התפקיד של צוללות דיגיטליות באדריכלות מערכת ההפצה המודרנית

הקדמה: טרנספורמציה דיגיטלית של התפלגות כוח

רשת החשמל עוברת טרנספורמציה עמוקה.במשך יותר ממאה שנים, תת-התתות שימשו כצומת קריטי שבו מתח הוא עלה או למטה, מעגלים עוברים, וזרימת חשמל מכוונות.עם זאת, תת-התחמצה המקובלת - מסתמך על מד אנלוגי, ממסרים קשיחים, ופעולות ידניות - מצוידות יותר ויותר כדי לענות על הדרישות של מערכת מודרנית, מבוזרת, מתחדשת, מתחדשת ומחדשת עם חומרים כימיים.

תת-קרקעיות דיגיטליות אינן רק שדרוג; הן מהוות היררכיה של הליבה של מערכת ההפצה.על ידי דיגיטציה של כל ניטור, בקרה ותפקוד הגנה, שירותים להשיג חשיפה חסרת תקדים וגמישות. מאמר זה חוקר מה תת-התפיסות הדיגיטליות, כיצד הן מתפקדות, היתרונות המוחשיים שלהם באדריכלות מערכת הפצה מודרנית, המכשולים לאימוץ, ואת המגמות המתעוררות שיגדירו את עתידן.

מה הן נטיות דיגיטליות?

תת-קרקעית דיגיטלית היא תת-קרקעית חשמלית שבה כל הציוד הראשי (טרנספורים, פורצי מעגלים, ניתוק) הוא פיקוח ובקרה באמצעות רשת תקשורת דיגיטלית ולא באמצעות חיבורים אנלוגיים קשיחים.

• (FLT:0) בלתי קונבנציונליים של הרובוטריקים (NCITs): LT:1Freave 1: אופטי או Rogowski coil חיישניים המדורגים מתח ונוכחים עם דיוק גבוה על טווח תדר רחב.
• (FLT:0) מכשירים אלקטרוניים אלקטרוניקה (IEDs): ⁇ FLT:1 ממסרים מבוססי מיקרומעבדים, בקרים ומים המבצעים הגנה, בקרה, אוטומציה ותפקודי ניטור.
• רשתות תקשורת מבוססות רשת:0Ethernet:FIRLT:1 (High-speed Local Areaרשתות) שמחליפו אלפי כבלי בקרה נחושת עם עמוד אחורי יחיד של סיבים אופטיים.

האדריכלות לדבוק בסטנדרטים הבינלאומיים IEC 61850, המגדיר פרוטוקולי תקשורת, מודלים נתונים ותהליכי הנדסה לאוטומציה תת-התת. תקן זה מאפשר יכולת בין מכשירים מיצרנים שונים ותומכת בתכונות כגון הודעות עמיתים לpeer (הודעותGOOSE) ליציאה מהירה ללא יצרנית החלטות מרכזית.

כיצד תחזיות דיגיטליות מתפוגגות מ- Conventional Ones

בתת משנה מסורתית, כל מדידה ומפקדה נוסעים מעל זוג נחושת ייעודי מגורם נוכחי (CT) או ממיר מתח (VT) לממסר הגנה, ולאחר מכן הלאה לחדר בקרה.זה דורש כמויות עצומות של דיאגרמות מתפתלות מורכבות, חלל פיזי משמעותי. ⁇ , הפרעה אלקטרומגנטית, ושפל של מעגלים אנלוגיים הם לעתים קרובות נקודות כשלים נפוצים.

תת-קבוצה דיגיטלית מחליפה את אותה נקודה לנקודה עם רשת משותפת. פלטי חיישן הם דיגיטציה במקור (לדוגמה, באמצעות יחידת מיזוג שדגימות CT / VT אותות באלפי מסגרות לשנייה) ומועברים על התחנה או התהליך אוטובוס. IEDs להירשם לנתונים שהם צריכים ישירות מהרשת.

