Архитектура ВАПС будущего

В статье приводится обзор актуальных возможностей для повышения надежности электроснабжения и оптимизации деятельности электроэнергетических компаний с помощью перехода от традиционных подстанций к ВАПС. Выполнен анализ типовых архитектур ВАПС, выделены приоритетные направления для развития.

С учетом результатов предложена новая архитектура ВАПС 4+ с шиной процесса для классов напряжений ВН и СН. Выполнение шины процесса гибридной и применение централизованных решений для защиты и управления оптимизирует затраты.

Автор: Атнишкин А. Б. — ведущий эксперт Департамента комплексной автоматизации ООО «Релематика».

Введение

В современном быстро меняющемся технологическом ландшафте одной из задач, с которой сталкиваются электроэнергетические компании, является переход от традиционных подстанций к высокоавтоматизированным.

Традиционные подстанции преимущественно построены на аналоговых технологиях. Сигналы передаются по медному кабелю, для измерений применяются электромагнитные трансформаторы. Управление, как правило, только местное и выполняется вручную. На традиционных ПС может применяться микропроцессорная РЗА и АСУ с устаревшими проприетарными протоколами связи или стандартными протоколами без семантики данных. В целом, традиционная подстанция — это проверенное решение с высокими показателями надежности, технического совершенства РЗА и выверенными процессами. Однако, как технология, традиционная подстанция уже вышла на плато продуктивности и возможности по повышению ее эффективности исчерпаны. Это нависшее ограничение стало причиной заката традиционных подстанций и ознаменовало появление нового поколения.

Высокоавтоматизированная подстанция (рисунок 1), в отличие от традиционной, строится на цифровых технологиях. Нормативное обеспечение выполняет серия международных стандартов МЭК 61850 «Коммуникационные сети и системы на подстанциях», где определены протоколы передачи данных, конфигурационный язык, информационные модели, процессы жизненного цикла, требования к ИЭУ, ПО и многие другие аспекты. Защиту и управление выполняют ИЭУ, их информационный обмен может полностью выполняться по сети Ethernet. Стандартные протоколы связи на всех уровнях обеспечивают совместимость устройств. Онлайн-мониторинг и дистанционное управление стали базовой возможностью ВАПС. Для измерений могут применяться маломощные (нетрадиционные) измерительных преобразователей, такие как оптический трансформатор тока или катушка Роговского. Итого, в арсенале ВАПС: бесшовность и автоматизация процессов, наблюдаемость и диагностируемость оборудования, удаленное управление, безопасность и компактность. Что и обеспечивает эксплуатационную эффективность и надежность ВАПС.

Проблема перехода на ВАПС

Сегодня нет сомнений в том, что внедрение ВАПС — это реальный способ повысить надежность электроснабжения и оптимизировать деятельность компании, а не просто полезное отраслевое новшество. Переход на ВАПС закреплен в политиках и стратегиях развития компаний отрасли и соотносится с выполнением национальной цели по цифровой трансформации. Процесс перехода запущен и успешно идет, абсолютное большинство новых и реконструируемых объектов на протяжении уже нескольких лет являются ВАПС.

Однако, обратившись к структуре вводимых ВАПС, виден сильный дисбаланс в сторону младших по возможностям архитектур 1 и 1+, а доля более технологичных архитектур с шиной процесса несоизмеримо мала, хоть они и предлагают больше возможностей и преимуществ. Почему так происходит? В отношении старших архитектур имеется ряд сдерживающих факторов:

• увеличение капитальных затрат;
• проблемы с доступностью оборудования и ПО (санкционные ограничения, незрелость или отсутствие продуктов на рынке в принципе, ограниченный выбор оборудования в разрешительных реестрах);
• требования к компетенциям персонала;
• недостаточный накопленный опыт.

Полноценную инфраструктуру для ВАПС, как на рисунке 2, зачастую не удается реализовать. Как следствие, архитектуры 2, 3, 4 с шиной процесса не раскрывают свои преимущества, их сложнее обосновать и в результате выбирается архитектура 1. В сложившейся ситуации кто-то может увидеть замкнутый логический круг (рисунок 3).

