Проведение испытаний опытных образцов ЦГДТ. Разработка ТЭО

1. НИОКР «Разработка цифровых гальваноизолированных датчиков тока (ЦГДТ) 6-20 кВ без подключения к цепям питания с учетом

требований МЭК 61850»
Этап 3 «Проведение испытаний опытных образцов ЦГДТ.
Разработка ТЭО»
Докладчик:
Директор по науке ООО «НПП Бреслер»,
д.т.н., профессор
Александр Витальевич Булычев
Сентябрь 2023 Москва

2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ НИОКР

Цель работы:
Целью работы является разработка серии цифровых гальваноизолированных датчиков
тока (ЦГДТ) 6-20 кВ без подключения к цепям питания их измерительных элементов с учетом
требований МЭК 61850-9-2. (шифр «ЦГДТ»).
Задачи 3 этапа НИОКР:
● Разработка проектной и рабочей документации на однофазные и трехфазные ЦГДТ.
● Разработка Программы и методики испытаний опытных образцов ЦГДТ на объекте(ах)
Заказчика.
● Проведение испытаний опытных образцов ЦГДТ на объекте(ах) Заказчика.
● Выполнение технико-экономического обоснования применения однофазных и трехфазных
ЦГДТ в цепях напряжения 6-20 кВ.
2

3. ДОКУМЕНТАЦИЯ НА ЦГДТ

Разработан комплект документации на создание однофазных и
трехфазных ЦГДТ:
● Первичный преобразователь сигналов:
- Первичная и вторичная обмотки
- Корпус, изоляция, клеммы
● Блок электроники с функцией самодиагностики:
- Передающий блок
- Принимающий блок
- Блок питания
- ВОЛС
- Инструкции по программированию блоков
● Конструкторская документация на Испытательное оборудование:
- Испытательный трансформатор и испытательная установка
- Конструкторская документация на Технологическую оснастку для
изготовления
опытных образцов ЦГДТ:
● Проект по проведению испытаний на объекте Заказчика
- Конструктивные схемы установки ЦГДТ в ячейки РУ
- Электрические схемы подключения.
3

4. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ ЦГДТ

Разработана и реализована комплексная программа и методика
испытаний опытных образцов ЦГДТ.
Комплексная ПМИ:
● Предварительные испытания в лаборатории ООО «НПП Бреслер».
● Испытания в независимой лаборатории
(Александровский испытательный центр «АИЦ).
● В испытательном центре «Россети Московский регион» в г.Кашире.
● Приемо-сдаточные испытания.
● Испытания на объекте Заказчика в форме опытной эксплуатации на ПС Бронницы.
Содержание ПМИ
● Цели испытаний
● Виды испытаний
● Место проведения
● Требования к средствам и условиям
● Требования к безопасности
● Определяемые показатели
● Методы испытаний
● Формы отчетности
4

5. ПРИЕМНЫЙ БЛОК И БЛОК ЭЛЕКТРОНИКИ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ЦГДТ

Блок электроники ЦГДТ с
ВОЛС
Передающий блок ЦГДТ
функцией
самодиагностики
Порты Ethernet для
подключения к шине
процесса ПС по протоколам
МЭК 61850
Приемный блок ЦГДТ
Приемный блок ЦГДТ
Входы для подключения
ВОЛС от первичного
преобразователя
5

6. ОПЫТНЫЕ ОБРАЗЦЫ ЦГДТ

Основные параметры опытного образца:
● Номинальное напряжение
10 кВ.
Приемный блок ЦГДТ
● Номинальный первичный ток 1000 А.
● Выходной сигнал – в формате МЭК-618509.2-SV.
● Тип выходного интерфейса - Ethernet
100Base-FX (с синхронизацией PTP).
● Диапазон линейного преобразования от 0,01
до 40 Iном (реализована работа ЦГДТ при
нулевом первичном токе).
● Состав:
- первичный преобразователь;
- передающий блок;
Первичный
- приемный блок.
преобразователь
о
● Температурный диапазон от -40 до +60 С.
Проработана возможность заливки передающего
блока компаундом вместе с первичным
преобразователем. Но на этапе освоения ЦГДТ
передающий блок целесообразно выполнять без
заливки с целью сохранения наблюдаемости и
ремонтопригодности.
Первичный преобразователь
и передающий блок
опытного образца ЦГДТ
Передающий блок
6

7. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ЦГДТ

Синхронизирующая информация от системы точного
времени объекта; MMS-сообщения
Данные
синхронизации
MMS
Данные
синхронизации
Мгновенные значение тока по 3+1 фазам
Высокочастотная потоковая передача данных по
волоконно-оптическому каналу связи
Диагностическая информация по 3+1 первичным
фазным датчикам
Метка времени относительно начала секунды
7

8. ПРОГРАММА ИСПЫТАНИЙ

Виды испытаний и проверок
Определяемые показатели
Номер
пункта
ПМИ
Результат испытаний
Внешний осмотр, проверка
маркировок выводов, габариты,
размеры
Удовлетворительный внешний вид, полная
комплектность, соответствующая маркировка,
масса, габаритные и установочные размеры
5.1
Удовлетворительно.
Соответствует РД
Проверка непрерывности цепи
защитного заземления
Сопротивление цепи защитного заземления не
более 0,1 Ом
5.2
Соответствует ПТЭ
Измерение сопротивления
изоляции первичных вводов
Сопротивление изоляции между первичными
вводами и болтом заземления более 1000 МОм
5.3
Соответствует ТЗ
Минимальный первичный ток, необходимый для
эксплуатации устройства, не менее 0,05 кА
5.4
Работоспособен при первичном
токе от 0,05кА без внешнего
питания. Соответствует ТЗ
Потребляемая мощность на минимальном
Проверка потребляемой мощности первичном токе
5.5
Потребляемая мощность не
превышает 100 Вт.
Соответствует ТЗ
Комплексная проверка
работоспособности
Исправность цифрового выхода в соответствии
МЭК 61850-9.2 SV и МЭК 61869-9
5.6
Удовлетворительно.
Соответствует ТЗ
Возможность питания от
стороннего источника
Проверка возможности работы с питанием ЦГДТ
от стороннего источника
5.6
Удовлетворительно.
Соответствует ТЗ
Проверка соответствия классу точности не ниже
0,5s в диапазоне токов от 0,01 до 1,2 Iном
5.6
Соответствует классу
точности 0,2s. Соответствует
НТД
Проверка соответствия классу точности не ниже
5.6
Соответствует классу
Испытания минимального
первичного тока
Определение метрологических
характеристик
Определение метрологических
8

9. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТОКА ОТ 0,01 ДО 1,2 НОМИНАЛЬНОГО

Статическая погрешность преобразования вход – Статическая погрешность преобразования вход –
выход ЦГДТ (по МЭК 61850) в диапазоне токов от выход ЦГДТ (по МЭК 61850) в диапазоне токов от
0.01 до 1.2 номинального (Испытательный центр
0.01 до 1.2 номинальных (Лаборатория ООО
«Россети Московский регион» в г.Кашира)
«НПП Бреслер»)
Погрешность преобразования
Погрешность преобразования
0,4
0,4
0,35
0,3
0,3
0,2
0,25
δ, % 0,2
0,1
Верхняя граница
допустимых
погрешностей
0,15
δ, %
-300
0,1
0,05
0
200
700
-0,1
0
0
200
400
600
I1 (A)
800
1000
1200
-0,2
В диапазоне токов от 0,01 до 1,2 номинального
значение токовой погрешности составляет от ±0,75 до
±0,2% и не выходит за границы допустимых значений
для класса точности 0,2s.
Погрешность
калибруемого ТТ
Нижняя граница
допустимых
погрешностей
-0,3
-0,4
1200
I1 (A)
В диапазоне токов от 0,01 до 1,2 номинального значение
токовой погрешности в пределах допустимых – от ±0,75 до
±0,2%, что соответствует классу точности 0,2s.
9

10. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ БОЛЬШИХ ТОКОВ

Статическая погрешность преобразования вход – выход ЦГДТ в диапазоне больших токов до
40 номинального (40 кА)
Погрешность преобразования
5
4,5
4
3,5
3
2,5
δ, %
2
1,5
1
0,5
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
I1, (A)
Статическая погрешность преобразования вход – выход ЦГДТ в диапазоне больших токов до 40
номинального (40 кА) не превышает 5%, что соответствует требованиям класса точности 5Р и 10Р для
РЗА (Лаборатория ООО «НПП Бреслер»).
10

11. ПРОЕКТ ОПЫТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ ЦГДТ НА ПС БРОННИЦЫ

Для испытаний на объекте Заказчика созданы условия,
близкие к условиям использования ЦГДТ в составе ЦПС.
Установлены опытные образцы ЦГДТ в 2-х ячейках
отходящих линий (в одной – комплект однофазных, в
другой – трехфазный ЦГДТ).
Организован сбор и запись данных с выходов всех ЦГДТ
в формате МЭК-61850-9-2-SV.
Обеспечена синхронизация данных от ЦГДТ.
Обеспечена возможность передачи файлов,
формируемых ЦГДТ, Разработчикам ЦГДТ через 3G
роутер.
Для регистрации и передачи данных изготовлен и
установлен
на подстанции
соответствующий
шкаф.
Ведется
непрерывный
авторский
надзор за работой
ЦГДТ
в реальных условиях опытной эксплуатации на ПС
Бронницы.
Выходные сигналы ЦГДТ и соответствующих штатных ТТ
в формате
МЭК-61850-9.2-SV непрерывно регистрируются и
передаются для анализа в ООО «НПП Бреслер» со дня
ввода в опытную эксплуатацию.
В течение всего периода авторского надзора (более 3
месяцев) ЦГДТ работают нормально без сбоев.
Полная схема регистрации, синхронизации и передачи
выходных сигналов ЦГДТ при их испытании на объекте
Заказчика приведена в Отчете
11
(Том-1, Проект опытной эксплуатации).

12. СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕКТЕ ОПЫТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ ЦГДТ В РАМКАХ 3-ГО ЭТАПА НИОКР

ПС Бронницы («Россети
Московский регион», Южные
электрические сети)
Рабочее напряжение:110/10 кВ.
Количество силовых
трансформаторов: 2
Установленная мощность
трансформаторов: 80 МВА.
Трансформаторы ПС: 2x40 МВА.
Год ввода в эксплуатацию: 2013 г.
Внешний вид двери
релейного отсека
ячейки
Приемный блок ЦГДТ в
релейном отсеке ячейки
Приемный блок ЦГДТ
12

13. ШКАФ РЕГИСТРАЦИИ И ПЕРЕДАЧИ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ ЦГДТ

Внешний вид шкафа РАС и связи,
установленного на ПС Бронницы
Вид внутреннего содержания шкафа РАС и связи
13

14. РЕГИСТРАЦИЯ И ПЕРЕДАЧА ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ ЦГДТ ПС БРОННИЦЫ

Вид экрана при регистрации выходных сигналов ЦГДТ
В опытных образцах
ЦГДТ отсутствует
возможность
удаленного
перепрограммировани
я посредством
интерфейса Ethernet.
Изменение
конфигурации или
программного
обеспечения по сети
Ethernet в опытном
образце ЦГДТ не
предусмотрено.
14

15.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЦГДТ
● Разработанный в рамках НИОКР цифровой гальваноизолированный датчик тока
(ЦГДТ) предназначен для использования на высокоавтоматизированных («цифровых»)
подстанциях на ступенях напряжений 6-20 кВ.
● Экономическая и техническая эффективность проявится в составе
высокоавтоматизированных подстанций, выполненных с применением ЦГДТ.
● Новые возможные варианты надо сравнить с базовым, используемым в настоящее
время.
Задачи ТЭО:
1. Выбор схемы построения релейной защиты на основе ЦГДТ.
2. Определение ключевых инженерно-экономических показателей проекта релейной защиты
на основе ЦГДТ.
3. Оценка эффективности инвестиционного проекта применения ЦГДТ.
15

16.

БАЗОВЫЙ ВАРИАНТ СХЕМЫ
16

17.

ВАРИАНТ-1 СХЕМЫ С ЦГДТ (радиальная цифровая сеть)
17

18.

