Журнал «релейная защита и автоматизация» №4 (21) 2015

Ж У РН А Л Н ЕКО М М ЕРЧ Е С КО ГО П А Р Т Н ЕР С Т ВА « СОД ЕЙ С Т В И Е РА З В И Т И Ю Р Е Л Е Й Н О Й З А Щ И Т Ы , А В Т О М АТ И К И И У П РА В Л Е Н И Я В ЭЛ Е К Т Р ОЭ Н Е Р Г Е Т И К Е »

Н А У Ч Н О - П РА К Т И Ч Е С К О Е И З Д А Н И Е

НП «СРЗАУ» – на RUGRIDS-ELECTRO 2015 | Смена поколений на НПП «ЭКРА» | «Прософт-Системы»: 20 лет на пути импортозамещения | Измерительный орган мощности в цифровых РЗА | Адаптивная дистанционная защита ВЛ | О влиянии геомагнитных штормов на РЗ | Есть защита от ЭМИ? | О старении устройств РЗА – дефекты и неисправности | Отечественное для электроэнергетики: промышленный компьютер, программное обеспечение, цифровые ПС, компенсирующие устройства и другое № 04 (21) | Декабрь | 2015

«Релейная защита и автоматизация» – 18+ научно-практическое издание. №04 (21), 2015 год, декабрь. Периодичность: 4 раза в год. Тираж: 4000 экз., заказ № 153155 Дата выхода в свет: 25.11.2015 Подписной индекс: 43141 (Объединенный каталог «ПРЕССА РОССИИ»). Цена свободная. печать: ООО «Типография «НН ПРЕСС», 428031, Россия, г. Чебоксары, пр-д Машиностроителей, д. 1с, тел.: 55-70-18, 28-26-00 Учредители журнала: Некоммерческое партнерство «Содействие развитию релейной защиты, автоматики и управления в электроэнергетике», Общество с ограниченной ответственностью «Рекламно‑издательский центр «Содействие развитию релейной защиты, автоматики и управления в электроэнергетике», Белотелов Алексей Константинович. Издатель: ООО «Рекламно‑издательский центр «Содействие развитию релейной защиты, автоматики и управления в электроэнергетике» (ООО «РИЦ «СРЗАУ»). Адрес редакции и издателя: 428003, Россия, Чувашская Республика, г. Чебоксары, пр-кт И. Яковлева, 3, www.srzau-ric.ru Учредители издательства: ООО НПП «ЭКРА», ООО «НПП Бреслер», ООО «НПП «Динамика», ЗАО «ОРЗАУМ», Белотелов Алексей Константинович. Редакция: Главный редактор: Белотелов Алексей Константинович, к.т.н., президент НП «СРЗАУ», тел.: 8-963-787-96-05, e-mail: info@srzau-np.ru Выпускающий редактор: Иванова Наталия Анатольевна, тел.: (8352) 226-394, 226‑395, e-mail: ina@srzau-ric.ru. Дизайн и верстка: Романенко Т.Б., e-mail: design@srzau-ric.ru

Состав редакционной коллегии: Антонов Владислав Иванович, к.т.н., ООО НПП «ЭКРА»; Антонов Дмиртий борисович, к.т.н., ЗАО «РАДИУС Автоматика»; Арцишевский Ян Леонардович, к.т.н., МЭИ (Технический университет); Дорохин Евгений Георгиевич; Журавлев Евгений Константинович, ОАО «Ивэлектроналадка»; Илюшин Павел Владимирович, к.т.н., ЗАО «Техническая инспекция ЕЭС»; Караулов Александр Александрович, ОАО «ВНИИАЭС»; Козлов Владимир Николаевич, к.т.н., ООО «НПП Бреслер»; Лачугин Владимир Федорович, к.т.н., ОАО «ЭНИН»; Левиуш Александр Ильич, д.т.н., профессор; Любарский Дмитрий Романович, д.т.н., ОАО «Институт «Энергосетьпроект»; Маргулян Александр Михайлович, ЗАО «НОВИНТЕХ»; Нагай Владимир Иванович, д.т.н., профессор, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова; Орлов Юрий Николаевич, ОАО «Фирма ОРГРЭС»; Петров Сергей Яковлевич, ЗАО «ОРЗАУМ» ; Пуляев Виктор Иванович, ОАО «ФСК ЕЭС» – заместитель главного редактора; Шевцов Виктор Митрофанович, к.т.н., профессор, член СИГРЭ, Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова; Шуин Владимир Александрович, д.т.н., профессор, Ивановский государственный энергетический университет.

Редакция не несет ответственности за достоверность рекламных материалов. Рекламируемая продукция подлежит обязательной сертификации и лицензированию. Перепечатка, цитирование и копирование размещенных в журнале публикаций допускается только со ссылкой на издание.

Регистрационное свидетельство ПИ № ФС77-44249 от 15.03.2011 г., выданное Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).

научно‑практическое издание

Уважаемые читатели! Представляю завершающий 2015 год номер журнала. Итак, наш журнал перешагнул 5-летний рубеж. Публикации этого номера продолжают тему готовности отечественных разработчиков и производителей устройств РЗА, ПА и систем управления к реализации программы импортозамещения. Как всегда, мы публикуем информацию о самых интересных и значимых событиях уходящего года, среди которых можно выделить проведение ПАО «Россети» очередного форума RUGRID-ELECTRO. Значительную часть публикаций составляет рубрика «Наука», представленная семью интересными статьями, охватывающими широкую тематику РЗА, АСУ ТП и компенсирующих устройств. Из них трудно выделить более значимые – все они демонстрируют высокий научно-технический потенциал отечественных электроэнергетических компаний. В рубрике «Практика» я хотел бы обратить внимание читателей на две публикации из разряда «старое» и «новое»: это статьи ОРГРЭС о проблемах старения РЗА и новосибирских ученых об универсальной отечественной процессорной платформе. Думаю, что Вы найдете для себя много полезного и в других публикациях. Уважаемые читатели! Поздравляю Вас с наступающими праздниками – Днем энергетика и Новым годом! До встречи в новом 2016 году! С уважением, Главный редактор Алексей белотелов

1

Ф НПМ Ф НПС

РД М К РД С К

АДМ К АДСК

Cодержание:

стр.

1. События Выставки и конференции: • О Форуме RUGRIDS-ELECTRO 2015 ................................................................................................................................ 6 • Энергетика БРИКС И ШОС ................................................................................................................................................ 8

Новые книги: • Защита подстанций от электромагнитного импульса.........................................................................................9 • Программа импортозамещения в действии .................................................................................................10 • Постановка задачи создания цифрового распределительного устройства ..............................12 • Смена поколений ..............................................................................................................................................................14

2. Наука РЗА: • Антонов В.И., Наумов В.А., Солдатов А.В., Иванов Н.Г., Митин Д.А. Измерительные органы мощности для цифровой релейной защиты и автоматики: характеристики точности Antonov V.I., Naumov V.A., Soldatov A.V., Ivanov N.G., Mitin D.A. Power measuring functions in digital relay protection and automation systems: accuracy characteristics.......................................................................................................................................................... 16 • Ефремов В.А., Мартынов М.В., Буров А.В., Гайдаш А.А. Адаптивная дистанционная защита линии электропередачи Efremov V.А., Martynov M.V., Burov A.V., Gaidash А.А.

Adaptive distance protection of transmission line....................................................................................................... 21

Релейная защита: • Успенский М.И. Влияние геомагнитных штормов на работу релейной защиты Uspensky M.I. An impact of geomagnetic storms on a power system operation ........................................................................ 26

АСУ ТП: • Каковский С.К., Потапенко С.П., Рабинович М.А. Вопросы импортозамещения программного обеспечения в задачах электроэнергетики Kakovskiy S.K., Potapenko S.P., Rabinovich M.A. Questions of import replacement software in electric power tasks...................................................................... 30 • Группа компаний «ЭКРА» .............................................................................................................................................. 43

научно‑практическое издание

3

Цифровая подстанция: • Мокеев А.В., Бовыкин В.Н., Хромцов Е.И. Особенности реализации технологий цифровой подстанции и векторных измерений в распределительных устройствах 6-35 кВ Mokeev A.V., Bovykin V.N., Khromtsov E.I. Aspects of digital substation and phasor measurements realization in medium voltage switchgear............................................................................................................................................. 44 • Елов Н.Е., Кабанов П.В., Морозов А.П., Жуков Д.А. Результаты комплексных испытаний цифрового полигона Нижегородской ГЭС ПАО «РусГидро» Elov N., Kabanov P., Morozov A., Zhukov D. The results of overall reliability tests of digital substation in the branch of «rushydro» ojsc «nizhegorodskaya» hpp.................................................................................. 50

Компенсирующие устройства. ДГР: • Булычев А.В., Козлов В.Н., Салмин Н.О., Соловьев И.В. Дугогасящие реакторы с конденсаторным регулированием индуктивности Bulychev A.V., Kozlov V.N., Salmin N.O., Solovyov I.V. Arc suppression reactors with capacitor regulating inductance............................................................................. 56

3. Практика РЗА: • Кузьмичев В.А., Коновалова Е.В., Захаренков А.Ю. О старении устройств РЗА. Дефекты и неисправности устройств РЗА, вызванные процессом их старения .............................................................................................................................. 60

Оперативный ток: • Галкин И.А., Быков К.В., Лопатин А.А. Выбор средств контроля сопротивления изоляции систем оперативного постоянного тока для энергообъектов России ..................................................................................................... 64

Измерения: • Зайцев Б.С. РЕТОМЕТР-М2: возможности, о которых важно знать ......................................................................................... 67

АСУ ТП: • Нестуля Р.В., Ландман А.К. Универсальная отечественная процессорная платформа для энергетики................................................ 70

Испытания: • Han Jiang, Zhang Xing, Wang Yixuan, Tian Fang, Li Yalou Гибридный цифровой симулятор энергосистем ADPSS .................................................................................... 72

6. Требования к оформлению статей…………………………………………… 76

4

04 /Декабрь 2015

научно‑практическое издание

5

События

Выставки и конференции

О ФОРУМЕ RUGRIDS-ELECTRO 2015 С 20 по 23 октября 2015 года в ЦВК «Экспоцентр» прошел очередной Международный электроэнергетический форум RUGRIDS-ELECTRO 2015, организованный ПАО «Россети» при поддержке Минэнерго РФ (далее – Форум).

В работе Форума приняли участие более 5000 представителей федеральных и региональных законодательных и исполнительных органов власти, общественных объединений, научных организаций, крупнейших электросетевых и генерирующих компаний, производителей оборудования и технологий, российские и зарубежные эксперты в области электроэнергетики. Программа Форума 2015 года охватывала широкий круг актуальных вопросов развития отрасли в современных экономических условиях и в ситуации новых вызовов. Это вопросы инновационного развития, импортозамещения, совершенствование взаимодействия малого, среднего и крупного бизнеса.

6

04 /Декабрь 2015

Форум открылся дебатами «Электроэнергетика в России - национальный технологический уклад или «зеркало» мировых тенденций развития?», которые вызвали наибольший интерес присутствующих. В них приняли участие первый заместитель генерального директора по технической политике ПАО «Россети» Р.Н. Бердников, представители Института энергетической стратегии, Инновационного центра «Сколково», Технопарка, а также представители профильных министерств и ведомств. Предметом обсуждения стали вопросы стратегии развития электроэнергетической отрасли, «умные» сети и тарифная политика. Всего в рамках деловой программы проведено свыше 50 мероприятий,

проведены содержательные дискуссии, в которые были вовлечены руководители министерств и ведомств, законодатели, главы корпораций и энергетических компаний, а результатом стало подписание ряда соглашений о сотрудничестве. Наиболее интересным событием для специалистов по РЗА стало проведение круглого стола «Централизованные и децентрализованные системы релейной защиты и автоматики». Несмотря на ограниченную направленность темы, предметом обсуждения на круглом столе стали концептуальные вопросы развития и построения современных систем РЗА, и набольшее внимание было уделено цифровым подстанциям. В дискуссиях приняли участие специалисты ПАО «Россети», ПАО «ФСК ЕЭС», ПАО «СО ЕЭС», ПАО «МОЭСК», ПАО «РусГидро», АО «Тюменьэнерго», научно-исследовательских центров и компаний – производителей оборудования. Традиционно в работе форума RUGRIDS-ELECTRO 2015 активное участие приняли специалисты компаний, входящих в НП «СРЗАУ». В рамках круглого стола «Централизованные и децентрализованные системы релейной защиты и автоматики» о своих возможностях и разработках рассказали компании-участники НП «СРЗАУ» – ООО «ИЦ «Бреслер», ООО «ЛИСИС», ООО «ЭнергопромАвтоматизация». Кроме того, ряд участников НП «СРЗАУ» продемонстрировали свою продукцию, в том числе разработанную в тесном сотрудничестве с энергокомпаниями:

События

Выставки и конференции

ООО «Прософт-Системы» На стенде этой компании было представлено сразу несколько инноваций: комплексное решение для системы мониторинга переходных режимов WAMS/СМПР и контроллеры ARIS C304, C305 для создания цифровых ячеек 6-35 кВ. ООО «НПП Бреслер» В выставочной зоне «Экосистема инноваций» МРСК Волги демонстрировало разработанное совместно с «НПП Бреслер» устройство, повышающее надежность электроснабжения – компактный дугогасящий агрегат с улучшенными характеристиками для компенсации емкостных токов однофазного замыкания на «землю» (ОЗЗ), в котором со-

вмещены в единую конструкцию нейтралеобразующий трансформатор и дугогасящий реактор. ООО «ИЦ «Бреслер» Также в зоне «Экосистема инноваций» были представлены следующие разработки: • образец многофункционального устройства централизованной защиты подстанций 110/35/10 кВ, введенного в опытно-промышленную эксплуатацию на ПС «Пойковская» филиала «Тюменьэнерго» – Нефтеюганские электрические сети; • цифровое устройство «ТОР 120» релейной защиты электроустановок, не имеющих источника оперативного тока;

научно‑практическое издание

• микропроцессорный комплекс «ТОР 110-ИЗН» направленной импульсной защиты от замыканий на землю воздушных и кабельных линий 6-35 кВ. На стенде «МОЭСК» была представлена разработанная «ИЦ «Бреслер» система интеллектуального (адаптивного) АПВ кабельно-воздушной линии с контролем ее состояния (АПВК). В целом, работу форума RUGRIDS-ELECTRO 2015 года можно признать успешной. Гостям и участникам был продемонстрирован научно-технический потенциал отрасли, передовые российские и зарубежные разработки и технологии в области электроэнергетики.

7

События

Выставки и конференции

ЭНЕРГЕТИКА БРИКС И ШОС С 27 по 30 октября 2015 года в Уфе прошел XV Российский энергетический форум «Эффективная энергетика», в рамках которого состоялись международные выставки «Энергетика БРИКС и ШОС», «Энергосбережение. Светотехника. Кабель».

Генеральным спонсором выставок и Форума 2015 года выступило ОАО «Башкирская электросетевая компания» («БЭСК»). Официальный партнер Форума – ПАО «Россети». Сертификат официального партнера был вручен Р.Н. Бердникову, первому заместителю генерального директора ПАО «Россети». В составе делегаций, посетивших деловые мероприятия, были представители ГД РФ, Минэнерго РФ, органов власти РБ, профильных российских ассоциаций, крупных промышленных предприятий РФ и стран СНГ. Высокий статус проводимых мероприятий и значимость форума отмечены на государственном уровне в официальных приветствиях участникам

8

04 /Декабрь 2015

и гостям Российского энергетического форума и выставок. В торжественной церемонии официального открытия Форума и выставок приняли участие: Глава Республики Башкортостан Р.З. Хамитов, член комитета ГД РФ по энергетике В.Т. Поцяпун, генеральные директора ОАО «БЭСК» Д.В. Шароватов и ООО «Башкирская генерирующая компания» («БГК») А.А. Симановский.

30 октября в рамках деловой программы Форума состоялось пленарное заседание «Развитие эффективной региональной энергетики». Организаторы – Министерство энергетики РФ, Министерство промышленности и инновационной политики РБ. Спикеры пленарного заседания – первый зам. министра энергетики РФ А.Л. Текслер, заместитель премьерминистра Правительства Республики Башкортостан Д.В. Шаронов, исполнительный секретарь Делового совета ШОС С.В. Канавский, первый заместитель генерального директора ПАО «Россети» Р.Н. Бердников, председатель Совета директоров ОАО «БЭСК» А.Ю. Макаров, председатель комитета по надежности, энергоэффективности

и инновациям при Совете Директоров ПАО «РусГидро» В.В. Кудрявый. В его рамках состоялась церемония подписания Соглашения между ОАО «БЭСК» и ПАО «Россети» о единой технической политике. Всего в рамках деловой программы Форума прошло 18 деловых мероприятий, в пленарном заседании Форума участвовали 335 человек. Более 120 предприятий из 25 регионов России, стран дальнего и ближнего зарубежья представили свои экспозиции на выставках. Среди экспонентов были и участники НП «СРЗАУ»: «Прософт-Системы» (г. Екатеринбург) и НПП «ЭКРА» (г. Чебоксары). В 2015 году доля российских предприятий выросла до 85%, иностранного производства составила 15%. Из них производители – 80%, а дилеры – 20%.

28 октября прошел традиционный проект «День энергетика» – бизнес-встречи и переговоры компанийэкспонентов с главными инженерами, главными энергетиками и руководителями крупнейших промышленных предприятий РБ. Во встречах приняли участие: АНК Башнефть, БСК и БГК, Башэнерготранс, Уфаоргсинтез, ВостокНефтезаводМонтаж, Башэнерготранс, Башнефть-Уфанефтехим, БашНИПИнефть и другие. В рамках выставок успешно прошел конкурс «На лучшую технологию, оборудование, продукцию и научные разработки» среди 62 поданных заявок по 14 номинациям. По результатам регистрации, с экспозицией выставок ознакомилось 6000 специалистов из 26 регионов России, а также Белоруссии, Казахстана и Германии.

События

Новые книги

Защита подстанций от электромагнитного импульса

Вышла из печати новая книга канд. техн. наук Владимира Гуревича «Защита оборудования подстанций от электромагнитного импульса». В этой книге, увидевшей свет в издательстве «Инфра-Инженерия», сделан упор на практические рекомендации по защите электрооборудования подстанций от преднамеренных электромагнитных деструктивных воздействий, включая электромагнитный импульс ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ). Первые прямые эксперименты по созданию ЭМИ ЯВ были проведены более 50 лет тому назад. В 1962 г. в США и СССР были осуществлены серии высотных ядерных взрывов с целью изучения их воздействия на электрическую и электронную аппаратуру. В результате этих исследований было подтверждено разрушительное воздействие ЭМИ ЯВ не только на электронную аппаратуру того времени (на основе радиоламп), но и на силовое энергетическое оборудование. Однако каких-нибудь 20-30 лет тому назад упоминание об ЭМИ ЯВ можно было встретить в русскоязычной литературе лишь в брошюрках по гражданской обороне, которые выходили под

грифом «Это должен знать каждый». Причем именно краткое упоминание, и не более того. Поэтому и воспринимается этот импульс как нечто весьма экзотическое и малопонятное. Военные, конечно, были хорошо осведомлены об этом эффекте ЯВ, но все сведения на эту тему тщательно засекречивали. В то время это было вполне оправдано, учитывая, с какими техническими сложностями и материальными затратами эти сведения добывались. Однако в результате такой политики гражданские специалисты в различных отраслях техники до недавнего времени понятия не имели (а некоторые и до сих пор не имеют) об этом явлении и опасности, которую оно представляет. Между тем современные тенденции развития техники, заключающиеся в расширяющемся повсеместном применении микроэлектроники, микропроцессоров, компьютеров, в тысячи раз более чувствительных к ЭМИ ЯВ, чем ламповая аппаратура 60-х годов, быстром росте производительности микропроцессоров при увеличении количества микротранзисторов, приходящихся на единицу объема, снижением рабочих напряжений и уровней изоляции между внутренними элементами и слоями в кристалле, привели к резкому возрастанию уязвимости современной техники к ЭМИ ЯВ, с одной стороны, и к стимулированию интереса военных к использованию ЭМИ ЯВ в качестве самостоятельного и очень эффективного вида оружия – с другой. Параллельно ускоренными темпами началась разработка чисто электромагнитного оружия, в котором мощное электромагнитное излучение, поражающее современные микроэлектронные и микропроцессорные системы, формируется неядерными средствами. С сожалением можно констатировать, что эти реалии нашего времени попрежнему остаются без достаточного внимания специалистов во многих гражданских областях техники, в част-

научно‑практическое издание

ности, в области электроэнергетики. А ведь электроэнергетика – это основа инфраструктуры страны, без которой невозможно функционирование ни водоснабжения, ни связи, ни других важнейших систем жизнеобеспечения. В ряде предыдущих статей и книг Владимира Гуревича обращалось внимание специалистов на актуальность этой проблемы в связи с возрастанием опасности разрушения электроэнергетической системы такими видами оружия. В его новой книге рассмотрены практические аспекты защиты электрооборудования подстанций, на примере микропроцессорных устройств релейной защиты (МУРЗ) и силовых трансформаторов, от разрушительного воздействия электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва и других видов преднамеренных электромагнитных деструктивных воздействий, оборудование для производства которых интенсивно разрабатывается и совершенствуется в последние годы. Предложены различные технические решения и организационные мероприятия, направленные на повышение живучести подстанций. В книге подчеркивается, что защита электрооборудования подстанций (да и других объектов электроэнергетики) от таких воздействий – проблема не только самих энергетиков, но и промышленности, производящей микроэлектронную и микропроцессорную аппаратуру для энергетики. Поэтому рекомендации, приведенные в книге, предназначены не только для персонала, занимающегося эксплуатацией электрооборудования, но также и для производителей такого оборудования, в первую очередь микропроцессорных устройств релейной защиты, специалистов проектных организаций, руководителей электроэнергетической отрасли, а также преподавателей, аспирантов и студентов электроэнергетических специальностей вузов.

9

ПРОГРАММА ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЯ В ДЕЙСТВИИ В то время, когда в России ставки делаются на отечественных производителей, на первый план выходят компании, способные не только удовлетворять растущим потребностям рынка, но и отвечать общим мировым тенденциям. Одним из лидеров в сфере промышленной автоматизации является инженерная компания «Прософт-Системы», в октябре 2015 года отметившая свое двадцатилетие. Сегодня компания активно участвует в реализации отечественной программы импортозамещения: разрабатывает новые продукты и комплексные решения, принимает участие в крупнейших стратегически важных проектах и наращивает производственный потенциал. ШАГ 1. ВЫВОДИМ НА РЫНОК ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ИННОВАЦИИ Процесс разработки устройств в «Прософт-Системы» идет непрерывно: ежегодно совершенствуются серийные изделия, расширяются существующие линейки оборудования, создаются абсолютно новые решения. В юбилейный 2015-й год компания представляет сразу несколько новинок. Контроллеры ячеек ARIS C304 и ARIS C305 предназначены для мониторинга и управления основным оборудованием ячеек 6-35 кВ. Это уникальные, не имеющие аналогов модульные устройства, которые совмещают в себе функции сразу нескольких приборов: измерительного преобразователя, контроллера ввода-вывода, шлюза, счетчика и прибора качества электроэнергии. Обмен информацией между контроллерами и другими устройствами автоматизации осуществляется посредством GOOSE-сообщений согласно стандарту МЭК 61850. Направление общепромышленной автоматизации представлено линейкой программируемых логических контроллеров ПЛК REGUL серий R600, R500 и R300.