Таким образом, проблема с переходом на ВАПС в том, что весь потенциал технологии ВАПС при внедрении архитектур 1, 1+ не раскрывается, а в отношении архитектур с шиной процесса имеются сдерживающие факторы, из-за чего они внедряются редко и медленно развиваются продукты для них. Дальнейшая работа посвящена анализу архитектур и решению задачи оптимизации архитектуры ВАПС с шиной процесса.

Ситуация с архитектурами ВАПС

Типы

Основная ветка, развивающаяся в соответствии с МЭК 61850−7-1, сейчас представлена четырьмя типовыми архитектурами. Верхний уровень во всех архитектурах ВАПС выполнен идентично и соответствует рисунку 1. Отличия на уровнях процесса и присоединения можно увидеть на рисунке 4.

Можно увидеть, что GOOSE здесь передаются по шине станции, а не по шине процесса, как на рисунке 1. Фактически для GOOSE выделяется отдельный логический сегмент на коммутаторах шины станции с помощью VLAN. Такой подход экономически более эффективен, закреплен в нормах проектирования [2] и применяется в проектах. ЛВС, в которой шины станции и шина процесса (в общем случае с SV) выделены логически, названа мультишиной [2].

Архитектура 1 представляет собой традиционную распределенную архитектуру РЗА и АСУ. Связи ИЭУ с первичным оборудованием, а также горизонтальные между ИЭУ выполнены по многочисленным медным кабелям. В архитектуре 1+ в горизонтальные связи выполнены с помощью GOOSE по шине станции, а не по меди.

Начиная с архитектуры 2, применяются устройства сопряжения, выполняющие роль интерфейса между первичным оборудованием и вторичными системами. С помощью ПДС выполняется оцифровка дискретных сигналов и команд, заменяя часть медных связей ИЭУ с физическим процессом на GOOSE сообщения. Отдельная физическая шина процесса для GOOSE не строится, а выделяется логически на коммутаторах шины станции с помощью VLAN, что, как уже было сказано, более эффективно.

В 3 архитектуре строится полноценная шина процесса для информационного обмена ИЭУ с устройствами сопряжения ПДС по протоколу GOOSE, а также ПАС и/или электронными блоками (ЭБ) оптических трансформаторов по протоколу Sampled Values. Медные связи ИЭУ полностью заменяются цифровыми, информация передается эффективно.

4 архитектура представляет собой естественное развитие 3, выполнена централизация функций защит и управления. Это сокращает количество ИЭУ, и соответственно, сокращается количество коммутаторов.

Как видно, шина процесса, ЦРЗА и маломощные измерительные преобразователи с цифровым выходом Sampled Values применяются в типовых архитектурах только для класса напряжения ВН подстанции. В то время как для систем СН все более традиционно. Горизонтальные медные связи ИЭУ могут заменяться на GOOSE и на этом все. Считается, что из-за близости ИЭУ СН к физическому процессу (расположены в отсеках ячейки КРУ), такая архитектура наиболее проста и эффективна для класса напряжения СН.

Преимущества

ВАПС обладают превосходной наблюдаемостью. Доступен мониторинг вторичных систем, коммуникационного оборудования, линий связи, первичного оборудования и параметров электрического режима. Это достигается за счет информационных моделей в ИЭУ и стандартных протоколов передачи данных. Модели имеют семантическое (осмысленное) представление данных, что позволяет толковать информацию однозначно, без барьеров в информационном взаимодействии.

Наблюдаемость и автоматизированный мониторинг функционирования ИЭУ делают доступным переход от планово-предупредительного ТО РЗА к ТО по состоянию [3]. ТО по состоянию предусматривает выполнение только обоснованных задач и в такой момент, когда это оправдано, основываясь на оценку состояния оборудования, а не на усредненные параметры состояния, средние или ожидаемые статистические данные о сроке службы. Такой подход позволяет экономить средства по сравнению с плановым обслуживанием. Также автоматизированные системы мониторинга РЗА позволяют снизить аварийность, повысить надежность и сократить недоотпуск электроэнергии. В архитектурах с шиной процесса ненаблюдаемые нецифровые сводятся к минимуму и примыкают к устройствам сопряжения без сложных интеллектуальных алгоритмов, что упрощает обслуживание.

