Применение технологии Цифровая подстанция на существующих объектах

Page 1

Page 2

цифровая подстанция

Применение технологии
«Цифровая подстанция»
на существующих объектах

настоящее

время

активно

развивается

технология

Цифровая

подстанция

» (

—

ЦПС

поэтому

одной

из

приоритетных

задач

является

выбор

оптимального

подхода

внедрению

тех

нологии

ЦПС

также

поиск

технических

решений

которые

по

зволят

получить

новые

технологические

преимущества

будут

давать

экономический

эффект

по

сравнению

традиционными

технологиями

автоматизации

защиты

распределительном

электросетевом

комплексе

но

при

этом

не

приведут

сниже

нию

надежности

системы

структуру компании «Россети

Московский регион» (ПАО

«МОЭСК») входят крупные

питающие центры — более

600 подстанций 35–220 кВ, а также

более 40 000 распределительных пун-

ктов и трансформаторных подстанций

6–10/0,4 кВ, развитая кабельная сеть

со сложной топологией внутри город-

ской застройки и разветвленные воз-

душные линии электропередачи, ос-

нащенные реклоузерами и пунктами

секционирования, в сельской местно-

сти. При переходе к технологии ЦПС

важно выработать единые подходы

и принципы внедрения цифровых

технологий, не создавая излишнего

многообразия технических решений,

архитектур, регламентов эксплуата-

ции нового оборудования и систем.

В настоящее время можно выде-

лить следующие технологии ЦПС:

1) информационный обмен между

элементами ЦПС на основе стан-

дартов серии МЭК 61850;

2) измерение токов и напряжений при

помощи электронных/оптичес ких

измерительных трансфор маторов

или классических трансформато-

ров, укомплектованных устрой-

ствами преобразования аналого-

вых сигналов (ПАС) с цифровым

выходом для передачи потоков

мгновенных значений в соответ-

ствии с МЭК 61850-9-2;

3) выполнение нескольких функций

на одном устройстве (группировка

функций);

4) проектирование и конфигурирова-

ние объекта на языке SCL.

ЦПС представляет собой трех-

уровневую иерархическую инфор-

мационную систему, разделенную

на уровень процесса, уровень при-

соединения и уровень подстанции.

Уровни процесса и присоединения

осуществляют информационный об-

мен по цифровой шине процесса,

уровни процесса и подстанции — по

цифровой шине подстанции.

Сейчас во многих сетевых компа-

ниях есть большой опыт построения

систем телемеханики и АСУ ТП с при-

менением стандарта МЭК 61850-8-1

на подстанционном уровне с орга-

низацией информационного обмена

с диспетчерскими центрами. Чего

нельзя сказать об уровне процесса

и присоединения. Повсеместно ис-

пользуется применение на уровне

присоединения микропроцессорных

устройств, которые обмениваются

информацией с первичным оборудо-

ванием по медным кабелям электри-

ческими аналоговыми и дискретными

сигналами. Сегодня в отечественной

энергетике имеется довольно неболь-

шой опыт внедрения полноценных

ЦПС с организацией цифровой шины

процесса.

Гвоздев

первый заместитель генерального директора — главный инженер

компании «Россети Московский регион»

Грибков

директор Департамента релейной защиты и режимной автоматики

электрических сетей компании «Россети Московский регион»

Сахаров

заместитель главного инженера — директор Департамента инфор-

мационно-технологических систем и связи компании «Россети Московский регион»

Page 3

Цифровая подстанция начи-

нается с предоставления данных

о процессах в первичной цепи

в цифровом виде, то есть необ-

ходимо наличие данных о токах

и напряжениях в цифровом виде,

поступающих в темпе процесса.

Для этого необходимо применение

измерительных

трансформато-

ров с цифровым выходом по МЭК

61850-9-2. Примерами такого рода

оборудования являются оптиче-

ские ТТ и ТН, ТТ построенные на

принципах пояса Роговского и дат-

чиках Холла, ТН в виде емкостных

и резистивных делителей, име-

ющие цифровой выход. Однако

на сегодня данное оборудование

широко не применяется, особенно

на напряжениях ниже 110 кВ, что

обусловлено довольно высокой

стоимостью данного рода обору-

дования, отсутствием достаточ-

ного количества положительных

статистических данных об эксплу-

атации, отсутствием методологи-

ческого обеспечения. Применение

измерительных трансформаторов

с цифровым выходом сегодня ви-

дится более актуальным при но-

вом строительстве или глубокой

модернизации объектов с уровнем

напряжение выше 110 кВ.

