Пришло время переходить к «Цифровым подстанциям». Цифровые подстанции

Что такое Цифровая подстанция? | Проект "РЗА"

Сегодня идет много разговоров про технологию “Цифровая подстанция”. Когда-то это тема в России развивалась под эгидой ФСК ЕЭС для больших подстанций на сверхвысокие классы напряжения (220 кВ и выше), но сейчас ее можно найти и на более скромных объектах. Более того, самыми передовыми, в части применения цифровых технологий, являются несколько опытных подстанций 110 кВ, такие как ПС “Олимпийская” в Тюменьэнерго. Отчасти это связано с попыткой снизить затраты на опытные полигоны, отчасти попыткой снизить ущерб от возможной неправильной работы нового оборудования в реальной энергосистеме.

Вместе с тем не всегда понятно какую именно подстанцию можно считать полностью цифровой? Само внедрение цифровых технологий в энергетике началось более 20 лет назад с приходом первых микропроцессорных блоков РЗА, которые имели возможность интеграции в системы АСУ по цифровым каналам связи.

Но сегодня под цифровой подстанцией обычно понимается несколько другой объект.

С выходом в этом году измененных Норм технологического проектирования ПС 35-750 кВ ФСК (от 25.08.2017) можно разобраться с этим вопросом более подробно. Думаю, статья будет полезна не только интересующимся коммуникационными технологиями, но и простым релейщикам, многим из которых придется столкнуться с подобными объектами в будущем.

Начнем с определений НТП ФСК 2017 (здесь и дальше вырезки из документа с пояснениями)

Как мы видим, согласно позиции ФСК, цифровыми являются только те подстанции, где применено оборудование, поддерживающее стандарты МЭК-61850.

Стоит отметить, что стандарты МЭК-61850 изначально разрабатывались для работы внутри отдельно взятой подстанции, поэтому выдача информации на диспетчерский пункт производится другими протоколами (обычно МЭК-60870-5-104), что по всей видимости не противоречит термину “цифровая подстанция”

Самое важное на мой взгляд определение потому, что оно содержит требование применения оптических ТТ и электронных ТН, как самых передовых технологий из набора МЭК-61850 (SV). Получается, если подстанция не содержит этих элементов, то она не может считаться цифровой. Таким образом, в России пока нет ни одной цифровой подстанции потому, как ко всем существующим ОТТ и ЭТН подключена релейная защита, работающая только на сигнал (например, цифровой полигон Русгидро на Нижегородской ГЭС).

Таким образом, Цифровая подстанция – технология будущего.

Туда же. Все устройства должны поддерживать обмен по стандартам МЭК-61850-8-1 (MMS, GOOSE). Технология MMS предназначена для обмена с устройствами верхнего уровня (до сервера АСУ конкретной подстанции), а GOOSE – для горизонтального обмена между терминалами РЗА и контроллерами присоединений. Таким образом, дискретных входы и реле микропроцессорных устройств должны остаться в прошлом. Хорошая новость для тех, кто устал протягивать клеммы

А вот это очень интересная новость для проектировщиков – теперь не только строить, но и проектировать цифровые подстанции нужно согласно стандартам МЭК-61850.

По-сути, это означает, что вы должны проектировать не на бумаге или в Автокаде, с последующим переносом на бумагу, а сразу в цифровом виде. Т.е. на выходе у проектировщика должно получаться готовое задание на наладку РЗА и АСУ в цифровом виде (файл в формат языка описания SCL). Это позволит существенно сократить время на наладку, но возможно увеличит время на проектирование. Для того, чтобы время на разработку проекта не увеличилось нужно создать типовые проекты на каждое присоединение подстанции. Этим сейчас и занимается ФСК ЕЭС в рамках разработки национального профиля МЭК-61850.

Еще один момент – теперь для того, чтобы обеспечить работоспособность системы РЗА, нужно рассчитывать параметры локально-вычислительной сети (ЛВС). Т.е. РЗА избавиться от дискретных цепей, но будет зависеть от коммуникационной сети подстанции.

Все функции РЗА и АСУ на подстанции будут жестко стандартизированы и реализованы на совокупности логических узлов (logical node). Прочите еще раз абзац выше – думаю, в энергетике скоро начнет расти спрос на программистов и спецов по информационным технологиям) Как у вас дела с английским языком и абстрактным мышлением?

Теперь нужно будет внимательно следить за информационной безопасностью подстанции. Стандартизация имеет обратную сторону потому, как вирусы и другое вредоносное ПО пишется под наиболее популярные операционные системы.

“Устаревшие” протоколы передачи данных применять будет можно, но только при серьезном обосновании.

Какие можно сделать выводы из данного документа?

Пожалуй, я в этот раз не буду делать никаких выводов потому, что не являюсь экспертом в этих технологиях.

А что думаете вы? Пойдет Цифровая подстанция “в массы”?

pro-rza.ru

Цифровая подстанция

Зачем необходима цифровая подстанция?

Сокращение времени проектирования на 25%

Типизация схемных и функциональных решений. Сокращение числа функциональных цепей, клеммных рядов в релейных отсеках ячеек.

Сокращение объема монтажных и наладочных работ на 50%

Применяется решение высокой заводской готовности. На заводе производится монтаж оборудования КРУ по главным и вспомогательным цепям. Прокладываются межшкафные связи систем оперативного тока, монтируются системы АСУ ТП, АСКУЭ. Осуществляется параметрирование, конфигурирование и тестирование систем РЗиА.

Сокращение затрат на обслуживание на 15%

Переход от проведения планового технического обслуживания по времени к обслуживанию по состоянию оборудования за счет On-lineдиагностики состояния оборудования. Тем самым снижается количество выездов работников для проведения регламентых работ.

100% оперативных переключений производится дистанционно с видеоконтролем операций

Простая интеграция всех систем в единое цифровое пространство позволяет управлять подстанцией безопасно и оперативно, а также встраивать в систему АСУ ТП других уровней.

