Построение системы РЗА энергообъектов на основе универсальных программных модулей

В разрезе стремительного развития нетрадиционной и распределенной генерации на стороне потребителя, а также учитывая, что темпы строительства магистральных ЛЭП сильно отстают от роста потребления (а в отдельных случаях размеры сети близки к пределам по устойчивости), именно системы автоматики, управления и защиты способны обеспечить транспорт электроэнергии к потребителю и надежную работу всей энергосистемы.

Принимая во внимание сложившиеся тенденции, существует потребность в обновлении устоявшихся подходов к построению защиты энергообъектов, локальной и противоаварийной автоматики, с учётом открывающихся перспектив в создании таких систем при применении современных средств вычислительной техники, систем связи и коммуникаций.

Потребность устройств автоматизации энергообъектов функционировать в условиях сильных электромагнитных полей, а также необходимость прямого подключения к цепям ТТ и ТН (входные токи до 200 А), и прямое воздействие этих устройств на катушки включения и отключения выключателей (коммутируемый ток выходных контактов устройства до 5 А) определило выделение таких терминалов в отдельный класс устройств и делало до последнего времени невозможным применение других средств вычислительной техники для целей построения систем защиты и управления на подстанциях.

Технологии цифровой подстанции (ПС) позволяют снять вышеизложенные ограничения и использовать более производительные и дешевые многопроцессорные вычислительные платформы, которые на сегодняшний день используются при создании IT-инфраструктур и систем общепромышленной автоматизации.

Проанализировав ряд проектов основанных на применении шины процесса, в которых мы участвовали как консультанты, выявили ряд проблем с которыми сталкивались проектировщики, интеграторы и, в конечном итоге, заказчики:

1. При реализации проектов с использованием шины процесса для создания системы защиты и управления, необходимое число устройств увеличивается в 1,5-2 раза. Так как в качестве устройств обработки данных применяются терминалы, спроектированные по традиционной философии, только адаптированные для работы с шиной процесса, их число остается неизменным по отношению к традиционным решениям. А также дополнительно требуются еще устройства сопряжения с шиной процесса (SAMU) или электронные блоки цифровых трансформаторов, коммутаторы сети шины процесса, устройства инструментальной синхронизации времени по IEEE 1588 или по 1PPS, устройства управления коммутационной аппаратурой. И все это нужно в резервированном исполнении. Что влечет значительное повышение стоимости системы и снижение надежности. Решение данной проблемы лежит в изменении подхода к распределению технологических функций в устройствах. Их надо пересматривать в сторону увеличения числа функций в одном устройстве и области действия – одно устройство на несколько присоединений или даже на распределительное устройство (РУ) и ПС. (См. Рисунок 1)
2. Фиксированный набор функций в устройствах влечет за собой многократное дублирование функций в различных устройствах, а также установку дополнительных многофункциональных устройств в которых требуется только одна функция, а остальные бездействуют или в худшем случае, если про них забывают при наладке, ведут к неверному функционированию системы защиты в целом. В нашей практике существуют примеры когда для замены одной панели, реализовавшей защиту фидера 110 кВ, требовалась установка четырех шкафов с микропроцессорной защитой из-за жесткого закрепления функций в устройствах. Особенно это актуально для мультивендорных проектов когда идеология производителей не совпадает.

Таким образом мы имеем две противоречащих друг другу задачи: с одной стороны требуется увеличение функциональности устройств, с другой – надо сохранить гибкость и оптимальную стоимость решения. Кроме того, ввиду значительно увеличившейся сложности системы защиты и автоматизации, от эксплуатирующего персонала требуется обладание обширными знаниями в сфере IT-технологий, помимо знаний относящихся непосредственно к электротехнике. В связи с этим назревает потребность разделения персонала, обеспечивающего функционирование технических средств систем защиты и управления, и эксплуатацию собственно технологических алгоритмов.

Решением вышеизложенных проблем может являться независимый от аппаратной части программный комплекс, выполняющий технологические функции защиты и управления. Вы же сейчас не покупаете один компьютер для того чтобы работать в текстовом редакторе, а второй чтобы отправлять почту. Вы покупаете голое аппаратное обеспечение, заранее просчитав требуемую производительность и учитывая условия эксплуатации, а потом устанавливаете на него операционную систему, и пакет программ которые вам нужны. Сейчас уровень технологий позволяет сделать так же с устройствами защиты и автоматизации ПС. Для этого надо разработать ПО модульной архитектуры: каждый модуль – одна минимальная функция. Состав необходимых модулей достаточно полно изложен в IEC 61850-5 и 7-4. Приведенный там набор может быть расширен дополнительными логическими узлами, в соответствии с требованиями IEC 61850. (См Рисунок 2)

По сути, это набор виртуальных реле из которых набираются функции,а из функций — виртуальные терминалы, которые могут располагаться как на выделенных аппаратных платформах, так и все вместе в одном сервере защиты и управления ПС. Тогда, устанавливая разный набор таких модулей (только те, которые нужны в данном конкретном случае), на подходящие такому набору по производительности аппаратные платформы мы получаем инструмент построения систем защиты и автоматизации высокой степени гибкости и эффективности.

