Моделирование систем информационного обмена комплексов релейной защиты и автоматики цифровых подстанций

Введение

Современное состояние электроэнергетики характеризуется все более широким внедрением микропроцессорных средств защиты и управления, развитием систем телеметрии, телесигнализации и телеуправления. Массовое применение устройств на микропроцессорной элементной базе привело к постепенному переходу на цифровую форму передачи сигналов измерений и управления.

В частности, наметилась определенная тенденция перехода к централизованным комплексам микропроцессорных систем релейной защиты и автоматики (РЗА), а также на цифровые электростанции и подстанции [1], в основу которых положен принцип передачи сигналов между первичными измерительными преобразователями, исполнительными элементами, средствами релейной защиты и автоматики, приборами учета электрической энергии и т. п. только в цифровой форме.

Непрерывно растущие функциональные возможности и совершенствование элементной базы микропроцессорных средств управления определяют новые принципы их построения и алгоритмы работы. Так, увеличение вычислительной мощности и совершенствование средств передачи информации применяемых контроллеров и микроконтроллеров в совокупности с ростом процента оснащения объектов электроэнергетики микропроцессорными средствами управления определило новый этап развития систем электроснабжения — переход к интеллектуальным электрическим сетям SmartGrid, которые характеризуются не только применением современной элементной базы, но и глобальным изменением принципов формирования систем управления.

Одним из актуальных направлений развития концепции интеллектуальных электрических сетей является совершенствование существующих и создание новых алгоритмов работы микропроцессорных средств релейной защиты и автоматики. При этом, для экспериментальной оценки эффективности разработки, необходима модель электроэнергетического объекта, содержащая систему релейной защиты и автоматики, выполненную на микропроцессорной элементной базе и основанную на передаче сигналов в цифровой форме. Такая модель была создана в виде программно-аппаратного комплекса в рамках развития лабораторной и научно-исследовательской базы Южно-Уральского государственного университета в ООО НПП «Учебная техника — Профи» (г. Челябинск). Комплекс успешно применяется как для подготовки будущих специалистов, так и для выполнения научно-исследовательских работ студентов, магистров и аспирантов, проведения курсов повышения квалификации и переподготовки кадров, реализации хоздоговорных научно-исследовательских работ по заданиям от ведущих предприятий электроэнергетического комплекса России.

Основные принципы реализации цифровых подстанций

В основе работы цифровой подстанции лежит иерархическая система связи интеллектуального первичного оборудования и сетевого вторичного оборудования, при этом осуществляется совместное использование информации и взаимные операции между интеллектуальным оборудованием. Если соотносить новую цифровую подстанцию с традиционной, можно выявить следующие изменения: новый интерфейс связи и коммуникационная модель на уровнях ячейки и подстанции, а на уровне процесса — замещение традиционных ТТ и ТН на электронные ТТ и ТН. Теперь информация во вторичных цепях передается по помехоустойчивому оптоволокну либо по витой дифференциальной паре.

Применение цифровой передачи данных позволяет: уменьшить стоимость вторичных цепей, увеличить помехоустойчивость, упростить процесс проектирования подстанции, топологию вторичных цепей и монтажные работы, применять унифицированные устройства, снизить стоимость устройств РЗА и АСУ ТП, уменьшить размеры подстанции, а соответственно, и текущие эксплуатационные расходы, связанные с отоплением, освещением, и т. п.

Одновременно при переходе на цифровые подстанции изменяется и характер монтажных и пусконаладочных работ. В частности, сокращается объем и трудоемкость работ по прокладке и тестированию кабелей вторичных цепей, появляется возможность централизованной настройки оборудования, диагностика и тестирование сети становятся более тщательными и всесторонними благодаря использованию механизмов цифровой имитации событий.

Программно-аппаратный комплекс «Модель цифровой подстанции»

Комплекс выполнен в виде лабораторного стенда, включающего физическую трехфазную модель двухтрансформаторной подстанции и содержащего модели линий электропередачи, силовых трансформаторов, сборных шин, трехполюсных выключателей, измерительных трансформаторов тока и напряжения, приборов учета электрической энергии. В составе стенда имеются физические устройства релейной защиты и автоматики, выполненные на микропроцессорной элементной базе.