Как это работает?

Протокол передачи данных МЭК 61850 обеспечивает возможность самодиагностики оборудования и всех систем, установленных на подстанции, в режиме реального времени. В случае выявления отклонений от нормального режима работы, системой автоматически задействуется резервная схема, а оперативному персоналу выдается соответствующее сообщение.

Система анализирует полученные данные и формирует рекомендации по техническому обслуживанию оборудования, что позволяет изменить принцип работы с регулярных плановых профилактических работ на работу по факту появления неисправностей. Данный принцип работы дает возможность снизить затраты на персонал по содержанию оборудования.

Благодаря протоколу МЭК 61850 со стандартизированным интерфейсом при проектировании подстанции возможно применение оборудования любых производителей, поддерживающих данный протокол. ЦПС имеет возможность легко интегрироваться в систему АСУ ТП верхнего уровня.

studfiles.net

Эксплуатация о цифровых подстанциях | Цифровая подстанция

ЦПС: Построение цифровой подстанции опирается на ЛВС и технологию Ethernet. Как вы думаете, специалист релейной защиты должен обладать компетенцией в IT сфере?

АК: Я думаю, да, конечно, куда ему от этого деться. Его компетенция должна быть подкреплена профильным образованием. Работнику с опытом работы и большим стажем трудно, но приходящие в релейную защиту специалисты должны хорошо ориентироваться в вопросах связи.

ЦПС: В перспективе 3-4 лет мы достигнем того, что цифровые подстанции будут внедряться как самостоятельные объекты. ВУЗы однозначно не успеют перестроиться к этой тенденции. Поэтому возникает следующий вопрос: станут ли профильные организации, обладающие опытом обучения в данном направлении, решением для устранения нехватки компетенции в IT сфере?

АК: Мне кажется, что молодые люди, получающие сейчас образование, уже имеют компетенцию в IT сфере. Им не нужно тратить много сил, чтобы освоить компьютер. Каждый может у себя дома подключить роутер. Мне, например, сложно это сделать, а выпускнику школы — уже нет. Выпускникам ВУЗов не составит труда разобраться с протоколами передачи данных для систем РЗА. Это так же естественно, как управление автомобилем. И поэтому я считаю, что современным специалистам не нужно специального обучения. Но возможно, в учебную программу по РЗА техникумов, ВУЗов имеет смысл включить дополнительный курс по цифровым технологиям.

ЦПС: Как вы оцениваете готовность к эксплуатации цифровых подстанций?

Если мы сумеем грамотно сформулировать требования к обслуживанию, то на цифровой подстанции потребуется меньшее число людей.

АК: На мой взгляд, эксплуатация цифровых подстанций не представляет сложностей. Я уже не раз говорил, что всё современное оборудование упрощает эксплуатацию. Для меня, как воспитанника старого образца знаний, непривычно уменьшение объёма работ по эксплуатации. Раньше нужно было налаживать устройства на физическом уровне, регулировать электрические параметры, механику, подгибать контакты, чистить и т.д., а сейчас это не нужно делать, соответственно объём работ уменьшается. Основная проблема, с которой мы всегда сталкиваемся, это количество обслуживающего персонала. Если мы сумеем грамотно сформулировать требования к обслуживанию, то на цифровой подстанции потребуется меньшее число людей. Для меня это наоборот страх уменьшения своей востребованности, страх за релейщиков, которые заняты обслуживанием. У нас в штате примерно 450 человек, и если бы все подстанции были цифровые, то не потребовалось бы такое количество людей.

ЦПС: Какие мероприятия необходимы для масштабного внедрения цифровых подстанций, например, в МРСК Северо-Запада?

АК: Конкретно ничего сказать не могу. Надо просто строить, заниматься рабочим проектированием, принимать технические решения на этапе планирования, вкладывать их в ТЗ на проектирование. По-моему, отдельных мероприятий не требуется. Даже на сегодняшний день можно сказать, что у нас есть цифровые подстанции. Одни говорят, что цифровая подстанция — это та, у которой есть цифровые первичные преобразователи тока и напряжения, а другие — что это любая, где используются технологические связи по цифровым коммуникациям. У нас такие подстанции есть. На подстанции “Кузнечевская” в “Архэнерго” GOOSE сообщения используются для оперативной блокировки. Готов к реализации проект подстанции “Базовая” в Новгороде с использованием GOOSE для АВР и ЛЗШ. В разработке находятся и другие проекты с возрастающей долей цифровой технологической связи.

ЦПС: На ваш взгляд, каких инструментов не хватает для обслуживания цифровых подстанций?

АК: Мы ещё не начали обслуживание цифровых подстанций, я не могу судить об этом. Мне кажется, что инструментов потребуется меньше, чем используется сейчас для обслуживания традиционных подстанций. В части создания цифровая подстанция требует больших усилий, а в обслуживании наоборот. Мы же не проверяем электроизмерительный прибор перед установкой. Его привезли с завода, где он был изготовлен и поверен, мы видим клеймо поверителя и используем прибор. Точно так же, когда мы ставим терминал. Наша задача только его запрограммировать. Сложные устройства, например, как РЕТОМ-51, OMICRON CMC 356 потребуются в эксплуатации в меньшем количестве.

ЦПС: На сегодняшний день на подстанции существует несколько сегментов вторичных систем: релейная защита, АСУ ТП, АСКУЭ. Все системы разделены по шкафам и полностью разнесены. Использование технологии «цифровая подстанция» позволяет объединить все перечисленные системы в рамках одного устройства. Какие системы разумно объединять, а какие, по-вашему мнению, стоит оставить в виде отдельных систем?

Если сначала появится структурное подразделение, которое возьмёт на себя функцию обслуживания всех этих систем, тогда и создание цифровой подстанции пойдёт легче.

