Новые требования к СОПТ при цифровизации подстанции

Исторически сложилось, что системе оперативного тока уделяется недостаточно внимания. Однако зачастую аварии на энергообъектах (отключение линии в результате ложной работы РЗА или аварийного снижения сопротивления изоляции) связаны с вопросами, относящимися к СОПТ.

Сегодня цифровизация затронула, в основном, системы релейной защиты, управления и автоматики, а СОПТ вновь обошла стороной.

Требования к СОПТ, основанные на обеспечение надежности питания, чувствительности и быстродействии, ремонтопригодности, были сформулированы лишь в 2010 году в виде отдельного стандарта организации [1], когда микропроцессорные устройства РЗА уже повсеместно применялась на энергообъектах. В настоящее время мы являемся участниками нового витка развития, именуемого цифровой трансформацией энергообъектов. Ключевое звено в переходе к цифровизации — создание цифровых подстанций. ЦПС в первую очередь воспринимается как объект, в котором все процессы информационного обмена между элементами подстанции и внешними системами, управление работой подстанции осуществляется в цифровом виде на базе стандарта IEC 61850. Сегодня цифровизация затронула, в основном, системы релейной защиты, управления и автоматики, а СОПТ вновь обошла стороной. Несмотря на введение в 2018 году нового стандарта по проектированию [2], который закрепляет требования СТО от 2010 году и дополняет его требованиями по структуре питания потребителей, системе контроля изоляции и мониторинга, в нем все равно не в полной мере раскрываются требования к реализации СОПТ для ЦПС.

В реализуемых ЦПС классическая структура СОПТ не претерпевает значительных изменений, за исключением организации питания новых ответственных потребителей «полевого уровня», таких как преобразователи аналоговых сигналов (ПАС) и дискретных сигналов (ПДС). Питание блоков ПАС и ПДС должны иметь такую же категорию надежности, что и МП РЗА. Появление новых ответственных потребителей возлагает все больше ответственности на контроль целостности этих цепей и предъявляет все более жёсткие требования к оборудованию контроля изоляции [8]. Что касается системы мониторинга, то ее структура остается неизменной: обмен данными выполняется по радиальной схеме от измерительных приборов к системе мониторинга СОПТ. Далее информация передается в АСУ ТП подстанции в виде отчетов по технологии «клиент-сервер» (MMS-отчеты) — см. рис. 1. Однако, существует проблема содержания MMS-отчетов. Цель стандарта IEC 61850 заключается в обеспечении взаимодействия между интеллектуальными электронными устройствами (ИЭУ). Обмен информацией между ИЭУ достигается механизмами, основанными на четко определенных информационных моделях логических устройств и узлов. Отечественная редакция стандарта IEC 61850 [5] среди типовых логических узлов для СОПТ содержит только один формат логического узла ZBAT, описывающего передачу сигналов от аккумуляторной батареи. В иностранной редакции стандарта IEC 61850[6] в списке типовых логических узлов для сети постоянного тока имеет еще 2 логических узла: зарядно-выпрямительное устройство — ZSCR, измерительные приборы постоянного тока — MMDC. Если посмотреть на список объектов данных в этих логических узлах, то мы увидим, что обе версии стандарта в настоящее время не содержат полный перечень сигналов, указанный в таблице 4 п.8.6.5 СТО [2]. В результате отечественные производители оборудования СОПТ вынуждены прибегать к использованию общих логических узлов GGIO. Описание функций устройства с помощью общего логического узла стандартом IEC 61850 не запрещается. Но при этом теряются логические взаимосвязи, приводящие к тому, что, во-первых, проектировщик или наладчик не может идентифицировать назначение сигналов в логическом устройстве, а во-вторых, в будущем невозможно будет заменить СОПТ без полного переконфигурирования системы ПС. Поэтому целесообразно применять общие логические узлы только для описания функции свободно-программируемой логики, не описываемые стандартными логическими узлами. Необходимо как можно скорее создать национальный профиль стандарта IEC 61850, содержащий полный перечень логических устройств и узлов, описывающий функции элементов СОПТ в полном объеме. Реализация описания объектов данных логических узлов — задача сложная, решив которую, можно открыть новая возможность технологии IEC 61850 — цифровое взаимодействие между компонентами СОПТ с целью построения адаптивной СОПТ. Например, к простейшим функциям адаптивности, которыми можно наделить систему мониторинга СОПТ — возможность динамического изменения уставок контроля напряжения АБ в различных режимах работы: подзаряд, уравнительный заряд, тест АБ. Логический узел ZBAT уже имеет атрибуты данных уставок повышенного HiBatVal и пониженного уровня LowBatVal. Если бы зарядно-выпрямительные устройства уже имели возможность динамически передавать информацию о своем режиме заряда, то система мониторинга принимала бы данный сигнал, выполняла его логическую обработку в сочетании с сигналами состояния коммутационных аппаратов, идентифицировала текущий режим работы АБ и корректировала бы уставки порогов. В результате отсутствует ложная сигнализация в АСУ ТП о неисправности в ЩПТ. И это лишь малая часть функциональных возможностей, которые можно реализовать в СОПТ для увеличения удобства эксплуатации и надежности функционирования! Из всего вышесказанного следует, что при предъявлении требований к СОПТ и ее элементам необходимо исходить не только из требований по выдачи информации в АСУ ТП по протоколу IEC 61850, но и возможности цифрового взаимодействия компонентов СОПТ между собой с целью управления и построения адаптивной системы с функциями диагностики и прогнозирования состояния оборудования без участия человека. Для полноценной реализации ЦПС необходимо предъявлять к СОПТ следующие дополнительные критерии:

• Автоматическое изменение конфигурации силовой цепи с возможностью дистанционного переключения, которая предполагает изменение структурной схемы от состояния элементов и режимов работы СОПТ. Например, автоматическое переключение секции ЩПТ, ввода питания ШРОТ или потребителей ШРОТ на «чистый источник» при угрозе потери питания потребителей в результате ухудшения изоляции, ослабления контактного соединения или иных неисправностей.
• Автоматическое изменение настроек параметров элементов с возможностью дистанционного переключения уставок. В зависимости от режима работы СОПТ должны изменяться уставки технологических параметров (повышенного или пониженного напряжения, тока подзаряда АБ и т. д.) и карты селективности.
• Прогнозирование состояния компонентов. Наличие расчетноаналитических методов обработки данных для комплексной оценки состояния оборудования с целью прогнозирования выхода из строя оборудования.
• Дистанционная диагностика элементов. Возможность удаленного тестирования оборудования и режимов работы системы с помощью испытательного комплекса, стационарно расположенного на ПС, для комплексной оценки состояния с целью планирования обслуживания и ремонта оборудования.
• Элементы должны иметь взаимозаменяемую модульную структуру с автоматической идентификацией при вводе в эксплуатацию. Вышедшие из строя элементы должны выводиться автоматически из работы с максимальным сохранением функций системы за счет других элементов (аппаратное резервирование), безопасно демонтироваться. Вновь подключаемые к сети элементы должны беспрепятственно устанавливаться и после прохождения идентификации должны автоматически конфигурироваться системой.

Принимая во внимание вышеуказанные критерия, структурная схема СОПТ может быть представлена следующим образом (см. рис. 2), где:

• АБ — аккумуляторная батарея с системой поэлементного контроля;
• ЗПУ — зарядно-питающие устройства;
• КУ — управляемое коммутационное устройство;
• ПАС — преобразователь аналоговых сигналов;
• ПДС — преобразователь дискретных сигналов;
• РЗ — микропроцессорное реле защиты постоянного тока;
• ШРОТ — шкаф распределения оперативного тока;
• ШРП — шкаф резервного питания;
• ЩПТ — щит постоянного тока;
• УСО — устройство сопряжения с объектом.

Для реализации ЦПС существующие стандарты [3, 4] необходимо дополнить следующими техническими требованиями.

