140
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
И АВТОМАТИКА
Цифровая электроподстанция
АО «ЧЭАЗ» напряжений 35/110/220 кВ
Коллэ
Р
.
В
.,
начальник отдела электроавтоматики АО «ЧЭАЗ»
Левшин
В
.
П
.,
технический директор ООО «ЦУП ЧЭАЗ»
Шурдов
М
.
А
.,
председатель совета директоров АО «ЧЭАЗ»
Р
азработка ЦПС-К была связана с необходи-
мостью реализации многочисленных тре-
бований стандарта МЭК 61850 и ряда стан-
дартов, определяющих силовое и вторичное
оборудование электроподстанций (ПС), в частности,
электроподстанций напряжений 35/110/220 кВ.
Анализ выполненных на АО «ЧЭАЗ» работ
показывает, что внедрение цифровых техноло-
гий при построении современных электропод-
станций позволяет предложить заказчикам ЦПС,
реализующую ряд преимуществ по сравнению
с традиционными действующими микропроцес-
сорными, среди которых:
1) оцифровка информации на ранней стадии полу-
чения информации с возможностью внедрения
цифровых защит, мониторинга и управления ПС,
а также с предиктивным анализом накопленной
информации;
2) шинная организация приемапередачи информа-
ции с возможностью повышения живучести ЦПС
за счет внедрения терминальной идеологии N+1;
3) использование волоконно-оптических линий свя-
зи (ВОЛС) с повышением гальваноизоляции и по-
мехоустойчивости каналов связи;
4) значительные эксплуатационные преимущества,
в частности:
– меньшее время перерыва электроснабжения
при авариях, более надежное и помехоустой-
чивое электроснабжение потребителей;
– меньшую стоимость ЦПС по сравнению с дей-
ствующими микропроцессорными;
– возможность поэтапной модернизации дей-
ствующих подстанций в направлении цифро-
вой, например, замену только морально уста-
ревшего вторичного кабельного хозяйства на
современное без существенной модерниза-
ции другого оборудования ПС;
– возможность резкого снижения требований
к квалификации обслуживающего персонала
автономной ЦПС с дальнейшим обслужива-
нием ЦПС выездными бригадами.
Желание максимально использовать все пре-
имущества ЦПС заставляет большинство извест-
ных разработчиков современных ПС предлагать
свои оптимальные, по их мнению, решения по-
строения цифровых подстанций, к которым и от-
носится частное решение построения ЦПС-К
АО «ЧЭАЗ» напряжений 35/110/220 кВ.
При этом заказчикам предлагается один из воз-
можных экономичных вариантов построения ЦПС,
имеющей наиболее распространенную структуру
стандартного силового оборудования, размещен-
ного на территории открытого распределительного
устройства (ОРУ) с управлением из общестанцион-
ного пункта управления (ОПУ).
СЕРИЙНОЕ
РЕШЕНИЕ
АО
«
ЧЭАЗ
»
ДЛЯ
ЦПС
НАПРЯЖЕНИЙ
35/110/220
КВ
С учетом структуры силового оборудования стан-
дартной ПС была разработана структура и органи-
зован серийный выпуск экономичной цифровой ПС
Рис
. 1.
Пример
размещения
выносного
блока
на
раме
из
–
мерительных
трансформаторов
тока
:
а
)
два
выносных
блока
на
одной
раме
ИТТ
110
кВ
;
б
)
открытый
выносной
блок
;
в
)
подключение
выносного
блока
к
ВОЛС
Начиная
с
2004
года
АО
«
ЧЭАЗ
»
проводит
ряд
научно
–
технических
и
опытно
–
конструк
–
торских
работ
по
созданию
экономичных
цифровых
электроподстанций
с
высокими
характеристиками
кибербезопасности
,
помехоустойчивости
,
надежности
и
живучести
(
шифр
ЦПС
–
К
).
141
для напряжений 35/110/220 кВ, когда по-
строение ЦПС реализуется на базе одно-
го типового универсального цифрового
контроллера с набором выносных функ-
циональных блоков, устанавливаемых
в непосредственной близости к силовому
оборудованию ПС.
