Цифровые подстанции. Российские и зарубежные: НТД, опыт, примеры

alt

В 2017 году на Петербургском международном экономическом форуме президент Владимир Путин призвал сформировать принципиально новую, гибкую нормативную базу для внедрения цифровых технологий во все сферы жизни [rg.ru]. Конечно же, указанное коснулось и сферы электроэнергетики. На сегодня со стороны компании ПАО «Россети» принята новая НТД, сформирована концепция «Цифровая трансформация 2030». Появились такие понятия как «Цифровая подстанция», «Цифровой питающий центр», «Цифровая электрическая сеть». Давайте разберемся с основными требования к таким объектам и рассмотрим примеры реализации

СОДЕРЖАНИЕ

  1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
  2. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ ЦИФРОВОЙ ПОДСТАНЦИИ
  3. УРОВЕНЬ ПРОЦЕССА
  4. УРОВЕНЬ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
  5. УРОВЕНЬ ПОДСТАНЦИИ
  6. СОВМЕЩЕНИЕ И РАЗДЕЛЕНИЕ УРОВНЕЙ ПРОЦЕССА, ПРИСОЕДИНЕНИЯ И ПОДСТАНЦИИ
  7. ШИНА ПРОЦЕССА
  8. ШИНА ПОДСТАНЦИИ
  9. ПРОТОКОЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
  10. ВИРТУАЛИЗАЦИЯ УРОВНЯ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
  11. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ РЗА ЦИФРОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ
  12. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ
  13. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗОВАННЫХ ОБЪЕКТОВ. ПРЕЗЕНТАЦИИ РЕШЕНИЙ

1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Цифровая подстанция (ЦПС) – автоматизированная подстанция, оснащенная взаимодействующими в режиме единого времени цифровыми информационными и управляющими системами и функционирующая без присутствия постоянного дежурного персонала [п.3.27, СТО 34.01-21-004-2019].

Цифровая подстанция (ЦПС по терминологии НТП ПС 2017) – это подстанция с высоким уровнем автоматизации, в которой практически все процессы информационного обмена между элементами ПС, а также управление работой ПС осуществляются в цифровом виде на основе стандартов серии МЭК 61850 [п.3 СТО 56947007-29.240.10.248-2017].

Цифровой питающий центр – цифровая подстанция 110-220 кВ и (или) узловая цифровая подстанция с высшим напряжением 35 кВ, от РУ СН и НН которой электрическая энергия распределяется по электрической сети [п.3.28, СТО 34.01-21-004-2019]

Цифровая электрическая сеть – Организационно-техническое объединение электросетевых объектов, оснащенных цифровыми системами измерения параметров режима сети, мониторинга состояния оборудования и линий электропередачи, защиты и противоаварийной автоматики, сетевого и объектового управления, информационный обмен между которыми осуществляется по единым протоколам с обеспечением синхронизации по времени [п.3.29, СТО 34.01-21-004-2019]

2. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ ЦИФРОВОЙ ПОДСТАНЦИИ

Термин «Цифровая подстанция» (ЦПС) обозначает особое (цифровое) построение и взаимодействие технологических систем подстанции (таких как РЗА, АСУ ТП, АИИС КУЭ и т.д.) внутри каждой системы, между системами, а также  между системами и первичным оборудованием.

Работа и управление такими подстанциями базируется на программно-техническом комплексе цифровой подстанции (ПТК ЦПС), разделенном на структурные уровни (процесса, присоединения и подстанции), которые объединяются между собой посредством сегментов локально-вычислительной сети Ethernet.

 

УРОВЕНЬ ПОДСТАНЦИИ
шина подстанции
УРОВЕНЬ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
шина процесса
УРОВЕНЬ ПРОЦЕССА

Сегменты локально-вычислительной сети (ЛВС) образуют шину процесса, объединяющую уровни процесса и присоединения, и шину подстанции, объединяющую уровни присоединения и подстанции.

