10
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
Перспективы
построения
цифровых
подстанций
Магадеев
Э
.
В
.,
ПАО
«
Россети
»
Александров
А
.
С
.,
Третьяков
Д
.
А
.,
ПАО
«
МРСК
Волги
»
Аннотация
В
статье
приведен
краткий
обзор
технологий
и
средств
использования
новых
возмож
-
ностей
и
современной
техники
в
рамках
общих
тенденций
развития
электроэнергетики
по
созданию
цифровых
подстанций
в
соответствии
со
стандартом
МЭК
61850.
Приво
-
дится
описание
основных
направлений
и
планов
по
внедрению
цифровых
подстанций
в
электросетевом
комплексе
.
Ключевые
слова
:
цифровая
подстанция
(
ЦПС
),
интеллектуальные
электрические
сети
,
МЭК
61850,
ЛВС
,
РЗА
,
АСУТП
,
АРМ
, GOOSE, SV, MMS, SSD, SCADA
Введение
Внедрение
цифровых
подстанций
в
настоящее
время
является
одним
из
наиболее
дина
-
мично
развивающихся
направлений
в
формировании
интеллектуальной
энергетики
.
Данный
факт
вызван
стремлением
энергетических
компаний
в
повышении
эффективности
своей
работы
.
В
свою
очередь
ведущие
производители
автоматизированных
систем
управления
технологических
процессов
(
АСУТП
),
релейной
защиты
(
РЗ
)
и
противоаварийной
автоматики
(
ПА
)
активно
участвуют
в
разработках
цифровых
технологий
и
систем
автоматизации
для
электросетевого
комплекса
.
Кроме
того
,
крупные
заводы
-
изготовители
основного
оборудо
-
вания
также
приступили
к
цифровизации
своей
продукции
.
В
итоге
происходит
постепенная
интеграция
цифровых
технологий
в
различные
системы
и
компоненты
электросетевого
ком
-
плекса
,
а
переход
к
цифровым
подстанциям
является
очередным
этапом
развития
энерге
-
тической
системы
.
Развитие
технологий
цифровой
подстанции
Переход
к
цифровой
подстанции
является
приоритетным
направлением
Правитель
-
ства
Российской
Федерации
в
рамках
развития
топливно
-
энергетического
комплекса
России
[1, 2, 3].
В
целях
исполнения
Распоряжения
Правительства
Российской
Фе
-
11
ЦИФРОВЫЕ
СЕТИ
дерации
от
3
июля
2014
года
№
1217-
р
о
внедрении
инновационных
технологий
в
то
-
пливно
-
энергетическом
комплексе
разработана
дорожная
карта
по
реализации
На
-
ционального
проекта
«
Разработка
и
внедрение
цифровых
электрических
подстанций
и
электрической
части
станций
на
вновь
строящихся
и
реконструируемых
объектах
элек
-
троэнергетики
Российской
Федерации
».
Мероприятия
по
развитию
технологий
цифровых
подстанций
включены
в
перспективные
планы
многих
компаний
топливно
-
энергетического
комплекса
.
Одной
из
основных
проблем
повсеместного
внедрения
цифровых
подстанций
в
Рос
-
сии
является
отсутствие
адаптированных
нормативно
-
технических
и
правовых
докумен
-
тов
,
регламентирующих
деятельность
по
внедрению
технологий
цифровой
подстанции
.
В
настоящее
время
только
несколько
российских
электросетевых
компаний
осуществляют
пилотное
строительство
цифровых
подстанций
.
Но
даже
такой
минимальный
опыт
позво
-
лил
сформировать
перспективы
перехода
к
цифровым
подстанциям
.
ПАО
«
Россети
»,
являясь
крупнейшей
электросетевой
компанией
,
особое
внимание
уделяет
вопросам
технологического
и
инновационного
развития
.
Основной
целью
инно
-
вационного
развития
Группы
компаний
«
Россети
»
является
переход
к
электрической
сети
нового
технологического
уклада
с
качественно
новыми
характеристиками
надежности
,
эффективности
,
доступности
.
При
этом
приоритетным
направлением
является
внедрение
цифровых
технологий
в
управление
технологическими
процессами
на
объектах
электро
-
сетевого
комплекса
,
автоматических
и
автоматизированных
систем
[5, 6, 7].
Разработка
новых
технологий
для
электросетевого
комплекса
реализуются
путем
проведения
при
-
кладных
и
фундаментальных
исследований
.
Одним
из
наиболее
актуальных
направлений
в
проводимых
исследованиях
является
разработка
типовых
технических
решений
по
реа
-
лизации
цифровой
подстанции
[8].
Разработка
типовых
технических
решений
по
реализации
цифровой
подстанции
Начиная
с
2017
года
ПАО
«
МРСК
Волги
» (
входит
в
Группу
компаний
«
Россети
»)
присту
-
пило
к
реализации
проекта
НИР
по
теме
«
Разработка
типовых
технических
решений
по
реализации
цифровой
подстанции
110
кВ
».
Проект
предусматривает
разработку
техни
-
ческих
решений
при
строительстве
цифровых
подстанций
110
кВ
,
включая
разработку
структуры
различных
систем
цифровых
подстанции
110
кВ
с
учетом
компоновочных
ре
-
шений
и
распределением
функций
оборудования
вторичных
систем
.
Кроме
того
,
планиру
-
ется
разработка
альбома
типовых
решений
и
типовых
файлов
электронной
конфигурации
формата
SSD (System Specification Description)
в
соответствии
со
стандартом
МЭК
61850.
Файлы
описывают
в
формате
языка
SCL (System Configuration description Language)
все
элементы
подстанции
(
первичное
оборудование
и
соединения
),
все
функции
вторичных
систем
,
а
также
можно
описывать
привязку
функций
к
первичным
устройствам
.
В
рамках
работы
будет
проведен
анализ
существующих
типовых
главных
схем
подстанций
110
кВ
(110/10(6)
кВ
, 110/35/10(6)
кВ
, 110/10(6)/10(6)
кВ
)
с
распределением
их
по
группам
,
соответ
-
ствующим
структурам
управления
цифровых
подстанций
.
При
подготовке
к
реализации
проекта
проведен
анализ
опыта
создания
цифровых
под
-
станций
дочерними
структурами
Группы
компаний
«
Россети
»
и
другими
электросетевыми
ор
-
ганизациями
.
По
результатам
анализа
сформированы
основные
тренды
создания
цифровых
подстанций
,
которые
учтены
при
разработке
типовых
технических
решений
.
12
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
Особенности
создания
цифровых
подстанций
1.
Основным
документом
,
регламентирующим
деятельность
по
внедрению
цифровых
техно
-
логий
в
электроэнергетике
,
является
международный
стандарт
МЭК
61850,
который
опре
-
деляет
структуру
и
взаимосвязь
систем
внутри
подстанции
[9].
Кроме
того
,
стандартом
определены
протоколы
передачи
данных
(SV, MMS, GOOSE)
между
отдельными
элемен
-
тами
и
системой
в
целом
,
а
также
конфигурация
и
структура
схем
основного
и
вторичного
оборудования
.
Указанные
три
протокола
передачи
данных
обеспечивают
взаимосвязь
всех
систем
цифровой
подстанции
на
вертикальном
и
горизонтальном
уровне
[10, 11]:
–
SV (Sampled Values)
—
протокол
передачи
цифровых
мгновенных
значений
токов
и
напряжений
от
измерительных
трансформаторов
до
устройств
в
системах
цифро
-
вой
подстанции
;
–
MMS (Manufacturing Message Speci
fi
cation)
—
протокол
передачи
данных
в
режиме
реального
времени
между
устройствами
в
системах
цифровой
подстанции
и
верхним
уровнем
(
АРМ
, SCADA) (
функции
АСУТП
);
–
GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event)
—
протокол
передачи
данных
в
режиме
реального
времени
между
устройствами
в
системах
цифровой
подстанции
(
функции
управления
,
РЗ
,
ПА
).
2.
В
настоящее
время
структура
цифровой
подстанции
строится
по
трехуровневому
прин
-
ципу
,
включающему
полевой
уровень
(
нижний
),
уровень
контроллеров
(
средний
)
и
стан
-
ционный
уровень
(
верхний
).