В настоящее время универсаль-
ный цифровой контроллер выпускается
АО «ЧЭАЗ» как типовое изделие — «Кон-
троллер цифровой универсальный с вы-
носными блоками (КЦУВБ) для присоеди-
нений 35–220 кВ (защита, автоматизация,
регистрация, измерение)». Контроллер
выпускается по ТУ БКЖИ.656316.010.
КЦУВБ имеет крейтовую многопро-
цессорную структуру.
Вычислительная мощность КЦУВБ
выбирается в соответствии с вычисли-
тельной мощностью, необходимой для
реализации заданных алгоритмов обра-
ботки информации.
Наличие в КЦУВБ крейтовых транс-
миттеров обеспечивает подключение
функциональных выносных блоков по
ВОЛС.
В состав КЦУВБ входят следующие
базовые функциональные блоки, отмеченные в таб-
лице 1.
Использование КЦУВБ в различных сочетаниях
с существующим набором выносных блоков позво-
ляет реализовывать практически любые конфигу-
рации вторичного оборудования ЦПС, например,
начиная с распределенного управления каждым
присоединением ЦПС и заканчивая единым цен-
трализованным многофункциональным цифровым
контуром защит, мониторинга, управления, реги-
страции аварийных событий и измерений, вклю-
чая коммерческие измерения потребляемой элек-
троэнергии и мощности, а также оценку качества
электроэнергии.
Отметим, что в случае необходимости реа-
лизации третьей архитектуры ЦПС (МЭК 61850,
полная ЦПС), согласно требованиям ПАО «ФСК
ЕЭС», блоки оцифровки аналоговой информации
комплектуются модулем формирования сигналов
в соответствии с протоколом МЭК 61850-9-2 LE
(SV), блоком приема и передачи дискретной ин-
формации — МЭК 61850-8-1 (GOOSE) и вычис-
лительным ядром КЦУВБ — трансивером МЭК
61850-8-1 (MMS).
Кроме того, с помощью блоков оптоэлектрон-
ных сплиттера и коммутатора для передачи ин-
формации по ВОЛС между ОРУ и ОПУ организу-
ются:
– универсальная цифровая гальваноизолирован-
ная оптико-волоконная шина процесса (в терми-
нах МЭК 61850) с повышенной пропускной спо-
собностью свыше нескольких Тбит/с;
– универсальная цифровая гальваноизолирован-
ная оптико-волоконная шина станции (в терминах
МЭК 61850).
Цифровые шины процесса и станции обеспе-
чивают работу ЦПС с оборудованием, реализую-
щим как протоколы МЭК 61850-9-2, МЭК 61850-9-2
LE, МЭК 61850-8-1, так и различные аппаратные
интерфейсы передачи информации.
Наиболее экономичным решением для ЦПС-К
является случай, когда в КЦУВБ организуется цен-
трализованная совместная обработка данных, на-
пример, одного рабочего напряжения. При этом
вычислительное ядро КЦУВБ (рисунки 3 и 4) позво-
Табл. 1. Базовые выносные функциональные блоки КЦУВБ
№
Функционал блока
Особенности использования
блока
1
Блок оцифровки аналого-
вой информации с выхода
измерительного трансфор-
матора напряжения (ИТН)
Для установки в ОРУ.
Рядом с ИТН.
Конструктив обеспечивает крепле-
ние на раме крепления ИТН.
2
Блок оцифровки аналого-
вой информации с выхода
измерительного трансфор-
матора тока (ИТТ)
Для установки в ОРУ.
Рядом с ИТТ.
Конструктив обеспечивает крепле-
ние на раме крепления ИТТ.
3 Блок приема и передачи
дискретной информации
Для установки в ОРУ.
Рядом с соответствующим автома-
тическим выключателем (АВ) или
разъединителем.
Конструктив обеспечивает крепле-
ние на раме крепления ИТТ/ИТН/АВ.
4 Блок оптоэлектронного
сплиттера (рисунок 2)
Для установки в ОРУ/ОПУ.
Для организации шины процесса/
станции (МЭК 61850).
5 Блок оптоэлектронного
коммутатора
Для установки в ОРУ/ОПУ
Для организации шины процесса/
станции (МЭК 61850).
Рис
. 2.
Модуль
для
блока
оптоэлектронного
сплиттера
№
4 (67) 2021
142
ляет реализовать функции релейных защит (основ-
ная и резервная защита), мониторинга, управления,
регистрации аварийных событий и измерений.
