Применение стандарта МЭК-61850 в микропроцессорных терминалах релейной защиты и автоматики

Введение

Активное внедрение цифровых технологий становится современной тенденцией развития самых различных отраслей. При этом электроэнергетика является ведущей отраслью мировой промышленности, в которой инновационные технологии находят применение одними из первых. Так было с внедрением электронных вычислительных машин, силовых полупроводниковых элементов, микропроцессорных средств автоматизации и управления и др. В частности, уже в 2003 году появилась первая редакция международного стандарта МЭК-61850 [1]. Этот документ определяет не только протоколы обмена данными между интеллектуальными устройствами на электрических станциях и подстанциях, но и всю идеологию построения микропроцессорных систем автоматического управления и защиты, выполненных с помощью цифровых технологий измерения, обработки и передачи информации в электронном виде. Важнейшей частью стандарта является описание процесса конфигурирования устройств и комплексного проектирования электроэнергетических объектов, соответствующих требованиям стандарта МЭК-61850.

Несмотря на то, что микропроцессорные средства управления в электроэнергетике активно применяются достаточно давно — так, микропроцессорные терминалы релейной защиты и автоматики (РЗА) активно внедряются на электрических станциях и подстанциях с начала 90-х годов, а централизованные комплексы противоаварийной автоматики на базе ЭВМ применяются уже с 80-х годов прошлого века, — в начале XXI века появляются новые термины, такие как «цифровая подстанция» и «цифровая энергетика». Так в чем же заключается новизна? Ключевым моментом, определяющим отличие «цифровой энергетики» от традиционной энергетики с активным применением микропроцессорных средств управления, является переход от аналоговой формы передачи сигнала к передаче сигнала в оцифрованном виде. Так, широко применяемые в настоящее время микропроцессорные терминалы релейной защиты и автоматики, несмотря на внутреннюю обработку информации в «цифре», получают входные сигналы в виде аналоговых значений с измерительных трансформаторов тока и напряжения. Выходные сигналы управления также формируются в виде «аналоговых» напряжений, коммутируемых выходными реле микропроцессорных блоков управления. Данный подход обеспечивает высокую степень совместимости с уже имеющимся оборудованием на электрических станциях и подстанциях, в частности коммутационными аппаратами и измерительными трансформаторами, что предоставляет возможность поэтапной реконструкции комплексов релейной защиты и автоматики как на отдельных подстанциях, так и в целых сетевых районах единой электроэнергетической системы.

В настоящее время микропроцессорные системы все более широко используются в самом разном электроэнергетическом оборудовании, например в современных элегазовых и вакуумных выключателях, измерительных трансформаторах и т. п. Наличие данных измерений и сигналов управления в цифровом виде непосредственно в измерительных элементах и конечных элементах управления обусловливает закономерный отказ от аналоговой формы передачи сигнала. В противном случае будет иметь место многократное дублирование операций преобразования сигналов из аналоговой формы в цифровую и наоборот.

Реализация комплекса РЗА на микропроцессорной элементной базе

Рассмотрим структурную схему классического варианта реализации комплекса РЗА, представленную на рис. 1. На данной схеме показаны основные блоки, входящие в состав большинства современных микропроцессорных терминалов РЗА, а именно блоки входных вторичных измерительных трансформаторов тока и напряжения TA и TV, измерительные преобразователи ИП аналоговых входных сигналов в цифровую форму, логическая часть ЛЧ, реализующая все функции защиты и управления в соответствии с заданными параметрами и уставками, блоки дискретного управления (ДУ), обеспечивающие формирование выходных сигналов защиты в виде «сухого контакта». Перечислим основные недостатки данного подхода: во-первых, это сложность монтажа и обслуживания вторичных измерительных цепей и цепей управления; во-вторых, необходимость «подвести» аналоговый сигнал для каждого терминала РЗА, использующего его при выполнении своих функций (в частности, речь идет о сигналах с измерительных трансформаторов напряжения, но не ограничивается этим); в-третьих, потребность в гальванической развязке и преобразовании уровней входных аналоговых сигналов тока и напряжения в каждом терминале РЗА через вторичные измерительные трансформаторы тока и напряжения; в-четвертых, применение дорогостоящих аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в каждом терминале РЗА для операции преобразования в цифровую форму одного и того же сигнала; в-пятых, существенные расходы «на медь» при передаче аналоговых сигналов от измерительных трансформаторов к микропроцессорным терминалам РЗА с учетом удаленности, потерь сигнала и допустимого уровня помех.

Рис. 1. Классический вариант реализации комплекса РЗА на микропроцессорной элементной базе

Реализация комплекса РЗА на цифровой подстанции

На рис. 2 показана структурная схема комплекса РЗА, выполненного в соответствии с принципами реализации цифровых подстанций. Здесь измерительные преобразователи (ИП) входят в состав вторичных измерительных преобразователей тока и напряжения TA и TV, формирующих выходной сигнал в уже оцифрованном виде. Коммутационные аппараты (трехфазные высоковольтные выключатели) содержат блок дискретного управления выключателем ДУ, обеспечивающий удаленное управление состоянием коммутационного аппарата цифровыми командами управления. В этих условиях обязательной частью терминала РЗА будет только логическая часть, что позволяет существенно уменьшить их массу и габариты, снизить стоимость за счет отсутствия дорогих АЦП и элементов гальванической развязки. Кроме того, сокращаются расходы на передачу сигналов между отдельными устройствами комплекса РЗА благодаря применению для передачи сигналов на физическом уровне интерфейса Ethernet. Поскольку фильтрация входящих данных в цифровой форме может осуществляться на программном уровне, нет необходимости в индивидуальных связях между отдельными устройствами, вместо этого они могут быть объединены в единую сеть. Для обеспечения более эффективной работы сети с точки зрения коллизий при передаче данных, обеспечения требуемого быстродействия и надежности доставки команд управления на цифровой подстанции применяется две независимые сети — шина процесса и шина присоединения. Шина процесса используется для передачи данных от измерительных трансформаторов тока и напряжения. Шина присоединения предназначена для передачи команд управления выключателями, обмена данными между терминалами РЗА, удаленного конфигурирования оборудования и реализации функций АСУТП. Необходимо отметить, что стандарт МЭК-61850 обеспечивает полноценную замену ранее широко используемому стандарту МЭК-60870 [2] для реализации систем АСУТП на электрических станциях и подстанциях.

