Построение системы РЗА энергообъектов на основе универсальных программных модулей

В разрезе стремительного развития нетрадиционной и распределенной генерации на стороне потребителя, а также учитывая, что темпы строительства магистральных ЛЭП сильно отстают от роста потребления (а в отдельных случаях размеры сети близки к пределам по устойчивости), именно системы автоматики, управления и защиты способны обеспечить транспорт электроэнергии к потребителю и надежную работу всей энергосистемы.

Принимая во внимание сложившиеся тенденции, существует потребность в обновлении устоявшихся подходов к построению защиты энергообъектов, локальной и противоаварийной автоматики, с учётом открывающихся перспектив в создании таких систем при применении современных средств вычислительной техники, систем связи и коммуникаций.

Потребность устройств автоматизации энергообъектов функционировать в условиях сильных электромагнитных полей, а также необходимость прямого подключения к цепям ТТ и ТН (входные токи до 200 А), и прямое воздействие этих устройств на катушки включения и отключения выключателей (коммутируемый ток выходных контактов устройства до 5 А) определило выделение таких терминалов в отдельный класс устройств и делало до последнего времени невозможным применение других средств вычислительной техники для целей построения систем защиты и управления на подстанциях.

Технологии цифровой подстанции (ПС) позволяют снять вышеизложенные ограничения и использовать более производительные и дешевые многопроцессорные вычислительные платформы, которые на сегодняшний день используются при создании IT-инфраструктур и систем общепромышленной автоматизации.

Проанализировав ряд проектов основанных на применении шины процесса, в которых мы участвовали как консультанты, выявили ряд проблем с которыми сталкивались проектировщики, интеграторы и, в конечном итоге, заказчики:

1. При реализации проектов с использованием шины процесса для создания системы защиты и управления, необходимое число устройств увеличивается в 1,5-2 раза. Так как в качестве устройств обработки данных применяются терминалы, спроектированные по традиционной философии, только адаптированные для работы с шиной процесса, их число остается неизменным по отношению к традиционным решениям. А также дополнительно требуются еще устройства сопряжения с шиной процесса (SAMU) или электронные блоки цифровых трансформаторов, коммутаторы сети шины процесса, устройства инструментальной синхронизации времени по IEEE 1588 или по 1PPS, устройства управления коммутационной аппаратурой. И все это нужно в резервированном исполнении. Что влечет значительное повышение стоимости системы и снижение надежности. Решение данной проблемы лежит в изменении подхода к распределению технологических функций в устройствах. Их надо пересматривать в сторону увеличения числа функций в одном устройстве и области действия одно устройство на несколько присоединений или даже на распределительное устройство (РУ) и ПС. (См. Рисунок 1)
2. Фиксированный набор функций в устройствах влечет за собой многократное дублирование функций в различных устройствах, а также установку дополнительных многофункциональных устройств в которых требуется только одна функция, а остальные бездействуют или в худшем случае, если про них забывают при наладке, ведут к неверному функционированию системы защиты в целом. В нашей практике существуют примеры когда для замены одной панели, реализовавшей защиту фидера 110 кВ, требовалась установка четырех шкафов с микропроцессорной защитой из-за жесткого закрепления функций в устройствах. Особенно это актуально для мультивендорных проектов когда идеология производителей не совпадает.

Рис. 1. Дополнительное оборудование для цифровой ПС.

Таким образом мы имеем две противоречащих друг другу задачи: с одной стороны требуется увеличение функциональности устройств, с другой надо сохранить гибкость и оптимальную стоимость решения. Кроме того, ввиду значительно увеличившейся сложности системы защиты и автоматизации, от эксплуатирующего персонала требуется обладание обширными знаниями в сфере IT-технологий, помимо знаний относящихся непосредственно к электротехнике. В связи с этим назревает потребность разделения персонала, обеспечивающего функционирование технических средств систем защиты и управления, и эксплуатацию собственно технологических алгоритмов.

Решением вышеизложенных проблем может являться независимый от аппаратной части программный комплекс, выполняющий технологические функции защиты и управления. Вы же сейчас не покупаете один компьютер для того чтобы работать в текстовом редакторе, а второй чтобы отправлять почту. Вы покупаете голое аппаратное обеспечение, заранее просчитав требуемую производительность и учитывая условия эксплуатации, а потом устанавливаете на него операционную систему, и пакет программ которые вам нужны. Сейчас уровень технологий позволяет сделать так же с устройствами защиты и автоматизации ПС. Для этого надо разработать ПО модульной архитектуры: каждый модуль одна минимальная функция. Состав необходимых модулей достаточно полно изложен в IEC 61850-5 и 7-4. Приведенный там набор может быть расширен дополнительными логическими узлами, в соответствии с требованиями IEC 61850. (См Рисунок 2)

Рис. 2. Аппаратно-независимая система со свободным размещением функций.

По сути, это набор виртуальных реле из которых набираются функции,а из функций — виртуальные терминалы, которые могут располагаться как на выделенных аппаратных платформах, так и все вместе в одном сервере защиты и управления ПС. Тогда, устанавливая разный набор таких модулей (только те, которые нужны в данном конкретном случае), на подходящие такому набору по производительности аппаратные платформы мы получаем инструмент построения систем защиты и автоматизации высокой степени гибкости и эффективности.

