Модель
подстанции
для
испытаний
цифровой
системы
управления
Ц
ифровое
моделирование
электроэнергетической
системы
и
ее
отдельных
эле
-
ментов
является
общепризнанной
и
востребованной
технологией
.
С
развитием
цифровой
техники
стало
возможно
осуществлять
цифровое
моделирование
в
реальном
времени
с
аппаратными
средствами
в
контуре
обратной
связи
.
Дан
-
ная
технология
нашла
широкое
применение
в
отрасли
.
Она
позволяет
не
только
разрабатывать
и
всесторонне
тестировать
отдельные
алгоритмы
и
устройства
управления
,
но
и
решать
комплексные
задачи
развития
электроэнергетических
си
-
стем
[1–5].
Одной
из
таких
задач
является
создание
функционирующего
программно
-
технического
комплекса
цифровой
подстанции
.
Комплексы
цифрового
моделирования
в
реальном
времени
способны
выдавать
как
традиционные
,
аналоговые
,
сигналы
тока
и
напряжения
,
так
и
формировать
циф
-
ровые
потоки
данных
по
протоколам
стандарта
МЭК
61850.
Испытание
с
аппаратными
средствами
в
контуре
обратной
связи
позволяет
протес
-
тировать
реальное
оборудование
в
рамках
широкого
спектра
сценариев
возмущений
Статья
посвящена
созданию
модели
первичного
оборудова
-
ния
действующей
подстанции
«
Калининская
» 220/110/10
кВ
на
базе
ПК
Matlab/Simulink
для
испытаний
цифровой
систе
-
мы
управления
.
Созданная
модель
позволяет
имитировать
различные
режимы
работы
фрагмента
энергосистемы
.
Также
модель
адаптирована
для
запуска
на
программно
-
ап
-
паратном
комплексе
реального
времени
(
ПАК
РВ
).
ПАК
РВ
позволяет
преобразовывать
цифровой
сигнал
в
аналого
-
вый
,
соответствующий
вторичным
цепям
трансформато
-
ров
тока
(
ТТ
)
и
трансформаторов
напряжения
(
ТН
).
Кроме
того
,
комплекс
предоставляет
возможность
передачи
дан
-
ных
в
соответствии
со
стандартом
МЭК
61850 (GOOSE, SV).
Тем
самым
можно
имитировать
функционирование
цифро
-
вой
подстанции
при
подключении
реальных
устройств
,
про
-
верить
и
исследовать
функционирование
системы
управ
-
ления
подстанции
как
при
передаче
данных
по
цифровым
протоколам
МЭК
61850
с
шиной
процесса
и
шиной
станции
,
так
и
по
аналоговым
сигналам
.
Вадим
ЕФРЕМОВ
,
начальник
СРЗА
и
АСУ
ТП
филиала
ПАО
«
ФСК
ЕЭС
» —
МЭС
Урала
Семен
ЛОЖКИН
,
лаборант
кафедры
АЭС
УралЭНИН
УрФУ
Андрей
ПАЗДЕРИН
,
заведующий
кафедрой
АЭС
УралЭНИН
УрФУ
Сергей
ДЕХТЯР
,
инженер
кафедры
АЭС
УралЭНИН
УрФУ
32
Ежеквартальный
спецвыпуск
№
4(15),
декабрь
2019
Цифровые
модели
в
энергосистеме
,
причем
испытуемое
устройство
активно
взаимодействует
с
моделируемой
энергосистемой
посред
-
ством
управляющих
воздействий
(
УВ
).
В
нашей
стране
все
больше
развивается
применение
цифрового
моделирования
для
проведения
полного
цикла
испытаний
устройств
релейной
защиты
,
режимной
и
проти
-
воаварийной
автоматики
,
синхронизированных
векторных
измерений
,
автоматических
регуляторов
.
Об
этом
свиде
-
тельствуют
ряд
стандартов
организаций
[6–9]
по
сертифи
-
кационным
испытаниям
оборудования
посредством
модели
-
рующего
комплекса
реального
времени
.
