1. Вводные положения

1.1 Факторы, влияющие на архитектуру информационно-технологической системы

Прежде чем говорить об архитектуре РЗА, следует определиться с элементной базой устройств РЗА,  типами первичных преобразователей (TA, ТV), а также  условиями организационного характера (включая условия безопасности для систем коммерческого учета, а также, целенаправленные дезорганизующие и разрушающие воздействия). Для систем  РЗА оборудования различных классов напряжений с различными режимами заземления нейтрали, схемами первичных соединений, различным оборудованием подходы к формированию архитектуры могут отличаться.

1.2 Организационные условия функционирования устройств РЗА

Энергосистема, включая ее управляющую часть, должна устойчиво функционировать как в мирное время, так и в условиях военного положения. Это означает, что придется считаться как с возможностью электромагнитной атаки, так и кибератаки, а также с вероятностью множественных разрушений оборудования, возникновения нерасчётных режимов (неучтенных при выборе уставок РЗА), развитием цепочечных аварий.

1.3 Первичные преобразователи

1.3.1 Электромагнитные трансформаторы тока и напряжения, включая емкостные ТН

В настоящее время это самый распространенный  вид преобразователей. Они имеют высокую надежность, хорошо защищены ОПН даже от таких мощных природных воздействий как удар молнии; обеспечивают в нормальном режиме необходимую точность преобразования. Преобразователи могут быть источниками питания для устройств информационно-технологических систем,  могут эксплуатироваться в широком диапазоне температур. Недостатки электромагнитных трансформаторов:

Трансформаторы напряжения подвержены повреждениям из-за резонансных явлений. Этот недостаток стремятся компенсировать специальными конструктивными мерами.

Трансформаторы тока могут насыщаться, главным образом, из-за влияния апериодической составляющей в токе КЗ.  В сочетании с алгоритмической коррекцией характеристики ТА указанный недостаток снижает свою значимость.

1.3.2 Цифровые трансформаторы тока и напряжения

Цифровые ТА и ТV, функционирующие в полевых условиях, будут менее надежны, чем электромагнитные. Надежность цифровых ТА и ТV с полевыми электронными блоками будет ниже надежности цифровых терминалов расположенных в отапливаемых помещениях релейных щитов. Но даже терминалы в 3-4 раза уступают по надежности аналоговым электромеханическим устройствам РЗА с электромагнитными трансформаторами тока и напряжения.

Общие проблемы цифровых систем, в том числе ТА и ТV:

• обеспечение питания (с учетом заземлений в различных точках энергообъекта);
• необходимость оптического кроссирования кабелей;
• передача и  прием с высокой скоростью больших потоков данных.

1.4 Элементная база

Электромеханические устройства РЗА существенно надежнее микропроцессорных, хотя микропроцессорные обладают более высоким техническим совершенством.

1.5 Кибербезопасность

Применение информационно изолированных систем – естественное средство для предотвращения кибератак. В электромеханических и электронных устройствах с механическим изменением уставок проблема кибератаки отсутствует. Тем не менее, меры борьбы с утечкой измерительной информации и телесигналов необходимы.

2. Комбинированные системы РЗА

2.1 С целью обеспечения высокой устойчивости РЗА к деструктивным воздействиям в особых условиях и высокого технического совершенства в нормальных,  целесообразно сочетать использование двух независимых подсистем РЗА:

• на электромеханической элементной базе ( вариант А без использования полупроводников);
• с использованием электронных и микропроцессорных элементов (вариант Б).

2.2 Вариант А предусматривает использование электромагнитных трансформаторов тока и напряжения. Для него характерно применения защит относительной селективности  ВЛ без использования каналов связи  содержащих уязвимые при электромагнитной атаке полупроводниковые элементы. Для обеспечения быстроты срабатывания должно быть допущено неселективное действие некоторых ступеней, которое, при необходимости, может исправляться автоматикой (АПВ, АВР). Электромагнитные защиты вводятся в работу автоматически при  появлении контактного сигнала отказа микропроцессорной защиты или оперативно, по команде диспетчера. Исполнение электромагнитных защит должно быть:

• функционально минимизированным, миниатюрным — с целью упрощения экранирования от внешних полей и снижения мощности подогрева при особо низких температурах окружающей среды;
• размещение защит должно быть полевым на ОРУ; целесообразно  рассмотреть вариант подземного размещения  в герметичном контейнере ниже глубины промерзания;
• с малым потреблением от измерительных трансформаторов,
• с низким напряжением оперативного тока, что позволит иметь во вторичных цепях большой запас по  изоляции, малогабаритные аккумуляторы при использовании локальных источников постоянного тока; также должна быть обеспечена повышенная термическая стойкость токовых цепей.

2.3 Для варианта Б, на основе микропроцессорной элементной базы, перспективным является использование единой цифровой шины энергообъекта.

Источником данных для этой шины могут быть цифровые трансформаторы тока на оптических преобразователях, магнитотранзисторах; также могут использоваться шунты, промежуточные электромагнитные трансформаторы тока в сочетании с АЦП.

