Есть ли выгода релейщику от ЦПС?

«Цифровая подстанция неизбежна!» – таков сегодня основной посыл большинства статей, посвященных этой теме. Человек, мало знакомый с реальным положением дел в энергетике, может решить, что «цифровой век» уже наступил или вот-вот наступит.

Однако специалисты понимают, что мы до сих пор живем в «веке электромеханических РЗА» и предпосылок для массового внедрения дорогих и сложных технологий в энергетике нет.

Вот вам цифры из отчета ПАО «Россети» (Приложение 1 к Протоколу № 365пр от 22.06.15): в сетях – 77,45% электромеханических устройств релейной защиты, а МП РЗА – всего 18,43% (на 2015 г.). С этим оборудованием работают релейщики на местах и будут работать еще многие годы. Вот это и есть настоящая неизбежность.

За более чем 20 лет внедрения микропроцессорных РЗА удалось заменить менее 20 % «электромеханики», причем первые терминалы надо менять снова.

Это реальная скорость модернизации сетей в части релейной защиты. И сегодня предлагается сделать еще один технологический рывок и заменить… Что? Старые реле? Или заменить существующие МП РЗА? Или всё и сразу? И на все классы напряжения? Так даже со стандартными МП РЗА не очень-то получается…

Представьте себе обычного релейщика, который читает статьи о ЦПС или слушает доклады на конференции, а потом возвращается на свою группу подстанций, к своей обычной работе. Мало того что он видит пропасть между картинкой и реальностью, так он еще и плохо понимает, какие серьезные преимущества дает цифровая подстанция, ради которых стоит бросить отработанные технологии и применять новые, пока еще даже нормально не испытанные.

А действительно, что цифровая подстанция дает релейщикам по-существу? Предлагает ли концепция ЦПС какие-то особенные алгоритмы или защиты на новых принципах? Или, может, кардинальное улучшение существующих? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно вспомнить основные требования к релейной защите. Давайте это сделаем.

Чувствительность

Чувствительность защиты зависит от характеристик устройств РЗА, а также от процессов в первичной сети.

Характеристики устройств РЗА в конечном счете проявляются в виде коэффициентов в формулах расчета уставок – тех самых коэффициентов надежности, возврата, отстройки и т.д.

Сегодня в традиционных МП РЗА все они максимально приблизились к 1. Коэффициенты надежности и отстройки равны 1,1, коэффициент возврата – 0,95–0,97.

Не думаю, что передача значений токов и команд по оптике позволит сделать Кн равным 1, да это и не дало бы серьезного выигрыша в чувствительности.

Чувствительность защит зависит от пусковых токов, бросков тока намагничивания и апериодической составляющей при включении машин в сеть либо от внедрения новых алгоритмов, которые позволяют отличать эти процессы от настоящих КЗ.

Влияет ли на всё это технология цифровой подстанции? Думаю, что нет.

А обсуждаются ли вообще алгоритмы релейной защиты в статьях и публикациях о ЦПС? Я такого еще не встречал.

Это значит, что чувствительность «цифровых» МТЗ, ДЗ, ТЗНП и т.д. будет такой же, как и у нынешних терминалов.

Единственными защитами, у которых чувствительность повысится, будут дифференциальные из-за отсутствия насыщения магнитопровода (справедливо только для оптических ТТ). Но в принципе у диффзащит и так нет проблем с чувствительностью, потому что в современных блоках реализован алгоритм электрического торможения от сквозных токов КЗ, который нивелирует эффект насыщения ТТ. Я не помню случаев, когда ДЗТ была бы нечувствительна к КЗ, так как ее начальная уставка в разы меньше рабочего тока присоединения.

Для ДЗШ, где уставка выбирается равной номинальному току самого мощного присоединения, вводится простой и понятный алгоритм очувствления защиты при опробовании. И здесь с чувствительностью опять же все в порядке.

Также существуют алгоритмы выравнивания токов по разным плечам диффзащиты, что позволяет устанавливать на ПС измерительные трансформаторы с разными номинальными вторичными токами (1 и 5 А).

Для ступенчатых защит, при сильном искажении вторичного тока вследствие насыщения, применяют алгоритмы восстановления синусоиды. Хотя это обычно является следствием неправильно выбранных ТТ и «лечится» увеличением коэффициента трансформации.

Отсюда можно сделать вывод, что технологии цифровой подстанции никак не решают задачу увеличения чувствительности, а если и решают, то там, где и так всё хорошо.

Селективность

Для ступенчатых защит селективность является обратной функцией чувствительности (отсечки) либо обеспечивается выдержками времени (МТЗ, ДЗ, ТЗНП), т.е. ЦПС здесь снова ни при чем.

Защиты с абсолютной селективностью потому так и называются, что там с селективностью уже всё в порядке. Улучшать ничего не нужно.

Там, где это требуется по нормам, на подстанции установлены комплекты ДЗТ, ДЗЛ, ДФЗ, ДЗО, ДЗШ и так далее. Всё это уже есть сейчас и было 50 лет назад.