Рис. 2. Реализация комплекса РЗА на цифровой подстанции

Тем не менее имеющиеся в настоящий момент на рынке готовые решения, в частности микропроцессорные терминалы РЗА, соответствующие требованиям МЭК-61850, оказываются значительно дороже их «менее цифровых» аналогов. Связано это в первую очередь с тем, что данные решения полностью совместимы с предыдущим поколением оборудования, то есть способны принимать как цифровые, так и аналоговые входные сигналы и формировать управляющие воздействия как в «цифре», так и через обычные выходные реле в виде «сухого контакта». Фактически это означает присутствие в составе терминала РЗА всех блоков, имеющихся и в обычных, не совместимых со стандартом МЭК-61850 терминалах. Понятно, что ни о каком снижении стоимости не может быть и речи. Усугубляет данную ситуацию тот факт, что большинство промышленно выпускаемых решений, поддерживающих МЭК-61850, в реальности обеспечивают лишь работу по шине присоединения, что несомненно упрощает и облегчает монтаж и эксплуатацию вторичных цепей, позволяет работать напрямую с современным коммутационным оборудованием, но не избавиться от аналоговых входных цепей, поскольку это единственный в данных решениях путь получения информации с измерительных трансформаторов тока и напряжения. Таким образом, в настоящий момент наблюдается определенный дефицит цифровых решений в достаточно широком ценовом диапазоне.

Цифровые решения для распределительных сетей 6–10 кВ

ООО «Инженерно-производственное предприятие «Промэлектромодуль» совместно с ООО «Лабораторные системы» разработало комплексное решение, предназначенное для внедрения в схемах электроснабжения мощных потребителей и распределительных сетях 6–10 кВ (рис. 3), ключевым отличием которого является полный отказ от аналоговой передачи данных. Для преобразования аналоговых сигналов с измерительных трансформаторов тока TA и напряжения TV в цифровую форму созданы измерительные преобразователи токов и напряжений CVC, обеспечивающие преобразование до четырех каналов тока и до четырех каналов напряжения в цифровую форму в соответствии со стандартом МЭК-61869 [3]. Данный стандарт определяет требования к цифровому выходному сигналу современных цифровых измерительных трансформаторов тока и напряжения и фактически является более новой редакцией раздела 9.2 МЭК-61850 [4]. Преобразователи могут быть установлены как непосредственно в ячейках КРУ 6–10 кВ, так и в отдельном шкафу/стойке. Для управления выключателями CB разработан блок цифрового управления выключателем CBC, обеспечивающий прием и передачу команд управления по протоколам GOOSE и MMS, определенным в стандарте МЭК-61850 [5]. Данные преобразователи также могут быть размещены непосредственно в ячейке КРУ ЗРУ 6–10 кВ. Терминал релейной защиты и автоматики PU состоит из основной платы MB, контроллеров шины процесса PBC, контроллеров шины присоединения UBC и контроллера пользовательского интерфейса UIC. Таким образом, все входные и выходные сигналы терминала поступают по четырем интерфейсам Ethernet (с учетом реализации протокола параллельного резервирования PRP [6]). Контроллер пользовательского интерфейса может иметь как классическую реализацию в виде монохромного графического OLED-дисплея с элементами управления, так и в виде беспроводного модуля, обеспечивающего доступ к настройкам терминала через специализированное мобильное приложение.

Рис. 3. Структурная схема цифрового комплекса РЗА ИПП «Промэлектромодуль»

Применение в учебном процессе

Рассмотренные выше решения широко используются в специализированном учебном оборудовании ООО «Лабораторные системы», в частности в лабораторном стенде «Модель цифровой подстанции» (рис. 4). Стенд содержит физическую трехфазную модель двухтрансформаторной подстанции с возможностью создания симметричных и несимметричных коротких замыканий. Данный лабораторный стенд полностью соответствует требованиям международного стандарта МЭК-61850 как в части передачи сигналов измерений по МЭК-61850-9.2, так и передачи команд управления по МЭК-61850-8.1. Стенд обеспечивает исследование вопросов, связанных с настройкой и эксплуатацией интеллектуального оборудования цифровых подстанций, включая цифровые измерительные трансформаторы тока и напряжения, трехфазные выключатели с цифровым управлением, микропроцессорные терминалы релейной защиты и автоматики. Стенд позволяет изучить используемые протоколы передачи данных, исследовать процессы взаимодействия устройств РЗА в штатных и аварийных режимах работы, приобрести навыки настройки параметров комплекса РЗА цифровой подстанции.

Рис. 4. Лабораторный стенд «Модель цифровой подстанции»

Заключение

Разработанные ООО «ИПП «Промэлектро­модуль» решения для цифровых подстанций нацелены на более широкое внедрение цифровых технологий в комплексах релейной защиты и автоматики распределительных сетей 6–10 кВ за счет снижения эксплуатационных и капитальных затрат. Данные решения могут быть использованы как для модернизации существующих сетей, так и при обучении и/или переподготовке специалистов в области релейной защиты и автоматики в соответствии с новейшими тенденциями развития в области электроэнергетики.