Комплексное тестирование цифровой подстанции с использованием симулятора RTDS

Вместе с «Релематикой» и EnLAB рассказываем про опыт испытаний комплекса цифровой централизованной защиты подстанции.

Сегодня один из самых актуальных вопросов в энергетики России — внедрение и тестирование цифровых подстанций, реализованных с применением стандарта IEC 61850 [1]. Заказчиками рассматриваются различные варианты технических решений, которые, впрочем, сводятся к двум основным вариантам: организации релейной защиты с распределением функций по отдельным терминалам и выполнение комплекса РЗА всего объекта в одном или нескольких централизованных устройствах. В статье рассматривается опыт испытаний комплекса цифровой централизованной защиты (ЦЦЗ) подстанции 110/35/6 кВ [2].

Техническое решение предусматривает интеграцию в одном устройстве функций релейной защиты и автоматики, измерения, сигнализации и управления коммутационной аппаратурой всей подстанции. Сбор информации о состоянии объекта по стандарту IEC 61850 позволяет минимизировать количество точек подключения к первичному оборудованию и обеспечивает доступность измерений для всех функций РЗА. Применение централизованного подхода обеспечивает минимизацию горизонтальных связей между устройствами и сокращение коммуникационного оборудования на подстанции по сравнению с децентрализованными решениями. Также необходимо отметить значительный экономический эффект от реализации такого решения: уменьшение количества устройств защиты, медных кабелей, а также времени на монтаж и ввод в эксплуатацию.

В процессе разработки и внедрения централизованной защиты возникает необходимость тестирования не только отдельных ее компонентов, но и проведения комплексных испытаний в условиях, максимально приближенных к условиям работы защищаемого объекта. Комплексное тестирование позволяет не только проверить правильность работы отдельных функций и измерительных органов устройства, но и убедиться в корректности алгоритмов взаимодействия всей системы защиты и автоматики объекта с использованием GOOSE-сообщений, а также проверить корректность задания уставок и настроек защиты для различных режимов защищаемого объекта.

Основная особенность тестирования ЦЦЗ — моделирование работы большого количества аналоговых и дискретных сигналов, поступающих со всего защищаемого объекта. Применение портативного программно-аппаратного симулятора RTDS позволяет не только имитировать работу энергосистемы, но и выдавать необходимое количество SV-потоков и GOOSE-сообщений с получением полноценной обратной связи от тестируемого устройства. Удобный графический редактор RSCAD позволяет создавать и корректировать модель объекта энергосистемы, ускоряя процесс выявления наиболее сложных режимов для работы устройства.

Испытания цифровой централизованной защиты

Испытания ЦЦЗ с помощью программно-аппаратного комплекса RTDS проводятся на схеме «цифрового двойника» — ПС 110/35/6 кВ «Пойковская» Тюменской энергосистемы, представленной на рис. 1.

Испытаниям подвергается шкаф ЦЦЗ (рис. 2) производства компании «Релематика», включающий в себя:

• два терминала ЦЦЗ типа «ТОР 300 ПС 701» (исполнение 3/4) с функциональными кнопками (36 шт.) и цветным TFT экраном (800×480);
• два управляемых коммутатора третьего уровня типа «MOXA PT-G7828» для приема и передачи цифровых сигналов IEC 61850;
• сервер точного времени типа «Метроном-600».

Программно-аппаратный комплекс RTDS был предоставлен фирмой «ЭнЛАБ», являющейся эксклюзивным представителем в России канадской компании RTDS Technologies. В его состав вошли:

• портативный шкаф симулятора RTDS с установленными в нем двумя процессорными модулями PB5, модулем приема-передачи интерфейса рабочей станции GTWIF, двумя модулями сетевых интерфейсов GTNET и модулем интерфейса панелей ввода-вывода GTFPI;
• модуль универсальный программируемый GTFGA с 16 медными портами Ethernet, обеспечивающий передачу девяти SV-потоков, необходимых для работы двух комплектов централизованной защиты;
• ноутбук с установленным программным обеспечением RSCAD.

Комплексные испытания централизованной защиты предусматривают проведение ряда опытов коротких замыканий в прилегающей сети и в пределах защищаемого объекта (на рис. 1 отмечены точки КЗ, рассматриваемые в рамках данного тестирования):

• металлические КЗ в различных точках;
• трехфазные, междуфазные, однофазные и двухфазные КЗ на землю с различными переходными сопротивлениями;
• одновременные КЗ в двух точках энергосистемы;
• КЗ, переходящие из одного вида в другой в одной точке с любыми моментами и временами перехода;
• КЗ, переходящие из одной точки в другую, в том числе с изменением вида КЗ в любой момент и с любым временем перехода;
• повреждения, моделируемые на фоне отклонений частоты сети и на фоне качаний.

В дополнение к различным условиям КЗ проверяются определенные рабочие команды, вызывающие различные переходные процессы, например, пусковые токи намагничивания силовых трансформаторов и т. д.