המונחים: a Digital Substation

הבנת תת-התש הדיגיטלי דורשת היכרות עם מרכיבי המפתח שלה וכיצד הם מתקשרים.האלמנטים הבאים יוצרים את הבסיס של כל פריסה מודרנית.

יחידות גירוד (MUs)

יחידות מיזוג ממוקמות בחצר המעבר ליד הציוד הראשי.הם מדגימים אותות אנלוגיים ממכשירים קונבנציונליים או לא קונבנציונליים ופורמט אותם לתוך IEC 61-9-6-9-2 מדגם ערך (SV) מזרמים אלה SV חבילות משודרים על התהליך ונצרכות על ידי IED for Protection, מ"מ וניתוח איכות. MU יכול לספק דגימות זמן-סוונכרן עם דיוק מיקרוסקופי 1588 (Prep).

מכשירים אלקטרוניים חכמים (IED)

IEDs הם "מוחות" של תת-התתאמת מודרנית פונקציות הגנה (מעלה, מרחק, שונה), לוגיקה שליטה (Breaker Relosing, Synhrocheck), ויכולות תקשורת (IEC 61 850 לקוח/server, GOOSE ו-SV מנויי תיבות של SV).

אוטובוס אוטובוסים ותחנת אוטובוס

רשת תת-התפל הדיגיטלי מתחלקת בדרך כלל לשני חלקים לוגיים:

• (FLT:0) תוצאות אוטובוסים: 1FLT = 1 Connects merging יחידות לחדר הבקרה או המפרץ קיוסק.זה נושא ערכים מדגם זמן קריטי הודעות GOOSE. דרישות עצלות הן קפדניות - באופן חד-משמעי פחות מ 3 מ"ג לשנייה עבור הודעות הגנה.
• (FLT:0) אוטובוס:FLT:1 קישורים לכל המטענים, המחשב התחנה (שער SCADA), ומסופי HMI. היא נושאת נתונים מפקחים, יומני אירועים, סינכרוניזציה זמן, והעברות קבצים. Redundant Ring או כוכב להתנצלות על זמינות גבוהה.

מתגי Ethernet המשמשים בתת-תאימות חייבים להיות קשים להפרעות אלקטרומגנטיות, טווחי טמפרטורה רחבים, ותנודתיות.נוהל מתגים עם VLANs ואיכות השירות (QoS) הם חיוניים כדי לבודד תנועה ביקורתית ולערוב רוחב פס עבור אותות הגנה.

זמן Synchronization Infrastructure

זמן מדויק בולים הוא חשוב בשקיות דיגיטליות.הגנת והגנה על שגיאות דורשות היערכות מדגם בתוך 1 מיקרו השניות.זה מושג באמצעות IEEE 1588v2 (PTP) סבתות, לעתים קרובות עם GPS או GNSS מקלטים.

יתרונות לאדריכלות מערכת ההפצה המודרנית

המעבר לתתות דיגיטליות מספק שיפורים הניתנים לכמת באמינות, בטיחות, יעילות תפעולית ושילוב רשת. להלן אנו בודקים כיצד היתרונות הללו מתממשים ברשתות ההפצה בעולם האמיתי.

יעילות מוגברת ו Fault Localization

עם מעקב מתמשך של מתח, נוכחי, איכות כוח ובריאות ציוד, מפעילי יכולים לזהות אנומליות לפני שהם להסלים הפרעות שירות. substations דיגיטלית גם לאפשר FLT:0adaptive Protection ProgramssveFLT:1 כי באופן אוטומטי להתאים הגדרות ממסר מבוסס על טופולוגיה רשת טעינה. כאשר מתרחשת, הודעות GOOSE מאפשרות סלקציה מהירה כי רק את השבר המותקף, עוזב את הזמן על ידי תיקון חי (ב) על ידי תיקון מלא של 50% לאחר מכן, 000 זמן לאחר מכן, 000.

