Положительный опыт внедрения систем и цифровых защит на базе технологий МЭК 61850-9-2

Page 1
background image

Page 2
background image

100

РЕЛЕЙНАЯ  ЗАЩИТА 

И   АВТОМАТИКА

Положительный опыт внедрения 
систем и цифровых защит на базе 
технологий МЭК 61850-9-2

В

 

статье

 

описывается

 

опыт

 

внедрения

 

цифровых

 

систем

 

защиты

 

и

 

управления

 

с

 

приме

-

нением

 

МЭК

 61850-9-2. 

Представлены

 

отчеты

 

и

 

анализ

 

срабатывания

 

РЗА

хронология

 

событий

 

и

 

т

.

д

.

П

роектирование  цифровых  под-

станций  (ЦПС)  с  использова-

нием  шины  процесса  по  МЭК 

61850-9-2 наиболее оптимально 

с технической и коммерческой точки зре-

ния делать по кластерной архитектуре. 

При  организации  пилотного  проекта 

кластерной архитектуры ЦПС использова-

лось оборудование и программное обес-

печение  российской  компании  «ПиЭлСи 

Технолоджи»,  сумевшей  предложить 

полный  перечень  всего  необходимого 

для реализации ЦПС своего собственно-

го  изготовления.  К  продукции  компании 

относятся  ПАС  и  ПДС,  устройства  син-

хронизации  времени,  вычислительные 

устройства  с  разной  производительнос-

тью, РЗА, АСУ ТП и многое другое.

Полигоном  МОЭСК  для  внедрения 

элементов  ЦПС  с  кластерной  архитекту-

рой стала ПС 110 кВ «Бирюлево». Данная 

подстанция  имеет  ОРУ  110  кВ,  выпол-

ненное  по  схеме:  2  секции  шин  с  обход-

ной,  2  трансформатора  110/10/6  кВ  по 

100 МВА, ЗРУ 10 кВ 4 секции шин и ЗРУ 

6  кВ  2  секции  шин.  На  подстанции  были 

внедрены следующие цифровые системы 

в  виде  цифровых  кластеров:  цифровой 

регистратор  аварийных  событий  (в  объ-

еме всей подстанции), цифровая система 

контроля качества электроэнергии (в объ-

еме секций шин 110, 10, 6 кВ), цифровая 

секция 10 кВ (функции РЗА и АСУ ТП).

На ПС 110 кВ «Бирюлево» было уста-

новлено  28  комплектов  периферийных 

устройств типа ПАС и ПДС (рисунок 1). 

МЭК 61850-9-2 

SV

 МЭК 61850-8-1

 GOOSE

PTP / PRP

 МЭК 61850-8-1

 GOOSE / MMS

NTP / PRP

ЗРУ 10 кВ, 6 кВ

УСВ

TOPAZ

 Метроном PTS

УСВ
TOPAZ
Метроном PTS

SV

МЭК 61850-9-2 

 МЭК 61850-8-1

 GOOSE

PTP / PRP

ПАС + ПДС (AMU, MTU5)

ПАС + ПДС (AMU, MTU5)

ОРУ 110 кВ

TOPAZ iSAS

®

ПКЭ

TOPAZ iSAS

®

ПКЭ

TOPAZ iSAS

®

МИП 10кВ

TOPAZ iSAS

®

РЗА 10кВ

(основной)

TOPAZ iSAS

®

РЗА 10кВ

(резервный)

Сервер

TOPAZ SCADA 

(основной)

Сервер

TOPAZ SCADA

(резервный)

АРМ ОП

АРМ РЗА

Шлюз ТМ

(основной)

Шлюз ТМ

(резервный)

Рис

. 1. 

ПС

 110 

кВ

 «

Бирюлево

»

Мартихин

 

А

.

Ю

.,

начальник службы 

релейной защиты, 

автоматики филиала 

ПАО «МОЭСК» — 

Московские высоко-

вольтные сети

Анисимов

 

А

.