Фото 1. Шкафы АСУ ТП на ПС «Исеть»

10

04 /Декабрь 2015

Они могут применяться как при построении сложных и ответственных систем управления технологическими процессами, так и при создании локальных АСУ ТП. Технический директор департамента промышленной автоматизации Алексей Елов: «ПЛК REGUL отвечают самым высоким требованиям, предъявляемым к оборудованию систем промышленной автоматизации. При этом по ряду параметров они превосходят зарубежные аналоги. Контроллеры работают под операционной системой реального времени. Исполняемая среда поддерживает написание программ на 5 языках стандарта МЭК 61131-3 (IL, LD, ST, SFC, FBD)». Разработан и запущен в серийное производство приемопередатчик сигналов и команд РЗ и ПА АВАНТ К400. Это полноценное дуплексное устройство передачи аварийных сигналов и команд (УПАСК), работающее по ВЧ-каналам, волоконнооптическим линиям связи и мультиплексируемым каналам связи. Заместитель генерального директора по энергосвязи Алексей Чирков: «АВАНТ К400 создан на единой аппаратной платформе с другими устрой-

ствами линейки АВАНТ – приемопередатчиками АВАНТ РЗСК и АВАНТ Р400. Новое устройство способно передавать до 32 команд в каждом направлении. При работе в ВЧ-канале занимает полосу частот 4 кГц (2+2). При работе по выделенным каналам ВОЛС и мультиплексированным каналам по протоколам С37.94 и Е1 можно организовывать быстродействующие двунаправленные кольцевые маршруты с маршрутизацией команд на промежуточном пункте». ШАГ 2. УЛУЧШАЕМ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ СТРАНЫ За 20 лет успешной работы компания «Прософт-Системы» зарекомендовала себя в качестве надежного отечественного разработчика программного и аппаратного обеспечения. Сегодня знаниям и опыту компании доверяют крупнейшие предприятия энергетического и нефтегазового сектора. В юбилейном году компания «Прософт-Системы» приняла участие сразу в нескольких инновационных проектах. В рекордные сроки за 5 месяцев был выполнен весь комплекс работ по внедрению систем противоаварийной автома-

Фото 2. Новый производственный комплекс «Прософт-Системы»

тики, АСУ ТП, АИИС КУЭ и ПТК «СМПР» на подстанции «Исеть» 500 кВ на Урале. Старший менеджер проекта Игорь Данилов: «На ПС «Исеть» внедрена уникальная система АСУ ТП на базе ПТК «ARIS». Мы разместили шкафы с контроллерами АСУ ТП на ОРУ 500 кВ в непосредственной близости от первичного коммутационного оборудования, что позволило в разы сократить вторичные кабельные трассы на этапе строительства и стало первым шагом на пути к созданию цифровой подстанции». Компания приняла участие в крупном государственном проекте по организации ВЧ-связи на ВЛ 500 кВ «Красноармейская – Газовая», которая соединяет между собой Самарскую и Оренбургскую области и повышает надежность связи энергосистем Урала и Средней Волги. Особенностью проекта стала большая протяженность линии (более 400 км). При этом для организации основного и резервного каналов приема в наличии было только два диапазона частот по 4 кГц. Единственным решением, способным справиться с поставленными задачами, стал приемопередатчик АВАНТ К400. В конце года в рамках развития нового направления деятельности по автоматизации объектов солнечной генерации на базе ПТК «ARIS» компания «Прософт-Системы» создала систему АСУ ТП ЭТО Сакмарской солнечной электростанции. На сегодняшний день это самый крупный объект солнечной генерации в стране установленной мощностью 25 МВт, а также первая солнечная электростанция, которая включена в Единую энергетическую систему России. Реализованная система АСУ ТП управляет всем электротехническим обо-

рудованием станции, в том числе контролирует электрическую часть инверторных установок, где солнечная энергия преобразовывается в электрическую. Проект во многом стал инновационным. На базе контроллеров ARIS C304 и ARIS С303 были впервые созданы интеллектуальные цифровые ячейки КРУ 10 кВ и система мониторинга и диагностики силового трансформатора СУМТО. Всего в течение 2015 года специалисты компании реализовали свыше 30 уникальных проектов по внедрению приборов и систем автоматизации на стратегически важных энергетических и промышленных объектах России и стран СНГ. ШАГ 3. НАРАЩИВАЕМ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ МОЩНОСТИ Инженерная компания «Прософт-Системы» не только разрабатывает и внедряет передовые технологии, но и постоянно улучшает качество продукции и оказываемых услуг. Особое внимание уделяется модернизации производственной базы. В марте 2015 года состоялось открытие нового многофункционального производственного комплекса общей площадью свыше 10 000 кв. м. Здесь расположены все подразделения, участвующие в технологическом процессе: - автоматизированная линия поверхностного монтажа печатных плат; - участок объемного монтажа; - слесарный и электромонтажный цеха; - участки проведения регулировки и испытаний; - склады комплектующих и готовой продукции. Имеется резерв площадей для дальнейшего расширения производства. Парк оборудования включает в себя

самые современные высокотехнологичные установки. Запущенная автоматизированная линия поверхностного монтажа обеспечивает высокоточную пайку широкого спектра компонентов (от корпусов 01005 до микросхем BGA). С помощью инновационного конвейерного оборудования оперативно отслеживается полный жизненный цикл выпускаемых деталей, обеспечивается высокое качество монтажа и сводится к минимуму человеческий фактор. Для контроля качества пайки применяются автоматическая оптическая инспекция и станция рентген-контроля. Многоступенчатый контроль качества и испытания оборудования проводятся на каждом этапе технологического процесса: от разработки опытного образца до запуска изделий в серийное производство. Генеральный директор «Прософт-Системы» Александр Распутин: «Открытие нового производственного комплекса – очень значимое для нас событие, а в текущих экономических условиях это также важный стратегический шаг, определяющий новый вектор развития компании. Увеличившиеся мощности позволят нам в три раза увеличить объем изготавливаемой продукции». Мощная инженерная база, собственное производство полного цикла, участие в инновационных проектах – все это позволяет ООО «Прософт-Системы» не только самостоятельно разрабатывать и выпускать конкурентоспособную продукцию, отвечающую мировым стандартам, но и предлагать надежные комплексные решения для энергетической, нефтегазовой и других отраслей промышленности.

ООО «Прософт-Системы» 620102, г. Екатеринбург, ул. Волгоградская, 194а Тел.: (343) 356-51-11 Факс: (343) 310-01-06 E-mail: info@prosoftsystems.ru www.prosoftsystems.ru, прософт-системы.рф Фото 3. Автоматизированная линия поверхностного монтажа

научно‑практическое издание

11

Постановка задачи создания цифрового распределительного устройства Автор: Конопков А.Ю., ведущий инженер технической поддержки «Феникс Контакт РУС», г. Москва.

Каждый современный диспетчерский центр управления электрохозяйством должен позволять подключение распределительных устройств по протоколам стандарта МЭК 61850.

Цифровая связь с распределительными устройствами не только исключает необходимость организации промежуточных пунктов управления, но и упрощает наладку, а также снижает стоимость инженерных работ. Еще в недавнем прошлом телемеханика распределительных устройств опиралась на широко распространенные в энергетике протоколы передачи данных МЭК 104 или 101 в зависимости от типа микропроцессорного терминала. С появлением на рынке цифровых терминалов РЗА стала возможной передача событий с временной меткой в центральный пункт управления по стандарту МЭК 61850, и использование этой информации для анализа аварийных событий с точностью до миллисекунды. Наиболее широко данная технология получила распространение в распределительных устройствах среднего напряжения. Распределительные устройства низкого напряжения В то время как типовые распределительные устройства среднего напряжения уже оборудованы ультрасовременными микропроцессорными

терминалами, имеющими обязательное соединение с шиной МЭК-61850, оснащение цифровыми функциями распределительных устройств низкого напряжения представляет собой непростую задачу, поскольку они собираются на базе самых разнообразных комплектующих. Для того чтобы охватить весь спектр сигналов мониторинга и управления, устройство ввода-вывода обязательно должно иметь модульную архитектуру. Наиболее важной частью интеграции в единую информационную сеть является сбор информации с микропроцессорных терминалов релейной защиты и автоматики, осуществляющих логическую защиту шин. Это позволяет с высокой точностью фиксировать срабатывание защит, то есть основных событий в любой электроустановке, для централизованного анализа работы всех элементов электроустановки. Станции ввода-вывода и управления должны иметь возможность передачи всей информации по стандарту МЭК-61850 напрямую, поскольку применение различного типа шлюзов и конверторов может негативно сказаться как на эффективности и надежности работы системы, так и на ее конечной стоимо-

Рис. 1. Типовая блочная структура системы с двумя секциями шин

сти, в том числе и с учетом расходов на эксплуатацию. Только таким образом можно обеспечить максимальную скорость связи между устройствами посредством передачи GOOSE-сообщений (Generic Object Orientated Substation Event) по стандарту МЭК 61850 для обеспечения работы оперативных блокировок (рис. 1). Применение цифровой коммуникации существенно сокращает работы по прокладке и обслуживанию кабельных линий для сигнальных цепей, цепей управления и контрольных цепей. Решение Phoenix Contact предлагает модульную расширяемую систему ввода-вывода Axioline для применения в энергетике (рис. 2). Станция ввода-вывода благодаря широкому спектру подключаемых модулей имеет возможность принятия сигналов от различных элементов системы и выдачи управляющих воздействий. С использованием Axioline такие сигналы, как состояние контактов выключателя или измеренные значения можно с легкостью зафиксировать и интегрировать в центральный пункт

Рис. 2. Система ввода-вывода Axioline с поддержкой стандарта МЭК 61850

12

04 /Декабрь 2015

посредством сообщений протокола МЭК-61850. Благодаря быстродействующим модулям с релейными контактами выключатели могут управляться напрямую через систему ввода-вывода. Оперативные блокировки могут быть созданы стандартным для GOOSEмодели способом. Сигнальные и управляющие уровни напряжений 220/110 В постоянного тока могут быть приняты системой ввода-вывода напрямую без необходимости в использовании дополнительных развязывающих элементов. Для обеспечения наиболее коротких кабельных путей устройства сопряжения с шиной Axioline от Phoenix Contact могут быть установлены непосредственно в распределительном щите низкого напряжения. Управление секционным выключателем также осуществляется через центральную (расположенную в центральном отсеке) станцию ввода-вывода. Все дополнительные контакты автоматических выключателей могут быть приняты и обработаны станцией вводавывода без необходимости в прокладывании длинных сигнальных линий. Значения токов и напряжений по фазам могут быть зафиксированы и переданы посредством трансформаторов тока и напряжения с универсальным токовым выходом 4…20 мА. Сухие контакты реле контроля напряжения, сигнализирующие о падении уровня напряжения до 70% и 98,5% от номинального значения, подключаются к низковольтным дискретным входам модуля ввода, дополняющим основную станцию Axioline (рис. 3). Построение отказоустойчивой сети Ethernet Немаловажная роль в безотказной высокоэффективной работе установки отводится сетевому уровню, соединяющему станции ввода-вывода с вышестоящей системой управления. Всего один коммутатор в распределительном устройстве может связать все станции ввода-вывода между собой и обеспечить коммуникацию с вышестоящим уровнем через оптическую линию связи. Благодаря использованию тех-

Рис. 3. Интеграция цифровых функций стандарта МЭК 61850 в распределительное устройство

Рис. 4. Построение отказоустойчивой сети с применением технологии резервирования PRP

нологии резервирования PRP (Parallel Redundancy Protocol) становится возможной такая организация сети Ethernet, при которой обеспечивается максимальная надежность при передаче информации, без потерь, даже при возникновении обрыва одной из коммуникационных линий. Устройство резервирования PRP Redundancy Box от Phoenix Contact позволяет подключить к отказоустойчивой сети даже тех абонентов, которые не имеют дублированного сетевого интерфейса.

PRP-резервирование основано на использовании двух независимых активных путей передачи между оконечными устройствами в сети Ethernet (рис. 4). Передатчик использует два интерфейса передачи данных одновременно в параллельном режиме. Приемник также активен одновременно в двух сетях и получает всю передаваемую информацию, но принимает во внимание только те пакеты данных, которые поступили первыми. Если приемник перестает получать ду-

научно‑практическое издание

блированные данные от одной из сетей, на устройстве возникает диагностический сигнал, который можно увидеть как на светодиодном индикаторе, так и зафиксировать, приняв SNMP-трап. Выводы В рамках модернизации диспетчерского центра управления становится целесообразной модернизация также и распределительных устройств низкого напряжения посредством интеграции их в систему управления по стандарту МЭК 61850. Специалисты Phoenix Contact могут предложить Вам законченное решение внутришкафного исполнения для обеспечения современной и надежной коммуникации. ООО «Феникс Контакт РУС», 428000, г. Чебоксары, ул. Энгельса, д. 28, оф. 209 Тел.: +7 (8352) 24-0427 info@phoenixcontact.ru www.phoenixcontact.ru 13

СМЕНА ПОКОЛЕНИЙ Свой 25-летний юбилей (в 2016 году) НПП «ЭКРА» встречает будучи довольно успешным предприятием с широкой номенклатурой продукции, высоким научно-техническим и кадровым потенциалом. За плечами – многолетний положительный опыт эксплуатации устройств РЗА собственной разработки и производства на новейшей микропроцессорной элементной базе. Основу коллектива составляют высокопрофессиональные специалисты с большим опытом работы. Именно благодаря им на предприятии смогли добиться столь впечатляющих успехов: НПП «ЭКРА» самостоятельно осуществляет НИОКР, расширяет производственную базу и осваивает новые технологии, укрепляя тем самым свои позиции на рынке. С 1 апреля 2015 года на НПП «ЭКРА» проведён ряд новых назначений на ключевые посты, что символизирует смену поколений: генеральным директором предприятия стал Константин Николаевич Дони, первым заместителем генерального директора – Андрей Владимирович Фурашов и техническим директором – кандидат технических наук Владимир Александрович Наумов. Они вместе образовали новую управленческую команду предприятия, причём каждый из них уже имел опыт руководства структурными подразделениями компании. Развитие предприятия, как считали его основатели, находится в прямой зависимости от профессионального и личностного роста работающих на нём сотрудников. Поэтому квалифицированный кадровый состав стал одним из главных конкурентных преимуществ предприятия. Чтобы сохранить и укре-

14

04 /Декабрь 2015

пить это преимущество в будущем, новое руководство предприятия также «делает ставку» на молодежь. На НПП «ЭКРА» продолжают внимательно относиться к работе молодых специалистов и делают многое для того, чтобы каждый из них имел возможность раскрыть себя, реализовать свои профессиональные и карьерные амбиции. Для них, как, впрочем, и для всего персонала предприятия, проводятся различные тренинги и семинары, обучение на курсах повышения квалификации по инженерным, рабочим и управленческим специальностям. Сегодня доля молодёжи в возрасте до 30 лет среди инженеров составляет уже 47% от общего количества ИТР. Все они рассматриваются как высококвалифицированный кадровый резерв. Достижению столь высокого результата способствует активное участие НПП «ЭКРА» в реализации учебных

программ профессиональной подготовки бакалавров, специалистов и магистров Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова и других учебных заведений. Поэтому, начиная с 3-го курса, студенты вузов проходят на предприятии производственную, технологическую, преддипломную и другие виды практик. Специалисты предприятия осуществляют научное руководство при выполнении курсовых и дипломных работ, различных проектов. В свою очередь, студенты, аспиранты и преподаватели вузов привлекаются к выполнению исследований, относящихся к сфере взаимных научных интересов. Для предприятия важно не только подготовить профессионала высокой квалификации, но, что еще важнее, суметь удержать и увлечь его работой в компании. На НПП «ЭКРА» молодые специалисты вместе со своими старшими

коллегами работают над решением реальных инженерных задач, включаются в работу над перспективными и значимыми проектами. Существующая система наставничества позволяет растить из вчерашнего талантливого студента молодого квалифицированного специалиста. Составными частями развития творческой активности являются участие молодых сотрудников в научно-технических конференциях и семинарах, а также привлечение их к соавторству при написании научных статей. Так, например, с 2012 года на НПП «ЭКРА» ежегодно издается сборник научных трудов сотрудников предприятия под общим названием «Цифровая электротехника: проблемы и достижения». Вышли из печати уже три выпуска Сборника, и 2015 год не станет исключением. В статьях Сборника рассматриваются различные вопросы и даются описания решений в области цифровых устройств РЗА, современных цифровых систем управления электроприводами, систем оперативного тока как на объектах генерации, так и на подстанциях электроэнергетических систем с использованием моделирующих цифровых систем реального времени. Ряд научно-технических статей подготовлен, в том числе, молодыми специалистами НПП «ЭКРА» или с их участием.

В них освещаются некоторые теоретические и практические результаты, полученные в ходе собственных исследований и разработок новых цифровых электротехнических устройств. Важная роль на предприятии отводится мотивации персонала. И здесь особое внимание уделяется социальной политике компании, которую практически в неизменном виде продолжает осуществлять новая команда управленцев. Социальная и кадровая политика НПП «ЭКРА» направлена на формирование сплочённого коллектива, нацеленного на достижение значительных результатов. Для выполнения этой задачи во всех подразделениях созданы хорошие условия для труда, совместного отдыха и спорта, регулярно проводятся корпоративные мероприятия. Предприятие арендует городские спортивные залы и площадки, чтобы молодые специалисты имели возможность заниматься различными видами спорта. Несколько помещений для занятий физкультурой и спортом оборудовано непосредственно на территории предприятия. Сборные команды НПП «ЭКРА» участвуют во внутрикорпоративных и городских спортивных соревнованиях, на которых наряду с состязательностью и здоровым азартом царит дух командной солидарности.

научно‑практическое издание

Социальный пакет, предоставляемый работникам компании, включает также дополнительные льготы, услуги и выплаты социального характера. Весь персонал предприятия застрахован от несчастных случаев и получает полноценную медицинскую помощь в медучреждении, с которым заключён соответствующий договор. Предусмотрены выплаты по случаю вступления в брак и рождения ребенка, при наступлении непредвиденных жизненных обстоятельств. Иногородним молодым специалистам компенсируются затраты по найму жилья. Кроме того, ряд банков, с которыми взаимодействует ООО НПП «ЭКРА», готовы предоставить сотрудникам предприятия специальные услуги, в т.ч. кредитование на льготных условиях. Сегодня можно констатировать, что благодаря последовательной реализации социальной и кадровой политики предприятие неуклонно «омолаживается». Молодёжь привлекают перспективы карьерного роста и высокий уровень оплаты труда, комфортные условия работы и дружеская атмосфера в коллективе. НПП «ЭКРА» гарантирует всем своим сотрудникам социальную защищённость, мотивируя их работу различными бонусами, что позволяет каждому работнику предприятия претворять в жизнь свои идеи и мечты.

15

НАУКА

РЗА УДК 621.316.925.1

Авторы: к.т.н. Антонов В.И., к.т.н. Наумов В.А., Солдатов А.В., Иванов Н.Г., Митин Д.А., ООО НПП «ЭКРА», г. Чебоксары, Россия.

Ph.D. Antonov V.I., Ph.D. Naumov V.A., Soldatov A.V., Ivanov N.G., Mitin D.A., EKRA Ltd., Cheboksary, Russia.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ МОЩНОСТИ ДЛЯ ЦИФРОВОЙ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОЧНОСТИ POWER MEASURING FUNCTIONS IN DIGITAL RELAY PROTECTION AND AUTOMATION SYSTEMS: ACCURACY CHARACTERISTICS Аннотация: излагается методика оценки точности измерительных органов мощности в цифровых системах релейной защиты и автоматики. Показано, что точность измерительных органов мощности зависит, в основном, от отклонений частотных характеристик преобразователей уровня входных сигналов от расчетных, разрядности, уровня шума и частоты опроса каналов аналогово-цифрового преобразователя.

Ключевые слова: цифровые системы релейной защиты и автоматики, измерительные органы мощности, характеристики точности.

Annotation: accuracy of power measuring functions in digital relay protection and automation systems is stated. It is shown that main factors influencing the accuracy are divergence of frequency response form specified response of signal level converters, resolution, noise level and sampling rate of analog-to-digital converter.

Keywords: digital relay protection and automation systems, power measuring function, accuracy

Одной из важнейших характеристик измерительных органов мощности является их точность. Хотя большинство методических вопросов оценки точности измерительных органов мощности довольно глубоко исследованы, например в работах [1, 2], но принятый в этих работах подход сформулирован применительно к устройствам на микроэлектронной элементной базе и не может быть напрямую использован для оценки точности цифровых измерительных органов. В связи с этим актуальна разработка методики оценки мощности в цифровых системах релейной защиты и автоматики. Именно этой цели служит настоящая статья. Оценка мощности в цифровых системах определяется по классической формуле

characteristics.

(1) где – оценка комплексной мощности, и – комплексные действующие значения напряжения и тока, а – оператор вычисления комплексно-сопряженного числа. Из (1) очевидно, что точность оценки мощности определяется точностью оценки комплексных действующих значений напряжения и тока. Точность оценки комплексного действующего значения гармонического сигнала.

16

04 /Декабрь 2015

Во многом она определяется характеристиками элементов тракта аналогово-цифрового преобразования и методической погрешности используемого фильтра ортогональных составляющих. Исследуется точность оценки комплексного действующего значения (2) гармонического сигнала (3) трактом аналогово-цифрового преобразования в установившемся режиме (рис. 1), где и – действующее значение, амплитуда, частота и начальная фаза сигнала соответственно. В основу исследования заложены принципы, заимствованные из [3]. Принимается, что селективный преобразователь уровня SLC является линейным элементом с АФЧХ:

где и АЧХ и ФЧХ селективного преобразователя уровня SLC соответственно. АЧХ и ФЧХ преобразователя SLC может отличаться от расчетной:

РЗА

НАУКА

Рис. 1. Функциональная схема тракта аналогово-цифрового преобразования гармонического сигнала: SLC – селективный преобразователь уровня, D – элемент задержки, ADC – аналогово-цифровой преобразователь, FOC – фильтр ортогональных составляющих, SC – масштабирующий элемент

(4)

где

и

– расчетные АЧХ

и ФЧХ, и – отклонения АЧХ и ФЧХ от расчетных,

модуль и аргумент комплексного действующего значения . Имеется в виду, что аналоговоцифровой преобразователь обладает линейной характеристикой преобразования [3-5]. Тогда оцифрованный сигнал на выходе ADC (6)

относительное отклонение АЧХ селективного преобразователя уровня SLC от расчетной. Комплексное действующее значение сигнала на выходе SLC Предполагается, что тракт аналогово-цифрового преобразования содержит только один АЦП и используется для измерения нескольких сигналов. Подключение входных сигналов к АЦП выполняется коммутатором с конечным временем действия. В связи с этим отсчеты сигналов различных каналов будут рассинхронизированы и сдвинуты на временной оси. Сдвиг по времени, вызванный временем переключения коммутатора, будем отсчитывать относительно первого канала тракта измерения. На схеме (рис. 1) этот сдвиг учтен с помощью элемента задержки времени D, комплексное действующее значение сигнала на выходе которого будет иметь вид (5)

(12) установившаяся реакция оператора скользящего среднего на комплексную синусоиду ,

где (7) полезная составляющая сигнала на выходе ADC, – шум квантования в виде меандра частоты с амплитудой и произвольной начальной фазой, – номер отсчета, – период дискретизации. Оценка комплексного действующего значения сигнала (6) определяется путем его преобразования фильтром Фурье [6]: (8) Ошибка в оценке максимальна, если фаза основной гармоники шума квантования равна или противоположна фазе сигнала (7). Тогда оценка (8)

АФЧХ оператора скользящего среднего в составе фильтра Фурье, – число отсчетов сигнала за период промышленной частоты , и – разностная и суммарная частоты соответственно, (13) где – амплитуда шума АЦП в квантах, – число значащих разрядов АЦП, – максимальное действующее значение сигнала. Для придания выкладкам большей общности вводится в рассмотрение понятие о нормированном шуме АЦП (14) и диапазоне изменения сигнала

(9) где (10)

где – смещение фазы сигнала, учитывающее сдвиг отсчетов по времени,

результирующий вектор выходного сигнала фильтра Фурье (рис. 2),

действующее значение основной гармоники шума,

где – минимальное действующее значение сигнала (3). Тогда с учетом (13) и (14) максимальный уровень шума АЦП

(15)

(11) научно‑практическое издание

17

НАУКА

РЗА Влияние АФЧХ селективного преобразователя уровня SLC на входной сигнал (3) корректируется с помощью масштабирующего элемента SC с коэффициентом передачи: (16)

Антонов Владислав Иванович в 1978 г. окончил факультет

Тогда текущая оценка (9) комплексного действующего значения (2) с учетом (5), (10) и (16) определяется как

электрификации и автоматизации промышленности ЧГУ им. И.Н. Ульянова.

(17)

В 1985 г. защитил в Ленин-

Рис. 2. Составляющие выходного сигнала оператора

градском политехническом институте кандидатскую диссертацию «Разработка и ис-

Относительный вклад шума АЦП в ошибку определим, рассматривая совместно (10) и (15):

скользящего среднего

следование новых принципов построения измерительных

(18)

органов направленных защит линий электропередачи». Доцент кафедры теоретиче-

С учетом (4) и (18) оценку (17) можно представить следующим образом:

ских основ электротехники и релейной защиты и автомати-

(19)

ки ЧГУ главный специалист

Следовательно, относительная погрешность оценки действующего значения будет равна

отдела РЗА станционного оборудования ООО НПП »ЭКРА».

Абсолютная погрешность оценки (19) будет максимальна при выполнении следующих условий: • уровень входного сигнала (3) будет соответствовать нижней границе диапазона ( ); • вклад шума АЦП будет максимален при (20)

•

длина вектора

; будет минималь-

на (его составляющие и будут коллинеарными и направлены противоположно). Тогда максимальную абсолютную погрешность действующего значения (2) с учетом (11), (12) и (19) можно представить в виде:

18

04 /Декабрь 2015

где

и противоположен по знаку ко входному сигналу; АЧХ селективного преобразователя уровня будет меньше расчетной

•

Точность оценки мощности. Оценка комплексной мощности определяется из (1) с учетом (19) и в общем случае будет содержать постоянную и переменную слагаемые

(21)

НАУКА

РЗА где – разность между аргументами комплексных действующих значений и трактов измерения напряжения и тока, – отличие расчетных ФЧХ селективных преобразователей уровня SLC тракта напряжения и тока на номинальной частоте, которое настраивается

Наумов Владимир Александрович

так, чтобы

.

ях

Погрешность оценки мощности

в 2001 г. окончил электроэнергетический факультет

(22)

Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова по специальности «инженер». В 2002 г. защитил магистер-

ной мощности имеет постоянную и переменную во времени слагаемую, а погрешность оценки реактивной мощности переменной слагаемой не имеет. Наибольшая погрешность оценки активной мощности будет, когда переменная слагаемая погрешности принимает максимальное абсолютное значение. Зависимость от при разных значени-

Относительные погрешности оценок активной и реактивной мощности определяются из (21) и (22) как

приведена на рис. 3.

Зависимость получается из зависимости при зеркальном отражении относительно уровня . Для упрощения расчета погрешности (23) при отклонении частоты от номинальной на рис. 4 приведены частотные характеристики суммы и разности и при частоте дискретизации

скую диссертацию. В 2005 г.

(рис. 4).

защитил во ВНИИЭ кандидатскую диссертацию «Анализ и совершенствование продольных дифференциальных защит генераторов и блоков генератор-трансформатор».

(23)

Заместитель генерального директора - технический директор ООО НПП «ЭКРА».

где Рис. 3. Зависимость

от

: 1 – при

(24)

3 – при 6 – при

; 4 – при

при разных значениях ; 2 – при

;

; 5 – при

;

Солдатов Александр Вячеславович В 2006 г. окончил электроэнергетический факультет Чувашского государственно-

(25)

го университета им. И.Н. Ульянова по специальности «инженер». Заместитель заведующего отделом РЗА станционного оборудования ООО НПП «ЭКРА».

коэффициенты, учитывающие вклад в погрешность отличающегося от расчетного сдвига фаз тракта аналогово-цифрового преобразования, – разность ФЧХ селективных преобразователей уровня SLC тракта напряжения и тока, – разность смещений фаз сигналов тока и напряжения из-за сдвига отсчетов по времени. Как видно из (23), относительная погрешность оценки активнаучно‑практическое издание

Рис. 4. Зависимости и сигналов

(кривая 1)

(кривая 2) от отклонения частоты от номинальной частоты

при частоте

дискретизации

19

НАУКА

РЗА Пример. Проиллюстрируем применение изложенной методики для оценки точности ИО мощности цифровой системы.

Иванов Николай Геннадьевич В 2013 г. окончил кафедру ТОЭ и РЗА электроэнергетического факультета ЧГУ им. И.Н. Ульянова, получил степень магистра техники и технологии по направлению «Электроэнергетика и электротехника». Инженер 2 категории отдела РЗА станционного оборудования ООО НПП «ЭКРА».

Исходные данные: рабочий диапазон сигнала для тракта тока: А ( А; А); рабочий диапазон сигнала для тракта напряжения: В( В; В); номинальная частота входных сигналов 50 Гц ( ); рабочий диапазон частоты входных сигналов ±1 Гц ( ); относительное отклонение АЧХ селективного преобразователя уровня SLC от расчетной для тракта напряжения и тока на номинальной частоте ; максимальное относительное отклонение АЧХ селективного преобразователя уровня SLC от расчетной для тракта напряжения и тока в рабочем диапазоне частот различие ФЧХ селективных преобразователей уровня SLC тракта напряжения и тока на номинальной частоте ; максимальное различие ФЧХ селективных преобразователей уровня SLC тракта напряжения и тока в рабочем диапазоне частот ;

Митин Дмитрий Александрович Обучается по специальности «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» факультета энергетики и электротехники ЧГУ им. И.Н. Ульянова. Техник отдела РЗА станционного оборудования ООО НПП «ЭКРА».

разность смещений фаз сигналов тракта напряжения и тока из-за сдвига отсчетов по времени на номинальной частоте ; максимальная разность смещений фаз сигналов тракта напряжения и тока из-за сдвига отсчетов по времени на частоте ; число значащих разрядов АЦП 15 ( ); погрешность АЦП не превышает 3 квантов для тракта тока и напряжения ( ); коэффициент мощности . Расчет погрешности: вклад шума в оценки комплексного действующего значения тока и напряжения (20): ; квадраты АЧХ операторов скользящего среднего и для максималь-

20

04 /Декабрь 2015

ного отклонения частоты от номинала (12) (для можно воспользоваться (рис. 4): , коэффициенты (24) и (25) на номинальной частоте , и при отклонении частоты , погрешность оценки активной и реактивной мощности на номинальной частоте (23): ; погрешность оценки активной и реактивной мощности при отклонении частоты (23): . Выводы Изложенная методика позволяет оценить точность цифровых измерительных органов мощности еще на этапе их проектирования и показывает основные пути повышения точности, заключающиеся в: • уменьшении отклонения частотных характеристик преобразователей уровня входных сигналов от расчетных; • повышении разрядности и снижении уровня шума АЦП; • повышении частоты опроса каналов АЦП при использовании одного АЦП для измерения нескольких сигналов. Литература: 1. Розенблюм Ф.М. Измерительные органы противоаварийной автоматики энергосистем. – М.: Энергоиздат. – 1981.

2. Бенин В.Л. Погрешности измерительных преобразователей мощности на квадраторах // Электричество. – 1968. – №11. – С. 39 - 42.

3. Антонов В.И., Наумов В.А., Солдатов А.В., Егоров Н.В. Оценка гармоники электрической величины на фоне преобладающего гармонического спектра шума // Электричество. – 2014. – №5. – С. 29-33.

4. Антонов В.И., Сидиряков Е.В., Шевцов В.М. Выбор частоты дискретизации и разрядности аналого-цифрового преобразователя в цифровых системах релейной защиты // Электротехника. – 1993. – №4. – С. 56-59.

5. Лямец Ю.Я., Ильин В.А. Погрешности замера параметров по ортогональным составляющим электрических величин при аддитивных помехах // Изв. вузов. Электромеханика. – 1988. – №10. – С. 33-38.

6. Антонов В.И., Наумов В.А., Солдатов А.В., Фомин А.И. Алгоритмы Фурье для быстродействующих цифровых защит // Сб. тез. и докл. Междунар. научно-практ. конф. и выставки «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России» (РЕЛАВЭКСПО - 2012), Чебоксары. – 17-20 апреля 2012 г. – С. 75-76.

7. Warichet J., Sezi T., Maun J-C. A Synchrophasor Measurement Algorithm Suitable for Dynamic Applications // Proc. Of 16th Power Systems Computation Conference, Glasgow, Scotland, July 14-18, 2008.

НАУКА

РЗА УДК 621.315.1

Авторы: к.т.н. Ефремов В.А., к.т.н. Мартынов М.В., ООО «ИЦ «Бреслер», г. Чебоксары, Россия,

Буров А.В., Гайдаш А.А., АО «Тюменьэнерго», г. Сургут, Россия.

АДАПТИВНАЯ ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Adaptive distance protection of transmission line Аннотация: в результате реализации научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы в составе программы инновационного развития АО «Тюменьэнерго» ведущим отечественным разработчиком и производителем устройств релейной защиты и автоматики сетей 6-750 кВ ООО «ИЦ «Бреслер» разработан опытный образец устройства адаптивной дистанционной защиты линий электропередач 110-220 кВ.

Ключевые слова: адаптивная дистанционная защита, избиратель поврежденных фаз, фильтр аварийных составляющих, информационные модели энергосистемы.

Ph. D. Efremov V.А., Ph. D. Martynov M.V., LLC «Research Center «Bresler», Cheboksary, Russia, Burov A.V., Gaidash А.А ., JSC «Tyumenenegro», Surgut, Russia.

Annotation:the leading domestic developer and manufacturer of relay protection and automation of powergrids 6-750 kV LLC «RC «Bresler» developed a prototype device of adaptive distance protection of power lines 110-220 kV as a result of research and development work as part of the program of JSC «Tyumenenergo» innovative development.

Keywords: adaptive distance protection, phase selector, emergency component filter, information powergrid model.

Вот уже более 20 лет на российском рынке релейной защиты и автоматики (РЗА) внедряются цифровые устройства защиты. А что они привнесли с собой? Сервис, диагностика, управляемость, удобство работы, спорный МЭК 61850… Можно долго перечислять достоинства микропроцессорных РЗА (МП РЗА) перед электромеханикой (э/м), и только в самом конце списка следует добавить «еще и более совершенные алгоритмы». С точки зрения сегодняшнего уровня алгоритмизации РЗА будем различать «классические» и «адаптивные» защиты. «Классической» будем называть РЗА, которая для своего функционирования использует информацию только о текущих токах , напряжениях и их комбинации, например мощности . Введем понятие «адаптивной» РЗА, которая адаптирует (изменяет) свои характеристики срабатывания в зависимости от параметров доаварийного (предшествующего) режима (например, [1, 2]). В более общем случае прямая адаптация производится в дискретном пространстве, подразделенном на ячейки [3, 4]. Способы косвенной адаптации в релейной защите ведут своё начало от широко известного реле Бреслера [5]. Их можно интерпретировать при помощи представлений об алгоритмических моделях объекта, осуществляющих преобразование наблюдаемых величин в напряжения и токи места предполагаемого повреждения [6, 7]. Основное преимущество МП РЗА перед э/м РЗА – возможность использования инфорнаучно‑практическое издание

мации о предшествующем режиме. Даже в современных МП РЗА, реализованных по канонам «классических» РЗА, такая информация практически не применяется. Использование сведений о предшествующем режиме и значительно увеличивает объем информации, который необходим для принятия решения. Известно, что разница между текущим и предшествующим режимами определяется как аварийный режим, источником которого является место повреждения/коммутации. Таким образом, аварийные составляющие несут полную информацию об аварии: место (зона) повреждения, вид повреждения, поврежденные фазы. Адаптивная РЗА базируется на аварийных составляющих. Некоторые элементы адаптивных РЗА ­– избиратель поврежденных фаз и вида повреждения на базе аварийных составляющих – уже прошли многолетнюю апробацию в качестве избирателя поврежденных фаз (ИПФ) в устройствах однофазного автоматического повторного включения (ОАПВ) производства ООО «ИЦ «Бреслер». Более чем за десятилетнюю историю ИПФ не зафиксировано ни одного неселективного действия. Кроме того, ИПФ не требует расчета параметров срабатывания (уставок). Адаптивная система релейной защиты строится на базе реле с двумя подведенными величинами, пример – адаптивная дистанционная защита (АДЗ). Для АДЗ необходимы 21

НАУКА

РЗА

алгоритмы от всех видов повреждений с высокой чувствительностью срабатывания. Параметры срабатывания адаптивных систем зависят от величин предшествующего режима и автоматически подстраиваются под нагрузочный режим, т.е. АДЗ по принципу действия не требует расчета параметров срабатывания защит. Для таких систем важен алгоритм функционирования (алгоритм первичен), а характеристика срабатывания на плоскости всегда вторична и служит для отображения областей нахождения годографа сопротивлений в рассматриваемых режимах. Заметим, что адаптация с помощью характеристик PC (уменьшения характеристики срабатывания при увеличении нагрузочного режима) с точки зрения теории автоматического управления не может считаться полностью адаптивной, так как при этом не происходит восполнения априорной информации апостериорной. Одной из решаемых задач АДЗ является отображение на плоскости предельных границ годографов реле сопротивления в различных режимах (рис. 1). (Годографы построены для реальной ЛЭП с углом передачи ±20 эл. град. соответственно). В процессе изменения параметров нагрузочного режима происходит изменение характеристики адаптивного РС. Форма характеристики перестраивается в зависимости от положения точки замера в нагрузочном режиме, с учётом измерительных и априорных погрешностей должна иметь вид, представленный на рис. 2. В процессе реализации НИОКР в рамках совместной работы АО «Тюменьэнерго» и ООО «ИЦ «Бреслер» был разработан, испытан и введен в опытно-промышленную эксплуатацию опытный образец устройства адаптивной дистанционной защиты линий электропередач 110-220 кВ, который в качестве критерия повреждения использует безусловный признак – резистивность природы повреждения. Инновационное устройство было установлено на ВЛ 110 кВ «Ленинская22

04 /Декабрь 2015

Рис. 1. Отображение на плоскости предельных границ годографов реле сопротивления в зависимости от направления передачи мощности на ЛЭП а – прямая передача; б – обратная передача мощности

Рис. 2. Характеристика срабатывания адаптивного реле сопротивления с учётом погрешностей замера при прямой (а) и обратной (б) передаче мощности на ЛЭП

Лосинка-1» ПС 110/35/6 кВ «Лосинка» филиала АО «Тюменьэнерго» Нефтеюганские электрические сети. В роли элементов реагирования могут выступать реактивные параметры, принимающие нулевое значение в месте повреждения. На основной гармонике параметр выглядит (1*) где – напряжение и ток поперечной ветви; – обозначение фаз сети; – координаты контролируемой линии. Общий критерий идентификации повреждения в ЛЭП должен заключаться в требовании . Основная идея реализованного алгоритма АДЗ заключается в определении знаков аварийной реактивной мощности по концам защищаемой зоны:

где – координата конца зоны. При разных знаках реактивной мощности по концам зоны фиксируется срабатывание АДЗ, т.е. выполняется условие [8]. В алгоритм, реагирующий на знаки реактивной мощности по концам зоны защиты, внесен ряд инновационных решений, которые позволили его усовершенствовать. В результате теоретических изысканий и практических исследований был создан алгоритм АДЗ [9], в котором удалось достичь: – повышения чувствительности защиты; – минимального объема расчетов параметров срабатывания защиты при вводе защиты в работу и отсутствия таковых операций при дальнейшей эксплуатации, в т.ч. и при изменении параметров защищаемого объекта или изменении его режимов работы;

РЗА

R f , км

НАУКА

100

2

80

1

60

А ДЗ

40 20 0

x f , км

К лассическая ДЗ

0

5

10

15

20

lз

25

30

35

40

Рис. 3. Объектная характеристика адаптивной и «классической» дистанционной защиты

Рис. 4. Осциллограмма работы АДЗ при

,

li , Z 10i , Z 00i , b1i , b0i

liотп , Z 10iотп , Z 00iотп , b1iотп , b0iотп

Sном,т , Z вн , Z сн , Z нн

S Pнг  jQнг нг

Рис. 5. Параметры, необходимые для задания алгоритмической модели I ступени в терминале защиты

научно‑практическое издание

– отсутствия «мертвой зоны» защиты при близких металлических трехфазных КЗ. Повышение чувствительности защиты. Опираясь на резистивную природу повреждения, теоретически можно рассматривать АДЗ с чувствительностью к переходным сопротивлениям величиной сотни и тысячи Ом, т.е. АДЗ пригодна для целей диагностики ЛЭП. Однако универсализм алгоритма функционирования, а также конечная чувствительность измерительных цепей защиты ограничивают возможности АДЗ. На рис. 3 приведены объектные характеристики адаптивного и «классического» РС для ВЛ 110 кВ «Ленинская-Лосинка-1». Практически по всей длине ЛЭП можно наблюдать значительное (не менее чем в 3 раза) увеличение чувствительности к переходным сопротивлениям по сравнению с «классической» ДЗ. На рис. 4 показана осциллограмма работы защиты при , , что соответствует точке 1 на рис. 3. Следует отметить, что при увеличении переходного сопротивления в месте КЗ до срабатывания защиты из-за недостаточной чувствительности не происходит, что соответствует положению точки 2 на рис. 3. Отсутствие необходимости расчета уставок. Одна из проблем РЗА, которая усугубилась в последнее время с внедрением МП РЗА и, как следствие, с резким увеличением функциональности защит, является задача расчета параметров срабатывания (уставок) защит. Эта задача требует решения двух взаимосвязанных задач: – моделирование (расчет) режимов сети; – расчет параметров срабатывания защит. Задача усложняется и тем, что указанные подзадачи считаются разными организациями. Для расчета режимов необходимы параметры эквивалентных систем, которые для расчетных подразделений энергосистем может представить системный оператор. Поэтому разработка защит, которые требуют минимума расчета параметров срабатывания (ИПФ – отстройка 23

НАУКА

РЗА

Ефремов Валерий Александрович В 1993 г. защитил кандидатскую диссертацию на тему «Адаптивный дистанционный принцип и средства его реализации» в Санкт-Петербургском техническом университете. Доцент кафедры ТОЭ и РЗА Чувашского госуниверситета, директор Центра применения продукции ООО «ИЦ «Бреслер».

Рис. 6. Условия выбора параметров алгоритмической модели II ступени: а – выбор минимального значения сопротивления охвата I ступени защит смежных элементов для задания уставки охвата II ступени; б – выбор минимального значения сопротивления смежных двухцепных ВЛ в режиме работы двух цепей и минимального сопротивления смежного трансформатора наибольшей мощности Мартынов Михаил Владимирович Защитил в 2014 г. кандидатскую диссертацию на тему «Исследование и разработка обучаемых модулей микропроцессорных защит линий электропередачи» в Чувашском государственном университете им. И.Н. Ульянова. Инженер-исследователь

от небалансов измерительных цепей) или ввода только информации о параметрах защищаемого объекта (например, для АДЗ ЛЭП необходимы длина линии, марки провода троса, тип опор, способ заземления троса или уже рассчитанные погонные параметры), является не только актуальной задачей с точки зрения выполнения организационных задач, но и решает проблему с квалификацией персонала по расчету параметров срабатывания защит. На рис. 5 приведены все необходимые параметры 1-й ступени АДЗ для ли-

нии с отпайками «Ленинская-Лосинка-1». Для 2-й ступени АДЗ требуется согласование со ступенями ДЗ (ТЗНП) смежной подстанции «Ленинская». На рис. 6 показаны условия выбора параметров алгоритмической модели II ступени. Для третьей ступени задаются сопротивления охвата смежного резервируемого элемента. Отсутствие «мертвой» зоны при близких трехфазных КЗ. На рис. 7 показаны годографы сопротивления «классического» РС при близких трехфазных КЗ у шин подстанции.

ООО «ИЦ «Бреслер».

0

Г

l

I ав  0  

U ав  0  

l

I ав  0  

J βf



J αf

0

Г

U ав  0 

Г

U ав  0  

I ав  0  

Г

U ав  0  

I ав  0  

Рис. 7. Работа «классического» реле сопротивления при близких

Рис. 8. Определение направления на близкое металлическое трехфазное КЗ

трехфазных КЗ

по аварийным составляющим

24

04 /Декабрь 2015

НАУКА

Гайдаш Андрей Александрович В 2006 г. окончил Омский государственный технический университет (ОмГТУ), электротехнический факуль-

РЗА Известно, что у ДЗ при РС может потерять направленность. Решение проблемы «мертвой» зоны при близких трехфазных КЗ в АДЗ показано на рис. 8. Для определения направленности использованы аварийные составляющие токов и напряжений. Аварийная составляющая напряжения при близких КЗ практически равна фазному напряжению, что позволяет с большим запасом селективно определять направленность на КЗ. На рис. 9 показана осциллограмма работы защиты при близком трехфазном КЗ в зоне, на рис. 10 – при близком трехфазном металлическом КЗ «за спиной».

тет, кафедру «Электрическая техника». Начальник службы РЗА филиала АО «Тюменьэнерго» Нефтеюганские электрические сети.

Выводы 1. Разработанный алгоритм адаптивной защиты ООО «ИЦ «Бреслер» обладает большей чувствительностью к КЗ через переходные сопротивления, нежели алгоритм «классической» ДЗ.

