В соответствии со стандартом СТО 70238424.17.220.20.005-2011, для всех устройств передачи информации должна обеспечиваться электромагнитная совместимость. Для этого все устройства связи и телемеханики, должны проходить испытания по электромагнитной совместимости согласно ГОСТ Р 51317.6.5. При электропитании устройств связи и телемеханики от системы собственных нужд по схеме фаза-земля в цепи питания должен быть включен разделительный трансформатор и фильтр питания с полосой запирания от 5 кГц до 5 МГц.

В настоящее время при проектировании систем для энергообьектов стараются использовать проводные интерфейсы передачи информации, такие как Ethernet , RS-485 и через PLC-модем. При подключении разнесенных по объекту систем с питанием от общей сети наиболее интересным является использование PLC-модема, так как передача информации осуществляется по цепям питания и не требует прокладки дополнительных проводов. Передача данных в системах PLC осуществляется  различными типами модуляций. Самыми  распространенными являются: частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK), частотная манипуляция с разнесенными частотами (Spread Frequency Shift Keying, S-FSK), двоичная фазовая манипуляция (Binary Phase Shift Keying, BPSK) и ортогональное мультиплексирование с частотным разделением каналов (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). В таблице 1 приведено сравнение различных типов модуляций на основании двух главных критериев – эффективности использования полосы частот и сложности реализации.

Таблица 1 – Сравнение эффективности и сложности реализации в зависимости от типа модуляции.

У использования  проводных интересов очень есть серьезная проблема, это необходимость защиты от помех и электромагнитных импульсов большой мощности которые могут возникать на энергетических объектах. Зачастую такие защиты сложнее, чем сами проводные интерфейсы и уменьшают скорость передачи информации.

Если рассматривать беспроводные технологии, то основным можно считать ZigBee. Рассмотрим особенности использования беспроводного интерфейса на примере ZigBee. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Устройства ZigBee должны быть совместимы со стандартом IEEE 802.15.4-2003 беспроводных персональных сетей этот стандарт определяет работу на частотах 2.4 ГГц (в мире, не лицензированная частота), 915 МГц (Американский континент) и 868 МГц (Европа) диапазон ISM. На частоте 2.4 ГГц есть 16 каналов ZigBee. Такие данные дают хорошую возможность применения во многих областях. Но как же быть с помехоустойчивостью, основному требованию на энергетических объектах? Насколько обеспечиваться электромагнитная совместимость для такого типа связи? В теории все должно соответствовать стандартам и иметь достаточный уровень помехоустойчивости. Для  наилучшей оценки устройства должны пройти испытания по электромагнитной совместимости согласно ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5:2001) У беспроводных интерфейсов есть явные плюсы, такие как: отсутствие проводов, как следствие меньше наведенных помех, низкое энергопотребление, простота и удобство организации сетей.

Однако есть и минусы, среди них можно выделить следующие: цена оборудования, ограничение по частотам и мощности, ограниченное расстояние без ретрансляторов.

В качестве сравнения двух типов передачи, предлагаю рассмотреть систему оперативных блокировок безопасности «Блокпост-1» изготовления ООО  «НПФ «ЭЛНАП» которая содержит в своем составе PLC-модем и радиомодем с технологией ZigBee. Оба канала дублируют друг друга, что дает возможность сравнения в равных условиях. Комплекс оборудования данной  системы был испытан по электромагнитной совместимости согласно ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5:2001)устойчивость к электромагнитным помехам технических средств применяемых на электростанциях и подстанциях. Комплекс оборудования проходил испытания на базе АО «Научно-производственное предприятие «Циклон-тест» (аттестат аккредитации РОСС RU.0001.21МЭ16 по 28.05.2019). По результатам испытаний комплекс соответствует ГОСТу. Нас особо  интересует несколько отдельных пунктов протокола испытаний приведенных в таблице 2.

Таблица 2 – Протокол испытаний комплекса электротехнического оборудования системы оперативных блокировок безопасности «Блокпост—1»

Из протокола можно сделать следующие выводы: оба вида интерфейса прошли испытания на ЭМСи могут быть использованы на электростанциях и подстанциях, что открывает возможность применения их при проектировании приборов и систем для энергетики. У PLC модема в цепь подключения был установлен фильтр и защита от импульсных помех, что усложнило конструкцию. Тогда как ZigBee радио модем не нуждался в дополнительной защите. У беспроводного интерфейса  в энергетике огромный потенциал, по многим показателям они намного лучше, из основных плюсов можно выделить:

1. испытания он прошел без дополнительных мер защиты;
2. он достаточно помехоустойчив;
3. за время испытаний пакеты информации приходили в полном объеме, без искажений;
4. удобны в проектировании и эксплуатации комплексов и систем;
5. не требуют проводов;
6. имеют небольшие габаритные размеры;
7. имеет минимальное потребление;
8. имеет достаточно низкую цену;

Подводя итог можно сказать, что беспроводной интерфейс ZigBee можно рекомендовать как хорошую альтернативу проводным технологиям при проектировании систем для электроэнергетики.

СОПТ предназначена для питания обеспечение потребителей постоянным током в условиях отключения собственных нужд энергетических объектов. Потребителями СОПТ являются терминалы релейной защиты и автоматики (РЗА), АСУТП подстанций, и цепи управления коммутационными аппаратами, автоматики и сигнализации. Питание должно осуществляться в течение 1 часа для подстанций с оперативным персоналом, и в течение 2 часов для подстанций без обслуживающего персонала, при полном обесточивании линии собственных нужд подстанции.

Система оперативного постоянного тока (СОПТ) представлена на рисунке 1 и включает в себя:

1) зарядно-выпрямительное устройство (ЗВУ);

2) щит постоянного тока (ЩПТ);

3) шкаф распределения оперативного тока нижнего уровня (ШРОТ);

4) аккумуляторная батарея порядка 120 элементов по 2.2В (АБ)

Рисунок 1. Структурная схема СОПТ для электрических подстанций

СОПТ является сложной технической системой Нарушения в работе, которой приводят к тяжелым последствиям.
Возможными последствиями неправильной работы СОПТ являются повреждения первичного и вторичного оборудования, нарушения в работе устройств РЗА и т.п. Необходимо отслеживать техническое состояние СОПТ как на этапе приемо-сдаточных, так и в процессе эксплуатации, при выявлении недостатков и отклонений, оперативно их устраняя. При проектировании СОПТ учитывается, что срок службы системы должен быть не менее 30 лет. Решение этой задачи обеспечивается использованием разнообразных современных аккумуляторов, зарядных устройств, защитных аппаратов, защитой от перенапряжений.

В процессе эксплуатации могут возникать различные неисправности оборудования. При ненадлежащем контроле состояния батареи может сильно уменьшаться ее емкость, что может приводить к большим провалам напряжения и неправильной работе потребителей и отказам защитных аппаратов. Так же со временем может нарушиться селективность защитных устройств, в таком случае они могут не сработать при коротком замыкании. Поэтому диагностика и мониторинг всех должен проводиться не реже чем раз в 3 года.

В настоящее время существует несколько решений в области диагностики и мониторинга СОПТ. Это либо периодические комплексные обследования, либо системы постоянного мониторинга СОПТ.

Рассмотрим пример комплексной диагностики СОПТ, которую проводит НПФ “ЭЛНАП (Электротехника: наука и практика)” (г. Москва). Данная фирма выбрана, так как является автором методики, которая утверждены во многих энергетических компаниях на территории СНГ как стандарт диагностики СОПТ. Комплекс диагностических процедур состоит и ряда проектно-расчетных и экспериментальных работ. К проектно-расчетным относятся:

1) составление исполнительной схемы щита постоянного тока (ШПТ), релейного щита и токораспределительной сети.

2) расчет для этой схемы токов КЗ в узлах СОПТ.

К экспериментальным работам относятся:

1) проверка и визуальный осмотр автоматических выключателей в ШПТ.

2) проверка и визуальный осмотр кабелей по различным режимам

3) проверка селективности защитных аппаратов и соответствие расчетным значением

4) проверка и визуальный осмотр (АБ).

5) измерение внутреннего сопротивления АБ двухимпульсным методом, и исходя из данных измерения, делаются выводы о состоянии батареи.

6) проверка и визуальный осмотр зарядных устройств.

7) имитация импульсного воздействия на ШПТ и проверка условий электромагнитной совместимости (ЭМС).

Данный вид диагностики связан со значительным объемом выполняемых работ, что естественно отражается на стоимости и сроках. Данный метод комплексной диагностики требует специального оборудования и квалифицированных человеческих ресурсов, что существенно влияет на доступность. Содержать бригады специалистов с оборудованием многие РЭС не в состоянии, и им приходится прибегать к услугам сторонних организаций. Современная экономическая ситуация провоцирует сокращение программы испытаний, использование формальных подходов, несмотря на повышения риска выхода из строя СОПТ. Поэтому встает вопрос об удешевлении и большей доступности мер диагностики СОПТ.

Одним из возможных решений является комплексы постоянного мониторинга СОПТ. В настоящее время предложение таких комплексов ограниченно. Структурно комплексы представляют совокупность датчиков, информационно соединенных с центральным диспетчерским пунктом обработки данных. Данные комплексы отслеживают параметры СОПТ (напряжения, токи) в режиме реального времени и передают персоналу подстанции.

Примером таких комплексов является система мониторинга для оборудования СОПТ (ООО Научно-производственное предприятие «ЭКРА», г. Чебоксары). Данная компания выбрана так, как их система из представленных на рынке, выполняет максимальное количество функций. Представленная этой компанией система предназначена для контроля в режиме реального времени оборудования СОПТ, она представляет собой сеть топологии типа звезда состоящей из программируемых контроллеров и устройства ввода/вывода сигналов. В качестве цифровых связей используется проводные интерфейсы Ethernet и RS-485. Схема системы мониторинга представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Система мониторинга для оборудования СОПТ

У такой системы есть ряд преимуществ, но и есть свои недостатки. К преимуществам можно отнести:

1) постоянный мониторинг и возможность оперативно реагировать на отклонения в работе;

2) относительно низкая цена (в сравнении с комплексной диагностикой);

3) простота и удобство использования.

Недостатками данной системы являются:

1) отсутствие испытательных режимов;

2) зачастую информация с датчиков передается без расчетно-аналитической обработки;

3) использование проводных интерфейсов.

Из всего этого можно сделать следующие выводы:

Обе рассмотренные методики имеют свои преимущества и недостатки. Первая является эффективной, но достаточно дорогой. Вторая гораздо дешевле, работает в режиме реального времени, но не полностью отражает состояние СОПТ.

Перспективным представляется создание комплекса, способного сочетать в себе расчетно-экспериментальную методику с постоянным мониторингом параметров СОПТ.

На рисунке 3 представлена структурная схема комплекса диагностики и мониторинга СОПТ.

Рисунок 3. Структурная схема комплекса диагностики и мониторинга СОПТ.

Комплекс представляет собой совокупность технических средств с распределенной структурой топологии типа «звезда». Центральным устройством является контроллер, отвечающий за функции сбора данных, их хранения и управления, а также отображения и взаимодействие с более высокими уровнями АСУ. Локальные устройства отвечают за измерение параметров и передачу данных в центральное устройство. Канал связи между центральным и локальными устройствами беспроводный стандарта ZigBee. Кроме этого комплекс имеет силовой блок для испытания АБ толчковыми токами при реализации двух-импульсного метода измерения внутреннего сопротивления АБ.

Возможности комплекса являются:

1) Измерение внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи

2) Измерение реальных токов КЗ в коммутационных узлах СОПТ

3) Контроль селективности этих узлов

4) Отображения результатов измерения и анализа в реальном времени.

5) Беспроводная связь между устройствами комплекса

6) Питание осуществляется от линий собственных нужд и от автономных источников питания.

7) Возможность использовать комплекс как мобильно так и стационарно.

8) Сравнительно не высокая цена изделия (по сравнению с аналогами)

9) Соответствие комплекса всем нормам использования на объектах электроэнергетики.

Представленный комплекс сочетает в себе положительные качества рассмотренных методик. Востребованность такого комплекса очевидна – удешевление диагностических процедур и более полная информация о состоянии СОПТ. К тому же энергетические компании смогут приобретать такие комплексы на объекты энергетики, улучшая текущий контроль за СОПТ и экономя финансовые средства на привлечении сторонних организаций.