И

.,

 

главный инженер 

ООО «ПиЭлСи 

Технолоджи»


Page 3
background image

101

МЭК 61850-9-2 

SV

 МЭК 61850-8-1

 GOOSE

PTP / PRP

 МЭК 61850-8-1 GOOSE / MMS, NTP 

ПАС + ПДС (AMU, MTU5)

10 кВ I с.ш

ПАС + ПДС (AMU, MTU5)

10 кВ II с.ш

МЭК 61850-9-2 

SV

 МЭК 61850-8-1

 GOOSE

PTP / PRP

TOPAZ iSAS

®

резервный

TOPAZ iSAS

®

основной

УСВ
TOPAZ 
Метроном PTS

УСВ

TOPAZ 

Метроном PTS

Контроллер телемеханики

TOPAZ IEC DAS MX240 LTE

Каждое  из  цифровых  объеди-

нений  (кластеров)  реализовано 

комплексом  TOPAZ  iSAS.  Это 

свободно программируемый кон-

троллер, в функции которого вхо-

дят задачи автоматизации, теле-

механики и диспетчеризации. 

СЕРВЕРНАЯ

 

ЧАСТЬ

В качестве сервера для выполнения функций ав-

тономного  регистратора  был  использован  про-

мышленный  сервер  TOPAZ  IEC  DAS  MX820,  ко-

торый  совместно  с  программным  обеспечением 

TOPAZ  RAS  образует  управляющий  блок  TOPAZ 

iSAS

®

 РАС. 

Программно-аппаратный  комплекс  TOPAZ  iSAS 

(рисунок 2) в части контроля качества электроэнер-

гии  строится  на  том  же  сервере  TOPAZ  IEC  DAS 

MX820,  но  в  качестве  программной  надстройки  ис-

пользуется  TOPAZ  ККЭ.  Параметры  качества  про-

веряются по напряжению шин секций 110 кВ, 10 кВ 

и 6 кВ и токам на их распределительных устройствах 

по 8 контрольным точкам. 

Структура  цифровой  секции  состоит  из  встро-

енного  виртуального  контролера  диска  TOPAZ 

iSAS  МИП,  призванного  ускорить  работу  устрой-

ства  и  упростить  схему  обмена  данными  с  нако-

пителем,  а  также  основного  и  резервного  серве-

ра TOPAZ iSAS

®

 РЗА на базе аппарата TOPAZ IEC 

DAS MX681. 

Контроллер TOPAZ iSAS МИП для каждой секции 

реализует функцию многофункционального измери-

тельного  преобразователя  для  измерения  и  вычис-

ления параметров трехфазной цепи и функцию ком-

мерческого учета электроэнергии.

При  организации  пилотного  проекта  шины  МЭК 

61850-9-2 кластер цифровой секции шин 10 кВ был 

внедрен  в  3-ю  секцию  шин  защитного  релейного 

устройства (РЗУ). В составе секции находилось:

Рис

. 2. 

Структурная

 

схема

 

цифрового

 

кластера

 

на

 

базе

 TOPAZ iSAS

®

 

– 10 линейных ячеек, связывающих секцию с отхо-

дящими линиями;

 

– ячейка распределительного устройства (вводная);

 

– ячейка выключателя секции как такового выклю-

чателя не имеет, она лишь служит для создания 

реального  разрыва  при  выводе  секции  в  режим 

ремонта;

 

– ячейка трансформатора напряжения.

Все ячейки оборудованы РЗА с электромеханиче-

скими реле за исключением двух линейных, снабжен-

ных  микропроцессорным  терминалом  РЗА  ТОР200 

для защиты любых типов первичного оборудования. 

В течение всего периода экспериментальной эксплу-

атации цифровая защита работала так, что выходы 

ПДС замыкались не на сердечник электромагнитного 

клапана  выключателя,  а  на  вход  того  же  ПДС,  для 

записи протекания процесса аварии регистратором. 