2. Определение направления на источник КЗ по аварийным составляющим позволяет исключить «мертвую» зону защиты при близких трехфазных КЗ.

3. Алгоритм АДЗ не требует расчета параметров срабатывания измерительных органов, а лишь задания зоны охвата ступеней. Это исключает потребность в данных об эквивалентах питающих сетей, что значительно упрощает процедуру параметрирования защиты.

Литература: 1. Патент США № 5796258. Adaptive quadrilateral characteristic distance relay, 1998 / L. Yang.

2. Патент США № 7872478. Method and adaptive distance protection relay for power transmission lines, 2011 / M. Saha, E. Rosolowski, J. Izykowski.

3. Патент РФ № 2247456. Способ релейной защиты энергообъекта. БИ, 2005, № 6 / Ю.Я. Лямец, Е.Б. Ефимов, Г.С. Нудельман.

4. Патент РФ № 2248077. Способ дистанционной защиты линии электропередачи. БИ, 2005, № 7 / Ю.Я. Лямец, Г.С. Нудельман, Е.Б. Ефимов, В.А. Ефремов.

5. Авторское свидетельство СССР № 66343. Устройство для защиты высоковольтных линий передачи от замыканий между фазами, 1944 / А.М. Бреслер.

6. Лямец Ю.Я., Ильин В.А., Подшивалин Н.В. Программный комплекс анализа аварийных процессов и определения места повреждения линии электропередачи // Электричество. – 1996. – № 12. – С. 2-7.

7. Лямец Ю.Я., Нудельман Г.С., Павлов А.О. Эволюция дистанционной релейной защиты // Электричество. – 1999. – № 3. – С. 8-15.

8. Лямец Ю.Я., Антонов В.И., Ефремов В.А., Нудельман Г.С., Подшивалин Н.В. Диагностика линии электропередачи // Электротехнические микропроцессорные устройства и системы: Межвуз. сб. науч. тр./ Чебоксары. Изд. ЧГУ. – 1992. – С. 9-32.

9. Заявка на изобретение РФ №2015136614. Способ дистанционной защиты линии электропередачи, 2015, МПК Н02Н3/40.

Буров Андрей Викторович В 1997 г. окончил Уральский государственный технический университет (УГТУ-УПИ), электротехнический факультет, кафедра «Автоматизированное управление электроэнергетическими системами». Начальник службы РЗА АО «Тюменьэнерго».

Рис. 9. Работа защиты при близком трехфазном

Рис. 10. Работа защиты при близком трехфазном

металлическом КЗ в зоне

металлическом КЗ «за спиной»

научно‑практическое издание

25

НАУКА

Релейная защита

Автор: к.т.н. Успенский М.И.,

ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНЫХ ШТОРМОВ НА РАБОТУ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

ИСЭиЭПС КНЦ УрО РАН, г. Сыктывкар, Россия.

Pf.D. Uspensky M.I., ISE&EPN KSC UD RAS, Syktyvkar, Russia.

Annotation: An operation practice of power systems shows geomagnetic storms can make negative impact on their functioning in subpolar regions.

The example of Hydro-Quebec

AN IMPACT OF GEOMAGNETIC STORMS ON A POWER SYSTEM OPERATION Аннотация: как показывает практика эксплуатации энергосистем в приполярных регионах, на их работу могут оказывать отрицательное воздействие геомагнитные штормы. Пример погашения системы Hydro-Quebec в 1989 г. подтверждает необходимость учета такого влияния на функционирование энергосистемы. В статье рассматриваются причины отрицательного воздействия геомагнитных штормов на энергосистемы, в том числе через измерительные трансформаторы тока на релейную защиту.

system blackout confirms need

Ключевые слова: геомагнитные (солнечные) штормы, надежность работы энергосистемы, трансформатор тока, релейная защита при солнечных штормах.

of such influence accounting on a power system operation.

In this article, the negative impact reasons of geomagnetic storms on power systems, including affecting on the relay protection by means of current transformers, are considered.

Keywords: geomagnetic (solar) disturbance, reliability of power system operation, current transformer, relay protection at solar storms.

Солнечная вспышка

В северных энергосистемах кроме характерных для любой энергосистемы современных проблем (усложнение управления с ее развитием и вводом распределенной генерации, либерализация рынка электроэнергии и т.п.) возникают особые, связанные с климатическими и природными условиями (резкий наброс нагрузки в морозные дни, восстановление объектов системы при трудной доступности к ним, влияние северных сияний – электромагнитных процессов, вызывающих дополнительные токи в элементах системы и называемых геомагнитными штормами [1]). Учитывая, что в России более четверти территории относится к Арктике, подверженной влиянию геомагнитных штормов, и перспективные планы развития этого региона, включая развитие электроэнергетики

Космическое пространство

Рис. 1. Взаимодействие солнечной бури с магнитным полем Земли

26

04 /Декабрь 2015

Околоземное пространство

[2, 3], необходимо принимать во внимание также влияние космоса на энергосистемы [4]. Воздействие геомагнитных штормов на сферу Земли замечено в начале XX века, когда из-за этого была нарушена информационная связь между Европой и Америкой. С начала 70-х годов такое влияние замечено и на энергосистемы из-за появления на Севере длинных линий электропередачи [5]. 13 марта 1989 г. население Аляски и скандинавских стран было поражено зрелищем северного сияния, причем обрушившаяся на Квебек (Канада) геомагнитная буря оставила без электроэнергии 6 млн человек в течение примерно 9 часов [6]. Геомагнитный шторм вызывается солнечным ветром, представляющим поток ионизированных частиц. Магнитное поле, вызванное им, взаимодействует с полем Земли (рис. 1) [7]. Такое поле изменяется с частотой, измеряемой миллиГерцами, и создает вдоль поверхности Земли электрическое поле напряженности E. Взаимодействие поля с проводами линии электропередачи наводит в них э.д.с. одного направления во всех фазах, подобную э.д.с. нулевой последовательности, но квазипостоянную по величине. При заземлении нейтрали высоковольтных трансформаторов по концам линии электропередачи возникает ток, вызванный геомагнитным штормом (ТГШ). Из-за низкой частоты поля его можно считать квазипостоянным. Следовательно, индуктивные сопротивления в цепи линия – обмотки трансформаторов для него фактически равны нулю, а емкостные сопротивления компенсаторов – бесконечности. Он практически не трансформи-

НАУКА

Релейная защита B

При насыщении Bпостоян t

I

Без насыщения

Рис. 2. Схема замещения для токов ТГШ t

Рис. 3. Влияние смещения потока от ТГШ на искажение формы тока трансформатора

где – напряженность, вызванная геоэлектрическим полем поверхности Земли, – инкрементная длина линии передачи, включая направление. Если геоэлектрическое поле может быть принято постоянным в географическом районе линии передачи, тогда важны только координаты конечной точки линии независимо от ее маршрута, скручиваний и поворотов. Следовательно, (2) где – электрическое поле, направленное на Север (В/км), – электрическое поле, направленное на Восток (В/км),

I’1 I0

L0

I2 R на гр.

трено в ряде работ, например [8]. В данной статье остановимся на особенностях функционирования систем релейной защиты при геомагнитных штормах. Они вызываются, прежде всего, постоянной составляющей в токе намагничивания трансформаторов тока (ТТ). Анализ поведения ТТ проведем на модели его вторичной стороны (рис. 4). Вначале оценим, для примера, наведенные токи в северной части одной из энергосистем при напряженности электрического поля в 6 В/км, что соответствует грунту «суглинок» [9]. Сопротивление заземления примем 0,2 Ом. Схема части системы приведена на рис. 5, а схема замещения для нее – на рис. 6. Поскольку наведенные токи квазипостоянные, то в схеме замещения кроме линий участвуют только обмотки трансформаторов с заземленной нейтралью. Все фазы линии и обмоток трансформаторов в схеме замещения входят только активными сопротивлениями и включены параллельно. Квазипостоянное напряжение, наведенное в каждой фазе линии передачи, вычисляется по известной формуле

Uна гр.

руется измерительными трансформаторами, поэтому не отслеживается защитой от замыканий на землю. По этой же причине при больших значениях ТГШ может приводить к недопустимым погрешностям в измерении токов для релейной защиты. Схема замещения такой цепи для ТГШ приведена на рис. 2. Очевидно, что квазипостоянный ток, вызванный геомагнитным штормом, протекая по высоковольтной обмотке трансформатора, создает насыщение его сердечника. Это, во-первых, увеличивает потребление реактивной мощности трансформатором из-за роста тока намагничивания и, во-вторых, вызывает искажение формы волны трансформируемого напряжения (рис. 3). Следовательно, неизмеряемый постоянный ток увеличивает общий ток одного из полупериодов по обмотке трансформатора. Собственно, рост тока намагничивания определяет рост потребления трансформатором реактивной мощности, что плохо отражается на режиме сети по напряжению. Искажения его формы являются причиной увеличения высших гармоник в токе. Последние, в свою очередь, дополнительно нагружают емкостные компенсаторы сети, что вместе с увеличением потребления реактивной мощности приводит к их отключению. Понятно, что величина ТГШ зависит также от конструкции трансформатора, определяющей его магнитное сопротивление при насыщении, и от геологических пород на его пути по земле, влияющих на уровень напряженности электрического поля. Развитие упомянутой выше аварии системы Hydro-Quebec (Канада) рассмо-

Рис. 4. Модель вторичной стороны ТТ

(1) Л1

1 Т1

Л2

2 Т2

Т3

3 Т4

Т5

Рис. 5. Схема северной части рассматриваемой энергосистемы

научно‑практическое издание

27

Релейная защита

НАУКА

– составляющая расстояния в направлении на север (км) и – составляющая расстояния в направлении на восток (км). При известных географических координатах узлов ( – северная широта, – восточная долгота) можно получить

Табл. 1. Активные сопротивления схемы замещения

Табл. 2. Токи геомагнитного шторма

(3) где 111.2 км – длина 10 по широте, – разность по широте (градусы) между этими двумя узлами и

трансформатора в ветви тока намагничивания учитывается вольтамперной характеристикой его сердечника (рис. 7). Кривые токов приведены на рис. 8. Токи и для без ТГШ не приведены, причем ток также равен 6 А, а ток ТГШ равен нулю. Моделирование режима выполняется в следующем порядке. По величине ТГШ и характеристике намагничивания определяется соответствующее току напряжение (для тока 0.6 А ). Находится амплитуда напряжения нагрузки по приведенной переменной составляющей первичного тока на сопротивлении нагрузки, поскольку постоянная составляющая полностью замыкается индуктивностью намагничивания , По синусоидальной кривой напряжения на уровне и характеристике намагничивания строим кривую тока намагничивания. Мгновенное значение вторичного тока определяется разностью мгновенных значений первичного тока и тока намагничивания с учетом возможных фазовых сдвигов (рис. 8).

(4) где – разность по долготе (градусы) между этими двумя узлами, – корректировка по долготе длины 1 (5) Тогда при ,

, , ,

а при ,

, ,

. Параметры схемы замещения даны в табл. 1, причем здесь используется реальная длина линии 247 км против 235.6 км по координатам, что связано с провисом провода. Результаты расчетов при угле даны в табл. 2. ТГШ для цепи , приведенный к вторичной стороне, составил 0.6 А на фазу. . Ток принят для наглядности в изменении формы тока намагничивания – 6 А. Нелинейность

RЛ2

ЕЛ2

RТ5

RТ2

RЗем.

=

I3c

RТ1

=

ЕЛ1

I 2c

I1c

RЛ1

В установившемся режиме токи геомагнитного шторма могут привести к насыщению ТТ аналогично действию постоянной составляющей при к.з. При к.з. постоянная составляющая обычно намного больше по величине, чем самый высокий ожидаемый ТГШ, но она затухает за несколько циклов, а ТГШ имеет период до нескольких минут. Из анализа работы ТТ при к.з. известно, что постоянная составляющая приводит к отклонению вторичного тока, причем величина отклонения пропорциональна величине этой составляющей. Наличие ТГШ приводит практически к установившимся режимам по постоянному току. При насыщении стали сердечника значения тока намагничивания заметно возрастают (на рис. 7 амплитуда правого полупериода тока намагничивания больше амплитуды левого), существенно влияя на отклонение вторичного тока от первичного. Присутствие ТГШ в трансформаторе тока может ухудшить функционирование или даже привести к неправильной работе устройств релейной защиты

RЗем.

RЗем.

Рис. 6. Схема замещения северной части энергосистемы для оценки влияния геомагнитного шторма

28

04 /Декабрь 2015

Рис. 7. Характеристика намагничивания ТТ

НАУКА

Релейная защита

Успенский Михаил Игоревич Дата рождения: 09.04.1943. В 1971 г. окончил электромеханический факультет Ленинградского политехнического института с квалификацией инженерэлектрик. В 1984 г. там же защитил кандидатскую диссертацию на тему «Защита генератора от внутренних коротких замыканий на базе микроЭВМ». Работал в Пермском наладочном участке Свердловского ПНУ, на Согринской ТЭЦ «Алтайэнерго», доцентом кафедры «Электрификация и автоматизация с/х» СЛИ – филиала ГОУ ВПО «СПбГЛТА им. С.М. Кирова». В настоящее время – ведущий научный сотрудник ИСЭиЭПС КНЦ УрО РАН.

Рис. 8. Кривые моделируемых токов при

и автоматики. Частичное насыщение ТТ токами геомагнитного шторма может вызвать неправильную работу дистанционной защиты. Тройной ток в ТТ нейтрали силового трансформатора может существенно перегружать это измерительное устройство. Особое внимание вызывает работа дифференциальной защиты. Здесь, кроме возможного искажения вторичных токов изза насыщения, необходимо учитывать и рост потребления реактивной мощности силовым трансформатором из-за его насыщения токами геомагнитного шторма, а также генерацию им гармоник, в связи с его полупериодным насыщением, что приводит к заметным токам небаланса дифференциальной защиты. Защиты с торможением блокируют ложные срабатывания, особенно при торможении по высшим гармоникам, но при этом и чувствительность защиты загрубляется на весь период действия ТГШ. *** Геомагнитные штормы, вызываемые солнечными вспышками и проявляющиеся как северные сияния, могут оказать отрицательное воздействие на энергосистему, в том числе через работу релейной защиты и автоматики. Особенно такое влияние заметно вблизи магнитных полюсов Земли, т.е. в приполярных регионах. Следовательно, при развитии в них крупных энергосистем с длинными линиями электропередачи необходимо учитывать такие процессы. Воздействие ТГШ на работу релейной защиты проявляется, во-первых, непосредственно через насыщение постоянной составляющей такого тока измерительных трансформаторов тока, что научно‑практическое издание

приводит к искажению вторичного тока, а отсюда и к неправильной работе защиты. Во-вторых, причиной неправильной работы защиты может стать воздействие ТГШ непосредственно на силовые трансформаторы, приводя режим их работы к не предусмотренному при их создании. Учет этих явлений в процессе проектирования энергосистемы и при ее эксплуатации существенно снижает отрицательное воздействие ТГШ на работу системы. Не менее важно оценить степень влияния таких штормов на энергосистемы как по частоте и мощности их проявления, так и по затратам, связанным либо с ликвидацией последствий от них, либо с противодействием им. Литература: 1. Гершенгорн А. И. Воздействия геомагнитных токов на электрооборудование энергосистем // Электрические станции, 1993, №3. – С. 54–63.

2. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года // http:// www.energystrategy. ru/projects/ ... /ES-2030 (utv._N1715-p_13.11.09).

3. «Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года» Постановление Правительства Российской Федерации от 21 апреля 2014 г. № 366, г. Москва. // http: //www.rg.ru/ 2014/04/24/arktika-site-dok.html.

4. Сушко В., Косых Д. Геомагнитные штормы // Новости ЭлектроТехники. – 2013. – №1, №2, №3, №4.

5. Albertson V.D., Thorson J.M. Power system disturbances during a K-8 geomagnetic storm: august 4, 1972 // IEEE Trans. on PAS, 1973, Vol. 93.

No. 4. P. 1025-1030.

6. Солнечная активность и аварии в электрических сетях // http//:porva-intention.com.

7. Магнитные бури. Их классификация и возможные последствия // http: //atlantis-empire .com/index.php?topic=1176.

8. GMDTF Interim Report: Affects of Geomagnetic Disturbances on the Bulk Power System. NERC Special Reliability Assessment. – 2012 // https://www.frcc.com/ Public% 20Awareness/ Lists/ Announcements/ Attachments/ 105/ GMD% 20Interim% 20 Report.pdf.

9. Величины расчетного электрического удельного сопротивления грунта // http: // www. zandz.ru/udelnoe_soprotivlenie_grunta.html.

29

НАУКА

АСУ ТП УДК 681.3

Авторы: Каковский С.К., к.т.н. Потапенко С.П., д.т.н. Рабинович М.А., ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», г. Москва, Россия.

Kakovskiy S.K., Ph. D. Potapenko S.P., Ph. D. Rabinovich M.A., R&D Center at Federal Grid Company of United Energy System, JSC, Moscow, Russia.

ВОПРОСЫ ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В ЗАДАЧАХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ QUESTIONS OF IMPORT REPLACEMENT SOFTWARE IN ELECTRIC POWER TASKS Аннотация: представлены инструментальные средства КАСКАД-НТ 4.0 для конструирования приложений пользователя и систем отображения информации для стандартных БД (OR ACLE, MS SQL и т.д.) и ряда БД реального времени (БДРВ) на индивидуальных и коллективных средствах. Комплекс КАСКАД-НТ 4.0 состоит только из отечественных компонентов, является самодостаточным для формирования широкого класса прикладных программных комплексов. Рассматриваются отдельные проблемы импортозамещения программных продуктов, используемых при решении задач электроэнергетики. Комплекс КАСКАД-НТ 4.0 предназначен для конструирования приложений пользователя и систем отображения информации без участия профессиональных программистов. Комплекс окажется полезным и для программистов, позволив сократить время и упростив проблему создания сложных вычислительных систем с полноценной системой отображения информации. Речь идет о визуальном конструировании вычислительных систем без традиционного программирования, что позволяет привлечь к созданию вычислительных комплексов технически продвинутых специалистов без специальных знаний программирования, хорошо представляющих суть решаемых задач. Применение технологии конструирования программного обеспечения (ПО) позволяет в несколько раз ускорить создание импортонезависимых программных систем, их развитие и сопровождение, что оказывается чрезвычайно важным в настоящее время.

Ключевые слова: импортозамещение, программное обеспечение, строительство, кибербезопасность, модели энергетических объектов и инженерных сетей.

Annotation: presented tools CASCADE NT 4.0 user applications to construct and display systems for standard database (ORACLE, MS SQL, etc.) and a number of real-time database (BDRT) on individual and collective means.

The complex CASCADE NT 4.0 is contains only the domestic component and it is self-sufficient for the formation of a broad class of applications software systems.

We consider some problems of import replacement of software products in the tasks of electric power. The complex CASCADE

Введение Стремительное внедрение компьютерных технологий во все области науки и техники и повседневной жизни общества приводит к развитию эффективных технологий разработки программного обеспечения (ПО). К таким технологиям относится методика конструирования ПО (без написания программного кода), что позволяет значительно (в несколько раз) сократить трудоемкость создания комплексов программ (КП), их развитие и сопровождение по сравнению с традиционной методикой разработки ПО. Эти технологии позволяют значительно повысить кибербезопасность ПО. Напомним, что традиционная схема разработки ПО содержит формирование технических требований, технического задания, рабочего проектирования, программирования, системной настройки, те-

стовых спецификаций, тестирования и приемных испытаний. При этом по умолчанию предполагается, что все этапы разработки и внедрения ПО выполняет разработчик. Конструирование ПО резко снижает количество этапов разработки. Идеология конструирования, по существу, реализует древнюю притчу о «рыбах» и «удочке». Можно давать готовую программу («рыбу») и тем самым фактически развращать пользователя, готового лежать под яблоней с открытым ртом и ждать, когда туда упадет яблоко. Разумеется, есть приложения, где без таких программ не обойтись. В настоящее время это, в основном, программы, связанные с Интернетом. Но большинство используемых программных продуктов созданы (или могут быть созданы) отечественными разработчиками. Тем не менее до последнего времени

NT 4.0 is designed for the construction of user applications and information display systems

30

04 /Декабрь 2015

✳ Статья публикуется с согласия авторов и редколлегии журнала «Энергия Единой сети», август – сентябрь, №4 (21) 2015 г.

НАУКА

АСУ ТП

without the participation of

существовала устойчивая тенденция покупки множества зарубежных информационных систем, в том числе влияющих на информационную безопасность электроэнергетики. Среди таких систем SCADA можно назвать комплексы PSI, ENMAC, ABB, SIEMENS, SYNDIS и др. Причем приобретаются не самые продвинутые версии систем, а грубо говоря, комплексы второго сорта. Как правило, стоимость зарубежных SCADA значительно выше стоимости отечественных, причем их доработки и русификация требует значительных затрат. Но главным фактором служит слабая информационная безопасность этих систем. Другим немаловажным фактором является серьезная зависимость разработчиков ПО от зарубежных программных продуктов (Word, Excel, БД ORACLE, MS SQL и многих других), которые служат компонентами при создании сложных информационных систем, в том числе отечественных. Мы уж не говорим о таких операционных системах, как Windows. Вводимые рядом зарубежных компаний санкции, а также ответные санкции с российской стороны значительно ограничили возможность применения зарубежных программных продуктов. В этих условиях создание импортонезависимых инструментальных средств и программ становится одной из важнейших задач, решение которой не терпит отлагательства. Необходимо отметить, что в течение достаточно длительного периода отечественное

professional programmers.

The complex will be useful for programmers, reducing the time and simplifying the problem of creating complex computing systems with a full display system information.

This is the visual design of computer systems without the traditional programming, which allows to bring to the creation of computer systems tech savvy professionals with no special programming knowledge, a good understanding of the essence of tasks.

Application of technology design software allows several times to speed up the creation independent import software systems, their development and maintenance, which is extremely important at the moment.

Keywords: import replacement, software, construction, cybersecurity, model, power facilities, engineering networks.