При этом КЦУВБ обеспечивает:
– многофункциональность режимов работы ЦПС за
счет использования единой аппаратно-программ-
ной платформы с организацией виртуальных
терминалов и линий связи;
– существенное снижение стоимости оборудования
ЦПС за счет внедрения централизованной обра-
ботки информации без традиционного аппаратно-
го деления функций.
Дополнительно в состав КЦУВБ входят:
– блок питания постоянным оперативным током;
– блок связи с верхним уровнем управления.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
И
АППАРАТНЫЕ
ПРЕИМУЩЕСТВА
ЦПС
–
К
НАПРЯЖЕНИЙ
35/110/220
КВ
Меньшая
стоимость
ЦПС-К по сравнению с тради-
ционными микропроцессорными ПС и цифровыми
ПС обуславливается следующими факторами:
– использование типового КЦУВБ с развитым ПО
в целом резко снижает объем оборудования
и стоимость ЦПС;
– использование собственной разработки ком-
пании «ЧЭАЗ» в виде блоков оптоэлектронных
сплиттера и коммутатора, которые собираются
в универсальную цифровую гальваноизоли-
рованную оптико-волоконную шину процесса
с повышенной пропускной способностью, а так-
же в шину станции, что обуславливает снижение
стоимости шин по сравнению с традиционными,
построенными на базе Ethernet маршрутизато-
ров/коммутаторов;
– использование блоков оптоэлектронных сплит-
тера и коммутатора уменьшает временные тех-
нологические задержки в 5–6 раз за счет отказа
от промежуточных буферизаций передаваемой
информации, а также за счет реализации комму-
тации цифровых данных на оптическом уровне.
Высокая
помехоустойчивость
ЦПС-К обу-
славливается использованием гальваноизоли-
рованных волоконно-оптических каналов для
приема и передачи данных в ОРУ и ОПУ.
Одним из значительных преимуществ ЦПС
является возможность реализации полной галь-
ванической изоляции оборудования открытого
распредустройства (ОРУ), размещаемого на ули-
це на территории ПС, от оборудования ОПУ. При
этом размещение рядом с измерительными ТТ,
ТН и АВ выносных блоков, выполняющих АЦП
и модуляцию светового потока для передачи по
ВОЛС, снижает требования к терминалам РЗА,
поскольку из их состава можно исключить АЦП.
Высокая
кибербезопасность
ЦПС-К обуслав-
ливается выделением специальных обособлен-
ных оптических каналов передачи данных от
каждого измерительного трансформатора и ис-
Рис
. 3.
Центральное
вычислительное
ядро
КЦУВБ
в
технологическом
шкафу
с
КЦУВБ
с
приоткрытой
дверью
(
ОПУ
)
Рис
. 4.
Центральное
вычислительное
ядро
КЦУВБ
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
И АВТОМАТИКА
143
пользованием специальных сплиттеров и комму-
таторов собственной разработки, построенных
по принципу «жесткой логики» с «зашитым ПО»
без применения стандартных Etnernet маршру-
тизаторов/коммутаторов с установленными опе-
рационными системами. При этом оптиковоло-
конные каналы передачи данных с повышенной
пропускной способностью (свыше нескольких
Тбит/с) обеспечивают полную гальваноизоляцию
измерительных элементов ЦПС-К, расположен-
ных в ОРУ, от оборудования, расположенного
в ОПУ.
Резкое в 100 (сто) и более раз увеличение про-
пускной способности шины процесса позволяет
избежать требований по «жесткой» синхрониза-
ции передаваемых данных (информация переда-
ется в том же темпе, что и по медным линиям свя-
зи), а также увеличить кибербезопасность линий
связи, идущих от измерительных трансформато-
ров тока и напряжения, за счет использования
выделенных каналов ВОЛС.
Высокая
живучесть
ЦПС-К обуславливается
возможностью организации гибкого дублирова-
ния аппаратных средств, включая КЦУВБ, и опе-
ративной совместной обработки накопленной
информации, в том числе с возможностью ее
предиктивного анализа.
В типовой проект ЦПС-К АО «ЧЭАЗ» закла-
дывается функция «роботизированного» управ-
ления подстанцией, что обеспечивает резкое
снижение требований к квалификации обслу-
живающего и эксплуатирующего персонала по
сравнению даже с традиционными микропроцес-
сорными подстанциями.
