Приложение А (справочное). Типы подстанций и структуры шин связи

Приложение А
(справочное)

Типы подстанций и структуры шин связи

А.1 Определение типовых схем подстанций

Требования к рабочим характеристикам сети связи подстанции будут зависеть от размера подстанции и ее значимости для энергосистемы. В последующих разделах представлена классификация подстанций по их размерам и функциям. Функции подстанции в энергосистеме определяют ее класс и требования к связи.

С целью установить требования к рабочим характеристикам сети связи подстанции, как правило, подразделяют на распределительные и передающие (магистральные). Распределительная подстанция, как правило, имеет значительное число выходных линий при напряжении 35 кВ и ниже. Имеются одна или две входные линии при напряжении магистральной сети. Передающая подстанция, как правило, имеет несколько магистральных линий уровня 110 кВ и выше, но может включать в себя несколько распределительных линий. Указанные значения напряжения не являются точными предельными значениями; напряжения передачи и распределения могут быть различными на разных электроэнергетических предприятиях. Дальнейшая классификация зависит от числа элементов энергосистемы, которые находятся на подстанции. В данном случае под элементом понимают, например, линию, трансформатор или батарею конденсаторов.

Подстанции, на которых не установлено оборудование дистанционного управления и отсутствует SA-система (система управления подстанцией), в настоящем стандарте не рассмотрены.

А.2 Типы подстанций

А.2.1 Малая распределительная подстанция - тип D1

Подстанция с числом элементов не более пяти (рисунок А.1). Типичным примером служит подстанция с четырьмя линиями и секционирующим выключателем. Данная подстанция может быть оборудована только простой максимальной токовой защитой, общей аварийной сигнализацией, интерфейсом HMI уровня присоединения и некоторыми устройствами управления, например, только управлением выключателями. Измерения могут проводиться только по току одной фазы от каждой линии. Автоматизация подстанции ограничивается только шлюзом дистанционного управления. Используются только интерфейсы системы связи 3 и 6 и иногда дополнительно 4 и 5.

Рисунок А.1 - Примеры типовой однолинейной схемы подстанции типа D 1

Как правило, в системе автоматизации имеется только ограниченный уровень подстанции, состоящий главным образом из шлюза дистанционного управления. Для некоторых распределительных подстанций основное оборудование проектируют в корпусном исполнении (комплектные распределительные устройства) в виде предварительно собранных модулей, в которых изготовителем встроено все необходимое оборудование, включая оборудование управления и релейной защиты присоединения. Это позволяет полностью выполнять наладку и проверку интерфейсов связи 3, 4 и 5 на предприятии-изготовителе; на площадке подстанции требуется провести лишь очень небольшой объем дополнительных работ.

А.2.2 Средняя распределительная подстанция - тип D 2

Наиболее распространенный тип подстанции - подстанция, на которой имеется от пяти до двадцати элементов (рисунок А.2). Типичным примером может служить подстанция с двумя входящими линиями, двумя трансформаторами, двумя сборными шинами на стороне низкого напряжения и рядом выходящих линий или, по меньшей мере, одной сборной шиной на каждом уровне напряжения. Такая подстанция будет иметь максимальную токовую защиту, направленную защиту от короткого замыкания на землю и дифференциальную защиту трансформатора. Сборная шина защищена резервной максимальной токовой защитой на входящих линиях, сигналы блокировки поступают от реле исходящих линий. Проводятся выдача независимых аварийных сигналов, а также измерение напряжения сборной шины и тока фазы от каждой линии. Управление уровнем присоединения охватывает все выключатели и другие коммутационные аппараты. Уровень подстанции включает в себя простой HMI-интерфейс, шлюз дистанционного управления, а также, по возможности, функции автоматического управления для уровня напряжения и регулируемых реакторов с устройством смещения нейтрали. Связь между присоединениями используется для сигналов блокировки релейных защит и для распределенных функций.

Рисунок А.2 - Примеры типовых однолинейных схем подстанций типа D2

Для подстанции такого и большего размеров необходима станционная сеть связи.

Для связи SA-систем используют интерфейсы 1, 3, 4, 5, 6, 7 и 8.

