Почему принцип экономии за счет «меди» не работает?

ЦПС публикует мнение Дмитрия Василевского («Проект „РЗА“») о том, почему экономия за счет уменьшения количества «меди» при цифровизации не срабатывает на цифровых подстанциях.

Экономия денег при строительстве подстанции за счет замены медных контрольных кабелей на оптику — одно из самых известных стремлений сторонников цифровой подстанции. Когда-то, на заре появления IEC 61850 в России, это предъявлялось как главное преимущество ЦПС. Ну, вы знаете: «оптические трансформаторы тока», «терминалы общаются между собой» и т.д. Концепция, безусловно, красивая, но, к сожалению, нерабочая. Потому что подстанции при переходе к новым технологиям обычно становятся дороже, увы.

Предлагаю обсудить в данной статье следующие вопросы:

  • почему замена медных кабелей приводит к удорожанию решения;
  • в каких случаях нужно стремиться к замене медных кабелей;
  • когда мы получим выгоду от применения технологии цифровой подстанции.

Особенности построения ЛВС на цифровой подстанции

Одной из особенностей стандарта IEC 61850 является применение компьютерных сетей для обмена критически важными сигналами между устройствами релейной защиты и автоматики. Это, в принципе, все сигналы, начиная от передачи мгновенных значений токов и напряжения от соответствующих датчиков (протокол SV) и заканчивая сигналами пусков защит, аварийного отключения выключателей и оперативной блокировки (протокол GOOSE). То есть все сигналы РЗА распространяются через промышленные коммутаторы (чаще), либо от терминала к терминалу, которые сами становятся при этом коммутаторами (реже). В любом случае вам необходимо обеспечить надежность передачи данных, причем намного большую, чем просто для обмена с верхним уровнем (как, например, было раньше с протоколами стандарта IEC 60870-5).

Кольцевой HSR выглядит заманчиво, но, например, вывод даже одного терминала в ремонт может стать проблемой.

Для обеспечения надежности используют специальные протоколы резервирования (RSTP, PRP, HSR), а также дублирование сетей передачи данных и специальные коммутаторы (аттестация IEC 61850, поддержка VLAN и т.д.). С точки зрения реализации наиболее подходящим для резервирования подстанционной сети (без задержки переключения, с возможностью вывода оборудования из работы без потери резервирования, с простотой реализации и т.д.) сегодня видится протокол PRP. Кольцевой HSR выглядит заманчиво, но, например, вывод даже одного терминала в ремонт может стать проблемой.

Протокол PRP предусматривает полное дублирование каналов передачи данных. Устройства нижнего уровня в этом случае передают и принимают данные независимо через два порта связи Ethernet.

Если рассматривать полностью цифровую подстанцию с оптическими ТТ и электронными ТН (либо с установкой преобразователей аналоговых сигналов в поток SV), то на подстанции требуется организовать две цифровые шины:

  • шину процесса (выдача информации с устройств полевого уровня);
  • шину подстанции (обмен между устройствами в ОПУ и выдача информации на верхний уровень);

С учетом резервирования каналов передачи данных получаем четыре независимых сети: две шины процесса и две шины подстанции.

Скучное описание закончили, давайте по традиции представим информацию на схеме.

Рис. 1

На рис. 1 справа — локальная вычислительная сеть (ЛВС) цифровой подстанции, слева — сеть обычной подстанции на протоколе стандарта IEC 60870-5-104. Для упрощения отображены только устройства РЗА, поддерживающие IEC 61850.

Сравнение ЛВС ЦПС и сети стандартной подстанции

Из-за особенностей построения ЛВС получаем следующие результаты для ЦПС:

  • цифровые ТТ и ТН намного дороже традиционных;
  • даже если применять аналоговые преобразователи AMU, стоимость измерительной части все равно возрастет;
  • количество коммутационного оборудования возрастает в несколько раз;
  • стоимость коммутаторов с поддержкой IEC 61850 выше, чем стоимость стандартных сетевых коммутаторов.

С другой стороны, за счет применения цифровых сетей мы имеем резкое уменьшение количества медных связей между всеми вторичными элементами подстанции (наш принцип в действии). Теперь большую часть кабелей можно заменить на ВОЛС. Также уменьшается количество кабельных конструкций, что тоже плюс.

Проблема в том, что стоимость новой ЛВС сильно перевешивает стоимость всех медных кабелей на подстанции. Принцип не работает, вот и все.

Когда принцип работает?

Ну хорошо, не все. В каких-то случаях принцип экономии средств за счет замены медных кабелей может сработать. Давайте порассуждаем, в каких именно случаях.

Ситуация 1

У вас настолько много медных контрольных кабелей, что их стоимость перекроет даже стоимость новой ЛВС. Когда это возможно? Думаю, когда у вас очень большое ОРУ. Прямо огромное. И лучше, если у вас не одно такое ОРУ на подстанции, а два-три, чтобы между ним нужно было на машине ездить, и все равно получалось бы долго. И чтобы контрольных медных кабелей там были десятки километров да потолще (по условиям обеспечения погрешности ТТ, допустимого падения напряжения и т.д.).

И название у вашей организации должно быть, например, «Федеральная сетевая компания» или «Русгидро» — вот у них есть все шансы, что этот принцип станет работать и приносить выгоду. Если же у вас все подстанции максимум 110-4Н (5Н) да еще блочного типа, то экономика, боюсь, не сойдется.