Рис. 1. Пример экранной формы на фоне карты

научно‑практическое издание

программостроение существовало на правах нелюбимого пасынка. Другими словами, при прочих равных условиях предпочтение отдавалось зарубежному ПО, несмотря на его значительно большую стоимость и закрытость для развития. Такое положение сложилось при определенных условиях проведения тендерных конкурсов, обсуждение которых выходит за рамки настоящей работы. Разумеется, можно привести примеры использования отечественного ПО, но скорее в качестве исключения. Пример человеко-машинного интерфейса пользователя, сформированного отечественным ПО, который не уступает зарубежным образцам, представлен на рис. 1. На наш взгляд, самыми слабыми звеньями в вычислительных системах с точки зрения кибербезопасности оказываются операционные системы, сетевые структуры, а также Интернет, т.е. те системы, которые потенциально доступны извне. Известны случаи внешнего вмешательства в жизненно важные системы некоторых стран с достаточно тяжелыми последствиями для последних. Новая экономическая и политическая ситуация в стране ставит, по существу, задачу импортозамещения ПО особо важного и опасного с точки зрения кибербезопасности. Это ПО должно гарантировать от несанкционированного взлома базы данных (БД), системы управления технологическими процессами, каналы передачи данных и т.д. Необходимо отдавать себе отчет в том, что столь масштабная задача, как полное импортозамещение в области программирования, не может быть решена одномоментно. К сожалению, многое здесь упущено. Однако есть направления, в которых можно считать российские разработки ПО достаточно продвинутыми. Это многие технологические задачи электроэнергетики, мониторинга режима и топологии сети, оптимизационные задачи и т.д. Даже в этих традиционных для российской электроэнергетики направлениях в настоящее время наблюдается настоящая экспансия зарубежных разработчиков, которые, несмотря на достаточно благожелательное к ним отношение, весьма подвержены внешнему давлению политических сил, иногда достаточно враждебных. Среди отечественных разработчиков ПО в электроэнергетике следует назвать «Монитор Электрик», RTSoft, MODUS и др. Разработка ПО в этих фирмах основана главным образом на традиционных методах создания ПО, которые наряду с некоторыми достоинствами обладают 31

НАУКА

АСУ ТП

главным недостатком: длительностью формирования ПО и необходимостью наличия множества высококлассных программистов. Во многих случаях разработки этих фирм вполне конкурентоспособны на рынке ПО. Но в перспективе необходимы значительные дополнительные ресурсы, чтобы успешно противостоять экспансии зарубежных конкурентов. В условиях серьезных ограничений этих ресурсов необходимо выбирать другие пути развития отечественного программостроения. Действительно, возможен альтернативный (асимметричный) ответ российских разработчиков ПО существующим вызовам. Это создание эффективных инструментальных систем для конструирования программных комплексов. Наличие таких средств позволяет сократить несколько трудоемких этапов формирования ПО и значительно (в несколько раз) ускорить его разработку и внедрение. Дополнительно появляются возможности оперативной коррекции необходимых характеристик программ продвинутыми пользователями и обслуживающим персоналом непосредственно на функционирующем программном комплексе. Отметим также возможность конструкторских систем оперативно корректировать ПО в процессе его нормального функционирования. Последняя возможность появляется при реализации интерактивного (без компиляции) режима выполнения программ, что может привести к некоторому их замедлению в работе, но чрезвычайно удобно на практике. Достоинства метода конструирования настолько очевидны, что многие российские фирмы начинают активно осваивать его отдельные возможности. Первые серьезные конструкторские системы ПО в России начали использовать более 15 лет назад. Это программный комплекс КАСКАД-НТ 2.0, в состав которого входит более 10 отдельных программ-конструкторов для визуального построения программных систем. Пример компонентов экранных форм одного конструктора приведен на рис. 2.

32

04 /Декабрь 2015

Под визуальным будем понимать способ создания программ и систем путем манипулирования графическими образами и их свойствами вместо написания программного кода. Идея создания инструментальных конструкторских средств (для программирования без написания разработчиком программного кода) возникла давно, как минимум 30-40 лет тому назад. Однако многие годы не удавалось создать достаточно работоспособный инструментальный комплекс. Возможности известных конструкторских систем (Visual C++, DELPHI, Visual Basic, Builder C, PHP DevelStudio, Multimedia Builder и многие другие) ограничивались, главным образом, созданием путем конструирования отдельных элементов интерфейса (кнопок управления, таблиц и др.) методом практически традиционного программирования. Они требовали компиляции программного кода, автономного и комплексного тестирования и т.д. Последние 10 лет оказались более удачными. Ряд разработок (РАСТР, СК, Модус, Каскад, RUSTAB и др.), наряду с традиционными задачами, обладают серьезными конструкторскими возможностями с точки зрения пользователя. Эти конструкторы позволили создать несколько качественных программных продуктов (главным образом, расчетных задач, систем SCADA и тренажерных комплексов). Мы специально акцентируем внимание читателя на термине конструирование, для того чтобы подчеркнуть отличие рассматриваемых методов создания программного обеспечения от традиционного программирования задач пользователя и систем MMI. Под конструированием мы будем понимать возможность создания и развития программных продуктов без участия профессиональных программистов силами обслуживающего персонала, пользователей и администраторов программного обеспечения, т.е. без традиционного написания и отладки программного кода, его тестирования и внедрения. Эти функции, разумеется, никуда не исчезают, но они выполняются автоматически без участия разработчика.

Рис. 2. Пример библиотеки элементов

Потребность в современных конструкторских системах значительна. В настоящей работе представлена серия конструкторов (КАСКАД-НТ 4.0) с дополнительными возможностями, которые появились за последние 10 лет. Основное внимание в работе уделено описанию возможностей комплекса КАСКАД-НТ 4.0, предназначенного для конструирования приложений пользователя, в том числе человеко-машинного интерфейса в задачах оперативного управления. Такие задачи возникают в электроэнергетике, системах связи, нефтегазовой отрасли и ряде других, т.е. спектр возможного использования комплекса КАСКАД достаточно широк. Этот комплекс состоит из ряда конструкторов, которые, в частности, нашли применение при разработке задач оперативного управления режимом и отображения информации в электроэнергетике, построением тренажерных комплексов и т.д. Применение при конструировании приложений компонентной технологии программирования представляется наиболее продуктивным. Эта технология применима и для решения задач отображения информации, кото-

НАУКА

АСУ ТП

Рис. 3. Пример оперативной схемы сети

рые в наибольшей степени подвержены модификации и максимально зависят от вкусов и предпочтений пользователей. Пример компонентов (библиотеки элементов схем и экранных форм) представлен на рис. 2. Пример применения конструктора ГРАФ для формирования схемы дан на рис. 3, где представлен фрагмент оперативной схемы энергообъекта с элементами управления.

Основные принципы построения ПО Перед разработчиками и пользователями программного обеспечения (ПО)

вычислительного комплекса всегда возникает проблема его модернизации и добавления новых возможностей в процессе эксплуатации и развития. Наиболее часто этот вопрос появляется при модификации средств отображения информации, так называемого человеко-машинного интерфейса пользователя. Нередко возникает необходимость модифицировать сами приложения. Достаточно остро эта проблема стоит перед пользователями ПО при необходимости решать новые задачи, не предусмотренные в начальной конфигурации вычис-

научно‑практическое издание

лительного комплекса. Обращаться в этих случаях к разработчикам или покупать новую систему весьма накладно. Да и время внесения разработчиками требуемых изменений в ПО оказывается немалым. Мы рассмотрим, главным образом, вопросы создания и модернизации ПО силами обслуживающего персонала и самих пользователей без привлечения профессиональных программистов. Обычно приложения состоят из некоторого монолитного исполняемого файла. Формирование такого приложения выполняется компилятором 33

НАУКА

АСУ ТП

с какого-либо языка программирования и остается неизменным в течение достаточно длительного периода времени, пока не будет сформирована новая версия программы. До того момента, когда появится новая версия, приложение не может быть изменено, и это крайне неприятное свойство систем, разработанных традиционными методами программирования. Такая стратегия создания ПО в современных условиях недостаточно продуктивна как с точки зрения производственных затрат, так и с точки зрения гибкости создаваемых приложений пользователя. Дети с удовольствием играют конструкторами различной степени сложности, создавая из отдельных деталей множество интересных и важных с их точки зрения игрушек. Хотелось бы и в программировании иметь такие же возможности при создании программ и вычислительных систем, что вполне реально. В программировании, особенно в последние годы, программы стали собирать из отдельных деталей (иногда называемых компонентами). Это позволило значительно упростить и ускорить процесс создания ПО. Важно только, чтобы программные компоненты, как в детском конструкторе, стыковались друг с другом, т.е. имели согласованный информационный интерфейс. Строго говоря, компонентное программирование известно давно. Однако проблема состояла в стыковке компонентов разных разработчиков в единый программный продукт. Такая возможность появилась [2] с возникновением COM, CORBA и других подобных технологий, основанных на использовании унифицированных интерфейсов, понятных для отдельных компонентов. Технология COM (Component Object Model) служит основой широко распространенной OLE ActiveX-технологии. Основная идея компонентного программирования состоит в том, чтобы разделить приложение на ряд отдельных частей, тех самых компонентов, из которых можно создать требуемый программный комплекс. Понятно, что их наличие позволит, как в конструкторе, создавать не одно, а множество при34

04 /Декабрь 2015

ложений, для построения которых достаточно существующих компонентов. Когда этих компонентов недостаточно, то всегда можно разработать новые, необходимые для построения приложений, которые имеют стандартный информационный интерфейс. Если же существует возможность использовать компоненты других (сторонних) разработчиков, то создание приложений еще более упрощается. Компонентная структура приложений позволяет решить проблему развития приложений не революционным (как это обычно бывает при традиционном программировании), а эволюционным путем, что почти всегда является предпочтительным. Модификация и расширение программного обеспечения в этом случае сводится к замене некоторого компонента его модифицированной версией. Наиболее продуктивным представляется применение компонентной технологии программирования для решения задач отображения информации, которые в наибольшей степени подвержены модификации и которые максимально зависят от вкусов и предпочтений пользователей. Немаловажным фактором является время, необходимое для разработки и модификации приложений. И с учетом этого фактора компонентная технология построения программного обеспечения выгодно отличается от традиционной. В нашем рассмотрении приложений пользователя и систем отображения информации мы будем придерживаться упомянутой выше компонентной идеологии. При независимости отдельных компонентов, из которых формируется приложение, или замене одного или нескольких компонентов не происходит нарушение работоспособности всего приложения в целом. Разумеется, выполнение такой схемы формирования приложений имеет практическое значение только при соблюдении определенных соглашений на информационные интерфейсы между компонентами. В этом случае внутреннее содержание каждого компонента оказывается независимым от остальных и может без-

болезненно для всего приложения развиваться. Другой важной особенностью этой идеологии в программировании является формирование компонентов в виде исполняемых модулей (exe, dll и т.п. файлов). В этом случае модификация компонентов возможна без прерывания функционирования всего приложения. Эти два непременных условия применения компонентной архитектуры приложений в полной мере использованы в представленной ниже системе конструкторов КАСКАД-НТ 4.0 (далее везде будем использовать сокращение КАСКАД). Уровни конструирования Строго говоря, компонентная архитектура приложений предполагает его многоуровневую (иерархическую) организацию. Так, отдельные подсистемы могут состоять из объектов (таблиц, схем, графиков и т.п.). Те, в свою очередь, могут содержать объекты следующего уровня (окна, кнопки, приборы и т.п.). Таких уровней может быть несколько, причем их количество зависит от возможностей конструкторов и степени сложности решаемых задач. Таким образом, можно отметить наличие нескольких уровней конструирования приложений в зависимости от технологической наполненности создаваемых программных систем. Компонентная технология построения ПО может быть реализована как методами классического программирования со всеми необходимыми атрибутами использования языков высокого уровня (трансляции, компиляции и других подобных процедур), так и методом построения ПО путем его конструирования специальными конструкторами, в которых отсутствуют (а точнее скрыты) многие традиционные этапы программирования. Отметим, что сборка приложений из некоторых стандартных компонентов давно уже была мечтой создателей ПО. Что касается функциональных возможностей отдельных компонентов высокого уровня, то наблюдается их расширение и взаимная экспансия. Так, функции оперативно-информационных

НАУКА

АСУ ТП

систем часто имеют возможности отображения информации, и, напротив, системы отображения решают ряд задач таких комплексов. Однако если модификацию таких функций, как прием и обработка информации, трудно выполнить без привлечения профессиональных программистов, то создание систем отображения можно выполнить силами пользователей и обслуживающего персонала. На рис. 4 представлен пример конструкции панели высокого уровня, состоящий из множества компонентов более низкого уровня. Системы конструирования «низкого» уровня предполагают использование традиционной процедуры программирования, трансляции программ и сборки прикладного ПО. К ним можно отнести такие широко известные системы, как Visual C++, DELPHI, Builder C и многие другие. Использование перечисленных выше систем низкого уровня требует привлечения к участию в каждой конкретной разработке высококвалифицированных программистов, что, несомненно, увеличивает трудоемкость и стоимость создания прикладного ПО и человеко-машинного интерфейса (далее Man Machine Interface – MMI). Несмотря на упомянутый «низкий» уровень, эти системы значительно более удобны для разработчиков, чем традиционные языки программирования C, FORTRAN и особенно ASSEMBLER. И это несмотря на то, что профессиональный программист может создать на языках низкого уровня программы очень высокого класса. Системы конструирования «высокого» уровня ориентируются на их использование персоналом, хорошо представляющим суть решаемой технической или технологической задачи, для которой создается прикладное ПО или MMI. От пользователей этих систем либо вообще не требуется знаний в области программирования, либо эти требования минимальны. На рынке программных продуктов появились различные по своим возможностям и назначению высокоуровневые системы конструирования

Рис. 4. Пример панели «высокого» уровня

человеко-машинных интерфейсов приложений и автоматизированных рабочих мест пользователя. К таким системам можно отнести конструкторы Autocad, CorelDraw, ABB, Citect, Fix, Iconics и многие другие, главным образом зарубежного производства. В России к таким системам относятся комплексы МОДУС и TOPAZ и представленный в настоящей работе комплекс КАСКАД. Эти системы можно условно разделить на конструкторы широкого применения и узкопрофильные (например, только для задач автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) электроэнергетики). Применение в России для автоматизации рабочего места пользователя зарубежных высокоуровневых конструкторов ПО затруднено двумя основными причинами. Первой является их высокая стоимость (порядка нескольких тысяч долларов на одно рабочее место). Другой причиной является необходимость их адаптации к специфике решения задач в российских условиях. Немалые проблемы вызывает и необходимость русификации западных продуктов (включая их интерфейс, используемые шрифты, систему помощи и документацию). Русификация продукта стоит дорого и выполняется разработчиками системы конструирования лишь при очень большом объеме про-

научно‑практическое издание

даж данного продукта. Немаловажным, как упоминалось выше, является необходимый уровень кибербезопасности, который сложно обеспечить в зарубежном ПО. В то же время, в силу массовой компьютеризации сфер научного исследования, управления, материального производства, подготовки кадров и т.д., потребность в удобных, дешевых и приспособленных к российским условиям системах конструирования прикладного ПО и MMI чрезвычайно велика. Причем важно понять, что при имеющемся дефиците и высокой стоимости программистов единственная в условиях России возможность создания современных программных комплексов – это использование высокоуровневых конструкторских систем. В этом случае основная тяжесть создания и модификации формируемых программных продуктов ложится на обслуживающий персонал и продвинутых пользователей, которых много и которые кровно заинтересованы в поддержке и развитии вычислительных комплексов. Таким образом, необходимо отметить два самых главных фактора: 1) обеспечение кибербезопасности создаваемых программных комплексов. Этот фактор в России может быть реализован только для российских продуктов; 35

НАУКА

АСУ ТП Некоторое замедление выполнения приложений, которое возникает в режиме интерпретации программного кода, обычно не вызывает затруднений, поскольку скорость выполнения программ в настоящее время достигла небывалых величин. Необходимо отметить, что все основные компоненты комплекса КАСКАД являются визуальными конструкторами и при создании приложений пользователя не требуют процедур трансляции и компиляции. Другими словами, формирование исполняемых модулей и необходимой информации происходит в интерактивном режиме непосредственно перед интерпретирующим режимом исполнения программы.

Рис. 5. Интерфейс диспетчера с панелью управления

2) действие санкций со стороны основных поставщиков ПО. Оба этих фактора являются основополагающими в таких жизненно важных отраслях, как обороноспособность, электроэнергетика, связь и др. Так или иначе, эти жизненно важные области необходимо делать полностью импортонезависимыми, в том числе и используемую в них элементную базу. Выше отмечалось, что при функционировании приложений (задач) пользователей возникают проблемы управления ими и отображения информации, формируемой в процессе решения задач. Обычно такие проблемы решаются в рамках самих приложений пользователя, что приводит к неоправданно большим затратам на их разработку и проблемам с организацией интерфейса пользователя. Как упоминалось выше, традиционные методы решения проблем управления решением задач и отображения информации в вычислительных системах требуют значительных временных и финансовых ресурсов, а также высококвалифицированных программистов. Эти значительные силы при таком подходе необходимы для написания 36

04 /Декабрь 2015

программных кодов, их трансляции и компиляции, а также отладки и организации взаимодействия с другими приложениями. Первый путь состоит в конструировании приложений и затем в преобразовании их в исполняемый код программы, используемый для решения задач пользователя. В этом случае можно получить эффективную (быструю) программу, однако при всех ее модификациях необходимо повторять процедуру коррекции исходного текста, трансляции программ и их сборку (преобразования в исполняемый код). Второй путь позволяет интерактивно (по мере исполнения) преобразовывать все процедуры приложений пользователя в исполняемый код (это обеспечивается интерпретирующим режимом исполнения), что приводит к некоторому замедлению исполнения программы, но делает такую программу гибкой и удобной для модификации самим пользователем непосредственно в процессе выполнения. Этот режим предусматривает возможность конструирования приложения как в процессе его исполнения, так и предварительно (до исполнения этой задачи).

Уровни доступа Компоненты (конструкторы) системы КАСКАД-НТ функционируют в двух основных режимах: конструирования и просмотра (управления). В режиме конструирования пользователь создает панели управления, графики, схемы и другие экранные формы, т.е. задает их свойства, а также привязки к БД. Все эти формы будем называть объектами комплекса КАСКАД-НТ. В режиме просмотра (пользователя) созданные формы используются пользователем для отображения информации и управления технологическим объектом. Администратор системы на каждом автоматизированном рабочем месте (АРМе) устанавливает уровень доступа к конструкторским возможностям комплекса и обеспечивает доступ к созданию системы только уполномоченным лицам. Такая защита гарантирует от случайных (несанкционированных) изменений в созданном или проектируемом комплексе. Подобным образом выполняется разграничение пользователей и по уровню доступа к информационным, и по технологическим задачам нормально функционирующего комплекса. Реализация этой опции задается системой паролей, которыми могут быть снабжены отдельные кнопки и другие элементы управления интерфейса пользователя.

НАУКА

АСУ ТП

Рис. 6. Вывод параметров на график

Состав конструкторов КАСКАД- НТ 4.0 В состав системы конструкторов КАСКАД входят следующие исполнительные подсистемы – конструкторы, служебные программы и библиотеки: • конструктор локальных баз данных и общих областей памяти для Windows - приложений – программа TABULA; • конструктор панелей управления – программа COP (рис. 4); • конструктор экранных форм – программа GRAF (рис. 5); • конструктор элементов экранных форм – программа ELEM; • авторазрисовщик режимных схем электрической сети – программа AUTOGRAPH (рис. 12); • конвертор из унифицированного формата данных по электрической сети (формат ЦДУ ЕЭС России) в формат авторазрисовщика режимных схем – программа CF; • конструктор графиков и таблиц – программа PAR (рис. 6 и 7); • конструктор сценариев – SCENA; • конструктор просмотра данных средствами таблиц Excel – BEE; • конструктор отчетов – WordCas, основанный на известном редакторе Word; • конструктор просмотра данных средствами Internet – WEBCAS; • конструктор средств защиты от несанкционированного доступа CODER; • драйвер связи подсистем

КАСКАД с универсальными и специализированными базами данных – динамическая библиотека bind.dll; • драйвер связи со стандартными БД – cascade.dll; • драйвер связи с БДРВ – oik.dll; • библиотека функций на языке С для модификации структуры локальных баз данных, созданных конструктором TABULA, и доступа к ним tbl.dll; • библиотека элементов экранных форм – библиотека libfig.glf; • библиотека правил поведения объектов экранных форм – libfig.add. Состав конструкторов, библиотек и драйверов связи КАСКАД-НТ охватывает практически все необходимые функции для проектирования и создания программных комплексов широкого профиля (т.е. является практически импортонезависимым). Если какого-либо функционала недостаточно, разработчики КАСКАД-НТ быстро формируют необходимую опцию (например, доступ данных по OPC). Ядром системы КАСКАД является система библиотек связи bind.dll, oik.dll, cascade.dll, поскольку именно они обеспечивают информационное взаимодействие различных конструкторов системы через их привязку к базам данных. В дальнейшем будем называть эти библиотеки также драйверами связи. Ключевой библиотекой, которая организует взаимодействие объектов со всеми БД, является bind.dll. К стандартным внешним базам данных привязка объектов системы КАСКАД осуществляется через библиотеку cascade.dll с помощью системы драйверов ODBC, OSCI или ADO, входящих в поставку OS Windows. Комплекс КАСКАД предоставляет разработчикам библиотеку функций tbl. dll на языке С++ для организации доступа к данным БД, созданной конструктором TABULA, управления занимаемой ею памятью и модификации ее структуры. Это БД является чрезвычайно быстрой (по сравнению со стандартными) за счет полного размещения всех таблиц в оперативной памяти ЭВМ. Блоки данных конструктора TABULA позволяют управлять приложениями пользователя (дерево управления).

научно‑практическое издание

Для организации общего для ряда приложений адресного пространства внутренней памяти ЭВМ конструктор может создавать файл с расширением .sdf, в котором в форме таблиц содержится внешний образ поля памяти. Конструктор позволяет работать с этим внешним образом общего поля памяти как с обычной базой данных, обеспечивая тем самым доступ к внутренним данным приложения для их просмотра и редактирования в процессе его выполнения. Механизм общей области памяти обеспечивает непосредственный доступ по именам к объектам данных в памяти ЭВМ из различных параллельно работающих на данной платформе программных приложений. Эти приложения могут быть разработаны на языке С, С++ или Фортран 90 для операционных систем Windows 200Х, NT, XP. В качестве объекта данных в общей области могут выступать простые переменные, одномерные массивы, двумерные массивы и массивы структур. Таблицы и блоки в локальной базе tbl упорядочены древовидным образом, для чего используются папки. Начиная с корня дерева базы (имеющего всегда то же имя, что и имя файла базы), каждая папка может содержать любое количество таблиц и подпапок,

Рис. 7. Гистограммы параметров (программа PAR)

37

НАУКА

АСУ ТП

т.е. папок, вложенных в другие папки. Таблицы, блоки и папки являются элементами дерева базы. Дерево базы доступно для просмотра и редактирования пользователем так же, как, например, дерево каталогов диска в левом окне стандартного проводника Windows. Для папок и таблиц в дереве поддерживается режим перетаскивания мышью и стандартный буфер обмена для копирования, в том числе и из других баз tbl. В дереве базы можно создать новую папку или таблицу, а также удалить имеющиеся. Конструктор TABULA может функционировать в сетевом и локальном режимах. В целом БД TABULA обладает обычными свойствами реляционных БД, но основным ее достоинством является возможность формирования общих областей памяти для интеграции программ нескольких разработчиков, причем обращения к переменным разных задач происходит по их именам, т.е. очень быстро. Разумеется, пользователь может использовать и другие БД. Это становится

неизбежным при хранении больших объемов информации (напомним, что данные БД TABULA целиком должны размещаться в оперативной памяти ПК). Подобным образом как расчетный можно использовать любой иной блок (например, РАСТР или КОСМОС). Приложения комплекса КАСКАД-НТ 4.0 Путем применения представленной методики созданы следующие системы: 1. Динамическая модель ЭЭС реального времени Этот комплекс программ (КП) предназначен для анализа установившихся (УР) и переходных режимов (ПР) расчетных схем ЭЭС в формате ЦДУ, PSSE, CIM (cim13) в темпе реального времени, а также в ускоренном и замедленном темпах. Комплекс используется для построения режимных тренажеров оперативного персонала, конструирования интерфейса пользователя и решения

Рис. 8. Система отображения и управления КП Модель

38

04 /Декабрь 2015

ряда технологических задач. В КП Модель моделируются электромеханические и длительные переходные процессы в котлоагрегатах и гидроагрегатах, формируется коммутационная схема всего или части энергообъединения, выполняется управление коммутационными аппаратами и ряд других функций. Представлены системы вторичного регулирования (АРЧМ) и противоаварийной автоматики (ПА). Решаются задачи повышения режимной надежности. Отметим, что ряд задач РВ (моделирование ЭЭС, оптимизация режима и т.д.) с высокими требованиями по скорости решения следует решать традиционно. Представлена система отображения результатов расчета в виде оперативной и иной информации из стандартных баз данных (ORACLE, MS SQL и т.д.) и ряда БД реального времени (БДРВ) отечественных оперативно-информационных комплексов (ОИК) на индивидуальных (дисплеях) и коллективных (видеостенах) средствах.

НАУКА

АСУ ТП

В КП Модель решается задача оптимизации режима по напряжению и реактивной мощности, ввода режима в допустимую область, мониторинга режима реального энергообъекта и ряд других задач. КП Модель содержит средства (КАСКАД-НТ) формирования расчетных и графических схем, систему управления расчетом в реальном времени, статистического анализа параметров режима при случайных колебаниях нагрузки в узлах сети. КП Модель решает задачи статистического анализа параметров режима при случайных колебаниях узловых нагрузок и задачу анализа параметров сети для решения задачи оценивания состояния (ОС). В КП Модель обеспечено моделирование динамики без накопления ошибки, что является необходимым свойством при построении режимных тренажеров и советчиков диспетчера. Пример интерфейса КП Модель дан на рис. 8.

2. Режимный тренажер с контролем переключений Комплекс РЕТРЕН-НТ предназначен для создания, поддержки и модернизации режимного тренажера с контролем переключений для обучения и тренажа оперативного персонала энергообъектов системного оператора (СО) единой электроэнергетической системы (ЕЭС) и энергообъектов Федеральной сетевой компании (ФСК) ЕЭС. Программный комплекс РЕТРЕН построен на базе системы конструкторов КАСКАД, динамической и коммутационной модели ЭЭС реального времени (РВ). Комплекс РЕТРЕН содержит режимный тренажер (РТ), тренажер оперативных переключений (ТОП) и тренажер анализа нештатных ситуаций (ТРАНС). Все виды тренажеров являются инновационными и объединены в общий комплекс программ (КП) РЕТРЕН. В программе РЕТРЕН реализована динамическая модель ЭЭС, отражающая электромеханические и длительные переходные процессы в тепловых и гидравлических электростанциях. В тренажере формируется полная коммута-

Рис. 9. Рабочее место диспетчера

ционная модель ЭЭС, информационно связанная с режимной моделью. Управление топологией сети и ее режимом выполняется пользователем в интерактивном режиме, средствами РЗ и ПА, сценариями тренировки и развития аварий. В сетевом режиме возможно до 10 АРМ обучаемых, инструктора и посредника. Управление топологией сети выполняется коммутационными аппаратами с подробных схем подстанций по правилам переключений. Пример интерфейса КП РЕТРЕН дан на рис. 9. Средствами сопровождения заданы системы регулирования и ПА. Внедрен с 2012 г. на 10 объектах (МЭС и ПМЭС).

3. Комплекс управления электрическими сетями Комплекс управления электрическими сетями (КУЭС) состоит из ряда технологических задач и системы их конструирования. В ПК представлена система отображения оперативной и иной информации из стандартных БД (ORACLE, MS SQL и т.д.) и ряда БД реального времени (БДРВ) отечественных оперативно-информационных комплексов (ОИК) на индивидуальных (дисплеях) и коллективных средствах (видеостенах). КУЭС предназначен для мониторинга

научно‑практическое издание

режима и топологии сети на предприятиях ОАО «СО ЕЭС» и ОАО «ФСК ЕЭС», применяется в задачах оперативного управления и при создании тренажерных комплексов. В КУЭС методом конструирования сформирован ряд технологических задач: динамическая модель электроэнергетической системы (ЭЭС) реального времени (РВ), тренажерный комплекс РЕТРЕН, расчет УР и ПР, ввод режима в допустимую область, минимизация потерь в сети, контроль режима по критерию N-1, топологический анализ сети, анализ нештатных ситуаций и ряд других. Пример реализации КУЭС с отображением информации на большой (4 × 8 кубов) видеостене в диспетчерском зале показан на рис. 9. Технологические задачи КУЭС решаются на базе данных ОИК, оценки состояния (ОС) и динамической модели ЭЭС реального времени. Комплекс создан как надстройка над отечественными и зарубежными SCADA. Приложения комплекса КУЭС разработаны в ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

4. Комплекс интеллектуального управления коммутациями В комплексе представлены задачи интеллектуального управления электрическими сетями и основные 39

НАУКА

АСУ ТП

Рис. 10. Электрическая схема фрагмента распределительной сети

принципы построения соответствующего программного комплекса (ПК). Приведены основные задачи комплекса и его структура. Применение комплекса целесообразно на всех уровнях иерархии энергообъектов − от СО ЕЭС и его подразделений до ФСК ЕЭС и электросетевых предприятий. ПК SMARTCOM предназначен для интеллектуального управления электрическими сетями. В ПК SMARTCOM входят стандартные функции управления отключениями (OMS), дополненные интеллектуальными агентами, создающими возможности повышения надежности сети. В состав ПК SMARTCOM входит задача анализа нештатных ситуаций в сети при коротких замыканиях, погашении отдельных районов и других нарушениях.

SMARTCOM может применяться для мониторинга состояния электроэнергетической системы (ЭЭС) и решения ряда технологических задач интеллектуального управления электрическими сетями и информационной 40

04 /Декабрь 2015

поддержки оперативно-диспетчерского персонала энергообъектов. Пример отображения фрагмента схемы с погашенным районом представлен на рис. 10.

5. Система автоматизированного проектирования Система для автоматизированного проектирования распределительных электрических сетей (САПР-РС) – это набор информационных и технологических программ для создания и развития электронных образов электрических сетей (ЭС). Создаваемые схемы ЭС формируются на фоне геоподложки местности с привязкой энергообъектов к географическим координатам. Применение САПР-РС содержит следующие основные этапы: - исследование текущего состояния оборудования проектируемой системы; - прогнозирование местоположения изменения потребления в сети; - определение исходной информации по фрагментам проектируемой сети;

- формирование полной расчетной схемы проектируемой сети; - формирование графической однолинейной проектируемой схемы; - привязка элементов расчетной схемы сети к геокоординатам; - корректировка положения сети на геоподложке; - формирование системы отображения режимных параметров на однолинейной схеме; - формирование перспективных расчетных схем проектируемой сети; - формирование ремонтных расчетных схем; - моделирование систем РЗ и ПА; - проведение серии расчетов УР и ПР; - оценка надежности проектируемых режимов; - формирование отчетной документации. В САПР-РС реализована расчетная динамическая модель электроэнергетической системы (ЭЭС), отражающая электромеханические и длительные переходные процессы в тепловых и гидравлических электростанциях

НАУКА

Каковский Сергей Константинович Дата рождения: 25.09.1986 г. В 2008 г. окончил Днепропетровский национальный университет, кафедра математического моделирования. Магистр прикладной математики. Начальник отдела системного моделирования ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

Потапенко

АСУ ТП с моделями систем регулирования и противоаварийной автоматики (ПА). Формируется полная коммутационная модель ЭС, информационно связанная с режимной моделью. Управление топологией сети и ее режимом формируется пользователем в интерактивном режиме, средствами РЗ и ПА, сценариями развития аварий и командами пользователя. Управление топологией сети выполняется коммутационными аппаратами с подробных схем подстанций по правилам переключений. Схемы ЭС могут оперативно дополняться или изменяться в режиме реального времени на фоне геоподложки (рис. 11). Откорректированные схемы можно в темпе реального времени рассчитать в статическом или динамическом режиме и проверить их надежность.

6. Комплекс управления распределительными сетями Представлен комплекс программ управления распределительными электрическими сетями (КУРС-НТ, далее КУРС) и даны примеры его использования. Комплекс КУРС состоит из ряда технологических задач и системы их конструирования (рис. 11). Представлена система отображения оперативной и иной информации из стандартных баз данных (ORACLE, MS SQL и т.д.) и ряда БД реального времени (БДРВ) отечественных оперативно-информационных комплексов (ОИК) и геоинформационных

систем (ГИС). КУРС предназначен для мониторинга режима и топологии сети на предприятиях ПАО «Россети» и ПАО «ФСК ЕЭС», применяется в задачах оперативного управления и при создании тренажерных комплексов. Технологические задачи КУРС решаются на базе данных ОИК, оценки состояния (ОС) и модели электроэнергетической системы (ЭЭС) реального времени (РВ). Комплекс создан как надстройка над отечественными и зарубежными SCADA. Приложения комплекса КУРС разработаны в ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

7. Комплекс для тестирования систем управления Комплекс программ СТЕНД создан для тестирования систем управления электроэнергетическими системами (ЭЭС) и электрическими сетями. Даны примеры его использования. Комплекс СТЕНД состоит из ряда технологических задач и системы их конструирования. Представлена система отображения оперативной и иной информации из стандартных баз данных (ORACLE, MS SQL и т.д.) и ряда БД реального времени (БДРВ) отечественных оперативно-информационных комплексов (ОИК) на индивидуальных (дисплеях) и коллективных средствах (видеостенах). Комплекс СТЕНД предназначен для моделирования режима и топологии электрической сети на предприятиях ОАО «СО ЕЭС» и ПАО «ФСК ЕЭС», систем автоматического и противоаварийного управления, релейной защиты и автоматики (РЗ и ПА). Комплекс СТЕНД

Сергей Павлович Окончил Московский Инженерно-физический институт (технический университет) в 1998 г. по специальности прикладная математика. В 2003 году защитил кандидатскую диссертацию в ОАО «ВНИИЭ» по теме «Система обработки и отображения режимной информации на схемах энергообьектов и экранных формах». Главный специалист отдела системного моделирования ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

Рис. 11. Формирование схемы распределительной сети на карте

научно‑практическое издание

41

НАУКА

АСУ ТП

Рабинович Марк Аркадьевич Окончил в 1969 г. факультет радиотехники и кибернетики Московского Физикотехнического института (МФТИ) по специальности инженер-физик. В 1972 г. защитил кандидатскую диссертацию в МФТИ «Исследование некоторых статистических характеристик шума при приеме модулированных по частоте сигналов». В 2005 г защитил докторскую диссертацию во ВНИИЭ на тему «Цифровая обработка, анализ и отображение оперативной информации в задачах АСДУ энергосистем и энергообъединений». Главный эксперт отдела системного моделирования ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

Рис. 12. Карта напряжений в узлах сети после оптимизации по режиму U-Q

состоит из имитатора ЭЭС (один компьютер) и системы мониторинга, совмещенной с тестируемой системой управления (второй компьютер). Моделируется реальный, замедленный и ускоренный режимы ЭЭС в динамике и статике, наличие и отсутствие помех, переменный график нагрузки и т.п. На рис. 12 приведен результат испытаний системы оптимизации режима ЭЭС по напряжению и реактивной мощности (минимизации потерь активной мощности).

2. Системы конструирования ПО обеспечивают полный жизненный цикл программных систем (разработку, внедрение, развитие и модернизацию).

3. Кибербезопасность ПО можно обеспечить путем его конструирования.

4. В России существуют системы конструирования, способные обеспечить ускоренное создание импортонезависимого ПО в области электроэнергетики. Литература:

Выводы 1. Импортозамещение широкого класса задач может быть обеспечено при минимальных затратах путем конструирования ПО.

1. Рабинович М.А. Цифровая обработка информации для задач оперативного управления в электроэнергетике. М.: Издательство НЦ ЭНАС. – 2001.

2. Рабинович М.А. Отображение оперативной информации. Комплекс «КАСКАД–НТ 2.0». М.: Издательство НЦ ЭНАС. – 2004.

ЗАО «ЭнЛАБ» Ïðèáîðû äëÿ ïðîâåðêè óñòðîéñòâ ÐÇÀ,ÒÒ è ÒÍ. Ïðîãðàììíî-àïïàðàòíûå êîìïëåêñû RTDS äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ ýíåðãîñèñòåì â ðåæèìå ðåàëüíîãî âðåìåíè. Ïðîãðàììíûå ñèìóëÿòîðû ýíåðãîñèñòåì PSCAD. Ìîáèëüíûå ñòåíäû äëÿ íàñòðîéêè è ïðîâåðêè ÀÐÂ.

42 04 /Декабрь 2015 Ñòåíäû äëÿ èçó÷åíèÿ óñòðîéñòâ ÐÇÀ.

www.ennlab.ru

ГРУППА КОМПАНИЙ «ЭКРА» НПП «ЭКРА», специализирующееся на разработке, производстве и поставках наукоемких систем управления электроэнергетическим оборудованием, является головным предприятием Группы компаний «ЭКРА» (ГК «ЭКРА»). Для решения комплексных задач в электроэнергетике в ее состав вошли также региональные и зарубежные дилерские и сервисные центры, проектные и инжиниринговые организации. Основные цели создания ГК «ЭКРА» – выполнение полного цикла работ от проектирования до сдачи энергообъекта «под ключ» и оперативное взаимодействие с Заказчиками. В состав ГК «ЭКРА» входит ряд предприятий, каждое из которых работает в своей зоне ответственности: 1. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки: Все научно-технические изыскания, включая многочисленные НИОКР, активно ведутся сотрудниками НПП «ЭКРА». Для моделирования процессов, протекающих в энергосистемах, и расчета параметров новых изделий используются комплексы типа RTDS. Для испытания систем АСУ ТП создан полигон «Цифровая подстанция», где проходит тестирование оборудования с применением стандарта МЭК 61850 9-2LE. 2. Проектные работы: Проектирование энергообъектов, в том числе «под ключ», осуществляется специалистами ООО Проектный Центр «ЭКРА» и проектным отделом ООО «КомплектЭнерго».

3. Производство электрооборудования: НПП «ЭКРА» является одним из немногих российских производителей, имеющих собственную технологическую базу для выпуска практически всего комплекса вторичного электротехнического оборудования собственной разработки.

4. Обучение: Обучение специалистов, эксплуатирующих оборудование производства НПП «ЭКРА», проводится на базе «Научно-образовательного центра «ЭКРА» с выдачей соответствующих документов государственного образца.

5. Шеф-наладка на объекте, гарантийное и сервисное обслуживание: Сервисные центры на территории России и Казахстана обеспечивают быстрое реагирование на внештатные ситуации. В случае неисправности восстановление работоспособности устройств МП РЗА производства НПП «ЭКРА» осуществляется в срок до 24 часов подготовленными специалистами центров с использованием блоков ЗИП. Сеть сервисных центров включает в себя: «ЭКРА-Центр» (г. Москва), «ЭКРА-Сибирь» (г. Красноярск), «ЭКРА-Восток» (г. Хабаровск), «ЭКРА-Юг» (г. Пятигорск), «ЭКРА-Северо-Запад» (г. Санкт-Петербург), «ЭКРА-Урал» (г. Екатеринбург), «ЭКРА Kазахстан» (г. Алматы).

6. Выполнение комплексных проектов «под ключ»: «КомплектЭнерго» – инжиниринговая компания в составе ГК «ЭКРА», обеспечивающая решение комплексных задач в электроэнергетике как «Генеральный подрядчик» на базе продукции НПП «ЭКРА» и предприятий-партнеров.

научно‑практическое издание

Коллектив ГК «ЭКРА» включает около 1500 сотрудников, 70% из которых имеют высшее образование, в том числе 24 кандидата технических наук, 4 доктора технических наук, 25 аспирантов. Производственные площади составляют более 30 000 кв. м, включая собственное производство металлоконструкций на базе технологического оборудования по металлообработке, гибке и лазерной резке, гальваническому и порошковому покрытиям. Имеющийся производственный потенциал позволяет выпускать около 8 тысяч шкафов в год. В 2014 году введена в эксплуатацию первая очередь нового многофункционального производственного комплекса НПП «ЭКРА». Завершение строительства запланировано на 2016 год. С вводом новых производственных мощностей возможности предприятия по объему выпускаемой продукции увеличатся более чем в два раза.

43

НАУКА

Цифровая подстанция УДК 621.311.4: 621.316.925

Авторы: д.т.н. Мокеев А.В., Северный (Арктический) Федеральный университет,

Бовыкин В.Н., Хромцов Е.И., OOО «Инженерный центр «Энергосервис», г. Архангельск, Россия.

D.Sc Mokeev A.V., Northern (Arctic) Federal

ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ ЦИФРОВОЙ ПОДСТАНЦИИ И ВЕКТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ 6-35 кВ ASPECTS OF DIGITAL SUBSTATION AND PHASOR MEASUREMENTS REALIZATION IN MEDIUM VOLTAGE SWITCHGEAR

University, Bovykin V.N., Khromtsov E.I., OOO Engineering Center «Energoservice», Arkhangelsk, Russia.

Аннотация: вопросы реализации технологий цифровой подстанции и векторных измерений в распределительных устройствах 6-35 кВ вызывают в последнее время повышенный интерес как у разработчиков интеллектуальных электронных устройств различного функционального назначения, так и у специалистов энергосистем. Рассматриваются преимущества применения быстродействующей низкоуровневой шины процесса, позволяющей объединить в рамках промышленной сети с топологией общая шина различные источники аналоговой и дискретной информации.

Ключевые слова: цифровая подстанция, цифровая ячейка, датчики тока и напряжения, шина процесса, интеллектуальные электронные устройства, устройства синхронизированных векторных измерений.

Annotation: this article discusses realization of digital substation and phasor measurements in medium voltage switchgear. It illuminates advantages of fast low-level process bus, unified for analog and digital signal sources, and realizing switch-free bus network topology.

Keywords: digital substation, intelligent electronic devices, process bus, phasor measurement unit, switchgear, current sensor, voltage sensor.

44

04 /Декабрь 2015

Введение Необходимость внедрения инновационных решений для КРУ 6-35 кВ связана прежде всего с большим количеством медных проводов как внутри ячейки, так и между ячейками, многократным дублированием аналоговых и дискретных сигналов для нужд релейной защиты, телемеханики, измерений и т.д. В совокупности с большой долей ручного труда и со сложностью тестирования ячейки во время ее сборки это приводит к снижению надежности и увеличению затрат при производстве, проведении пусконаладочных работ и эксплуатации высоковольтных ячеек. Исключение дублирования ввода аналоговых и дискретных сигналов может быть достигнуто с помощью шины процесса в соответствии с МЭК 61850. Несмотря на положительный опыт внедрения шины процесса для открытых распределительных устройств 110 кВ и выше, для создания КРУ нового поколения, называемого цифровой ячейкой, слепое копирование решений для ОРУ нецелесообразно, прежде всего по экономическим причинам. Основная особенность ЗРУ 6-35 кВ связана с тем, что основные компоненты цифровой подстанции находятся внутри высоковольтных ячеек,

что позволяет упростить решения по резервированию промышленных сетей, по обеспечению ЭМС, по вводу-выводу аналоговой и дискретной информации. В высоковольтной ячейке имеется большое количество источников аналоговой и дискретной информации. Если следовать современным трендам в области автоматизации, связанным с полным исключением аналоговых и дискретных цепей с целью повышения надежности и увеличения функциональности интеллектуальных устройств за счет использования встраиваемых в исполнительные устройства и датчики микроконтроллеров, то использование для создания шины процесса только сетей Ethernet не будет являться наилучшим решением. Тенденции развития КРУ 6-35 кВ Выделим основные направления совершенствования КРУ 6-35 кВ, связанные как с использованием встраиваемых в силовое оборудование электронных устройств, так и с общими тенденциями развития промышленных систем автоматизации. Одним из важнейших направлений совершенствования КРУ является замена традицион-

НАУКА

Цифровая подстанция

ных электромагнитных трансформаторов тока и напряжения, разработанных первоначально для электромеханических устройств РЗА и щитовых измерительных приборов, на первичные измерительные преобразователи тока и напряжения, в том числе трансформаторы тока малой мощности со встроенными шунтами и с низкоуровневыми выходным и напряжениями (Low Power Current Transformer, LPCT), датчики тока на основе катушки Роговского, емкостные или резистивные датчики напряжения. Перечисленные измерительные преобразователи по сравнению с обычными измерительными трансформаторами тока и напряжения обладают существенными преимуществами по метрологическим характеристикам и особенно по массогабаритным показателям [1, 2]. Выходные напряжения указанных первичных преобразователей подбираются исходя из параметров аналоговых микросхем, что позволяет значительно снизить габаритные размеры и вес как самих датчиков, так и устройств релейной защиты и автоматики. Большинство указанных измерительных преобразователей содержат аналоговые электронные компоненты, и с этим связано другое их название – электронные трансформаторы тока и напряжения. Следующий этап в развитии указанных преобразователей для КРУ 6-35 кВ связан с заменой аналоговых модулей, используемых для формирования выходных сигналов на цифровые. Это позволит улучшить метрологические характеристики датчиков тока и напряжения, упростить процессы калибровки и реализовать мониторинг состояния датчиков. Подсистема дискретного вводавывода с использованием концевых выключателей, контактов коммутационных аппаратов и промежуточных реле является в настоящее время одной из наиболее консервативных подсистем в высоковольтных ячейках 6-35 кВ. В связи с этим многими отечественными и зарубежными производителями предпринимаются попытки использования более совершенных решений, в том числе связанных с переходом на циф-

ровое взаимодействие интеллектуальных электронных устройств с блоками управления вакуумными выключателями, применением датчиков положения с цифровым выходом. Это позволит повысить надежность подсистемы дискретного ввода-вывода и реализовать мониторинг состояния силового оборудования и сети передачи данных с целью снижения эксплуатационных затрат. Блоки управления вакуумными выключателями являются электронными устройствами и содержат один или несколько микропроцессоров. При этом в блоках управления с помощью микропроцессоров производится диагностика работы выключателя и самого блока управления (выявление около 10 неисправностей и отказов). Но взаимодействие микропроцессоров блоков управления с микропроцессорами устройств РЗА производится «по старинке» – посредством контактов промежуточных реле. При этом диагностическая информация полностью отображается только на светодиодах блока управления, а устройство защиты может использовать информацию только с контакта «авария». Переход на цифровое взаимодействие блоков управления с устройствами РЗА и другими элементами управления в КРУ представляется вполне естественным, так как при этом обеспечивается повышение надежности, увеличение функциональности, удешевление и уменьшение габаритов как блоков управления, так и устройств РЗА. При наличии в КРУ актуатора (привода) выкатного элемента и актуатора заземляющего разъединителя также целесообразно осуществить переход на цифровое взаимодействие посредством встраиваемых контроллеров. Целесообразность применения в КРУ бесконтактных датчиков положения вместо концевых выключателей обусловлена следующими преимуществами: отсутствие «дребезга» контактов, отсутствие необходимости пробоя оксидной пленки, сокращение количества контрольных проводов, уменьшение потребления оперативного тока, повышение надежности и возможность диагностики подсистемы ввода-вывода дискретной информации [3].

