Цифровая электроподстанция АО «ЧЭАЗ» напряжений 35/110/220 кВ

Page 1

Page 2

140

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

И АВТОМАТИКА

Цифровая электроподстанция
АО «ЧЭАЗ» напряжений 35/110/220 кВ

Коллэ

начальник отдела электроавтоматики АО «ЧЭАЗ»

Левшин

технический директор ООО «ЦУП ЧЭАЗ»

Шурдов

председатель совета директоров АО «ЧЭАЗ»

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

)

два

выносных

блока

на

одной

раме

ИТТ

110

кВ

;

)

открытый

выносной

блок

;

)

подключение

выносного

блока

ВОЛС

Начиная

2004

года

АО

ЧЭАЗ

проводит

ряд

научно

–

технических

опытно

–

конструк

–

торских

работ

по

созданию

экономичных

цифровых

электроподстанций

высокими

характеристиками

кибербезопасности

помехоустойчивости

надежности

живучести

(

шифр

ЦПС

–

Page 3

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

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.

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

Page 4

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

АППАРАТНЫЕ

ПРЕИМУЩЕСТВА

ЦПС

–

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

технологическом

шкафу

КЦУВБ

приоткрытой

дверью

(

ОПУ

)

Рис

. 4.

Центральное

вычислительное

ядро

КЦУВБ

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

И АВТОМАТИКА

Page 5

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

vlevshin@cfpm.ru r.kolle@cheaz.ru

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

–

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.

№

4 (67) 2021

Оригинал статьи: Цифровая электроподстанция АО «ЧЭАЗ» напряжений 35/110/220 кВ

Читать онлайн

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).