Аккумуляторная батарея (АБ)

• Должны применяться необслуживаемые, стационарные свинцово-кислотные, герметичные АБ или литий-ионный АБ с проектным сроком службы не менее 20 лет. Допускается использовать стационарные свинцово-кислотные, герметичные АБ в виде моноблоков со сроком эксплуатации не менее 12 лет.
• АБ должна иметь стационарную системой контроля параметров отдельных элементов.
• Система контроля параметров отдельных элементов АБ должна контролировать напряжение, температуру и сопротивления каждого элемента (моноблока), отслеживать режим работы АБ в целом, собирать, хранить и анализировать данные, обеспечивать передачу данным по протоколу IEC 61850-8-1 MMS.
• Система контроля параметров отдельных элементов АБ обязательно должна поддерживать сервис календарной синхронизации по протоколу SNTP в соответствии с требованиями стандарта IEC 61850-8-1.

Зарядно-подзарядное устройства (ЗПУ)

• Должны применяться ЗПУ модульной конструкции.
• Выходная мощность зарядного устройства должна обеспечивается набором отдельных модулей питания (МП), количество которых определятся максимальным выходным током МП.
• ЗПУ и МП должны иметь естественное охлаждение.
• Должна обеспечиваться параллельная работа двух ЗПУ на стороне выпрямленного напряжения с симметричным делением тока нагрузки.
• При перегреве ЗПУ должны снижать свою выходную мощность без полного останова.
• В ЗПУ должен обеспечивать режим равномерного распределения тока нагрузки между МП.
• Конструкция ЗПУ должна обеспечивать замену МП под нагрузкой.
• ЗПУ должен иметь встроенную интеллектуальную систему управления и мониторинга.
• Система управления и мониторинга должна обеспечивать управление режимами работы ЗПУ в реальном масштабе времени и контролировать внутренние параметры ЗПУ и исправность блоков МП.
• При подключении МП должны автоматически идентифицироваться и конфигурироваться системой управления.
• ЗПУ обязательно должно поддерживать сервис календарной синхронизации по протоколу SNTP в соответствии с требованиями стандарта IEC 61850-8-1.
• ЗПУ должен передавать данные с использованием протокола IEC 61850-8-1 GOOSE, MMS.

Распределительные устройства постоянного тока (РУПТ): ЩПТ, ШРОТ

• В составе первого и второго уровня защиты должны применяться предохранители, устанавливаемые в предохранитель-выключатель-разъединитель (ПВР) или коммутационные устройства (КУ) с дистанционным управлением. Применение типа коммутационного аппарата определяется от степени автоматизации объекта и наличия постоянного дежурного и обслуживающего персонала: при наличии персонала достаточно применить ПВР, при отсутствии — управляемые КУ. Совместно с КУ должны применяться интеллектуальные электронные устройства релейной защиты постоянного тока (ИЭУ РЗПТ), позволяющие селективно и с необходимым быстродействием локализовать повреждение. ИЭУ РЗПТ должны иметь функцию логической селективной защиты. Совместно с ИЭУ РЗПТ в коммутационных узлах должны быть применены оптические или аналоговые датчика тока совместно с ПАС из состава УСО РУПТ. ИЭУ РЗПТ должен передавать данные с использованием протокола IEC 61850-8-1 GOOSE, MMS. На третьем уровне защиты в цепях питания непосредственных потребителей должны применяться автоматический выключатель постоянного тока и устройство коммутации с возможностью дистанционного управления. Устройство коммутации предназначено для перевода цепей индивидуальных потребителей на резервную шину питания для поиска фидера с замыканием на землю и изоляции от цепей АБ. Возможность дистанционного управления устройства коммутации в цепях индивидуальных потребителей определяется от степени автоматизации объекта.
• В состав РУПТ должно входить устройство сопряжения с объектом (УСО). УСО должно обеспечивать функции мониторинга и прогнозирования состояния оборудования.
  • УСО должно иметь функции:
    • контроль состояния разборных контактных соединений;
    • учет механического и электрического ресурса коммутационных аппаратов;
    • контроль времени наработки на отказ внутренних элементов электронных устройств;
    • контроль деградации плавкой вставки предохранителей при применении в качестве защитных устройств на первом и втором уровне защиты.
  • В составе УСО могут входить преобразователи дискретных сигналов и аналоговых сигналов — ПАС и ПДС, измерительные преобразователи — ИП. ПАС формирует SV-потоки для целей РЗПТ (защитные). ПДС обеспечивает ввод дискретных сигналов от коммутационных аппаратов, формировать GOOSE-сообщения по изменению дискретных сигналов. ИП обеспечивает измерение параметров текущего режима и передает данные по протоколу IEC 61850-81 MMS. УСО обязательно должна поддерживать сервис календарной синхронизации по протоколу SNTP в соответствии с требованиями стандарта IEC 61850-8-1.
  • УСО должно иметь функцию самодиагностики функционирования. УСО должна поддерживать тестовый режим функционирования. Самодиагностика узлов УСО должна обеспечивать обнаружение отказа с точностью до отдельного модуля (блока), входящего в состав УСО. Обнаруженные сбои и отказы функционирования узлов устройства должны фиксироваться в журнале событий устройства, а также отражаться в виде визуально-доступной сигнализации. УСО должно передавать данные с использованием протокола IEC 61850-8-1 GOOSE, MMS.

• В состав РУПТ должна входить система контроля изоляции (СКИ):
  • Для исключения ложной работы ДВ при существующей уставке снижения сопротивления изоляции равной 20 кОм «Авария», необходимо применять выравнивающие резисторы не более 10 кОм.
  • Должна быть обеспечена возможность настройки датчиков на режим включения и отключения с уставкой аварийного снижения изоляции каждого фидера.
  • Датчик контроля сопротивления изоляции должен обеспечивать самовосстановление из режима перенасыщения магнитопровода датчика и сохранять работоспособность в случае кратковременных бросковых токов в одном из проводов присоединения или наведении импульсных помех.
  • На корпусе датчиков контроля сопротивления изоляции должны быть светодиоды, сигнализирующие о снижении сопротивления изоляции присоединения ниже уставки или о неисправности датчика.
  • Система контроля изоляции должна иметь функцию непрерывного измерения сопротивления полюсов сети полюсов относительно «земли».
  • СКИ должна поддерживать тестовый режим функционирования.
  • Обнаруженные сбои и отказы функционирования узлов устройства должны фиксироваться в журнале событий устройства с архивированием, а также отражаться в виде визуально-доступной сигнализации с возможностью квитирования неисправности.
  • СКИ обязательно должна поддерживать сервис календарной синхронизации по протоколу SNTP в соответствии с требованиями стандарта IEC 61850-8-1.
  • СКИ должна иметь функцию самодиагностики функционирования.
  • СКИ должно передавать данные с использованием протокола IEC 61850-8-1 MMS.
• Конструкция РУПТ должна иметь модульную структуру, обеспечивающая безопасное и быстрое обслуживание.

Литература

1. Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.120.40.041-2010 «Системы оперативного постоянного тока подстанций. Технические требования».
2. Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.120.40.262-2018 Руководство по проектированию систем оперативного постоянного тока (СОПТ) ПС ЕНЭС. Стандарт организации, 2018.
3. Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.240.10.256-2018 Технические требования к аппаратно-программным средствам и электротехническому оборудованию ЦПС.
4. Стандарт организации ПАО «РОССЕТИ» СТО 34.01-21-004-2019 Цифровой питающий цент. Требования к технологическому проектированию цифровых подстанций напряжением 110-220 кВ и узловых цифровых подстанций напряжением 35кВ.
5. ГОСТ Р МЭК 61850-7-4-2011 Сети и системы связи на подстанциях. Часть 7. Базовая структура связи для подстанций и линейного оборудования. Раздел 4. Совместимые классы логических узлов и классы данных.
6. IEC 61850-7-4:2010 Communication networks and systems for power utility automation Part 7-4: Basic communication structure Compatible logical node classes and data object classes.
7. Возможна ли цифровая подстанция? — стандарт МЭК 61850 вселяет надежду [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.compel.ru/lib/96422 — дата обращения: 9.10.19.
8. Галкин И.А, Лопатин А.А., Виноградов А.Ю. «К вопросу о требованиях к оборудованию контроля сопротивления изоляции СОПТ, снижающие ложную работу устройства релейной защиты и автоматики». Журнал «Релейная защита и автоматизация», № 1, 2019.