Для удобства отслеживания параметров эксплуата-

ции в шкаф TOPAZ iSAS 10 кВ был внедрена панель 

визуализации TOPAZ HMI 15 дюймов. 

ИСПЫТАНИЯ

 

В качестве испытательного полигона под цифровой 

распределительный пункт (РП) был отобран РП-29, 

подведомственный филиалу «Новая Москва». Пункт 

(рисунок  3)  представлял  собой  электросооружение 

с двумя секциями шин 10 кВ. Каждая из них состояла 

из 10 подключений, включая присоединения и линии, 

ведущие к трансформаторам. Для взаимного резер-

вирования  распределительных  устройств  в  РП-29 

была  реализована  функция  автоматического  вво-

Рис

. 3. 

Структурная

 

схема

 

цифрового

 

РП

Аппаратные платформы для цифрового кластера

Алгоритмы для цифрового кластера

Фидер

Секция

РУ / ПС

МХ 240

МХ 681

МХ 820

РЗА

МИП

Учет

РАС

АВР

ПКЭ

 6 (57) 2019


Page 4
background image

102

да  резерва.  Распределительный  пункт  укомплекто-

ван  комплексным  распределительным  устройством 

(КРУ) на базе сборных камер одностороннего обслу-

живания  КСО-298,  которые  принимают  и  перерас-

пределяют  электроэнергию.  Основной  и  резервный 

алгоритм  защиты  и  управления  осуществлял  ПАК 

TOPAZ iSAS на платформе TOPAZ IEC DAS MX683. 

Помимо прочего в РП-29 был установлен контроллер 

телемеханики для обмена данными цифровой систе-

мы защиты и управления c диспетчерским пунктом 

по каналу беспроводной высокоскоростной переда-

чи данных LTE. Все 20 ячеек обеих секций шин уком-

плектованы TOPAZ ADMU, соединенным оптическим 

одноволоконным  проводом  с  коммутаторами  шины 

процесса.

На распределительном пункте TOPAZ iSAS реа-

лизует следующие функции:

 

– автоматическое управление выключателем;

 

– максимальная  токовая  защита  релейного  типа 

с ускорением при включении (реагирует на уве-

личение тока при коротком замыкании в подкон-

трольной шине);

 

– автоматическая  отсечка  тока,  призванная  мак-

симально быстро ликвидировать короткое замы-

кание на участке цепи;

 

– дуговая защита с контролем по току (реагирует 

на спектр света открытой электродуги);

 

– контроль обрыва фазы и логическая обработка 

информации для обоснования отключения;

 

– осциллографирование полученных данных;

 

– оценка  эффективности  работы  энергослужб  по 

показателям потребления электроэнергии;

 

– автоматический запуск резерва;

 

– функция многофункционального измерительно-

го  преобразователя  для  измерения  и  вычисле-

ния параметров трехфазной цепи;

 

– функция коммерческого учета электроэнергии;

 

– оценка качества электроэнергии.

РЕЗУЛЬТАТЫ

 

ИСПЫТАНИЙ

Опыт  внедрения  технологии  МЭК  61850-9-2  пока-

зал,  что  наиболее  важным  достижением  ЦПС  яв-

ляется  расширение  качества  функционала  и  его 

количества не за счет увеличения объемов обору-

дования, а за счет программного обеспечения без 

какого-либо  изменения  их  состава.  Все  вышепе-

речисленные  цифровые  системы  позволяют  еще 

и  добиться  экономического  эффекта.  Например, 

внедряя цифровую АСУ ТП и регистрацию аварий-

ных  событий  при  грамотном  подборе  устройств 

ПАС  и  ПДС  и  таком  же  отношении  к  построению 

шины процесса дальнейшее развитие системы сво-

дится лишь к модификации и добавлению алгорит-

мов обработки цифровых данных. Из этого следует 

вывод,  что  при  соизмеримости  стоимости  цифро-

вого и классического оборудования цена организа-

ции РЗА выльется лишь в стоимость программного 

обеспечения  при  массе  других  функциональных 

достоинств. Во многом положительный экономиче-

ский эффект построен на том, что каждый кластер 

строится на оборудовании одного поставщика или 

производителя (вендера).