Также
следует
отметить
международный
опыт
приме
-
нения
ПАК
РВ
для
испытаний
устройств
как
с
аналоговым
подключением
к
измерительным
цепям
,
так
и
с
передачей
данных
по
стандарту
МЭК
61850.
Так
в
[10]
производятся
испытания
программной
и
аппаратной
реализации
макси
-
мальной
токовой
защиты
и
оценка
разности
времени
сра
-
батывания
двух
реализаций
.
В
[11]
анализируется
работа
дифференциальной
защиты
силового
трансформатора
при
получении
данных
по
шине
процесса
МЭК
61850-9-2
(SV),
традиционным
способом
от
трансформаторов
тока
и
гиб
ридным
способом
,
когда
с
высшей
стороны
измерения
поступают
по
цифровому
протоколу
,
а
с
низшей
стороны
традиционным
способом
.
В
[12]
проведен
анализ
задержки
передачи
и
потери
данных
для
коммуникационного
прото
-
кола
МЭК
61850-9-2 (SV)
при
различных
параметрах
связи
:
скорости
передачи
данных
,
частоте
выборок
устройства
сопряжения
,
фоновом
сетевом
трафике
,
размере
буфера
коммутатора
и
других
.
Также
в
статье
предложен
алго
-
ритм
коррекции
данных
.
В
[13]
представлен
эмулятор
ком
-
муникационной
сети
,
интегрированный
в
моделирующий
комплекс
с
аппаратными
средствами
в
контуре
,
который
позволяет
организовывать
виртуальные
ЛВС
,
изменять
ка
-
чество
передачи
данных
.
Кроме
того
,
в
статье
демонстри
-
руется
влияние
задержек
в
GOOSE-
сообщениях
на
работу
устройств
защиты
.
Таким
образом
,
применение
цифрового
моделирования
в
реальном
времени
является
актуальным
трендом
и
эффективным
средством
создания
цифровых
систем
управления
объектами
электроэнергетики
.
Программно
-
аппаратный
комплекс
реального
времени
с
подключаемыми
внешними
устройствами
образуют
систе
-
му
,
функционирующую
в
режиме
«
жесткого
»
реального
вре
-
мени
.
Это
означает
,
что
время
реакции
системы
на
внешние
сигналы
строго
определено
шагом
моделирования
.
Главная
задача
представленной
работы
заключается
в
создании
модели
действующей
подстанции
для
модели
-
рования
в
реальном
времени
с
подключением
реальных
устройств
системы
управления
.
Эта
модель
позволит
ис
-
следовать
функционирование
системы
управления
под
-
станцией
на
основе
стандарта
МЭК
61850
на
уровне
шины
процесса
и
шины
станции
в
различных
режимах
работы
,
с
имитацией
аварийных
и
штатных
событий
в
электрической
и
информационной
сети
.
ОПИСАНИЕ
ПРОГРАММНО
-
ТЕХНИЧЕСКОГО
КОМПЛЕКСА
ЦИФРОВОЙ
ПОДСТАНЦИИ
Программно
-
технический
комплекс
включает
в
себя
(
рису
-
нок
1):
–
аппаратную
часть
комплекса
eMEGAsim,
производства
канадской
компании
Opal-RT,
с
предустановленным
ПО
;
–
автоматизированное
рабочее
место
(
АРМ
)
оператора
с
установленным
ПО
Matlab, RT-LAB;
–
усилители
-
преобразователи
тока
и
напряжения
Doble
F6350e;
–
контроллеры
ARIS
производства
компании
ООО
«
Про
-
софт
-
Системы
»
для
тестирования
алгоритмов
;
–
маршрутизатор
для
объединения
устройств
в
ЛВС
;
–
сервер
точного
времени
.
В
комплексе
eMEGAsim
осуществляется
решение
системы
дифференциально
-
алгебраических
уравне
-
ний
,
представляющих
модель
фрагмента
энергосистемы
(
в
данном
случае
подстанцию
с
прилегающей
сетью
).