Структурная схема ПТК цифровой подстанции

altНажмите для просмотра

Схема приводится для справок. Оригинал см.: СТО 34.01-21-004-2019

3. УРОВЕНЬ ПРОЦЕССА

НАЗНАЧЕНИЕ:

  • организация сопряжения основного оборудования с ПТК ЦПС;
  • сбор дискретной информации с «сухих» контактов основного оборудования (например, с блок-контактов коммутационных аппаратов) и её оцифровка
  • сбор аналоговой информации (например, с измерительных трансформаторов тока и напряжения) и её оцифровка (при применении оптических измерительных трансформаторов сигнал изначально оцифрован);
  • передача собранной информации на вышестоящие уровни;
  • получение команд управления от вышестоящих уровней в цифровом виде с воздействием на основное оборудование (например, включить/отключить коммутационный аппарат).

СОСТАВ:

В случае отсутствия у основного оборудования встроенного цифрового интерфейса для оцифровки сигналов используют устройства сопряжения с объектом (УСО):

  • ПАС (AMU) – преобразователи аналоговых сигналов;
  • ПДС (DMU) – преобразователи дискретных сигналов.

Указанные устройства могут быть отдельными или объединенными в одном комбинированном устройстве.

УСО для оцифровки не требуется, если цифровой интерфейс изначально встроен в основное оборудование (например, сбор аналоговых сигналов выполняется напрямую с оптических трансформаторов тока и напряжения).

Оба варианта соответствуют СТО 34.01-21-004-2019 [см. п.5.2.1].

На практике часто встречаются решения где устройства уровня процесса совмещены с устройствами уровня присоединения (подробнее см. подраздел e)

СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ:

От основного оборудования до преобразователей аналоговых и дискретных сигналов (ПАС и ПДС) информация передается по контрольному кабелю с медными жилами. ПАС и ПДС стремятся установить максимально близко к основному оборудованию.

Далее от  ПАС и ПДС по волокно-оптическим кабельным линиям информация поступает в коммутаторы шины процесса.

Аналоговая информация в цифровом виде передается в виде потока данных SV-поток.

SV-поток состоит из кадров Ethernet в соответствии со спецификацией МЭК 61850-9-2LE.

В соответствии со спецификацией МЭК 61850-9-2LE с учетом МЭК 61869:

  • поток данных для целей релейной защиты и автоматики и измерений включает в себя 1 набор данных (4 тока, 4 напряжения), за период осуществляется передача 80 кадров Ethernet
  • поток данных для целей коммерческого учета и контроля качества электроэнергии включает в себя 8 наборов данных (в каждом по 4 тока, 4 напряжения), за период осуществляется передача 32 кадров Ethernet.

Дискретная информация в цифровом виде передается с использованием протокола МЭК 61850-8-1 GOOSE, MMS.

4. УРОВЕНЬ ПРИСОЕДИНЕНИЯ

НАЗНАЧЕНИЕ:

  • прием и обработка данных, получаемых от устройств уровня присоединения;
  • выполнение соответствующих алгоритмов прикладных функций с передачей режимной и диагностической информации на уровень шины подстанции;
  • обмен информацией с уровнями процесса.

СОСТАВ:

  • интеллектуальные электронные устройства (ИЭУ), выполняющие прикладные функции АСТУ, включая РЗА, для соответствующего основного оборудования [п.5.2.1, СТО 34.01-21-004-2019].

СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ:

Мгновенные значения тока и напряжения принимаются ИЭУ по протоколу МЭК 61850-9-2 SV по шине процессов по волокно-оптическим линиям связи.

Обмен дискретной информацией с устройствами уровня процесса и другими устройствами уровня присоединения происходит по протоколу МЭК 61850-8-1 GOOSE по волокно-оптическим линиям связи.

5. УРОВЕНЬ ПОДСТАНЦИИ

НАЗНАЧЕНИЕ:

  • консолидация информации, получаемой от уровня присоединения;
  • обеспечение скоординированного выполнение команд оператора непосредственно на подстанции и/или команд вышестоящего уровня управления с формированием управляющих воздействий с использованием сервисов МЭК 61850-8-1:
    • для управления основным оборудованием;
    • для управления программными ключами в составе АСТУ;
    • для изменения уставок
  • прием и обработка данных, получаемых от устройств уровня присоединения
  • выполнение соответствующих алгоритмов прикладных функций с передачей режимной и диагностической информации на уровень шины подстанции
  • обмен информацией с уровнями процесса

СОСТАВ:

  • сервера АСУ ТП / ССПИ;
  • сервера и АРМ SCADA системы ЦПС;
  • устройства регистрации параметров переходных процессов в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах;
  • средства информационной интеграции цифровой ПС и ЦУС в соответствии с МЭК 61850-90-2

Данный уровень должен быть образован серверами, объединенными в отказоустойчивый кластер, на платформе виртуализации которого работают сервера и АРМ уровня подстанции.

СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ:

Сервера уровня подстанции взаимодействуют с устройствами уровня присоединения по ЛВС шины подстанции, используя сервисы клиентсерверного обмена в соответствии с МЭК 61850-8-1, обмен файловой информацией производиться с использованием сервисов файлового обмена в соответствии с МЭК 61850-8-1.

Для информационного обмена ЦПС с вышестоящими уровнями управления (ЦУС) и бизнес-аналитики для передачи оперативной и неоперативной информации в обоих направлениях сервера ССПИ должны поддерживать сервисы клиент-серверного обмена в соответствии с МЭК 618508-1.

Для информационного обмена с существующими (унаследованными) SCADA системами, не имеющими возможности клиент-серверного обмена в соответствии с МЭК 61850-8-1, сервера ССПИ должны в том числе поддерживать протокол МЭК 60870-5-104 [п.5.2.3, СТО 34.01-21-004-2019].

6. СОВМЕЩЕНИЕ И РАЗДЕЛЕНИЕ УРОВНЕЙ ПРОЦЕССА, ПРИСОЕДИНЕНИЯ И ПОДСТАНЦИИ

В соответствии с [п.5.2.8, СТО 34.01-21-004-2019], учитывая текущий технологический уровень и отработанные технологии, обеспечивается надежное и эффективное применение следующих технических решений:

  • раздельная реализация уровней процесса и присоединения для напряжения 110/220 кВ;
  • совмещение уровней процесса и присоединения для напряжения 6, 10, 20 и 35 кВ на базе унифицированных многофункциональных терминалов РЗА/контроллеров присоединений;
  • отдельная реализация уровня подстанции [п.5.2.8, СТО 34.01-21-004-2019].

7. ШИНА ПРОЦЕССА

Варианты топологии локально-вычислительной сети шины процесса [п.5.2.4, СТО 34.01-21-004-2019]:

  • «Двойная звезда» с использованием протокола МЭК 62439-3 PRP;
  • «Двойное кольцо» с использованием протокола МЭК 62439-3 PRP/HSR.

Основные требования в соответствии с [п.5.2.4, СТО 34.01-21-004-2019]:

  • Сегменты ЛВС шины процесса должна быть физически или логически изолированы от других сегментов ЛВС подстанции;
  • Кабельная сеть ЛВС шины процесса должна строиться на основе волоконно-оптических линий связи;
  • Тип разъемов для всех видов соединений – LC;
  • В зонах распределительных устройств и ОПУ предусматриваются пассивные оптические коммутационные панели, соединенные многожильным магистральным оптическим кабелем (оптические коммутационные панели обеспечивают распределение оптического сигнала, подведенного к ним по магистральному кабелю и портам, оборудованными разъемами, к которым подключаются коммутационные шнуры, передающие сигнал на Ethernet-порты активного сетевого оборудования цифровой ПС);
  • Для обеспечения резервирования кабельная сеть ЛВС шины процесса должна строиться по принципу полного дублирования компонентов;
  • Резервируемые оптические кабельные линии ЛВС шины процесса должны прокладываться по разным маршрутам

Принципиальная схема подключения полевых устройств к ЛВС шины процесса

Нажмите для просмотра

Схема приводится для справок. Оригинал см.: https://www.rosseti.ru/investment/standart/corp_atandart/doc/CTO_34.01-21-004-2019.pdf

8. ШИНА ПОДСТАНЦИИ

Топология локально-вычислительной сети шины подстанции в пределах каждой из резервируемых сетей PRP должна обеспечивать для коммутаторов резервирование сети Ethernet на 2-ом уровне модели OSI с использованием протоколов RSTP, MRP. [п.5.2.4, СТО 34.01-21-004-2019].

Основные требования в соответствии с [п.5.2.5, СТО 34.01-21-004-2019]:

  • Хосты ЛВС шины подстанции должны иметь резервированные подключения к двум разным коммутаторам ЛВС;
  • Протоколы резервирования 2-ого и 3-его уровня модели OSI должны обеспечивать защиту от одиночного отказа коммутаторов/маршрутизаторов, а также кабельных соединений ЛВС шины подстанции;
  • При необходимости в составе ЛВС шины подстанции предусматриваются резервированные по протоколу VRRP маршрутизирующие коммутаторы, обеспечивающие маршрутизацию IP-трафика между сегментами ЛВС шины подстанции – серверным, ИЭУ 110-220 кВ, ИЭУ 35 кВ, ИЭУ 20, 10, 6 кВ;
  • В точке подключения ЛВС шины подстанции к узлу связи сетевой периметр технологической сети подстанции должен быть защищен кластером межсетевых экранов, работающим в режиме маршрутизации; межсетевой экран должен поддерживать гранулярный МЭК 61850-8-1 MMS, МЭК 60870-5-104;
  • Кабельная сеть ЛВС шины подстанции должна строиться на основе волоконно-оптических линий связи;
  • Допускается использование медных пассивных компонентов кабельной сети, в сегментах, обеспечивающих взаимодействие между:
    • оборудованием уровня присоединения и устройствами уровня подстанции (отдельные сегменты при обосновании);
    • устройствами уровня подстанции и средствами интерфейса человек-машина;
    • межсетевыми экранами и оборудованием связи.

9. ПРОТОКОЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Рекомендуется в части применения протоколов передачи данных (и применении соответствующего оборудования) руководствоваться приведенной ниже таблицей [п.5.2.8, СТО 34.01-21-004-2019]:

Класс напряжения РУ Протоколы передачи данных Примечания
6, 10, 20 кВ

MMS, GOOSE

Протокол SV применяется только для вводных ячеек РУ

35 кВ

MMS, GOOSE

Протокол SV применяется для вводных ячеек РУ.

Применение протокола SV для измерений в рамках РУ может быть применено при дополнительном обосновании

110, 220 кВ

MMS, GOOSE, SV

10. ВИРТУАЛИЗАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ УРОВНЯ ПРИСОЕДИНЕНИЯ

Для разделения трафика (РЗА, АСУТП, АИИС КУЭ, видеонаблюдение, связь и др.), совместно использующего среду передачи, а также с целью повышения безопасности, должна использоваться технология виртуальных локальных сетей (VLAN). Разделение трафика по VLAN должно выполняться на стадии проектирования объекта с учетом приоритезации и логической сегрегации трафика. При необходимости, связь между VLAN должна осуществляться через соответствующие маршрутизаторы [п.8.1, СТО 34.01-21-004-2019].

11. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ РЗА ЦИФРОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

На цифровых подстанциях РЗА является одной из подсистем ПТК ЦПС, функционирующей на уровне присоединения и  подстанции.

На уровне «Присоединения» РЗА организуется на базе интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ), являющихся специализированными промышленными компьютерами (в качестве них могут выступать терминалы РЗА, выполняющие функции контроллера присоединения, контроллеры ячеек). Между собой устройства обмениваются данными по шине процесса, аналогично происходит и обмен информацией с первичными преобразователями дискретных и аналоговых сигналов.(ПДС и ПАС):

  • дискретная информация по протоколу МЭК 61850-8-1 (GOOSE);
  • аналоговая информация по протоколу МЭК 61850-9-2 (SV).

В качестве первичных датчиков цифровых измерительных трансформаторов для цифровой ПС могут использоваться оптические датчики тока и напряжения на основе магниточувствительного оптоволокна, либо электромагнитные ТТ, электромагнитные или емкостные ТН [п.20.2, СТО 34.01-21-004-2019].

При реконструкции ПС допускается использовать измерительные ТТ и ТН с аналоговым выходом с использованием цифровых преобразователей при соответствующем экономическом обосновании [п.20.3, СТО 34.01-21-004-2019].