Каждый
уровень
выполняет
как
собственные
фикции
,
так
и
общее
управление
цифровой
подстанцией
:
–
нижний
уровень
(
полевой
уровень
)
—
включает
в
себя
комплекс
датчиков
и
устройств
,
осуществляющих
сбор
,
передачу
информации
о
состоянии
оборудования
подстанции
(
значения
текущих
токов
и
напряжений
,
положения
коммутационных
аппаратов
и
др
.);
–
средний
уровень
(
уровень
присоединения
)
—
состоит
из
устройств
управления
и
мониторинга
(
контроллеры
присоединения
,
многофункциональные
измерительные
приборы
,
счетчики
АСКУЭ
,
системы
мониторинга
трансформаторного
оборудования
и
т
.
д
.)
и
терминалов
релейной
защиты
и
локальной
противоаварийной
автоматики
,
которые
принимают
сигналы
от
устройств
нижнего
(
полевого
)
уровня
и
осуществляют
управление
системами
подстанции
;
–
верхний
уровень
(
станционный
уровень
)
включает
в
себя
станционные
контролле
-
ры
(
концентраторы
),
сервера
верхнего
уровня
(
сервер
базы
данных
,
сервер
АСУ
ТП
),
сервера
для
передачи
информации
в
диспетчерские
центры
(
сервера
телемеханики
,
технологической
информации
,
АСКУЭ
и
т
.
д
.),
АРМ
персонала
подстанции
.
3.
Основным
связующим
звеном
между
устройствами
и
системами
в
цифровой
подстанции
являются
шины
подстанции
(
с
поддержкой
протоколов
МЭК
61850-8-1 — MMS, GOOSE)
и
шины
процесса
(
с
поддержкой
протоколов
МЭК
61850-9-2LE — SV).
Шины
позволяют
объединить
и
обеспечить
мгновенную
передачу
данных
между
устройствами
полевого
уровня
и
уровня
контроллеров
,
включая
коммутационные
аппараты
,
измерительные
трансформаторы
,
устройства
связи
Merging Unit,
систему
РЗ
и
ПА
,
систему
учета
и
конт
-
роля
и
др
.,
а
также
передачу
информации
на
верхний
уровень
.
Кроме
того
,
шины
связи
позволяют
организовать
резервирование
внутри
систем
.
4.
В
настоящее
время
существуют
разные
подходы
и
концепции
создания
технологий
циф
-
ровых
подстанций
.
Различают
централизованный
и
децентрализованный
подход
постро
-
ения
цифровых
систем
управления
подстанциями
.
Каждый
подход
имеет
свои
преиму
-
13
ЦИФРОВЫЕ
СЕТИ
щества
и
недостатки
.
Пока
невозможно
однозначно
отдать
предпочтение
какому
-
либо
варианту
.
Решения
о
централизации
и
децентрализации
систем
управления
должны
выбираться
для
конкретного
объекта
,
быть
экономически
обоснованы
и
не
снижать
на
-
дежность
работы
подстанции
в
целом
.
5.
При
создании
цифровой
подстанции
должны
прорабатываются
вопросы
внедрения
циф
-
ровых
технологий
в
следующих
системах
:
–
система
учета
электрической
энергии
;
–
система
релейной
защиты
;
–
система
противоаварийной
автоматики
;
–
система
регистрации
аварийных
событий
и
процессов
;
–
система
дистанционного
ввода
графиков
временного
отключения
(
ГВО
);
–
система
метрологии
;
–
система
контроля
и
измерения
электрических
параметров
;
–
система
управления
коммутационными
аппаратами
;
–
система
мониторинга
и
диагностики
оборудования
;
–
система
сбора
и
передачи
информации
(
ССПИ
);
–
система
управления
вспомогательными
технологическими
процессами
;
–
система
управления
доступом
,
видеонаблюдением
и
безопасностью
(
включая
информационную
безопасность
и
кибербезопасность
).
6.
При
создании
технических
требований
к
цифровым
подстанциям
особое
внимание
должно
быть
уделено
разработке
топологии
локальной
вычислительной
сети
(
ЛВС
).