שיפור הבטיחות עבור אנשים וציבור

תת-תתחלות דיגיטליות מפחיתות באופן דרסטי את הצורך של אנשים להיכנס למקלטי מתג מאנרגיה. ניטור מרחוק ושליטה באמצעות ממשקי SCADA מאובטחים מאפשרים למפעילים לפתוח / סוגרים, לקרוא מטרים, ולאפס מחדש ממרכז מרכזי של מרכז בקרה מרכזי הרחק משם.החיסול של מעגלים בקרת נחושת ארוכים גם מבטל את הסיכון לשגיאות מתפתל ומפחית חשיפה למתחים גבוהים במהלך בדיקות בטיחות הציבור, מהר יותר, כלומר ירידה ברמות ההפצה באנרגיה נמוכה יותר.

יעילות תפעול וניהול נכסים

אוטומציה מפחיתה סיורים ידניים ובדיקות שגרתיות. substations דיגיטליות יכול לבצע אבחון עצמי ולשלוח התראות כאשר מכשיר נסחף מתוך קלקולציה או מראה סימנים של הידרדרות.תחזוקה מבוססת מצב מחליפה לוחות זמנים המבוססים על זמן, אופטימיזציה הקצאת משאבים ורחבת חיי ציוד.בנוסף, היכולת לשנות את ההגנה ושליטה בהגיון באמצעות עדכוני תוכנה (במקום שידור חומרה) ותוספות חדשות של מחזור או הזנת זמן.

אינטגרציה ללא ים של משאבי אנרגיה מחוסנים (DERs)

[מערכות הפצה מודרניות חייבות להכיל גג השמש, טורבינות רוח, אחסון סוללות, ומטענים חשמליים של כלי רכב מבוזרים אלה ליצור זרמי חשמל עקיפים ופרופילי מתח דינמיים מאתגרים תוכניות הגנה מסורתיות. . . . . . . . ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

סקלאלה ועתיד-Proofing

רשתות ההפצה צומחות באופן אורגני כמו שכונות חדשות, פארקים תעשייתיים, ופרויקטים מתחדשים באים באינטרנט. מצע דיגיטלי נועדו לדרגות: הוספת מפרץ מזון חדש כרוך בתכנות של IED וחיבור אותו לתחנת האוטובוס, במקום למשוך חבילות של כבלים חדשים באמצעות מזהמים תת-קרקעיים.הטבע המודולרי של IEC 61850 גם עושה את זה פשוט לשדרג רכיבים בודדים (למשל, החלפת החלפת מודל חדש ללא תכנות אוטומציה).

אתגרים ב Deployment

למרות היתרונות המשכנעים, אימוץ תת-קרקעי דיגיטלי אינו ללא מכשולים. אוחוסנס, במיוחד אלה בסביבה עשירה במורשת, חייב לנווט מספר אתגרים מרכזיים.

השקעות ועלויות תגמול

העלות הראשונית של תת-קבוצה דיגיטלית ירוקה של שדה ירוק יכולה להיות גבוהה פי 10-20% מהמקבילה המקובלת, בעיקר בשל מרכיבים אופטיים סיבים, מתגים מנוהלים, יחידות מיזוג, ו- IED התומכים בערכים המדגם. עבור רטרוfits חומים, העלות עשויה להיות אפילו גבוהה יותר כי מתגים קיימים חייבים להיות מותאמים או להחליף. Utilities חייב לבצע עלות הכוללת של חשבונות ניתוח בעלות מופחתת עבור קנונית, התקנה נמוכה יותר, וחיסכון לטווח ארוך של 7 שנים.

Cybersecurity Vulnerabilities

דיגיטיזציה מציגה משטחים התקפה שלא קיימים במערכות אנלוגיות.שחקנים ממאירים יכולים להתפשר על IED, לשבש הודעות GOOSE, או לתמרן ערכים מדגימים כדי לגרום לטיולים או אפילו נזק בציוד.ה-FLT:0IEC 62351FLT:1 מספק דרישות אבטחה עבור רשתות תת-התאימות, הצפנה, ובקרת גישה מבוססת, עם זאת, דורשות לעתים קרובות בדיקות אבטחה קבועות, ופעולות קבועות.

