Концепция Цифровой Подстанции

Концепция проекта цифровой подстанции (ЦПС)
ООО «СЭМ»


Содержание:

  1. Введение
  2. Общая информация
  3. Преимущества ЦПС
  4. Структура ЦПС
  5. Коммуникационные решения
  6. Инженерные системы ЦПС
  7. Описание технических средств автоматизации

1. Введение

В данной концепции рассмотрены вопросы создания цифровой автоматизированной подстанции (далее ЦПС), изложены основные принципы построения ЦПС, приведен краткий анализ технических средств, применяемых при создании ЦПС, а также представлены технические решения, предлагаемые ООО «СЭМ», как при создании новых ЦПС, так и при модернизации существующих подстанций.

2. Общая информация

Цифровая подстанция (ЦПС) – это подстанция с высоким уровнем автоматизации управления технологическими процессами, оснащенная развитыми информационно-технологическими и управляющими системами и средствами (РЗА, ПА, РАС, ССПИ, АИИС КУЭ, АСУ ТП, ОМП и др.), в которой все процессы информационного обмена между элементами ПС, информационного обмена с внешними системами, а также управления работой ПС осуществляются в цифровом виде на основе протоколов МЭК 61850, 61968/61970. (см. Положение ОАО «Россети» о единой технической политике в электросетевом комплексе).

Основой идеи построения цифровой подстанции является замена многочисленных проводных связей для обмена традиционными аналоговыми и дискретными сигналами на унифицированный обмен цифровыми сообщениями, обеспечивающими возможность распределенной реализации функций системы автоматизации подстанции и полную функциональную совместимость интеллектуальных электронных устройств различных производителей.

К стандартам и технологиям цифровой подстанции относятся:

  1. Стандарт МЭК 61850:

    • модель данных устройств;
    • унифицированное описание подстанции;
    • протоколы «вертикального» (MMS) и «горизонтального» (GOOSE) обмена;
    • протоколы передачи мгновенных значений токов и напряжений (SV).
  2. Цифровые (оптические и электронные) трансформаторы тока и напряжения;
  3. Преобразователи аналоговых (ПАС) и дискретных сигналов (ПДС);
  4. Интеллектуальные электронные устройства (IED/ИЭУ);
  5. Устройства, обеспечивающие информационные связи на ЦПС;
  6. Устройства и системы синхронизации времени.

Работа с цифровой информацией позволяет на качественно новом уровне решать вопросы реализации основных функций защиты, контроля и управления оборудованием подстанции.

3. Преимущества ЦПС

Базовой экономической целью создания ЦПС является снижение затрат на выполнение основной технологической функции ЦПС – передачи, преобразования и распределения электрической энергии и, как следствие, повышение доходов энергокомпаний.
Снижение времени и затрат на этапах проектирования, строительства, запуска и эксплуатации происходит за счёт:

  • применения типовых решений;
  • уменьшения количества подключаемых кабельных связей в 100-300 раз, сокращения работ по проектированию, прокладке и тестированию вторичных цепей;
  • сокращения количества единиц оборудования;
  • сокращения времени по взаимной увязке отдельных подсистем за счет высокой степени стандартизации;
  • обеспечения взаимозаменяемости оборудования разных производителей и уменьшения складских резервов;
  • уменьшения размеров оборудования и помещений;
  • уменьшения затрат на поддержку проектных (расчетных) параметров и характеристик в процессе эксплуатации;
  • уменьшения расходов на развитие и доработку системы автоматизации;
  • унификации механизмов конфигурирования и упрощения коммутации цифровых цепей в сравнении с коммутацией аналоговых цепей;
  • сокращения расходов на техническое обслуживание при переходе на технологии, не требующие присутствия дежурного персонала и событийный метод обслуживания оборудования за счет абсолютной наблюдаемости технологических процессов;
  • простоты обслуживания и эксплуатации.

Внедрение технологий ЦПС на объектах электроэнергетики обеспечивает повышение надежности функционирования энергосистемы за счёт:

  • применения оптических трансформаторов, не имеющих режима насыщения, возможностей обрыва и явления феррорезонанса;
  • резервированной инфраструктуры транспорта информации (резервирование коммутаторов шины станции и шины процесса);
  • сохранения работоспособными комплексов РЗА и АСУ ТП при нескольких последовательных отказах;
  • снижения количества случаев вывода присоединений из работы по причине неисправности оборудования РЗА;
  • повышения согласованности взаимодействия различных видов оборудования;
  • самоконтроля оборудования всеобъемлющей системой диагностики, охватывающей не только интеллектуальные устройства, но и пассивные измерительные преобразователи и их вторичные цепи;
  • выполнения удаленной периодической и непрерывной комплексной проверки устройств, позволяющей оперативно фиксировать сбои, устанавливать место и причину отказов, выявлять предотказные состояния и предупреждать о них;
  • диагностики целостности линий, контролируемой даже при отсутствии передачи значимой информации;

Единая информационная платформа обмена данными на базе открытых стандартов МЭК 61850 позволяет обеспечивать:

  • Унификацию информационных протоколов за счет минимизации количества применяемых протоколов и их универсализации, а также расширения функциональных задач, реализуемых каждым из протоколов;
  • Надежность передачи информации;
  • Полную наблюдаемость и эффективное дистанционное управление электрооборудованием, передачей и распределением электроэнергии с реализацией автоматических бланков переключений;
  • Полный контроль и диагностику состояния всего оборудования и устройств, участвующих в защите и управлении ЦПС, каналов сбора и передачи информации.
  • Проверку и исправление ошибок;
  • Передачу данных без искажений на практически неограниченные расстояния;
  • Неограниченное количество получателей данных при тиражировании первичной информации, что объясняется снятием метрологической проблемы (точности) при подключении новых потребителей данных к вторичным цепям измерительных трансформаторов.

Технологии ЦПС обеспечивают:

  • Высокую точность измерений.
  • Измерения выполняются одним высокоточным измерительным прибором, передача и обработка цифровых сигналов происходит без дополнительных погрешностей, получатели измерений получают одинаковые данные из одного источника, все измерительные приборы включены в единую систему синхронизации тактирования.
    Снижение метрологических потерь во вторичных цепях происходит за счет передачи данных в цифровом виде, позволяющей исключить зависимость потерь от сечения, длины кабеля и точности работы первичных измерительных преобразователей.

  • Высокую помехозащищенность.
  • Использование волоконно-оптических кабелей обеспечивает полную гальваническую развязку, отсутствие электромагнитных помех в каналах передачи данных, увеличение электромагнитной совместимости оборудования.

  • Снижение влияния «человеческого фактора».
  • Унификация средств информационного взаимодействия оперативного и ремонтного персонала с программно-техническими средствами ЦПС (инженерное программное обеспечение, стандартизованный человеко-машинный интерфейс приборов и программ) обеспечивает информационную безопасность подстанции как энергообъекта, что необходимо в первую очередь для перехода на режим функционирования без постоянного дежурства. При этом сокращается персонал нижнего уровня, а управление осуществляет персонал верхнего уровня с более высокой квалификацией.

4. Структура ЦПС
Структура цифровой подстанции базируется на использовании серии стандартов МЭК 61850 и делится на три уровня:

  • Полевой уровень (уровень процесса).
  • Уровень присоединения.
  • Станционный уровень.

Полевой уровень состоит из следующих элементов:

  1. Первичных датчиков для сбора дискретной информации.
  2. Устройств передачи команд управления на коммутационные аппараты.
  3. Первичных датчиков для сбора аналоговой информации (цифровые трансформаторы тока и напряжения).

На полевом уровне выполняется преобразование аналоговых и дискретных сигналов в цифровой формат в соответствии с IEC 61850.

Уровень присоединения состоит из следующих элементов:

  1. Устройств управления и мониторинга (контроллеры присоединения, многофункциональные измерительные приборы, счетчики АСКУЭ, системы мониторинга трансформаторного оборудования и т.д.).
  2. Терминалов релейной защиты и локальной противоаварийной автоматики, систем управления, блокировки и тому подобное.

