СВИ на службе у распределенного мониторинга: что мы имеем сегодня?

Введение

В наши дни использование устройств синхронизированных векторных измерений (PMU) позволяет реализовывать распределенные системы мониторинга в магистральных и распределительных сетях. При этом диспетчеры получают возможность контролировать динамические процессы в режиме реального времени и, как следствие, лучше понимать специфику их протекания в этих энергосистемах.

Ниже мы приведем описание системы обработки векторных данных (PDP), при помощи которой можно выявлять и визуализировать такие процессы в энергосистеме, как качания мощности и работа в изолированных режимах, а также оценивать параметры стабильности напряжения. В конце статьи будет дан реальный пример использования распределенных систем мониторинга.

Статическая оценка состояния сети дает лишь относительное представление об условиях работы энергосистемы.

В магистральных и распределительных сетях со временем назревает необходимость серьезных изменений, вызванная в основном увеличением объема генерации. Сегодня в тех энергосистемах, которые уже близки к пределу устойчивости, имеется угроза образования «узких мест» и снижения общей устойчивости системы. В перспективе это может стать причиной крупномасштабных отключений потребителей или даже системных аварий. В современных системах SCADA выполняется статическая оценка состояния сети, которая дает лишь относительное представление об условиях работы энергосистемы с периодом обновления информации порядка 5 с [1].

Вышеупомянутые системы неспособны распознавать динамические процессы в сети, такие как качания мощности или изолированная работа сети. Подобные процессы можно зафиксировать только при последующем анализе, если это возможно в принципе. На сегодняшний день нам доступны устройства синхронизированных векторных измерений (PMU), использующие для синхронизации времени сигналы GPS (с точностью менее 5 мкс) и предоставляющие возможность выполнять синхронизированные измерения векторов тока и напряжения с частотой дискретизации порядка 50–60 выборок в секунду и передавать эти данные на компьютер. Передача данных выполняется непрерывно согласно протоколу стандарта IEEE C37.118.

Получаемые от PMU измерения удовлетворяют требованиям, предъявляемым к источникам данных для анализа устойчивости энергосистемы в режиме реального времени. Векторные измерения, снабженные меткой времени, позволяют фиксировать динамические процессы в сети, что является большим преимуществом по сравнению со стандартными измерениями среднеквадратических значений с применением RTU.

Устройство PMU служит для выполнения и передачи СВИ, а также способно отслеживать значения частоты и скорости изменения частоты (df/dt). PMU может быть как независимым устройством, так и частью устройства защиты или регистратора данных.

Для этих целей компания Siemens предлагает устройства SIPROTEC 5 (рис. 1). Функционал SIPROTEC 5 (доступный, например, в составе устройства управления присоединением 6MD85) совместим со стандартом IEEE C37.118 (2011), описывающим коммуникационный протокол передачи синхронизированных векторных данных и требования к динамическим свойствам PMU.

Основные принципы синхронизированных векторных измерений

Распределенные системы мониторинга, в которых используются получаемые от PMU данные синхронизированных измерений, могут быть очень полезны с точки зрения анализа динамических процессов в магистральных и распределительных сетях. Отличия от «традиционных» измерений SCADA заключаются в следующем:

• измерения передаются от PMU в концентратор синхронизированных векторных данных (PDC) в виде непрерывного потока данных с настраиваемой частотой дискретизации (например, 10 выборок в секунду);
• каждое измерение содержит метку времени, позволяющую сопоставлять друг с другом измерения, которые поступают с разных подстанций;
• замеры напряжения и силы тока также включают информацию о фазовом угле (фиксируются параметры векторов вместо передачи аналоговых значений).

Таким образом, можно сделать дополнительные выводы касательно состояния сети.

Доступность подобных измерений в значительной мере увеличивает возможности анализа возмущений в сети. Все преимущества применения синхронизированных векторных измерений раскрываются в полной мере при распределении устройств PMU по всей контролируемой области энергосистемы.

На рис. 2 показана структурная схема распределенной системы мониторинга компании Siemens — SIGUARD Phasor Data Processor (PDP). Сервер SIGUARD PDP принимает векторные измерения в виде потока данных от PMU в соответствии с протоколом стандарта IEEE C37.118. Сервер распределяет полученную информацию об измерениях по интерфейсам пользователей (UI), которые обычно реализованы как отдельные компьютеры. Компьютер, выполняющий роль сервера (на нем также хранятся и архивные данные), устанавливается в специализированных условиях, обеспечивающих непрерывную и надежную работу оборудования. Компонент системы SIGUARD PDP Com обеспечивает связь с другими распределенными системами мониторинга, работая аналогично PMU и с тем же протоколом стандарта IEEE C37.118. Тем не менее оператор системы SIGUARD всегда может задать, значения каких измеренных величин будут передаваться, а каких — нет. Компоненты «Сервер», «Архив» и «Коммуникация» вместе формируют концентратор векторных данных (PDC), который может работать независимо.

