Применение технологии СВИ для выполнения функций управления, защиты и автоматики

Презентацию Алексея Мокеева (как и доклады других участников конференции) можно посмотреть здесь.

Опыт внедрения автоматизированных систем мониторинга переходных режимов (WAMS) на основе применения устройств синхронизированных векторных измерений (УСВИ) доказал эффективность их использования для повышения надежности энергосистемы. В последние годы устройства с поддержкой технологии синхронизированных векторных измерений стали использоваться для решения и других задач, связанных с повышением надежности и эффективности функционирования энергосистем, в том числе для улучшения оценки состояния энергосистем [1, 2, 3].

Перспективными областями применения указанных устройств являются:

• АСУ ТП подстанций;
• автоматизированные системы технологического управления нового поколения WACS (Wide Area Control System);
• распределенные системы релейной защиты WAPS (Wide Area Protection System);
• режимная и противоаварийная автоматика;
• комбинированные распределенные системы управления, защиты и автоматики WAMPACS (Wide Area Monitoring, Protection, and Control System).

Основные преимущества СВИ связаны с возможностью расчета на базе синхронизированных векторов (синхровекторов) тока и напряжения параметров режима энергосистемы по основной гармонике на любом уровне управления, в том числе таких параметров, как действующие значения токов и напряжений, активные, реактивные и полные мощности, параметры режима по симметричным составляющим и т. д. На основе 6 синхровекторов тока и напряжения для каждого присоединения может быть рассчитано около сотни параметров по основной гармонике, а с помощью синхровекторов тока и напряжения, полученных с различных присоединений сети, могут быть рассчитаны и параметры самой энергосистемы. Это открывает широкие возможности для управления нормальными и аварийными режимами в энергосистемах.

При расширении функциональных возможностей и сферы применения к устройствам с поддержкой СВИ предъявляются дополнительные требования по качеству обработки входных сигналов.

Так, к устройствам, применяемым в составе WAPS и WAMPACS, предъявляются повышенные требования (по сравнению с требованиями к УСВИ) по основным показателям качества обработки сигналов в условиях интенсивных электромагнитных и электромеханических переходных процессов. Это требует проведения дополнительных тестовых испытаний наряду с испытаниями, предусмотренными стандартом IEEE C37.118.1 [4] и стандартом «Системного оператора» [5]. Расширение сферы применения ИЭУ с поддержкой СВИ напрямую связано с совершенствованием алгоритмов обработки сигналов для улучшения основных показателей качества ИЭУ, например быстродействия при заданной точности обработки сигналов [6, 7].

Часто приводятся следующие основные ограничения, связанные с расширением области применения устройств с поддержкой СВИ:

• измерение синхровекторов тока чаще всего выполняется в диапазоне рабочих токов;
• расчет параметров режима сети производится по основной гармонике;
• требования по качеству измерений предъявляются только в стационарных режимах работы энергосистемы и при электромеханических переходных процессах;
• УСВИ обладают высокой стоимостью и большими массогабаритными показателями.

Первое ограничение обусловлено подключением большинства УСВИ только к измерительным обмоткам трансформаторов тока, что ограничивает область применения УСВИ наряду с СМПР, системами управления нормальными режимами энергосистемы и реализацией ряда устройств противоаварийной автоматики. Но такое ограничение связано с применением УСВИ в СМПР, а измерение синхровекторов аварийных токов уже производится в некоторых устройства релейной защиты зарубежных производителей [8].

В связи с широким распространением технологии цифровой подстанции представляется целесообразным измерение синхровекторов токов в полном диапазоне их изменения в устройствах сопряжения с шиной процесса SAMU, подключаемых к измерительной и релейной обмоткам измерительных трансформаторов тока. При применении цифровых датчиков тока и напряжения кажется осмысленным измерение синхровекторов во встроенных устройствах сопряжения AMU. Подобные аналоговые устройства сопряжения с шиной процесса уже разработаны российскими производителями.

Ограничение для устройств с поддержкой СВИ, связанное с измерением синхровекторов тока и напряжения только основной гармоники и последующим расчетом параметров режима энергосистемы по основной гармонике, снимается за счет измерения эквивалентных синхровекторов тока и напряжения [10]. Это позволяет производить расчет около сотни параметров режима сети с учетом высших гармоник на любом уровне управления. Кроме того, для ряда задач целесообразно производить измерения синхровекторов высших гармоник.

Для традиционных УСВИ предъявляются требования к качеству измерений только в стационарных режимах работы энергосистемы и при электромеханических переходных процессах [4, 5]. УСВИ обеспечивают высокое качество измерения синхровекторов тока и напряжения в условиях электромеханических переходных процессов. На рис. 1 приведен график оценки модуля синхровектора напряжения при сложном электромеханическом переходном процессе. Для большей наглядности модуль синхровектора умножен на корень из двух.

При использовании синхронизированных векторных измерений для устройств противоаварийной автоматики и релейной защиты важно обеспечить достоверность измерений синхровекторов и в условиях электромагнитных переходных процессов. При этом устройства с поддержкой СВИ, обеспечивающие подавление свободных составляющих электромагнитных переходных процессов, в настоящее время разработаны и серийно производятся как зарубежными, так и российскими компаниями [6, 8]. Указанные требования к устройствам с поддержкой СВИ требуется отразить в национальном стандарте по сертификационным испытаниям.

Опыт внедрения УСВИ и прогресс в микроэлектронике обеспечили разработку устройств с небольшими массогабаритными размерами и невысокой стоимостью. Это позволяет сделать прогноз о массовом применении подобных устройств на подстанциях различных классов напряжения, в том числе на подстанциях 6–20 кВ, и на объектах распределенной генерации.

Рассмотрим вопросы применения ИЭУ с поддержкой синхронизированных векторных измерений для нескольких наиболее перспективных областей.

Автоматизированные системы технологического управления

Использование даже небольшого числа устройств СВИ в составе АСТУ позволяет оценивать состояние энергосистемы гораздо эффективнее и лучше.

Как показали исследования отечественных и зарубежных авторов, использование даже небольшого количества устройств СВИ в составе АСТУ позволит оценивать состояние энергосистемы гораздо эффективнее и лучше [8, 9, 11]. Массовое же применение устройств с поддержкой технологии СВИ поможет в перспективе создать автоматизированные системы технологического управления нового поколения WACS.

Основная проблема при создании WACS на сегодняшний день связана с отсутствием поддержки отечественными программно-техническими комплексами устройств с поддержкой СВИ, а также с отсутствием взаимодействия между СМПР и АСТУ. В сложившейся ситуации целесообразно использовать УСВИ как в составе СМПР, так и в составе АСТУ. В качестве примера рассмотрим систему сбора и передачи данных, реализованную на одной из подстанций 330 кВ (рис. 2).

В составе системы задействованы 15 устройств «ЭНИП-2-УСВИ», которые также используются как многофункциональные измерительные преобразователи телемеханики. Для сбора и передачи данных для СМПР и АСТУ используются концентратор векторных данных ES-PDC и устройство сбора данных «ЭНКС-3м» соответственно. Синхронизация времени для всех компонентов системы осуществляется с помощью блока синхронизации времени «ЭНКС-2». Для диагностики и мониторинга компонентов системы сбора и передачи данных используется модуль «ЭНМИ-6».

Системы релейной защиты и автоматики

Нужно отметить слабую интеграцию технологии цифровой подстанции и технологии СВИ.

Прогресс в развитии автоматических и автоматизированных систем управления в электроэнергетике во многом определяют две технологии: цифровая подстанция и синхронизированные векторные измерения. Однако следует отметить слабую интеграцию указанных технологий. Имеется лишь один раздел стандарта по цифровым подстанциям IEC 61850-90-5, связанный с синхровекторами и посвященный коммуникациям вне подстанции: передаче GOOSE-сообщений (Routable-GOOSE, или R-GOOSE), выборочных значений тока и напряжения (R-SV) и синхровекторов (Routable SPH, или R-SPH).

Рассмотрим применение синхровекторов для реализации устройств релейной защиты и автоматики в рамках цифровой подстанции. При реализации шины процесса предусмотрено использование выборочных значений токов и напряжений. При этом множество ИЭУ различного функционального назначения выполняют однотипные операции с целью вычисления параметров режима электрической сети. Ситуация во многом подобна обычным вторичным цепям, только вместо аналоговых значений вторичных токов и напряжений используются «сырые» оцифрованные значения токов и напряжений. Поэтому для многих практических случаев синхровекторы токов и напряжений следует рассматривать как альтернативу или как дополнение к выборочным значениям (Sampled Values) токов и напряжений. Функции измерения синхровекторов тока и напряжения лучше всего возложить на аналоговые устройства сопряжения с шиной процесса, как встраиваемые в современные цифровые датчики тока и напряжения (AMU), так и подключаемые к традиционным измерительным трансформаторам тока и напряжения (Stand Alone Merging Unit, SAMU).