Большой
выбор
решений
по
поэтапной
мо
–
дернизации
оборудования действующих ПС об-
уславливается многофункциональностью и уни-
версальностью КЦУВБ и входящих в него блоков.
В частности, предложенные решения обеспе-
чивают:
– замену вторичного кабельного хозяйства дей-
ствующей ПС на современное без существенной
модернизации другого оборудования ПС либо
с частичной заменой морально устаревшего обо-
рудования;
– установку дополнительных цифровых контуров
защит, мониторинга, управления, РАС и измере-
ния, которые могут параллельно работать с дей-
ствующим оборудованием с последующим вводом
их в эксплуатацию параллельно действующим.
Поскольку ЦПС-К полностью удовлетворяет
требованиям стандарта МЭК 61850 к цифровым
подстанциям, типовой проект ЦПС-К может быть
представлен как в традиционной форме в виде
стандартных томов проектной и рабочей доку-
ментации, так и в цифровом виде с использова-
нием соответствующих описаний и конструкций
языка SCL.
Использование ВОЛС для передачи данных
и гальваноизоляция оборудования управления
ЦПС-К с размещением его в ОПУ обеспечивают
[email protected] [email protected]
www.cheaz.ru
Общество с ограниченной ответственностью
«Центр управления проектами
Чебоксарского электроаппаратного завода»
значительную гибкость проектантам ПС как в час-
ти размещения этого оборудования, так и в части
условий эксплуатации.
ИНФОРМАЦИЯ
ОБ
ОПЫТНО
–
ПРОМЫШЛЕННОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
ЦПС
–
К
НАПРЯЖЕНИЙ
35/110/220
КВ
С октября 2020 года опытный образец ЦПС-К
АО «ЧЭАЗ» напряжений 35/110/220 кВ проходит
опытно-промышленную эксплуатацию (ОПЭ) в виде
цифрового контура резервных защит для напряже-
ния 110 кВ (ЦКРЗ-110) на действующей ПС «Ради-
щево-220» (филиал ПАО «ФСК ЕЭС» — Московское
предприятие магистральных электросетей МЭС
«Центра»).
ЦКРЗ-110 обслуживает 7 присоединений на-
пряжения 110 кВ.
Проводится ОПЭ двух типов резервных защит:
– защиты для каждого присоединения (4 технологи-
ческих шкафа защит на базе КЦУВБ для каждого
из присоединений);
– защиты на базе централизованного решения,
обрабатывающего все аналоговые и дискретные
данные присоединений 110 кВ (один технологиче-
ский шкаф на базе КЦУВБ для всех 7 присоеди-
нений).
Функционально программное обеспечение
централизованного решения КЦУВБ обеспечива-
ет его работу в режимах:
– резервных защит,
– мониторинга, управления и архивирования дан-
ных;
– регистратора аварийных событий.
ЦКРЗ-110 работает параллельно с действую-
щими защитами на «сигнал».
Ввод в эксплуатацию ЦКРЗ-110 проведен без
отключения обслуживаемых присоединений
в фоновом режиме.
Это первый опыт внедрения полностью циф-
ровой ПС в терминах стандарта МЭК 61850, кото-
рый в значительной мере определяет требования
к вторичному оборудованию ЦПС, когда силовое
оборудование не модернизировалось.
По результатам первых месяцев ОПЭ можно
сделать общий вывод, что тезисы, перечислен-
ные выше, подтверждаются. Решение об опубли-
ковании результатов ОПЭ по ее окончанию будет
принимать заказчик, которому они принадлежат.
В данной статье хочется также поблагодарить
всех сотрудников заказчика и коллег ЧЭАЗ, в той
или иной мере касающихся этой работы.
Р
№
4 (67) 2021
Оригинал статьи: Цифровая электроподстанция АО «ЧЭАЗ» напряжений 35/110/220 кВ
Начиная с 2004 года АО «ЧЭАЗ» проводит ряд научно-технических и опытно-конструкторских работ по созданию экономичных цифровых электроподстанций с высокими характеристиками кибербезопасности, помехоустойчивости, надежности и живучести (шифр ЦПС-К).