А.2.3 Крупная распределительная подстанция - тип D 3

Крупная распределительная подстанция может иметь более 20 элементов, а зачастую и значительно больше (см. рисунок А.3). Типичный пример: как минимум, два уровня напряжения, несколько сборных шин, трансформаторов и т.д. Схема защиты кроме всех функций D2 может включать в себя дифференциальную защиту сборной шины. Станционный уровень включает в себя полнофункциональный HMI-интерфейс, управление всем коммутационным оборудованием и передачу всех независимых сигналов тревоги. Выполняются измерения напряжений сборной шины и трехфазных токов линий, активной и реактивной мощности и т.д. В процессе эксплуатации топология сборной шины может быть изменена. Широко используются специальные функции - например, последовательности автоматических переключений.

Связь между подстанцией и центром управления может состоять из основного и резервного каналов. Используется связь между присоединениями, например для блокировки.

На самых крупных подстанциях локальная сеть связи может быть разбита на сегменты, соединяемые через маршрутизаторы с целью ограничить число присоединяемых узлов на каждом сегменте. Для связи SA-систем используются интерфейсы 1, 3, 4, 5, 6, 7 и 8.

Рисунок А.3 - Примеры типовой однолинейной схемы подстанции типа D 3

А.2.4 Малая передающая подстанция - тип Т 1

В противоположность классу распределительных подстанций передающее оборудование часто собирают из отдельных единиц, доставленных на площадку подстанции непосредственно от изготовителей. В таком случае исключена возможность целиком настроить и проверить систему связи на предприятии-изготовителе до отправки.

На малой передающей подстанции имеется, как правило, менее 10 элементов, и она занимает менее значимое место в энергосистеме (см. рисунок А.4). В таких случаях резервную защиту допускается не использовать. Защита линии, как правило, предусматривает передачу отключающего сигнала (интерфейс 2). Также широко используется дифференциальная защита сборной шины. Автоматика уровня подстанции ограничивается шлюзом дистанционного управления и простым HMI-интерфейсом. Обеспечивается управление выключателями, а иногда и другими коммутационными аппаратами. Выполняются измерения напряжения сборной шины и токов одной фазы линий, активной и реактивной мощности. В некоторых энергосистемах может быть предусмотрена регистрация аварийных процессов на всех передающих линиях.

Рисунок А.4 - Примеры типовых однолинейных схем подстанций типа Т 1

Используются интерфейсы связи 1 - 8.

А.2.5 Крупная передающая подстанция - тип Т 2

На крупной передающей подстанции имеется более 10 элементов, играющих важную роль в энергосистеме (см. рисунок А.5). Здесь может быть несколько сборных шин и трансформаторов. Используют защиты, соответствующие наивысшим требованиям, в том числе резервную и дублирующую системы защиты. Могут быть предусмотрены специальные автоматические функции - такие как восстановление сети или заданные последовательности переключения. В состав системы включают устройства регистрации аварийных процессов и подсистему обработки сообщений об авариях и событиях. На такой подстанции имеется полномасштабная автоматизация станционного уровня с HMI-интерфейсом, управлением всем коммутационным оборудованием и схемами блокировки, охватывающими всю подстанцию. Необходима организация связи между присоединениями.

Может возникнуть необходимость в резервных линиях связи - как внутристанционных, так и между подстанцией и центром управления. На крупнейших подстанциях сеть связи может быть разбита на секции.

На крупной передающей подстанции используются все интерфейсы связи.

А.2.6 Комбинированные типы

Возможно комбинирование подстанций двух типов - например, передающая подстанция (Т 1), в состав которой также включены линии уровня распределения (D 2). В подобных случаях должны быть применены комбинированные требования.

Возможны случаи разбиения сети связи подстанции на секции связи с тем, что у разных частей сети имеются различные собственники или центры управления, различные уровни напряжения, разное географическое положение и т.д.

Рисунок А.5 - Пример типовых однолинейных схем подстанций типа Т 2

А.3 Типы подстанций и используемые интерфейсы

В таблице А.1 приведены результаты анализа соответствия типов интерфейсов связи типам подстанций. Проставленный в ячейке таблицы знак X указывает на то, что соответствующий интерфейс используется. Знак (X) указывает, что данный интерфейс может быть использован на некоторых предприятиях, но не на всех.

