CC BY
6Студенческий научный электронный журнал StudArctic Forum
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
T. 8, № 3. С. 106-112.
Научная статья УДК 519.876.5
Энергетика и электротехника
©
2023
ЗАЙЦЕВ Александр Алексеевич бакалавриат, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия), alexza.99@mail.ru
КОЛЕДА Данила Алексеевич бакалавриат, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия), da.koleda@vandex.ru
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОМ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И АНАЛИЗА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ПОДСТАНЦИЙ
Научный руководитель:
Попов Станислав Олегович Статья поступила: 25.05.2023; Принята к публикации: 28.09.2023; Размещена в сети: 30.09.2023.
Аннотация. В статье рассмотрены основные принципы и требования к построению автоматизированных алгоритмов анализа действий комплекса релейной защиты и автоматики при аварийных происшествиях на распределительных подстанциях. Описаны основные проблемы, возникающие при анализе аварийных происшествий, а также способы применения разрабатываемой системы для их решения. Ключевые слова: релейная защита и автоматика, программно-аппаратный комплекс, база данных, комплекс РЗА, надежность, алгоритм анализа
Для цитирования: Зайцев А. А., Коледа Д. А. Разработка автоматизированной системы мониторинга и анализа функционирования релейной защиты и автоматики распределительных подстанций // StudArctic Forum. 2023. T. 8, № 3. С. 106-112.
ведение. В системах управления энергосистемой в аварийных ситуациях могут существовать ошибки, которые проявляются только при определенных видах повреждений и при этом приводят к существенному ущербу. Для обеспечения надежности работы комплекса релейной защиты и автоматики (РЗА) на всех стадиях его существования: разработке, проектировании, пусконаладочных работах и эксплуатации проводят большое число испытаний. Однако из-за большого количества сигналов и высокой скорости протекания переходных процессов практически невозможно обеспечить полную наблюдаемость за системой без использования специальных автоматизированных систем контроля [Strasser : 63]. Целью данного исследования является разработка средств автоматизированного мониторинга и диагностики функционирования комплекса РЗА. Такие средства позволят анализировать работу комплекса РЗА, производить проверку и выявлять скрытые ошибки в системе, которые могут приводить к неправильным действиям при аварийных возмущениях, а также проводить полноценную разработку новых технических решений и их апробирование. Актуальность развития подобных систем и их внедрение в практику подтверждается концепцией энергетической стратегии РФ до 2035 года по приоритетным интеллектуальным технологиям, среди которых есть средства мониторинга и
диагностики состояния оборудования в энергетических системах-.
Рис. 1. Алгоритм автоматизированной системы мониторинга и анализа функционирования РЗА распределительных подстанций
Методология. Комплекс РЗА, представляющий собой совокупность устройств защиты высокой степени автономности, построен на различной элементной базе и имеет сложную структуру резервирования на функциональном и аппаратном уровнях. Поэтому анализ каждого возмущения включает в себя обработку большого количества данных, собираемых с отдельных устройств, и оценку их действий, проверку параметров, что обуславливает в свою очередь необходимость применения автоматизированной системы мониторинга и анализа функционирования РЗА. Для создания такой системы необходима проработка структуры диагностического комплекса и алгоритма, который мог бы обеспечить сбор и обработку информации со всех частей комплекса РЗА. Для построения комплекса необходимо реализовать: стандартизированные тестовые модели, ориентированные на испытания определенных классов устройств, полную программу испытаний, определяющих начальные условия и контрольные аварийные ситуации; средства сопряжения с реальными устройствами, таким как высокоскоростной модуль ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов, коммутационный модуль, усилители тока и напряжения, промежуточны е реле [Voloshin : 3], базу данных шаблонов эталонной работы устройства при различных возмущениях для оценки работы функций диагностируемого устройства.
Структуру алгоритма (рисунок 1) можно разделить на следующие основные этапы работы: формирование базы данных аварийного происшествия, создание базы данных шаблонов эталонной работы, выполнение алгоритма первичной оценки работы РЗА и алгоритма диагностики работы комплекса РЗА.
В первую очередь для успешного выполнения экспертизы необходимо сформировать базу данных аварийного происшествия, для чего необходимо выполнить сбор информации, её предварительную обработку и сформировать структурированную базу данных аварийного происшествия. При формировании базы данных также следует обратить должное внимание на её структуру и правила хранения, минимизируя избыточность информации с учетом работы последующих программных процедур её обработки.
После фиксации аварийного отключения необходимо определить аварийную ситуацию, в том числе зону и тип повреждения. Необходимо собрать осциллограммы и журналы событий устройств, входящих в зону защиты и связанных с ними, а также состояние выключателей и других коммутационных аппаратов. Одновременно с этим для исключения на начальном этапе скрытых ошибок опрашиваются устройства, которые не должны были работать в рамках данной зоны повреждения. Технически сбор информации должен осуществляться через SCADA.
