СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ В СФЕРЕ ЦИФРОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

В данной работе произведён анализ современных проблем цифровых подстанций, кратко изложено, что такое цифровые подстанции, проблемы которые возникают с появлением как подстанций этого типа, так и на стадиях внедрения и эксплуатации.

Ключевые слова: цифровые подстанции, измерительные цифровые приборы, оптоволоконные кабеля, стандарт МЭК61850, стандартотизация в телеметрии, зарубежный и Российский опыт.

В настоящее время как за рубежом, так и в России современные подстанция представляет собой совмещённый (гибридный) набор современной аппаратуры, к примеру, таких как:

• управление технологическими процессами (АСУ ТП);
• структурой релейной защиты и противоаварийной автоматике (РЗА и ПА);
• системой обнаружения мест повреждения (ОМП);
• автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учёта электроэнергии (АИИС КУЭ);
• автоматизированные системы наблюдения за технологическими параметрами подстанции и другие.

Отмечу, что, каждое из перечисленных устройств, получает от трансформаторов тока и трансформаторов напряжения, аналоговый сигнал, и преобразует его в цифровой, и в принципе каждое из этих устройств, и систем уже основано на цифровых принципах.

Цифровые технологии более экономичны на всех стадиях внедрения: при проектировании, монтаже, наладке и в эксплуатации. Они обеспечивают возможность быстрого расширения и модернизации системы в процессе эксплуатации.

Цифровая подстанция- это электроподстанция, которая оснащена информационно-технологическими и управляющими системами, в которой информационный обмен данный, между элементами подстанции происходит не в аналоговом, а в цифровом формате (цифровыми информационными потоками).

В настоящее время есть целая линейка цифровых измерительных трансформаторов, являющихся элементами первичного оборудования подстанции, созданы компактные цифровые устройства релейной защиты, автоматики и учёта, способные работать с данными полностью в цифровом виде. Что даёт предпосылки к переходу на цифровые подстанции создается, на уже имеющийся аппаратной платформе.

Таблица 1.

Краткие характеристики и отличия традиционных и цифровых подстанций.

Переход к ЦП ведёт к минимуму проблемы стандартных подстанций (огромного километража медных кабелей, средств защиты РЗА, мест под шкафы РЗА и ПА и другие недостатки) автоматически повышается надёжность и безопасность, так как цифровые технологии предусматривают использование постоянной диагностики всех подключений.

Применение оптоволоконных кабелей позволяет значительно снизить трудоёмкость и объёмы выполнения работ. Кабели прокладываются более компактно и, по сравнению с традиционной ПС, их объём уменьшается на порядок. Кроме того, переход на ЦП, даёт нам выход на существенно иной уровень стандартотизации технических решений, а как следствие – снижение количества ошибок, аварий, повышение надежности. Цифровая передача данных между устройствами – это возможность по-новому взглянуть на аппаратный состав этих систем. Многие технические решения на энергообъектах принимаются исходя, из необходимости иметь разделённые друг от друга системы с разным функциональным назначением. Однако, когда речь идет про «цифру» и, в частности, про «оптику», где нет прямой гальванической связи между разными устройствами, всё становится иначе, появляется необходимость пересмотреть принятые, нормативы и объединить первичные измерения для всех подсистем на единой шине. И чтобы эти принципы были практически воплощены, в железе, с высокой надёжностью и обеспечивали выполнение функций аппаратурой  РЗА, ПА,  и других устройств, необходимо  решить ряд непростых задач: разработать специальный протокол связи между устройствами, обеспечивающий доставку нужной информации в заданное время (где счет идёт на миллисекунды и микросекунды) и с гарантированной точностью, чтобы цифровые измерительные потоки, попавшие в аппаратуру РЗА, правильно были расшифрованы, поэтому все источники измерений должны быть точно синхронизированы между собой.  И вот за эту проблему взялась Международная Электротехническая Комиссия, разработав группу стандартов МЭК 61850.

МЭК61850 -этот стандарт состоит из, более чем 20 глав и охватывает множество вопросов. Он представляющий собой единый стандарт, под названием «Коммутационные сети и системы подстанций», описывающий правила для организации событийного протокола передачи данных и состоит из набора стандартов по методике испытания, экологические требования, стандарты связи клиент-сервер, структуры и конфигурации подстанции, стандартов проекта и другие технологические требования.

Система, построенная на данном стандарте интуитивно понятна, в результате разработчики и внедряльщики тратят меньше время на понимание структуры конкретного объекта и вследствие чего, значительно снижает стоимость проектирования и интеграции.

Что касается недостатком данного стандарта, то можно отнести, повышенную сложность и новизна стандарта, опасность проникновения вирусной программы. В отличие от классических систем измерений цифровые подстанции являются заложником качества проектного и наладочного персонала, поскольку мало подобрать и установить оборудование, его необходимо настроить таким образом, чтобы полностью исключить возможность появления проблем из-за направления и объема информационных потоков на шине процесса. Требования, которые предъявляемые к опыту персонала, который будет обслуживать. Необходимость резервирования линии каналов передачи данных. Замечу, что данные недостатки являются временными, так-как они устранятся в связи с наработками в данной отрасли принятием единых стандартов, принятием единой проектной базой. А для этого необходимо учитывать опыт зарубежных стран.

Зарубежный опыт складывается из совокупности опыта стран, где обкатывают какие-то отдельные элементы ЦП, а уже после отладки переходят на следующий уровень. Так первым крупным проектом по внедрению стандарта МЭК 61850 стала подстанция TVA Bradley 500 кВ США, введенная в эксплуатацию в 2008 г. Цель проекта заключалась в проверке совместимости реализации стандарта МЭК 61850 в устройствах различных производителей. Внедрение проекта позволило улучшить совместимость между устройствами различных производителей, повысить квалификацию персонала сетевой компании в части стандарта МЭК 61850, а также выявить проблемы, возникающие при его внедрении.

В 2009 г. в Испании была завершена работа над пилотным проектом подстанции Alcala de Henares 132 кВ (г. Мадрид). В реализации проекта использовались устройства различных производителей.  Особенностью данного проекта являлось экспериментальное внедрение «Шины процесса» в части передачи дискретной информации. Системы РЗА и АСУ ТП на подстанции можно условно разделить на 4 уровня: верхний, станционный, уровень присоединения, (устройства МПРЗА и контроллеры присоединения) и полевой, включающий приборы, установленные на распределительном устройстве. В непосредственной близости с коммутационными аппаратами на распределительном устройстве были установлены выносные модули УСО (MicroRTU), которые с помощью оптических кабелей подключались к коммутаторам, установленным в ОПУ. Все информация о состоянии коммутационных аппаратов, а также команды управления ими передавались по цифровым каналам связи (с помощью GOOSE-сообщений).

На MicroRTU была реализована лишь простейшая логика с целью повышения надежности этих устройств. Функции оперативной блокировки были реализованы в устройствах уровня присоединения. Таким образом, на подстанции были внедрены следующие виды информационных потоков:

• вертикальный GOOSE для обмена информацией между MicroRTU и устройствами уровня присоединения;

• диагональный GOOSE для обмена информацией между MicroRTU одного присоединения и устройствами защиты и управления другого (например, для быстрого информирования этих устройств об отказе выключателя);

• горизонтальный GOOSE для обмена информацией между устройствами уровня присоединения (для целей организации оперативных блокировок, пуска осциллографа и т.д.);

• передача динамической информации по протоколу MMS от устройств уровня присоединения на станционный уровень;

• команды управления со станционного уровня на уровень присоединения по протоколу MMS.

Команды управления проходили через контроллеры присоединения, которые транслировали эти команды в GOOSE-сообщения для MicroRTU, что позволяло на уровне контроллеров присоединения осуществить функции оперативной блокировки. На подстанции Alcala de Henares не были внедрены цифровые трансформаторы тока и напряжения. Однако проект является крайне интересным с точки зрения использования «Шины процесса» для передачи дискретной информации.

Большое развитие цифровые подстанции получили в Китае. В 2006 г. была введена в эксплуатацию первая цифровая подстанция 110 кВ Qujing, Yunnan. К 2009 г. Китай занял лидирующее место в мире по цифровым подстанциям, введя в эксплуатацию 70 подстанций. Ожидается, что рынок цифровых подстанций в Китае вырастет до 4—4,5 млрд юаней в год за ближайшие 10 лет.

В России многие организации, например, ОАО «НИИПТ» активно проводит исследования в области цифровых подстанций. В 2008—2010 гг. был создан испытательный стенд для проверки работы АСУ ТП с устройствами различных производителей по различным протоколам и интерфейсам. Большая часть устройств в комплексе работает по стандарту МЭК 61850: Satec SA330, Siemens Siportec 4 (7SJ64, 7UT63), Siemens TM1703, AK1703, BC1703, Areva Micom, General Electric (F60), SEL-451, Mikronika, ZIV 7IRV, МКПА Прософт, МПРЗА ЭКРА.

Для автоматизации процесса подключения устройств был создан конфигуратор МЭК 61850, позволяющий экспортировать конфигурацию из устройства в базу данных АСУ ТП. Таким образом, удалось значительно упростить интеграцию устройств различных производителей в АСУ ТП.

Создание стенда позволило оценить сложность интеграции устройств, работающих по различным протоколам в АСУ ТП. Результаты испытаний показали, что интеграция устройств, работающих по стандарту МЭК 61850, требует значительно меньше времени за счет автоматизации процесса подключения.

В рамках испытаний также проводилась проверка совместимости устройств по протоколу GOOSE. Стендовые испытания показали, что не всегда удается обеспечить совместную работу устройств различных производителей по протоколу GOOSE.

С внедрением стандарта МЭК 61850 появилась возможность производить тестирование компонентов и всего комплекса АСУ ТП без наличия необходимого количества устройств нижнего уровня. Для решения указанной задачи устройства замещаются необходимым количеством серверов МЭК 61850 (эмуляторов). Модель данных устройств загружается на серверы в виде ICD-файлов. Для осуществления таких испытаний в ОАО «НИИПТ» был разработан сервер МЭК 61850, позволяющий тестировать взаимодействие интеллектуальных электронных устройств на цифровой подстанции без наличия необходимого количества устройств нижнего уровня.