научно‑практическое издание

В связи с большим количеством датчиков и исполнительных устройств с цифровым интерфейсом создание цифровой ячейки только с использованием сети Ethernet не будет являться рациональным решением. Следует отметить, что в системах автоматизации различных областей промышленности, аэрокосмической отрасли и автомобилестроении чаще всего применяется сочетание сразу нескольких промышленных сетей: LIN, AS-Interface, CAN, CAN-FD, FlexRay, Ethernet, EtherCAT и ряд других [4]. Применение сети Ethernet чаще всего сочетается с использованием нескольких низкоуровневых шин процесса с целью снижения стоимости системы автоматизации объекта. Применение той или иной низкоуровневой шины зависит от инерционности контролируемого процесса. Наиболее привлекательным для реализации низкоуровневой шины процесса в пределах высоковольтной ячейки 6-35 кВ является использование промышленной сети FlexRay (максимальная скорость 10 Мбит/с) [5]. FlexRay является надежной и устойчивой к сбоям детерминированной сетью жесткого реального времени, в которой применены эффективные механизмы синхронизации времени и резервирования сети. Поддерживаемая топология сети: общая шина, звезда, комбинированная. Альтернативным решением является применение промышленной сети CAN-FD (максимальная скорость до 5 Мбит/с). Следует отметить, что при автоматизации подстанций в последнее время большое внимание уделяется диагностике различных подсистем с целью повышения надежности и снижения эксплуатационных затрат. Сказанное относится и к сетям передачи данных. В промышленных сетях FlexRay и CAN эти задачи эффективно решены. Так, ряд приемопередатчиков указанных сетей обеспечивают формирование признака ошибки при сбоях и авариях (обрыв, короткое замыкание между линиями связи между собой и питанием) и управления перекоммутациями для защиты микросхемы и обеспечения передачи даже при повреждении в одной из двух линий связи [6]. Для обеспечения надежности функцио45

НАУКА

Цифровая подстанция

нирования промышленной сети применяются специальные кабели и разъемы, а ряд микроконтроллеров с поддержкой FlexRay имеют наивысший уровень надежности согласно жестким требованиям стандарта IEC 61508 SIL-3. В настоящее время FlexRay активно применяется в промышленной автоматизации, авионике и автомобилестроении. Имеются примеры применения и в энергетике для автоматизации газотурбинных установок. В последние годы интерес к FlexRay проявляют и разработчики цифровых подстанций [7]. Гибкость FlexRay связана с поддержкой различных топологий сети, в том числе с поддержкой топологии общая шина. Достоинством топологии общая шина является возможность простого подключения к ней не только первичных измерительных преобразователей тока и напряжения, но и других датчиков и исполнительных устройств. Таким образом получим общую шину данных как для оцифрованных аналоговых данных (фазные токи и напряжение, напряжение и ток нулевой последовательности, данные от датчиков температуры и др.), так и для данных от дискретных источников [8, 9]. Низкоуровневая шина процесса Специалистами ООО «Инженерный центр «Энергосервис» разработаны опытные образцы интеллектуальных электронных устройств с поддержкой шины процесса на базе сети FlexRay. Для комбинированных датчиков тока и напряжения (КДТН) TECV.P1-10 фирмы «Оптиметрик» (Ярославль) разработано встроенное аналоговое устройство сопряжения. Электронный модуль размещен в основании датчика TECV.P1-10 в очень ограниченном пространстве 60х80х22 мм. Цифровой комбинированный датчик тока и напряжения TECV.P1-10 по сравнению с аналогичным датчиком с низкоуровневыми аналоговыми выходами обладает улучшенными метрологическими характеристиками, повышенной помехоустойчивостью, возможностью мониторинга состояния КДТН и цифровых каналов связи. В опытном образце встроенного 46

04 /Декабрь 2015

в КДТН устройства сопряжения реализован порт FlexRay, обеспечивающий два резервируемых канала передачи данных. Содержимое передаваемых выборочных значений (sampled values) токов и напряжений от цифрового КДТН по сети FlexRay аналогично выборочным данным шины процесса цифровой подстанции. Поэтому данные легко могут быть конвертированы в протокол МЭК 61850-9-2. Дополнительно в цифровом КДТН обеспечивается измерение и передача синхронизированных векторных измерений токов и напряжений, а также эквивалентных синхрофазоров с учетом влияния высших гармоник. Указанные измерения можно рассматривать как альтернативу sampled values [10, 11]. При использовании векторных измерений резко снижаются требования к вычислительным ресурсам микропроцессоров локальных и централизованных ИЭУ различного функционального назначения.

На рис. 1 приведена структурная схема цифровой ячейки, в которой все аналоговые и дискретные датчики и исполнительные устройства имеют цифровой выход: блок управления вакуумным выключателем 1, комбинированные датчики тока и напряжения (КДТН), датчик тока нулевой последовательности 2, актуатор выдвижного элемента с выключателем и актуатор заземляющего разъединителя 3, бесконтактные датчики положения с цифровым интерфейсом 4, подключаемые к шине процесса с помощью специального устройства сопряжения (шлюза) 5, оптические датчики дуговой защиты 6, температурные датчики 7. Аналогичным образом в сеть FlexRay могут быть интегрированы и другие датчики для контроля аналоговых и дискретных процессов, в том числе дополнительные датчики тока и напряжения. Используемые в цифровой ячейке ИЭУ различного функционального шина подстанции

РЗА ESM

шина процесса низкоуровневая шина процесса

FLEXRAY

4

1 2

КДТН

6

5 3

7

ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Рис. 1. Цифровая ячейка

шина подстанции РЗА ESM КП

шина процесса низкоуровневая шина процесса

FLEXRAY

4

1 2

КДТН

ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Рис. 2. Второй вариант цифровой ячейки

6

5 3

7

НАУКА

Мокеев Алексей Владимирович Окончил в 1981 г. Ленинградский политехнический институт (ныне НИУ «СПбПУ»), инженер-электрик, специализация «Релейная защита и автоматизация энергосистем». Защитил кандидатскую диссертацию в ЛПИ в 1986 г., докторскую диссертацию в СПбГПУ в 2011 г. Заместитель генерального директора ООО «Инженерный центр «Энергосервис», профессор кафедры ЭПП Северного (Арктического) федерального университета.

Бовыкин Владимир Николаевич Окончил в 2000 г. Архангельский государственный технический университет, инженер-электрик, специализация «Электроснабжение промышленных предприятий», выпускник Президентской программы. Заместитель директора Департамента энергетических технологий, начальник управлением производства и сбыта микропроцессорных устройств.

Цифровая подстанция назначения содержат только цифровые входывыходы, что положительно скажется на их стоимости и массогабаритных показателях. Хотя приведенная на рис. 1 структура цифровой ячейки не накладывает серьезных ограничений на количество используемых ИЭУ, функции по измерению, релейной защите, автоматике, управлению ячейкой, оперативным блокировкам в зависимости от решаемых задач могут быть решены одним, двумя или тремя ИЭУ: многофункциональным устройством РЗА, многофункциональным измерительным ИЭУ, контроллером присоединения. Пунктиром на рис. 1 выделено подключение устройств, применение которых не является обязательным. Сказанное относится и к шине процесса согласно МЭК 61850, для реализации которой используется шлюз FlexRay/IEC 61850. Шлюз может быть встроен в устройство РЗА или выполнен в виде отдельного устройства. Таким образом, наряду с низкоуровневой шиной процесса на базе FlexRay, используемой только внутри ячейки, имеется возможность реализации полноценной шины процесса согласно стандартов МЭК 61850. При этом возможны следующие варианты: реализация шины процесса с передачей только выборочных значений токов и напряжений согласно МЭК 61850-9-2LE, реализация объединенной шины процесса с передачей выборочных значений и GOOSE-сообщений, реализация совмещенной шины процесса и подстанции при применении кольцевой сети Ethernet и ИЭУ с поддержкой протокола резервирования HSR или RSTP. Последний вариант с целью снижения стоимости реализации цифровых подстанций используется в решениях компании ABB [1]. С целью снижения нагрузки на локальную сеть вместо выборочных значений токов и напряжений могут передаваться синхронизированные векторные измерения [9, 10]. В наиболее распространенных необслуживаемых подстанциях с распределительными устройствами 6-35 кВ реализация ССПИ, локальных и централизованных устройств защиты и автоматики может осуществляться на базе сети FlexRay, функционирующей в пределах ЗРУ и заменяющей совмещенную шину процесса и подстанции на базе сети Ethernet. Для создания цифровой ячейки согласно рис. 1 специалистами ООО «Инженерный центр «Энергосервис» разработаны встроенные в КДТН устройства сопряжения с шиной процесса на базе FlexRay, специальная модификация многофункционального измерительного устройнаучно‑практическое издание

ства ESM с 2 каналами FlexRay [9, 10], устройство сопряжения с бесконтактными датчиками положения. Многофункциональные устройства ESM выполняют функции текущих и интегральных телеизмерений, синхронизированных векторных измерений, учета электрической энергии, измерения показателей качества электрической энергии. Одновременно разрабатываются 4 модификации ESM: с аналоговыми входами от измерительных трансформаторов тока и напряжения, с аналоговыми низкоуровневыми входами от датчиков тока и напряжения, с цифровыми входами согласно МЭК 61850-9-2LE, с поддержкой шины FlexRay. Для быстрой интеграции в цифровую ячейку устройств сторонних производителей, прежде всего устройств РЗА и блоков управления вакуумных выключателей, специалистами ООО «Инженерный центр «Энергосервис» разрабатываются OEM-платы с поддержкой сети FlexRay. Другой вариант – использование контроллера присоединения (КП), который одновременно выполняет функции шлюза FlexRay/ МЭК 61850 (рис. 3). Измерительное ИЭУ, например, ESM, в данном варианте используется только при организации коммерческого учета электроэнергии. Для ответственных применений совместное использование УРЗА и КП обеспечивает дополнительные возможности по резервированию. Например, могут быть реализованы две кольцевые сети Ethernet, если указанные устройства содержат встроенный сетевой коммутатор и в них реализована поддержка протоколов резервирования RSTP или HSR. Для простых применений в ячейке может быть установлен только контроллер присоединения при реализации в КП минимального функционала релейной защиты и автоматики присоединения. Такой контроллер присоединения может быть встроен в блок управления вакуумным выключателем аналогично тому, как электронные расцепители устанавливаются в автоматические выключатели. Для иных применений, например, при использовании локальных или централизованных устройств РЗА, такой КП будет являться последним «рубежом» защиты присоединения. Возможно упрощение представленных вариантов цифровой ячейки, например, использование сети FlexRay без резервирования или использование отдельных сегментов сети для устройств РЗА и измерительных устройств.

47

НАУКА

Хромцов Евгений Иосифович Окончил в 2014 г. Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, инженер-электрик, специализация «Электроснабжение». Программист отдела разработки микропроцессорных устройств ООО «Инженерный центр «Энергосервис» .

Цифровая подстанция Комбинированные варианты низкоуровневой шины процесса Данные варианты предполагают различные решения по подсистемам аналогового и дискретного ввода-вывода. Один из возможных вариантов представлен на рис. 3. Здесь сеть FlexRay или более простые альтернативные сети CAN или CAN-FD используется преимущественно для подсистемы дискретного ввода-вывода, а передача оцифрованных значений токов и напряжений от КДТН производится с использованием Ethernet согласно МЭК 61850-9-2. Специалистами ООО «Инженерный центр «Энергосервис» в 2014 году разработано компактное устройство сопряжения ENMU с 4 портами Ethernet (МЭК 61850-9-2) для комбинированных датчиков тока и напряжения CVS-I (Голландия) [9]. Устройство сопряжения ENMU имеет очень малые габариты и может быть встроено в один из трех КДТН (рис. 3). Для упрощения интеграции представленного варианта цифровой ячейки с устройствами РЗА с поддержкой МЭК 61850 специалистами ООО «Инженерный центр «Энергосервис» разработано дискретное устройство сопряжения с шиной процесса ENMU-D [9]. Еще более простое решение для цифровой ячейки связано с реализацией в устройстве РЗА ИЭУ функций аналогового устройства сопряжения с шиной процесса (рис. 4). Подобное решение предусмотрено в высоковольтных ячейках UniGear Digital фирмы ABB [1]. Отличия представленного варианта цифровой ячейки от UniGear Digital связаны с подсистемой дискретного ввода-вывода и цифровым взаимодействия с блоком управления вакуумным выключателем.

Другое преимущество связано с организацией коммерческого учета электроэнергии. В UniGear Digital используются датчики тока на основе катушки Роговского, и в силу особенностей данного датчика имеются определенные сложности в реализации учета электроэнергии и измерении показателей качества электроэнергии. При необходимости организации коммерческого учета электроэнергии и/или измерения ПКЭ в ячейке UniGear Digital дополнительно предусматривается установка традиционных электромагнитных трансформаторов тока и напряжения. В предлагаемом варианте данные проблемы решены – комбинированный датчик тока и напряжения TECV.P1-10 содержит сразу 2 токовых датчика: LPCT и датчик на базе катушки Роговского. К выходам токовых датчиков LPCT подключается специальная модификация многофункционального измерительного устройства ESM с аналоговыми низкоуровневыми входами, а к низкоуровневым выходам катушки Роговского подключается устройство РЗА. Разработанные специалистами ООО «Инженерный центр «Энергосервис» встроенные или внешние аналоговые устройства сопряжения с шиной процесса, различные модификации измерительных ИЭУ, дискретных устройств сопряжения с шиной процесса и контроллеров присоединения могут найти применение при создании различных вариантов цифровых ячеек, в том числе представленных на рис. 1– 4. Выводы Применение датчиков тока и напряжения с цифровыми выходами и переход на цифровое взаимодействие с вакуумными выключателями ИЭУ шина подстанции

РЗА ESM

шина процесса

4

5 6

КДТН

ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Рис. 3. Комбинированный вариант цифровой ячейки

48

04 /Декабрь 2015

6

5 3

7

Цифровая подстанция

НАУКА

шина подстанции РЗА ESM

шина процесса

4

1 2

КДТН

ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

6

5 3

7

Рис. 4. Упрощенный вариант цифровой ячейки

различного функционального назначения позволяют говорить о КРУ нового поколения – цифровых ячейках. Распределительные устройства 6-35 кВ на базе цифровых ячеек позволят обеспечить более высокий уровень надежности, тестирования ячеек сразу после их сборки, мониторинг и диагностику как отдельных компонентов ячеек, так и ячейки распределительного устройства в целом.

Литература: 1. M. Stefanka, V. Prokop, G. Salge. Application of IEC 61850-9-2 in MV switchgear with sensors use // 22nd International Conference on Electricity Distribution CIRED2013. – Stockholm. – 2013.

2. Minkner R., Schweitzer E.O. Low Power Voltage and Current Transducers for Protecting and Measuring Medium and High Voltage Systems // 26th Western Protective Relay Conference. – Washington. – 1999.

3. Мокеев А.В., Подболотов И.В., Рафиков А.Б., Ульянов Д.Н. Цифровая ячейка // ИСУП. – 2014. – № 1. – С. 25-29.

научно‑практическое издание

4. Федюкин В., Бондарев Л., Клепиков В. Распределенная архитектура перспективных встроенных систем управления // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2007. – № 6. – С. 60-65.

5. Shaw R., Jackman B. An introduction to FlexRay as an industrial network // IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE 2008). – Cambridge. – 2008. – P. 1814-1854.

6. Современные приемопередатчики сети CAN компании ON Semiconductor // Компоненты и технологии. – 2009. – № 9. – С. 44-48.

7. Li Q., Liu R., Liang Y., Niu Z.-G., Xiao K., Wang J.-L. Application of FlexRay in protective relay unit of electric power system // Power System Protection and Control. – V. 38.– 2010.

8. Мокеев А.В., Бовыкин В.Н., Миклашевич А.В., Орлов Ф.Ю., Ульянов Д.Н., Хромцов Е.И. Интеллектуальные электронные устройства для цифровых подстанций 110(35)/6 кВ // Сб. межд. научно-техн.конф. «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». – Сочи. – 2015.

9. Мокеев А.В., Бовыкин В.Н. Интеллектуальные устройства для цифровых подстанций // Новое в российской энергетике. – 2015. – № 4. – С. 40-48.

10. Мокеев А.В., Бовыкин В.Н., Миклашевич А.В., Ульянов Д.Н. Устройства синхронизированных векторных измерений с поддержкой стандартов IEEE C37.118 и IEC 61850 // Сб. межд. научно-техн. конф. «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». – Екатеринбург. – 2013.

11. Мокеев А.В., Бовыкин В.Н., Миклашевич А.В., Ульянов Д.Н. Расширение функциональных возможностей УСВИ // Сб. межд. научно-техн. конф. «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». – Сочи. – 2015.

49

НАУКА

Цифровая подстанция УДК: 621.311.4-52

Авторы: Елов Н.Е., Кабанов П.В., ООО «ЭнергопромАвтоматизация», г. Санкт-Петербург, Россия.

Морозов А.П., Жуков Д.А., ПАО «РусГидро», г. Москва, Россия.

Elov N., Kabanov P., LLC

РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЛЕКСНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЦИФРОВОГО ПОЛИГОНА НИЖЕГОРОДСКОЙ ГЭС ПАО «РУСГИДРО» THE RESULTS OF OVERALL RELIABILITY TESTS OF DIGITAL SUBSTATION IN THE BRANCH OF «RUSHYDRO» OJSC «NIZHEGORODSKAYA» HPP

«EnergopromAvtomatizatciya», Saint Petersburg, Russia.

Morozov A., Zhukov D., PJSC «RusHydro», Moscow, Russia.

Аннотация: описан реализованный на базе Нижегородской ГЭС инновационный цифровой полигон с поддержкой протоколов стандарта МЭК 61850-9.2. Приведено краткое описание полигона, перечень выполненных натурных испытаний и анализ полученных результатов. Дается положительная характеристика установленного комплекса с точки зрения перспектив применения на объектах энергетики и перечень рекомендуемых мероприятий по модернизации оборудования и разработке нормативно-технической документации.

Ключевые слова: цифровая подстанция, испытания, РЗА, АСУ ТП, оптические трансформаторы, МЭК 61850, Sampled Values, IEC 61850, Merging Unit, Нижегородская ГЭС.

Annotation: the article describes the innovative digital substation testbench compliant with IEC 61850-9.2 which was implemented on the Nizhegorodskaya hydropower plant. Brief profile of the testbench, description of completed field tests and analysis of results are also listed in the article.

The article provides positive evaluation of the assembled complex from the perspective of implementation on the power&electricity objects as well as recommended measures for refurbishment of equipment and development of technical standards.

Keywords: digital substation, tests, RPA, SAS, optic transformers, IEC 61850, Sampled Values, IEC 61850, Merging Unit, Nizhegorodskaya HPP.

50

04 /Декабрь 2015

Введение В 2013 году для апробации новейшей технологии, практического использования принципов цифровых устройств с применением протоколов стандарта МЭК 61850, выявления ее преимуществ и недостатков, а также для развития инновационного потенциала компании ПАО «РусГидро» приняло решение об организации пилотного проекта на Нижегородской ГЭС. В рамках пилотного проекта был разработан цифровой комплекс системы автоматического управления одиночного блока генератор-трансформатор №6, содержащий инновационное оборудование различных отечественных и зарубежных компаний: ОТТ и ТН ЗАО «Профотек»; SCADA NPT Expert, контроллер присоединения NPT BAY, контроллер УСО уличной установки NPT MicroRTU, устройство SAMU NPT MU, централизованный регистратор GOOSE и SV производства ООО «ЭнергопромАвтоматизация»; терминалы РЗА (защита блока) ООО НПП «ЭКРА»; терминалы РЗА (защита блока и защита генератора) ООО «ИЦ «Бреслер» ТОР-300; терминал РЗА (защиты трансформатора) ABB RET670; терминал РЗА Alstom Micom P645; счетчик электрической энергии ООО «ПрософтСистемы» Aris. Проект выполнялся в три этапа. На первом этапе был проведен анализ существующих

проектов внедрения ОТТ и ОТН на объектах энергетики. На втором этапе были проведены комплексные испытания с использованием средств цифрового моделирования RTDS на полигоне ОАО «НТЦ ЕЭС», а также выполнен монтаж оборудования на Нижегородской ГЭС. На третьем этапе было выполнено расширение состава оборудования цифрового комплекса, проведены комплексные функциональные испытания на объекте внедрения, а также осуществлен ввод комплекса в опытную эксплуатацию. Структурная схема комплекса в расширенном варианте изображена на рис. 1. Завершающие третий этап проекта натурные испытания проводились в октябре 2015 года и включали следующие опыты (режимы работы оборудования): • трехфазное короткое замыкание (КЗ) на выводах генератора; • трехфазное КЗ на стороне 110 кВ блочного трансформатора; • однофазное КЗ на стороне 110 кВ блочного трансформатора; • работа на холостом ходу; • включение в сеть с контролем синхронизма; • форсировка тока возбуждения генератора.

НАУКА

Цифровая подстанция

Рис. 1. Структурная схема цифрового комплекса

Наряду с силовыми опытами были выполнены проверки работы комплекса при возникновении неисправностей цифрового оборудования: • опыт потери синхронизации PPS; • опыт потери питания ОТТ; • опыт обрыва оптического кабеля; • опыт неисправности сервера времени; • опыт неисправности сетевого коммутатора; • опыт подачи дублирующего потока SV (от РЕТОМ 61850); • опыт неисправности вторичных цепей ТН. Результаты проведения натурных испытаний послужили материалом для создания аналитического отчета и подготовки рекомендаций по развитию комплекса. Комплексные испытания Выполненные в рамках реализации проекта комплексные испытания показали работоспособность и возможность внедрения на объектах энергетики инновационного комплекса, основанного на применении оптических трансформаторов тока,

электронных трансформаторов напряжения и цифровых устройств релейной защиты, автоматики и управления, работающих в соответствии со стандартом МЭК 61850-9.2LE. Однако в рамках испытаний были выявлены особенности работы оборудования, которые требуют глубокого анализа специалистами:

• При проведении опытов трехфазных и однофазных КЗ зафиксированы сильные шумы в измеряемых токах от оптических трансформаторов тока (рис. 2) вне зависимости от места установки (как на стороне 13,8 кВ, так и на стороне 110 кВ). Гармонический анализ показывает наличие составляющих высоких гармоник, не существующих в реальном первичном сигнале. При увеличении амплитуды полезного сигнала выявлено снижение уровня шумов. Для повышения точности работы защит, реагирующих на основную гармонику или действующее значение сигнала, а также правильной работы защит на основе более высоких гармоник, необходимо обеспечить снижение уровня шумов в потоках ОТТ.