Мо
-
делирование
в
ПАК
РВ
основано
на
использовании
воз
-
можностей
,
модулей
и
ряда
библиотек
ПО
Matlab,
а
также
среды
визуального
моделирования
Simulink.
Решение
сис
-
темы
уравнений
осуществляется
в
реальном
времени
,
то
есть
параметры
состояния
системы
изменяются
с
такой
же
скоростью
,
как
это
происходило
бы
в
реальной
энергоси
-
стеме
.
Таким
образом
,
имеется
возможность
воссоздания
режимов
и
событий
в
энергосистеме
любой
сложности
.
Размер
модели
ограничивается
вычислительной
способ
-
ностью
ПАК
РВ
.
С
помощью
платы
аналогового
вывода
,
представля
-
ющей
собой
цифро
-
аналоговые
преобразователи
,
осу
-
ществляется
выдача
низкоуровневых
сигналов
напряже
-
ния
,
величины
которых
рассчитываются
вычислительным
ядром
,
на
усилитель
-
преобразователь
DOBLE F6350e.
Последний
,
в
свою
очередь
,
преобразует
низкоуровневые
сигналы
напряжения
в
сигналы
токов
и
напряжений
,
вели
-
чины
которых
соответствуют
вторичным
цепям
ТТ
и
ТН
на
подстанции
.
Платы
дискретного
ввода
/
вывода
предназначены
для
приема
информации
о
состоянии
подключаемых
внешних
устройств
и
для
выдачи
дискретных
сигналов
на
интеллек
-
туальные
электронные
устройства
.
Платы
цифровых
интерфейсов
предназначены
для
обеспечения
взаимодействия
с
физическим
оборудова
-
нием
по
наиболее
распространенным
протоколам
,
в
том
числе
МЭК
61850-8-1 (GOOSE)
и
МЭК
61850-9-2 (Sampled
Value).
Наличие
данных
плат
позволяет
ПАК
РВ
модели
-
ровать
устройства
сопряжения
с
шиной
процесса
и
,
со
-
ответственно
,
тестировать
оборудование
цифровой
под
-
станции
.
Контроллеры
ARIS
обеспечивают
прием
аналоговых
и
дискретных
сигналов
или
цифровых
,
в
зависимости
от
типа
устройства
,
расчет
и
выдачу
управляющих
воздей
-
ствий
в
соответствии
с
заложенным
алгоритмом
.
33
АРМ
оператора
представляет
собой
персональный
компьютер
с
соответствующим
программным
обеспечени
-
ем
для
моделирования
в
реальном
времени
,
конфигуриро
-
вания
усилителей
-
преобразователей
,
построения
алгорит
-
мов
для
контроллеров
.
Данный
комплекс
предназначен
для
изучения
функцио
-
нирования
цифровой
подстанции
.
ОПИСАНИЕ
МОДЕЛИ
ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
Для
создания
модели
энергосистемы
была
взята
действу
-
ющая
ПС
«
Калининская
» 220/110/10
кВ
(
рисунок
2).
Распре
-
делительное
устройство
(
РУ
) 220
кВ
выполнено
по
схеме
«
Мостик
с
выключателями
в
цепях
линий
».
РУ
110
кВ
—
«
Две
рабочие
и
обходная
системы
шин
».
Сеть
10
кВ
моде
-
лируется
упрощенно
,
нагрузкой
на
соответствующих
шинах
автотрансформатора
.
На
базе
ПК
Matlab/Simulink
разработана
и
создана
трех
-
фазная
модель
энергосистемы
(
рисунок
3),
которая
включает
ПС
и
отходящие
присоединения
.
На
конце
присоединений
подключа
-
ется
модель
внешней
энергоси
-
стемы
или
пассивной
нагрузки
в
зависимости
от
наличия
под
-
питки
тока
трехфазного
КЗ
на
ши
-
нах
моделируемой
подстанции
.
Параметры
оборудования
и
токи
трехфазного
КЗ
заданы
.
Рис
. 1.
Общая
структурная
схема
программно
-
технического
комплекса
цифровой
подстанции
Рис
. 2.