Локальная
вычислительная
сеть
должна
обеспечивать
высокоскоростную
и
надежную
передачу
информации
по
протоколам
МЭК
61850
между
устройствами
цифровой
под
-
станции
,
обеспечивать
резервирование
и
достаточную
надежность
работы
оборудова
-
ния
.
При
этом
усложнение
архитектуры
ЛВС
не
должно
приводить
к
необоснованному
удорожанию
цифровых
подстанций
,
при
котором
строительство
будет
экономически
не
выгодно
.
7.
Различают
два
вида
оцифрованных
подстанций
:
частично
цифровые
подстанции
и
пол
-
ностью
цифровые
подстанции
.
Они
различаются
как
по
техническому
оснащению
,
так
и
функциональному
назначению
.
Частично
цифровыми
подстанциями
являются
под
-
станции
,
на
которых
установлены
микропроцессорные
терминалы
РЗА
.
К
полностью
цифровым
подстанциям
относятся
подстанции
с
использованием
систем
управления
,
поддерживающие
все
три
протокола
МЭК
61850 (SV, MMS, GOOSE).
Построение
пол
-
ностью
цифровой
подстанции
возможно
двумя
вариантами
.
Первый
вариант
предусма
-
тривает
использование
в
непосредственной
близости
от
силового
электрооборудования
устройств
связи
Merging Unit
для
оцифровки
аналоговых
и
дискретных
сигналов
.
Второй
вариант
предусматривает
использование
нетрадиционных
измерительных
трансформа
-
торов
и
передачу
информации
полностью
в
цифровом
виде
.
Выбор
варианта
примене
-
ния
измерительных
трансформаторов
должен
быть
произведен
на
основании
технико
-
экономического
сравнения
использования
цифровых
измерительных
трансформаторов
и
традиционных
трансформаторов
с
аналого
-
цифровыми
преобразователями
.
Нетради
-
ционные
измерительные
трансформаторы
с
передачей
информации
полностью
в
циф
-
ровом
виде
еще
не
получили
широкого
распространения
и
не
имеют
большого
опыта
эксплуатации
.
8.
В
рамках
перехода
к
цифровым
подстанциям
должен
быть
решен
вопрос
информаци
-
онной
безопасности
и
кибербезопасности
инфраструктуры
подстанции
.
Электроэнер
-
14
СБОРНИК
НАУЧНО
-
ТЕХНИЧЕСКИХ
СТАТЕЙ
гетика
является
ключевой
отраслью
промышленности
и
объектом
социальной
сферы
,
несанкционированный
доступ
к
системам
управления
которой
может
привести
к
ката
-
строфическим
последствиям
.
С
целью
снижения
вероятности
рисков
преднамеренно
-
го
и
непреднамеренного
проникновения
в
автоматизированные
системы
управления
производственными
и
технологическими
процессами
в
Российской
Федерации
введен
в
действия
ряд
нормативных
документов
.
В
частности
,
Приказом
Федеральной
службы
по
техническому
и
экспортному
контролю
России
от
14
марта
2014
года
№
31
регламен
-
тируются
меры
по
обеспечении
защиты
информации
[4].
Соответственно
,
необходимы
организационные
и
технические
мероприятия
для
защиты
инфраструктуры
цифровых
подстанций
.
Выводы
Цифровая
подстанция
,
в
основе
которой
лежит
процесс
использования
инновационных
методов
управления
технологическим
процессом
,
является
перспективным
направлением
.
Внедрение
оборудования
нового
поколения
в
электросетевом
комплексе
усовершенствует
организацию
информационных
потоков
,
обеспечит
их
высокую
точность
и
единообразие
всех
измерений
.
К
основным
преимуществам
подобных
решений
можно
также
отнести
со
-
кращение
объема
технического
обслуживания
и
затрат
на
эксплуатацию
.
При
этом
главными
целями
внедрения
цифровых
подстанций
являются
построение
«
умных
»
сетей
(Smart Grid),
оптимизация
процесса
строительства
и
закупок
электросетевого
оборудования
,
приводя
-
щая
к
снижению
операционных
и
капитальных
затрат
в
целом
,
а
также
снижение
затрат
на
обслуживание
электросетевых
объектов
за
счет
внедрения
новых
технологий
поддержания
и
контроля
состояния
оборудования
.
