Для чего нужны синхрофазоры: 6 примеров применения в сетях 6-35 кВ

Что такое синхрофазор

Синхрофазор или устройство синхронизированных векторных измерений (УСВИ) — это прибор, позволяющий выполнять синхронизированное по времени измерение параметров энергосистемы. Технология имеет два основных преимущества по сравнению с обычными системами измерений.

Во-первых, данные измеряются и передаются с более высокой скоростью – в режиме реального времени. Информация обновляется каждые 20—40 миллисекунд, в то время как традиционные системы SCADA, сообщают данные не чаще одного раза в секунду.

Во-вторых, измеренные параметры энергосистемы (действующие значения электрических величин и фазовые углы), полученные из разных точек энергосистемы, синхронизируются по времени с помощью глобальной системы позиционирования GPS с точностью ± 0,2 микросекунды.

Контроллер RC-20 NOJA Power - пример интеграции технологии синхронизированных векторных измерений в системы управления реклоузерами.

Данные, полученные с помощью RC-20, отправляются через защищенную виртуальную частную сеть (VPN) по каналам связи 4G на виртуальную платформу NOJA Power Analytics. Платформа включает в себя концентратор синхронизированных векторных данных (КСВД) или Phasor Data Concentrator (PDC), инструменты визуализации и сервер архивных данных. КСВД NOJA Power агрегирует и выравнивает по времени данные, полученные от шкафов RC-20 установленных в разных точках сети. Инструмент визуализации и платформа архивирования данных разработаны для хранения, мониторинга и анализа больших данных (Big Data).

Применение синхрофазоров

Проект ARENA по анализу параметров энергосистемы в точках высокой концентрации возобновляемых источников энергии реализуется NOJA Power в сотрудничестве с двумя электросетевыми предприятиями и двумя университетами. В распределительных сетях установлено 100 реклоузеров OSM со шкафами управления RC-20 и поддержкой УСВИ. Давайте рассмотрим 6 реальных случаев применения технологии синхронизированных векторных измерений в рамках этого проекта.

1. Анализ суточного графика электрических нагрузок

Изучение данных, измеряемых с частотой до 50 раз в секунду, помогает электросетевым предприятиям лучше понять характер нагрузок, подключенных к сетям.

Это помогает операторам управлять своими сетями более надежным и эффективным способом. На рис. 3 и 4 представлены значения тока, полученные в течение четырех дней от двух контроллеров RC-20, установленных в разных точках сети. Хорошо видно, что первый блок (рис. 3) - это промышленная нагрузка, потребляющая электроэнергию с утра до вечера, а второй блок (рис.4) – это жилой район с малым утренним пиком и большим вечерним пиком.

Анализ графика нагрузки также помогает понять влияние малой генерации, вырабатывающей электроэнергию при помощи солнечных панелей, установленных на крышах жилых домов, на нагрузку и напряжение всей сети. На рис. 5 показан профиль нагрузки двух жилых районов. Оба района имеют схожие профили нагрузки ранним утром и вечером, но существует большая разница в их энергопотреблении в течение дня, с 7 утра до 5 вечера. Это показывает, что район RC-20-B имеет высокий уровень солнечной генерации (около 500 кВт), который может вызвать обратный поток энергии в течение светового дня.

Использование данных, полученных с помощью синхронизированных векторных измерений поможет электросетевым предприятиям лучше понять свои сети и снизить некоторые ограничения на возобновляемые источники энергии. Одновременно контролируя генерацию возобновляемых источников энергии и энергопотребление нагрузок, сетевые предприятия лучше понимают поток энергии на фидере и позволяют поставлять больше возобновляемой энергии в энергосистему. Синхрофазоры облегчают сбор информации для системного планирования и проведения оперативных переключений в режиме реального времени. Например, на рис. 6 показана большая корреляция между солнечной генерацией в RC-20-B и потреблением энергии в RC-20-C. В то время как нагрузка на участке В низкая с 7 утра до 5 вечера из-за высокой генерации от солнечных батарей на крыше, промышленная нагрузка на участке С поглощает большую часть этой мощности. Основываясь на этих корреляциях, энергокомпании могут снизить ограничения на солнечную генерацию на участке В, так как излишки энергии могут быть использованы для питания промышленной нагрузки в том же районе.

2. Распределенная генерация

Данные синхрофазора могут быть использованы для разработки точных моделей распределенной генерации (РГ). Это помогает лучше понимать влияние РГ на общую энергосистему. Например, уровень токов на выходе источника РГ, подключенного к энергосистеме через реклоузер со шкафом управления RC-20, показан на рис. 7. Данные синхрофазора, собранные с этого устройства, показывают, что генератору требуется около трех минут, чтобы достичь своего номинального тока. Это не всегда очевидно из паспортных данных генераторов, но детальная характеристика собранных данных УСВИ позволяет инженерам-энергетикам иметь полное представление о динамике своей системы активов.