При таком подходе при проектировании системы защиты и управления, разработчик фокусируется на синтезе логики работы такой системы в целом, а распределение функциональных модулей по устройствам является финальной стадией работы и зависит только от ограничений по надежности и предпочтений заказчика.

Исходя из этой концепции существуют два полярных по сути архитектурных решения. Первый — это централизованный с размещением всех технологических модулей в одной мощной серверной системе с нужной кратностью дублирования. Данный вариант, очевидно, дешевле по требуемому аппаратному обеспечению, требует значительно меньше места под размещение и серьезно упрощает систему питания устройств автоматизации. Однако в случае применения обычных серверов, как аппаратных платформ, требует сооружения специальной серверной с климат-контролем и экранированием от внешних электромагнитных воздействий.

Второй вариант представляет собой максимально распределенную архитектуру, когда каждый функциональный модуль размещается в отдельном устройстве. Такой вариант построения системы обладает высокой степенью живучести. Наиболее эффективной является гибридная архитектура, когда основные функции выполняются централизованным устройством, а наиболее ответственные и критические функции резервируются еще и отдельными устройствами, в том числе созданными не на принципах программной реализации. Таким образом, варьируя состав физических устройств и их функциональные возможности, несложно получить оптимальные показатели системы по надежности и стоимости.

В редакции 2 стандарта IEC 61850 определены механизмы моделирования связей между логическими узлами с использованием объектов данных InRef(ORG CDC), а также моделирования подписки на SV и GOOSE-сообщения, что позволяет однозначно определять конфигурацию системы защиты и управления, как последовательность логических узлов. Однако для моделирования внутренней логики работы узлов предпочтительней использовать системы подобные Matlab, так как Matlab предоставляет мощные средства для отладки алгоритмов, которые затем достаточно перенести в рабочую систему как есть. Для выполнения моделей Matlab внутри системы защиты и управления может использоваться либо собственный интерпретатор mdl-файла, либо генератор кода Matlab Coder. Модель алгоритма РЗА является отдельным параметром узла и частью конфигурации, и, следовательно, доступна для изменения пользователем без изменения кода системы (при некоторых ограничениях, например, число входов/выходов и их типы данных в модели алгоритма и логического узла-оболочки должны совпадать). Потенциально сетевая компания может самостоятельно разработать требуемые алгоритмы защиты и управления, утведить их и выдавать модели этих алгоритмов как проектным организациям, так и компаниям интеграторам (см. Рисунок 4).

На рисунке 5 схематично показано взаимодействие модулей между собой на примере защит фидера 35 кВ.

Узел LSVS является модулем подписки на один поток SV в формате IEC 61850-9-2LE. Этот модуль выполняет проверку валидности входных данных, их синхронность, отсутствие пропусков и т.д. Далее извлеченные из пакета значения передаются в модуль измерений RMXU, где производятся вычисления производных значений, после чего предаются в модули, реализующие алгоритмы защит, где происходит сравнение этих значений с уставкой и, в случае срабатывания, публикуется GOOSE-сообщение и проводится отключение. На сегодняшний день удалось реализовать одновременную работу алгоритмов защит и управления в приведенной конфигурации для 100 присоединений.

Хочу обратить внимание что такой программный комплекс конфигурируется одним файлом CID (согласно IEC 61850-6) на основании описанных там узлов и структур запускаются соответствующие модули с соответствующими настройками и связями между собой. Кроме него для работы системы требуются только файлы моделей алгоритмов в формате Matlab.

На сегодняшний день протестирована программная система защиты и управления развернутая на сервере HP ML Proliant 370 (2 CPU 2,4 ГГц, 4Гб RAM, SSD 60 Гб, 10 Ports 1000 Base-SX) со следующими функциями:

1. Прием и обработка аналоговой информации в формате IEC 61850-9-2 (Sampled Values)
2. Управление первичным оборудованием ПС по протоколу IEC 61850-8-1 (GOOSE)
3. MMS Сервер
4. MMS Клиент
5. Алгоритмы основных защит: токовые защиты (PIOC, PTOC, PVOC), реле снижения напряжения (PTUV), дистанционная защита (PDIS), защита от снижения частоты (PTUF), дифференциальная защита шин (PDIF), УРОВ (RBRF), АПВ (RREC), Автоматическое включение резерва (RTBR – собственный узел, т.к. в IEC 61850-7-4 такого нет), регистратор событий в шинах процесса и станции (также используется для трассировки внутренней логики моделей Matlab).

Экземпляры данных функций были сконфигурированы для одновременной работы в составе системы защиты и управления РУ -35 кВ:

Испытания проводились путем симуляции различных типов коротких замыканий, в том числе и одновременно на всех линиях.

В 2013 году планируется пилотные внедрения программной программной реализации системы защиты и управления подстанции, основанной на принципах свободного размещения технологических функций, и их независимости от аппаратного обеспечения на 2 действующих объектах Федеральной сетевой компании России — ПС 220 кВ «Эльгауголь» и ПС 220 кВ «Надежда».