Ситуация 2

Основное увеличение стоимости дают даже не коммутаторы ЛВС, а современные цифровые ТТ и ТН. От них зачастую и избавляются в ТЗ, чтобы не завышать стоимость строительства. Вроде и IEC 61850 используем, и недорого получается.

Но в этом случае наш принцип опять не работает, потому что основное количество кабелей (примерно 70%) прокладывается по ОРУ. Если делать только шину подстанции, то практически вся «медь» останется на своем месте.

Ситуация 3

Еще одной интересной возможностью является применение централизованной системы РЗА вместо большого количества отдельных терминалов. То есть мы оставляем ЛВС и цифровые трансформаторы, как они есть, но меняем оборудование РЗА. Пример дан на рис. 2.

Рис. 2

Так как распределение функций (логических узлов) в соответствии с концепцией IEC 61850 не привязано к физическим устройствам, мы можем поместить все алгоритмы РЗА в один мощный компьютер (сервер), который будет получать информационную с ОТТ и ЭТН, а также с цифровых приводов выключателей и разъединителей. Для целей резервирования можно установить второй компьютер. При этом снизится стоимость как самого оборудования РЗА, так и строительной части ОПУ.

Думаю, это направление правильное и, вероятнее всего, за ним будущее, но пока полноценных подобных решений нет. Те, что есть, являются скорее экспериментальными, когда централизованная РЗА переведена на «сигнал», а все реальные защиты выполняются на стандартных терминалах. Это самый дорогой вариант из всех возможных (дублирование вторичной части подстанции), поэтому здесь наш принцип также не работает.

Соотношение подстанций в энергосистеме

Таким образом, для экономии за счет «меди» остаются большие подстанции (думаю, начиная с высшего напряжения 220–330 кВ), которых в энергосистеме не так много: например, на балансе ФСК менее 1 000 таких подстанций, а в распределительном комплексе (МРСК) еще меньше. На больших электростанциях есть протяженные ОРУ 220 кВ и выше — там, скорее всего, принцип тоже может сработать.

Но где еще? Для сравнения: только в «Россетях» и их ДЗО более 14 000 подстанций с высшим напряжением 35–110 кВ, самые распространенные схемы — блочные (3Н, 4Н) и мостиковые (5Н, 5АН). А есть еще нефтегазовый сектор, промышленность, оборонка, городские сети — там процент крупных подстанций еще ниже.

У меня большие сомнения, что на небольших подстанциях можно сэкономить за счет снижения количества медных кабелей.

Заключение

Нельзя получить выгоду, построив одну цифровую подстанцию и имея в обслуживании еще 100 стандартных.

Так что же, если сэкономить за счет «меди» в большинстве случаев не получается, то не нужно применять IEC 61850? На самом деле IEC 61850 не совсем про оптические ТТ и меньше медных кабелей: не зря первое упоминание о технологиях передачи данных появляется только в восьмой части стандарта.

Думаю, основное преимущество цифровых подстанций на основе IEC 61850 вовсе не в структуре ЛВС и новых типах оборудования. Собственно, слово «подстанция» употребляется во множественном числе здесь не случайно: нельзя получить выгоду, построив одну цифровую подстанцию и имея в обслуживании еще 100 стандартных, — так это не работает. Чтобы увидеть преимущества, нужно построить много подстанций, нужен эффект масштаба. Это плохие новости для тех, кто ожидает немедленную отдачу от вложенных инвестиций в IEC 61850, и для тех, кто пытается сделать ТЭО по отдельной подстанции 110 кВ с оптическими ТТ. У них вряд ли получится.

IEC 61850 предлагает решения по стандартизации только с технической стороны.

Внедрение стандарта IEC 61850 дает возможность перейти на другой уровень типизации технических решений, проектирования и наладки и возможность максимально разделить этапы разработки прикладных алгоритмов, создания устройств РЗА и построения решения для подстанции в целом. Это даст эффект, но через определенное (довольно большое) время.

А все мы хотим получить результат здесь и сейчас, поэтому нам легче верить в чудодейственную оптику, которая снимет проблемы с тоннами медных кабелей, чем в то, что на протяжении 15–20 лет внедрения IEC 61850 мы получим комплексный эффект снижения стоимости новых подстанций за счет типизации и ускорения проектирования в масштабах энергосистемы.

Вопрос также заключается в том, какой будет срок окупаемости данной затеи. Перекроет ли это снижение все вложенные инвестиции? У меня нет такой уверенности.

Помимо прочего, IEC 61850 предлагает решения по стандартизации только с технической стороны, а главное при стандартизации вовсе не техника. Стандартизация — это, прежде всего, единое видение развития системы у всех крупных участников рынка. Главное — заинтересовать (или заставить) как можно больше участников рынка энергетики применять эти стандарты. Это доказано СССР, который смог на сравнительно простом оборудовании (электромеханические реле) обеспечить практически полную стандартизацию релейной защиты и автоматики и получить выгоду от того самого эффекта масштаба.

Получится ли у нас сделать что-то подобное в современных рыночных условиях? От ответа на этот вопрос будет зависеть, принесет ли пользу внедрение IEC 61850 — или мы так и будем пытаться найти высокий смысл в переделке вторичных цепей на первой попавшейся подстанции.

Цифровая подстанция

(close)

 

Цифровая подстанция

(close)

Имя пользователя должно состоять по меньшей мере из 4 символов

Внимательно проверьте адрес электронной почты

Пароль должен состоять по меньшей мере из 6 символов

 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: