Метрология цифровых подстанций

Каждому специалисту, участвующему в опросе, были предложены вопросы, соответствующие специфике их деятельности.

Виктор Киселёв

ФГУП «ВНИИМС»

В настоящее время на современной электроподстанции как у нас в России, так и за рубежом, существует большой набор различных устройств, обеспечивающих её безопасность и жизнедеятельность. Среди них такие как:

• автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП),
• автоматизированные системы телеметрических измерений (АСУ ТМ),
• автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учета (АИИС КУЭ),
• автоматизированные информационно-измерительные системы показателей качества электрической энергии,
• автоматизированные системы релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗ и ПА), контроля за технологическими параметрами электроподстанции,
• и другие, участвующие в её управлении.

Сегодня измерительные комплексы на базе трансформаторов тока и напряжения с использованием  технологической шины на базе стандартов МЭК 61850, а также  интеллектуальные электронные устройства с поддержкой «цифрового» интерфейса, являются одними из приоритетных направлений развития электроэнергетики к новому поколению энергообъектов – «цифровых подстанций». Указанные технологии обладают большим техническим и экономическим потенциалом. На данный момент разными компаниями представлены десятки различных решений, прототипов устройств, опытных образцов.

Однако практическое внедрение цифровых устройств и измерительных комплексов, обеспечивающих достижение большей части технико-экономических эффектов «цифровой подстанции», на данный момент испытывает много препятствий. Одним из основных препятствий на пути внедрения этих измерительных комплексов цифровых подстанций (ИКЦПС) является несовершенство существующего метрологического обеспечения и, в первую очередь,  практически полное отсутствие отечественной нормативно-методической базы по метрологическому обеспечению ЦПС.

Понимая это, ПАО «ФСК ЕЭС» заказало НИОКР для решения указанных проблем. Целью данной работы являлся анализ действующей нормативно-технической документации (НТД), распространяющейся на методическое и метрологическое обеспечение измерительных комплексов цифровых подстанций (ИКЦПС), разработка нормативно-методической базы (НМБ) для ИКЦПС, а также создание комплекса эталонного оборудования для выполнения испытаний, поверок/калибровок устройств, осуществляющих передачу либо прием данных в цифровых форматах представления на ИКЦПС.

Основными задачами работы являлись:

1. Анализ действующей НТД, распространяющейся на методическое и метрологическое обеспечение «цифровых подстанций».
2. Разработка комплекта НМБ, регламентирующей выполнение операций метрологического контроля и надзора за ИКЦПС согласно оговоренного заказчиком перечня.
3. Разработка и создание эталонного оборудования и программно-технических средств, обеспечивающих  возможность проведения операций метрологического контроля и надзора за ИКЦПС программно-аппаратной платформы метрологического контроля цифровых измерений.
4. Оснащение программно-аппаратной платформы для метрологического контроля ИКЦПС разработанными поверочными/калибровочными и испытательными комплексами как для лабораторных, так и для полевых поверок/калибровок и испытаний ИКЦПС с целью метрологического обеспечения «цифровых подстанций».
5. Проведение испытаний разработанного оборудования и программно-аппаратной платформы для метрологического контроля ИКЦПС на соответствие НМБ.

Действительно контракт по этой работе был остановлен и  фактически весь комплекс работ не был завершен. В большей степени это связано с дефицитом финансирования и необходимостью создания «здоровой» конкуренции на рынке производителей испытательного, эталонного оборудования.

На сегодняшний день в рамках выполнения договора с ПАО «ФСК ЕЭС» достигнуты довольно большие и значимые результаты: разработаны проекты основных нормативных документов (часть из которых уже утверждена) в области метрологического обеспечения ЦПС, а также разработаны технические требования и технические задания на создание программно-аппаратной платформы метрологического контроля цифровых измерений как стационарного, так и мобильного исполнения, в том числе и на их компоненты в отдельности.

Эти документы, на мой взгляд, позволят производителям электронных компонентов для ЦПС сориентироваться на основании разработанных и утвержденных методик и стандартов, а также технических требований к испытательным стендам, и предложить электросетевой отрасли новые цифровые продукты.

Возможно отдельные  нормативные документы, носящие внутриведомственный характер, будут введены в работу в качестве стандартов ПАО «ФСК ЕЭС».

Проведение испытаний приборов с цифровым интерфейсом с целью утверждения типа средств измерений и последующего внесения их в Федеральный фонд средств измерений уже проводится. Для этого,  сформированной в настоящее время нормативной базы вполне достаточно.

