Концепция управления цифровыми подстанциями будущего

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации  
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 
 
 
 
 
 
 
 
 
И. М. Валеев, В. Г. Макаров 
 
 
КОНЦЕПЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЦИФРОВЫМИ  
ПОДСТАНЦИЯМИ БУДУЩЕГО  

 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2019 

УДК 621.311.4(075) 
ББК 31.278я7 
В15 
 
Печатается по решению редакционно-издательского совета 
Казанского национального исследовательского технологического университета 
 
Рецензенты: 
д-р физ.-мат. наук, проф. В. К. Козлов 
д-р техн. наук, проф. И. Х. Исрафилов 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
В15 

Валеев И. М. 
Концепция управления цифровыми подстанциями будущего : учебное пособие / 
И. М. Валеев, В. Г. Макаров; Минобрнауки России, Казан. нац.                
исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 152 с. 
 
ISBN 978-5-7882-2587-6 
 
Изложена методология проектирования автоматизированной системы технологического 
управления цифровыми подстанциями. Рассмотрены интеллектуальные 
энергоустановки, оборудование информационного взаимодействия, 
средства учета и контроля электроэнергии, информационные и управляющие 
системы, мероприятия по развитию и повышению надежности электросетевого 
комплекса. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02, 
13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», а также для инженеров и специалистов 
в области электроэнергетики, информационно-технологических систем 
и связи, релейной защиты и автоматики, производителей интеллектуальной 
цифровой техники и информационно-технологического оборудования.  
 
УДК 621.311.4(075) 
ББК 31.278я7 
 
 
ISBN 978-5-7882-2587-6 
© Валеев И. М., Макаров В. Г., 2019 
© Казанский национальный исследовательский  
технологический университет, 2019 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 6 
 
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ .................................................. 8 
 
Глава 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЦПС ........................................................... 11 
 
1.1. Особенности проектирования ............................................................................ 11 
1.2. Перечень функциональных систем, входящих в ЦПС .................................... 14 
1.3. Цифровая подстанция по стандарту МЭК 61850 ............................................. 18 
1.4. Основные принципы построения цифровой подстанции ............................... 25 
1.5. Функциональная координирующая подсистема в составе ЦПС .................... 27 
 
Глава 2. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОГО  
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ............................................................................................... 32 
 
2.1. Измерительные электронные трансформаторы ............................................... 32 
2.2. Силовые интеллектуальные трансформаторы ................................................. 34 
2.3. Гибкие системы передачи переменного тока FASTS ...................................... 35 
2.4. Управляемые шунтирующие реакторы ............................................................ 36 
2.5. Статические компенсаторы реактивной мощности ......................................... 38 
2.6. Фазоповоротные устройства .............................................................................. 40 
2.7. Вставки постоянного тока .................................................................................. 41 
2.8. Накопители электрической энергии .................................................................. 42 
2.9. Структура системы накопления энергии .......................................................... 43 
2.10. Современные накопители электрической энергии ........................................ 44 
2.10.1. Суперкондесаторы ..................................................................................... 44 
2.10.2. Маховики или кинетические накопители ................................................ 45 
2.10.3. Сверхпроводящие индукционные накопители энергии ............. .......... 46 
2.11. Микросети и управление распределенными источниками  
электрической энергии .............................................................................................. 47 
2.12. Дополнительные приборы и устройства технологии считывания  
и измерения на уровне потребителей ....................................................................... 48 
 
Глава 3. СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ, УПРАВЛЕНИЯ, ЗАЩИТЫ  
И ИЗМЕРЕНИЙ .......................................................................................................... 55 
 
3.1. Совершенствование методов контроля и управления ЦПС ........................... 55 
3.2. Интерфейсы и методы поддержки принятия решений ................................... 56 
3.3. Интерфейс операторских станций ..................................................................... 57 
3.4. Программное, информационное и метрологическое обеспечение ................ 61 

3.5. Информационная и комплексная безопасность обслуживания  
энергоустановок в процессе эксплуатации .............................................................. 65 
3.5.1. Технико-экономические преимущества технического  
обслуживания по фактическому состоянию оборудования ............................... 69 
3.5.2. Компоненты проактивной системы технического обслуживания .......... 70 
3.6. Система сбора производственно-технологической информации .................. 70 
3.6.1. Информационные датчики .......................................................................... 71 
3.6.2. Датчики на подстанциях и линиях электропередач ................................. 73 
3.6.3. Анализ методов контроля конструкций сетевого оборудования  
с использованием беспроводных датчиков ......................................................... 81 
3.6.4. Дистанционные методы диагностики электрооборудования .................. 81 
3.6.5. Обнаружение ЧР по радиоволновому излучению .................................... 82 
3.6.6. Акустический метод регистрации ЧР ........................................................ 84 
3.6.7. Оптический метод регистрации ЧР ............................................................ 87 
3.6.8. Тепловизионная диагностика изолирующих конструкций ...................... 93 
3.6.9. Методы комплексной дистанционной диагностики  
многоэлементных изолирующих конструкций ................................................... 95 
3.7. Робототехника на обслуживании высоковольтных линий  
электропередачи ....................................................................................................... 101 
 