Для внедрения технологий

ЦПС на существующие объекты

логично применять устройства

типа ПАС, обеспечивающие ин-

теграцию существующих ТТ и ТН

в шину процесса по протоколу

МЭК 61850-9-2. В этом случае

ЦПС должна проектироваться

с учетом возможной в будущем за-

мены традиционных ТТ и их ПАС

на измерительные трансформато-

ры с цифровым выходом.

Для передачи сигналов о состо-

яниях коммутационных аппаратов

и команд на их управление долж-

ны применяться устройства ПДС

(преобразователи дискретных сиг-

налов), обеспечивающие обмен

GOOSE-сообщениями. Возможно

применение устройств, объединя-

ющих функции ПАС и ПДС, если

это не ухудшает показатели на-

дежности и ведет к оптимизации.

При внедрении технологий

ЦПС на существующих объектах

необходимо обеспечивать ком-

плексный подход к интеграции

данных от первичного оборудо-

вания в цифровую шину процес-

са, а именно устанавливаемые

устройства ПАС и ПДС должны

быть источником сигналов для

всех вторичных систем на ПС, обе-

спечивать необходимый уровень

надежности и резервирования для

функционирования цифровых сис-

тем РЗА, систем управления, ин-

формационно-измерительных сис-

тем и автономных регистраторов.

Качественно можно выделить

следующие типы потоков SV для

использования различными под-

системами:

– токи от измерительных кернов

ТТ с частотой выборок 80 или

96 за период 20 мс для исполь-

зования подсистемами Учета

ЭЭ и АСУ ТП;

– напряжения ТН (фазные) и на-

пряжения ТН (разомкнутого

треугольника) с частотой вы-

борок 80 или 96 за период

20 мс для использования под-

системами Учета ЭЭ, АСУ ТП,

РЗА, РАС;

– напряжения ТН (фазные) и то-

ки измерительных кернов ТТ

с частотой выборок 256 или 288

за период 20 мс для использо-

вания подсистемой ККЭ;

– токи защитных кернов ТТ

с частотой выборок 80 или 96

за период 20 мс для использо-

вания подсистемами РЗА, РАС.

Для выполнения большинства

функций РЗА и РАС вполне доста-

точно частоты дискретизации

сигналов тока и напряжения

20 или 24 выборки за пери-

од, однако данная характери-

стика SV-потока отсутствует

в стандарте МЭК 61850-9-2,

проекте корпоративного про-

филя МЭК 61850 ПАО «ФСК

ЕЭС» и не поддерживается

большинством производите-

лей измерительных устройств

с цифровым выходом (ЦТТ,

ЦТН, ПАС), за редким ис-

ключением. Хотя снижение

частоты дискретизации пото-

ков SV для целей РЗА позво-

лит снизить нагрузку на сеть

шины процесса и освободить

вычислительные мощности

цифровых устройств РЗА, за-

трачиваемые на разбор боль-

шого числа пакетов SV, без

качественного ухудшения вы-

полняемых функций защиты

и автоматики.

Устройства ПАС и ПДС

должны иметь по 2 независи-

мых порта Ethernet для подключе-

ния к шине процесса по протоколу

PRP.

Рассмотрим более подробно

предполагаемую структуру ЦПС на

питающем центре.

Для присоединений 110 и 220 кВ

необходимо обеспечивать не

только резервирование ЛВС от

устройств ПАС и ПДС, но и сами

устройства ПАС (по аналогии

с резервированием кернов ТТ

для основного и резервного ком-

плекта защит) должны резерви-

роваться. Пример расположения

устройств ПАС и ПДС для ячейки

ВЛ 220(110) кВ приведен на рисун-

ке 1.

