Опыт компании АББ в реализации концепции цифровой подстанции

Появление стандарта IEC 61850 ознаменовало прорыв в области автоматизации подстанций — и этот процесс всё ещё продолжается. Один из примеров — внедрение стандарта IEC 61850-9-2, описывающего передачу выборок аналоговых значений по сети Ethernet — так называемую шину процесса. Интегрировав эту технологию в системы автоматизации подстанции, компания АББ объединила более чем десятилетний опыт производства «нетрадиционных» измерительных трансформаторов тока и напряжения с новейшими технологиями связи. Теперь существует возможность подключения первичного высоковольтного оборудования к устройствам РЗА компании АББ, что обеспечивает повышение надёжности и готовности системы, а также оптимизацию вторичных цепей на подстанции. Компания АББ выполняет реконструкцию подстанции, которую она ввела в эксплуатацию в 1999 г., реализуя первый промышленный проект на базе IEC 61850-9-2LE. В России ключевые энергетические компании, в первую очередь ОАО «ФСК ЕЭС», следят за мировыми тенденциями в отношении внедрения стандарта и готовы применять новейшие технологии. Подтверждением являются реализуемые в настоящее время проекты цифровой подстанции. Компания АББ принимает активное участие в ряде этих проектов.

ВВЕДЕНИЕ

Являясь пионером в области производства «нетрадиционных» измерительных трансформаторов (НИТ, англ. NCIT) и технологии шины процесса, компания АББ, начиная с 1999 г., ввела в эксплуатацию шесть подстанций с открытыми распределительными устройствами, на которых применяются цифровая шина процесса и НИТ. В основе комбинированных технологий, или так называемых гибридных подстанций, поставлявшихся компании Powerlink, управляющей передающими сетями штата Квинсланд, Австралия, была интеллектуальная система iPASS компании АББ. Электронные модули, интегрированные в приводы выключателя, разъединителя и заземляющего ножа модулей iPASS, передавали данные по оптической шине данных, являющейся собственной разработкой АББ. Также модули iPASS были оснащены преобразователями ELK-CP компании АББ, измеряющими токи и напряжения и подключаемыми к этой шине процесса.

Шина процесса представляет собой сеть связи между первичным оборудованием (измерительные трансформаторы) и вторичным (интеллектуальные электронные устройства защиты и управления — ИУЭ, англ. IED), служащую для передачи аналоговых данных — измерений тока и напряжения. Также эта сеть может использоваться для передачи дискретных данных и команд управления коммутационными аппаратами, но этот функционал пока ещё не реализуется в проектах. Сегодня на традиционных подстанциях обмен информацией производится по разветвлённой обширной сети параллельных медных кабелей. Использование волоконно-оптических кабелей не только позволяет исключить большую часть этой медной сети, но также увеличивает безопасность эксплуатации, обеспечивая развязку с полевым оборудованием.

В основе семейства датчиков ELK-CP (рис. 1) — резервированная катушка Роговского для измерения тока и два отдельных ёмкостных делителя для измерения напряжения. Схема с резервированием преобразователей (включая соответствующую электронику) позволяет установить две полностью независимых параллельных системы РЗА для повышения коэффициента надёжности системы. Для замены электроных компонентов нет необходимости отключать всю систему защиты, следовательно, ремонт занимает существенно меньше времени, а благодаря отсутствию деталей, находящихся под напряжением, гарантируется безопасность выполнения работ.

Компания АББ установила более 300 таких электронных преобразователей на подстанциях компании Powerlink. За время эксплуатации, превышающее 10 лет, не зафиксировано ни одного случая отказа первичного преобразователя. На основании опытных данных время наработки на отказ (MTBF) электронного оборудования оценивается в 300 лет.

МОДЕРНИЗАЦИЯ

Компания Powerlink начала проект по модернизации, частью которого является замена вторичного оборудования на гибридных подстанциях, в том числе электронных компонентов, обеспечивающих подключение к шине процесса. Основная причина и цель модернизации — соответствие международным стандартам, т.е. обеспечение соответствия шины процесса стандарту IEC 61850-9-2 LE. Контракт на модернизацию модулей iPASS был заключен с компанией АББ. Данный проект представляет собой первую коммерческую реализацию шины процесса по стандарту IEC 61850-9-2 LE, в настоящее время проект находится в активной фазе.

ШИНА ПРОЦЕССА В СООТВЕТСТВИИ С IEC 61850-9-2LE

Издание международного стандарта по системам связи на подстанциях, IEC 61850, открыло новую главу в описании функциональных возможностей и информационного обмена на подстанциях. Впервые появился стандарт, поддерживающий взаимодействие устройств разных производителей. Поэтому не удивительно, что он очень быстро получил всеобщее признание.

Компания АББ сыграла важную роль в создании этого стандарта и продолжает быть движущей силой в его сопровождении и дальнейшем развитии. С момента реализации в 2004 г. первого в мире проекта, объединяющего оборудование различных производителей, компания АББ поставила более 1000 систем со станционной шиной, работающей в соответствии со стандартом IEC 61850, на объекты более чем в 70 странах мира.

Вслед за успешным вводом стандарта на уровне вторичного оборудования подстанции возрастает необходимость в максимальной интеграции интеллектуального первичного оборудования с использованием шины процесса. Стандарт IEC 61850-9-2 описывает механизмы получения информации от НИТ, применение которых имеет неоспоримые преимущества по сравнению с традиционными трансформаторами: высокий класс точности во всём диапазоне измерений, компактная конструкция, безопасность эксплуатации.

В соответствии со стандартом IEC 61850-9-2 (и его «облегченной» версией IEC 61850-9-2LE [1]) аналоговые выборки передаются в сеть Ethernet объединяющими устройствами (MU). Компания АББ является первой компанией, которая предлагает объединяющее устройство CP-MUP, сертифицированное группой пользователей UCA¹ (рис. 2).

Объединяющие устройства разрабатываются для конкретного типа НИТ, вместе они образуют систему, которая разрабатывается и испытывается как единое целое, что позволяет определить динамические характеристики всей измерительной цепи до интерфейсного порта IEC 61850.

В этом состоит главное отличие CP-MUP от измерительных объединяющих устройств (SAMU — независимые объединяющие устройства), которые подключаются к традиционным ТТ и ТН. Измерительные объединяющие устройства (ИОТ) самостоятельно выполняют аналого-цифровое преобразование измеряемых сигналов и передают их далее по шине процесса. Однако данное преобразование вносит неопределённость в характеристики всей измерительной системы, и поведение ИОТ в переходном режиме не охватывается каким-либо стандартом МЭК [2] (рис. 3). Комитеты и рабочие группы МЭК и CIGRE уже работают над соответствующим стандартом, который войдёт в группу международных стандартов по измерительным трансформаторам IEC 61869.

ДОПОЛНЕНИЕ ПРОВЕРЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ НИТ
СОВРЕМЕННОЙ ШИНОЙ ПРОЦЕССА

В рамках проекта модернизации компания АББ заменяет существующую цифровую шину связи собственной разработкой на шину процесса в соответствии с IEC 61850. Новая система связи полностью опирается на IEC 61850 как на уровне станционной шины, по которой происходит обмен информацией между ИЭУ и устройствами верхнего уровня, так и на уровне шины процесса.

Компания АББ поставляет свою систему АСУ ТП на базе MicroSCADA Pro, ИЭУ защиты и управления серии Relion 670, а также систему защиты шин REB500. Все устройства защиты и управления в системе подключаются к шине процесса IEC 61850-9-2LE и получают выборки аналоговых величин от объединяющих устройств CP-MUP компании АББ. Объединяющие устройства подключаются к уже имеющимся совмещённым сенсорам тока и напряжения, для чего и производится замена электронных компонентов преобразователей. Таким образом, изменения в составе первичного оборудования сводятся к минимуму.

Система релейной защиты для полуторной схемы, используемая для модернизации вторичной системы, показана на рис. 4.

Для выполнения требований заказчика по обеспечению резервирования используются встроенная резервируемая схема построения НИТ, а также дублированная полностью независимая система объединяющих устройств и интеллектуальных электронных устройств РЗА.

Кроме этого для демонстрации надёжности компонентов и обоснования выбранных принципов построения вторичной системы, используемых на подстанциях Powerlink, были предприняты дополнительные действия.

Для накопления опыта использования новой технологии в реальных условиях был введён в эксплуатацию ряд пилотных инсталляций с НИТ и ИЭУ, поддерживающих шину процесса в соответствии с IEC 61850-9-2LE. Один из таких экспериментальных проектов заключался в модернизации одного присоединения на подстанции напряжением 275 кВ — там были обновлены электронные компоненты преобразователей, объединяющие устройства и ИЭУ защиты серии Relion 670. Подобные пилотные инсталляции помогают заказчикам и самим производителям получить значительный практический опыт, а также собрать необходимую информацию о надёжности работы системы и отдельных её компонентов с целью оценки дальнейших перспектив применения.

Всё оборудование компании АББ, включая терминалы РЗА, проходит полноценное расширенное тестирование, затрагивающее как сами продукты в отдельности, так и их взаимодействие с другими компонентами системы. Тестирование проводится в собственном центре АББ, сертифицированном UCA [3]. На этом испытательном полигоне при участии экспертов компаний АББ и Powerlink была выполнена дополнительная проверка концепции модернизации вторичной системы. Особое внимание уделялось поведению системы в условиях различных переходных режимов.

Результаты испытаний показали корректную, полностью соответствующую ожиданиям работу системы, не было зарегистрировано случаев ложной реакции системы или неправильной выдачи сигналов срабатывания. При моделировании всевозможных условий аварийных режимов проводился постоянный и детальный мониторинг всех компонентов системы. Такой контроль необходим для быстрой и однозначой идентификации неисправностей, благодаря ему возможно значительно реже проводить периодическое техобслуживание с одновременным его упрощением, так как появляется возможность точной идентификации места возникновения неисправности.

РЕАЛИЗУЕМЫЕ ПРОЕКТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
В РОССИИ

Ведущие российские энергетические компании стремятся идти в ногу со временем, поэтому в активной стадии находятся сразу несколько перспективных пилотных проектов.

Одним из наиболее интересных является построение полигона цифровой подстанции на базе ОАО «НТЦ электроэнергетики», где устанавливается оборудование с поддержкой шины процесса в соответствии с IEC 61850-9-2LE. В перспективе на полигоне планируется максимально расширить номенклатуру применяемых устройств, чтобы охватить все подсистемы: интеллектуальный интерфейс к первичному оборудованию, релейную защиту, технический и коммерческий учёт, контроль качества электроэнергии. Цель проекта предельно проста, что ни в коей мере не уменьшает её важного значения — прежде чем начнётся коммерческая эксплуатация оборудования на объектах ОАО «ФСК ЕЭС» и других компаний, оно должно доказать свою работоспособность в составе системы на реальном объекте.

Полигон базируется на тупиковой однотрансформаторной ПС, питающейся от линии 110 кВ и расположенной на территории ОАО «НТЦ электроэнергетики». На подстанции установлены элегазовый выключатель 110 кВ и оптические измерительные трансформаторы со стороны линии и со стороны высокого напряжения двухобмоточного трансформатора 110/10 кВ. В конце 2011 г. на полигоне в качестве терминалов релейной защиты были введены в эксплуатацию ИЭУ семейства Relion 670 — устройство RET 670 для защиты силового трансформатора 110/10 кВ и устройство REC 670 для управления выключателем 110 кВ, а также для реализации функции УРОВ. Данные устройства включены в шину процесса и получают выборки первичных величин от оптических трасформаторов через объединяющие устройства в соответствии с IEC 61850-9-2LE. Кроме этого терминалы передают информацию в АСУ ТП, а также выполняют обмен данными по GOOSE.