Устройства уровня присоединения принимают данные от оборудования полевого уровня и выдают команды управления коммутационными аппаратами, а также имеют информационную связь с оборудованием подстанционного уровня.
На уровне присоединения происходит выполнение общеподстанционных задач, взаимодействие с персоналом и взаимосвязь с внешними объектами.

Станционный уровень состоит из следующих элементов:

  1. Сервера верхнего уровня (сервер базы данных, сервер SCADA).
  2. АРМ персонала подстанции.
  3. Станционных контроллеров (концентраторов).
  4. Сервера для передачи информации в диспетчерские центры (сервер телемеханики, сервер сбора и передачи технологической информации и т.д.).

На станционном уровне выполняется управление подстанционным оборудованием, станционный уровень объединяет в себе щиты управления, мнемосхемы, системы диспетчерского управления и сбора данных. На этом уровне аккумулируется информация о состоянии оборудования и режимах работы подстанции. Информация обрабатывается и, при необходимости, передается на более высокий уровень.

Система синхронизации времени в составе инфраструктуры ЦПС обеспечивает ведение единого времени для устройств нижнего, среднего и верхнего уровня иерархии управления ЦПС.
Синхронизация календарного времени в оборудовании ЦПС осуществляется с применением протокола SNTP–протокол синхронизации времени по компьютерной сети, а инструментальная синхронизация – по протоколу PTP – протокол синхронизации времени (возможна поддержка протокола NTP).

5.Коммуникационные решения

Ключевым вопросом построения ЦПС является надежность коммуникационной сети, так как отказ одного этого элемента может привести к неработоспособности всей системы управления подстанцией.
Существующим решением данной проблемы является использование коммуникационных сетей высокой готовности — применение протокола параллельной избыточности РRP или протокола бесшовной избыточности с высокой готовностью HSR (IEC 62439-3). Устройства, работающие с данными протоколами, должны поддерживать определенный набор сервисных протокольных функций и иметь достаточно высокую коммуникационную производительность.

6. Инженерные системы ЦПС

Инженерные системы ЦПС в зависимости от конкретной реализации могут включать:

  • Систему отопления, вентиляции и кондиционирования;
  • Систему водоснабжения и канализации;
  • Комплексную систему обеспечения безопасности (КСОБ) включающую:
    • инженерно-технические средства охраны (ИТСО);
    • систему сбора и обработки информации (ССОИ);
    • систему охранного телевидения (СОТ);
    • систему технологического видеонаблюдения (СТВ);
    • систему контроля и управления доступом (СКУД);
    • систему охранной сигнализации (СОС);
    • систему автоматической пожарной сигнализации (АПС);
    • систему автоматической установки пожаротушения (АУПТ);
    • систему защитных инженерных сооружений (СЗИС);
    • систему охранного освещения (СОО);
    • систему информационной безопасности.

Сбор данных от устройств и передача управляющих сигналов к исполнительным устройствам инженерных систем на уровне шины процесса и подстанции должны осуществляться локальными контроллерами (серверами сбора данных) через модули входа/выхода, преобразователи, шлюзы по протоколам МЭК 60870-5-101, МЭК 60870-5-104 или ModBus RTU/TCP.
Опрос локальных контроллеров (серверов сбора данных) подстанционным сервером хранения и обработки информации с распределенной базой данных объекта должен осуществляться согласно требованиям протокола МЭК 61850.