Что касается излишнего действия диффзащит при насыщении электромагнитных ТТ, такая проблема действительно существует, но она решается при помощи алгоритма детектирования уровня второй гармоники в дифференциальном токе (информационный признак блокировки), который за много лет успешно показал себя на практике.

Проблемы с насыщением ТТ в большинстве случаев решаются правильным выбором ТТ, т.е. носят не технический, а организационный характер. В любом случае мне кажется, что проще заменить обычные ТТ, чем строить подстанцию на новых принципах.

Быстродействие

С быстродействием у современных микропроцессорных защит всё обстоит достаточно неплохо. Во-первых, из-за небольших ступеней селективности по сравнению с «электромеханикой», а во-вторых, за счет короткого тракта «обработка сигнала– принятие решения–выдача команды».

Давайте сравним время обработки данных для традиционных МП РЗА и полноценной цифровой подстанции (с оптическими ТТ и полевыми контроллерами).

1-й вариант (существующие МП РЗА)

Время работы АЦП и логики принятия решения – 5–10 мс.

Время действия выходного реле – 10 мс.

Итого: 15–20 мс.

2-й вариант (ЦПС)

Время преобразования сигнала «аналоговый–оптический» в блоке ТТ (9-2) – ? мс.

Время преобразования сигнала «оптический–аналоговый» в блоке РЗА (9-2) – ? мс.

Время логики принятия решения в блоке РЗА – 5–10 мс.

Время преобразования сигнала «аналоговый–оптический» в блоке РЗА (GOOSE) – ? мс.

Время преобразования сигнала «оптический–аналоговый» в полевом контроллере (GOOSE) – ? мс.

Время логики принятия решения в полевом контроллере – ? мс.

Время действия выходного реле – 10 мс.

Итого: 15–20 мс + время на преобразования и работу контроллера.

Не пишу точные данные, потому что у меня их нет, но видно, что тракт обработки для ЦПС получается гораздо длиннее, чем для традиционных реле. Т.е. базовые защиты, которые получают информацию только от измерительных трансформаторов, будут работать даже медленнее, чем традиционные МП РЗА.

Другое дело, защиты, которые «связаны» с дискретными входами.

Насколько я понимаю, GOOSE-сообщения передаются в 2–3 раза быстрее, чем работает связка «реле–дискретный вход». Значит, такие защиты, как ЛЗШ, УРОВ, дуговая защита, будут работать быстрее. Но здесь возникает вопрос: насколько это важно?

УРОВ всегда выполняется с выдержкой времени, здесь быстродействие не важно.

Обычная ЛЗШ срабатывает за время 0,1–0,15 секунд из-за задержки на прием сигнала через дискрет, а станет срабатывать где-то за 0,05–0,07 с (без учета выходных реле). Судите сами, насколько такой выигрыш важен в распределительных сетях 6–10 кВ.

В дуговой защите действительно важна каждая миллисекунда, но современные цифровые защиты, за счет специальных алгоритмов и быстродействующих реле, имеют полное время действия 15–20 мс. Вряд ли с помощью МЭК-61850 удастся это время улучшить. По крайней мере, я о таком решении не слышал.

Скорее всего, защиты с 9-2 будут полезны на шинах ГРУ 6–10 кВ, где при большом количестве присоединений можно построить полноценную ДЗШ. Да, здесь применение подобных систем может сыграть положительную роль несмотря на стоимость.

Но на быстродействии защит обычных распределительных подстанций технология ЦПС практически не скажется.

Если сильно помечтать, то сокращение времени дала бы централизованная система РЗА, но только не в рамках одной подстанции, а в рамках участка сети 6–35 кВ, где основными защитами сейчас являются максимальные токовые. Если вы собираете данные о токах в каждой точке сети в единый центр обработки, то можно на каждом участке выполнить дифференциальную защиту, что снизит время отключения с 1–2 секунд до 0. Это кардинально улучшило бы безопасность сети и снизило бы повреждаемость оборудования, но сегодня такое решение даже не обсуждается. Да и сам МЭК-61850 изначально был рассчитан на работу в рамках одной подстанции.

Надёжность

Мне сложно сказать, какая схема (традиционная или «цифровая») будет надежнее. Здесь очень много факторов, и надо не рассуждать, а считать. К сожалению, я не видел материалов с расчетами надежности ЦПС, где предположения превращаются в цифры и факты. А жаль, было бы интересно.

Я склонен думать, что, чем проще система, тем надежнее.

С этой точки зрения я за обычные микропроцессорные терминалы. Но есть технологии резервирования, дублирования, самодиагностики, которые лучше развиты именно в сложных системах. Тут, наверное, цифровая подстанция имеет определенные преимущества. Не буду делать окончательные выводы, так как не обладаю соответствующими знаниями и информацией.

