Типизация технических решений РЗА и АСУ ТП ФСК: итоги и планы

Целью данного проекта является повышение надежности работы объектов энергетики средствами типизации технических решений, в том числе для цифровой подстанции. Также в статье раскрыты возможности при внедрении результатов НИОКР и планы по дальнейшему совершенствованию комплексов РЗА и АСУ ТП с применением правил и технологий пакета стандартов IEC 61850.

Введение

Дополнительным важным эффектом применения типовых решений являлась унификация знаний и навыков эксплуатационного персонала.

Целевыми эффектами организации процессов проектирования объектов капитального строительства при применении методов типового проектирования во времена СССР являлись сроки и трудоемкость разработки проектной документации посредством максимального использования технических решений, утвержденных для многократного использования в последующем строительстве (типовых проектов), с высокими техническо-экономическими характеристиками. В большинстве случаев проектирование сводилось к выбору подходящего набора типовых решений, заполнения формуляров численными характеристиками нового объекта. Дополнительным важным эффектом применения типовых решений являлась унификация знаний и навыков эксплуатационного персонала при включении в зону ответственности служб РЗА и АСУ ТП нескольких подстанций, выполненных по единому набору типовых решений.

В релейной защите эффекты данного подхода многократно подтверждались при смене элементной базы — от электромеханики (к примеру, панели ЭПЗ 1636 и ДФЗ 201) до микроэлектроники (ШДЭ 2801 и ПДЭ 2801).

Переход к рыночной экономике, появление новой микропроцессорной базы с характерным высоким темпом развития элементной и программной базы, разделение крупных проектных институтов на «рабочие группы» профильных проектировщиков привели к разрыву преемственности отраслевых типовых технических решений и отсутствию унификации производственных процессов при эксплуатации информационно-технологических систем подстанций (ПС).

Отсутствие отраслевой системы централизованного накопления знаний в виде опыта проектирования и эксплуатации с наличием обратной связи, учитывающей статистику качественных и технологических показателей принятых технических решений, привело к невозможности применения методов оптимизации затрат по трудоемкости при повторном применении технических решений [1], активному применению «проектными группами» наборов «домашних заготовок», практически идентичных между собой, и транслированию типовых ошибок из проекта в проект.

При освоении IEC 61850 остро встал вопрос о разработке прикладных профилей и унификации информационных обменов.

На международным уровне решение данной проблемы началось в 2000-е годы в рамках разработки пакета международных стандартов IEC 61850 «Сети и системы связи на подстанциях». Вместе с тем реализация проектов по внедрению в ЕНЭС с 2005–2010 годы IEC 61850 показала, что стандарт задает только общие правила и не определяет значительную часть логических узлов, атрибутов данных и информационных моделей, что приводит к формальному использованию IEC 61850 и не привносит всю мощность упрощения инжиниринга данных. По мере освоения IEC 61850 все более остро вставал вопрос о необходимости разработки прикладных профилей и унификации информационных обменов.

В 2015 году ФСК инициировало начало научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы по разработке электронного каталога типовых проектных решений РЗА и АСУ ТП для проектирования и конфигурирования оборудования систем защиты и управления ПС (далее — Проект) [2]. Реализация Проекта основывалась на следующих концептуальных подходах типового проектирования:

• глубокой теоретической проработке для вариантов корпоративных типовых решений, учитывающей требования актуальной нормативно-технической документации и опыта эксплуатации;
• вариативности технических решений на основе оптимизации опыта проектирования и эксплуатации объектов ЕНЭС;
• возможности поэтапного технического перевооружения на основе типовых технических решений с применением в различной степени технологии цифровой подстанции;
• максимальной унификации в рамках международного стандарта IEC 61850;
• управлении требованиями в цифровой форме.

Далее приведен обзор достигнутых результатов Проекта и принятых технических решений.

Типовые шкафы

Основой типизации информационно-технологических систем для ПС является каталог типовых шкафов РЗА и АСУ ТП для элементов схемы электрической принципиальной. В результате анализа схем электрических принципиальных (СЭП) распределительных устройств (РУ) сформирован набор информационных моделей элементов первичной сети и составляющих моделей электрооборудования, характеризующихся общими признаками, классом напряжения и наборами технических требований в части РЗА и АСУ ТП. Для элементов схемы разработаны структурно-функциональные схемы взаимодействия функций РЗА.