Во время испытаний учитывается угол включения на КЗ, варьируются значения параметров системы (напряжение и сопротивление) для обеспечения полноценного тестирования комплекса защит в минимальных и максимальных режимах работы сети.

В качестве нагрузки в различных режимах подключается динамическая нагрузка, эквивалентный асинхронный двигатель, синхронный компенсатор, батарея статических конденсаторов. Проводятся испытания работы защиты при различных переключениях в энергосистеме и скачкообразном изменении нагрузки.

Корректность работы отдельных функциональных блоков защиты контролируется с помощью светодиодной индикации и осциллограмм, записанных терминалом РЗА, а также дискретных сигналов, получаемых от устройства РЗА программой RSCAD по протоколу стандарта IEC 61850.

Информация о текущем состоянии подстанции (положение КА, электрические величины) и работоспособности защит дублируется в АСУ ПТК UniSCADA производства «Релематики» по стандарту IEC 61850 (MMS), выполняющая функцию АРМ оперативного персонала. ПТК на основе полученных с устройств РЗА осциллограмм, уставок и конфигурации автоматически формирует протокол анализа действия защит, что позволяет перейти с периодического технического обслуживания на обслуживание по состоянию.

Процедура испытаний выглядит следующим образом (рис. 3):

1. Создается модель сети в программе RSCAD. Данные по параметрам энергосистемы, линий, трансформаторов и прочее предоставляются заказчиком.
2. Выбирается режим работы сети, место и вид КЗ.
3. RSCAD проводит расчет режима, в результате чего выдаются значения токов и напряжений в реальном времени.
4. Симулятор RTDS подает расчетные величины токов и напряжений в наблюдаемых узлах (в формате SV-выборок) на терминалы ЦЦЗ.
5. RSCAD фиксирует реакцию терминалов и встроенных функций защит на данный вид повреждения и корректирует их значения в режиме реального времени для новой конфигурации системы.
6. АСУ ПТК «UniSCADA» собирает и отображает в реальном времени положение КА, электрические величины на однолинейной мнемосхеме подстанции, а также работоспособность устройств ЦЦЗ. По мимо этого, ПТК удаленно осуществляет управление КА и защитами.
7. На основе полученных осциллограмм, уставок и конфигурации с устройств РЗА в сервере АСУ ПТК «UniSCADA» автоматически формирует протокол анализа аварийного события.
8. Выбирается иной режим работы и вид КЗ, и далее повторяется п. 3 и следующие.

Несомненным преимуществом такого вида испытаний является высокая достоверность моделирования режимов работы сети, значительное количество расчетных видов и мест КЗ для оценки работоспособности комплекса защит и получение величин токов и напряжений в наблюдаемых узлах при КЗ в разных точках сети защищаемого объекта.

Разумеется, подобный объем работ затруднительно проводить для каждого энергообъекта во время приемо-сдаточных испытаний оборудования. При этом на стадии реализации пилотных проектов внедрения цифровых ПС текущий подход оправдан. С другой стороны, имея на руках готовые значения уставок и конфигураций оборудования, подготовленных для реального энергообъекта, возможно значительно сократить пуско-наладочные работы на подстанции при проведении ряда таких испытаний на стадии заводских ПСИ.

По результатам испытаний были скорректированы некоторые уставки и параметры защиты. Во время испытаний зафиксировано, что тестируемая ЦЦЗ подстанции 110/35/6 кВ «Пойковская» обеспечивает чувствительность и селективность работы при всех видах повреждений.

Выводы

• В ходе испытаний с применением стандарта IEC 61850-9-2 (SV-потоки) ЦЦЗ показала работоспособность во всех режимах испытаний.
• Времена действия защит во всех режимах не превысили заданные параметры.
• Применение для испытаний программно-аппаратного комплекса RTDS значительно улучшило качество проведения испытаний, повысило надежность срабатывания комплекса защит и значительно снизило связанные с испытаниями расходы.
• Функция автоматического формирования протокола анализа действия защит позволила оперативно решать вопросы в части правильности работы устройств ЦЦЗ.
• Управление и мониторинг цифровой подстанции с помощью АСУ ПТК «UniSCADA» позволили дистанционно собирать всю необходимую информацию с ЦЦЗ, производить их конфигурацию и диагностику, в том числе вспомогательного оборудования, в реальном времени.
• Рекомендуется проведение такого рода испытаний для пилотных проектов внедрения цифровых ПС.

Литература

1. IEC 61850-2. Communication networks and systems in substations — Parts 2: Glossary, technical specification. Edition 1 (Термины и определения).
2. Иванов С.В., Буров А.В. Централизованная релейная защита подстанции 110/35/6 кВ на принципах системной интеграции алгоритмов защит в едином устройстве. «Электроэнергия. Передача и распределение» № 5 (44) Сентябрь-Октябрь 2017.
3. Мочалов Д.О., Законьшек Я.В., Шамис М.А. Комплексы моделирования в реальном времени современных энергосистем. «Релейная защита и автоматизация», № 1, 2013.

Источник: Цифровая подстанция