14УДК 621.311.4-52
Ивахно Дмитрий Олегович Ivahno Dmitry Olegovich Аниферов Артем Валерьевич Aniferov Artem Valeryevich Садчиков Максим Сергеевич Sadchikov Maksim Sergeevich Студенты Students
Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова
I. N. Ulyanov Chuvash State University
ПРИКЛАДНЫЕ ВЫЗОВЫ ЦИФРОВИЗАЦИИ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ
APPLIED CHALLENGES OF DIGITALIZATION OF POWER FACILITIES
Аннотация, при реконструкции или «построении» цифровой подстанции перед инженерами встает ряд задач, которые необходимо решить. Причем так как практически каждая подстанция является уникальной - каждая требует отдельной проработки каждой из задач. Такими задачами является повышение требований к точности синхронизации, требования к резервированию передачи информации, установка дополнительного дорогостоящего оборудования, обучение персонала и другие. Данный доклад посвящен рассмотрению задач, связанных с обеспечением цифровой передачи данных; описанию возможных вариантов передачи значений токов и напряжений от традиционных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН); дополнительных задач, связанных с новизной возводимых подстанций.
Abstract, when reconstructing or "building" a digital substation, engineers face several tasks that need to be solved. Moreover, since almost every substation is unique -each requires a separate study of each of the tasks. Such tasks include increasing the requirements for synchronization accuracy, requirements for reserving information transmission, installing additional expensive equipment, training personnel, and others. This report is devoted to the consideration of tasks related to the provision of digital data transmission; description of possible options for transmitting current and voltage values from traditional current (CT) and voltage (VT) transformers; additional tasks related to the novelty of the substations being built.
XII Международная научно-практическая конференция
Ключевые слова: цифровая подстанция, МЭК 61850, синхронизация, резервирование.
Keywords: digital substation, IEC 61850, synchronization, reservation.
Вызовы цифровизации, связанные с синхронизацией устройств на цифровой подстанции, а также с организацией резервирования передачи данных рассмотрены в [1]. Данная статья посвящена прикладным вызовам цифровизации.
Установка дорогостоящего оборудования
Устройства релейной защиты и автоматики оперируют сигналами токов и напряжений, измеренными в определенных (узловых) точках электрической сети, и оценивают состояние защищаемого электроэнергетического объекта [1]. Стандарт МЭК 61850, завоевывающий все большую популярность, предоставляет возможность цифрового обмена информацией между измерительными преобразователями и терминалами защиты.
Для реализации этого цифрового обмена традиционный модуль аналоговых входов системы релейной защиты, который осуществлял бы прием входных сигналов от установленных трансформаторов тока 1A/5A и сигналов напряжения от трансформаторов напряжения, заменяется на модуль Ethernet. Этот модуль оснащен портами как для медных, так и для оптоволоконных кабелей для приема пакетов данных в формате IEC 61850-9-2, поступающих от полевого устройства [2].
Замеры, используемые устройством РЗА для целей защиты, управления и измерения, являются точным повторением таких замеров, которые были бы обеспечены аналого-цифровым преобразователем в традиционных системах РЗА. Цель данного подхода заключается в том, что внутренние алгоритмы устройства остаются неизменными и, следовательно, его функционирование будет идентично работе РЗА на подстанциях с традиционными измерительными трансформаторами.
Ключевыми преимуществами РЗА с подключением к ЦИП являются:
Безопасные операции тестирования и технического обслуживания - нет вмонтированных вторичных цепей трансформаторов тока;
Повышенная точность измерений благодаря наличию линейного трансформатора тока и отсутствию вторичного преобразователя внутри реле;
Сохранение функционала защиты: нет необходимости в повторной аттестации устройств, которые уже были аттестованы в варианте подключения к традиционным трансформаторам тока/напряжения;
Упрощенное наращивание функциональности подстанций или модернизация функций благодаря тому, что топология Ethernet отличается упрощенной процедурой реконфигурации по сравнению с традиционным фиксированным монтажом [3].
Соответственно теперь терминал принимает не аналоговые значения токов и напряжений, а их цифровые значения. В общем случае, он принимает их от дорогостоящих цифровых трансформаторов тока и трансформаторов напряжения.
В сетях переменного и постоянно тока на номинальном напряжении 6(10) - 110 кВ с частотой сети 50 и 60 Гц для измерения и передачи значений токов и напряжений приборам измерения, учета, релейной защиты и автоматики и др. используются измерительные преобразователи тока. В этом случае передача данных происходит по оптическим кабелям по протоколу МЭК 61850-9-2 (IEC 61850-9-2) или по медным кабелям в виде аналоговых сигналов.
Преобразователь аналоговых сигналов
Вместо дорогих цифровых трансформаторов тока и трансформаторов напряжения можно реализовать третью архитектуру
XII Международная научно-практическая конференция цифровой подстанции с обычными трансформаторами тока и напряжения, но с использованием преобразователей аналоговых сигналов, которые в разы дешевле цифровых трансформаторов [4].
Цифровые измерительные преобразователи (ЦИП), являющиеся частью цифровой подстанции, оцифровывают аналоговые сигналы и передают в шину процесса в виде пакетов, обеспечивающих их маркировку и целостность при передаче, которые затем используются алгоритмами защиты. Шина процесса представляет собой коммуникационную сеть, передающую информацию от источников данных устройствам-подписчикам. Согласно МЭК 61850-9-2ЬБ одно БУ-сообщение содержит информацию о 8 аналоговых каналах (4 тока и 4 напряжения). Для целей релейной защиты используется БУ-поток с 80 выборками за период номинальной частоты, т.е. для номинальной частоты 50 Гц частота дискретизации составляет 4000 Гц [5].