Таблица А.1 - Типы подстанций и используемые интерфейсы

Тип подстанции	Используемые интерфейсы
	1	2	3	4	5	6	7	8
D 1			X			X
D 2	X	X	X	(X)	(X)	X	(X)	X
D 3	X	X	X	(X)	(X)	X	X	X
Т 1	X	X	X	X	X	X	X	X
Т 2	X	X	X	X	X	X	X	X

В таблице А.2 приведен обзор основных различий между типами подстанций. Знак Х в ячейке таблицы указывает на то, что эта функция, как правило, используется на подстанции данного типа. Знак (X) указывает, что данная функция, как правило, не используется, но иногда имеется на подстанциях такого типа.

Таблица А.2 - Типы подстанций и используемые функции

Тип подстанции	D 1	D 2	D 3	Т 1	Т 2
Число элементов	1-5	5-20	>20	1-10	>10
HMI-интерфейс
Уровень присоединения	X	X	X	X	X
Уровень станции простой		X		X
Уровень станции полный		(X)	X		X
Функции управления
Выключатель	X	X	X	X	X
Разъединители и заземляющие ножи		(X)	X	X	X
Регуляторы		X	X	X	X
Автоматизированные последовательности			X	(X)	X
Синхронизация		(X)	(X)	X	X
Аварийная сигнализация
Только общая	X	X		(X)
Полное управление аварийной сигнализацией		(X)	X	X	X
Защита
Максимальная токовая	X	X	X	X	X
Резервная защита		X	X	X	X
Дистанционная защита			(X)	X	X
Дублирующая защита				(X)	X
Дифференциальная защита шин		(X)	X	X	X
Измерения
Ток фазы	X	X	X
Напряжение шины		X	X
Трехфазные измерения		(X)	(X)	X	X
Измерение энергии	(X)	(X)	X	(X)	X

В разделе "HMI-интерфейс" таблицы А.2 строка "Уровень присоединения" означает управление непосредственно с коммутационного оборудования присоединения (в случае подстанций среднего напряжения) или со шкафа интерфейса присоединения (в случае подстанций высокого напряжения). Простой HMI-интерфейс станционного уровня означает, что простой буквенно-цифровой дисплей отображает аварийные сигналы и положения переключателей, что позволяет осуществлять основную эксплуатацию. Полный HMI-интерфейс станционного уровня, как правило, включает в себя один или два полностью графических дисплея, специальные пользовательские функции - такие как обзорные окна и окна выбора, регистрация ретроспективной информации для анализа тенденций и т.д.

В разделе "Защита" таблицы А.2 приведены только некоторые типовые примеры, обозначающие уровни функциональных возможностей.

А.4 Структуры связи

А.4.1 Общие сведения

Для дальнейшей оценки требований к связи данной подстанции последняя может быть подразделена на физические и функциональные элементы.

В качестве примера такого подхода выбрана подстанция типа D 2-2, показанная на рисунке А.2. Это один из наиболее широко распространенных типов подстанций, используемых на большинстве электроэнергетических предприятий. На рисунке А.6 показан такой же тип D 2-2, но с установленными дополнительными датчиками тока и напряжения.

Рисунок А.6 - Варианты установки трансформаторов тока и напряжения на подстанции типа D 2-2

На рисунке А.6 показаны все возможные места установки трансформаторов тока и напряжения. На большинстве электроэнергетических предприятий, как правило, используют не все эти места на одной отдельной подстанции.

А.4.2 Типовые физические элементы (присоединения)

В зависимости от ситуации подстанция может быть подразделена на составляющие части разными способами. Один способ - это разделение на элементы присоединений, т. е. подстанцию подразделяют на элементы, составленные из основного оборудования.

Каждый блок на рисунке А.7 состоит из частей, которые либо поставляют на площадку подстанции в собранном виде, либо собирают на площадке.

Рисунок А.7 - Деление на элементы присоединений (пример)

А.4.3 Типовые функциональные зоны

Альтернативой разделению на физические элементы может быть учет потока данных в оборудовании. При этом подстанция может быть подразделена на функциональные блоки связи, в пределах которых различные функции управления и/или защиты основаны на одних и тех же данных. Например, на рисунке А.8 показаны зоны защиты реле с перекрытием зон.