Программное обеспечение, установленное на уровне вычислительной сети ПТК цифровой ПС, должно представлять собой модульное программное обеспечение, в котором каждый программный модуль отвечает за минимальную функцию (виртуальное реле или логический узел в терминах в соответствии с требованиями МЭК 61850) [п.8.12, СТО 34.01-21-004-2019].

Из комбинации программных модулей может быть составлена необходимая функция защиты и (или) автоматизации, при этом уровень вычислительной сети ПТК цифровой ПС представляет собой совокупность обеспечивающих функционирование виртуальных устройств защиты и управления [п.8.13, СТО 34.01-21-004-2019].

Все связи между устройствами и описание ИЭУ должны быть представлены в виде SCD файла, а логические узлы с привязкой к элементам однолинейной схемы в виде SSD файла, разрабатываемых в специализированных программах.

12. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ

Достоинствами построения оптимального цифровой ПС являются:

  • значительно меньшее общее количество и номенклатура оборудования в составе ПТК, что снижает объем профилактического обслуживания, сокращает время восстановления работоспособности и требуемые объемы ЗИП;
  • значительное снижение количества кабельных связей в составе комплекса и их полная диагностируемость, что ускоряет поиск неисправности и сокращает время восстановительного ремонта;
  • сокращение времени поставки и затрат на поставку ЗИП за счет использования вычислительных и коммуникационных средств общего назначения (серверов) в составе системы, которые имеют более низкую стоимость по сравнению со специальными, при более высокой производительности;
  • снижение объемов и частоты периодических проверок за счет организации более оптимального планирования профилактических и необходимых восстановительных работ [п.8.1, СТО 34.01-21-004-2019].

Недостатками применения ЦПС могут появиться в случае применения не оптимального ПТК с дублированием, что приведет к увеличение стоимости оборудования.

Кроме того, остро встает вопрос кибербезопасности.

13. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗОВАННЫХ ОБЪЕКТОВ. ПРЕЗЕНТАЦИИ РЕШЕНИЙ

Примеры цифровых подстанций в России

Наименование объекта Описание
ПС 110/20 кВ Медведевская

(г.Москва, Сколково)

На базе оборудования ООО НПП «ЭКРА»

[подробнее]

ПС 110/10 кВ имени М. П. Сморгунова

(п.Солонцы, Красноярский край)

На базе нескольких производителей, в том числе ООО «ЛИСИС»,  «ДЭП», «Микроника»

[подробнее]

ПП 500 кВ Тобол

(г.Тобольск)

На базе нескольких производителей, в том числе ООО НПП «ЭКРА», Siemens

[подробнее]

ПС 110 кВ Южная

(г.Череповец)

На базе нескольких производителей, в том числе ООО НПП «ЭКРА», ООО «ЛИСИС»

[подробнее]

 

Примеры зарубежных цифровых подстанций

Наименование объекта Примечания
ПС 110 кВ Приречная

(Республика Беларусь)

На базе оборудования General Electric

[подробнее]

ПС 225/90/20кВ «Блоко» («Blocaux»)

(Франция)

На базе оборудования General Electric

[подробнее, ссылка 1]

[подробнее, ссылка 2]

 

Ссылки на информационные ресурсы по теме «Цифровая подстанция»

Наименование Примечания
«Цифровая подстанция»

Электронный журнал

Специализированный информационный ресурс по цифровым подстанциям

[подробнее]

ООО НПП «ЭКРА»

презентация

Структура цифровой подстанции. Особенности построения и надежность

[подробнее ]

Опыт реализации проектов Цифровых подстанций

[подробнее]

Проектирование сети ЦПС на примере ПС Медведевская

[подробнее]

ООО «ЛИСИС»

презентация

Реализация системы защиты и управления
цифровой подстанции на базе программного
комплекса iSAS
[подробнее]
ABB

презентация

Внедрение Цифровых подстанций

[подробнее]

NR Electric Co., Ltd

презентация

Цифровая подстанция

[подробнее]

АО «Электронмаш»

презентация

Цифровые подстанции

[подробнее]

 

Оставьте первый комментарий

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*