Для ячеек ЗРУ(КРУ) 6–35 кВ нет

необходимости устанавливать ос-

новной и резервный ПАС для нужд

РЗА, а в целях оптимизации воз-

можна установка комбинирован-

ного устройства, совмещающего

функции ПДС и ПАС с возможно-

стью подключения к измеритель-

ным и защитным кернам.

Отдельное устройство ПАС

устанавливается на каждый ТН

для получения SV-потоков напря-

жений, необходимых для работы

устройств защит, измерений, реги-

страции и т.д.

Важным аспектом с точки зре-

ния надежности и капитальных за-

трат является архитектура уровня

Рис

. 1.

Пример

распределения

устройств

ПАС

ПДС

для

ячейки

220(110)

кВ

№

3 (54) 2019

Page 4

присоединения ЦПС. Первые по-

пытки внедрения цифровых си-

стем защиты и управления были

предприняты именно с сохране-

нием «традиционной» архитекту-

ры, то есть за каждую отдельную

функцию отвечает отдельное фи-

зическое устройство. Например,

цифровой терминал КСЗ, циф-

ровой терминал защиты фидера

10 кВ, цифровой КП, цифровой

анализатор ККЭ и т.д. При этом

концептуально устройство оста-

ется традиционным, изменился

лишь метод обмена данными этого

устройства с «внешним миром».

Для реализации данной архитекту-

ры ЦПС подразумевается приме-

нение большого числа устройств,

то есть количество терминалов,

контроллеров и других ИЭУ оста-

ется прежним относительно «тра-

диционной» архитектуры, но к их

числу добавляются аналоговые

и дискретные устройства сопряже-

ния (ПАС, ПДС), а также сетевые

коммутаторы ЛВС шины процесса.

Применение подобной архитек-

туры ведет к многократному удо-

рожанию систем автоматизации,

построенных по принципам ЦПС,

относительно

«традиционных»,

так как становится значительно

больше физических устройств.

Структурная схема такой архитек-

туры приведена на рисунке 2.

Построение вторичных систем

по технологии ЦПС имеет суще-

ственную особенность, а именно,

позволяет рассматривать при-

кладные алгоритмы отдельно от

аппаратной части устройств, так

как по сути цифровой терминал

РЗА или контроллер присоедине-

ния представляют из себя компью-

тер (вычислительное устройство)

с прикладным ПО (алгоритмом),

при этом формат обмена инфор-

мацией прикладного ПО с «внеш-

ним миром» стандартизован —

МЭК 61850-9-2, МЭК 61850-8-1.

Данное обстоятельство позволяет

запускать несколько экземпляров

прикладного ПО на одном устрой-

стве (вычислительной платфор-

ме), а также использовать один

тип вычислительной платформы

для исполнения прикладного ПО

различного функционала. Конеч-

но, при этом остаются актуальны

все требования по ЭМС, клима-

тическим и механическим воздей-

ствиям, надежности для соот-

ветствующих устройств защиты

и управления.

Возможность запуска несколь-

ких экземпляров прикладного ПО

обусловлена производительно-

стью вычислительной платфор-

мы, и при объединение несколь-

ких функций на одном устройстве

стоит учитывать этот факт.

Частичное объединение функ-

ций на одном устройстве уровня

присоединения (ИЭУ) позволяет

снизить количество оборудования

и, как следствие, капитальные за-

траты на внедрение подсистем

защиты и управления, но снижает

отказоустойчивость таких систем.

Поэтому централизация функ-

ций должна быть оптимальной,

особенно для критически важных

функций, таких как РЗА и ПА.

Д л я р а с п р ед ел и тел ь н ы х

устройств 220(110) кВ нет необхо-

димости глубокой централизации

функций РЗА на уровне присо-

единения, оптимальным будет ис-

пользование одного физического

устройства РЗА для защиты одно-

го объекта 220(110) кВ с набором

алгоритмов, характерных для за-

щиты данного типа объекта. Мож-

но выделить следующие типы

объектов защиты: воздушная (ка-

бельная) линия, секция шин, оши-

новка, трансформатор. Для каж-

дого объекта следует применить

отдельное цифровое устройство

РЗА с резервированием данно-

го устройства его точной копией.