Я для себя решил, что аппаратная надежность будет примерно одинакова для современных МП РЗА и цифровой подстанции. А вот что касается программной части, то здесь я отдаю предпочтение традиционным МП РЗА. И речь не только о кибербезопасности, но и о том, что для релейной защиты важна скорость при старте, а значит, нужны специальные облегченные операционные системы. Современные системы РЗА готовы отключить КЗ через 0,25–0,5 с после подачи оперативного тока. Если же «релейка» стартует пару минут и больше, то это уже не РЗА, а какой-то «комбайн 100 в 1», который, выигрывая в функциональности, не способен нормально решать критически важные задачи релейной защиты.

И полностью надеяться на СОПТ здесь также не стоит. Перерывы в оперативном питании случаются и на современных подстанциях. Чем дольше грузится терминал, тем дольше ваше присоединение остается без защиты. Это, кстати, можно отнести и к быстродействию защит.

Что еще?

Попробую вспомнить дополнительные преимущества цифровой подстанции, которые нельзя заменить просто «снижением затрат».

Взрыво- и пожаробезопасность оптических ТТ и электронных ТН

Наверное, здесь идет сравнение с существующими масляными трансформаторами. Но ведь можно применять сухие или элегазовые. И стоят они дешевле, особенно для класса напряжений 6–35 кВ.

Отсутствие феррорезонанса

Феррорезонанс – сетевое явление, которое происходит из-за параллельного соединения индуктивности ТН и емкости сети на землю. И действительно, предсказать и предотвратить его сложно из-за нелинейной индуктивности ТН. У электронных ТН нет стального сердечника, и с ним таких проблем не будет. Да, это так.

Но чтобы избавиться от феррорезонанса, нужно сразу заменить все ТН или хотя бы большую их часть. А если ТН меняются постепенно, что мы и видим с внедрением новых технологий в энергетике, то вначале ситуация с феррорезонансом может быть даже хуже, чем при электромагнитных трансформаторах. Всё зависит от соотношения индуктивности и емкости в конкретной сети. Не факт, что, постепенно снижая индуктивность, вы случайно не «настроите» контур на нулевое реактивное сопротивление.

Возможность измерения постоянного тока

Это очень здорово, но зачем это в обычной распределительной сети?

Возможность измерения до 100 гармоник переменного тока

Опять же, зачем? Самые требовательные в этом вопросе – конденсаторные установки, которые нужно защищать от перегрузки токами высших гармоник. Но даже там обычно ограничиваются первыми двумя десятками гармоник, с чем отлично справляются электромагнитные ТТ.

 Нет заноса потенциала на ОПУ

Странное заявление. Мне кажется, занос потенциала на ОПУ будет идти в том числе по броне оптических кабелей. Вы же не собираетесь применять незащищенную оптику на подстанции?

К тому же сегодня предлагают вынести измерительную часть с АЦП и прочей микроэлектроникой прямо на ОРУ (различные merging units, контроллеры присоединения и некоторые оптические ТТ). Здесь никакого заноса в ОПУ и не нужно. Мы сами оттуда всё выносим прямо под ошиновку на ОРУ.

Кстати, и медных кабелей на ОРУ останется достаточно. Питание-то нужно откуда-то брать.

Что в итоге?

Так в чем именно цифровая подстанция поможет релейщику? Какие глобальные задачи релейной защиты (например такие, как определение поврежденного фидера при ОЗЗ) она позволит решить? В чем состоит острая необходимость применять именно такое решение? Мне как релейщику сложно ответить на эти вопросы.

По основным качественным показателям для релейной защиты цифровая подстанция не дает практически никаких преимуществ перед тем, что сейчас есть на рынке.

В чем-то лучше, в чем-то хуже. Но в среднем это те же показатели, и ничего прорывного в этой технологии нет.

Если технология не дает каких-то принципиальных плюсов, то она должна давать экономию средств при внедрении, существенное упрощение и удешевление обслуживания, скорость при строительстве объекта или что-то в этом роде. Об этом поговорим в следующей статье, но напоследок хочу привести один из недавних примеров «инноваций ради инноваций» – цифровая оперативная блокировка.

Как вы, наверное, знаете, с оперативной блокировкой (ОБ) на объектах много проблем. Суть в том, что эта система работает ненадежно из-за частых замыканий в разветвленной сети ОБ и окисления и механических повреждений блок-контактов коммутационных аппаратов, которые дают информацию для блокировок. Две основные причины определили, надо их устранить. И что в итоге сделали?

Вместо шкафа питания ОБ с несколькими выпрямителями, автоматами и ключами поставили шкаф с несколькими выпрямителями, автоматами, ключами и цифровыми контроллерами! На той же подстанции, с тем же первичным оборудованием.

В итоге все проблемы остались (кабелей даже стало больше), да еще и цена выросла. И если раньше система строилась «железно», то теперь добавился еще один элемент ненадежности – программный код. А кого и от чего защищает оперативная блокировка, думаю, специалистам объяснять не нужно. Очень бы не хотелось, чтобы идея цифровой подстанции превратилась во что-то подобное.

Цифровая подстанция

(close)

 

Цифровая подстанция

(close)

Имя пользователя должно состоять по меньшей мере из 4 символов

Внимательно проверьте адрес электронной почты

Пароль должен состоять по меньшей мере из 6 символов

 

 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: