Проектный Центр «ЭКРА»

Проектируем Ваш успех

Разработка комплексных проектных решений при строительстве, реконструкции и модернизации объектов энергетики

Опыт разработки проектной документации цифровой подстанции

Совместная статья ООО ПЦ «ЭКРА» и ООО НПП «ЭКРА»
2018 год

Аннотация: статья посвящена опыту и проблемам, возникающих на этапе разработки проектной и рабочей документации для цифровой подстанции.

Введение

Внедрение инновационной технологии «Цифровая подстанция» (ЦПС) является очередным этапом развития электроэнергетической отрасли и представляет собой комплекс организационных и технических мероприятий, направленных на оптимизацию и повышение эффективности производственных процессов распределения энергетических ресурсов и контроля за ними за счет применения новой технологии управления энергообъектом, построенной с учетом требований международного стандарта.

Проектирование цифровой подстанции. Опыт и проблемы Внедрение технологии ЦПС, как любой новой технологии, проводилось постепенно. На начальных этапах внедрения осуществлялась опытная эксплуатация оборудования ЦПС в пределах одной ячейки, как правило, линейной, выделенной для испытаний. Первыми энергообъектами для испытания оборудования программно-апаратного комплекса ЦПС (ПАК ЦПС) ООО НПП «ЭКРА» были ПС 220 кВ Чистополь, ПС 220 кВ Магистральная (объекты ОАО «Сетевая компания» республика Татарстан), ПС 220 кВ Венец (МЭС Волги), Нижегеродская ГЭС (ПАО «Русгидро») и др. На этих объектах в опытную эксплуатацию были установлены комплексы РЗА, работающие на принципах, предусмотренных стандартом МЭК 61850. Поставке оборудования РЗА ПАК ЦПС на часть вышеуказанных объектов предшествовала разработка проектной документации силами проектировщиков Группы компании «ЭКРА». Таким образом, был получен первый опыт в выполнении проектов технологии цифровой подстанции, а отделы, разрабатывающие оборудование ПАК ЦПС, – первый опыт эксплуатации, статистику надежности работы оборудования, рекомендации по её повышению.

В дальнейшем, с разработкой и утверждением плана мероприятий («Дорожная карта») национальной технологической инициативы «EnergyNet» в 2016 г., начинается комплексное применение технологии «Цифровая подстанция». В настоящее время специалисты Группы компаний «ЭКРА» задействованы в реализации нескольких проектов по программе «Цифровая подстанция», как в рамках вышеуказанной «Дорожной карты», так и вне её. Такими объектами являются подстанции ПАО «МОЭСК» – ПС 110 кВ Медведевская и ПС 220 кВ Хованская, филиала МРСК Центра - «Воронежэнерго» – ПС 110 кВ Спутник и др. В ряде вышеуказанных объектов, кроме проработки технических решений и рекомендаций к применению оборудования производства ООО НПП «ЭКРА», была осуществлена разработка проекта, либо в полном объеме, либо в объеме вторичных систем в части разработки решений программно-аппаратного комплекса цифровой подстанции (ПАК ЦПС).

Для понимания сути проблем, возникающих у проектировщика, в первую очередь необходимо выяснить отличие цифровой подстанции от традиционной. В традиционной подстанции все её вторичные устройства (РЗА, ПА, РАС и др.) имеют между собой достаточно «жесткие» связи. Т.е. передача сигналов измерения, контроля и управления осуществляется по отдельным медным проводам. При этом все связи между оборудованием энергообъекта показываются в структурных, а также в принципиальных и монтажных схемах на этапе выполнения проектной и рабочей документации.

Подготовка специалистов РЗА ПАК ЦПС

В цифровой подстанции передача вышеуказанных сигналов осуществляется посредством локально-вычислительной сети (ЛВС). Локально-вычислительная сеть является элементом более понятным для инженеров-проектировщиков автоматизированных систем управления (АСУ). Отсюда возникает первая проблема при проектировании: требования к компетенции инженера-проектировщика систем РЗА, а также требования к специалистам технических служб РЗА Заказчика в области ЛВС АСУ. Для решения этой проблемы на базе ООО НПП «ЭКРА» были организованы курсы повышения квалификации по программе «программно-аппаратный комплекс «Цифровая подстанция» для проектировщиков и технических представителей заказчиков, где ведущие технические специалисты ООО НПП «ЭКРА» в теоретической и практических формах объясняли принципы работы оборудования ПАК ЦПС.

Выбор оборудования

В ходе выполнения проектно-изыскательских (ПИР), научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) выявлена вторая проблема, возникающая при проектировании – выбор оборудования для построения ЛВС. Требования к оборудованию для построения ЛВС РЗА существенно выше, чем требования к оборудованию для построения ЛВС АСУ. Самое главное эксплуатационное требование – требование по надежности. Указанное оборудование должно бесперебойно работать круглосуточно в течение длительного периода времени. Кроме того, к нему предъявляются более жесткие требования по следующим техническим параметрам:

  1. скорость обработки и передачи информационных пакетов;
  2. возможность работы с пакетами синхронизации времени по протоколу PTPv2 (precision time protocol version 2.0);
  3. гибкости настроек – возможность выделения виртуальных сетей, фильтрации пакетов и т.п.;
  4. работа в резервированных сетях c применением протоколов PRP (Parallel Redundancy Protocol – протокол параллельного резервирования), HSR (High-availability Seamless Redundancy – протокол бесшовного резервирования высокой доступности), RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol - «быстрый» протокол связующего дерева);
  5. наличие не менее двух портов питания.

Для оценки соответствия указанным требованиям в рамках проведения ПИР и НИОКР на базе лабораторий производственных отделов ООО НПП «ЭКРА» были проведены испытания оборудования для построения ЛВС, и выработке рекомендаций к их применению. В ходе проведения испытаний было протестировано оборудование фирм Siemens (RuggedCom), Hirschmann, Phoenix Contact и др.

Совместимость оборудования

При разработке проектной документации и выбору оборудования РЗА необходима проработка вопросов по стыковке основных защит ВЛ (КВЛ, КЛ) с основными защитами смежных подстанций, где комплекс ПАК ЦПС отсутствует. Данная проблематика подробно описана в статье.

Построение архитектуры ЛВС

На этапе разработки технических решений ЦПС требуется проработка выбора топологии ЛВС, способов управления информационными потоками данных. При этом должны быть рассмотрены несколько вариантов реализации архитектуры цифровой шины передачи данных с учетом расчетной загрузки ЛВС.

Основными протоколами передачи данных, согласно стандарту МЭК 61850, являются:

  1. протокол передачи выборочных значений - Sampled Values (SV);
  2. протокол передачи обобщенного объектно-ориентированного события на подстанции - generic object-oriented substation event (GOOSE) – для обмена данными между интеллектуальными электронными устройствами;
  3. протокол передачи спецификации промышленных сообщений - manufacturing message specification (MMS) – для передачи и приема данных между интеллектуальными электронными устройствам и устройствами АСУ.

Согласно данным статьи 4.3 технического отчета рекомендовано осуществлять передачу данных SV по шине процесса, а сообщений GOOSE и MMS по шине станции. Также допускается передача GOOSE-сообщений по шине процесса. Таким образом, как показано на рис.1 существует два варианта распределения трафика по информационным шинам: SV+GOOSE в шине процесса, MMS в шине станции (здесь и далее «вариант №1») и SV в шине процесса, GOOSE+MMS в шине станции (здесь и далее «вариант №2»). Более предпочтительным, согласно указанного отчета, является вариант №2.

Как правило, современные терминалы РЗА имеют два выделенных порта для SV и два порта для GOOSE и MMS. Реализация распределения по «варианту №1» возможна, но при этом необходимо учитывать несколько моментов:

  1. Для разграничения трафика потребуется сконфигурировать VLAN (virtual local area network - логическая («виртуальная») локальная компьютерная сеть), причем топология виртуальной сети GOOSE будет отличаться от виртуальной сети SV, а требования к задержкам приводят к тому, что для каждого VLAN придется настраивать отдельный экземпляр связующего дерева протокола RSTP, чтобы оптимизировать маршруты прохождения SV-потоков и GOOSE-сообщений с точки зрения задержек. Данная технология известна как MSTP (multiple spanning tree protocol – протокол «множественного» разворачивающегося дерева), и не рекомендуется для использования в локальных сетях подстанции согласно статье 6.4.8.4 технического отчета [12], вследствие сложности настройки и конфигурирования данного протокола и влияния отказа оборудования на маршруты во всех VLAN.
  2. Использование двух типов трафика с одинаковым приоритетом в одной шине не позволяет использовать механизмы приоритизации для ускорения прохождения пакетов, более того, если размер SV-потока – величина определённая и постоянная, то количество пакетов GOOSE может нарастать лавинообразно, что при определенных обстоятельствах может привести к задержкам при передаче критичных данных. С этой точки зрения передача GOOSE-сообщений в шине станции по варианту №2 позволяет использовать приоритеты при обработке пакетов, предоставляя GOOSE-сообщениям дополнительную пропускную способность за счет ограничения менее критичного трафика MMS-сообщений.

Варианты распределения трафика по шинам

Рис. 1. Варианты распределения трафика по шинам

Принимая во внимание уровни важности и требования к скорости передачи трафика SV, GOOSE и MMS, архитектуру терминалов РЗА, исходя из требований к отказоустойчивости топологии локальной сети подстанции, можно сделать следующие выводы:

  1. шина процесса должна быть физически отделена от шины станции;
  2. потоки SV должны передаваться только по шине процесса;
  3. сообщения GOOSE и MMS должны передаваться только по шине станции;
  4. для резервирования шины процесса и шины станции, а также шины процесса автоматизированной информационно-измерительной системы коммерческого учета электроэнергии (АИИС КУЭ) должен использоваться протокол PRP совместно с RSTP для дополнительного резервирования.

В качестве примера приведена Цифровая подстанция 110 кВ «Медведевская» (ПАО «МОЭСК»). В процессе разработки проектной документации было предложено несколько вариантов архитектуры ЛВС. В результате технико-экономического обоснования был выбран вариант с раздельным шиной процесса (передача мгновенных выборочных значений SV-потоки), шиной станции (передачи дискретных сигналов – GOOSE-сообщений) и шиной АСУ (передача команд и сигналов MMS-сообщений по ЛВС уровня присоединения и подстанции) как показано на рис. 2.

Структурная схема ПС 110 кВ «Медведевская»

Рис. 2. Структурная схема ПС 110 кВ «Медведевская»

Данный вариант удовлетворяет требованиям Заказчика по зонам эксплуатационной ответственности оборудования Цифровой подстанции. При этом, каждая служба обслуживает и несет ответственность за работу своей ЛВС: в зоне ответственности службы РЗА шина процесса и шина станции с передачей GOOSE-сообщений (ЛВС уровня процесса), в зоне ответственности службы АСУ – шина станции с передачей команд и сигналов MMS-сообщений (ЛВС уровня подстанции и присоединения). Кроме того, данная структура позволяет максимально защититься от внешних угроз влияния на работу оборудования ПАК ЦПС (киберугроз), поскольку достигается максимально возможная изоляция самого важного сегмента сети – терминалов РЗА.

Оформление документации

Традиционное понимание оформления предполагает разработку принципиальных и монтажных схем в соответствии с ГОСТ. Стандартом МЭК 61850 предусматривается разработка электронного варианта проекта в SCL-формате. На сегодняшний день отсутствуют четкие требования к программным продуктам для разработки и визуализации схем взаимодействия IED-устройств. Как правило, каждый производитель оборудования ПАК ЦПС имеет свое программное обеспечение (ПО) для создания и конфигурирования SCL-файлов, но сделано с учетом особенностей работы выпускаемого им оборудования. При этом, возможности конфигурирования оборудования стороннего производителя ограничены. В первую очередь, это продиктовано тем, что оборудование ПАК ЦПС, произведённое различными компаниями, имеет свои особенности по конфигурированию параметров МЭК 61850, которые не могут быть учтены в ПО стороннего производителя. Все вышесказанное, приводит к тому, что в процессе пуско-наладочных работ на объекте требуются дополнительные операции по настройке оборудования ПАК ЦПС.

Выводы

  1. Проектирование цифровых подстанций находиться на начальном этапе развития. При этом в отличие от проектирования традиционной подстанции отсутствуют требования к оформлению документации в части схемы взаимодействия устройств IED.
  2. В каждом конкретном случае проектирования цифровой подстанции для определения архитектуры технологических ЛВС необходимо проводить расчетный анализ загрузки трафика оборудования ЛВС. Уровень загрузки, как правило, зависит от степени сложности главной схемы и объема автоматизации энергообъекта.
  3. Для однозначного понимания объемов работ при проектировании, между заказчиком и проектной организацией необходимо разработать на уровне нормативной или отраслевой документации требования к содержанию и оформлению проектной и рабочей документации для цифровых подстанций.
  4. Проектирование с одной стороны упростилось – значительно уменьшилось количество схем. По сути, документация представлена структурными схемами ЛВС и таблицей сигналов взаимодействия IED-устройств. Но с другой стороны, при этом документация теряет наглядность – отсутствует схемотехническое отображение прохождение сигналов измерения, контроля и управления.
  5. Отсутствует ПО для разработки проекта в SCL-формате.

Список литературы

  1. Communication networks and systems for power utility automation – Part 2: Glossary. International standard IEC 61850-2.
  2. Communication networks and systems for power utility automation – Part 3: General requirements. International standard IEC 61850-3.
  3. Communication networks and systems for power utility automation – Part 4: System and project management. International standard IEC 61850-4 Edition 2.0 2011.
  4. Communication networks and systems for power utility automation – Part 5: Communication requirements for functions and device models. International standard IEC 61850-5 Edition 2.0 2013-05.
  5. Communication networks and systems for power utility automation – Part 6: Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs. International standard IEC 61850-6 Edition 2.0 2009-12.
  6. Communication networks and systems for power utility automation – Part 7.1: Basic communication structure – Principles and models. International standard IEC 61850-7-1 Edition 2.0 2011.
  7. Communication networks and systems for power utility automation – Part 7.2: Basic communication structure – Abstract communication service interface (ACSI). International standard IEC 61850-7-2 Edition 2.0 2010.
  8. Communication networks and systems for power utility automation – Part 7.3: Basic communication structure – Common Data Classes. International standard IEC 61850-7-3 Edition 2.0 2010.
  9. Communication networks and systems for power utility automation – Part 7.4: Basic communication structure – Compatible logical node classes and data classes. International standard IEC 61850-7-4 Edition 2.0 2010.
  10. Communication networks and systems for power utility automation – Part 8: Specific communication service mapping (SCSM) – Mappings to Manufacturing Message Specification MMS (ISO 9506-1 and ISO 9506-2) and to ISO/IEC 8802-3. International standard IEC 61850-8-1 Edition 2.0 2011.
  11. Communication networks and systems for power utility automation – Part 9: Specific communication service mapping (SCSM) – Sampled values over ISO/IEC 8802-3. International standard IEC 61850-9-2 Edition 2.0 2011.
  12. Communication networks and systems for power utility automation – Part 90-4: Network Engineering guidelines. Technical report IEC 61850-90-4 Edition 1.0 2013-08.
  13. Подстанция «Венец» – опытный полигон для цифровой подстанции // Энергетик. – 2017. – №1. – с. 55
  14.  EnergyNet [Электронный ресурс]: Национальная технологическая инициатива. URL: http://www.nti2035.ru/markets/energynet (дата обращения 24.11.2017)
  15. Дони Н.А. Особенности совместного использования устройств релейной защиты на основе стандарта IEC 61850-9-2LE и защит с традиционными входными аналоговыми цепями // Релейщик. – 2015. – №1. – C. 40-43.

Сведения об авторах

Гурьев Александр Вячеславович

Главный инженер проекта ООО НПП «ЭКРА». В 2002 г. окончил кафедру «Электрические и электронные аппараты» электротехнического факультета ЧГУ им. И.Н. Ульянова по специальности «Инженер-электромеханик». В 2004 защитил магистерскую диссертацию. Присвоена степень магистра техники и технологии по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

Зайцев Николай Юрьевич

Руководитель проектов ООО ПЦ «ЭКРА». В 2008 г. окончил кафедру «Электрические и электронные аппараты» электротехнического факультета ЧГУ им. И.Н. Ульянова по специальности «Инженер-электромеханик».

Новости