В соответствие с каждой моделью СЭП и его структурно-функциональной схемой разработана сущность типового шкафа, определяющая набор требований к функциональности, необходимой реализации внешних интерфейсов и конструктивному исполнению (рис. 1), а именно перечни:

• функций;
• аналоговых входных параметров;
• дискретных входных параметров;
• выходных управляющих воздействий;
• органов управления (ключи, кнопки, испытательные блоки);
• индикации шкафа;
• выдаваемой информации в АСУ ТП (с учетом стандартизированного описания сигналов по IEC 61850 — корпоративного профиля IEC 61850 ФСК).

Вариативность степени и масштаба строительства/модернизации ПС обусловили формирование различных архитектур построения технологических систем и соответствующих классов типовых шкафов (таблица 1):

• I архитектура: схемы РЗА, выполненные по традиционной схеме, т. е. с передачей дискретных сигналов от РУ и между терминалами по медному кабелю с использованием дискретных входов/выходов и электромагнитных трансформаторов тока и напряжения;
• II архитектура: схемы РЗА, выполненные с использованием стандарта IEC 61850-8-1, для передачи дискретных сообщений GOOSE-коммуникаций [3];
• III архитектура: схемы РЗА, выполненные с использованием стандарта IEC 61850-8-1 и IEC 61850-9-2 [4], для передачи измеренных мгновенных величин аналоговых сигналов (за исключением решения 6–35 кВ).

Таблица 1. Классификация разрабатываемых технических решений РЗА

Нужно подчеркнуть, что все архитектуры базируются на одних и тех же структурно-функциональных схемах, то есть изменение технологии транспорта аналоговой и дискретной информации не приводит к изменению принципов функционирования шкафов РЗА. Результаты разработки типовых решений в зависимости от архитектуры подстанции приведены в таблице 2.

Таблица 2. Типовые шкафы РЗА, АСУ ТП и УПАСК

Работа показала, что путь к цифровизации приводит к большей концентрации функционала и увеличению универсальности шкафов. Для III архитектуры потребовалось разработать 25 типовых шкафов для всех схем РУ, что вдвое меньше, чем для I архитектуры. Дальнейшее развитие РЗА будет идти по пути поэтапной централизации функционала и уменьшения количества применяемых шкафов РЗА и АСУ ТП.

Полученные результаты по типовым шкафам РЗА согласованы с «Системным оператором» и получили одобрение на научно-техническом совете «Россетей» как основа для продвижения технологии цифровой подстанции (ЦПС) [5].

Электронный каталог РЗА и АСУ ТП

Современные требования по качеству и срокам разработки проектной документации не выполнимы без применения современных систем автоматизированного проектирования (САПР), в состав которых должны входить:

• информационное обеспечение — базы данных информационных моделей типовых шкафов РЗА, АСУ ТП и УПАСК;
• графическая платформа САПР с жестко связанными алгоритмами подбора типовых шкафов в зависимости от СЭП проектируемой подстанции, исключающими зависимость технического решения от квалификации проектировщика.

В рамках Проекта разработан программно-технический комплекс «Электронный каталог типовой проектной документации на РЗА и АСУ ТП», включающий:

• серверное оборудование;
• СУБД PostgreSQL;
• базы данных по типовым шкафам ФСК для различных классов напряжения;
• программные клиенты:
• программное обеспечение «Электронный каталог типовой проектной документации на РЗА и АСУ ТП» (ПО «ЭК РЗА и АСУ ТП») [6] на базе отечественной САПР nanoCAD (возможно использование с САПР AutoCAD);
• портальное решение для использования в распространенных Web-браузерах.

Основным функционалом программного обеспечения является:

• разработка СЭП электросетевых объектов, соответствующих [7];
• разработка ИТС электросетевых объектов, соответствующих [8];
• разработка файла описания ПС в IEC 61850-6 (SSD-файл) [9];
• разработка карт уставок РЗА ПС;
• автоматическое формирование спецификаций, таблиц, отражающих общее количество, тип, технические требования, сигналы и функции серийных шкафов РЗА и АСУ ТП.

Блок-схема основного бизнес-процесса ПО «ЭК РЗА и АСУ ТП» приведена на рис. 2. На рис. 3 приведен пример графического интерфейса программного обеспечения в плане базы данных информационных моделей типовых шкафов; на рис. 4–8 приведены примеры графического интерфейса системы.