Сочетание электромеханических и микропроцессорных систем защит потребует комбинированных измерительных трансформаторов, как с пассивным аналоговым выходом (без источника питания и электроники), так и с цифровым выходом на информационную шину энергообъекта. В цифровой части обработки сигналов возможна и целесообразна коррекция и дорасчет измерений (например, амплитуда и фаза первой гармоники).

3. Варианты архитектур систем РЗА

3.1 Архитектура системы РЗА  для сети 6-35 кВ

Защиты присоединений от междуфазных замыканий в радиальной сети целесообразно выполнять с  применение комбинированных устройств:

• индивидуальной электромеханической неселективной токовой защиты (с пуском при неисправности микропроцессорной защиты) или МТЗ (независимой);
• централизованной микропроцессорной защиты РУ 6-35 кВ с функциями защиты от замыканий на землю, защиты шин (дифференциальной, логической), дуговой защиты.

Централизованная защита может иметь индивидуальные терминалы на каждом присоединении секции шин, выполняющие функции ввода, преобразования сигналов и защиты. Центральный узел и терминалы должны объединяться в полевую локальную информационно-управляющую сеть. Индивидуальные терминалы целесообразно выполнить упрощенными, компактными, без средств человеко-машинного интерфейса (только с оптическим интерфейсом для подключения внешнего компьютера).

3.2 Архитектура системы РЗА  для сети с глухозаземленной нейтралью напряжением 110 кВ и выше

3.2.1 При использовании цифровых трансформаторов тока и напряжения при решении задач РЗА, АСУ ТП, АИИС КУЭ и других информационно-технологических систем целесообразна централизованная обработка данных. Структура такого центрального вычислительного узла обладающего необходимым уровнем надежности рассматривалась в статье [1].

При использовании гибридных трансформаторов тока и напряжения (с раздельными аналоговыми и цифровыми выходами) цифровая система должна дополняться локальными аналоговыми электромеханическими устройствами защиты с автономным воздействием на выключатели.

4. Объединение функций в одну систему

4.1 Условия возможности объединения функций

4.1.1 Возможность подключения к единственному первичному измерительному преобразователю по условию обеспечения точности преобразования необходимой для каждой из функций.

Например, для релейной защиты требуется керн трансформатора тока класса 10Р или 5Р, но, согласно ГОСТ Р 7746-2001, его погрешность при номинальном первичном токе составляет 3% и 1%. Канал ввода данных с таким трансформатором тока не удовлетворяет требованию класса точности 0.5 (0.5s). В этом случае объединение функций РЗА с функциями измерений, коммерческого учета невозможно. Однако, ориентировочная оценка значений параметров и технический учет электроэнергии, если они не требуют дополнительных аппаратных затрат, целесообразны.

В цифровом трансформаторе тока (ЦТТ), в зависимости от принципов построения, могут быть сформированы различные измерительный и релейный каналы. Их цифровые выходы могут быть как раздельные, так и объединенные в единую цифровую шину энергообъекта.

При раздельных цифровых выходах  ЦТТ объединение функций потребует усложнения интерфейсов. Кроме того, объединение функции коммерческого учета электроэнергии с функциями других систем может оказаться нецелесообразным по причинам организационного характера, по крайней мере, при построении единственного основного канала учета. Полноценным резервным каналом учета (что на данный момент регламентом и не предусматривается) при использовании единственного измерительного канала ЦТТ интегрированное устройство РЗА и учета не является. Совмещение  функций в данном случае нецелесообразно.

При наличии общей цифровой шины и обработке данных в терминалах, если не требуется усложнения интерфейсных связей, применение интегрированного устройства возможно в качестве средства для дополнительного резервирующего канала коммерческого учета или канала технического учета.

4.1.2  Различные функции формируют специфические требования

• к измерительным каналам, в том числе, к первичным измерительным преобразователям;
• числу, типам  процессоров (ЦОС, универсальный), их быстродействию;
• объемам и типам памяти, методам доступа к памяти (это влияет на архитектуру вычислительной системы, например, на целесообразность использования прямого доступа в память);
• выбор принципа действия АЦП, его разрядности, быстродействия, наличие устройства выборки-хранения.

4.2 Объединение функций в локальных устройствах (терминалах)

Объединение возможно только при совместном удовлетворении требований, задаваемых различными функциями, к аппаратной части.  Практически это приведет к существенному усложнению устройства. Кроме того, объединение функций связанных с различными службами затруднено из-за сложности организации их совместной работы. Объединение функций целесообразно только при наличии в терминале свободных ресурсов, но и то, в случае совместного удовлетворения требований к каналам ввода данных основной функции (РЗ) и вторичных (резервных) функций (например, ОМП, РАС). Причем, основная  полноценная реализация функций предусматривается в отдельных устройствах.

4.3 При наличии на энергообъекте единой цифровой шины

В этом случае объединение функций в центральном вычислительном узле – естественное решение. Такой подход потребует изменений в организации работы служб информационно-технологических систем.

1. Алексинский С.О. Архитектура цифровой системы РЗА подстанции 110-220 кВ «Вестник ИГЭУ» 2011 г., выпуск 1.

«Цифровая подстанция» также предлагает обратиться к ранее опубликованным материалам на эту тему: опрос, круглый стол.