Реальная точность системы защиты и измерений имеет повышенное значение в случае ЦИП. При низких значениях тока, отсутствие стального сердечника в цепи обработки измерений означает, что намагничивающий ток трансформатора тока не будет вычитаться из действительных первичных значений. За счет этого трансформаторы тока можно выбрать таким образом, что они будут иметь динамический диапазон, достаточный для подключения защит, и малую погрешность при токах нагрузки (в особенности при слабой нагрузке). В связи с тем, что измерительная цепочка после полевого устройства является полностью цифровой, погрешности вне измерительного тракта минимальны, тогда как для варианта традиционных измерительных трансформаторов некоторая процентная погрешность добавляется на каждом этапе аналогового преобразования. Для больших величин токов, результаты работы алгоритмов защит и регистрация аварийных режимов являются более точной, поскольку нет эффекта насыщения трансформатора тока.
Инновационные аспекты развития науки и техники Выполняемые нетрадиционными измерительными
трансформаторами измерения напряжения позволяют добиться более точного срабатывания системы защиты без возникновения субгармоник и переходных состояний емкостных трансформаторов напряжений. Нет необходимости в подключении по схеме разомкнутого треугольника для точных измерений напряжения нулевой последовательности - имеются высокоточные фазные измерения, которые просто суммируются.
Использование дорогостоящих коммутаторов Помимо использования цифровых трансформаторов тока и напряжения (или преобразователей аналоговых сигналов совместно с обычными трансформаторами тока и напряжения) при реализации 2 и 3 архитектуры цифровой подстанции необходимо использовать дорогостоящие серверы времени, при необходимости обеспечения точного времени (точность до 1мкс). Кроме этого необходимо использование промышленных коммутаторы, которые будут поддерживать выбранные протоколы синхронизации времени и резервирования.
На данный момент есть несколько производителей, которые предлагают свои решения этой проблемы. Например, производители MOXA, Ruggetcom, Hirschmann.
Другие проблемы Немаловажными вызовами цифровизации является необходимость изменения подходов к наладке, испытаниям и эксплуатации устройств, которые нужно выполнить в сокращенные сроки [6]. Решение подобных проблем, а также повышение требований к обслуживающему персоналу будут осуществляться по мере распространения цифровых подстанций и получения опыта специалистами.
Выводы 45
XII Международная научно-практическая конференция
Цифровые подстанции имеют ряд преимуществ, такие как электромагнитная помехозащищенность, сокращение кабельной продукции, повышение точности измерений, надежность передачи и др. Но в то же время некоторые из этих преимуществ создают задачи и вызовы в проектировании и разработке цифровых подстанций, которые необходимо решить еще на этапе проектирования подстанций. Дальнейшее развитие вопросов резервирования, синхронизации, установки дополнительного оборудования должны сократить денежные и трудовые затраты на построение цифровых подстанций.
Библиографический список:
1. Аниферов А.В. Вызовы цифровизации энергообъектов / А.В. Аниферов [и др.] // Научные междисциплинарные исследования: XVII Международной научно-практическая конференции, 25 июля 2021 года. - Саратов, 2021.
2. Воробьев Е.С. Функциональная совместимость устройств РЗА мультивендорных цифровых подстанций / Е.С. Воробьев, В.И. Антонов, В.А. Наумов [и др.] // Релейная защита и автоматизация. -2019. - № 4(37). - С. 42-45.
3. Воробьев Е. С. Реконструкция подстанции с применением МЭК 61850 / Е.С. Воробьев, А.В. Глазырин // Современные проблемы электроэнергетики и пути их решения: Материалы У Всероссийской научно-технической конференции, Махачкала, 25-26 декабря 2019 года. - Махачкала: Информационно-Полиграфический Центр ДГТУ, 2019. - С. 162-166.
4. Воробьев Е. С. Современные решения построения цифровой подстанции среднего напряжения / Е.С. Воробьев // Современные проблемы электроэнергетики и пути их решения: Материалы У Всероссийской научно-технической конференции, Махачкала, 25-26
Инновационные аспекты развития науки и техники декабря 2019 года. - Махачкала: Информационно-Полиграфический Центр ДГТУ, 2019. - С. 200-205.
5. Глазырин А. В. Преобразователи дискретных и аналоговых сигналов на цифровой подстанции / А.В. Глазырин, Е.С. Воробьев // САПР и моделирование в современной электронике: Сборник научных трудов IV Международной научно-практической конференции, Брянск, 22-23 октября 2020 года. - Брянск, 2020. - С. 77-80. - DOI 10.51932/9785907271739_77.
6. Воробьев Е. С. Аппроксимация потерянных отсчетов в SV-потоках / Е.С. Воробьев // Ползуновский альманах. - 2020. - № 1. - С. 14-18.
7. Воробьев Е. С. Использование программных комплексов для тестирования микропроцессорных терминалов на работоспособность по МЭК 61850 / Е. С. Воробьев, А. В. Глазырин // Актуальные вопросы энергетики в АПК: Материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Благовещенск, 19 февраля 2020 года. - Благовещенск: Дальневосточный государственный аграрный университет, 2020. - С. 139-143.
© Ивахно Д.О., Аниферов А.В., Садчиков М.С., 2021