При этом основное и резервное

устройство работают параллель-

но. Структура цифровой защиты

объекта 220(110) кВ, на примере

ВЛ 220 кВ приведена на рисунке 3.

Д л я р а с п р ед ел и тел ь н ы х

устройств 6–20 кВ питающих цен-

тров характерно большое коли-

чество отходящих фидеров. Для

оптимизации подсистемы РЗА та-

кого объекта логично объединять

защиты фидеров и шин 6–20 кВ

на одном устройстве РЗА, а для

обеспечения надежности — ре-

зервировать групповое цифровое

устройство РЗА его точной копией.

При данной архитектуре объектом

защиты выступает секция шин со

Рис

. 2.

Пример

неоптимальной

архитектуры

уровня

присоединения

ЦПС

сохранением

структуры

характерной

для

традиционных

систем

защиты

управления

ЦИФРОВАЯ

ПОДСТАНЦИЯ

Page 5

всеми присоединениями. Струк-

тура цифровой защиты объекта

секции 6–20 кВ приведена на ри-

сунке 4.

Для реализации подсистемы

АСУ ТП с заданным уровнем на-

дежности оптимальным представ-

ляется объединение на одном

цифровом устройстве функций

контроллера присоединения для

нескольких ячеек. Объединение

возможно как по секциям шин, так

и по распределительному устрой-

ству в целом (в зависимости от

количества присоединений в РУ

или секции — определяется при

проектировании). Для обеспече-

ния надежности функционирова-

ния необходимо резервировать

групповое цифровое устройство

АСУ ТП уровня присоединения

его точной копией, но в отличие от

основного и резервного цифровых

устройств РЗА, основное и резерв-

ное цифровые устройства АСУ ТП

должны работать в режиме горяче-

го резервирования (Hot Standby),

то есть когда основное устройство

в работе, резервное «спит». Струк-

тура уровня процесса и уровня

присоединения цифровой АСУ ТП

приведена на рисунке 5.

Для автономной подсистемы

регистрации аварийных событий

РАС достаточно использовать

одно устройство (вычислительную

платформу), способное обрабо-

тать и записать требуемое количе-

ство потоков SV и дискретных сиг-

налов в виде GOOSE-сообщений.

Рис

. 3.

Структура

организации

цифровой

защиты

ВЛ

220

кВ

Рис

. 4.

Структура

организации

цифровой

защиты

секции

шин

6–20

кВ

Рис

. 5.

Структурная

схема

уровней

процесса

присоединения

цифровой

АСУ

ТП

№

3 (54) 2019

Page 6

При этом используются те же пото-

ки SV, что и для подсистемы РЗА.

Аналогично и для подсистемы

ККЭ — возможно использовать

одно устройство с достаточной вы-

числительной производительно-

стью.

Наряду с оборудованием уров-

ня процесса (ПАС, ПДС) и уровнем

присоединения ИЭУ не менее от-

ветственным является оборудова-

ние ЛВС уровня процесса — шина

процесса.

В вышеописанных архитек-

турах построения подсистем за-

щиты и управления ЦПС логично

использовать единую физическую

шину процесса для различных под-

систем, сегментированную по чис-

лу распределительных устройств

подстанции или по секциям шин,

в зависимости от степени объеди-

нения функций в одном ИУЕ (IED),

так как один поток SV могут ис-

пользовать различные устройства,

относящиеся к различным подси-

стемам. С другой стороны, долж-

на быть возможность разделения

трафика SV, GOOSE, PTP в еди-

ной физической сети передачи

данных. Таким образом к коммута-

торам, применяемым для построе-

ния шины процесса, предъявляют-

ся два обязательных требования:

– поддержка средств управления

трафиком QoS (IEEE 802.1p)

и VLAN (IEEE 802.1Q);

– поддержка протокола точной

синхронизации времени PTPv2

(МЭК 61850-9-3, IEEE Std 1588-

2008, профиль Power Proﬁ le).

Сегмент ЛВС шины процесса

должен иметь топологию «двойная

звезда» с применением протокола

параллельного резервирования

МЭК 62439-3 PRP.