Графический интерфейс ПО «ЭК РЗА и АСУ ТП»: галерея

Открывающиеся возможности при внедрении типовых шкафов

Создание электронного каталога типовых шкафов не является самоцелью ФСК.

Разработка ПО «ЭК РЗА и АСУ ТП» является одним из первоочередных шагов ФСК в решении комплексной задачи повышения надежности работы ЕНЭС средствами типизации технических решений, а также снижения стоимости владения РЗА и АСУ ТП на всем жизненном цикле ПС. В то же время создание электронного каталога типовых шкафов не является самоцелью ФСК в задачах оптимизации инженерной деятельности, ограниченной исключительно реализацией единообразия эксплуатируемых технических решений и созданием единых правил для всех производителей. Создание стандартизированных типовых проектных решений (шкафов) является основой для проведения комплексной программы, направленной на актуализацию, упрощение, гармонизацию и упорядочивание профильных нормативно-технических и эксплуатационных документов (далее — НТД). В настоящее время в ФСК осуществляются подготовительные работы для разработки и актуализации следующих НТД, относящихся к сущности типового шкафа:

• НТД в сфере ответственности эксплуатационных организаций:
  • Правила проектирования ПС и применения типовых шкафов (вводятся в НТП ПС),
  • Правила маркировки шкафов и комплектов РЗА,
  • Типовые программы приемки шкафов РЗА,
  • Инструкции по эксплуатации типовых шкафов,
  • Типовые бланки переключений по вводу в работу (выводу из работы) шкафов РЗА,
  • Типовые рабочие программы по вводу в работу (выводу из работы) шкафов РЗА,
  • Программы и объемы проверки шкафов РЗА и цепей;
• НТД в сфере ответственности производителей:
  • руководство по эксплуатации,
  • методические указания по расчету уставок защит,
  • бланки уставок,
  • принципиально-монтажная схема шкафа,
  • дополнения и пояснения к программам приемки и проверки шкафов РЗА.

Разработка правил проектирования с применением типовых шкафов направлена на снижение вариативности технических решений.

Разработка правил проектирования с применением типовых шкафов направлена на снижение вариативности технических решений с целью типизации ПС для эксплуатационного персонала — т. е. инженер службы РЗА не должен учить принципы выполнения шкафов разных производителей и разбираться в принятых решениях проектного института на данной ПС. После начала работ на любой (незнакомой) ПС инженер РЗА не должен долгое время изучать принятые индивидуальные решения на ПС. Зная принципы построения комплексов РЗА на основе типовых шкафов, инженер РЗА должен, ознакомившись с особенностями данной ПС, быстро приступить к работе. Инструкции по эксплуатации для оперативного персонала должны содержать описание функций, ключей, испытательных блоков, функциональных кнопок и светодиодов — все это определено и регламентировано в типовых шкафах. Как следствие, для написания инструкции по эксплуатации типового шкафа нужно добавить ПС, присоединение, место установки шкафа и особенности применения.

Рабочие программы по вводу в работу (выводу из работы) шкафов должны быть разработаны под конкретный шкаф и это занимает достаточно большое время. В случае применения подхода типовых шкафов в типовую программу нужно добавить только конкретные клеммы для каждого производителя и указать номер шкафа. При этом для шкафов II и III архитектур достаточно указать только ПС, присоединение и номер шкафа, к которому эта программа относится. Необходимо также провести работы по типизации программ проверки, наладки, приемки, периодического технического обслуживания, послеаварийных проверок типовых шкафов. Это резко повысит исполнительскую дисциплину и упростит для специалистов наладочных и эксплуатационных организаций процедуры выполнения производственных задач, а также упростит процесс планирования строительства и технического обслуживания ПС.

Стандартизация позволяет повысить степень разделения труда и сократить трансакционное издержки.

Теперь обратимся к производителям. Разработка документов, перечисленных в зоне ответственности производителей, тоже направлена на упрощение процессов эксплуатации, т. к. данные документы предоставляются в комплекте с шкафами при прохождении процедуры проверки качества (аттестации в «Россетях»). В данном случае в ФСК формируется стройная база данных, основанная на типовых шкафах и обязательных документах к ним, что ориентирует производителей по долгосрочным ожиданиям со стороны потребителей продукции на его разных уровнях и стадиях жизненного цикла.

