Комплексное тестирование цифровой подстанции с использованием симулятора RTDS

В 12-ом номере журнала «Цифровая подстанция» опубликована статья «Комплексное тестирование цифровой подстанции с использованием симулятора RTDS».

Авторы:

• Подшивалина И.С., к.т.н., заведующий сектором моделирования, ООО «Релематика»;
• Кержаев Д.В., к.т.н., заведующий отделом разработки цифровых подстанций, ООО «Релематика»;
• Алексеев А.В., заместитель директора Департамента стратегического развития, ООО «Релематика»;
• Шамис М.А., к.т.н., генеральный директор ЗАО «EnLAB»;
• Законьшек Я.В., технический директор ЗАО «EnLAB».

Аннотация:

В статье представлен опыт тестирования цифровой централизованной релейной защиты и автоматики подстанции 110/35/6 кВ на принципах системной интеграции алгоритмов защит в едином устройстве при помощи портативного цифрового программно-аппаратного комплекса моделирования энергосистемы — RTDS. Моделирование режимов работы сети и многочисленных внутренних и внешних повреждений с использованием комплекса реального времени RTDS доказали как эффективность такого метода проверки комплекса защит и автоматики, так и работоспособность централизованного технического решения для построения комплекса защит и автоматики объектов с использованием стандарта МЭК 61850.

На сегодняшний день одним из самых актуальных вопросов в энергетики России является задача внедрения и тестирования «цифровых подстанций», реализованных с применением стандарта МЭК 61850 [1]. Заказчиками рассматриваются различные варианты технических решений, которые, впрочем, сводятся к двум основным вариантам: организации релейной защиты с распределением функций по отдельным терминалам и выполнение комплекса РЗА всего объекта в одном или нескольких централизованных устройствах.

В статье рассматривается опыт испытаний комплекса цифровой централизованной защиты (далее — ЦЦЗ) подстанции 110/35/6 кВ [2]. Техническое решение предусматривает интеграцию в одном устройстве функций релейной защиты и автоматики (основные и резервные защиты линий, трансформаторов, шин и ошиновок и т. д.), измерения, сигнализации и управления коммутационной аппаратурой (разъединители, отделители, заземляющие ножи, короткозамыкатели, вводные и секционный выключатели секций) всей подстанции. Сбор информации о состоянии объекта по стандарту МЭК 61850 позволяет минимизировать количество точек подключения к первичному оборудованию и обеспечивает доступность измерений для всех функций РЗА. Применение централизованного подхода обеспечивает минимизацию горизонтальных связей между устройствами и сокращение коммуникационного оборудования на подстанции по сравнению с децентрализованными решениями. Также необходимо отметить значительный экономический эффект от реализации такого решения: уменьшение количества устройств защиты и медных кабелей, времени на монтаж и ввод в эксплуатацию.

В процессе разработки и внедрения централизованной защиты, возникает необходимость тестирования не только отдельных его компонентов, но и проведения комплексных испытаний в условиях, максимально приближенных к условиям работы защищаемого объекта. Комплексное тестирование позволяет не только проверить правильность работы отдельных функций и измерительных органов устройства, но и убедиться в корректности алгоритмов взаимодействия всей системы защиты и автоматики объекта с использованием GOOSE-сообщений, а также проверить корректность задания уставок и настроек защиты для различных режимов защищаемого объекта.

Основная особенность тестирования ЦЦЗ — моделирование работы большого количества аналоговых и дискретных сигналов, поступающих со всего защищаемого объекта. Применение портативного программно-аппаратного симулятора RTDS позволяет не только имитировать работу энергосистемы, но и выдачу необходимого количества SV-потоков и GOOSE-сообщений с получением полноценной обратной связи от тестируемого устройства. Удобный графический редактор RSCAD позволяет создавать и корректировать модель объекта энергосистемы, ускоряя процесс выявления наиболее сложных режимов для работы устройства.

Испытания ЦЦЗ с помощью программно-аппаратного комплекса RTDS проводятся на схеме «Цифрового двойника» — ПС 110/35/6 кВ «Пойковская» Тюменской энергосистемы, представленной на рисунке 1.

Испытаниям подвергается шкаф ЦЦЗ (рисунок 2) производства ООО «Релематика», включающий в себя:

• два терминала ЦЦЗ типа «ТОР 300 ПС 701» (исполнение ¾) с функциональными кнопками (36шт.) и цветным TFT экраном (800×480);
• два управляемых коммутатора третьего уровня типа MOXA PT-G7828 для приема и передачи цифровых сигналов МЭК 61850;
• сервер точного времени типа Метроном-600.

Программно-аппаратный комплекс RTDS был предоставлен фирмой ЗАО «ЭнЛАБ», являющейся эксклюзивным представителем в России компании RTDS Technologies, Канада. В его состав вошли:

• портативный шкаф симулятора RTDS с установленными в нем двумя процессорными модулями PB5, модулем приема-передачи интерфейса рабочей станции GTWIF, двумя модулями сетевых интерфейсов GTNET и модулем интерфейса панелей ввода-вывода GTFPI;
• модуль универсальный программируемый GTFGA с 16 медными портами Ethernet, обеспечивающий передачу девяти SV-потоков, необходимых для работы двух комплектов централизованной защиты;
• ноутбук с установленным программным обеспечением RSCAD.

Комплексные испытания централизованной защиты предусматривают проведение ряда опытов коротких замыканий (далее — КЗ) в прилегающей сети и в пределах защищаемого объекта (на рисунке 1 отмечены точки КЗ, рассматриваемые в рамках данного тестирования):

1. Металлические КЗ в различных точках;
2. Трехфазные, междуфазные, однофазные и двухфазные КЗ на землю с различными переходными сопротивлениями;
3. Одновременные КЗ в двух точках энергосистемы;
4. КЗ, переходящие из одного вида в другой в одной точке с любыми моментами и временами перехода;
5. КЗ, переходящие из одной точки в другую, в том числе с изменением вида КЗ в любой момент и с любым временем перехода;
6. Повреждения, моделируемые на фоне отклонений частоты сети, а также на фоне качаний.

В дополнение к различным условиям КЗ проверяются определенные рабочие команды, вызывающие различные переходные процессы, например, пусковые токи намагничивания силовых трансформаторов и т. д. Во время испытаний учитывается угол включения на КЗ, варьируются значения параметров системы (напряжение и сопротивление) для обеспечения полноценного тестирования комплекса защит в минимальных и максимальных режимах работы сети.

В качестве нагрузки в различных режимах подключается динамическая нагрузка, эквивалентный асинхронный двигатель, синхронный компенсатор, батарея статических конденсаторов. Проводятся испытания работы защиты при различных переключениях в энергосистеме и скачкообразном изменении нагрузки.

Корректность работы отдельных функциональных блоков защиты контролируется с помощью светодиодной индикации и осциллограмм, записанных терминалом РЗА, а также дискретных сигналов, получаемых от устройства РЗА программой RSCAD по протоколу МЭК 61850.

Информация о текущем состоянии подстанции (положение КА, электрические величины) и работоспособности защит дублируется в АСУ ПТК «UniSCADA» (далее — ПТК) производства

ООО «Релематика» по стандарту МЭК 61850 (MMS), выполняющая функцию АРМ оперативного персонала. ПТК на основе полученных с устройств РЗА осциллограмм, уставок и конфигурации автоматически формирует протокол анализа действия защит, что позволяет перейти с периодического технического обслуживания на обслуживание по состоянию.

Процедура испытаний выглядит следующим образом (рисунок 3):

1. Создаётся модель сети в программе RSCAD. Данные по параметрам энергосистемы, линий, трансформаторов и прочее предоставляются заказчиком.
2. Выбирается режим работы сети, место и вид КЗ.
3. RSCAD проводит расчёт режима, в результате чего выдаются значения токов и напряжений в реальном времени.
4. Симулятор RTDS подаёт расчётные величины токов и напряжений в наблюдаемых узлах (в формате SV выборок) на терминалы ЦЦЗ.
5. RSCAD фиксирует реакцию терминалов и встроенных функций защит на данный вид повреждения и корректирует их значения в режиме реального времени для новой конфигурации системы.
6. АСУ ПТК «UniSCADA» собирает и отображает в реальном времени положение КА, электрические величины на однолинейной мнемосхеме подстанции, а также работоспособность устройств ЦЦЗ. По мимо этого, ПТК удаленно осуществляет управление КА и защитами.
7. На основе полученных осциллограмм, уставок и конфигурации с устройств РЗА в сервере АСУ ПТК «UniSCADA» автоматически формирует протокол анализа аварийного события.
8. Выбирается иной режим работы и вид КЗ, и далее повторяется п. 3 и следующие.

Несомненным преимуществом такого вида испытаний является высокая достоверность моделирования режимов работы сети, значительное количество расчётных видов и мест КЗ для оценки работоспособности комплекса защит, получение величин токов и напряжений в наблюдаемых узлах при КЗ в разных точках сети защищаемого объекта. Разумеется, такой значительный объём испытаний затруднительно проводить для каждого объекта на стадии приёмо-сдаточных испытаний оборудования. Однако, на стадии реализации пилотных проектов внедрения «цифровых ПС» с реализацией МЭК 61850 такой подход оправдан. С другой стороны, можно проводить ряд таких испытаний на стадии заводских приемочных работ с использованием значений уставок и конфигураций, подготовленных для реального энергообъекта, и таким образом значительно сократить пуско-наладочные работы на подстанции.

По результатам испытаний были скорректированы некоторые уставки и параметры защиты. Во время испытаний зафиксировано, что тестируемая ЦЦЗ подстанции 110/35/6 кВ «Пойковская» обеспечивает чувствительность и селективность работы при всех видах повреждений.

Выводы:

1. В ходе испытаний с применением стандарта МЭК 61850−9-2 (SV-потоки) ЦЦЗ показала работоспособность во всех режимах испытаний.
2. Времена действия защит во всех режимах не превысили заданные параметры.
3. Применение для испытаний программно-аппаратного комплекса RTDS значительно улучшило качество проведения испытаний, повысило надёжность срабатывания комплекса защит и значительно снизило связанные с испытаниями расходы.
4. Функция автоматического формирования протокола анализа действия защит позволила оперативно решать вопросы в части правильности работы устройств ЦЦЗ.
5. Управление и мониторинг «цифровой подстанции» с помощью АСУ ПТК «UniSCADA» позволило дистанционно собирать всю необходимую информацию с ЦЦЗ, производить их конфигурацию, а также диагностику, в том числе вспомогательного оборудования, в реальном времени.
6. Рекомендуется проведение такого рода испытаний для пилотных проектов внедрения «цифровых ПС».

Литература:

1. IEC 61850−2. Communication networks and systems in substations — Parts 2: Glossary, technical specification. Edition 1 (Термины и определения)
2. Иванов С.В., Буров А.В. Централизованная релейная защита подстанции 110/35/6 кВ на принципах системной интеграции алгоритмов защит в едином устройстве. «Электроэнергия. Передача и распределение» № 5 (44) Сентябрь-Октябрь 2017г
3. Мочалов Д.О., Законьшек Я.В., Шамис М.А. Комплексы моделирования в реальном времени современных энергосистем. «Релейная защита и автоматизация», № 1, 2013.