Что же касается эталонной приборной базы, то она создается, в частности, во ВНИИМС по мере поступления заявок на испытания рабочих СИ с цифровым интерфейсом таких, как измерительные трансформаторы, интеллектуальные измерительные устройства, приборы учёта и качества электрической энергии и др.  Для этого используются наработки, полученные в ходе проведения данной работы.

Практически вся нормативная документация для разработки, применения и метрологического обслуживания многочисленных измерительных приборов, устройств и автоматизированных систем на электроподстанциях, разработанная в рамках НИР, в настоящее время зарегистрирована и находится в свободном доступе в информационном фонде Росстандарта.

Отдельные нормативные документы, являющиеся результатом данной работы и носящие внутриведомственный характер, возможно, будут введены в работу в качестве стандартов ПАО «ФСК ЕЭС».

НП АТС, Совет рынка др. инфраструктурные организации оптового рынка не прописывают каких-то отдельных требований к цифровой подстанции. АИИС КУЭ в составе цифровых подстанций должны также соответствовать всем техническим требованиям НП АТС, Совета рынка др. инфраструктурных организаций оптового рынка, как это требуется для АИИС КУЭ классических подстанций.

Во всех странах мира идет активная работа по изучению и применению цифровых принципов измерения в соответствии со стандартами МЭК 61850. Наиболее продвинулись в этом направлении Китай, США, страны Евросоюза. В целом наибольшее практическое внедрение в настоящее время имеет Китай. Это не значит, что они решили все проблемы нормативного характера. Они идут эмпирическим путем, с последующим совершенствованием при внедрении цифровых подстанций.

В России не так много организаций, способных производить и производящих измерительное оборудование для цифровых подстанций. Можно отметить такие фирмы, как:

• ООО «НПП Марс-Энерго», г. С-Петербург,  разработавшее и получившее сертификаты на установки поверочные векторные компарирующие и комплексы средств поверки цифровых электронных трансформаторов тока и напряжения,
• ЗАО «Профотек», г. Москва, проведшее испытания трансформаторов тока электронных оптических и трансформаторов напряжения электронных,
• ООО «Системы телемеханики» (СИСТЕЛ), г. Москва устройства сопряжения с шиной процесса,
• ООО «Автоматизация Системы Технологии» (АСТ), г. Балашиха контроллеры присоединения и ряд других компаний.

В данный момент во ВНИИМС проходят предварительные испытания порядка пяти разнотипных приборов для цифровых подстанций нескольких предприятий-изготовителей.

Конечно, сегодня это в основном единичные и мелкосерийные изделия, поскольку делаются под пилотные проекты и даже не цифровых подстанций, а только отдельных измерительных каналов в рамках опытной эксплуатации.

Основная проблема в этой области это отсутствие финансирования для продолжения данной работы, а также отсутствие постановки НИР, соответствующих данной тематике, в крупных электроэнергетических компаниях. Трудно двигаться вперед, если прерывать уже начатые работы и не ставить новые. Это потеря темпа, приоритета и даже отставание от ведущих стран мира, неоправданные дополнительные финансовые затраты при реализации каждого последующего индивидуального инновационного проекта цифровой подстанции. На наш взгляд целесообразность возобновления всего комплекса работ по метрологическому обеспечению ЦПС очевидна.

Максим Янин

ЗАО «Профотек»

Основным достижением по продвижению метрологии ЦПС стало утверждение стандарта IEC 61850-9-2:2011 на русском языке. Это сняло формальную коллизию с невозможностью ссылок на данный стандарт в официальных метрологических документах. С 29.05.2015 это перестало быть камнем преткновения.

На сегодняшний день испытательная база готова к сертификационным испытаниям цифровых ТТ/ТН, ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» успешно провел сертификационные испытания с целью утверждения типа средства измерения двух первых эталонных комплексов, изготовленных по заказу ЗАО «Профотек». Таким образом, уже есть 2 места в стране, где можно провести такие испытания  ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» и ЗАО «Профотек». Фактически, сейчас в составе испытательного центра Профотек работают две векторные компарирующие установки УПВК-МЭ 61850, которые внесены в Госреестр, поверены и обеспечивают прослеживаемость к первичным государственным эталонам. Используя данные установки в сентябре-октябре 2015 года были успешно проведены сертификационные испытания цифровых ТТ/ТН с цифровым выходом производства ЗАО «Профотек» и в настоящее время на них оформляется свидетельство об утверждении типа средства измерений.