При подключении к шине про-

цесса оборудования, расположен-

ного на ОРУ или в ячейках ЗРУ,

должны применяться волоконно-

оптические линии связи.

Для оптимизации общего чис-

ла портов сетевых коммутаторов

шины процесса необходимо сни-

зить количество подключаемого

оборудования. Исходя из вышеиз-

ложенного, объединение функций

на одном устройстве уровня при-

соединения (ИЭУ) позволяет сни-

зить капитальные затраты, речь

идет не только о самих ИЭУ, но

и о снижении количества физи-

ческих подключений к сетевым

работать «на сигнал», а их сра-

батывание фиксироваться подси-

стемой РАС. Данная архитектура

предполагает показать свою эф-

фективность с точки зрения обе-

спечения надежности и стоимости.

Если рассматривать в качестве

объекта внедрения технологий

ЦПС такие объекты, как распре-

делительные пункты (РП) 6–20 кВ,

то архитектура систем защиты

и управления будет похожа на

описанную выше архитектуру РУ

6–20 кВ, так как главная электри-

ческая схема данных объектов по-

хожи. Однако для объекта такого

типа с целью оптимизации затрат

логично не выполнять шину стан-

ции в виде отдельных коммутато-

ров, а также функции контроллера

телемеханики возложить на ИЭУ.

Пример такой структуры изобра-

жен на рисунке 6.

Такой подход применен при

реализации пилотного цифрового

распределительного пункта 10 кВ.

В качестве пилотного цифрового

РП выбрано РП-29 филиала «Но-

вая Москва». РП-29 представляет

собой двухсекционное распре-

делительное устройство с двумя

секциями 10 кВ. Каждая секция

шин РУ 10 кВ состоит из 10 при-

соединений. Для взаимного резер-

вирования вводов секций РУ 10 кВ

в РП-29 реализован автоматиче-

ский ввод резерва (АВР). РП-29

укомплектована КРУ на базе камер

сборных одностороннего обслужи-

Рис

. 6.

Структурная

схема

цифрового

РП

6–20

кВ

ЦИФРОВАЯ

ПОДСТАНЦИЯ

коммутаторам, то есть снижении

количества портов и самих ком-

мутаторов. Также, уменьшая ко-

личество устройств ПАС и ПДС,

то есть объединяя функции ПАС

и ПДС в одном устройстве, приме-

няя устройства с большим количе-

ством входных/выходных электри-

ческих аналоговых и дискретных

сигналов, мы добиваемся сниже-

ния количества используемых пор-

тов на сетевых коммутаторах. Ко-

нечно, такая оптимизация должна

быть не в ущерб надежности, что

учтено в вышеописанных архитек-

турах построения цифровых под-

систем ЦПС.

Описанные выше архитекту-

ры построения систем защиты

и управления в настоящий мо-

мент реализуются при внедрении

технологий ЦПС на ПС 110 кВ

«Бирюлево». Данная подстанция

имеет ОРУ 110 кВ, выполненное

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 внедряются следую-

щие цифровые системы в виде

цифровых кластеров: цифровой

регистратор аварийных событий

(в объеме всей подстанции), циф-

ровая система контроля качества

электроэнергии (в объеме секций

шин 110, 10, 6 кВ), цифровая сек-

ция 10 кВ (функции РЗА и АСУ ТП).

Функции РЗА в данном проекте

реализуются без реального воз-

действия на отключение выключа-

телей ячеек 10 кВ, защиты будут

Page 7

На прав

ах рек

ламы

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. СТО 34.01-21-004-2019. Цифро-

вой питающий центр. Требования

к проектированию цифровых под-

станций напряжением 110–220 кВ

и узловых цифровых подстанций

напряжением 35 кВ.

2. СТО 34.01-21-004-2019. Цифровая

электрическая сеть. Требования

к проектированию цифровых рас-

пределительных сетей 0,4–220 кВ.