שילוב וההגירה

תת-קרקעיות רבות עדיין מכילות ממסרים ומונים משנות ה-70 וה-80. הצבת כל הציוד בבת אחת היא לעתים רחוקות אפשרית בשל מגבלות תקציב ויציאה.השימוש בבקשות חייב לאמץ אסטרטגיית הגירה מגובשת, לעתים קרובות באמצעות שערים ופרוטוקולים (למשל, DNP3-to-IEC 61850) כדי לגשר על מכשירים ישנים וחדשים. גישה היברידית זו יכולה ליצור מורכבות וביצועים של בקבוקים, במיוחד עבור טכנולוגיות הנדסיות עמוקות.

כישורי כוח העבודה ואימון

תת-התפיסות הדיגיטליות משנות את המיומנות הנדרשת מ"קורא חשמלי וסכמטי" ל"מהנדסי רשת ומנהלי IT" (מהנדסי הגנת ריילי חייבים ללמוד Ethernet, תצורה של VLAN, סינתזה PTP ועקרונות אבטחת סייבר.הרבה שירותים עומדים בפני מחסור של אנשים עם מיומנויות כפולות אלה.

תקני ה-IEC 61850 Framework

אין דיון על תת-התתות דיגיטליות שלם ללא מבט מעמיק יותר על IEC 61850.משפחת הסטנדרטים, שפורסמה לראשונה בתחילת שנות ה-2000 ומעודכנת ברציפות, מספקת הדפסה מלאה של מוצרי אוטומציה תת-קרקעית.

• (FLT:0) ,61-7-2 / 7-3 / 7-403:FLT:1 Define את מודל הנתונים מופשט ואת נקודות הלוגיקה (למשל, XCBR עבור שובר מעגל, MMXU למדידות).
• (ב) .0.IEC 61 850-8-1:FLT:1 Mappings for GOOSE ו- MMS מעל Ethernet ו- TCP/IP.
• (ב) ויקרא: ויקרא י"א: ויקרא י"א)
• (FLT:0)IEC 61 850-6:FLT:1 Substation Configuration Language (SCL) לתיאור התרבמה והיכולות של קו יחיד בפורמט XML.

השימוש ב-SCL מאפשר לכלי הספקים ליצור קובץ "תיאור ספציפי למערכת" (SSD) שניתן לייבא על ידי כלי ספקים מרובים, צמצום מאמצי האינטגרציה.בדיקת ביצועים (למשל, תוכנית ההסמכה הבינלאומית של UCA) מבטיח כי מכשירים מיצרנים שונים יכולים לתקשר באופן אמין.פתיחות זו היא אבן הפינה של הערך של ההשתתפות הדיגיטלית.

מגמות וחדשנות עתידיים

כמו טכנולוגיות תת-התפלה דיגיטליות בוגרות, כמה מגמות מתעוררות מכוונות לאדריכלות מערכת הפצה מחדש נוספת.

AI-Powered Predictive Analytics

עם terabytes של נתונים הזמינים מאלפי IEDs וחיישנים, אלגוריתמי למידת מכונה יכולים לזהות דפוסים כי precede ציוד כשלים - למשל, פריקה חלקית של ההופכים, שינויים עדינים בזמני הפעלה, או הרמוניים המצביעים על כישלונות בנק קפיטור קרוב. integrating מודלים AI ישירות לתוך בקרים תת-קרקעיים (חדש AI) מאפשר החלטות בזמן אמת ללא קבלת ענן, לדוגמה, חיזוי מזג אווירי על בסיס מודלים של מערכות הגנה דינמית על בסיס רדיאלית.