СРАВНЕНИЕ С БАЗОВЫМ: ВАРИАНТ-1 СХЕМЫ (радиальная сеть)
Наименование оборудования
Цена единицы с
НДС, тыс.руб
Количество
присоединений к
СШ, шт.
Количество
элементов, шт.
Цена комплекта с
НДС на секцию
шин, тыс. руб
TT
25
10
30
750
T0
22,8
10
10
228
Терминал присоединения
237,6
10
10
2376
РПЦ выключателя
82
10
10
820
Терминал централизованный
720
1
1
720
Коммутатор
275
1
1
275
Сумма-Базовый
5169
Средняя стоимость на 1 присоединение к СШ
516,9
Вариант 1
ЦГДТ
182
10
10
1820
РПЦ выключателя
82
10
10
820
Терминал централизованный
720
1
1
720
Коммутатор
275
1
1
275
Сумма-Вариант 1
3635
Средняя стоимость на 1 присоединение к СШ
363,5
Кратность стоимости нового относительно
базового, о.е.
0,70
18

19.

СРАВНЕНИЕ С БАЗОВЫМ: ВАРИАНТ-1 (дорогой) СХЕМЫ
(радиальная сеть с дублированием коммутатора и централизованного терминала)
Наименование оборудования
Цена единицы с
НДС,
тыс. руб
Количество
присоединений к СШ, шт.
Количество
элементов, шт.
Цена комплекта с
НДС на секцию
шин, тыс. руб
TT
25
10
30
750
T0
22,8
10
10
228
Терминал присоединения
237,6
10
10
2376
РПЦ выключателя
82
10
10
820
Терминал централизованный
720
1
1
720
Коммутатор
275
1
1
275
Сумма-Базовый
5169
Средняя стоимость на 1 присоединение СШ
516,9
Вариант-1 с дублированием
ЦГДТ
182
10
10
1820
РПЦ выключателя
82
10
10
820
Терминал централизованный
720
2
2
1440
Коммутатор
275
2
2
550
Сумма-Вариант 1
4630
Средняя стоимость на 1 присоединение СШ
463
Кратность стоимости нового относительно
базового, о.е.
0,90
19

20.

ВАРИАНТ-2 СХЕМЫ С ЦГДТ (кольцевая сеть)
20

21.

СРАВНЕНИЕ С БАЗОВЫМ: ВАРИАНТ-2 СХЕМЫ (двойная кольцевая сеть)
Вариант 2 с двойной кольцевой структурой цифровой сети наиболее выгодный: 0.65 стоимости базового варианта;
первый вариант 0,7 (без дублирования) и 0,9 (с дублированием) приемлемы, т.к. их стоимость ниже стоимости
базового варианта.
Наименование оборудования
Цена единицы с
ндс, тыс.руб
Количество
присоединений к СШ, шт.
Количество
элементов, шт.
Цена комплекта с
НДС на секцию
шин, тыс.руб
TT
25
10
30
750
T0
22,8
10
10
228
Терминал присоединения
237,6
10
10
2376
РПЦ выключателя
82
10
10
820
Терминал централизованный
720
1
1
720
Коммутатор
275
1
1
275
Сумма-Базовый
5169
Средняя стоимость на 1 присоединение СШ
516,9
Вариант-2 кольцевая сеть
ЦГДТ
182
10
10
1820
РПЦ выключателя
82
10
10
820
Терминал централизованный
720
1
1
720
Сумма-Вариант 2
3360
Средняя стоимость на 1 присоединение СШ
336
Кратность стоимости нового относительно базового,
о.е.
0,65
21

22. СОКРАЩЕНИЕ СТОИМОСТИ НОВЫХ ВАРИАНТОВ ОТНОСИТЕЛЬНО БАЗОВОГО

Графики зависимости кратности стоимости вариантов относительно базового в зависимости от
количества присоединений 6-20 кВ
Вариант 1 (радиальная схема с коммутатором)
Вариант 2 (кольцевая схема)
22

23. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНВЕСТИЦИОННОГО ПРОЕКТА ПРИМЕНЕНИЯ ЦГДТ В МАСШТАБАХ ОДНОЙ ПОДСТАНЦИИ

