 41 и с БКиУТП 38. ВКЭ 0,4 кВ 37 установлен в силовой цепи между ВКЭ 0,4 кВ 16 и БК ПЕ 41, соединен с ДП 42. БКиУТП 38 соединен с ДН1, ДП 3, ДП 4, ВКЭ 10 кВ 5, ДН 6, ДТ 7, БРН 8, ДН 10, ДТ 11, ДП 13, ДН 14, ДП 15, ДН 17, ДТ 18, ВКЭ 0,4 кВ 19, ДН 20, ДП 22, ДП 23, ДТ 24, ВКЭ 0,4 кВ 25, ДН 26, ДП 27, ДП 29, ДТ 30, ВКЭ 0,4 кВ 31, ДН 32, ДП 34, ДП 35, БРРМ 36, ББП 39, УСППД 40, ДП 42. ББП 39 соединен с силовой цепью между ВКЭ 0,4 кВ 16 и КЭ 0,4 кВ 21, КЭ 0,4 кВ 28, КЭ 0,4 кВ 33, ВКЭ 0,4 кВ 37, соединен с БКиУТП 38 и с УСППД 40. УСППД 40 соединен с БКиУТП 38 и с ББП 39. БК ПЕ 41 установлен в силовой цепи после ВКЭ 0,4 кВ 37, соединен с БРРМ 36. ДП 42 соединен с ВКЭ 0,4 кВ 37 и с БКиУТП 38.
Устройство работает следующим образом.
Датчики напряжения ДН1, ДН6, ДН10, ДН14, ДН17, ДН20, ДН26, ДН32 контролируют напряжения в точках их установки и передают данные о значениях напряжения в цифровом виде в блок контроля и управления трансформаторной подстанцией БКиУТП 38, который осуществляет обработку этих данных, выявляя отклонения напряжения, не соответствующие заданным, выявляя исчезновения, прерывания, искажения напряжения, несимметрию по напряжению и точку, в которой произошёл данный факт, а также сопоставляя эту информацию с информацией от других датчиков, и информацией от УСППД 40. Датчики тока ДТ7, ДТ11, ДТ18, ДТ24, ДТ30 передают информацию в цифровом виде  о значениях тока в контрольных точках в БКиУТП38, который производит обработку полученных данных, выявляя точки, в которых произошло превышение заданных значений тока, появился ток короткого замыкания однофазного, двух- или трёхфазного, определяет факты несимметрии по току на вводе ТП или в отходящих линиях, а также сопоставляя эту информацию с информацией от других датчиков, и информацией от УСППД 40.
Датчики положения коммутационных аппаратов ДП3, ДП4, ДП13, ДП15, ДП22, ДП23, ДП27, ДП29, ДП34, ДП35, ДП42 контролируют положение соответствующих коммутационных аппаратов и передают данные в блок контроля и управления трансформаторной подстанцией БКиУТП38, который обрабатывает данную информацию а также сопоставлет эту информацию с информацией от других датчиков, и информацией от УСППД 40. Блок бесперебойного питания обеспечивает питание БКиУТП38 и УСППД40.
В блоке БКиУТП38 происходит обработка информации, получаемой от датчиков напряжения, тока и положения, а также с УСППД40. На основе информации от указанных датчиков и устройств блоком БКиУТП38 выявляются аварийные режимы, несоответствие качества электроэнергии заданным значениям, вырабатываются команды на управление коммутационными аппаратами с возможностью дистанционного управления, команды на регулирование напряжения, регулирование реактивной мощности, разгрузку силового трансформатора.
Возможность регулирования реактивной мощности обеспечивается за счёт того, что информация, поступающая с датчиков тока и напряжения, установленных в контрольных точках трансформаторной подстанции, позволяет определить потребляемую реактивную мощность. Также осуществляется контроль напряжения. При достижении определённых пороговых значений реактивной мощности блоком БКиУТП38 формируется сигнал управления, передаваемый на блок БРРМ 36, который осуществляет необходимые переключения, управляя ёмкостью БКПЕ41.
Автоматическое регулирование напряжения осуществляется следующим образом. Анализируются значение напряжения, измеренные ДН17, выявляется отклонение напряжения в точке установки данного датчика напряжения, рассчитывается отклонение напряжения у ближайших и удалённых потребителей на основе заложенных данных о сечениях провода отходящих линий  и на основе данных о значениях тока в отходящих линиях (информация с датчиков ДТ18, ДТ24, ДТ30), определяется необходимость регулирования напряжения (в том случае, если расчётные отклонения напряжения в заданных точках выше допустимого) и значение, на которое необходимо выполнить регулирование. Вырабатывается блоком БКиУТП38 сигнал управления и передаётся на БРН8, который осуществляет управление устройством регулирования под нагрузкой трансформатора. В необходимых случаях формируется сигнал управления и передаётся на БРРМ36.