В  процессе  проведения  эксперимента  опасе-

ния  вызывало  качество  синхронизации  ПАС  в  соот-

ветствии с протоколом РТР. Однако в течение всего 

периода  эксплуатации  проблем  с  синхронизацией 

выявлено  не  было.  Поводом  для  подобного  вывода 

послужила статистика РТР клиентов устройства ПАС, 

согласно  которой  задержка  не  превышала  1,5  мкс. 

Что касается записей в журнале тревог, то в нем не 

было зафиксировано ни одного факта потери синхро-

низации времени ПАС и ПДС. Не было аварийных или 

ложных  срабатываний  цифровой  релейной  защиты, 

фактов потери оцифрованных мгновенных значений 

от измерительных трансформаторов тока и напряже-

ния или других сбоев. На данный момент все системы 

ЦПС работают в штатном режиме и наблюдения про-

должаются. В целом можно зафиксировать факт того, 

что внедрение цифровых систем защиты и управле-

ния по протоколу МЭК 61850-9-2 прошло успешно.

ХРОНОЛОГИЯ

 

И

 

АНАЛИЗ

СРАБАТЫВАНИЯ

 

РЗА

С более подробным отчетом и анализом срабаты-

вания РЗА, а также хронологией событий по осцил-

лограммам  ПАС  и  ТОР-200Л  можно  ознакомиться 

в таб лицах 1 и 2, где указаны время и событие.

Также для наглядности приведены осциллограм-

мы с краткими комментариями по работе:

 

– осциллограмма  токов  первого  КЗ  фаз  А  и  С, 

отключенных удаленными защитами (рисунок 4);

 

– осциллограмма  токов  прожига  кабеля,  момент 

срабатывания защиты по несимметрии токов фаз 

(рисунок 5);

 

– осциллограмма  пусков  защит  ТО  и  МТЗ  2ст 

(APTOC1) при повторном КЗ и срабатывание ТО 

(APTOC2) (рисунок 6);

 

– осциллограмма отключения тока КЗ (рисунок 7);

 

– осциллограмма,  записанная  терминалом  ТОР-

200 (рисунок 8);

 

– совмещенные осциллограммы ЦПС TOPAZ 

и ТОР-200Л (рисунок 9).

Величина тока нагрузки на рисунке 4, предшеству-

ющей короткому замыканию фаз А и С, составляла 

порядка  15  А.  Величина  тока  КЗ  составила  3,5  кА. 

Уставка пустившейся защиты МТЗ 2ст равна 2,5 кА. 

Время пуска защиты от начала КЗ составило порядка 

20 мс. Через 0,6 секунды короткое замыкание было 

ликвидировано впередистоящими защитами, но про-

текание тока КЗ вызвало разрушение изоляции. На 

осциллограмме ток после КЗ имеет характерный не-

синусоидальный  вид,  обусловленный  деградацией 

изоляции.

Так  как  замыкание  несимметричное,  в  момент 

КЗ пустилась защита по несимметрии фаз (BPTOC). 

Уставка защиты: 

I

сраб.

(

I

d

/

I

) = 30 A.

Через  выдержку  времени  равной  уставке  сра-

батывания  защиты  от  не  симметричного  режима 

(BPTOC) произошло ее срабатывание. На осцилло-

грамме рисунка 5 виден увеличивающийся во време-

ни  ток,  вызванный  деградацией  изоляции,  который 

приведет к повторному КЗ.