Алгоритм верификации данных (рисунок 2) определяет момент начала аварий, отключения повреждённого участка и других основных событий. Формируются дискретные события с метками времён, после чего выполняется сегментация и синхронизация осциллограмм и дискретных сигналов по основным меткам времени событий, формируется оптимальная структура базы данных с учетом ее дальнейшего применений в последующих
алгоритмах.
Рис. 2. Алгоритм формирования базы данных аварийного процесса
Алгоритм проверки данных (рисунок 2) аварийного происшествия выполняет проверку вполне очевидных функций: сравнение состояния входов, на которые подключены блок-контакты выключателя и фактического состояния выключателя; состояния выходного сигнала функции РЗА с входным сигналом функции реализованной в другом устройстве; сравнение приема дублированных сигналов; сравнение токов с однотипных кернов одного трансформатора тока и т. д. Результатом работы алгоритма является формирование отчета об обнаруженных неисправностях, таких как: «Ошибка в ЛВС», «Неисправность измерительных цепей», «Повреждение шинок» и т. д.
Цифровой даойник систем bi Pi А
l| [i t|
Рис. 3. Формирование базы данных шаблонов эталонной работы
Для алгоритмов оценки работы и диагностики комплекса РЗА необходимо сформировать базу данных шаблонов эталонной работы РЗА (рисунок 3), включающую общие технические решения (ОТР) - перечень функций и терминалов, который формируется при разработке проектной документации РЗА защищаемого объекта. В него входят информация о типах повреждений, зонах защит, выключателей, привязанных к этим защитам, и информация о функциях терминалов, действующих на данные выключатели. Так же с помощью цифрового двойника формируется шаблон эталонной работы комплекса РЗА в различных аварийных ситуациях. Шаблон формируется при помощи комплексного тестирования РЗА и осуществляется за счет поочерёдного воспроизведения аварийных ситуаций [Богданов : 21]. На основе базы данных проводимых испытаний в цифровом двойнике задается исходное состояние моделируемой первичной сети и комплекса РЗА, воспроизводятся соответствующие токи и напряжения, производится имитация работы РЗА в модели. К тестируемому терминалу подводятся токи и напряжения соответствующего присоединения с помощью усилителей или SV-потоков. Связь между тестируемым устройством РЗА и цифровым двойником производится с помощью протокола GOOSE или контактно-релейных схем. Сформированные тестируемым устройством сигналы записываются в базу данных результатов испытаний, после чего необходимо вернуть цифровой двойник в исходное состояние, соответствующее нормальному режиму работы первичной системы и комплекса РЗА. Далее моделируется следующее испытание. Такой шаблон содержит в себе минимальный и достаточный набор отслеживаемых дискретных сигналов для оценки работы комплекс РЗА и локализации ошибок.
После формирования базы данных аварийного происшествия начинаются основные этапы диагностики комплекса РЗА (рисунок 4). С помощью сравнения данных аварийного происшествия с таблицы ОТР формируется заключение о корректной работе системы и рекомендация к проверке функции. Возможные результаты: система работает верно, в системе ошибка - проверить основную защиту в зоне повреждения, проверить резервную защиту, проверить отказ функции.
Рис. 4. Алгоритм первичной проверки и локализации ошибки
При фиксации неправильной работы алгоритмом первичной проверки производится детализированная оценка, а также локализация ошибки, вызвавшей неправильную работу РЗА. На основе базы данных аварийного происшествия формируется набор сигналов из базы данных шаблонов эталонных сигналов работы РЗА, созданных с помощью цифрового двойника комплекса. Путем сравнения сигналов аварийного происшествия с эталонными фиксируется наличие ошибки в выбранном сегменте, локализуется функция, которая приводит к неправильной работе и формируется отчет в соответствии с принятыми шаблонами и спецификациями ошибок устройства РЗА. После этого определяется неправильно заданный параметр или неисправный элемент этой функции, приводящий к неправильной работе.
Анализ можно считать законченным, когда проявлены все причинно-следственные связи каждого события и действия системы РЗА. В итоге оформляется отчет в соответствии с принятыми шаблонами и спецификациями ошибок систем РЗА.
Результаты. За счет применения разрабатываемого программно-аппаратного комплекса был произведен ряд автоматизированных тестов терминала релейной защиты и автоматики линии электропередач типа P143 Schneider Electric. Сопряжение происходило по 5 каналам тока, 4 каналам напряжения и 40 дискретным каналам. Испытания включали в себя проверку функций защит устройства по селективности работы с другими устройствами в системе, проверку алгоритмов работы устройства, схем подключения к другим терминалам и проверку правильности заданных уставок в различных режимах работы. После успешного проведения испытаний исправного устройства в него были заложены различные ошибки, которые были обнаружены и локализованы в результате повторных испытаний. Среднее время проведения одного автоматического тестового режима составило 5 секунд, а полное автоматическое тестирование терминала занимает 30 минут, в то время как ручная проверка терминала занимает от 1 до 3 дней.