Глава 4. ИНТЕГРАЦИЯ РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С СИСТЕМАМИ  
ТЕХНИЧЕСКОГО И КОММЕРЧЕСКОГО УЧЕТА ............................................. 107 
 
4.1. Общие технические требования к автоматизированной  
информационно-измерительной системе .............................................................. 107 
4.1.1. Требования к интеллектуальным трансформаторам тока  
и напряжения для ЦПС ........................................................................................ 108 
4.1.2. Требования к промконтроллерам ............................................................. 111 
4.1.3. Требования к информационно-вычислительному комплексу ............... 112 
4.1.4. Требования к каналам связи между ИВК и ИАСУ КУ .......................... 113 
4.1.5. Требование к каналам связи между ИИК и ИВКЭ ................................. 114 
4.2. Автоматизированная информационно-измерительная система  
коммерческого учета электроэнергии .................................................................... 114 
4.3. Структурная схема АСКУЭ электрических сетей ......................................... 118 
4.4. Структура АИИС промышленных предприятий ........................................... 119 
4.5. Организация автоматизированного коммерческого и технического  
учета электрической энергии .................................................................................. 120 
4.6. Система релейной защиты и автоматики ЦПС на основе  
централизованной системы цифровых измерений ............................................... 123 
4.6.1. Структура каналов ввода данных ............................................................. 126 
4.6.2. Структура централизованной РЗА ........................................................... 127 
4.6.3. Организация передачи данных ................................................................. 129 
4.6.4. Процессорная подсистема ......................................................................... 130 

4.7. Система противоаварийной автоматики ......................................................... 131 
4.7.1. Структура системы ПА .............................................................................. 131 
4.7.2. Функции автоматического дозированного и локального  
воздействия ........................................................................................................... 134 
4.7.3. Функции локальных микропроцессорных устройств  
или комплексов ПА .............................................................................................. 134 
 
Глава 5. ПРОГРАММА ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ОПЕРАТИВНО- 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ............................................................. 141 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................ 148 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................................................... 149 
 
 
 

5

ВВЕДЕНИЕ 
 
Разработка и внедрение технологий цифровой подстанции в настоящее 
время являются одними из наиболее динамично развивающихся направлений в 
формировании интеллектуальной энергетики. Данный факт вызван заинте-
ресованностью энергетических компаний в повышении эффективности работы 
электросетевого комплекса. При этом основной задачей остается обеспечение 
надежного электроснабжения потребителей [1]. 
Действующая в стране (в том числе и в нашей республике) энергосистема 
состоит в значительной степени из центральных станций, подстанций, связан-
ных сетью высокого напряжения с местными электрическими системами рас-
пределения, которые, в свою очередь, снабжают энергией дома и промышлен-
ные компании. Также известно, что в электроэнергетической системе преобла-
дающими средствами управления основными режимами работы и параметрами 
электроустановок являются преимущественно механические, существенно сни-
жающие устойчивость работы всей системы. 
Российские электрические сети представляют собой по существу «одно-
сторонний трубопровод» для передачи электрической энергии, произведенной в 
ограниченном количестве на крупных центральных электростанциях, в главные 
центры потребления. Вся энергосистема, от генерации до передачи и распреде-
ления, основана на предпосылке, что нагрузку потребителя требуется выравнивать 
с выработкой электроэнергии. Согласование спроса и предложения в режиме 
реального времени достигается установками на стороне производителя энергии. 
Электропотребление потребителя не подвергается управлению и контролю, 
тем более что существующая структура выработки и преобразования, передачи 
и поставки электроэнергии потребителю несовершенна, нечетко разработана ее 
стратегия развития, чтобы удовлетворить требованиям реструктурированного 
рынка электричества. 
Немаловажное значение имеют и вопросы электробезопасности. Инфраструктура 
энергосистемы стала уязвимой для различных угроз ее безопасности. 
Примером тому служат крупные аварии с массовым отключением электричества, 
имевшие место в последние годы в США и России. Первоочередной реакцией 
со стороны общества на произошедшее было: «Как это могло случиться, 
почему отключения носили столь масштабный характер и  что нужно сделать 
для предотвращения подобных ситуаций в будущем?». Ответ очевиден – энергосистема 
должна быть не только более надежной и безопасной, но и более управляемой. 
Для предотвращения каскадных отключений подобного масштаба 
управляемость системы должна обеспечивать, с одной стороны, более эффек-
тивное автоматическое регулирование энергетических потоков в реальном вре-
мени, с другой – самообнаружение повреждений на ранней стадии и «самоза-
живление» их таким образом, чтобы будущие аварии могли быть вовремя обна-
ружены и локализованы.  
В настоящее время имеются разные подходы и концепции создания техно-
логий цифровых подстанций. Различают централизованный и децентра-