Автоматическое повторное включение коммутационных аппаратов отходящих линий осуществляется за счёт подачи команд, сформированных БКиУТП38 на ВКЭ-04кВ19, ВКЭ-04кВ25, ВКЭ-04кВ31 после их отключения вследствие короткого замыкания в соответствующих отходящих линиях, а также после отключений в связи с исчезновением напряжения на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции. В случае отключения вследствие короткого замыкания в отходящих линиях повторное включение производится на основании анализа значения тока, произошедшего короткого замыкания. Если ток короткого замыкания превышал заданное пороговое значение, повторное включение не производится. Повторное включение ВКЭ-04кВ16 осуществляется в случае, если отключение данного коммутационного аппарата произошло вследствие исчезновения напряжения на высокой стороне трансформаторной подстанции, или вследствие отключения тока короткого замыкания в отходящей линии при отказе ВКЭ-04кВ19, или ВКЭ-04кВ25, или ВКЭ-04кВ31. При коротком замыкании на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции повторное включение ВКЭ-0,4кВ16 не производится.
Сигнализация и блокировка от обратной трансформации реализуются следующим образом. Блоком БКиУТП38 анализируется последовательность появления сигналов о наличии и значении напряжения с датчиков ДН14, ДН17, ДН20, ДН26, ДН32. При отсутствии сигнала с выхода датчика ДН 14 и при появлении сигнала с датчика ДН17, или (и) сигналов с одного из, или с нескольких датчиков ДН20, ДН26, ДН32 делается вывод, что напряжение на шины низкого напряжения трансформаторной подстанции, или в одну из отходящих линий подано несанкционированно. Эта информация передаётся в БКиУТП47, данным блоком формируется команда на блокирование возможности включения ВКЭ-0,4кВ16 для предотвращения возможности обратной трансформации. Информация о несанкционированной подаче напряжения передаётся диспетчеру с помощью УСППД40 и отображается средствами сигнализации на месте. Также с помощью ДТ11 и БКиУТП38 контролируется направление тока, протекающего через ввод низкого напряжения трансформаторной подстанции. Если ток будет направлен в сторону силового трансформатора, то делается вывод о наличии обратной трансформации. Сигнал об этом передаётся в БКиУТП38. Если такой режим не допускается на трансформаторной подстанции, то БКиУТП38 формирует сигнал на отключение ВКЭ-0,4кВ16, ВКЭ-0,4кВ16 отключается, для предотвращения возможности дальнейшей обратной трансформации. Информация о факте обратной трансформации передаётся диспетчеру с помощью УСППД49 и отображается средствами сигнализации на месте.
За счёт данных, получаемых с датчиков ДН6, ДТ7, ДН10, ДТ11 определяются мощность и потребление электроэнергии на вводе высокого напряжения трансформаторной подстанции и на вводе низкого напряжения, и после сравнения их значений определяются потери мощности и потери электроэнергии в силовом трансформаторе.
Разгрузка силового трансформатора осуществляется при его перегрузке выше допустимой. Для этого на основе информации с датчиков тока ДТ7, ДТ11 и датчиков напряжения ДН6 и ДН10 определяется потребляемая мощность с учётом потерь в трансформаторе, сравнивается с допустимой потребляемой мощностью с учётом допустимой перегрузки трансформатора в течение заданного времени. Если в течение заданного времени значение перегрузки не снижается, то БКиУТП38 формирует команду на отключение части нагрузки за счёт отключения коммутационных аппаратов отходящих линий. Повторное включение отключенных коммутационных аппаратов произойдёт автоматически через заданное время, или по команде диспетчера.
Также могут выполняться другие заложенные в БКиУТП38 алгоритмы управления оборудованием трансформаторной подстанции.
Информация о режимах работы трансформаторной подстанции, результаты срабатывания коммутационных аппаратов, другие события хранятся в памяти блока БКиУТП38 и по запросу диспетчера передаются ему с помощью УСППД40. Также с помощью УСППД40 диспетчером передаются команды управления оборудованием трансформаторной подстанции, включая регулирование напряжения, реактивной мощности, управление коммутационными аппаратами.
Предлагаемая цифровая трансформаторная подстанция позволяет расширить функциональные возможности цифровых трансформаторных подстанций за счёт возможности регулирования реактивной мощности, автоматического регулирования напряжения, осуществления автоматического повторного включения коммутационных аппаратов отходящих линий и ввода низкого напряжения, осуществления сигнализации и блокировки от обратной трансформации, учёта электроэнергии с выделением потерь электроэнергии в силовом трансформаторе, возможности разгрузки силового трансформатора при перегрузках выше допустимой.