3. Качество электроэнергии

Еще одним преимуществом данных синхрофазора является мониторинг напряжений и токов с более высоким разрешением. Это помогает выявлять и контролировать субгармоники. Субгармонические токи — это компоненты с частотами ниже частоты системы (50 Гц). Вызваны нагрузками, такими как дуговые печи, автоматические сварочные аппараты, кузнечные горны, отбойные молотки, штамповочный инструмент, пилы, компрессоры и поршневые насосы.

На рис. 9 показаны величины напряжений в двух точках. Как видно, RC-20-B, который находится в районе с большим количеством солнечных фотоэлектрических систем, показывает данные о высоковольтных колебаниях по сравнению с другой точкой, где расположен RC-20-A. Такие колебания напряжения в распределительной системе не видны в SCADA, но вызывают неприятные последствия в виде визуального мерцания источников света, насыщения силовых трансформаторов и ускоренного износа оборудования. Наблюдаемость этих проблем с помощью данных УСВИ обеспечивает осведомленность пользователей о проблемах до выхода оборудования из строя, что позволяет применять экономически эффективные превентивные мероприятия по обслуживанию.

4. Фазировка

Данные синхрофазора упрощают идентификацию фазовых углов. Фазовые углы напряжения трех RC-20 в сети среднего напряжения проиллюстрированы на рис. 10. Видно, что углы напряжения RC-20-1 и RC-20-2 для всех трех фаз близки друг к другу. Однако фаза А и фаза С RC-20-3 отличаются от двух других примерно на 120 градусов. Это указывает на то, что фаза А и фаза С в третьем RC-20, перепутаны местами.

Неправильная фазировка может привести к проблемам с балансом нагрузок и поиском мест повреждения. Идентификация фаз с помощью NOJA Power Analytics помогает при первоначальном вводе в эксплуатацию и постоянном мониторинге обнаружить потенциальные проблемы, вызванные изменениями фазировки на фидерах.

5. Регистрация предаварийных событий

Диспетчеры могут использовать платформу NOJA Power Analytics для настройки оповещений и пороговых значений для измеряемых параметров энергосистемы. Система оповещения уведомляет диспетчеров, когда значения выходят за установленные пределы. Например, на рисунке 11 показан инцидент 13 января 2021 года около 10:57, когда частота упала ниже определенного порога (49,85 Гц). По данным системного оператора, падение частоты в сети было вызвано одновременным отключением двух энергоблоков на генерирующей станции.

6. Послеаварийный анализ

Данные УСВИ могут быть полезны при анализе аварийных ситуаций, изучении их причин и последствий для сети. Платформа NOJA Power Analytics, в дополнение к данным УСВИ, предоставляет диспетчерам данные о событиях (R-GOOSE). При возникновении аварии RC-20 отправляет данные R-GOOSE, содержащие статус главных контактов коммутационного блока, состояние функций защиты и записанные параметры на момент возникновения события. Эта информация является дополнительной к значениям синхрофазора, которые сообщаются непрерывно, и значительно облегчает последующий анализ. На рис. 12 показаны данные синхрофазора, собранные во время работы алгоритма автоматического повторного включения (АПВ) шкафа управления RC-20. Из этих данных видно, что аварийная ситуация началась на фазе В со стороны нагрузки, а затем развилась до трехфазного устойчивого короткого замыкания, что привело реклоузер к отключению и отсоединению нагрузки от сети.

На рис. 13 представлены данные R-GOOSE, собранные с того же устройства во время этого события. Из дополнительной информации можно сделать вывод, что сначала сработала максимальная токовая защита (МТЗ) на фазе В, а на следующем цикле АПВ сработала защита от замыкания на землю (ЗЗЗ) и МТЗ на фазах В и А. На последнем цикле АПВ по-прежнему существовал аварийный ток, что вызвало отключения главных контактов коммутационного блока реклоузера на основании срабатывания защит ЗЗЗ и МТЗ на всех трех фазах.

Выводы

Предварительные результаты применения технологии синхронизированных векторных измерений для мониторинга распределительных сетей среднего класса напряжения показывают неоспоримые преимущества применения УСВИ для безопасной и надежной интеграции возобновляемых источников энергии и систем распределенной генерации.

Реклоузер OSM NOJA Power: Одно устройство – множество применений.

Как самый современный реклоузер в мире может помочь вам?