Главная
схема
электрических
соединений
моделируемой
ПС
«
Калининская
» 220/110/10
кВ
34
Ежеквартальный
спецвыпуск
№
4(15),
декабрь
2019
Цифровые
модели
Модель
внешней
энергосистемы
представляет
управ
-
ляемый
трехфазный
источник
напряжения
,
удаленный
за
сопротивление
.
Данная
модель
позволяет
моделировать
снижение
/
повышение
напряжения
в
узле
,
синхронные
ка
-
чания
,
асинхронный
ход
.
Нагрузка
в
узлах
,
от
которых
нет
токовой
подпитки
при
КЗ
на
шинах
моделируемой
ПС
,
представлена
активно
-
ин
-
дуктивным
шунтом
.
Длинные
линии
моделируются
стандартным
блоком
линии
с
распределенными
параметрами
,
учитывающим
волновые
процессы
.
Короткие
линии
моделируются
стан
-
дартным
блоком
линии
с
сосредоточенными
параметрами
,
представленной
П
-
образной
схемой
замещения
.
Автотрансформатор
имеет
соответствующее
соедине
-
ние
обмоток
и
также
моделируется
на
основе
стандартного
блока
бибилотеки
SimPowerSystems,
учитывающего
насы
-
щение
.
Модель
обеспечивает
отключение
выключателя
от
внешних
устройств
,
включения
от
АПВ
,
управления
с
АРМ
оператора
для
выполнения
оперативных
переключений
и
блокировки
.
Измерительная
система
представлена
идеальными
ТТ
и
ТН
.
Реализована
возможность
их
моделирования
посред
-
ством
блока
трансформатора
.
Также
модель
дополнена
блоками
КЗ
,
позволяющими
мо
-
делировать
различные
виды
коротких
замыканий
произволь
-
ной
длительности
.
Управлять
КЗ
возможно
с
АРМ
оператора
.
Собранная
модель
верифицируется
по
уровню
токов
КЗ
в
сранении
с
исходными
данными
.
Полученные
значения
токов
КЗ
в
модели
являются
удовлетворительными
.
Погреш
-
ность
с
заданными
значениями
менее
1%.
Результаты
пред
-
ставлены
в
таблицах
1
и
2.
Созданная
модель
дополнена
специализированными
блоками
и
адаптирована
для
запуска
в
реальном
времени
на
ПАК
РВ
.
Модель
имеет
следующие
возможности
:
–
выдачи
аналоговых
сигналов
для
подключения
внешних
устройств
сопряжения
(AMU),
устройств
РЗА
по
анало
-
говым
цепям
;
–
приема
/
передачи
дискретных
сигналов
состояния
и
управления
;
–
передачи
данных
по
цифровым
протоколам
МЭК
61850;
–
управления
битами
качества
и
самими
выдаваемыми
сигналами
;
–
измерения
и
регистрации
электрических
параметров
режима
работы
моделируемой
энергосистемы
;
–
мониторинга
и
управления
моделированием
.
Расчет
модели
энергосистемы
в
реальном
времени
осу
-
ществляется
с
частотой
дискретизации
,
соответствующей
256
точкам
на
период
.
Рис
. 3.
Внешний
вид
модели
энергосистемы
в
Simulink
Табл
. 1.
Токи
трехфазного
КЗ
на
шинах
ПС
«
Калининская
» 220
кВ
Место
КЗ
Замер
Эталон
,
I
КЗ
[
А
]
Модель
,
I
КЗ
[
А
]
1
С
ПС
220
кВ
Ток
КЗ
18 052
18 027
АТ
1
3452
3443
СВ
220
11 477
11 460
ЭС
П
3123
3124
2
С
ПС
220
кВ
Ток
КЗ
18 052
18 027
АТ
2
3426
3443
СВ
220
6551
6508
ЭС
СГ
8075
8076
35
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В
данной
работе
рассматривалось
создание
цифровой
модели
действующей
подстанции
,
предназначенной
для
расчета
различных
схемно
-
режимных
ситуаций
в
реальном
времени
.