Сейчас готовятся к сертификации по «цифре» ряд производителей вторичного оборудования. Компании ДЭП и СИСТЕЛ ведут в этой области работы, и мы, в частности, тоже активно помогаем в подготовке к сертификации: исследуем метрологические характеристики и работу в режимах совместимости с производителями вторичного оборудования. Например, были проведены комплексные испытания с регистрацией метрологических характеристик цифровых защит и РАС Siprotec 5 компании Siemens. Сейчас готовимся к расширенным испытаниям с терминалами релейной защиты ИЦ Бреслер, кроме того мы ведем работы по подготовке к сертификации продукции компании ООО «Прософт-Е», в частности помогаем в подготовке к сертификации счетчика ARIS EM, MU и регистраторов аварийный событий. Совместно с компанией ООО «Испытательный центр разработок в области метрологии» мы готовим эталонную и методическую базу для испытаний цифровых счетчиков и регистраторов качества.

В принципе, мы открыты к сотрудничеству с любыми компаниями, работающими в области создания оборудования и продвижения ЦПС.

Оборудование для проверки цифровых ТТ/ТН в условиях эксплуатации готово, особенных проблем тут не видно. Имеющиеся в нашей лаборатории эталоны позволяют проводить на месте поверку ТТ и ТН, и мы имеем свидетельство о регистрации передвижной лаборатории для работ с ТТ/ТН на уровнях напряжения до 220 кВ. Опять же ряд производителей активно работает по созданию более упрощенных, зато гораздо более транспортабельных приборов сравнения для поверки на месте эксплуатации. Сейчас, когда есть лабораторная база и опыт применения и сертификации, это стало гораздо проще.

Сергей Сергеев

«НПП Марс-Энерго»

Как уже было сказано Яниным М. А. на страницах digitalsubstation.ru в «Комментариях на статью «Метрологические проблемы при внедрении электронных устройств измерения тока и напряжения в высоковольтных сетях»: «Компания «Марс-Энерго», совместно с ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, действительно разработала оборудование для проверки метрологических характеристик трансформаторов тока и напряжения с поддержкой IEC 61850 и два первых экземпляра успешно используются в составе установок поверки ЭТН до 220 кВ и ЭТТ в составе собственного испытательного центра ЗАО «Профотек».

В 2015 г. компанией «НПП Марс-Энерго» были полностью подготовлены к серийному выпуску эталонные средства измерений для ЦПС:

• Установки поверочные векторные компарирующие УПВК-МЭ 61850 (НОМЕР ГОС.РЕЕСТРА 60987-15),
• Комплекс средств поверки электронных трансформаторов тока и напряжения «КЭТ-61850» (НОМЕР ГОС.РЕЕСТРА 61768-15).

Установки УПВК-МЭ 61850 предназначены для калибровки и поверки измерительных преобразователей (ИП) напряжения или тока, выходные сигналы которых представлены цифровым потоком в формате стандарта IEC 61850-9-2LE или в формате стандарта IEEE- 488.2, путем сравнения (компарирования) их с аналоговыми выходными сигналами эталонных ИП напряжения или эталонных ИП тока. Установки могут быть использованы в составе Комплекса КЭТ-61850 для поверки электронных трансформаторов напряжения (ЭТН), выпускаемых по ГОСТ Р МЭК 60044-7-2010, и электронных трансформаторов тока (ЭТТ), выпускаемых по ГОСТ Р МЭК 60044-8- 2010. Дополнительно они выполняют измерения частоты переменного тока, значений напряжения и силы тока, фазовых углов и основных показателей качества электрической энергии: суммарного коэффициента гармоник напряжения (КU), суммарного коэффициента гармоник тока (КI) и могут использоваться для выполнения калибровки и поверки средств измерений (СИ) указанных выше величин.

При поверке (калибровке) ИП напряжения или тока, выходные сигналы которых представлены цифровым потоком, УПВК обеспечивает определение следующих величин:

1. разности между измеренным значением аналогового сигнала (с учетом номинального коэффициента преобразования эталонного ИП, а при измерении силы тока – и с учетом действительного значения коэффициента преобразования шунта) и измеренным значением сигнала, представленного в виде цифрового потока (с учетом номинального коэффициента преобразования поверяемого ИП), выраженной в процентах от среднеквадратического  значения аналогового сигнала,
2. угла сдвига фаз между векторами аналогового сигнала и сигнала, представленного в виде цифрового потока, с учетом угла сдвига фаз, вызванным номинальным углом сдвига фаз поверяемого ИП или его номинальным временем задержки,
3. векторной разности между аналоговым сигналом и сигналом, представленным в виде цифрового потока, выраженной в процентах от среднеквадратического  значения аналогового сигнала с учетом угла сдвига фаз, вызванным номинальным углом сдвига фаз поверяемого ИП или его номинальным временем задержки.

Основные погрешности УПВК-МЭ 61850: ± 0,01 %.