Несмотря
на
определенный
перечень
достоинств
и
преимуществ
цифровых
технологий
над
традиционной
моделью
,
существует
множество
вопросов
по
дальнейшему
переходу
к
цифровым
подстанциям
.
В
целях
соблюдения
надежного
электроснабжения
потребителей
вводить
в
эксплуатацию
новые
элементы
цифровых
систем
управления
необходимо
поэтап
-
но
и
предусмотреть
резервирование
систем
.
В
целях
повышения
экономической
эффективности
от
внедрения
цифровых
техноло
-
гий
необходима
типизация
проектных
решений
и
повышение
степени
заводской
готов
-
ности
оборудования
и
систем
.
Реализация
данных
мероприятий
приведет
к
снижению
затрат
на
проектирование
,
пусконаладочные
работы
и
эксплуатацию
систем
цифровых
подстанций
и
,
как
следствие
,
получению
экономического
эффекта
от
внедрения
цифро
-
вых
технологий
.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Распоряжение
Правительства
Российской
Фе
-
дерации
от
08.12.2011
г
.
№
2227-
р
«
О
Страте
-
гии
инновационного
развития
РФ
на
период
до
2020
года
».
2.
Распоряжение
Правительства
Российской
Федерации
от
03.04.2013
№
511-
р
«
Об
утвер
-
ждении
Стратегии
развития
электросетевого
комплекса
РФ
».
3.
Распоряжение
Правительства
Российской
Федерации
от
03.07.2014
г
.
№
1217-
р
«
Об
утверж
дении
мероприятий
(«
дорожная
кар
-
та
») «
Внедрение
инновационных
технологий
и
современных
материалов
в
отраслях
топлив
-
но
-
энергетического
комплекса
»
на
период
до
2018
года
».
4.
Приказ
ФСТЭК
России
от
14.03.2014
№
31
«
Об
утверждении
Требований
к
обеспечению
защиты
информации
в
автоматизированных
системах
управления
производственными
и
технологическими
процессами
на
критиче
-
15
ЦИФРОВЫЕ
СЕТИ
ски
важных
объектах
,
потенциально
опасных
объектах
,,
а
также
объектах
,
представляющих
повышенную
опасность
для
жизни
и
здоровья
людей
и
для
окружающей
природной
среды
».
5.
Положением
ПАО
«
Россети
»
о
единой
техни
-
ческой
политике
в
электросетевом
комплексе
(
утверж
дено
Советом
Директоров
ПАО
«
Россе
-
ти
» (
протокол
от
22.02.2017
№
252)).
6.
Концепция
развития
релейной
защиты
и
авто
-
матики
электросетевого
комплекса
(
утвержде
-
но
Правлением
ПАО
«
Россети
» (
протокол
от
22.06.2015
№
356
пр
)).
7.
Политика
инновационного
развития
,
энерго
-
сбережения
и
повышения
энергетической
эф
-
фективности
ПАО
«
Россети
» (
утверждено
Со
-
ветом
директоров
ПАО
«
Россети
» (
протокол
от
23.04.2014
№
150)).
8.
Программа
инновационного
развития
ПАО
«
Россети
»
на
2016–2020
гг
.
с
перспективой
до
2025
г
. (
утверждено
Советом
директоров
ПАО
«
Россети
» (
протокол
от
30.12.2016
№
250)).
9. IEC 61850 Communication networks and systems
in substations.
10.
Головин
А
.
В
.,
Аношин
А
.
О
.
Стандарт
МЭК
61850.
Протоколы
связи
в
электроэнергетике
.
Предпосылки
для
создания
стандарта
МЭК
61850 //
Новости
электротехники
, 2012,
№
3(75).
11.
Головин
А
.
В
.,
Аношин
А
.
О
.
Стандарт
МЭК
61850.
Структура
документа
//
Новости
элек
-
тротехники
, 2012,
№
4(76).
Оригинал статьи: Перспективы построения цифровых подстанций
В статье приведен краткий обзор технологий и средств использования новых возможностей и современной техники в рамках общих тенденций развития электроэнергетики по созданию цифровых подстанций в соответствии со стандартом МЭК 61850. Приводится описание основных направлений и планов по внедрению цифровых подстанций в электросетевом комплексе.