При использовании синхровекторов вместо выборочных значений тока и напряжения резко снижается трафик по шине процесса, упрощается реализация продольных дифференциальных защит и дифференциальных защит шин, централизованных устройств управления нормальными и аварийными режимами работы.

На рис. 3 приведен пример использования синхронизированных векторных измерений для реализации устройств РЗА отдельных присоединений, дифференциальной защиты шин (ДЗШ), централизованной автоматики (ЦА) управления нормальными и аварийными режимами, а также для АСУ ТП подстанции. При этом обеспечивается разумное сочетание децентрализованного и централизованного принципов для решения задач управления, защиты и автоматики, предполагаемое классическим подходом к совместному использованию локальных и централизованных устройств. В предлагаемом варианте реализации цифровой подстанции предусмотрено преимущественное использование синхровекторов (sph), в том числе и эквивалентных синхровекторов, а потоки выборочных значений токов и напряжений (sv) имеют ограниченное использование.

Важнейшее преимущество использования синхровекторов для реализации противоаварийной автоматики связано с высоким качеством измерений параметров режима сети на базе синхровекторов тока и напряжения при электромеханических переходных процессах, что особенно важно при реализации АЧР, ЧДА, АЛАР и ряда других систем автоматики. Следует отметить, что несколько российских производителей в настоящее время ведут разработку систем противоаварийной автоматики на базе использования синхронизированных векторных измерений.

Также перспективно использование синхровекторов при реализации режимной автоматики, например обеспечивающей централизованное управление компенсацией реактивной мощности и поддержание напряжения.

Наряду с применением в устройствах автоматики, защиты и управления, синхровекторы могут использоваться для решения других важных задач, в том числе связанных с идентификацией параметров схем замещения элементов сети, с мониторингом электрооборудования на основе динамики изменения параметров схем замещения, с мониторингом низкочастотных колебаний, с анализом технологических нарушений и аварий и т. д. [9, 12].

Представляется перспективным использование решения, представленного на рис. 3, и для распределительных устройств среднего напряжения — правда, с некоторыми упрощениями. Многие специалисты в настоящее время отмечают нецелесообразность реализации шины процесса для распределительных устройств данного класса напряжения. Рассмотрим один из возможных подходов (рис. 4), реализованный одной известной зарубежной компанией [13].

В системе автоматизации распределительного устройства среднего напряжения используются пассивные датчики тока и напряжения с низкоуровневыми аналоговыми выходными сигналами. Устройства РЗА выполняют дополнительно функции контроллера присоединения и аналогового устройства сопряжения. При этом используется совмещенная шина процесса и шина подстанции и предусмотрено совместное применение SV-потоков несколькими устройствами РЗА.

Подход, предлагаемый российскими производителями, основан на применение цифровых комбинированных датчиков тока и напряжения (ЦКДТН) с функциями измерения синхровекторов тока и напряжения. При этом синхровекторы используются вместо SV-потоков для реализации функций РЗА и контроллера присоединения (рис. 5).

Необходимость внедрения инновационных решений для КРУ 6–35 кВ связана с:

• большим количеством медных проводов как внутри ячейки, так и между ячейками вследствие использования устаревших технологий и многократного дублирования аналоговых и дискретных сигналов для устройств РЗА, ТМ, управления ячейкой, для реализации оперативных блокировок и др.;
• большой долей ручного труда, сложностью тестирования ячеек после их сборки, отсутствием диагностики указанных цепей, что приводит к снижению надежности и увеличению затрат при производстве и эксплуатации высоковольтных ячеек.

Основные направления совершенствования КРУ связаны с:

• заменой традиционных электромагнитных ТТ и ТН на пассивные датчики тока и напряжения или на датчики с цифровым интерфейсом;
• использованием горизонтальных связей между ИЭУ в соответствии с IEC 61850-8-1;
• модернизацией наиболее консервативной подсистемы дискретного ввода-вывода с использованием концевых выключателей, контактов коммутационных аппаратов и промежуточных реле и т. д.;
• переходом на цифровое взаимодействие ИЭУ с БУ ВВ, применение цифровых датчиков положения и т. д.

Для интеграции интеллектуальных датчиков в составе цифрового КРУ целесообразно использовать низкоуровневые шины процесса [14].