Модель
позволяет
подключать
внешние
устройства
как
по
аналоговым
сигналам
,
так
и
с
обменом
данными
по
цифровым
протоколам
МЭК
61850 (GOOSE, SV).
Внешние
устройства
посредством
управляющих
воздействий
также
могут
влиять
на
моделирования
,
изменять
схему
существу
-
ющей
сети
посредством
УВ
,
обмениваться
данными
с
дру
-
гими
устройствами
по
ЛВС
.
Совокупность
ПАК
РВ
и
внешних
устройств
образуют
программно
-
аппаратный
комплекс
циф
-
ровой
подстанции
.
Такой
подход
может
быть
применен
для
наладки
и
провер
-
ки
функционирования
оборудования
РЗА
,
поддерживающих
протоколы
МЭК
61850
как
по
отдельности
,
так
и
в
совокуп
-
ности
,
перед
установкой
на
реальную
цифровую
подстанцию
.
Исследования
выполнены
при
финансовой
поддержке
Министерства
науки
и
высшего
образования
Российской
Федерации
в
рамках
Федеральной
целевой
программы
«
Ис
-
следования
и
разработки
по
приоритетным
направлениям
развития
научно
-
технологического
комплекса
России
на
2014–2020
годы
»,
номер
соглашения
075-15-2019-1214 (
вну
-
тренний
номер
соглашения
14.578.21.0226,
уникальный
иден
-
тификатор
проекта
: RFMEFI57817X0226).
ЛИТЕРАТУРА
1. Martinez-Velasco J.A. Real-Time Simulation Technologies in En-
gineering, in Transient Analysis of Power Systems:Solution Tech-
niques, Tools and Applications, Wiley-IEEE Press, 2014, 648 p.
2.
Законьшек
Я
.
В
.,
Шамис
М
.
А
.,
Иванов
Ф
.
А
.
Комплекс
RTDS
для
моделирования
цифровых
подстанций
в
реальном
времени
.URL: http://digitalsubstation.com/blog/2013/06/20/
kompleks-rtds-dlya-modelirovaniya-cifrovykh-podstancijj-v-
realnom-vremeni/.
3.
Наволочный
А
.
А
.,
Нудельман
Г
.
С
.,
Онисова
О
.
А
.
Примене
-
ние
технологий
моделирования
в
развитии
инновационных
направлений
электроэнергетики
//
Релейщик
, 2014,
№
2.
С
. 16–19.
4. Dufour C., Bélanger J. On the Use of Real-Time Simulation
Technology in Smart Grid Research and Development, IEEE
Trans. Ind. Appl., vol. 50, no. 6, pp. 3963–3970, Nov. 2014.
5. Guillaud X. et al. Applications of Real-Time Simulation
Technologies in Power and Energy Systems, IEEE Power Energy
Technol. Syst. J., vol. 2, no. 3, pp. 103–115, Sep. 2015.
6.
СТО
56947007-29.120.70.241-2017.
Технические
требования
к
микропроцессорным
устройствам
РЗА
.
Стандарт
органи
-
зации
.
М
.:
ПАО
«
ФСК
ЕЭС
», 2017. 223 c.
7.
СТО
59012820.29.160.20.001-2012.
Требования
к
системам
возбуждения
и
автоматическим
регуляторам
возбуждения
сильного
действия
синхронных
генераторов
.
Стандарт
ор
-
ганизации
.
М
.:
ОАО
«
СО
ЕЭС
», 2012. 150 c.
8.
СТО
59012820.29.020.011-2016.
Релейная
защита
и
автома
-
тика
.
Устройства
синхронизированных
векторных
измере
-
ний
.
Нормы
и
требования
.
Стандарт
организации
.
М
.:
АО
«
СО
ЕЭС
», 2016. 37 c.
9.
СТО
59012820.29.020.008-2015.
Релейная
защита
и
автома
-
тика
.
Автоматическое
противоаварийное
управление
ре
-
жимами
энергосистем
.
Автоматика
ликвидации
асинхрон
-
ного
режима
.
Нормы
и
требования
.
Стандарт
организации
.