Комплексы КЭТ-61850 предназначены для калибровки и поверки электронных трансформаторов напряжения (ЭлТН) с номинальным первичным напряжением до 330/ √3 кВ, выпускаемых по ГОСТ Р МЭК 60044-7-2010, и электронных трансформаторов тока (ЭлТТ) с номинальным первичным током до 5 кА, выпускаемых по ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010, выходные сигналы которых представлены цифровым потоком в соответствии с МИ 3476-2015 «Технические требования по реализации цифрового интерфейса для измерительных преобразователей с использованием МЭК 61850-9-2LE». В составе комплекса КЭТ-61850 в качестве эталонных ИП напряжения могут быть использованы эталонные измерительные трансформаторы напряжения и (или) преобразователи напряжения высоковольтные типа ПВЕ требуемого класса точности (разряда). В качестве эталонных ИП тока могут быть использованы эталонные измерительные трансформаторы тока требуемого класса точности (разряда).

Устройства можно поверять с поддержкой протокола синхронизации времени PTP. Установки УПВК-МЭ 61850 (и Комплексы КЭТ-61850 ) имеют в составе устройство синхронизации, включающее: генератор сигналов произвольной формы (ГСПФ) (Госреестр № 53565-13 или Госреестр № 52150-12) и интерфейсные модули связи с приемником сигналов UTC (например, радиочасами) и (или) системами синхронизации входных сигналов поверяемых измерительных преобразователей (протокол PTP). При этом любой источник синхронизации должен формировать опорный сигнал 1 Гц, поскольку нормированной характеристикой УПВК-МЭ 61850 или комплекса КЭТ-61850 является погрешность измерения угла фазового сдвига между основной гармоникой входного напряжения и фронтом опорного сигнала 1 Гц. Для сигнала с частотой основной гармоники  50 Гц погрешность не превышает ±0,0054 градуса (0,33 угловых минуты или выраженная в виде времени задержки 0,3 мкс).

Чтобы оборудование было принято в качестве эталонного и использовано при испытаниях и поверках, ВНИИМ им. Д.И. Менделеева провел испытания с целью утверждения типов УПВК-МЭ 61850 и КЭТ-61850, а  Росстандарт внес эти СИ в Госреестр. Чтобы использовать УПВК-МЭ 61850 и КЭТ-61850 при поверках Владелец этих СИ должен организовать их аттестацию в качестве эталонов (формальная процедура), в чем «НПП Марс-Энерго» может оказать содействие.

Наши эталоны УПВК-МЭ 61850 и КЭТ-61850 наиболее интересны разработчиками и производителям высокоточных СИ для ЦПС и лабораториям, которые проводят испытания и, в дальнейшем, первичную поверку при выпуске СИ из производства или периодическую поверку.

Для поверки на местах эксплуатации (на ЦПС) и периодической поверки «НПП Марс-Энерго» готовит к выпуску мобильные эталонные СИ: Приборы электроизмерительные эталонные многофункциональные «Энергомонитор- 61850» и Приборы электроизмерительные эталонные многофункциональные «Merging Unit MU-1.0», которые анонсируются на сайте «НПП Марс-Энерго».

Алексей Дымшаков

ООО «Прософт-Системы»

Компания ООО «Прософт-Системы» была одной из первых, представивших счетчик электрической энергии с поддержкой МЭК 61850-9-2, однако долгое время он оставался вне нормативного поля. Сейчас совместно с ВНИИМС запущена процедура по внесению ARIS-EM в Госреестр средств измерений как счетчика эклектической энергии, в 3-4 квартале текущего года это должно произойти.

На текущий момент создана нормативная база. Процедура внесения первого «Цифрового счетчика» ARIS EM ответит на вопрос о её достаточности, чтобы сопровождать применение данного продукта на всех жизненных циклах. Сейчас проблем с этой процедурой мы не видим.

На 100 % данное устройство является «цифровым», поверка как таковая ему не нужна, однако, наверное, всё-таки стоит проверять раз в 10-15 лет весь измерительный тракт с вычислительным устройством, в качестве которого и выступает ARIS EM.

Заказчики смотрят на счётчик с 9-2 очень заинтересованно и при наличии всей нормативной базы и устройств готовы к их применению, так как точность учета электрической энергии значительно увеличивается.

Внесение в Госреестр средств измерений полного комплекса учета (оптических трансформаторов, AMU, счётчиков) ускорит процесс развития рынка цифровых счётчиков

Технически спецификация 9-2LE нормирует передачу данных на частотах 80/256 выборок за период. С контролем качества понятно, для него нужна высокая частота. Для учёта необходимо 256 выборок. 80 точек на период при измерении даже мало, чтобы при этом еще и анализировать качество данной энергии.