צוק ואינטליגנציה דיסטריוט

במקום לייעל את כל הנתונים למערכת SCADA מרכזית, תת-קרקעית מודרנית יותר ויותר לפרוס את נקודות מחשוב קצה המפעילות ניתוחים מקומיים, קורלציה אירוע ושליטה אוטונומית.זה מקטין את דרישות רוחב הפס ומספק חוסן אם תקשורת רחבה לא תצליח. אדג'טים יכולים גם לבצע מיקרו-שירותים כגון "גיבוי פורץ דרך" או "מטען" לוגיקה באופן עצמאי, ואז מסכם את השליטה במרכז.

5G ו-Wireal תקשורת

בעוד שרוב תת-התתולים הדיגיטליים מסתמכים על Ethernet סיבים אופטיים, ה-Selout של רשתות 5G פרטיות מציע אלטרנטיבה אלחוטית לחיבורי אוטובוסים, במיוחד בתרחישים רטרוfit שבהם סיבים זורמים יקרים.5G תקשורת אולטרה-סבירה נמוכה (URLLC) יכולה לעמוד בדרישות 3ms עבור הודעות הגנה.מספר פרויקטים של טייסים הראו ביצועים מוצלחים ודגמו על פני 5G, אם כי תחומי אבטחה פעילים ותחומי ניהול.

תאומים דיגיטליים וועדת וירטואלית

תאום דיגיטלי של תת-התשג – העתק תוכנה פונקציונלית מלאה – מהנדסים המאפשרים לבחון לוגיקה, תוכניות הגנה ותרחישים חירום לפני שכל ציוד מותקן. במהלך הגשתו, התאום עוזר לאמת את החייאה (או קישוריות לרשת) ומפחית את הסיכון לשגיאה אנושית.לאחר תפעולית, ה- התנגשויות חיות נתונים כדי לשקף את מצב תת-התשמדה האמיתי, לספק בדיקה עבור מה ש"אם משפיע בפועל"אם לא ניתוחי" ללא ניתוח בפועל".

קיימות וצמצום פחמן

תת-קרקעיות לתרום למטרות קיימות בכמה דרכים.על ידי אופטימיזציה של זרימת החשמל וצמצום ההפסדים באמצעות שליטה טובה יותר / VAR, הם להפחית את הפסולת הכוללת של אנרגיה. ניטור מצב מרחיב את החיים של שינוי ושבר, עיכוב עלויות החומר והפחמן של החלפת. ואת ההפחתה בקנוניה נחושת מורידה את טביעת הרגל הסביבתית של בנייה.

מסקנה: הדרך קדימה להפצת מערכות

תת-התש הדיגיטלי כבר לא מושג עתידני – זוהי טכנולוגיה מעשית ומוכחת שמוצבת על ידי שימושים מובילים בכל יבשת, על ידי החלפת נחושת עם סיבים, אנלוגיה עם דיגיטלי, וקבועה עם שינוי, תת-התתתות אלה פותחות רמה חדשה של אמינות, בטיחות, וגמישות תפעולית.הם הם חסימת היסוד של הרשת החכמה, ומאפשרות את השילוב חלקה של משאבים אנרגיה, דרישה חשמלית, תשתיות.

אתגרים נשארים - עלות, מיומנויות אבטחת סייבר ושילוב מורשת - אבל המסלול ברור.העלות של רכיבים דיגיטליים ממשיכה ליפול, סטנדרטים בוגרים, והתעשייה מצטברת ניסיון. Utilities להשקיע אדריכלות תת-קרקעית דיגיטלית עכשיו יהיה הכי טוב להציב כדי לעמוד בחוסן ודרישות decarbonization של העשורים הבאים.

(ב) לקריאה נוספת על הנחיות יישום ה-IEC 61850, מתייחס להנחיות יישום ה-FLT:0 (International Electrotechnical CommissioneurFLT:1 ;2SiemensssssofLT 3 ו-FLT:4ABBREFLT:5 לספק תובנות מעשיות.