Модернизация автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии региональной сетевой компании

ДИАГНОСТИКА И НАДЕЖНОСТЬ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ

УДК 681.335

Модернизация автоматизированной системы контроля и учёта электроэнергии региональной сетевой компании

С. И. Чичёв,

кандидат технических наук, филиал ОАО «МРСК Центра» - «Тамбовэнерго»

Предложен вариант модернизации структуры автоматизированной системы контроля и учёта электроэнергии по централизованному сбору и учёту электроэнергии на подстанциях региональной сетевой компании.

Ключевые слова: автоматизированная система контроля и учёта электроэнергии; информационно-вычислительный комплекс.

В современных условиях проводимая реформа электросетевого комплекса каждого филиала региональной сетевой компании ОАО «МРСК Центра» невозможна без модернизации автоматизированной системы контроля и учёта электроэнергии (АСКУЭ) и организации её телекоммуникационных средств [1,2].

Основной целью модернизации АСКУЭ в РСК на современном этапе должно стать следующее:

- измерение количества электрической энергии, позволяющее определить величины учетных показателей, используемых в финансовых расчетах на оптовом рынке электроэнергии;

- контроль заданного режима поставки электроэнергии;

- снижение потерь и возможности хищений электроэнергии;

- повышение эффективности использования энергетических ресурсов на базе получаемой информации о поставках электроэнергии (мощности).

Для достижения намеченной цели модернизации в региональной сетевой компании необходима разработка архитектуры АСКУЭ как трёхуровневой

информационно-измерительной системы с централизованным управлением и распределенной функцией выполнения измерений.

Первый уровень - информационно-измерительный комплекс (ИИК), включающий электронные счётчики с цифровым интерфейсом, трансформаторы тока (ТТ), напряжения (ТН) и измерительные цепи. Выполняет функцию автоматического проведения измерений в точках учёта на подстанции.

Второй уровень - информационно-вычислительный комплекс электроустановки (ИВКЭ) на основе устройства сбора и передачи данных (или промконт-роллер), выполняющий функцию консолидации информации, размещается на подстанции и обеспечивает цифровой интерфейс доступа к информации по учету электроэнергии ИИК.

Третий уровень - информационно-вычислительный комплекс (ИВК) в составе промконтроллера и/или сервера с программным обеспечением размещается в центре сбора и обработки информации РСК. Обеспечивает автоматизированные: сбор, хранение результатов измерений и диагностику состоя-

№2Ш2ЯШ@

Диагностика и надежность энергооборудования

21 =

ния средств измерений; подготовку отчета в ХМЪ-формате для передачи требуемых данных по электронной почте.

В результате на всех трёх уровнях АСКУЭ будет сформирована структура с системой обеспечения единого времени, выполняющая законченную функцию измерений времени, имеющая нормированные метрологические характеристики и обеспечивающая автоматическую синхронизацию времени при проведении измерений количества электроэнергии с точностью не хуже ± 5,0 с/сутки. В систему обеспечения единого времени входят все средства измерений времени, влияющие на процесс измерения количества электроэнергии, и учитываются временные характеристики (задержки) линий связи между ними, которые используются при синхронизации времени. Система обеспечения единого времени должна быть привязана к единому календарному времени.

Средства телекоммуникаций

АСКУЭ РСК должна иметь в своём составе средства телекоммуникаций, обеспечивающие сбор, учёт и передачу данных с подстанций в ЦСОИ РСК и на верхний уровень иерархии.

При организации каналов связи между ИВКЭ и ИВК должно быть обеспечено резервирование, а также учитываться, что передача результатов измерений, данных о состоянии объектов и средств измерений возможна как в режимах автоматической передачи данных, так и в режиме выполнения запроса «по требованию».

Основной и резервный каналы связи должны быть разделены как на физическом, так и на логическом уровнях. В качестве основного канала рекомендуется использовать выделенный канал связи до сети провайдера Интернет или канал Единой технологической сети связи энергетики. Рекомендуется использовать каналы связи между ИВК и ИВКЭ со скоростью передачи не менее 9600 бит/с.

В качестве каналов связи могут быть использованы [2]:

- телефонная сеть общего пользования;

- GSM-сеть связи;

- канал ЕТССЭ;

- ведомственная сеть связи;

- другие линии и сети связи, удовлетворяющие настоящие требования по надёжности и скорости передачи данных.

При организации каналов связи между ИИК и ИВКЭ рекомендуется обеспечить взаимодействие через промышленную локальную сеть (типа Б^-485) или ее фрагмент, специально выделенный для целей коммерческого учета.