С точки зрения экономической теории стандартизация позволяет повысить степень разделения труда и сократить трансакционное издержки, связанные с затратами на поиск информации, прогнозирование, согласования спецификаций и заключения отношений между экономическими агентами. В этом смысле производитель и потребитель совместно повышают свою эффективность и не теряют ресурсы на создание уникальных низкоэффективных активов, что, кроме того, позволяет повысить скорость вывода на рынок как улучшенных версий продуктов, так и совершенно новых продуктов, и бизнес-моделей.

Как пример — на рынке должна развиться конкуренция среди поставщиков, предлагающих изготовление типовых средств интеграции, информационной защиты, конструктива шкафов, сервисов мониторинга, кибербезопасности, диагностики, что должно привести к значительному снижению стоимости и ускорить темпы цифровизации энергетики.

Планируемые работы в области типизации и сопровождения жизненного цикла информационно-технологических систем

Полученные в рамках Проекта положительные результаты (возможность создания каталога типовых шкафов) и отсутствие завершенных комплексных типовых решений обуславливают необходимость проведения последующих работ по типизации информационно-технологических систем. Перспективными работами в данной области являются:

• типизация шкафов РЗА для распределительного электросетевого комплекса;
• типизация шкафов локальной ПА (в том числе АЛАР, АОПО, ФОЛ, ФОДЛ, АОПН, АОСН, АЧР, ЧАПВ, ФТКЗ, ФОТ, ФОДТ, ФОСШ, САОН, ТМ ПА);
• создание структуры АСУ ТП для ПС без оперативного персонала;
• проработка требований к централизованным комплексам РЗА, совмещающих в себе функции РЗА, ПА и контроллера присоединения, в которых все коммуникации осуществляются в соответствии с протоколом IEC 61850;
• развитие разработанной САПР до функционала, способного формировать тома проектной документации (ПД) по РЗА, ПА, АСУ ТП и СОПТ.

Дополнительно стоит отметить, что в настоящее время в ФСК выполнятся НИОКР по разработке системы автоматической диагностики и повышения эффективности обслуживания устройств РЗА, АСУ ТП и средств измерений ПС, направленной на информационное сопровождение жизненного цикла информационно-технологических систем с учетом применения подхода типовых шкафов и формированием распределенной базы данных систем и устройств, находящихся в эксплуатации. Также инициируются работы по разработке программно-аппаратных средств для автоматизации процессов испытаний, наладки, приемки и технического обслуживания в процессе эксплуатации шкафов РЗА и АСУ ТП.

Целевая модель оптимизации инженерной деятельности

Цифровизация энергетики должна затрагивать все стадии жизненного цикла электросетевых объектов.

Цифровизация энергетики не может ограничиваться лишь применением устройств на подстанциях. Это понятие должно распространяться на все стадии жизненного цикла электросетевых объектов. Необходимо разработать систему, при которой схемы, уставки, внутренняя логика, программы и результаты проверки передавались и хранились в электронном виде. Любая информация должна быть занесена в электронный вид один единственный раз — далее эта информация может корректироваться, но не переносится на бумагу и обратно. Разработанные в программном модуле файлы СЭП и ИТС должны храниться в стандартных файлах SSD и SCD, конвертироваться в схемы и обратно. Файлы конфигураций терминалов РЗА ICD также должны восприниматься всеми производителями и транслировать данные уставок в терминалы напрямую без ручного перевода в программные средства производителя. Программы наладки и проверки устройств РЗА специальных комплексов проверки (РЕТОМ, OMICRON) так же должны использовать файлы ICD/CID для выполнения проверки. Результаты проверки нужно так же систематизировать и хранить в электронном виде для возможности автоматизированного анализа. Три основных ПТК должны обеспечить сопровождение МП устройств на всем жизненном цикле ПС:

• САПР для проектирования;
• программный комплекс для эксплуатации;
• ПТК наладки и технического обслуживания.

Информационное обеспечение указанных ПТК должно быть выполнено на основе типовых решений:

• схемы РУ ПС;
• типовые шкафы РЗА;
• типовые шкафы ПА;
• типовые шкафы АСУ ТП;
• корпоративный профиль стандарта IEC 61850;
• правила записи осциллограмм;
• правила создания SSD, SCD, ICD, CID и других файлов для возможности использования тремя программными комплексами.

Именно в системе, в которой все организации, участвующие в жизненном цикле ЦПС, обмениваются стандартными файлами IEC 61850, лежит дальнейшее развитие, которое даст повышение надежности и снижение затрат — отдельные предприятия будут сконцентрированы на развитии функционала, а не над решением проблем, связанных с интеграцией.