7.Описание технических средств автоматизации

7.1. Цифровые измерительные трансформаторы тока и напряжения

Цифровые измерительные трансформаторы передают мгновенные значения напряжения и токов по протоколу МЭК 61850-9-2 устройствам уровня присоединения. Существует два вида цифровых измерительных трансформаторов: оптические и электронные.
Оптические измерительные трансформаторы объединяют в одном устройстве оптический блок и блок электроники. Первый расположен в зоне высокого напряжения и по принципу действия представляет собой элемент, чувствительный к протекающему току (эффект Фарадея) или к напряжению (эффект Керра и Пекельса). На выходе оптического блока формируется аналоговый световой сигнал. Блок электроники оцифровывает этот сигнал и, согласно МЭК 61850-9-2, преобразует его в данные, удобные для передачи по логической вычислительной сети подстанции.
Оптические измерительные трансформаторы являются наиболее предпочтительными при создании систем управления и автоматизации цифровой подстанции, так как используют инновационный принцип измерений, исключающий влияние электромагнитных помех.
Электронные измерительные трансформаторы базируются на базе традиционных трансформаторов и используют специализированные аналогово-цифровые преобразователи.
Данные от цифровых измерительных трансформаторов, как оптических, так и электронных, преобразуются в широковещательные Ethernet-пакеты с использованием мультиплексоров (Merging Units), предусмотренных стандартом МЭК 61850-9. Сформированные мультиплексорами пакеты передаются по сети Ethernet (шине процесса) в устройства уровня присоединения (контроллеры АСУ ТП, РЗА, ПА и др.). Частота дискретизации передаваемы данных не хуже 80 точек на период для устройств РЗА и ПА и 256 точек на период для АСУ ТП, АИИС КУЭ и др.

7.2. Преобразователи аналоговых (ПАС) и дискретных сигналов (ПДС).

Преобразователи аналоговых сигналов (ПАС) (Analog Merging Unit (AMU)) — осуществляют аналогово-цифровое преобразование входных сигналов от электромагнитных измерительных трансформаторов тока и напряжения и дальнейшую передачу выборок значений (Sampled Values (SV)) по сети Ethernet в «шину процесса» (Process Bus) по протоколу IEC 61850-9-2.
Преобразователи дискретных сигналов (ПДС) (Digital Merging Unit (DMU))- осуществляют преобразование дискретных входных и выходных сигналов в цифровую форму и дальнейшую их передачу по сети Ethernet в протоколе IEC 61850-8-1 (GOOSE).

7.3. Интеллектуальные электронные устройства (IED/ИЭУ)

Под интеллектуальными электронными устройствами (ИЭУ) понимаются устройства защиты (терминалы РЗА), автоматики, телемеханики, измерительные устройства и др. обеспечивающие реализацию стандартов цифровой подстанции согласно МЭК 61850.
Устройства РЗА осуществляют сбор информации о состоянии коммутационных аппаратов (КА) – от соответствующих блок-контактов, о токовой нагрузке – от трансформаторов тока, о напряжении на шинах ПС – от трансформаторов напряжения. Далее происходит обработка полученной информации и выдача управляющего воздействия – в виде подачи управляющего сигнала на электромагниты включения и отключения КА.

7.4. Устройства, обеспечивающие информационные связи на ЦПС

Устройства, обеспечивающие информационные связи на ЦПС, составляют коммуникационную локальную сеть, с помощью которой реализуются шина процесса для информационного обмена устройств нижнего и среднего уровня и станционная шина для информационного обмена устройств среднего и верхнего уровня иерархии управления ЦПС.
К устройствам, обеспечивающим информационные связи на ЦПС, относятся:

  • сетевые коммутаторы;
  • структурированные кабельные сети (СКС) (в том числе оптические коммутационные панели (патч-панели), волоконно-оптические кабели и патч-корды).

7.5. Устройства и системы синхронизации времени

К устройствам синхронизации времени на ЦПС относятся:

  • сервера, выполняющие функции ведущих часов в соответствии со стандартом IEEE Std 1588;
  • источники глобальной (внешней) синхронизации;
  • приемники (активные антенны) спутникового сигнала точного времени;
  • коммуникационная сеть с аппаратной поддержкой протокола PTP;
  • устройства ЦПС с синхронизируемыми часами точного времени.

Устройства и каналы синхронизации системы синхронизации времени резервируются, в системе синхронизации должно иметься не менее 2 серверов точного времени.