АСКУЭ должна иметь возможность выхода в Единую информационную систему РСК:

- архитектура программного обеспечения, используемого в АСКУЭ, должна обеспечивать соблюдение принципов взаимодействия открытых систем;

- для обеспечения возможности расширения функций АСКУЭ должна быть предусмотрена поддержка распределенной архитектуры системы.

Связь должна осуществляться путем подключения серверов баз данных ЕИС и АСКУЭ, которая на уровне ИИК и ИВКЭ должна функционировать круглосуточно в автоматическом режиме. На уровне ИВК должно быть предусмотрено два режима работы: автоматизированного и оперативного опроса.

В настоящее время экономическая ситуация в каждой РСК требует обеспечения функций эффективного контроля и учёта электроэнергии на подстанциях на основе внедрения современных, с применением цифровых счётчиков электроэнергии ИИК, микропроцессорных ИВКЭ с УСПД и волоконно-оптических систем на базе микропроцессорных средств и оптического кабеля.

Волоконно-оптические системы отличает ряд преимуществ по сравнению с электронными системами, использующими передающие среды на металлической основе. Стремительное внедрение в информационные сети электроэнергетики волоконно-оптических систем является следствием особенностей распространения сигнала в оптическом волокне. Среди достоинств оптических волокон отметим следующие [3]:

- широкая полоса пропускания, обусловленная чрезвычайно высокой частотной оптической несущей - около 1014 Гц, которая обеспечивает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания - одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна по сравнению с медной или любой другой средой передачи информации;

- малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемые в настоящее время отечественное и зарубежное оптические волокна характеризуются затуханием 0,2 - 0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчёте на 1 км. Малое затухание и наибольшая дисперсия позволяют строить участки линий без трансляции протяжённостью более 100 км;

- низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания за счёт использования разных способов модуляции сигналов при малой избыточности их кодирования;

- высокая помехозащищённость. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрика, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам от окружающих металлических кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередач, электродвигательные установки и т. д.). В многоволоконных оптических кабелях также не возникает перекрёстного влияния электромагнитного излучения, присущего медным кабелям;

- малый вес и объём. Волоконно-оптические кабели легче и менее объёмны по сравнению с медными кабелями при равной пропускной способности. Например, 900-парный медный кабель диаметром 7,5 см на металлической основе может быть заменён одним 1-мм волокном. Если волокно «одеть» во множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной бронёй, то диаметр составит 1,5 см - в несколько раз меньше диаметра обычного медного кабеля;

- высокая защищённость от несанкционированного доступа. Поскольку волоконно-оптический кабель практически не излучает в радиодиапозоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приёма-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности ВОС в силу высокой чувствительности оптоволокна могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги. Таким образом, системы связи на основе оптоволокна оказываются хорошо защищёнными;

- гальваническая развязка. Это преимущество оптического волокна в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических «земельных» петель, которые могут возникать, когда два неизолированных сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. В электрической сети это может привести к большой разнице потенциалов, способной повредить сетевое оборудование и быть опасной для персонала. При использовании волоконно-оптического кабеля этой проблемы просто нет;

- взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сетей связи на предприятиях с технологическими процессами повышенного риска;

- экономичность. Волокно изготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись кремния SiO2 - широко распространённый в природе и, в отличие от меди, недорогой металл. В настоящее время стоимости оптического волокна и медной пары соотносятся как 2:5. При этом по волоконно-оптическому кабелю можно передать сигналы без ретрансляции на большее расстояние, чем по медному кабелю, что позволяет резко сократить количество повторителей на протяжённых линиях связи;

- длительный срок эксплуатации (в настоящее время он составляет примерно 25 лет);

- возможность подачи электропитания. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля и используется только для передачи информационных сигналов. Однако в некоторых случаях требуется подать электропитание на узел информационной волоконно-оптической сети. В этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медными проводниками. Такие кабели широко применяют как у нас в стране, так и за рубежом.

Вместе с этим, волоконно-оптическим системам присущи и недостатки, в основном это дороговизна прецизионного монтажного оборудования, сравнительно высокая стоимость лазерных источников излучения и требования специальной защиты оптоволокна. Не следует также забывать о специфической (квантовой) природе шума в оптоволоконных каналах связи. Однако преимущества от применения ВОС в электроэнергетической отрасли настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки, дальнейшие перспективы развития технологии волоконно-оптических систем, например в АСКУЭ РСК, более чем очевидны.

Для понимания сути организации АСКУЭ рассмотрим некоторые существующие проблемы в РСК на данный момент.

1. В настоящее время не существует прямого нормирования точности измерения электрической энергии и мощности. В Правилах устройств электроустановок [4] устанавливаются только требования к классам точности измерительных приборов, трансформаторов тока ТТ и напряжения ТН и их вторичной нагрузке. Такой косвенный способ нормирования точности измерения электрической энергии и мощности оправдан лишь для простейших первичных и вторичных схем соединения.

Для более сложных схем выполнение требований ПУЭ в отношении классов точности измерительных приборов и трансформаторов не даёт гарантии приемлемой точности измерений электрической энергии и мощности из-за внесения дополнительной погрешности от всех трансформаторов тока, участвующих в измерении тока контролируемого присоединения. В некоторых проектных схемах соединений при соблюдении всех требований ПУЭ к средствам коммерческого учёта согласно выполняемым расчётам погрешность измерения в общем случае достигает 5-6%.

2. Существуют реальные дополнительные факторы, уменьшающие точность измерения:

- низкий класс точности широко применяемых индукционных счётчиков (не выше 1,0);

- перегрузка вторичных цепей измерительных трансформаторов; двухэлементные счётчики, включаемые по «схеме Арона»;

- применение трансформаторов тока с номинальным током, значительно превышающим рабочий ток присоединения;

- отсутствие у большинства типов ТТ специальной измерительной обмотки с меньшим коэффициентом трансформации.

С учётом этих факторов погрешность измерения при наиболее неблагоприятном сочетании погрешностей всех элементов измерительной схемы может достигать 10%. Вполне понятно, что коммерческий учёт с такой точностью неприемлем, равно как и расчёт потерь по показаниям счётчиков.

Поэтому для повышения точности коммерческого учёта электрической энергии и мощности при модернизации АСКУЭ РСК по вышеуказанным причинам (п. 1-2) необходимо предусматривать [5]:

- использование электронных счётчиков класса 0,5 и выше;

- отказ от применения в сетях 110 кВ схемы включения счётчиков по «схеме Арона»;

- установку измерительного ТТ непосредственно в цепи воздушной линии ВЛ при измерении расхода электроэнергии, передаваемой по линиям электропередачи;

- использование для измерений ТТ с номинальным током, близким по значению к рабочему току.

По предварительным расчётам, выполнение вышеуказанных мероприятий позволит значительно уменьшить погрешность измерения в электросетевом комплексе РСК. Однако существующие в

нмиапктаи

Диагностика и надежность энергооборудования

23 =

России на данный момент схемные решения и достигнутый уровень измерительной техники не всегда позволяют обеспечить точность дистанционного измерения до приемлемых значений 1-2%. Связано это с тем, что все ТТ на подстанциях и подавляющее большинство ТН осуществляют измерительные преобразования по электромагнитному принципу (часть высоковольтных ТН - емкостные делители напряжения с последней ступенью, выполненной в виде электромагнитного трансформатора). Они имеют следующие недостатки:

- насыщение сердечников, низкую точность при малых первичных токах ТТ;

- создание условий появления феррорезонанса в электрических сетях с электромагнитными ТН;

- высокую составляющую дополнительной погрешности от влияния температуры у емкостных ТН;

- существенную зависимость погрешностей ТТ и ТН от нагрузки вторичных цепей.

Кроме того, в большинстве измерительных трансформаторов используется пожароопасная бумажно-масляная изоляция, подверженная к тому же интенсивному старению вследствие особенностей конструкции и дефектов изготовления. Известно также о появлении отрицательной систематической погрешности ТТ при его намагничивании постоянным током, что обусловлено свойствами сердечника, выполненного из обычной магнитомягкой электротехнической кремнистой стали.

Поэтому кардинально улучшить метрологические характеристики ТТ, включая устойчивость к намагничиванию постоянным током, можно путём применения в качестве материалов их магнитопро-водов нанокристаллических (аморфных) сплавов. В настоящее время отечественной промышленностью уже освоено производство низковольтных ТТ на напряжение 0,4 кВ с сердечниками, свитыми под натягом из ленты на основе нанокристаллическо-го сплава семейства «FINE-MET».

В свою очередь, опыт эксплуатации АСКУЭ в РСК также показывает, что улучшение её метрологических характеристик и показателей надёжности невозможно без изменения принципов измерения токов и напряжений, а также применения нового поколения первичных измерительных преобразователей, например, волоконно-оптических: (ВОПТ -токовые), (ВОПН - напряжения) и (ВОПК - комбинированные, называемые оптической измерительной единицей - Optical Metering Unit), выпускаемых корпорацией «Nxt Phase» (Канада) [6].

Принцип действия ВОПТ основан на эффекте Фарадея - влиянии магнитного поля, вызванного протеканием тока по проводнику, на поляризацию светового луча, распространяющегося по волоконно-оптическому кабелю, который окружает проводник с током.

В схеме ВОПТ значение измеряемой величины определяется путём сравнения фаз двух линейно поляризованных лучей, которые проходят один и тот же путь и на которые одинаково влияют температура и вибрация, достигается высокая точность измерений по отношению к этим влияющим факторам.

Конструкцией предусмотрены внутренняя газовая (азотная) изоляция, полимерная внешняя изоляция, разводка оптических кабелей и блок электроники, устанавливаемый в помещении щита управления. Таким образом, активные электронные компоненты в РУ отсутствуют.

Принцип действия ВОПН базируется на эффекте Поккельса - изменении круговой поляризации света на эллиптическую в результате воздействия электрического поля при прохождении через некоторые кристаллы (элементы Поккельса). Последние расположены в трёх так называемых стратегических точках, с которых снимаются данные, им приписываются «веса», после чего вычисляется общий результат измерения напряжения. Результаты измерений не зависят от таких внешних воздействий, как электромагнитные поля рядом стоящего электрооборудования, состояния внешней поверхности изоляции и т. д.

Оптическая измерительная единица ВОПК позволяет впервые на практике реализовать в одном аппарате функции преобразования тока и напряжения, что в ряде случаев открывает дополнительные возможности информационного обеспечения электрических сетей. Применение ВОПТ и ВОПН, не имеющих магнитных сердечников, позволяет избавиться от присущих электромагнитным ТТ и ТН недостатков - насыщения магнитной системы и создания условий возникновения ферро-резонанса.

Как отмечалось выше, ТТ и ТН представляют собой устройства с аналоговым выходом, которые естественным образом сопрягаются с аналоговыми входами вторичных преобразователей и приборов с помощью аналоговых каналов связи. Большинство современных устройств защиты, автоматики, средств измерений спроектированы именно на входные аналоговые сигналы, хотя многие из них можно перевести на цифровую обработку информации. В то же время ВОПТ и ВОПН генерируют выходные цифровые сигналы, так как измеряемые величины (ток, напряжение) получаются путём цифровой обработки параметров поляризации световых лучей.

В итоге волоконно-оптические технологии привели к созданию первичных измерительных преобразователей нового класса, которые характеризуются:

- малыми размерами, определяемыми только длиной пути утечки внешней изоляции;

- значительно меньшей массой, чем электромагнитные;

- возможностью управления включением и отключением сигнала, несущего измерительную информацию;

- повышенной надёжностью изоляции, что связано с отсутствием органических компонентов внутренней изоляции;

- улучшенными метрологическими характеристиками в широком диапазоне значений влияющих величин;

-отсутствием отрицательных последствий, связанных с наличием магнитопроводов;

- отсутствуют проблемы электробезопасности, связанные с коммутацией вторичных цепей ТТ.

В заключение следует отметить, что схемы преобразователей ВОПТ, ВОПН и ВОПК оканчиваются на выходе модулей цифрового управления. Следовательно, внесению в Госреестр средств измерений подлежит территориально рассредоточенное устройство с оптическим каналом переменной длины. Волоконно-оптический преобразователь поверяется как единое целое от изоляционной колонки в распредустрой-стве РУ включительно до модуля цифрового управления в помещении щита управления.

Указанные особенности волоконно-оптических преобразователей открывают новые возможности построения архитектуры АСКУЭ нижнего уровня подстанций в РСК.

Таким образом, модернизация АСКУЭ должна быть ориентирована на организацию многоуровневой компонентной архитектуры с централизованным управлением и распределённой функцией выполнения измерений, а также возможностью наращивания каналов учета и связи, внедрением современных микропроцессорных измерительных комплексов и волоконно-оптических систем на контролируемых подстанциях.

Литература

1. Чичёв С. И. Модернизация автоматизированной системы контроля и учёта электроэнергии региональной сетевой компании / С. И. Чичёв, Е. И. Глинкин // Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования: Материалы докладов IX Всероссийской научно-технической конференции 27 - 28 апреля 2009 г. - Тамбов, 2009. - С. 453 - 461.

2. Положение о технической политике в распределительном электросетевом комплексе до 2015 г.- ОАО «РОСЭП», 2006.- 73 с.

3. Рабинович М. А. Цифровая обработка информации для задач оперативного управления в электроэнергетике.- М.: НЦ ЭНАС, 2001.- 344 с.

4. Правила устройства электроустановок: ЗАО «Энергосервис».- М., 2003. - 606 с.

5. Руденко Ю. Н., Семенов В. А. Автоматизация диспетчерского управления в электроэнергетике / Под ред. Ю. Н. Руденко, В. А. Семёнова: - М.: МИЭ, 2000. - 648 с.

6. Осика Л. К. Влияние современных принципов измерений тока и напряжения на архитектуру систем коммерческого учёта электроэнергии // Промышленная энергетика.- 2005.- № 10.- С. 23 - 28.

нмавшищ