Преимущества КРУ нового поколения связано с повышением надежности, возможностью тестирования ячеек сразу после их сборки, возможностью мониторинга и диагностики как отдельных компонентов КРУ, так и самого КРУ и подстанции в целом. Применение цифровых КРУ позволит сократить сроки и стоимость работ по изготовлению высоковольтных ячеек и обеспечит снижение эксплуатационных затрат.

В прототипах цифровых КРУ, созданных в настоящее время рядом ведущих КРУ-строительных заводов, используются первые российские цифровые комбинированные датчики тока и напряжения TECV.P1-10, которые успешно прошли этап сертификации и находятся в процессе подготовки к серийному производству [15]. Датчики содержат маломощный электромагнитный трансформатор тока со встроенным шунтом (Low Power Current Transformer, LPCT), катушку Роговского и емкостный датчик напряжения. Встроенное устройство сопряжения размещается в ограниченном объеме в основании датчика. Цифровой датчик не только является источником информации для ИЭУ различного функционального назначения, но и способен выполнять функции ряда ИЭУ за счет реализации измерения синхронизированных векторов тока и напряжения и т. д.

Применение устройств с поддержкой синхронизированных векторных измерений перспективно и для решения задачи определения ОЗЗ в городских кабельных сетях. Измерение синхровекторов тока нулевой последовательности избавляет от необходимости измерения мощности нулевой последовательности.

Устройства с поддержкой СВИ

Выделим основные тренды развития устройств с поддержкой синхронизированный векторных измерений:

• расширение функциональных возможностей и сферы применения;
• измерение синхровекторов тока и напряжения в устройствах различного функционального назначения;
• сочетание преимуществ технологий синхронизированных векторных измерений и цифровой подстанции.

Для традиционных УСВИ нужно отметить следующие тенденции:

• увеличение функциональности в рамках основной области применения (УСВИ Model 1133A американской фирмы Arbiter Systems и «ЭНИП-2-УСВИ» могут опционально содержать встроенный концентратор векторных данных и встроенный приемник сигналов точного времени) [16];
• расширение функциональности за счет выполнения функций смежных устройств, например регистраторов аварийных процессов (устройства «TPA-02» фирмы «Прософт» и «РП4.11» фирмы «Парма»);
• расширение многофункциональности за счет применения в составе АСУ ТП подстанций, в устройствах централизованного регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности и в других устройствах автоматики;
• выполнение функций многофункциональных измерительных преобразователей телемеханики (реализовано в большинстве УСВИ российских производителей, в том числе в «TPA-02», «РП4.11», «МИП-02», «ЭНИП-2-УСВИ»).

Реализация в составе УСВИ GPS-ГЛОНАСС-приемника сигналов точного времени и встроенного концентратора векторных измерений помогает произвести установку одного УСВИ на объекте с минимальными затратами и снизить требования к каналам передачи данных.

УСВИ можно рассматривать как логическое развитие многофункциональных измерительных преобразователей (МИП) телемеханики, которых в перспективе и должны заменить. Для массового замещения МИП устройствам синхронизированных векторных измерений требуется резкое уменьшение массогабаритных размеров и стоимости. Подобные разработки в настоящее время выполнены зарубежными и российскими производителями, и сопоставимые по цене и размерам устройства появляются на рынке.

В качестве примера многофункциональных измерительных устройств, обеспечивающих реализацию СВИ и протоколов цифровой подстанции, можно привести интеллектуальные устройства ARIS EM и ESM, которые имеют цифровые интерфейсы для подключения к шине процесса согласно IEC 61850-9-2LE и могут применяться в составе цифровых подстанций, АИИС КУЭ, АСТУ и СМПР (только ESM) [16].

Наряду с УСВИ, синхронизированные векторные измерения в последние годы стали широко применяться и в других интеллектуальных электронных устройствах, прежде всего в устройствах РЗА. Например, в новом поколении защит Siprotec 5 фирмы Siemens реализован отдельный модуль PMU (Phasor Measurement Unit). А у одного из мировых лидеров по продвижению устройств векторных измерений, компании SEL, измерения синхровекторов производятся не только в УСВИ, но и в МИП телемеханики, устройствах РЗА и даже в измерительных устройствах (счетчики электроэнергии, приборы измерения качества электроэнергии) [2].

Применение синхронизированных векторных измерений особенно эффективно при реализации защит, использующих измерения с различных присоединений.