Шлюз (сервер) ТМ на ВАПС позволяет выполнять дистанционное управление и мониторинг объекта, т. е. постоянное присутствие дежурного персонала на ВАПС становится необязательным.

МЭК 61850 трансформирует процесс инжиниринга системы, делая его эффективным и устойчивым к ошибкам. Стандартная цепочка этапов инжиниринга системы показана на рисунке 5. Проблема инжиниринга традиционной ПС в изолированности этапов друг от друга вследствие разных носителей информации, типов файлов и ПО. В то время как инжиниринг ВАПС благодаря SCL-файлам и стандартным конфигураторам выполняется в безбарьерной среде. Этапы проходят бесшовно, подлежат автоматизации, информация вводится однократно. В архитектурах с шиной процесса в SCL-описание системы (SCD) включается весь информационный обмен, соответственно и преимущества инжиниринга согласно МЭК 61850 для них проявляются в большей степени.

ВАПС с шиной процесса позволяют применять маломощные (нетрадиционные) измерительные преобразователи тока, такие как, оптический трансформатор тока или катушка Роговского. Это обеспечивает преимущества:

• безопасность работы во вторичных цепях;
• высокая точность измерений в широком диапазоне, т. е. проблема насыщения ТТ отсутствует;
• уменьшение массы и габаритов преобразователя.

Еще один аспект, требующий упоминания — шина процесса способствует централизации функций РЗА и АСУ, т. е. сокращению количества ИЭУ, и, как результат, снижению стоимости вторичных систем. Также в [4, 5] показано, что централизованная РЗА с шиной процесса имеет более высокие системные показатели надежности, чем у распределенной:

• суммарный поток отказов устройств защиты и управления на подстанции снижается;
• средняя наработка на отказ функции (-й) защиты и управления на подстанции увеличивается.

Ну и конечно, шина процесса приводит к сокращению медного кабеля и уменьшению габаритов ОПУ.

Что дальше?

Из предыдущего пункта следует, что ключом к полному спектру преимуществ ВАПС является применение шины процесса. Основной сдерживающий фактор — дороговизна шины процесса на коммутаторах с аппаратной поддержкой PTP.

Поэтому в новых поколениях архитектур ВАПС непременно будут решаться задачи по оптимизации шины процесса и ее внедрению для класса напряжения СН.

Наше архитектурное решение

Новая архитектура 4+ представляет собой развитие типовых архитектур с шиной процесса в соответствии с МЭК 61850−7-1. В ней решается задача оптимизации применения шины процесса. Структурная схема показана на рисунке 6. Как и в архитектуре 4 для применяются централизованные решения для защиты и управления присоединений ВН. Однако 4+ имеет существенные особенности.

Организация ЛВС

Схема ЛВС архитектуры ВАПС 4+ с отображением виртуальных ЛВС (VLAN) показана на рисунке 7. Как видно, физическая Ethernet сеть единая, а шина станции и шина процесса выделяются в ней логически с помощью VLAN. Для построения ЛВС применяются два типа коммутаторов — с аппаратной поддержкой PTP и без нее.

К сегменту ЛВС с аппаратной поддержкой PTP подключаются только сервер времени и устройства сопряжения присоединений ВН с выходом Sampled Values. Данные устройства синхронизируются с точностью до 1 мкс и публикуют синхронизированные SV-потоки. Для всех остальных устройств (за редким исключением в виде дифференциальных защит линий) столь высокая точность синхронизации требоваться не должна. Поэтому они подключаются к сегменту ЛВС без аппаратной поддержки PTP, причем для интеграции и в шину станции, и в шину процесса. Шина процесса, представленная двумя сегментами на разных типах коммутаторов, получается гибридной.

В сравнении с типовыми архитектурами сокращается количество коммутаторов с аппаратной поддержкой PTP за счет подключения ИЭУ РЗА в сегмент без PTP. Использование единой сети без физического разделения на шину станции и шину процесса также позволяет оптимизировать количество портов ЛВС.