Первое КЗ (рисунок 6) привело к появлению вто-

рого КЗ через 15 секунд. Величина тока КЗ составила 

РЕЛЕЙНАЯ  ЗАЩИТА 

И   АВТОМАТИКА


Page 5
background image

103

Табл. 1. Хронология событий по осциллограммам РАС TOPAZ

Время

№ осциллограммы

Событие

2:32:29

RAS_19_06_2019-02_32_29_291

Пуск защит МТЗ II:

Время возникновения двухфазного КЗ 2:32:29,266.

Величина тока двухфазного КЗ в момент пробоя изоляции 3,5 кА. 

Длительность КЗ 0,628 сек.

КЗ отключено нижестоящими защитами. 

Время отключения КЗ: 2:32:29,903

(см. рисунок 4) 

2:32:42

RAS_19_06_2019-02_32_42_021

Работа защиты по несимметрии токов (BPTOC), вызванной токами на-

чавшегося прожига кабеля.

Время срабатывания 02.32.42.021.

(см. рисунок 5)

2:32:44

RAS_19_06_2019-02_32_44_061

Время пусков защит:

Время возникновения повторного двухфазного КЗ 2:32:44,043.

Время пуска защит МТЗ IIст 2:32:44,060.

Время пуска защит МТЗТО 2:32:44,072.

Время срабатывания МТЗ ТО 2:32:44,077.

Полное время работы ТО составило 34 мс.

Величина тока КЗ в момент пробоя изоляции 5,3 кА. 

(см. рисунок 6)

2:32:45

RAS_19_06_2019-02_32_45_316

Время отключения КЗ:

Осциллограмма не охватывает время возникновения пусков защит. Вид-

но, что за 0,3 из двухфазного КЗ переросло в трехфазное.

Время срабатывания защит МТЗ IIст 2:32:45,562.

Полное время работы МТЗ IIст составило 1519 мс.

Время отключения КЗ 2:32:45,602.

Время возникновения трехфазного КЗ 2:32:45,303.

Величина тока КЗ в момент отключения 6,2 кА.

(см. рисунок 7)

2:35:43

RAS_19_06_2019-02_35_43_196

Квитирование отключенного состояния ключом управления после ава-

рийного отключения оперативным персоналом

2:36:02

RAS_19_06_2019-02_36_02_572

Отключение автомата ШУ оперативным персоналом при выводе ячейки

2:36:10

RAS_19_06_2019-02_36_10_866

Пуск РАС после срабатывания контроля неисправности выключателя 

ввиду отключенного автомата ШУ

Рис

. 4. 

Осцил

-

лограмма

 

то

-

ков

 

первого

 

КЗ

 

фаз

 

А

 

и

 

С

отключенных

 

удаленными

 

защитами

порядка 5,3 кА. Произошел пуск ТО и МТЗ. Время пу-

ска ТО и МТЗ от появления КЗ, при уставке равными 

величине в 4 кА и 2,5 кА, составили 25 мс и 15 мс 

соответственно. Полное время срабатывания ТО со-

ставило 30 мс. 

Выдержка времени работы защит 1,5 сек. Через 

1,25 сек после возникновения двухфазное КЗ пе-

реросло в трехфазное (рисунок 7). Полное время 

срабатывания  МТЗ  составило  1519  мс.  Величина 

тока КЗ в момент отключения 6,2 кА.

 6 (57) 2019


Page 6
background image

104

Рис

. 5.

Осциллограм

-

ма

 

токов

 

про

-

жига

 

кабеля

момент

 

сра

-

батывания

 

защиты

 

по

 

несимметрии

 

токов

 

фаз

Рис

. 6.

Осциллограм

-

ма

 

пусков

 

защит

 

ТО

 

и

 

МТЗ

 2

ст

 

(APTOC1) 

при

 

повторном

 

КЗ

 

и

 

сраба

-

тывание

 

ТО

 

(APTOC2)

Рис

. 7. 