АК: Я бы начал с изменения структуры обслуживания. У нас существуют разные подразделения, которые занимаются обслуживанием систем релейной защиты, телемеханики, связи, систем АСКУЭ. Если сначала появится структурное подразделение, которое возьмёт на себя функцию обслуживания всех этих систем, тогда и создание цифровой подстанции пойдёт легче. В противном случае, если разделять обслуживание систем (телеуправление с отдельным обслуживанием системы измерения и учёта), то цифровой подстанции не получится. И именно это тормозит создание цифровых подстанций.

digitalsubstation.com

Цифровые подстанции на КПД МРСК Северо-Запада

Снижение стоимости будет происходить по мере более полного внедрения: чем больше спрос, тем больше предложение, больше объёмы поставок и ниже цена. С одной стороны, любая продукция находится в зависимости от объёмов продаж. А с другой стороны, необходимо также принять во внимание, что одни технологии ЦПС эффективны и имеют потенциал, а другие пока неэффективны и не факт, что их эффективность будет подтверждена. По нашему мнению, что касается МЭК 61850-9-2, то его применение для распределительных сетей спорно и скорее неэффективно. Что же касается применения МЭК 61850-8-1 и полевых УСО, то это однозначно в плюс. Если говорить о цифровом КРУ, то есть два варианта реализации: цифровой с применением GOOSE-сообщений для обмена ответственными сигналами РЗА (УРОВ, АВР, ЛЗШ и др.) и без применения GOOSE-сообщений для этих целей. Во втором случае КРУ уже будет не полностью цифровым, а частично оцифрованным и облегчённым в плане кабельных связей. Такой вариант цифрового КРУ можно и нужно внедрять уже сегодня. Для обмена сигналами РЗА следует использовать протокол резервирования с нулевым временем переключения. Лучший вариант – это PRP. Но на сегодня у большинства производителей поддержка PRP существенно удорожает устройство. Таким образом, возможность перехода к полностью цифровому КРУ зависит от доступности реализации протокола PRP. При появлении устройств РЗА 6-35 кВ, в которых технология PRP будет столь же доступна, как RSTP, произойдёт прорыв. Без PRP же ответственные функции выполнить сложно, их придётся делать на сигнал или дублировать, но тогда это будет только частично цифровая подстанция с экспериментальной установкой для опытной эксплуатации.

Сейчас я не могу дать детального анализа, и нормативной базы по осмечиванию цифровых ПС тоже пока нет. Но можно отдельно рассмотреть различные технологии, из которых состоит цифровая подстанция. Наиболее простой подход — это оценить объем кабельной продукции (такие оценки уже есть), и затем оценить, насколько за счет её сокращения уменьшатся и сопряжённые с ней работы. Если внедрять цифровые разъединители (т.е. полевые УСО для разъединителей и ЗН), то экономия кабельной продукции составит порядка 25%. Далее можно предположить, что затраты на СМР и РД сократятся пропорционально. Стоимость ПНР прогнозировать сложнее, но даже если ПНР останется без изменений, то за счет сокращения кабеля, СМР и РД данная технология очевидно даст эффект.

На мой взгляд, часто происходит подмена понятий: цифровая подстанция — это, где все сделано по МЭК 61850. Мы занимаем другую позицию: цифровая подстанция — это в первую очередь определённые принципы построения вторичных систем, а для реализации этих принципов должны использоваться современные технологии, к которым как раз и относится МЭК 61850. Среди принципов, лежащих в основе цифровой подстанций, можно выделить: распределённый сбор информации, функциональную интеграцию устройств, комплексную автоматизацию объекта. И на некоторых объектах автоматизация выполнена по правильным принципам, но на старых протоколах (возможно даже на RS-485 и Modbus), а на других — обмен между РЗА и АСУТП выполнен на МЭК 61850, но всё равно «тонны» кабелей тянутся в ОПУ. И, сравнивая такие подстанции, задаешься вопросом: какая из них более цифровая. Этот вопрос скорее провокационный.

В идеале, конечно же, цифровая подстанция — это та, в основе которой заложены правильные принципы, реализованные на современных технологиях, к которым и относится МЭК 61850.

digitalsubstation.com

Цифровая подстанция: где здесь РЗА?

Например, в некоторых проектных институтах есть условное разделение на релейщиков и вторичников.

Первые рассчитывают уставки и создают принципиальные схемы, а вторые по этим схемам формируют ряды зажимов, раскладывают кабели и подключают шкафы. Вроде и те, и другие разрабатывают схемы, но если приглядеться, то разница очевидна.

Так вот, цифровая подстанция как раз относится ко вторичным цепям подстанции, а не к релейной защите, то есть к тому, как именно нужно соединить между собой устройства релейной защиты, чтобы заложенные кем-то алгоритмы заработали. Только для ЦПС всё наоборот: сначала придумываются «монтажные схемы» в виде жёстко заданных логических узлов функций, а потом релейщики «втискивают» в них свои алгоритмы. И если это не получается, то тем хуже для релейщиков.

Сегодня некоторые начинающие специалисты, начитавшись популярных статей и отчетов с конференций, думают, что, изучив набор стандартов МЭК 61850, они станут релейщиками. Кто-то даже пишет дипломные работы по данной теме. Однако это примерно то же самое, что думать, будто станешь крутым программистом, если будешь играть в компьютерные игры. Почему? Потому что в стандартах МЭК 61850 мало что сказано про релейную защиту. Там сказано о том, как организовать связь между устройствами РЗА/АСУ в стандартизированном виде, фактически — как построить транспортную сеть для обмена данными, понятную для всех устройств.

Возьмем пример: кто-то делает автомобили, а кто-то строит дороги. Конечно, здесь есть связанные моменты (например, вес машины и материал дорожного покрытия), но никто не будет утверждать, что строитель дорог разбирается в двигателях внутреннего сгорания или тормозных системах. Та же самая ситуация и в подстанционных защитах и автоматике: есть входящие и исходящие сигналы алгоритмов, а уж как они «передвигаются», по оптике или по медным проводам, — нюансы.

Специалист в МЭК 61850 — это асушник, который пытается связать множество черных ящиков, не разбираясь, что в них содержится.

Там могут быть алгоритмы релейной защиты, а могут — алгоритмы для автомобильного конвейера. Асушнику нет до этого никакого дела, потому что он специалист по объединению стандартных модулей в скелет системы. А релейщик и наладчик конвейера — это те, кто оживляет систему. Их знания принципиально различны.

Я думаю, нужно разделять МЭК 61850 и релейную защиту, чтобы никого не обманывать. Релейная защита существовала 100 лет назад и просуществует еще столько же, потому что она неотъемлемая часть энергосистемы, без которой работа невозможна. МЭК 61850 — это интересная технология из разряда «наверное, неплохо было бы иметь». Да, сегодня это модно, но не жизненно необходимо.

Из чего состоит набор стандартов МЭК 61850?

Технология MMS — совершенно асушная часть. Она позволяет стандартизировать выдаваемую «наверх» информацию от терминалов РЗА и других устройств, но сильно нагружает ЛВС объекта. А делает она это, поскольку теперь никто не разбирается в том, что именно нужно выдавать, а все просто кидают всё, что есть. В реальных проектах MMS заканчивается на уровне подстанции, после которой уже идёт «устаревший» МЭК 60870-5-104, иначе весь получившийся информационный мусор по сетям связи будет не протолкнуть.

Технология GOOSE — более интересная часть, которая позволяет контролировать вторичные цепи, повышая их надежность (одно из основных требований к релейной защите). Также она позволяет уменьшить объем вторичных цепей за счет горизонтальных оптических связей между терминалами.

Именно SV превращает обычную подстанцию в полностью цифровую.

Технология SV — самая интересная технология, которая повышает устойчивость системы РЗА к помехам и кардинально снижает количество медных проводников.

По сути, к релейной защите в МЭК 61850 так или иначе относятся технологии SV и GOOSE; MMS же немного из другой оперы.

Теперь давайте посмотрим, из чего состоит релейная защита и автоматика. Условно можно выделить три глобальные части: схемотехника, логическая часть (алгоритмы) и расчёт уставок. Все эти три части присутствуют в системах РЗА независимо от элементной базы, однако их доли различны.

Например, в электромеханике практически отсутствует логическая часть. Вернее, логика работы алгоритмов РЗА видна непосредственно на принципиальной схеме (схемотехника). Небольшой процент логики не виден релейщику, потому что скрыт в самих реле. Однако схемы самих реле в основном простые, а алгоритмы их работы очевидны. Таким образом, релейная защита на электромеханике наглядна и понятна при изучении.

В обычных цифровых терминалах логическая часть намного больше, чем в электромеханике.

Здесь начинает действовать концепция «чёрного ящика», когда схемотехника сокращается и упрощается, а сложные логические связи «уходят» внутрь цифрового устройства. Количество алгоритмов в отдельно взятом устройстве резко увеличивается. Релейщик, работающий с микропроцессорными терминалами, должен знать всё, касающееся электромеханики, а также правила работы с логическими схемами. Кроме того, он должен понимать особенности применения цифровых устройств, таких как ЭМС, работы дискретных входов, оперативного питания терминала, правил работы с ПО и т. д. В такой ситуации к релейщику предъявляются более высокие требования, чем в случае использования электромеханики.

Ну и наконец, концепция «цифровой подстанции» на базе стандартов МЭК 61850.

Ну и наконец, концепция «цифровой подстанции» на базе стандартов МЭК 61850 — название, на самом деле, очень условное, потому что цифровой является и подстанция с обычными микропроцессорными (цифровыми) терминалами. Здесь схемотехника сокращается практически полностью, а логическая часть разрастается до гигантских размеров. Наглядность при изучении системы падает, а абстрактный уровень представления информации зашкаливает. Функции РЗА вообще не привязаны к устройству, а свободно плавают в виртуальной модели подстанции. Устройства общаются друг с другом не напрямую, а через локальную сеть, причём «говорят» все одновременно, параллельно пытаясь «услышать» то, что предназначено именно им. Когда что-то происходит (например, КЗ), все начинают не «говорить», а «кричать» — чтобы их точно услышали. Ситуация напоминает деревенский курятник, в который пробралась лиса. Только это очень высокотехнологичный курятник, и куры в нем интеллектуальные, поэтому у лисы никаких шансов. Чтобы работать с такой техникой, нужны еще более продвинутые релейщики, чем те, что работаю с обычными МП РЗА. Они должны иметь знания и про современную подстанцию с МП РЗА, и про транспортные протоколы МЭК 61850.

Изобразим этапы усложнения систем РЗА от электромеханики до цифровой подстанции на рисунке.

По рисунку можно сделать следующие выводы:

Основы релейной защиты для стандартных МП РЗА и для цифровой подстанции одинаковы, потому что ничего принципиально нового МЭК 61850 в этой части не предлагает. Его плюсы и минусы лежат в других областях.
Устройства релейной защиты усложняются, и специалистам нужно постоянно увеличивать свой багаж знаний и навыков, чтобы с ними работать.
Есть практически неизменные составные части системы релейной защиты: расчёт уставок и алгоритмы РЗА. Это базовые функции РЗА, такие как токовые, дистанционные и дифференциальные защиты, а также сетевая и подстанционная автоматика. Их небольшое изменение связано с переходом на новую элементную базу, при применении которой появляется возможность реализации новых алгоритмов (например, алгоритма дальнего резервирования в сетях 0,4 кВ или БАВР) либо улучшения существующих (например, полигональные характеристики дистанционной защиты). По сути, это и есть релейная защита и автоматика! Релейщику прежде всего нужно изучать именно эти части, а потом осваивать вспомогательные, такие как вторичные цепи подстанции. Асушнику, наоборот, интереснее последние части: протоколы передачи данных и ЛВС.
В ходе эволюции РЗА сильнее всего менялась схемотехника, которая прошла путь от полностью наглядной, но громоздкой релейной схемы до миниатюрного устройства, подключаемое к информационной сети цифровой подстанции, как обычный компьютер. С переходом к ЦПС и МЭК 61850 схемотехника РЗА перестанет быть специализированной темой релейщика. Такую схему запросто (и, скорее всего, более корректно) сможет построить специалист в области АСУ ТП или обычный системный администратор. Думаю, проблем в такой сети будет не меньше, но они станут другими. Это будут проблемы передачи данных: время доставки, гарантированность доставки, кибербезопасность и т. д. Соответственно, с увеличением доли цифровых подстанций под сокращения попадут те люди, которые сегодня в основном работают со схемами и «железом» (создание принципиальных и монтажных схем, обслуживание устройств РЗА). Не думаю, что это будет скоро, но сегодняшним студентам уже можно задумываться.
Неизменными в релейной защите останутся алгоритмы и расчет уставок. Они больше привязаны к первичной сети, чем к элементной базе релейной защиты.