вания КСО-298. Все алгоритмы

защит планируется реализовать

на одном цифровом устройстве

защиты ИЭУ РЗА (основной и ре-

зервный), функции телемеханики

также выполняются одним цифро-

вым устройством ИЭУ ТМ (основ-

ной и резервный), функции ККЭ

реализуются на одном ИЭУ ККЭ

без резервирования. Также в РП

устанавливается контроллер теле-

механики, который предназначен

для обмена данными между циф-

ровой системой защиты и управ-

ления и диспетчерским пунктом по

каналу LTE.

Для реализации функций за-

щиты и управления энергообъ-

ектами распределительной сети

как высокого, так и среднего на-

пряжения возможно применение

единого подхода. Это крайне важ-

ный аспект при массовом проек-

тировании и внедрении цифровых

подстанций в распределительном

сетевом комплексе.

Унификация архитектур ЦПС,

применяемых на объектах высо-

кого и среднего напряжения, даст

возможность сокращения капи-

тальных и эксплуатационных за-

трат на всем жизненном цикле

систем защиты и управления, по-

зволит более эффективно под-

готавливать

эксплуатационный

персонал, уменьшит номенкла-

туру программных и аппаратных

средств, используемых при про-

ектировании, наладке и эксплуата-

ции данных систем.

В описанных выше архитек-

турах ЦПС, как шаг к снижению

стоимости, используется объеди-

нение функций по качественным

и количественным показателям,

на одном цифровом устройстве

уровня присоединения. Внедре-

ние технологий ЦПС должно при-

носить в том числе и экономиче-

ский эффект. При оценке такого

эффекта необходимо рассматри-

вать общие затраты на внедрение

цифровых вторичных систем, так

как цифровые системы различного

назначения в оптимизированных

архитектурах используют общую

инфраструктуру шины процесса

(ЛВС, ПАС, ПДС), соответственно

для оценки принимается общая

стоимость цифровых подсистем.

Рассмотрим стоимость вто-

ричных систем ЦПС, построен-

ных в соответствии с описанными

выше оптимизированными архи-

тектурами, и сравним со стоимо-

стью аналогичных классических

вторичных систем. Для этого выра-

зим стоимость капитальных затрат

на классические системы в услов-

ных единицах (у.е.): РЗА — 6; АСУ

ТП (верхний уровень) — 1; АСУ ТП

(нижний уровень (КП, УСО)) — 1;

шина станции — 1; РАС — 0,5;

ПКЭ — 0,5; итого — 10 у.е. В таких

же условных единицах выразим ка-

питальные затраты на цифровые

системы: ПАС, ПДС — 1,7; шина

процесса — 1,5; ИЭУ (РЗА) — 2;

ИУЭ (АСУ ТП) — 0,5; ИУЭ

(ПКЭ) — 0,25; ИУЭ (РАС) — 0,25;

шина станции — 0,8; АСУ ТП

(верхний уровень) — 1; итого —

8 у.е. Таким образом мы уже видим

экономию капитальных затрат на

уровне 20%.

Наряду со снижением капи-

тальных затрат на вторичные си-

стемы, технологии ЦПС должны

обеспечить и снижение эксплуата-

ционных затрат на 15–20%.

Уже сейчас возможно доби-

ваться экономического эффекта

от применения технологий ЦПС на

20–30% относительно классиче-

ских систем. В будущем этот пока-

затель будет улучшаться.

ВЫВОДЫ

Внедрение технологий ЦПС

дает следующие эффекты:

• повышение надежности;

• повышение эксплуатационных

характеристик;

• снижение СAPEX и OPEX на

20%;

• простота и дешевизна расши-

рения систем;

• повышение уровня диагности-

руемости оборудования;

• снижение габаритных размеров

ОПУ и ПС в целом;

• глубокая автоматизация про-

цессов проектирования и на-

ладки вторичных систем.

№

3 (54) 2019

Оригинал статьи: Применение технологии Цифровая подстанция на существующих объектах

Читать онлайн

В настоящее время активно развивается технология «Цифровая подстанция» (далее — ЦПС), поэтому одной из приоритетных задач является выбор оптимального подхода к внедрению технологии ЦПС, а также поиск технических решений, которые позволят получить новые технологические преимущества и будут давать экономический эффект по сравнению с традиционными технологиями автоматизации и защиты в распределительном электросетевом комплексе, но при этом не приведут к снижению надежности системы.