Лабораторный стенд обеспечивает моделирование нормальных и аварийных режимов работы, в частности, режимов симметричных и несимметричных коротких замыканий. Особенностью стенда является реализация типовой структуры цифровой подстанции, предусматривающая моделирование цифровой передачи данных между основными элементами подстанции на уровне присоединения и на уровне процесса. С этой целью модели электроэнергетических объектов реализованы в виде интеллектуальных устройств, обеспечивающих преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму, обработку сигналов в цифровой форме, интеграцию с другими объектами модели подстанции по цифровым каналам передачи данных (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема модели цифровой подстанции

Объект управления выполнен на основе трехфазной модели двухтрансформаторной подстанции. Распределительное устройство высокого напряжения соответствует схеме «Блок линия-трансформатор», что типично для тупиковых подстанций с двумя подходящими линиями. Отходящие линии, питающие активно-индуктивную нагрузку, подключены к распределительному устройству низкого напряжения, представленному в виде схемы «Одна секционированная система сборных шин» (рис. 2). Модели высоковольтных выключателей, оснащенные устройствами согласования с шиной цифровой передачи данных, предоставляют возможность в ручном, автоматическом и дистанционном режимах коммутировать трехфазные силовые цепи, тем самым изменяя схемы питания нагрузок. Для имитации аварийных режимов в составе стенда предусмотрен модуль короткозамыкателя, позволяющий создавать симметричные и несимметричные виды коротких замыканий в различных точках схемы электроснабжения.

Рис. 2. Внешний вид лабораторного стенда «Модель цифровой подстанции»

Измерительные органы комплекса состоят из моделей трансформаторов тока и трансформаторов напряжения. Модули трансформаторов тока вводных выключателей содержат по два однофазных трансформатора, размещенных в фазах «А» и «С». Модули трансформаторов тока отходящих линий содержат измерительные трансформаторы тока во всех трех фазах, что обеспечивает возможность учета электрической энергии. Соответственно, в модуле сборной шины также установлены трансформаторы напряжения в каждой фазе. Аналоговые сигналы, полученные с измерительных трансформаторов тока и напряжения, преобразуются с помощью аналого-цифровых преобразователей микроконтроллеров в цифровую форму и становятся доступными для других элементов модели цифровой подстанции, в частности, цифровых приборов учета электрической энергии, микропроцессорных защит, автоматизированных рабочих мест инженерного персонала и т. п.

Модули микропроцессорных терминалов релейной защиты и автоматики выполняют функции трехступенчатой максимальной токовой защиты, защиты с пуском по напряжению, двукратное автоматическое повторное включение, автоматический ввод резерва и функцию устройства резервирования отказа выключателя. Модули обеспечивают возможность локального и дистанционного конфигурирования по сети. К основным параметрам цифровых защит относятся: выбор измерительных трансформаторов тока и напряжения, «виртуальное» подключение вторичных выходных цепей, ввод/вывод функций защиты и автоматики, задание установок срабатывания защит.

Согласование процессов передачи данных, сигналов управления и измерений по цифровой шине поддерживается с помощью модуля сетевого концентратора. Концентратор является главным устройством, подключенным к шине данных. Обмен данными по сети основан на периодических посылках запросов от концентратора к присоединяемым устройствам. Кроме того, сетевой концентратор обеспечивает интеграцию «интеллектуальных» элементов цифровой подстанции с локальными вычислительными сетями более высокого уровня, например сетью, включающей автоматизированные рабочие места инженерного персонала.

Шина передачи данных выполнена на основе EIA-485 (RS-485) интерфейса. EIA-485 (англ. Electronic Industries Alliance-485) — стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса, регламентирующий электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина». Наличие интерфейса RS-485 в структуре цифровой подстанции — это одно из типовых решений, применяемых на данный момент.

В качестве программного обеспечения стенда используется программная среда DeltaProfi. К основным возможностям DeltaProfi относится: осциллографирование периодических сигналов с частотой выборки сигналов до 200 кГц; регистрация изменения мгновенных сигналов во времени; автоматизация проведения экспериментов и автоматическое снятие функциональных зависимостей; отображение интерактивных функциональных схем выполнения экспериментов (мнемосхем) с индикацией сигналов и управлением системой; програм­мная реализация функций устройств релейной защиты и автоматики; измерение показателей качества электрической энергии. Ввод и вывод аналоговых сигналов измерений и управления осуществляется через специализированную плату аналогового и дискретного ввода/вывода DeltaProfi mod.5.4.3, созданную инженерами лабораторного комплекса. Работа с сигналами в цифровой форме в среде DeltaProfi осуществляется благодаря поддержке двух сетевых интерфейсов: RS-485 и Ethernet. Поддержка интерфейса RS-485 обеспечивает интеграцию в сеть передачи сигналов управления на уровне подстанции и присоединений. Поддержка сети Ethernet — интеграцию в локальную вычислительную сеть предприятия. К основным функциям, связанным с цифровой передачей данных, относятся: сканирование информационной сети и отображение присутствующих устройств, конфигурирование цифровых трансформаторов тока, выключателей, микропроцессорных устройств РЗА, интеллектуальных приборов учета электроэнергии, дистанционное управление состоянием коммутационных аппаратов, мониторинг цифрового обмена данными между интеллектуальными устройствами в составе информационной сети, цифровая имитация последовательности событий на подстанции, отображение сигналов измерений в цифровой форме, ведение журнала и протоколов событий.

Заключение

Представленные возможности программно-аппаратной части лабораторного комплекса обеспечивают как изучение типовых технических решений, так и возможность исследования новых принципов работы и алгоритмов управления электроэнергетическими объектами.