Цифровая подстанция: Применение. Шины процесса

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Оцифровка величин тока и напряжения, поступающих от измерительных трансформаторов с технологией NCIT (нетрадиционные измерительные трансформаторы) или от обычных измерительных трансформаторов, преобразованных в цифровую форму так называемыми автономными объединяющими устройствами (SAMU), и простота доступа к этим данным, через цифровой стандартизированный интерфейс, со стороны любых электронных устройств, таких, как средства защиты, компьютерные системы, представляют собой главные преимущества этой технологии. Предполагается внедрение новых функциональных возможностей, например: интеллектуальный мониторинг, функции защиты на базе программных модулей, реализованных в рамках стандартных платформ аппаратных средств, и новые распределенные функции на компьютерах присоединения. Кроме того, интеллектуальный контроль всей системы NCIT предотвращает возможность возникновения существенных отказов мерами предупредительного техобслуживания, исключает несвоевременные ремонтные отключения и обеспечивает надежное функционирование подстанций посредством использования интеллектуального резервирования, например, такого, как протокол параллельного резервирования PRP (Parallel Redundancy Protocol).

Совместимость обычных измерительных трансформаторов и всех трансформаторов с технологиями NCIT, а также оборудования различных поставщиков может быть достигнута в результате использования стандартного протокола: «Шина процесса» (Process bus), т.е. МЭК 61850-9-2 со специальной рекомендацией МЭК 61850-9-2LE.

ВВЕДЕНИЕ

Международный стандарт МЭК 61850 для систем передачи данных открывает новую эру в области совершенствования подстанций. Он охватывает не только проектирование систем релейной защиты, контроля и управления подстанций, но и разработку вторичных цепей подстанций. Высокоскоростная связь между равноправными устройствами с использованием GOOSE-сообщений и дискретизированных аналоговых значений (Sampled Analogue Values) позволяет усовершенствовать распределенные приложения, базирующиеся на передаче значений тока и напряжения между устройствами, подключенными к сети технологического процесса и к локальной сети подстанции.

За несколько прошедших лет тенденции развития рынка в направлении реализации требований МЭК 61850 стали одинаково очевидными как для поставщиков, так и для заказчиков. Значительная доля этого интереса сконцентрирована на процессе миграции от решений реализации шин подстанций, продиктованных интересами изготовителей, в направлении систем автоматизации подстанций, которые характеризуются полной интеграцией интеллектуальных устройств IED, таких, как терминалы релейной защиты, в соответствии с требованиями принятого международного стандарта.

Этот подход был сосредоточен главным образом на «Шине подстанции» стандарта МЭК 61850-8-1 и реализовывался путем моделирования и развития по аналогии с традиционными подходами систем SCADA.

«Шина процесса» (Process bus), определенная стандартом МЭК 61850- 9-2, остается в существенной степени неисследованной до настоящего времени.

МЭК 61850-9-2 представляет собой часть стандарта, который внедряет в практику технологию нетрадиционных измерительных трансформаторов (NCIT), устраняя несовершенства и ограничения традиционных ТТ и ТН с их обмотками на стальных сердечниках.

«ШИНА ПРОЦЕССА» (PROCESS BUS)

«Шина процесса», определенная стандартом МЭК 61850-9-2, позволяет использовать цифровую связь между электронными трансформаторами тока/напряжения или объединяющими устройствами и устройствами присоединения, такими, как реле защиты, контроллерами или счетчиками присоединения. Это канал связи 4 на рисунке 1, заимствованном из стандарта МЭК 61850.

Фактически все технологии DIT используют электронные терминалы, поэтому они не позволяют применять традиционные аналоговые выходы измерительных трансформаторов по причине повышенной потребности в электропитании для усилителей.

В 1998 году возникла идея передачи «мгновенных значений измерений» (Sampled Values) по цифровым сетям передачи данных. Описание первой рекомендации было дано в стандарте МЭК 60044-8.

Компаниями Alstom и RTE был проведен успешный эксперимент по использованию оптического трансформатора тока на подстанции «Вилмулин» 400 кВ.

В 2002 году несколькими основными производителями был запущен проект «Совместимость» и произведен выбор протокола. Им стал протокол «Шина процесса» (Process bus). В документе под названием LE (Light Edition, облегченная редакция), входящем в состав Руководства, зафиксирован основной параметр протокола. Первая успешная демонстрация проведена на CIGRE в 2004 году.

В 2008 году рабочая группа TC38 начала разработку редакции нового стандарта МЭК 61869-9-2 для электронных измерительных трансформаторов. Предложенный цифровой интерфейс основывается на рекомендациях МЭК 61850-9-2 LE с дополнительными характеристиками. Этот документ будет издан в 2011 г.

Предложенная архитектура
Сохранение существующей архитектуры подстанции с резервированием сети Ethernet (PRP или HSR):
• защита (80 выборок/цикл) — основной канал 1;
• защита (80 выборок/цикл) — основной канал 2 (резерв);
• регистрация возмущений (256 выборок/цикл — полоса пропускания 10 кГц);
• учет (80 выборок/цикл) — коммерческий учет или учет тарифов;
• оценка качества электроэнергии (256 выборок/ цикл – анализ гармоник — 100 e).

Объединяющие устройства для мгновенных значений измерений:
• N-MU или P-MU для DIT (объединяющее устройство для подключения к первичным преобразователям, разделенным или в виде единого устройства, предназначенное для работы с датчиками различных типов);
• A-MU для CIT (объединяющее устройство для подключения к обычным измерительным трансформаторам с аналоговыми входами).

Объединяющее устройство для контроллеров выключателей:
• совместимость;
• CB-MU для выключателей и разъединителей (ввод/вывод, подача команды на отключение через GOOSE-сообщения);
• CB-MUM для выключателей (контроль и подача команды на отключение выключателя; резервирование).

Две независимые сети: 9–2 для передачи мгновенных значений измерений и 8–1 для GOOSE:
• «Шина процесса» (сеть Ethernet, в настоящее время 100 BaseFx) со стандартом МЭК 61850-9.2 LE для мгновенных значений измерений SV, которая в скором времени станет глобальным стандартным интерфейсом МЭК 61869-9-2, для измерений тока и напряжения;
• «Шина процесса» (сеть Ethernet, в настоящее время 100 BaseFx) со стандартом МЭК 61850-8.1 служба GOOSE-сообщений для положения выключателя-разъединителя (SW), положения и отключений автоматического выключателя.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИНТЕГРАЦИИ «ШИНЫ ПРОЦЕССА»

Оцифровка величин тока и напряжения
Мгновенные значения, полученные от нетрадиционных или традиционных измерительных трансформаторов, оцифрованные так называемыми автономными объединяющими устройствами (SAMU), обеспечивают связь в реальном масштабе времени, что, в свою очередь, позволяет осуществить простой доступ к этим данным со всех прочих устройств подстанции (средств релейной защиты, компьютерных систем, и др.) путем реализации технологии Ethernet. Это является одним из главных преимуществ!

Совместимость
Достигается совместимость технологий традиционных и нетрадиционных измерительных трансформаторов, а также согласованность оборудования всех поставщиков со стандартным протоколом. Это обеспечивает значительно большую гибкость при проведении реконструкций подстанций генерирующих предприятий. Этот пункт абсолютно обязателен и противопоставляется «частным» решениям.

Простота эксплуатации
• оптическая технология Ethernet 100 BaseFX позволяет радикально упростить кабельную систему;
• оптический кабель имеет естественную изоляцию ЭМИ, что способствует снижению затрат на проектирование, инжиниринг и повышает общую надежность системы;
• используемые технологиями DIT электронные компоненты обеспечивают повышение степени промышленной стандартизации путем уменьшения разнообразия моделей ТТ/ТН по причине осуществимости повторной калибровки с помощью электронных установок.

Ввод в эксплуатацию, испытания на объекте, простота конфигурирования архитектуры позволяют добиться снижения численности персонала.

Ожидаемые новые функциональные возможности
Ниже приводится неполный перечень функциональных возможностей:
• интеграция всех функций защиты, управления, измерений и контроля в пределах подстанции на основе программных модулей, легко переносимых на любые стандартные аппаратные платформы;
• обеспечение средств для высокоскоростных приложений подстанции (новые функции защиты, блокировки, телеотключения);
• обеспечение новых распределенных функций для контроллеров присоединения или упрощенных устройств защиты (например, контроль синхронизма, регистрация переходных процессов, анализ гармоник и т.д.);
• возможность упрощенной повторной калибровки ТТ/ТН при работе с различными номиналами точек измерений.

Повышение степени готовности-надежности
• постоянный интеллектуальный контроль в оперативном режиме параметров трансформаторов тока, напряжения и автоматических выключателей, повышающий надежность эксплуатации;
• предотвращение серьезных аварий путем предупредительного техобслуживания;
• исключение несвоевременных ремонтных отключений.

Все это вносит вклад в обеспечение безопасности подстанций в результате применения интеллектуального резервирования, например, протокола параллельного резервирования PRP (Parallel Redundancy Protocol) (дублированная сеть передачи данных) или качественно интегрированного резервирования высокой степени готовности HSR (High-availability Seamless Redundancy).

Все эти преимущества обеспечивают ценный вклад в повышение надежности и готовности современных высоковольтных сетей и являются одной из важнейших задач концепции Smart Grid.