Применение синхронизированных векторных измерений особенно эффективно при реализации защит, использующих измерения с различных присоединений, в том числе продольных дифференциальных защит и дифференциальных защит шин. Подобные защиты реализованы фирмами SEL и General Electric [2]. Источниками информации для указанных защит, осуществляющих измерение синхрофазоров токов отдельных присоединений, являются локальные устройства релейной защиты.

Другой вариант, рассмотренный ранее (рис. 3 и рис. 5), связан с применением в качестве источника синхронизированных векторных измерений токов и напряжений аналоговых устройств сопряжения с шиной процесса. В качестве примеров подобных решений можно привести устройство сопряжения ENMU, подключаемое к релейной и измерительной обмоткам электромагнитных трансформаторов тока, а также к измерительным трансформаторам напряжения, и устройство сопряжения, встроенное в цифровой комбинированный датчик тока и напряжения TECV.P1-10 [15].

Заключение

Расширение функциональных возможностей и сферы применения ИЭУ с поддержкой синхронизированных векторных измерений во многом обусловлены опытом разработки и эксплуатации УСВИ. Использование указанных устройств откроет новые возможности в повышении эффективности и надежности функционирования энергосистем.

Литература

1. Phadke A.G., Thorp J.S. Synchronized Phasor Measurements and Their Applications. — NY: Springer Science & Business Media, 2008. ­— 247 p.
2. Kezunovic М., Meliopoulos S., Venkatasubramanian V., Vittal V. Application of Time-Synchronized Measurements in Power System Transmission Networks. ­— NY: Springer, 2014. ­— 190 p.
3. Жуков А. В., Дубинин Д. М. Внедрение ПТК СМПР на объектах электроэнергетики: эффективный инструмент повышения надежности энергосистемы. — Релейщик, № 3, 2013.
4. IEEE C37.118.1-2011/С118.1a. Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems.
5. Стандарт АО «СО ЕЭС». Релейная защита и автоматика. Устройства синхронизированных векторных измерений. Нормы и требования (СТО 59012820.29.020.011-2016). 2017.
6. Мокеев А. В. Алгоритмы обработки сигналов ИЭУ на основе технологии векторных измерений // Сб. межд. научно-техн. конф. «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». — С.-Петербург, 2015.
7. Mokeev A.V. Filter synthesis for PMU // IEEE International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON — 2017. — Astana, 2017.
8. Ferrer H. A, Schweitzer III E. O., et al. Modern Solutions for Protection, Control, and Monitoring of Electric Power Systems. ­— Pullman: SEL, 2010.­ — 400 p.
9. Task Force on Synchrophasor Protection Applications. NASPI Engineering Analysis Task Team, Integrating Synchrophasor Technology into Power System Protection Applications, September 2016.
10. Мокеев А. В., Бовыкин В. Н., Миклашевич А. В., Ульянов Д. Н. Расширение функциональных возможностей УСВИ // Сб. межд. научно-техн. конф. «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». — Сочи, 2015.
11. Гамм А. З., Глазунова А. М., Гришин Ю. А., Колосок И. Н., Коркина Е. С. Развитие алгоритмов оценивания состояния электроэнергетической системы на основе интеграции данных SCADA и УСВИ // Электричество. 2009. — № 6. — С. 2–9.
12. Небера А. А. Прикладные вопросы применения векторных измерений параметров электрического режима // Сб. межд. научно-техн. конф. «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». — С.-Петербург, 2011.
13. Feeder Protection and Control. REF615. Application Manual. — ABB, 2016.
14. Бовыкин В. Н., Мокеев А. В., Хромцов Е. И. Особенности реализации технологий цифровой подстанции и векторных измерений в распределительных устройствах 6–35 кВ // Релейная защита и автоматизация. — 2015. — № 4. — С. 44–49.
15. Мокеев А. В., Перелыгин Л. В., Хромцов Е. И. Комбинированные первичные измерительные преобразователи тока и напряжения 6–35 кВ // Новое в российской энергетике. — 2017. — № 1. — С. 39–52.
16. Мокеев А. В., Бовыкин В. Н., Драницын И. В., Миклашевич А. В., Орлов Ф. Ю., Хромцов Е. И. Многофункциональные интеллектуальные устройства для цифровых подстанций // Сб. «Цифровая подстанция, использующая стандарт IEC 61850». — Москва, 2017 г. — С. 42–43.