Интерфейсы пользователя размещаются в диспетчерских центрах. ПО SIGUARD Engineer применяется для конфигурирования PMU, приложений, средств коммуникации, вычислений и графической информации. Такое изменение конфигурации, как, например, добавление одного устройства PMU, представляет собой интуитивно решаемую задачу.

Основным преимуществом, которое мы получаем при внедрении системы WAMS, является возможность наблюдения за векторами тока и напряжения в режиме реального времени, а также индикация разности фазовых углов и контроль значения частоты. Кроме того, при переключении на офлайн-режим появляется возможность точного анализа возмущений. Для системы WAMS не требуется наличие какой-либо топологической модели энергосистемы: она работает просто с потоками измеренных данных, поступающими от PMU.

Приложение для обработки векторных данных с функцией PSR (Power Swing Recognition) фиксирует появление качаний мощности и выполняет оценку затухания этого процесса. Обнаруженные качания мощности, а также иные незначительные возмущения отображаются на экране интерфейса пользователя (в списке сообщений сигнализации). Здесь возможно два варианта:

• контроль разности фазовых углов между двумя точками энергосистемы, где установлены устройства PMU;
• мониторинг активной мощности, передаваемой по линии или вырабатываемой генератором.

Функция ISD (Island state detection) предназначена для оценки отклонения частоты и обнаружения фактов изолированной работы сети путем непрерывного измерения.

Визуализация динамических характеристик энергосистемы

Интерфейс пользователя SIGUARD PDP (рис. 3) разрабатывался таким образом, чтобы представлять информацию о динамических характеристиках энергосистемы в удобном для восприятия виде. Кривая состояния энергосистемы размещается в верхней части экрана и представляет собой искусственно введенную величину, которая отображает приближение контролируемой системы к своему критическому состоянию. Эта величина рассчитывается с учетом запаса всех измеряемых параметров относительно их предельных значений. Указанный график выполняет функцию «светофора», а также иллюстрирует состояние энергосистемы.

Пример

Компания TenneT TSO GmbH, которая является первым международным системным оператором в Европе, использует функционал SIGUARD PDP для обнаружения качаний мощности и анализа аварий с марта 2009 года. На сегодняшний день в Германии установлено 40 устройств PMU на уровне напряжения 400 кВ. Центр системы мониторинга SIGUARD PDP располагается в городе Байрёйт (Северная Бавария). Ценный опыт и выгода, полученные за время эксплуатации этой системы, выражены в следующем:

• PDP показывает значения активной мощности и угла дельта-фи практически для любых расстояний в пределах энергосистемы;
• мониторинг перетоков мощности, обусловленных подпиткой от ветрогенераторов, ведется в режиме реального времени, без необходимости в какой-либо информации о топологии сети;
• визуализация быстрых отклонений частоты, возникающих вследствие запланированных или незапланированных отключений электростанций и потребителей;
• анализ поведения энергосистемы в динамических режимах после повреждений в целях усовершенствования и формирования более точных отчетов.

Выводы

Опыт эксплуатации подобных систем показывает, что применение PMU и функционала обработки векторных данных в значительной степени повышает вероятность обнаружения критических ситуаций в энергосистеме, что в итоге позволяет снизить риск возникновения дополнительных инвестиционных затрат.

К числу основных достоинств распределенного мониторинга относятся прозрачность всех динамических событий в сети, простая структура и возможность реализации автоматического распознавания событий. В дальнейшем появится возможность разработки распределенных систем защиты и управления на базе усовершенствованных технологий мониторинга, которые были рассмотрены выше. Высокопроизводительные компьютеры позволят реализовать анализ и динамическое моделирование режимов работы крупных энергосистем с достаточной скоростью, благодаря чему можно будет производить разработку контрмер по предупреждению развития критических режимов. Распределенная система мониторинга SIGUARD PDP является основой для улучшения устойчивости энергосистем — сегодня и в обозримом будущем!

Литература

1. Преимущества использования векторных измерений в распределительных сетях; Markus Wache, презентация на CIRED 2011, Франкфурт-на-Майне.
2. Messergebnisse, Netzdynamik ausgewählter Ereignisse at Expertenforum Netzstabilität, 19–20 июня 2013 года; Stefan Steger, TenneT TSO GmbH, Deutschland.