лизованный подход построения цифровых систем управления подстанция-
ми [3, 4].  
Новые подходы цифровизации электроэнергетики и экономики должны 
способствовать повышению надежности, устойчивости электроснабжения, со-
кращению объема его технического обслуживания и затрат на эксплуатацию. 
При этом главной задачей внедрения цифровых подстанций является оптимиза-
ция процесса строительства и закупки электросетевого оборудования, приводя-
щая к снижению операционных и капитальных затрат в целом. 
Анализ мирового опыта развития современных подстанций, направленно-
го на создание цифровой подстанции (ЦПС), свидетельствует о том, что в насто-
ящее время существует большое разнообразие точек зрения и подходов к тому, 
что следует понимать под этим термином. Все же в большинстве работ, посвя-
щенных данной проблеме, обычно в качестве определяющего признака ЦПС ис-
пользуется ее «тотальная» развитость, т.е. констатация того, что все процессы 
информационного обмена между элементами программно-аппаратного комплек-
са (ПАК) подстанции (ПС) осуществляются в цифровом виде. При этом суще-
ственно меньшее внимание уделяется вопросам функционального развития всех 
информационно-технологических систем подстанций и повышения их уровней 
автоматизации. 
В настоящее время ПАО «Федеральная сетевая компания Единой электри-
ческой системы» реализует инновационную программу «Цифровая подстанция» 
и осуществляет разработку концепции ПАК подстанции. Также планируется 
приступить к созданию опытного полигона и прототипа ПАК, испытания кото-
рого должны быть завершены в ближайшие годы. 
Работы в указанном направлении активно ведутся в США, Великобрита-
нии, Китае, Бразилии. Под термином «цифровая подстанция» в данном случае 
понимается подстанция с применением интегрированных цифровых систем измерения, 
релейной защиты, управления высоковольтным оборудованием, использующих 
цифровые трансформаторы тока и напряжения. 
Известно [4, 5], что структура систем управления электроэнергетическими 
объектами в значительной мере определяется уровнем развития информационных 
и микропроцессорных технологий. Также в состав информационно-
технологических систем (ИТС) подстанций наряду с другими должна входить и 
система релейной защиты и автоматики (РЗА), играющая важную роль в составе 
ЦПС. Появление в 1970-х гг. микропроцессоров кардинально изменило ситуацию, 
создав предпосылки для построения распределенных систем РЗА. На 
начальном этапе внедрения микропроцессорных средств в технику релейной защиты 
одним из их основных достоинств называлась универсальность, т.е. способность 
решать различные задачи.  
 
 

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 
 
ААС – активно-адаптивная сеть 
АББМ – аккумуляторная батарея большой мощности 
АДВ – автоматическое дозированное воздействие 
АИИСКУЭ – автоматизированная информационно-измерительная система коммерческого 
учета электроэнергии 
АЛАР – автоматическая ликвидация асинхронного режима  
АОПО – автоматическое ограничение перегрузки оборудования  
АОСН – автоматическое ограничение снижения напряжения  
АОСЧ – автоматическое ограничение снижения частоты 
АР – асинхронный режим  
АРПМ – автоматическая разгрузка по мощности 
АСККЭ – автоматизированная система контроля качества электроэнергии 
АСТУ – автоматизированная система технологического управления (сетей) 
АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическими процессами (
подстанции) 
АЦП – аналого-цифровые преобразователи 
БД – база данных 
БСК – статическая конденсаторная батарея 
ВИЭ – возобновляемые источники энергии 
ВЛ – воздушные линии 
ВОЛС – волоконно-оптические линии связи  
ВОСП – волоконно-оптическая система передачи 
ВПТ – вставка постоянного тока 
ГВО – график временного отключения 
ДЗЛ – дифференциальная защита линии 
ДЗТ – дифференциальная защита трансформаторов 
ДП – диспетчерский пункт  
ДЦ – диспетчерский центр 
ЕНЭС – «Единая национальная электрическая сеть» 
ЕЭС – «Единая энергетическая система» 
ИВК – информационно-вычислительный комплекс 
ИИК – измерительно-информационный комплекс 
ИК – инфракрасный  
ИКМ – интеллектуальный кэширующий маршрутизатор 
ИП – источник питания 
ИТС – информационно-технологические системы 
ИУ – исполнительные устройства  
ИЭС – интеллектуальная энергосистема 
КВПУ – комплектное выпрямительно-преобразовательное устройство 
КЗ – короткое замыкание 
КИ – контролируемая изоляция  
КО – контролируемый объект  

КТП – комплектные трансформаторные подстанции 
КЭ – качество электроэнергии  
ЛВС – локальная вычислительная сеть 
ЛЗШ – логическая защита шин 
ЛЭП – линии электропередач 
МВИ – методика выполнения измерений  
МКП – микроканальная пластина 
МЭК – Международная электротехническая комиссия 
МЭС – магистральные электрические сети 
НТП – нормы технологического проектирования  
ОВБ – оперативно-выездная бригада ОДС  
ОДС – оперативная диспетчерская служба 
ОДУ – объединенное диспетчерское управление 
ОИК – оперативно-информационный комплекс  
ОИС – опорный источник света  
ОИС – опорный источник сигнала  
ОМП – определение места повреждения 
ОПР – обслуживание по регламенту 
ОПУ – оперативный пункт управления  
ОРУ – открытое распределительное устройство 
ОРЭ – оптовый рынок электроэнергии 
ОС – операционная система  
ОФС – обслуживание по фактическому состоянию 
ОЭС – «Объединенная энергетическая система» 
ПА – противоаварийная автоматика 
ПАК – программно-аппаратный комплекс 
ПАО – проактивная система обслуживания 
ПЗС – прибор с зарядовой связью 
ПКЭ – показатель качества электроэнергии 
ПМЭС – предприятия магистральных электрических сетей 
ПО – программное обеспечение 
ППР – планово-предупредительный ремонт 
ПС – подстанция  
ПТК – программно-технический комплекс 
ПТС – программно-технические средства 
ПЧР – поверхностные частичные разряды  
РАС – регистрация аварийных событий 
РДУ – региональное диспетчерское управление 
РЗА – релейная защита и автоматика 
РПН – регулирование под напряжением 
РТО – ремонтно-техническое обслуживание  
СК – синхронный компенсатор 
СКРМ – статический компенсатор реактивной мощности 
СНЭ – современный накопитель энергии 

СО – системный оператор  
СОЕВ – система обеспечения единого времени 
СОТ – сверхпроводниковый ограничитель тока 
СП – сверхпроводник 
СПИН – сверхпроводящий индукционный накопитель энергии 
ССПИ – система сбора и передачи информации 
СТК – статический тиристорный компенсатор 
СФ – светофильтр  
ТН – трансформаторы напряжения  
ТО – техническое обслуживание  
ТС – техническое состояние 
ТТ – трансформаторы тока  
УВ – управляющие воздействия 
УД – ультразвуковой дефектоскоп 
УПАСК – устройства передачи аварийных сигналов и команд  
УРОВ – устройство резервирования при отказе выключателя  
УСО – устройство связи с объектом 
УСПД – устройство сбора и передачи данных 
УТ – устройства телемеханики 
УФ – ультрафиолетовый  
УШР – управляемый шунтирующий реактор 
ФК – фотокатод 
ФКП – функциональная координирующая подсистема 
ФПУ – фазоповоротное устройство 
ФСК – федеральная сетевая компания 
ФЭУ – фотоэлектронный умножитель 
ЦВУ – центральное вычислительное устройство 
ЦК – цифровая камера 
ЦПС – цифровая подстанция 
ЦСОН – центр сбора и обработки информации 
ЦУС – центр управления сетями 
ЧР – частичный разряд 
ЭВМ – электронно-вычислительная машина 
ЭОД – электронно-оптический дефектоскоп 
ЭОП – электронно-оптический преобразователь 
ЭЭС – электроэнергетическая система 
 
 
 

10

Глава 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЦПС 
 
1.1. Особенности проектирования 
 
При создании ЦПС необходимо изучить, во-первых, назначение, структу-

ру существующих подстанций (распределительной, трансформаторной, узловой, 
проходной и прочих), во-вторых, методологию проектирования цифровой под-
станции в формате новых технологий (рис. 1.1) [4]. При  разработке ЦПС следу-
ет учитывать опыт использования цифровых технологий в электроэнергетике, а 
именно IED-устройств (интеллектуальное электронное устройство – intelligent 
electronic device), т.е. устройств, имеющих один или несколько процессоров и 
способных получать или направлять данные управляющего воздействия от 
внешнего источника или на внешний источник, или, например, на электронные 
многофункциональные измерительные приборы, цифровые реле, контроллеры, 
т.е. на устройства, способные выполнять функцию одного или нескольких за-
данных логических узлов, разграниченных своими интерфейсами.  
 