Поэтому, если хотите быть релейщиком, отложите изучение МЭК 61850 и займитесь основами. С современными темпами развития компьютерных технологий через 5-10 лет может появиться какой-нибудь МЭК 62950, и всё, что вы изучали относительно предыдущего стандарта, потеряет актуальность. А вот основы РЗА точно не изменятся. Фактически это ваш шанс подняться над технологической суетой и получить знания с ценностью на долгое время.

Ну а если вы уже специалист в релейной защите, то почему бы не изучить стандарты МЭК 61850, чтобы быть в курсе последних событий?

digitalsubstation.com

Пришло время переходить к «Цифровым подстанциям»

В советские времена общественность заинтересованно наблюдала за каждым успехом отечественной промышленности, будь то появление новых устройств и методов или полет очередного корабля в космическое пространство. Сегодня ни о каком «космосе» речи уже не идет.

Новые прогрессивные технологии, сталкиваясь с практикой эксплуатации, отвергаются, как «ненужные» и «неадаптированные» к современным реалиям.

Весь процесс импортозамещения нацелен в основном на замещение того оборудования, что уже апробировано и успешно эксплуатируется. Робкие попытки сделать что-то новое тонут в болоте бюрократизма. И некоторые руководители, и специалисты боятся брать на себя ответственность за риски по внедрению новых технологий, рассуждая примерно следующим образом: «от этого я не стану больше получать, а если что пойдет не так – меня накажут». Получается, что перемены вроде бы нужны, но никто осуществлять их не собирается.

И создаются различные НИОКРы, разрабатываются пилотные проекты, проводятся апробации, то есть делаются попытки обкатать технологию в течение довольно продолжительного времени. Между тем иногда средства тратятся на развитие зачастую оторванного от реальности направления, применяемые технологии успевают устареть и стать неактуальными. В результате приходится разрабатывать новые НИОКРы, «пилоты» и «апробации». И так до бесконечности.

Безусловно, релейная защита и автоматика (РЗА) – это одно из самых консервативных направлений в энергетике. Основные принципы работы РЗА сформировались еще до 1960-х годов и до сих пор успешно применяются. Переход на микропроцессорную технику РЗА

в конце 1990-х – начале 2000-х годов давался сложно – специалисты считали, что новое оборудование внесет существенные изменения в принципы работы РЗА, добавит новых проблем в данной сфере и, как следствие, снизит ее надежность.

Переход на более современную технику состоялся, продемонстрировав ее преимущества, что обеспечило активное применение новации в электроэнергетике.

Позднее полноценная альтернатива в виде электромеханических устройств РЗА и вовсе исчезла. Производителям попросту стало невыгодно их выпускать по причине большой себестоимости, необходимости вложения мануфактурного ручного труда и т.д. Куда проще было наладить выпуск микропроцессорной техники – себестоимость в разы ниже, а ценник можно регулировать рыночными механизмами, получая немалую прибыль.

Этот экскурс в историю технологического развития средств релейной защиты и автоматики позволяет напомнить, что и прежде переход на микропроцессорную технику РЗА осуществлялся с трудом. Тогда, как и сейчас, многие не видели явных плюсов перехода на более современные технологии, считая их тупиковыми и усматривая в их популяризации «происки» маркетологов, навязывающих эксплуатирующим организациям покупку новой техники.

Сегодня попытка перевода РЗА на технологию «цифровая подстанция» воспринимается многими точно так же. Появилось множество противников внедрения новой технологии и немало «экспертов», пытающихся с помощью неких «калькуляций» доказать ее нецелесообразность. С ними можно согласиться только в одном: данный переход, если он состоится, не будет простым и породит множество проблем. Это понимают все, поэтому многие резонно спрашивают: нужен ли вообще данный переход?

В Беларуси количество устройств РЗА на микропроцессорной базе составляет около трети от всех устройств РЗА, функционирующих в энергосистеме страны (в России этот показатель едва достигает 20–25 %). Соответственно, две трети действующих устройств РЗА имеют электромеханическую элементную базу и практически исчерпали свой парковый ресурс (срок службы).

Постоянное продление срока службы электромеханических устройств РЗА, переход на более длительный срок их обслуживания и, в конечном счете, на обслуживание по техническому состоянию являются, на мой взгляд, лишь попытками немного продлить им жизнь, но никак не вернуть к полноценной работе.

Необходимы более радикальные шаги, в том числе замена устройств РЗА на более современные.

Микропроцессорная техника активно внедряется последние 15 лет, но за это время энергосистемы Беларуси и России смогли заменить лишь 20–30 % электромеханических устройств РЗА на цифровые при требуемом объеме как минимум 40–70 %. Очевидно, что такие темпы замены не соответствуют темпам старения РЗА, то есть существующие методы замены устройств РЗА не являются оптимальными и необходимо искать какие-то иные, новые подходы. Теоретически такие новые альтернативные подходы способна предоставить технология «цифровая подстанция».

Есть один существенный нюанс. Если срок службы электромеханических устройств РЗА составлял 25 лет, а реально они служили и дольше, то современным производителям такой срок службы уже экономически не выгоден, иначе как продать новые устройства и технику? Эта тенденция наблюдается не только в энергетике. Постоянно сокращается срок службы лампочек, телевизоров, элементов подвески в машине, одежды и т.д. Вот и в устройства РЗА производители, стараясь сэкономить, закладывают меньшие ресурс и долговечность.

Германия, Швеция или Швейцария не так активно переходят на технологию «цифровая подстанция».

Думаю, что эти страны в настоящее время устраивают применяемые там методы постоянной модернизации устройств РЗА, когда обновление устройств осуществляется через каждые 15–20 лет. Благодаря этому подходу, у них нет такого устрашающего процента отработавших свой срок устройств РЗА, как у нас и в России. Соответственно, этим странам в настоящий момент не нужна какая бы то ни было альтернатива функционирующим РЗА, даже имеющая некоторые преимущества. Беларуси же такая альтернатива жизненно необходима, но некоторые специалисты ее почему-то не ищут, ссылаясь на пример Германии и других европейских стран.

В то же время компания RTE, отвечающая за передачу и распределение электрической энергии во Франции, проанализировав успешный опыт строительства и эксплуатации уникальной подстанции 225/90/20 кВ «Blocaux» («Блоко», г. Амьен), приняла решение применить апробированные на ней решения в области технологии «цифровая подстанция» на всех объектах высоковольтной распределительной сети энергетической системы Франции. Планируется, что к 2030 году все подстанции RTE будут реконструированы в соответствии с указанной технологией.

На мой взгляд, без попыток опробовать новые технологии в реальных условиях эксплуатации на действующих объектах будет трудно сделать вывод о значимости и необходимости того или иного подхода, потому что сегодня только рынок может более точно определить, какие устройства с экономической точки зрения целесообразно применять для современной релейной защиты в нашей стране.

Беларусь является своеобразным лидером среди стран СНГ по внедрению цифровых технологий в энергетике.

В конце 2014 года под Гомелем введена в эксплуатацию первая уникальная подстанция напряжением 110 кВ с применением «шины процесса» (один из ключевых компонентов системы РЗА при реализации технологии «цифровая подстанция»). Замечу, что подстанция действующая, реально осуществляющая электроснабжение потребителей города.

Также в Беларуси реализуются и другие объекты с применением технологии «цифровая подстанция» (речь идет о полноценной «шине процесса» и «шине подстанции», а не о передаче сигналов в виде GOOSE и MMS-сообщений). Особо стоит отметить уникальный проект реконструкции высоковольтной подстанции 330 кВ «Могилев». В его рамках планируется применить прогрессивные технологии, уникальные для Белорусской электроэнергетики: отказ от электромагнитных трансформаторов тока (ТТ) за счет применения оптических ТТ, использование уникальных выключателей-разъединителей (то есть фактически не будут устанавливаться отдельные разъединители на открытом распределительном устройстве 110 и 330 кВ!), а также обеспечить полноценную реализацию технологии «цифровая подстанция» не только для целей РЗА, но и для телемеханики, измерений, метрологии, связи и др.

Все это свидетельствует о том, что белорусские энергетики постоянно ищут новые способы и средства реконструкции и модернизации объектов электроэнергетики, что особенно актуально в условиях дефицита финансовых средств, необходимости снижения издержек и повышения эффективности использования ресурсов.

Некоторые специалисты любят утверждать, что технология «цифровая подстанция» окажется дороже классической РЗА с применением традиционных микропроцессорных терминалов. Тем не менее опыт эксплуатации реализованных проектов, в том числе в Республике Беларусь, свидетельствует об эффективности и технико-экономической целесообразности внедрения технологии «цифровая подстанция» при строительстве объектов электроэнергетики.

Однако для достижения более эффективных показателей уже сейчас необходимо существенно изменить подходы к проектированию, строительству и эксплуатации, включая техническое обслуживание, электросетевых объектов энергетики с внесением соответствующих изменений в нормативную документацию.

digitalsubstation.com

В цифровых подстанциях мы видим огромный потенциал

Екатерина Гусева: Андрей Михайлович, что такое цифровая подстанция (ЦПС)?Андрей Епифанов: Для многих людей и даже для работников элекроэнергетики это довольно далёкий и неоднозначно трактуемый термин. В нашем понимании «цифровая подстанция» – это подстанция, оснащённая информационного-технологическими и управляющими системами, в которой информационный обмен между её элементами осуществляется цифровыми информационными потоками. Параметры информационного обмена задаются моделями данных, сервисами и протоколами в соответствии с серией стандартов МЭК 61850.

Сегодня активно создается аппаратная платформа для цифровых подстанций

ЕГ: Для непосвященных это набор не очень понятных терминов. Можете пояснить?АЕ: Попробуем упростить. В настоящее время современная подстанция, как у нас в России, так и за рубежом, представляет собой гибридный набор различных технологических устройств: управления технологическими процессами (АСУ ТП), системы релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗ и ПА), системы обнаружения места повреждения (ОМП), автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учёта (АИИС КУЭ), автоматизированные измерительные системы контроля за технологическими параметрами подстанции и др. Каждое из этих устройств получает от измерительных трансформаторов напряжения и трансформаторов тока аналоговые сигналы, преобразует их в цифровые, и, соответственно, каждое из этих устройств и систем уже работает на цифровых принципах. Долгое время передача информации от измерительных трансформаторов к указанным видам устройств, а также между устройствами осуществлялась в аналоговом виде, по кабелям с медными жилами. Перелом настал с введением серии стандартов МЭК 61850, предложившей способ передачи информации в цифровом виде. В настоящее время есть целая линейка цифровых измерительных трансформаторов, являющихся элементами первичного оборудования подстанции, созданы устройства релейной защиты, автоматики и учёта, способные работать с данными полностью в цифровом виде. То есть, можно сказать, создается аппаратная платформа для цифровых подстанций.