Ос

-

циллограмма

 

отключения

 

тока

 

КЗ

РЕЛЕЙНАЯ  ЗАЩИТА 

И   АВТОМАТИКА


Page 7
background image

105

На осциллограмме рисунка 8 зафиксирована ра-

бота  терминала  ТОР-200  во  время  повторного  КЗ. 

Пуск МТЗ с величиной уставки 2,5 кА произошел че-

рез 49 мс. Полное время срабатывания защиты при 

T

уставки

 = 1,44 сек составило 1,498 сек.

На  рисунке  9  изображены  две  осциллограммы, 

иллюстрирующие  времена  срабатывания  токовых 

органов МТЗ.

Вверху — осциллограмма по ЦПС:

 

– пуск APTOC1 (МТЗ) произошел спустя 15 мс при 

кратности тока КЗ к уставке 

I

КЗ

/

I

уст

 = 2,12;

 

– пуск APTOC2  (ТО)  произошел  спустя  25  мс  при 

кратности тока КЗ к уставке 

I

КЗ

/

I

уст

 = 1,31.

Внизу  —  осциллограмма  ТОР-200Л:  пуск  МТЗ 

произошел спустя 50 мс от начала тока КЗ.

ВЫВОДЫ

 

Защита, выполненная на базе ЦПС, отреагировала 

на  токи  КЗ  быстрее,  чем  традиционный  терминал 

ТОР-200. Время пуска защит зависит от кратности 

тока КЗ к величине уставки и не превышает 25 мс 

против 50 мс у ТОР-200 (рисунок 9). Полное время 

срабатывания защит с нулевыми выдержками вре-

мени не превышает 30 мс. Защита отработала в со-

ответствии с заложенным алгоритмом. 

Рис

. 8. 

Осциллограмма

записанная

 

терминалом

 

ТОР

-200

Рис

. 9. 

Совмещенные

 

осциллограммы

 

ЦПС

 

и

 

ТОР

-200

Л

Табл. 2. Хронология событий

по осциллограмме с терминала ТОР-200Л

Время № осцилло-

граммы

Событие

2:33:14 19-06-19 02-

33-14-940

Время пусков защит:

Время возникновения двухфаз-

ного КЗ 2:33:14,888.

Величина тока КЗ в момент про-

боя изоляции 5,3 кА.

Время пуска защит МТЗ IIст 

2:33:14,940.

Время возникновения трехфаз-

ного КЗ 02.33.16.144.

Время срабатывания МТЗ IIст 

02:33:16,378.

Полное время работы МТЗ IIст 

составило 1498 мс.

Время отключения КЗ 

02:33:16,450.

Величина тока КЗ в момент от-

ключения 6,2 кА.

(см. рисунок 8) 

Быстродействие алгоритмов защиты ЦПС позво-

ляет  использовать  ее  для  защит  большего  класса 

напряжений.  

Р

117246, Москва,

Научный проезд, д.17

+7 (495) 139-0405

+7 (495) 139-0406

sales@tpz.ru

www.tpz.ru

 6 (57) 2019


Читать онлайн

В статье описывается опыт внедрения цифровых систем защиты и управления с применением МЭК 61850-9-2. Представлены отчеты и анализ срабатывания РЗА, хронология событий и т.д.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 1(70), январь-февраль 2022

Превентивное управление нагрузкой в сетях 0,4 кВ в целях предотвращения возникновения аварийных ситуаций

Управление сетями / Развитие сетей Энергоснабжение / Энергоэффективность Релейная защита и автоматика
Удинцев Д.Н. Милованов П.К. Зуев А.И.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 5(68), сентябрь-октябрь 2021

Внедрение цифрового дистанционного управления оборудованием и МП устройствами РЗА на подстанциях 110–220 кВ ПАО «Россети Московский регион»

Релейная защита и автоматика
Гвоздев Д.Б. Грибков М.А. Бороздин А.А. Рыбаков А.К.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»