 
 
Рис. 1.1. Функциональная модель ЦПС, отражающая взаимосвязи  
через объекты системы 

Около двадцати лет назад появилось понятие интеллектуальных, или ак-
тивно-адаптивных, электрических сетей, что было связано, в частности, с резким 
ростом распределенных источников, в том числе возобновляемых источников 
энергии (ВИЭ), подключаемых к сетям [5, 6]. Интеллектуализация электриче-
ских сетей путем внедрения новейших информационных технологий для управ-
ления, защиты и мониторинга состояния оборудования и систем является одной 
из важнейших, но не единственной тенденцией развития электрических сетей 
XXI в. Другой важной тенденцией является активное воздействие потребителей 
на процессы в электросетях путем самостоятельного или управляемого измене-
ния объема получаемой электроэнергии на основании баланса своих потребно-
стей и возможностей энергосистемы. Управление потреблением, например, мо-
жет осуществляться в режиме оnline через многофункциональные счетчики 
электроэнергии. 
В настоящее время сформировалось понятие «цифровая подстанция» как 
полностью интегрированной, саморегулирующейся и самовосстанавливающейся 
электроэнергетической системы, управляемой единой сетью информационно-
управляющих устройств и систем в режиме реального времени [7, 8]. На основе 
протоколов Международной электротехнической комиссии (МЭК 61850) цифровая 
подстанция определяется как подстанция с высоким уровнем автоматизации 
управления технологическими процессами, оснащенная развитыми ИТС, 
управляющими системами и средствами (автоматизированными системами 
управления технологическими процессами – АСУ ТП, релейной защиты и автоматики – 
РЗА, противоаварийной автоматики – ПА, коммерческого учета электроэнергии – 
АИИСКУЭ, регистрации аварийных событий – РАС, определения 
места повреждения – ОМП, сети сбора и передачи информации – ССПИ и др.), в 
которой все процессы информационного обмена между элементами ПС, информационного 
обмена с внешними системами, а также управления работой ПС 
осуществляются в цифровом виде. 
Совершенствование электроэнергетической системы как полностью интегрированной, 
саморегулирующейся и самовосстанавливающейся началось еще в 
2000-х гг. с появлением понятия «умной» сети (Smart Grid), имеющей сетевую 
топологию и включающей в себя все генерирующие источники, магистральные 
и распределительные сети и все виды потребителей электрической энергии, 
управляемые единой сетью информационно-управляющих устройств и систем в 
режиме реального времени. 
«Умную» сеть можно наглядно представить в виде единого организма с 
помощью рис. 1.2. Как видно из рисунка, все эти сети стоят на двойном основа-
нии: сетевом интеллектуальном оборудовании и информационной инфраструк-
туре. Инструментами адаптивной подстройки к внешним и внутренним техноло-
гическим изменениям среды являются две «руки» – силовые устройства под-
стройки (устройства FACTS) и электронные устройства тонкой подстройки – 
новое поколение микропроцессоров – IED (интеллектуальные электронные 
устройства) [9–13]. 

Рис. 1.2. «Умные» сети как единый технологический комплекс 
 
Интеллектуальные электронные устройства – это многофункциональные 
устройства. Они используются в первую очередь как процессоры, а также как 
цифровые датчики информации и средства автоматизации. IED собирают дан-
ные, а затем выполняют дополнительные расчеты и реализуют логику принятого 
алгоритма. Важным является то, что в дополнение к текущим значениям эти 
приборы записывают информацию об исправности, эксплуатационные характе-
ристики и историю объекта. Все это и составляет «интеллект» IED, который они 
проявляют в процессе эксплуатации. Протоколы и каналы связи, имеющиеся в 
IED и устройствах связи, позволяют интегрировать информацию. Управляется 
все это центром («мозгом»), включающим базу данных, технологические систе-
мы управления, операторов и диспетчеров. Язык общения – протокол IEC 61850, 
нервная система – единая процессорная шина, позволяющая работать в режиме 
реального времени. 
Интеллектуальные силовые высоковольтные устройства, устанавливаемые 
на подстанциях, – это прежде всего трансформаторное оборудование, коммута-
ционные комплектно-распределительные устройства и системные сило-
вые устройства, обеспечивающие оптимальную работу электрической сети как 
системы.