Заключение. Использование автоматизированных систем мониторинга РЗА позволит повысить надежность функционирования эксплуатируемых энергообъектов и сетей, снизить вероятности неправильной работы устройств РЗА, своевременно обнаруживать скрытые ошибки в комплексе и уменьшить вероятность возникновения ошибок в процессе работы релейного персонала. Разрабатываемый программный комплекс может быть применен для выполнения авторского надзора проектной документации разрабатываемого комплекса РЗА с помощью составления и проверки модели проекта РЗА. Оценка работы и диагностики комплекса РЗА в ходе эксплуатации может выполняться на модели, созданной на стадии проектной документации или с помощью новой созданной модели комплекса. Программный
комплекс позволит создавать оптимальные и полные протоколы пусконаладочных работ, автоматических испытаний и плановых проверок устройств РЗА. Также использование алгоритмов позволяет снизить трудозатраты на обслуживание, при этом проверка с помощью программного комплекса имеет большее количество проводимых тестов и контрольных режимов в сравнении с реализуемыми сегодня испытаниями по регламентным работам.
Примечания
1 Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 09.06.2020 1523-р // Правительство России [сайт]. 2020. 9 июня. URL: http://government.ru/docs/all/128340 (дата обращения: 11.09.2023).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Богданов А.В. Современные тенденции и подходы к созданию научно-исследовательских стендов разработки и диагностики средств контроля и противоаварийного управления / А.В. Богданов, С.О. Попов, В.Н. Рябов // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2017. № 10. С. 14-24.
Strasser T. Real time simulation technologies for power systems design, testing, and analysis // IEEE Power and Energy Technology Systems. 2015. Vol. 2. URL: https://resourcecenter.ieee-pes.org/publications/pets-j-open-access-papers/PES0AP0380.html (Accessed: 03.09.2023)
Voloshin А.А. Development of a technique for automated testing of digital protection and automatic control system of substation / A.A. Voloshin, S.M. Nukhulov // 5th International Youth Scientific and Technical Conference on Relay Protection and Automation (RPA). 2022. P. 1-19. D0I:10.1109/RPA57581.2022.9951128 (Accessed: 03.09.2023)
Energy and electrical engineering
Aleksandr A. ZAITSEV bachelor's degree, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (Saint Petersburg, Russia), alexza.99@mail.ru
Danila A. KOLEDA bachelor's degree, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (Saint Petersburg, Russia), da.koleda@yandex.ru
DEVELOPMENT OF AN AUTOMATED SYSTEM FOR MONITORING AND ANALYZING THE FUNCTIONING OF RELAY PROTECTION AND AUTOMATION OF DISTRIBUTION SUBSTATIONS
Scientific adviser: Abstract. The article discusses the basic principles and
Stanislav O. Popov requirements for the construction of automated algorithms
Paper submitted on: 05/25/2023; for analyzing the actions of the relay protection and
Accepted on: 09/28/2023; automation complex in case of accidents at distribution
Published online on: 09/30/2023. substations. The paper describes main problems arising in
the analysis of such accidents and ways of using the system being developed to solve them.
Keywords: relay protection and automation, hardware and software complex, database, RPA complex, reliability, analysis algorithm
For citation: Zaitsev A.A., Koleda, D. A. Development of an Automated System for Monitoring and Analyzing the Functioning of Relay Protection and Automation of Distribution Substations. StudArctic Forum. 2023, 8 (3): 106-112.
REFERENCES
Bogdanov A.V., Popov S.O., Ryabov V.N. Modern tendencies and approaches to the creation of research stands for the development and diagnostics of the control and emergency control equipment. Elektrooborudovanie: ekspluatatsiya i remont, 2017, No. 10, pp. 14-24. (In Russ.)
Strasser T. Real time simulation technologies for power systems design, testing, and a n a l y s i s . IEEE Power and Energy Technology Systems, 2015, Vol. 2. URL: https://resourcecenter.ieee-pes.org/publications/pets-j-open-access-papers/PES0AP0380.html (Accessed: 03.09.2023)
Voloshin A.A., Nukhulov S.M. Development of a technique for automated testing of digital protection and automatic control system of substation. 5th International Youth Scientific and Technical Conference on Relay Protection and Automation (RPA) , 2022, pp. 119. D0I:10.1109/RPA57581.2022.9951128 (Accessed: 03.09.2023)