ЦРЗА и эффективная шина процесса для класса напряжения СН

В новой архитектуре реализована полноценная резервированная шина процесса для класса напряжения СН. Но не аналогично классу напряжения ВН на коммутаторах с аппаратной поддержкой PTP, а более доступно. Так как функции защиты и управления фидера СН не требуют измерений смежных фидеров, то синхронизация SV-потоков фидеров СН в принципе и не требуется. Это означает, что устройства сопряжения фидеров СН с выходом SV могут интегрироваться в сегмент ЛВС без аппаратной поддержки PTP, как показано на рисунках 6, 7, и работать без внешней синхронизации. Подробно вопросы функционирования РЗА в разных режимах синхронизации SV были рассмотрены в работах [6, 7], а в ИЭУ ТОР 300 уже реализована обработка таких SV-потоков.

Для сокращения количества устройств в ячейках КРУ фидеров СН применяются совмещенные устройства сопряжения типа ПАДС, а функции РЗА и управления фидеров СН выполняются в централизованном устройстве, которое для надежности дублируется. Перспективным является использование катушки Роговского вместо электромагнитного трансформатора тока в ячейках КРУ. Пример расстановки устройств для ПС со схемой РУ типа 4Н показан на рисунке 8. Здесь хорошо видно еще одно преимущество новой архитектуры перед 3 и 4 архитектурой: на вводах СН трансформатора вместо трех устройств для целей РЗА (два ПАС и одно ИЭУ РЗА ввода) применяется только два ПАДС.

Сравнение новой архитектуры с типовыми архитектурами с шиной процесса

Выполнено сравнение архитектур с шиной процесса по количеству необходимых портов сетевых коммутаторов, ИЭУ, устройств сопряжения для организации РЗА небольшой ПС 110/10 кВ со схемой РУ ВН № 4Н, схемой РУ СН № 9, с шестью фидерами СН и двумя ТН СН.

Результаты сведены в таблицу 1 и показаны на рисунке 9. Новая предложенная архитектура демонстрирует существенное сокращение количество портов коммутаторов, причем и с аппаратной поддержкой PTP и без нее, а также кардинальное сокращение количества ИЭУ. При этом требуется большее количество устройств сопряжения.

Таблица 1 — Сравниваемые количественные показатели архитектур ВАПС с шиной процесса

Заключение

Эксплуатация электрических сетей претерпевает глубокую трансформацию из-за перехода на ВАПС, внедрения распределенной генерации, увеличения числа ролей участников, новых автоматизированных систем и требований информационной безопасности. Системы защиты и управления вынуждены реагировать на такие изменения. Требуемую гибкость обеспечивают решения с шиной процесса.

Имеющиеся сдерживающие факторы внедрения шины процесса носят все же временный характер. Но преодоление части из них, например, развитие компетенций и нормативное обеспечение займет еще много времени. Поэтому плавное внедрение ВАПС с шиной процесса уже сегодня — это отчасти необходимый вклад в достижение долгосрочных целей развития электроэнергетического сектора. Новая архитектура делает шину процесса доступней и может стать оптимальным выбором при строительстве ВАПС.

Ссылки на литературу

1. IEC 61850−7-1: Communication networks and systems for power utility automation — Part 7−1: Basic communication structure — Principles and models. Edition 2.1, 2020−08.
2. СТО 56947007−29.240.10.302−2020 Типовые технические требования к организации и производительности технологических ЛВС в АСУ ТП ПС ЕНЭС. Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС», 2020.
3. Правила технического обслуживания устройств и комплексов релейной защиты и автоматики. Приложение № 1 к приказу Минэнерго России от 13.07.2020 г. № 555.
4. Protection, Automation and Control Architectures with Functionality Independent of Hardware. Technical Brochure 891 CIGRE WG B5.60, Paris, France, 2023.
5. Chen, X.; Jin, L. Study on Reliability of PACSs with Integrated Consideration of Both Basic and Mission Reliability. Energies 2024, 17, 365.
6. А. Аношин, А. Головин Синхронизация времени: слабое место ЦПС? [Электронный ресурс]. URL: http://digitalsubstation.com/blog/2019/10/03/sinhronizatsiya-vremeni-slaboe-mesto-tsps/
7. Атнишкин А.Б., Николаев И.Н. Функционирование РЗА при нарушениях синхронизации времени на цифровой подстанции. Релейная защита и автоматизация № 3, 2023. С. 54−59.