Ключевые показатели инвестиционного проекта применения ЦГДТ (на 1
секцию шин 10 кВ, 10 присоединений):
● Учитываемые факторы:
– составляющая экономического эффекта, связанная с изменением стоимости
оборудования;
– эффект, связанный с упрощением и удешевлением процесса монтажа и наладки;
- трудоемкость обслуживания ПС по варианту с ЦГДТ не выше, чем при базовом варианте,
т.к. в ЦГДТ предусмотрена самодиагностика и можно реализовать обслуживание «по
состоянию» (при оценке эффективности можно не учитывать эффект от обслуживания)
● Внутренняя норма доходности (international rate of return - IRR), IRR =15%
(процентная ставка по кредитам ведущих банков, например, 11,7% в Сбербанке, меньше
значения IRR, поэтому предлагаемый проект рентабелен, и может быть реализован при
дорогих кредитах до 15%).
● Чистый дисконтированный доход (net present value - NPV), NPV= 2,93 млн. руб.
Вывод: Проект построения релейной защиты на высокоавтоматизированной
подстанции на основе ЦГДТ по предложенной схеме (в масштабах одной подстанции)
является окупаемым и может быть реализован, как за счет собственных средств, так и
за счет привлечения авансируемого капитала.
23

24. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ГРУППЫ ПОДСТАНЦИЙ НА ОСНОВЕ ЦГДТ

Ключевые показатели инвестиционного проекта применения ЦГДТ при строительстве группы
подстанций:
● Продолжительность проекта - 10 лет.
● Количество строящихся подстанций – 2 ПС в год.
● Стоимость базового варианта построения РЗА при реализации 2 ПС – 51,69 млн. руб.
● Стоимость нового варианта построения РЗА на основе ЦГДТ при реализации 2 ПС –33,6 млн. руб.
● Стоимость разработки ЦГДТ (НИОКР) – 41,2 млн.руб.
● Чистый дисконтированный доход (net present value - NPV), NPV= 163,6 млн. руб.
● Срок окупаемости (дисконтированный) – 8 лет.
Чистый дисконтированный доход
200
Сумма, млн. руб.
150
100
50
0
-50
-100
-150
2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034
Доход -41,2 -71,2 -90 -96,5 -91 -75,1 -50,3 -18 20,52 64,26 112,2 163,6
Вывод: Проект построения релейной защиты группы высокоавтоматизированных подстанций на основе ЦГДТ по
предложенной схеме является окупаемым и дает экономию средств по сравнению с базовым вариантом более 163,6
млн.руб. В условиях ограничения финансирования за счет этой экономии можно построить на 10 объектов
24
больше.

25. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках 3-го этапа НИОКР в полном объеме выполнены работы:
•Разработана проектная и рабочая документация на однофазные и трехфазные ЦГДТ 6-20 кВ,
позволяющая изготавливать указанные ЦГДТ
•Разработана программа и методика всесторонних испытаний опытных образцов ЦГДТ в лабораториях и
на объектах Заказчика.
•Проведены всесторонние испытания однофазных и трехфазных опытных образцов ЦГДТ. Опытные
образцы ЦГДТ включены в опытную эксплуатацию на ПС Бронницы. Подготовлен и передан Заказчику
отчет о проведенных испытаниях опытных образцов ЦГДТ на объектах Заказчика, содержащий
протоколы испытаний и другие материалы
•Выполнено технико-экономическое обоснование применения однофазных и трехфазных ЦГДТ в цепях
напряжения 6-20 кВ. Показано, что проект построения релейной защиты на высокоавтоматизированной
подстанции на основе ЦГДТ по предложенной схеме является окупаемым и может быть реализован, как
на
отдельных
и при строительстве
группы подстанций
В рамках
4-гоподстанциях,
этапа НИОКРтак
запланированы
работы:
•Доработка образцов ЦГДТ по результатам проведенных испытаний
•Разработка эксплуатационной документации на однофазные и трехфазные ЦГДТ 6-20кВ
•Исследование патентоспособности разработанных технических решений
•Подготовка патентной заявки на разработанные технические решения
•Подготовка текстов научно-технических статей
25

26. Спасибо за внимание!