В ОАО «НИИПТ» активно ведутся работы по созданию автоматизированной системы проектирования для цифровых подстанций, которая позволит использовать преимущества МЭК 61850-6 (SCL) и CIM-моделирования в процессе проектирования подстанций.

26 по 28 июля 2016 года в Ленинградской области на базе учебного комплекса ПАО «Ленэнерго» прошла выставка-форум «Современные тенденции распределительного сетевого комплекса».

В рамках данного мероприятия прошел круглый стол, посвященный вопросам создания автоматизированных систем в соответствии с МЭК 61850, на котором специалисты компании «Прософт-Системы» представили комплекс решений для цифровой подстанции электрораспределения и электроснабжения.

На предприятии «Прософт-Системы» разработано специальное оборудование для каждого уровня автоматизации работы цифровой подстанции электроснабжения:

•  измерительные преобразователи (AMU) УНЦ-3.2,
•  контролеры ячейки ARIS C304/C305,
•  устройство синхронизации ИСС-1,
• цифровые счетчики ARIS EM,
• регистраторы аварийных событий РЭС-3-61850 и другие устройства.

На сегодняшний день компания «Прософт-Системы» приняла участие в нескольких пилотных проектах по реализации конструкторских решений для цифровой подстанции:

• на ПС 220 кВ «Магистральная» в Казани
• на испытательном полигоне Нижегородской ГЭС

Так же была создана система учета электрической энергии с шиной процесса, на энергоблоке №11 Верхнетагильской ГРЭС, с помощью которой ведется автоматический сбор дискретных сигналов с терминалов РЗА в формате GOOSE-сообщений.

Зарубежный и отечественный опыт внедрения систем на базе стандарта МЭК 61850 показывает, что на современном этапе необходимо уделять повышенное внимание вопросам надежности всего цифрового комплекса устройств подстанции. Для этого все устройства должны проходить вначале тестирование на функциональное соответствие стандарту. Поскольку это тестирование представляет само по себе достаточно сложную задачу, для ее решения необходимо создание специального сертификационного центра, который мог бы осуществлять в полном объеме тестирование на соответствие стандарту любых устройств.

Также одним из важных факторов, которого придерживаются многие специалисты в области разработки, проектирования и реализации, который сдерживает массовое внедрение ЦП, является высокая стоимость технических средств, реализующих новую технологию.

Как правило, на первых этапах развития технологии разрабатываются специализированные приборы, наиболее полно реализующие потенциал новых подходов. При этом немалые затраты на разработку неминуемо закладываются в конечную стоимость разработанных устройств.

На время переходного периода о крупносерийном производстве таких приборов говорить не приходится, и вклад затрат на ОКР в стоимости устройств выходит весьма значительным. Получается типичный для внедрения новых технологий замкнутый круг – дорого т.к. малая серия, малая серия т.к. дорого.

Вторым важным фактором, сдерживающим развитие ЦП, который хотелось бы отметить, является фрагментарное развитие технического обеспечения. В первую очередь развиваются ключевые, системообразующие элементы – трансформаторы с цифровым выходом, терминалы РЗА. При этом многие другие элементы, на первый взгляд менее ответственные, но при этом совершенно необходимые для нормальной эксплуатации объекта автоматизации, остаются обделенными должным вниманием. Эта неравномерность в развитии приборного парка вскрывается, когда дело доходит до реального проектирования объектов ЦП. Выясняется, что многих, на первый взгляд простейших, но нормативно и реально необходимых приборов для ЦП, на рынке не представлено.Но несмотря на выше сказанное, процесс в России продвигается и главное, чтоб он не останавливался.

И в заключении, в настоящее время в России реализуется сразу несколько проектов цифровых подстанций, такие, как опытный полигон «Цифровая подстанция» на базе «НТЦ ФСК ЕЭС», подстанция 500 кВ «Надежда» на базе Магистральных электрических сетей Урала, а также кластер «Эльгауголь».

Однако, как отмечают эксперты, пока в этом вопросе отсутствует самый важный компонент – методология проектирования в полном объеме. Необходимо решать вопрос автоматизации этого процесса, пока не подготовлены кадры. Нельзя исключить и важность инвестирования в развитие ЦП. В противном случае это будет значительно тормозить процесс развития цифровых подстанций в России, что крайне нежелательно.

Список источников:

1. www.kipia.info “Быть или не быть цифровым подстанциям в России?”
2. www.digitalsubstation.com. “В цифровых подстанциях мы видим огромный потенциал”.
3. www.ruscable.ru “Цифровая подстанция. Обзор мировых тенденций развития”.
4. www.digitalsubstation.com. “Цифровая подстанция и метрология”.
5. www.enosr.ru “Цифровые подстанции в России: процесс пошёл”.
6. www.news.elteh.ru “Новости электротехники” № 2(74)/Релейная защита.
7. www.elec.ru “Решения для цифровой подстанции становиться доступнее!”/ Статьи и обзоры.
8. www. сайта газета «Энергетика и промышленность России» №10(24) июнь 2014г.