На данном рисунке также показан один из возможных вариантов организации зон защиты. Предприятия могут предпочесть другие варианты - в зависимости от важности данной подстанции и практики, принятой в компании.

Для каждого реле этой зоны будут требоваться данные от всех трансформаторов тока, расположенных в границах зоны, а в некоторых случаях - от трансформаторов напряжения этой зоны. Это реле будет посылать сигнал на отключение всем связанным с ним выключателям.

Рисунок А.8 - Типовые зоны защиты

А.4.4 Схемы технологической шины связи

Шина связи технологического уровня может быть реализована несколькими различными способами - в зависимости от требований к потоку данных, требований к надежности или практических соображений при монтаже.

На рисунке А.9 показаны четыре возможных варианта реализации шины связи технологического уровня.

В первом варианте схемы шины связи каждое присоединение (монтажный элемент) имеет свой собственный сегмент технологической шины. Для оборудования управления и защиты, требующего данные более чем от одного сегмента, должна быть установлена отдельная общестанционная шина связи с маршрутизаторами на каждом сегменте присоединения для передачи необходимых потоков данных.

Во втором варианте приведена подобная структура, но каждый сегмент присоединения охватывает более одного присоединения. Те потоки данных, которые требуются более чем одному сегменту, передаются маршрутизаторами. На примере показаны потоки данных от трансформатора напряжения шины, используемые реле направленной защиты от короткого замыкания на землю на всех присоединениях.

Третий вариант включает в себя одну общестанционную шину связи, к которой подключены все устройства. В этом случае требуется очень высокая скорость передачи данных по шине, но отпадает необходимость в маршрутизаторах.

В четвертом варианте показана схема функционально ориентированной шины. В этом случае сегменты присоединения настроены на соответствие зонам защиты. С учетом необходимости установки маршрутизаторов эти сегменты могут быть организованы таким образом, чтобы передача данных между ними была минимальной.

Рисунок А.9 - Варианты реализации шины связи технологического уровня

А.4.5 Схемы технологической шины связи

Схема шины связи станционного уровня может быть соотнесена с типом подстанции в соответствии с определениями, приведенными в А.2.

На подстанции типа D 1 потребуется только очень простая шина связи для связи элементов присоединения с интерфейсом дистанционного управления. Здесь отсутствует связь между присоединениями и исключена необходимость в высокоскоростной доставке сообщений.

На подстанции типа D 2 необходимо установить общестанционную шину связи, которая может передавать все типы сообщений.

На подстанции типа D 3 потребуется установить сегментированную шину связи, соединенную маршрутизаторами или мостами для обработки большого количества данных от подсоединенного оборудования. Разделение на сегменты должно быть конструктивно выполнено таким образом, чтобы устранить необходимость пропускания высокоскоростных сообщений через маршрутизаторы.

На подстанции типа Т 1 потребуется шина связи такого же типа, что и для D 2, с дополнительной возможностью адресации параллельных (дублирующих) устройств.

На подстанции типа Т 2 могут потребоваться двойные (дублирующие) схемы шин связи. В некоторых случаях, если физический размер подстанции также требует сегментирования связи, шина должна быть подразделена на сегменты.

Однако необходимо учесть, что определенные выше типы подстанций и их требования к связи следует рассматривать только в качестве примеров. Фактическая важность и, соответственно, требуемая надежность конкретной подстанции зависят не только от размера и конфигурации.

А.4.6 Заключение

Приведенные выше примеры показывают, что рассмотрение типов подстанций или присоединений само по себе не дает достаточной информации для расчета нагрузки системы связи, в особенности в случае включения технологической шины. Для определения схем системы связи, технологической шины и требований к рабочим характеристикам необходимо определить схему подстанции, конкретные функции и их размещение, а также компоновку коммутационного оборудования и способ его сборки.

Наиболее экономичная система связи для любой из показанных подстанций может потребовать более одного типа стеков протоколов. Поэтому реальный выбор может быть сделан на основании рассмотрения типа подстанции, т. е. ее размера, сложности и требуемой надежности, а также ожидаемых скоростей передачи потоков данных по станционной и технологическим шинам.