ЕГ: Новая техника, как правило, – это увеличение стоимости. В чём Вы видите привлекательность и эффективность «цифровой подстанции»?АЕ: Давайте рассмотрим на примере существующих и строящихся объектов. Каждая подстанция занимает, как правило, довольно большую территорию, по которой для управления, релейной защиты, измерений прокладываются сотни километров кабелей с медными жилами, по которым передаются электрические аналоговые сигналы. Для создания этих коммуникаций требуется выполнение множества различных строительных и монтажных работ по обустройству кабельных туннелей или лотков, прокладке кабелей. Эти проблемы осложняют проектирование, монтаж и наладку оборудования. Переход к ЦПС сводит к минимуму перечисленные проблемы, автоматически повышается надёжность и безопасность, так как цифровые технологии предусматривают использование постоянной диагностики всех подключений. Применение оптоволоконных кабелей позволяет значительно снизить трудоёмкость и объёмы выполнения работ. Кабели прокладываются более компактно и, по сравнению с традиционной ПС, их объём уменьшается на порядок. Для того чтобы эти принципы были практически реализованы с высокой надёжностью и обеспечивали выполнение функций аппаратурой РЗА, ПА и других устройств, надо было ещё решить ряд непростых задач: разработать специальный протокол связи между устройствами, обеспечивающий доставку нужной информации в заданное время (счет идёт на миллисекунды и микросекунды) и с гарантированной точностью, чтобы цифровые измерительные потоки, попавшие в аппаратуру РЗА, правильно были расшифрованы, поэтому все источники измерений должны быть точно синхронизированы между собой. Решение всех перечисленных выше задач и ряда других взяла на себя Международная Электротехническая Комиссия, разработав группу стандартов МЭК 61850 «Сети и системы связи на электроэнергетических объектах». Внедрение данных стандартов в полном объёме и создаёт возможности для создания технологии «Цифровая подстанция». Этот стандарт состоит из более чем 20 глав и охватывает вопросы проектирования систем автоматизации в электроэнергетике, конфигурирования устройств, правила организации информационных потоков между цифровыми терминалами, требования к устройствам, программу испытаний цифровых терминалов на соответствие стандарту, а также включает информационные материалы, описывающие лучшие практики по применению стандарта при построении систем.

Профотек

Мы ожидаем от рынка не просто «цифровую подстанцию», а набор интеллектуальных решений, позволяющих обеспечить высокую эксплуатационную готовность оборудования и при этом снизить издержки.

ЕГ: То есть эффективность ЦПС заключается в экономии кабелей?АЕ: Это лишь попутный эффект, но отнюдь не главный. Переход на цифровую передачу данных открывает совершенно новые возможности. Например, возможность реализовывать проект в цифровом виде – «цифровое проектирование». Цифровое проектирование не просто в виде черчения в электронном виде, а возможность создания такой проектной документации, которую можно будет загружать непосредственно в устройства в виде файлов конфигурации. Это даёт нам выход на существенно иной уровень типизации технических решений, а как следствие – снижение количества ошибок, аварий, повышение надежности. Кроме того, цифровая передача данных между устройствами – это возможность по-новому взглянуть на аппаратный состав этих систем. Многие технические решения на энергообъектах принимаются исходя из необходимости иметь разделённые друг от друга системы с разным функциональным назначением. Однако когда речь идет про «цифру» и, в частности, про «оптику», где нет прямой гальванической связи между разными устройствами, всё становится иначе, появляется необходимость пересмотреть принятые нормативы и объединить первичные измерения для всех подсистем на единой шине. Наконец, цифровая передача данных – это ещё и возможность добавления новых функций в существующую систему без необходимости ее переработки. Можно сравнить это с современной электроникой, когда на ту же аппаратную платформу устанавливается новое программное обеспечение, открывающее доступ к новым функциональным возможностям. Именно в этом мы видим потенциал развития и создания решений, позволяющих гораздо эффективнее использовать информацию о работе оборудования, проводить его диагностику в темпе процесса, оптимизировать или полностью автоматизировать проведение плановых испытаний оборудования. Так, например, сегодня мы проводим опытную эксплуатацию системы мониторинга воздушных линий, работающей на базе выделения и обработки спектрального состава высокочастотных сигналов, позволяющих определять текущее состояние линии электропередачи и нештатные ситуации по их характерным шумам – «отпечаткам пальцев». Подобные алгоритмы будут находить более широкое применение и при диагностике силового оборудования. Здесь можно отметить опыт североамериканской ассоциации NASPI применения синхронизированных измерений, направленных на диагностику оборудования и вторичных систем. Поэтому мы ожидаем от рынка не просто «цифровую подстанцию», а скорее набор интеллектуальных решений, позволяющих обеспечить высокую эксплуатационную готовность оборудования и при этом снизить издержки. При использовании цифровых каналов для управления понижается требование по нагрузке на измерительные трансформаторы тока и напряжения. Сегодня для сверхвысокого класса напряжения на рынке предлагаются оптические и электронные трансформаторы тока и напряжения, сопоставимые по цене с традиционными. Они технологичнее и проще в эксплуатации, не содержат масла либо элегаза и сердечника, вносящего нелинейные искажения за счёт насыщения и остаточного намагничивания. В настоящее время, внедрив подобный трансформатор тока на полигоне в ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», мы рассматриваем такое проектное решение для установки на ПП 500 кВ Тобол МЭС Западной Сибири.

switchview-1

Одним из основных препятствий на пути внедрения измерительных комплексов цифровых подстанций до недавнего времени являлось несовершенство существующего метрологического обеспечения, но сейчас эта проблема уже решена.