Кроме того, информационная избыточность и низкая стоимость передачи и интеграции позволяет обеспечить целостность данных на всех этапах, убрать обслуживающий персонал с ПС и регламентировать объем и тип поступающей информации от ПС в ПМЭС. В этих условиях становится возможным выявлять сложные кибератаки, что для автоматизированных систем предыдущего поколения не представляется возможным.

Заключение

В 2014 году ФСК разработала план мероприятий по созданию и развитию организационно-технологических условий для внедрения инновационной и высокотехнологичной продукции на объекты электросетевого хозяйства ФСК, в том числе производимой субъектами малого и среднего предпринимательства, предусматривающий реализацию подходов цифрового проектирования, формирование среды информационного сопровождения жизненного цикла объектов с типизацией технических решений, электронных форматов и протоколов обмена данными между базами данных и программными инструментариями, применяемыми на стадиях от проектирования до эксплуатации подстанций. Были созданы рабочие группы с производителями РЗА и проделана большая работа, которая показала правильность выбранного пути. Начинается внедрение типовых решений в электроэнергический комплекс России.

Совместная работа по созданию типовых решений признана энергетическим сообществом актуальной.

Совместная работа по созданию типовых решений, стандартизации цифрового обмена между устройствами РЗА и унификации интерфейсов признана энергетическим сообществом чрезвычайно востребованной и актуальной. Из истории можно привести аналогию взрывного роста компьютерной индустрии при реализации компанией IBM открытой архитектуры РС/XT, на которую были опубликованы спецификации построения интерфейсов компьютера, периферийных устройств и программного обеспечения, что позволило другим производителям разрабатывать дополнительные устройства и приложения.

В ФСК в дополнение к стандартам организации внедрен новый тип «безбумажной» формализации и управления техническими требованиями и спецификациями в современных цифровых средах автоматизированного проектирования, обеспечивающий новый тип готовности ЕНЭС к цифровой трансформации.

Необходима последовательная и планомерная совместная работа между производителями и потребителями продукции, которая приведет к повышению эффективности применения цифровых решений, предлагаемых производителями, и «цифровой готовности» к ним со стороны энергетических предприятий. Только при таком подходе будут открываться новые рынки цифровых устройств и сервисов, эффективно использующих данные по работе энергетического оборудования.

Литература

1. СБЦП 81-02-22-2001 Справочник базовых цен на разработку технической документации на автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) // Министерство промышленности Российской Федерации (Минпром России). 2001.
2. Шеметов А.С. и др. Многокритериальная оптимизация инженерной деятельности на основе типовых технических решений РЗА и АСУ ТП ПАО «ФСК ЕЭС» // Энергия единой сети № 2 (31). 2007. С. 16–28.
3. IEC 61850-8-1:2011 (ed. 2.0) Communication networks and systems for power utility automation. Part 8-1: Specific communication service mapping. (SCSM), Mappings to MMS (ISO 9506-1 and ISO 9506-2) and to ISO/IEC 8802-3 (дата обращения: 09.07.2018).
4. IEC 61850-9-2:2011 (ed. 2.0) Communication networks and systems for power utility automation. Part 9-2: Specific communication service mapping (SCSM) — Sampled values over serial unidirectional multidrop point to point link (дата обращения: 09.07.2018).
5. Протокол заседании секции «Управление режимами, автоматизация и применение автоматического управления в электрических сетях» научно-технического совета ПАО «Россети» (дата обращения: 09.07.2018).
6. Свидетельство о регистрации программы ЭВМ № 2018610248.
7. СТО 56947007-29.240.10.249-2017 «Правила оформления принципиальных электрических схем подстанций» (дата обращения: 09.07.2018).‎
8. СТО 56947007-29.240.021-2009 «Схемы распределения по трансформаторам тока и напряжения устройств информационно-технологических систем (ИТС)» (дата обращения: 09.07.2018).‎
9. IEC 61850-6:2009 (ed. 2.0) Communication networks and systems for power utility automation. Part 6: Сonfiguration description language for communication in electrical substations related to IEDs (дата обращения: 09.07.2018).

Статья перепечатана из журнала «Руководящие материалы по проектированию и эксплуатации электрических сетей» с разрешения авторов и редакции.