Помимо практического внедрения элементов цифровой подстанции в настоящее время специалистами ООО «АББ Силовые и Автоматизированные Системы» разрабатывается концепция цифровой подстанции. Данная работа ведётся совместно с ОАО «НТЦ электроэнергетики», а также при непосредственном участии глобального инжинирингового центра АББ. Цель проекта — определить набор компонентов цифровой подстанции, которые целесообразно использовать на текущем этапе развития технологий, определить существующие «пробелы», не только в техническом плане, но и в других аспектах, связанных, к примеру, с нормативной базой и методологическими принципами эксплуатации подстанций нового поколения, выполнить «привязку» существующих и уже опробованных технологий к требованиям реального объекта — подстанции 220/110/35(6) кВ ОАО «ФСК ЕЭС».

Вот только некоторые из вопросов, прорабатываемых в рамках концепции:
• расстановка «нетрадиционных» измерительных трасформаторов. Благодаря совмещению функций измерения тока и напряжения в одном трансформаторе, появляются дополнительные возможности по организации функций релейной защиты и построению различных подсистем на подстанции. Само КРЭУ становится компактней, так как громоздкие трансформаторы тока и напряжения заменяются на компактные НИТ;
• построение шины процесса. Постоянная передача выборок первичных величин (значения четырёх токов и четырёх напряжений для каждой точки измерений с частотой 4 кГц) приводит к такой загрузке шины процесса, с которой раньше при организации сетей связи не сталкивались. Проработка структуры сети для шины процесса — один из ключевых элементов концепции;
• синхронизация времени. Стандарт IEC 61850-9-2LE для обеспечения требуемой точности присвоения меток времени выборкам аналоговых величин — 1 мкс — предполагает использование сигнала 1PPS. На практике это означает необходимость построения обширной сети синхронизации, охватывающей все ИЭУ и объединяющие устройства;
• построение надёжной системы. Теперь вместо нескольких вторичных обмоток измерительных трансформаторов пользователь получает резервированный цифровой интерфейс и кроме этого дополнительные объединяющие устройства, систему синхронизации времени и др. Взаимодействие всех компонентов должно быть рассмотрено с учётом организации единого резервируемого комплекса;
• соответствие стандартам. Применяемое оборудование должно соответствовать международным стандартам либо пройти полноценное комплексное тестирование, гарантирующее работоспособность устройств в любых режимах, возникающих на реальном объекте.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Компания АББ, являясь мировым лидером в области технологий для цифровых подстанций, принимает активное участие в обсуждении и реализации перспективных проектов и готова предложить свой опыт и свою продукцию, проверенные на множестве экспериментальных подстанций по всему миру, на полигоне цифровой подстанции и в рамках первой международной промышленной реализации шины процесса.

ЛИТЕРАТУРА
1. Implementation Guidline for Digital Interface to Interface Transformers using IEC 61850-9-2.
2. Маслов А.М., Лобанов П.Л., «Вопросы стандартизации при реализации концепции Цифровой подстанции», материалы 2-й Международной выставки и конференции по инновационным проектам в электросетевом комплексе IPNES 2011, 6— 8 сентября 2011 г.
3. Маслов А., Гершпах С., «Системный подход к автоматизации на основе МЭК-61850», газета «Энергетика и промышленность России», № 18 (182), сентябрь 2011 г.

¹ Международная группа пользователей UCA — некоммерческая организация, состоящая из поставщиков и потребителей продукции в электросетевом комплексе. Одна из основных целей организации — поддержка пользователей стандартов серии IEC 61850.