При таком подходе при проектировании системы защиты и управления, разработчик фокусируется на синтезе логики работы такой системы в целом, а распределение функциональных модулей по устройствам является финальной стадией работы и зависит только от ограничений по надежности и предпочтений заказчика.

Исходя из этой концепции существуют два полярных по сути архитектурных решения. Первый — это централизованный с размещением всех технологических модулей в одной мощной серверной системе с нужной кратностью дублирования. Данный вариант, очевидно, дешевле по требуемому аппаратному обеспечению, требует значительно меньше места под размещение и серьезно упрощает систему питания устройств автоматизации. Однако в случае применения обычных серверов, как аппаратных платформ, требует сооружения специальной серверной с климат-контролем и экранированием от внешних электромагнитных воздействий.

Второй вариант представляет собой максимально распределенную архитектуру, когда каждый функциональный модуль размещается в отдельном устройстве. Такой вариант построения системы обладает высокой степенью живучести. Наиболее эффективной является гибридная архитектура, когда основные функции выполняются централизованным устройством, а наиболее ответственные и критические функции резервируются еще и отдельными устройствами, в том числе созданными не на принципах программной реализации. Таким образом, варьируя состав физических устройств и их функциональные возможности, несложно получить оптимальные показатели системы по надежности и стоимости.

Рис. 3. Принцип создания системы защиты и управления.

В редакции 2 стандарта IEC 61850 определены механизмы моделирования связей между логическими узлами с использованием объектов данных InRef(ORG CDC), а также моделирования подписки на SV и GOOSE-сообщения, что позволяет однозначно определять конфигурацию системы защиты и управления, как последовательность логических узлов. Однако для моделирования внутренней логики работы узлов предпочтительней использовать системы подобные Matlab, так как Matlab предоставляет мощные средства для отладки алгоритмов, которые затем достаточно перенести в рабочую систему как есть. Для выполнения моделей Matlab внутри системы защиты и управления может использоваться либо собственный интерпретатор mdl-файла, либо генератор кода Matlab Coder. Модель алгоритма РЗА является отдельным параметром узла и частью конфигурации, и, следовательно, доступна для изменения пользователем без изменения кода системы (при некоторых ограничениях, например, число входов/выходов и их типы данных в модели алгоритма и логического узла-оболочки должны совпадать). Потенциально сетевая компания может самостоятельно разработать требуемые алгоритмы защиты и управления, утведить их и выдавать модели этих алгоритмов как проектным организациям, так и компаниям интеграторам (см. Рисунок 4).

Рис. 4. Логический узел.

На рисунке 5 схематично показано взаимодействие модулей между собой на примере защит фидера 35 кВ.

Рис. 5. Взаимодействие модулей (LNodes) в составе системы.

Узел LSVS является модулем подписки на один поток SV в формате IEC 61850-9-2LE. Этот модуль выполняет проверку валидности входных данных, их синхронность, отсутствие пропусков и т.д. Далее извлеченные из пакета значения передаются в модуль измерений RMXU, где производятся вычисления производных значений, после чего предаются в модули, реализующие алгоритмы защит, где происходит сравнение этих значений с уставкой и, в случае срабатывания, публикуется GOOSE-сообщение и проводится отключение. На сегодняшний день удалось реализовать одновременную работу алгоритмов защит и управления в приведенной конфигурации для 100 присоединений.

Хочу обратить внимание что такой программный комплекс конфигурируется одним файлом CID (согласно IEC 61850-6) на основании описанных там узлов и структур запускаются соответствующие модули с соответствующими настройками и связями между собой. Кроме него для работы системы требуются только файлы моделей алгоритмов в формате Matlab.

Рис. 6. Варианты архитектуры.

Рисунок 7. Гибридная архитектура

На сегодняшний день протестирована программная система защиты и управления развернутая на сервере HP ML Proliant 370 (2 CPU 2,4 ГГц, 4Гб RAM, SSD 60 Гб, 10 Ports 1000 Base-SX) со следующими функциями:

1. Прием и обработка аналоговой информации в формате IEC 61850-9-2 (Sampled Values)
2. Управление первичным оборудованием ПС по протоколу IEC 61850-8-1 (GOOSE)
3. MMS Сервер
4. MMS Клиент
5. Алгоритмы основных защит: токовые защиты (PIOC, PTOC, PVOC), реле снижения напряжения (PTUV), дистанционная защита (PDIS), защита от снижения частоты (PTUF), дифференциальная защита шин (PDIF), УРОВ (RBRF), АПВ (RREC), Автоматическое включение резерва (RTBR собственный узел, т.к. в IEC 61850-7-4 такого нет), регистратор событий в шинах процесса и станции (также используется для трассировки внутренней логики моделей Matlab).

Экземпляры данных функций были сконфигурированы для одновременной работы в составе системы защиты и управления РУ -35 кВ:

Испытания проводились путем симуляции различных типов коротких замыканий, в том числе и одновременно на всех линиях.

В 2013 году планируется пилотные внедрения программной программной реализации системы защиты и управления подстанции, основанной на принципах свободного размещения технологических функций, и их независимости от аппаратного обеспечения на 2 действующих объектах Федеральной сетевой компании России — ПС 220 кВ «Эльгауголь» и ПС 220 кВ «Надежда».