ЕГ: О «цифровых подстанциях» впервые начали говорить уже более 7 лет назад, в то время как внедрение ограничивается лишь несколькими опытными проектами. Что же мешает широкомасштабному внедрению и чего не хватает для этого?АЕ: Если говорить про нормативную проблему, то одним из основных препятствий на пути внедрения измерительных комплексов цифровых подстанций до недавнего времени являлось несовершенство существующего метрологического обеспечения и, в первую очередь, практически полное отсутствие отечественной нормативно-методической базы по метрологическому обеспечению ЦПС. В связи с этим задача разработки отечественной нормативно-методической базы и технического обеспечения процессов метрологического контроля элементов ЦПС была одной из самых приоритетных задач на пути внедрения подстанций нового поколения. ПАО «ФСК ЕЭС» совместно с с ФГУП «ВНИИМС» начали работу по практическому приведению принципа единства измерений до требуемого уровня. Помимо разработки нормативно-технических документов требуется также создание эталонной базы ЦПС, которая содержала бы необходимые технические средства для поверки измерительных трансформаторов, устройств сопряжения с шиной процесса, цифровых приборов учёта электроэнергии и другого оборудования, что было включены в цели работы ФГУП «ВНИИМС» в рамках НИОКР. Результат этой работы заключается в том, что создаваемая нормативная база позволит проводить испытания и по их результатам вносить цифровые измерительные трансформаторы, устройства сопряжения с шиной процесса, счётчики электроэнергии с цифровым интерфейсом и другое оборудование ЦПС в реестр средств измерений и легитимно использовать его для целей построения систем измерений и коммерческого учёта электроэнергии. Это серьёзный шаг вперёд, который открывает нам возможность полностью использовать весь потенциал цифровых технологий. В целом же необходимо отметить, что настоящий «бум» «цифровых подстанций» возможен только при значительном удешевлении и резком повышении функциональности предлагаемых решений.

Siemens

Основные документы из серии МЭК 61850 сегодня заявлены в планы и будут утверждены в качестве национальных стандартов.

ЕГ: Можно ли утверждать, что теперь всё готово к серийному внедрению цифровых подстанций, или всё-таки какая-то работа ещё предстоит?АЕ: Огромная работа по формированию идеологии метрологического обеспечения технологии «цифровая подстанция» в целом завершена. Параллельно в ПАО «ФСК ЕЭС» выполняется ряд пилотных проектов, опыт проектирования и реализации которых учитывается при разработке новых нормативов. Отдельные нормативные документы, носящие внутриведомственный характер, будут введены в работу в качестве стандартов ПАО «ФСК ЕЭС». Основные документы пакета 61850 сегодня заявлены в планы и будут утверждены в качестве национальных стандартов. Параллельно мы запустили ещё одну достаточно одну масштабную работу в этой области, касающуюся типизации и создания каталога проектных решений, в том числе в области цифровых подстанций. Сегодня значительная часть в конечной стоимости устройств вторичной коммутации на ПС уходит на проектирование, монтаж и наладку. Именно в этой области следуют искать возможности для повышения эффективности. Некоторые производители РЗиА уже сейчас это понимают, начинают развивать соответствующие типовые линейки, средства автоматизированного проектирования, поэтому мы, являясь одним из крупнейших потребителей, хотим определить прикладные профили стандарта МЭК 61850, применимые в рамках объектов ПАО «ФСК ЕЭС», и формализовать требования к устройствам в части поддержки в них стандарта МЭК 61850, чего до сих пор у нас не было. Здесь мы, в частности, опираемся на опыт европейских коллег из объединения ENTSO-E. Для электросетевых компаний Европы нормальная практика требовать предоставление файла описания конфигурации подстанции в соответствии с МЭК 61850 в качестве результата работы по проектированию и наладке. Это позволяет снять массу вопросов, связанных с расширением объекта в будущем и его текущей эксплуатацией. У нас пока такой практики нет, но работа по созданию прикладных профилей и каталога типовых решений призвана эту задачу решить, попутно автоматизировав процедуру приёмки результатов работ по проектированию, контроля правильности принимаемых проектных решений – всего того, что сегодня делается исключительно вручную. После того как и эта работа будет завершена, а параллельно будет реализован ещё ряд пилотных проектов, уверен, мы сможем перейти к созданию цифровых подстанций на новом уровне.

Мы хотим определить прикладные профили стандарта МЭК 61850, применимые в рамках объектов ПАО «ФСК ЕЭС», и формализовать требования к устройствам в части поддержки в них стандарта МЭК 61850, чего до сих пор у нас не было.

ЕГ: Как далеко в строительстве «цифровых подстанций» продвинулись за пределами России?АЕ: Лидером в строительстве «цифровых подстанций» безусловно является Китай, который ежегодно вводит в эксплуатацию несколько десятков таких ПС. Однако стоит отметить, что технологии китайских коллег несколько отличаются от принципов построения ЦПС, принятых в ПАО «ФСК ЕЭС», и зачастую не соответствуют требованиям международных стандартов. Всемирно известные бренды, такие как Alstom (GE), ABB имеют пилотные объекты применения цифровых измерений и защит. Например, ПС «Осбальтвик» (Великобритания, КРУЭ 420 кВ), ПС «Сомад» (Франция, КРУЭ 245 кВ) со встроенными трансформаторами тока с катушкой Роговского, электронными трансформаторами напряжения, протоколами связи МЭК 61850-9-1, МЭК 61850-9-2, счётчики LANDIS+GYR, реле дифференциальной защиты Alstom, дистанционные защиты Alstom и Siemens.

ЕГ: На основании всего сказанного складывается впечатление, что с цифровыми подстанциями Вы связываете большое будущее, так ли это?АЕ: Да, в цифровых подстанциях мы видим огромный потенциал. В переходе на «цифру» для обмена информацией в рамках всех вторичных систем подстанций мы видим возможность для полного пересмотра структуры построения этих систем, делая их надежнее и, одновременно, эффективнее, а сами подстанции безопаснее, но надо понимать, что это очень ответственная работа, и она должна проводиться последовательно. [ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение]

digitalsubstation.com