М
.:
АО
«
СО
ЕЭС
», 2015. 83 c.
10. Almas M.S., Leelaruji R., Vanfretti L. Over-current relay model
implementation for real time simulation amp; Hardware-in-the-
Loop (HIL) validation, in IECON 2012 - 38th Annual Conference
on IEEE Industrial Electronics Society, 2012, pp. 4789–4796.
11. Shoaib M., Vanfretti L. Performance evaluation of protection
functions for IEC 61850-9-2 process bus using real-time
hardware-in-the-loop simulation approach, in 22nd International
Conference and Exhibition on Electricity Distribution (CIRED
2013), 2013, pp. 1–4.
12. Kanabar M.G., Sidhu T.S. Performance of IEC 61850-9-2
Process Bus and Corrective Measure for Digital Relaying, IEEE
Trans. Power Deliv., vol. 26, no. 2, pp. 725–735, Apr. 2011.
13. Adrah C.M., Kure Ø., Liu Z., Høidalen H.K. Communication
network modeling for real-time HIL power system protection test
bench, in 2017 IEEE PES PowerAfrica, 2017, pp. 295–300.
14.
Колобродов
Е
.
Н
.,
Наволочный
А
.
А
.,
Онисова
О
.
А
.,
Рыбин
Д
.
С
., Venugopal R., Lapointe V.
Технологии
цифрового
моде
-
лирования
электроэнергетических
систем
в
режиме
реаль
-
ного
времени
. URL: https://fr.b-ok.cc/book/3220318/afd35e.
15. Pazderin A.V., Samoylenko V.O., Tashchilin V.A., Chusovitin
P.V., Dymshakov A.V., Ivanov Y.V. Platform for Testing Iec 61850
Control Systems Using Real-Time Simulator, in 2018 International
Youth Scienti
fi
c and Technical Conference Relay Protection and
Automation (RPA), 2018, pp. 1–14.
Табл
. 2.
Токи
трехфазного
КЗ
на
шинах
ПС
«
Калининская
» 110
кВ
Место
КЗ
Замер
Эталон
,
I
КЗ
[
А
]
Модель
,
I
КЗ
[
А
]
1
СШ
ПС
110
кВ
Ток
КЗ
49 312
49 460
ПС
110
кВ
4477
4487
ШСВ
23 784
23 917
ВЛ
110
Ш
0
0
ВЛ
110
У
0
0
ВЛ
110
НС
1
4388
4389
ВЛ
110
Ки
7093
7095
ВЛ
110
С
1
4211
4211
ВЛ
110
С
3
5359
5359
2
СШ
ПС
110
кВ
Ток
КЗ
49 312
49 460
2
СШ
4444
4487
ПС
110
кВ
25 409
25 505
ВЛ
110
М
3795
3795
ВЛ
110
Ку
0
0
ВЛ
110
НС
2
4388
4391
ВЛ
110
Си
7065
7068
ВЛ
110
С
2
4211
4212
36
Ежеквартальный
спецвыпуск
№
4(15),
декабрь
2019
Цифровые
модели
Оригинал статьи: Модель подстанции для испытаний цифровой системы управления
Статья посвящена созданию модели первичного оборудования действующей подстанции «Калининская» 220/110/10 кВ на базе ПК Matlab/Simulink для испытаний цифровой системы управления. Созданная модель позволяет имитировать различные режимы работы фрагмента энергосистемы. Также модель адаптирована для запуска на программно-аппаратном комплексе реального времени (ПАК РВ). ПАК РВ позволяет преобразовывать цифровой сигнал в аналоговый, соответствующий вторичным цепям трансформаторов тока (ТТ) и трансформаторов напряжения (ТН). Кроме того, комплекс предоставляет возможность передачи данных в соответствии со стандартом МЭК 61850 (GOOSE, SV). Тем самым можно имитировать функционирование цифровой подстанции при подключении реальных устройств, проверить и исследовать функционирование системы управления подстанции как при передаче данных по цифровым протоколам МЭК 61850 с шиной процесса и шиной станции, так и по аналоговым сигналам.