• При выполнении опыта холостого хода блока (выключатель 110 кВ отключен) зафиксированы сильные шумы периодического характера в напряжениях 110 кВ, в основном на амплитудных значениях напряжения обеих полярностей (рис. 3). На стороне генератора в потоках напряжения, измеряемого с помощью MergingUnit, шумы отсутствуют. Выявленные изломы и провалы в напряжениях на стороне генератора связаны с наличием третьей и ряда других нечетных

Рис. 2. Шумы в измерениях ОТТ, зафиксированные терминалом ТОР 300 ДЗБ

научно‑практическое издание

51

НАУКА

Цифровая подстанция

Рис. 3. Шумы периодического характера в измерениях по напряжению 110 кВ, выявленные централизованным регистратором NPT

гармоник, что является нормальным режимом для генератора. При этом третья гармоника не проходит на сторону 110 кВ трансформатора, т.к. обмотка генераторного напряжения соединена в «треугольник». При работе блока в сеть шумы в сигналах напряжения 110 кВ исчезают. Необходимо выявить и устранить причину шумов в сигналах напряжения от ТН 110 кВ в режиме холостого хода. Возможная причина наличия шумов на амплитудных значениях напряжения в опыте ХХ – перенапряжение в схеме ТН, приводящее к частичным пробоям и увеличению шумов в сигнале.

• Во время проведения испытаний неоднократно фиксировались «ложные» выбросы тока нейтрали генератора (мгновенное значение до 119 кА, в течение 0,5 мс). При этом измеренный дифференциальный ток превышал уставку ДЗГ и происходило срабатывание защит (рис. 4). Данные выбросы тока не сопровождались индикацией «плохого» качества сигнала. Следует исключить причину подобных выбросов в ОТТ, а также улучшить самодиагностику ОТТ с целью своевременной индикации «плохого» качества сигналов в SV-потоке.

• Дважды с интервалом 880 мс были зафиксированы сильные шумы 52

04 /Декабрь 2015

в токах основного и резервного ОТТ 110 кВ (рис. 5). Переключений в первичной схеме при этом не производилось. Токи выводов генератора и напряжения ТН 110 кВ шумов в эти моменты времени не содержат. ОТТ при возникновении шумов не сопровождали их индикацией «плохого» качества сигнала. Следует определить и устранить причину возникновения шумов.

• При проведении опыта потери синхронизации по PPS основного ОТТ 110 кВ сработала ДЗТБ в терминале ABB. При этом защиты ООО «ИЦ «Бреслер», защиты ООО НПП «ЭКРА» и Alstom не сработали. Аналогичная ситуация возникла при восстановлении синхронизации по PPS основного ОТТ 110 кВ. Анализ осциллограммы события (рис. 6) показал, что излишнее срабатывание связано с тем, что индикация «плохого» качества сигнала тока от основного ОТТ приходит на устройства РЗА с задержкой 500 мс. При этом, до прихода сигнала с признаком «плохого» качества, фаза тока начинает вращаться и успевает повернуться на 100º (с 309º до 60º), что приводит к плавному нарастанию «ложного» дифференциального тока до 0.46 о.е. в дифференциальных защитах. Защиты не имеют своевременной информации о какой-либо неисправности в ОТТ, что приводит к их срабатыванию. Необходимо внести изменения в алгоритмы электронного блока ОТТ для своевременной выдачи признака «плохого» качества сигнала без задержки при пропадании синхронизации. Также при восстановлении синхронизации признак «плохого»

Рис. 4. Осциллограмма срабатывания терминала РЗА при ложном выбросе тока фазы С (зафиксировано терминалом ТОР 300 ДЗБ)

НАУКА

Цифровая подстанция

Елов Николай Евгеньевич Дата рождения: 07.01.1983 г. В 2005 г. окончил РГУ Нефти и Газа им. И.М. Губкина, магистр техники и технологии по направлению «Информатика и вычислительная техника». Заместитель технического директора по перспективным проектам ООО «ЭнергопромАвтоматизация». Рис. 5. Зафиксированные шумы в потоках ОТТ 110 кВ (терминал ТОР 300 ДЗТ)

Кабанов

качества должен сниматься только после начала корректного измерения сигнала с задержкой на возврат.

• При отключении питания основного ОТТ 110 кВ зафиксировано кратковременное искажение сигналов тока при отсутствии признаков «плохого» качества сигналов. При этом сигналы тока не пропали. Пропадание сигналов тока зафиксировано через 20 секунд.

При этом также зафиксировано кратковременное искажение сигналов тока при отсутствии признаков «плохого» качества сигналов. Аналогичные сигналы наблюдались при выключении питания ОТТ выводов генератора. Искажения сигналов имели характер постоянных токов и шумов, что не соответствует реальным сигналам в первичной цепи. Необходимо определить и устранить причину таких

Павел Владимирович Дата рождения: 30.09.1987 г. В 2010 г. окончил Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ), магистр техники и технологии по направлению «Электроэнергетика». В 2015 г. прошел курсы повышения квалификации в СПбГПУ по программе «Безопасность строительства и качество устройства электрических сетей и линий связи». Руководитель отдела подготовки базы данных ООО «ЭнергопромАвтоматизация». Рис. 6. Срабатывание терминала ABB при потере синхронизации PPS ОТТ (осциллограмма терминала ABB)

научно‑практическое издание

53

НАУКА

Цифровая подстанция

Морозов Алексей Павлович Дата рождения: 29.05.1978 г. В 2000 г. окончил Ивановский Государственный Энергетический Университет, кафедру «Автоматическое управление электроэнергетическими системами (РЗА)». Главный эксперт Управления релейной защиты и противоаварийной автоматики Департамента эксплуатации ПАО «РусГидро».

Жуков Дмитрий Андреевич Дата рождения: 14.05.1987 г. В 2009 г. окончил факультет «Вычислительная математика и кибернетика» МГУ им. М.В. Ломоносова по специальности «Прикладная математики и информатика». В 2011 г. – Институт электроэнергетики НИУ МЭИ по специальности «Электроэнергетические системы и сети». Эксперт Управления информационно-алгоритмического обеспечения АСУ ТП Департамента эксплуатации ПАО «РусГидро».

54

04 /Декабрь 2015

Рис. 7. Зафиксированные терминалом ЭКРА искажения потоков при наличии в сети двух источников с идентичными параметрами (ОТТ и РЕТОМ)

искажений и отсутствия признака «плохого» качества сигналов.

• При отключении и восстановлении питания коммутатора и ряде других опытов неисправностей в сети, связанных с пропаданием РТР, в АСУ ТП (SCADA NPT Expert) были зафиксированы срабатывания защит ООО НПП «ЭКРА» (по частоте, защиты от асинхронного хода и т.д.). Необходимо установить причину излишних срабатываний защит в терминалах ЭКРА при пропадании РТР и неисправностях ЛВС и устранить ее.

• При проведении опытов неисправностей вторичных цепей напряжения на ТН генератора (обрывы фаз ТН, приходящих на SAMU NPT MU) зафиксированы излишние срабатывания защит ЭКРА. Целесообразно добавить логику БНН в терминалы ЭКРА и рассмотреть возможность реализации логики БНН в SAMU NPT MU, что позволило бы формировать признак «плохого» качества сигналов напряжения при неисправностях во вторичных цепях обычного ТН.

• Проведены опыты подачи сигналов SVпотоков от РЕТОМ-61850 с параметрами, идентичными существующим в сети SV-потокам от ОТТ и ТН генератора при их одновременном наличии в сети. При этом возникает неопределенность в приеме потоков на стороне терминалов РЗА, выраженная в произвольном переключении устройств между потоками. Терминалы фиксируют искаженные сигналы, что приводит к срабатываниям и возвратам отдельных функций защит согласно заложенному алгоритму (рис. 7). Необходимо разработать методику проведения проверочных работ оборудования РЗА, регламентирующую установку «тестового» флага в потоке SV и перевод терминалов РЗА в тестовый режим.

Общие выводы Установленный на Нижегородской ГЭС инновационный комплекс является первым в России промышленным внедрением технологии «цифровой подстанции» на объектах гидроэнергетики и первым в России проектом ЦПС, на котором проведены натурные испытания оборудования. В рамках данного проекта удалось обеспечить совместную работу оборудования 7 производителей (ООО «ЭнергопромАвтоматизация», ЗАО «Профотек», ООО НПП «ЭКРА», ООО «ИЦ «Бреслер», ABB, Alstom, ООО «Прософт-Системы») по стандарту МЭК 61850. Структура комплекса, полученная в результате расширения полигона, не позволяет оценить надежность передачи данных от ОТТ и ТН, в связи с чем требуется разработка типового решения по организации шины процесса и станционной шины с учетом возможности передачи сигналов GOOSE в различных сегментах сети. Устройства интегрированы в SCADA NPT Expert, и информация с них доступна на АРМ. Организован сбор аварийных, предупредительных сигналов, централизованный сбор осциллограмм аварийных процессов со всех устройств. АРМ предоставляет удобный интерфейс для доступа как к динамической, так и ретроспективной информации. Оборудование АСУ ТП и АИИС КУЭ корректно производит измерение режимных параметров и параметров качества электрической энергии, а оборудование РЗА выполняет все функции, аналогичные традиционным защитам. Испытания оборудования, выполненные на Нижегородской ГЭС, показали работоспо-

НАУКА

Цифровая подстанция

собность комплекса, а также выявили особенности работы инновационного оборудования, требующие дополнительного детального изучения. В целом, оптические трансформаторы тока и электронные трансформаторы напряжения, работающие на шину процесса МЭК 61850-9.2LE совместно с цифровыми устройствами релейной защиты, автоматики и управления, доказали свою состоятельность и возможность применения на объектах энергетики с учетом полученных результатов опытной эксплуатации. Однако необходимо отметить полное отсутствие нормативно-технической документации по техническому и оперативному обслуживанию цифровых устройств РЗА нового поколения, которая должна кардинально отличаться от существующих инструкций и правил ТО и оперативного управления. Внедрение нового оборудования требует новых подходов к организации эксплуатации, техобслуживания и ремонта, организации информационной сети. Кроме того, выявлена необходимость формализации протоколов обмена, разработки рекомендаций к регистрации GOOSEи SV-сообщений, а также к техническим требованиям к ОТТ и ОТН.

Перспективы Накопление статистики работы и обеспечение постоянного контроля работы персоналом станции являются первостепенными задачами тестового полигона, в связи с чем необходим ввод комплекса в опытнопромышленную эксплуатацию, а также интеграция комплекса в систему АСУЭ Нижегородской ГЭС для оперативного информирования персонала о событиях. Для накопления статистики необходимо регулярно выполнять оценку работы комплекса в нештатных режимах. Очередные натурные испытания запланированы на апрель 2016 года. Наиболее удобным и универсальным средством накопления статистической информации является применение опробованного во время испытаний централизованного цифрового регистратора МЭК 61850 GOOSE и SV в составе оборудования «цифровой подстанции», а также его доработка для непрерывной архивации регистрируемых параметров. С целью повышения эффективности самодиагностики и своевременного оповещения о неисправностях необходима реализация функций диагностики всего цифрового обору-

научно‑практическое издание

дования комплекса и передачи информации в SCADA. С целью повышения надежности передачи цифровых потоков измерений необходимо разделить сеть на шину станции и шину процесса, при этом шина процесса должна обеспечивать нулевое время восстановления в случае отказа одного из элементов сети благодаря использованию протокола параллельного резервирования PRP. С целью унификации применяемого оборудования и стандартизации решения для объектов различных собственников необходимо разработать единые технические требования к оптическим ТТ и ТН, устройствам релейной защиты, автоматики и управления нового поколения, учитывающие особенности всех субъектов энергетики.

55

НАУКА

Компенсирующие устройства. ДГР УДК 621.316.9

Авторы: д.т.н. Булычев А.В., к.т.н. Козлов В.Н., Салмин Н.О., Соловьев И.В., ООО «НПП Бреслер», г. Чебоксары, Россия.

D.Sc Bulychev A.V.,

ДУГОГАСЯЩИЕ РЕАКТОРЫ С КОНДЕНСАТОРНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ИНДУКТИВНОСТИ ARC SUPPRESSION REACTORS WITH CAPACITOR REGULATING INDUCTANCE

Ph.D Kozlov V.N., Salmin N.O., Solovyov I.V., NPP BRESLER, Cheboksary, Russia.

Аннотация: рассмотрен новый подход к построению дугогасящих реакторов, который основан на применении конденсаторов для изменения индуктивности. Показано, что дугогасящие реакторы с конденсаторным регулированием не генерируют гармоники и ведут себя по отношению к внешней сети как линейные элементы. Выделены их эксплуатационные преимущества.

Ключевые слова: однофазное замыкание на землю, дугогасящая катушка, дугогасящий реактор, силовые конденсаторы.

Annotation: describes a new approach to the construction of arc suppression reactors.

This approach is based on the application of capacitors to change the inductance. It is shown that the arc suppression reactors, capacitor control will not generate harmonics and behave towards external networks as linear elements.

Allocated to their operational advantages.

Keywords: single-phase earth fault, arc suppression coil, arc suppression reactor, power capacitors.

56

04 /Декабрь 2015

Распределительные сети с напряжением 6-35 кВ работают, как правило, с изолированной от земли нейтралью, что позволяет сохранять их в работе в течение продолжительного времени при наиболее частых видах повреждений – однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ). Относительно земли такая сеть представляет собой распределенную емкость, которая, в случае ОЗЗ, обуславливает ток в земле. С током ОЗЗ связан ряд проблем, главная из которых – обеспечение электробезопасности людей, оказавшихся в зоне растекания тока, и защита от электрической дуги в месте замыкания. В этой связи, несомненно, необходимо применение специальных мер для подавления (компенсации) емкостного тока замыкания на землю. Способ компенсации тока ОЗЗ предложен В. Петерсоном, практически вместе с появлением таких сетей [1], и заключается в заземлении нейтрали сети через катушку индуктивности, ток которой, в силу своей направленности, и компенсирует емкостной ток сети. Такую катушку обычно называют дугогасящей – ДГК, а конструкцию в целом – дугогасящим реактором (ДГР). Распределительная сеть, подобно живому организму, постоянно видоизменяется – подключаются/отключаются отходящие от системы шин трансформаторной подстанции линии, подключаются/отключаются распределительные подстанции, изменяется нагрузка и т.д. Все это требует пропорционального изменения индуктивности ДГР для поддержания требуемого тока компенсации.

Способы изменения индуктивности ДГР Переключение отпаек ДГК – наиболее простой и распространенный способ регулирования тока компенсации. Исторически в эксплуатации находится большое количество ДГК со ступенчатым регулированием индуктивности. Количество ступеней регулирования таких ДКГ, как правило, невелико – от пяти до девяти, что определяется конструктивной сложностью выполнения высоковольтных отпаек катушки индуктивности и организации механизма их переключения. Переключения отпаек выполняются при отключенной от сети ДГК. Процесс этот достаточно трудоемкий. Он требует: оформления наряда-допуска; отключения ДГК разъединителем; механического переключения коммутатора, расположенного обычно на высоте более 2 метров, и т.д. Поэтому переключения выполняются только при значительных и долговременных изменениях параметров сети или один раз в 6 лет после измерения емкостного тока сети [2]. Организация этого процесса обычно возлагается на службу изоляции. Изменение длины немагнитного зазора в магнитопроводе ДГК позволяет плавно изменять ток компенсации. Обычно в центральном стержне магнитопровода такого ДГК выполняется зазор, изменяемый с помощью плунжерного механизма с электроприводом. Поэтому ДГР данного типа принято называть плунжерными. Это наиболее распространенный в настоящее время тип дугогасящего реактора. Он производится в России

НАУКА

Компенсирующие устройства. ДГР

Рис. 1. Принципиальная схема ДГРК

(четыре основных производителя выпускают ДГР типов РДМР и РЗДПОМ), Чехии (фирма EGE – ZTC, ASR), Австрии (фирма TRENCH), Италии (фирма SEA), Китае. Подмагничивание магнитопровода ДГК позволяет плавно изменять ток компенсации без механических элементов в конструкции ДГР. Несмотря на внешнюю привлекательность такого решения, количество присущих ему недостатков привело к тому, что, кроме России и Китая, никто в мире не рассматривает его практическое применение. Подключение конденсаторов параллельно нерегулируемой ДГК позволяет изменять ток ДГР за счет изменения эквивалентной проводимости ДГР. Неоднократно выдвигались предложения [3, 4] поддерживать заданную степень компенсации сети, при ее реконфигурации – подключении/отключении фидеров, за счет отключения/подключения к секции шин заранее подобранных конденсаторов, емкость которых равна емкости соответствующих фидеров. Основным камнем преткновения в практическом использовании данных предложений являлись характеристики силовых конденсаторов (низкая надежность, малый срок службы, малое количество производителей, высока цена и т.п.). Бурное развитие устройств компенсации реактивной мощности (УКРМ) и, соответственно, резко возросший спрос на силовые конденсаторы привели к появлению в мире большого количества производителей таких конденсаторов и улучшению их характеристик. Срок службы современных силовых конденсаторов составляет 100 000-300 000 часов,

т.е. 11,5-35 лет [5, 6, 7]. Поэтому наступило время ДГР с конденсаторным регулированием индуктивноcти – ДГРК. В настоящее время такие реакторы производятся фирмами Swedish Neutral и «НПП Бреслер». Дугогасящие реакторы с конденсаторным регулированием На рис. 1 приведена принципиальная схема дугогасящего реактора с конденсаторным регулированием. Основные составляющие устройства – простая (не регулируемая) ДГК и блок коммутируемых конденсаторов (БК). Недостатком такого решения является необходимость применения высоковольтных конденсаторов (C) и ключей (S), что приводит к громоздкому и ненадежному конструктивному исполнению. Поэтому практическая реализация ДГРК имеет несколько другой вид – рис. 2.

В ДГК (рис. 2) добавлена силовая вторичная обмотка, к которой и подключаются конденсаторы. Напряжение вторичной обмотки (обычно 450-1000 В) целесообразно выбирать исходя из номенклатуры ключей и конденсаторов. Индуктивное сопротивление ДГК должно быть таким, чтобы создаваемый ею ток ОЗЗ, с учетом развития сети, на 15-20% превышал максимальный текущий емкостной ток. Емкости n конденсаторов выбраны так, чтобы они образовывали безразрывный степенной ряд . Это позволяет иметь практически плавное изменение индуктивного тока ДГРК с шагом, заданным минимальной емкостью. Например, в реакторах РДМК-10/400, выпускаемых «НПП Бреслер», с максимальным током компенсации 64 А, устанавливается 7 конденсаторов. Соответственно, = 128, и шаг регулирования тока составляет 64/128 = 0,5 А. Следовательно, регулировка возможна от тока 0,5 А до 64 А. При необходимости можно задать любой шаг регулирования за счет сокращения диапазона регулирования или изменения количества ступеней (конденсаторов). Схема замещения силовой части ДГРК приведена на рис. 3. Здесь: – входное сопротивление ДГР; и – индуктивность рассеяния и активное

Рис. 2. Структурная схема ДГРК

научно‑практическое издание

57

НАУКА

Булычев Александр Витальевич Год рождения: 1956. В 1980 г. окончил Вологодский политехнический институт по специальности «Электроснабжение». Защитил докторскую диссертацию в Санкт-Петербургском государственном техническом университете в 1998 г. по специальности «05.14.02 – электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими». Ученое звание профессора присвоено в 2000 г. Общий стаж работы в вузах составляет 30 лет. В настоящее время – технический директор ООО «НПП Бреслер».

Компенсирующие устройства. ДГР

Рис. 3. Схема замещения ДГР с конденсаторным регулированием

сопротивление, соответственно, первичной (рабочей) обмотки; и – индуктивность рассеяния и активное сопротивление, соответственно, нагрузочной обмотки, приведенные к первичной (рабочей) обмотке; и – соответственно, индуктивность намагничивания и эквивалентное сопротивление потерь; и – соответственно регулирующая емкость и сопротивление, приведенные к первичной обмотке. Относительно входных зажимов А-Х реактор представляет собой двухполюсник, входной ток которого регулируется с помощью . Поскольку регулирующая емкость отделена от зажимов двухполюсника другими элементами и образует со вторичной обмоткой реактора дополнительный колебательный контур, возникает ряд вопросов: - о линейности регулировочной характеристики ; - о дополнительных гармонических искажениях, вносимых реактором;

Рис. 4. Регулировочная характеристика ДГРК

- о возможности резонанса регулировочного контура ДГРК на частотах сети. В настоящее время в эксплуатации находятся более 100 ДГРК производства «НПП Бреслер» различной мощности (от 80 до 1600 кВА) и исполнений (масляное, сухое, дугогасящие агрегаты). Проведены всесторонние исследования этих реакторов как путем математического моделирования, так и путем лабораторных и натурных испытаний на действующих подстанциях [8]. Для примера на рис. 4 приведена экспериментальная регулировочная характеристика ДГРК типа РДМК-10/400. Как видно, она линейна. В принципе, при наличии автоматики управления с обратной связью, линейность этой характеристики особой роли не играет, достаточно, чтобы она была монотонной. На рис. 5 приведена типичная осциллограмма металлического замыкания на землю

Соловьев Игорь Валерьевич Дата рождения: 21.10.1984 г. В 2007 году окончил ЧГУ им. И.Н. Ульянова. Соискатель кафедры «ТОЭиРЗА» ЧГУ им. И.Н. Ульянова. В настоящее время – начальник отдела оборудования заземления нейтрали ООО «НПП Бреслер».

Рис. 5. Экспериментальные осциллограммы металлического ОЗЗ в сети с ДГРК

58

04 /Декабрь 2015

НАУКА

Компенсирующие устройства. ДГР

Терминал автоматического управления ДГРК Цифровые индикаторы напряжения 3 Uo Переключатели выбора режима работы Тумблеры ручного управления ДГРК Козлов Владимир Николаевич Дата рождения: 15.08.1952 г. Окончил Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова в 1975 г., кафедра «Электрические аппараты». В 1985 г. защитил кандидатскую диссертацию в Ленинградском политехническом институте на тему «Комплексная защита судовых генераторов». Доцент каф. «ТОЭ и РЗА» Чувашского госуниверситета, главный конструктор ООО «НПП Бреслер».

Салмин Николай Олегович Дата рождения: 11.10.1990 г. В 2013 г. окончил магистратуру ЧГУ им. И.Н. Ульянова по профилю «Электроэнергетические системы, сети, электропередачи, их режимы, устойчивость и надежность». В настоящее время – инженер ООО «НПП Бреслер».

Рис. 6. Общий вид панели управления шкафа «Бреслер-0107.060.2К»

и спектральный состав токов, соответственно, в месте замыкания и цепи ДГРК, полученные при натурных испытаниях [8]. Из рисунков видно, что ДГРК является линейным устройством и не порождает дополнительных гармонических составляющих. У плунжерных ДГР перестройка реактора занимает от 20 до 120 с и определяется временем перемещения плунжера. При малых временах перемещения необходимо учитывать время выбега двигателя, что усложняет автоматику управления ДГР. Время перестройки ДГРК определяется временем переключения контакторов, применяемых для коммутации емкостей, примерно 15-30 мс. Аналогично плунжерному ДГР, управление ДГРК может выполняться как автоматически, так и вручную. На рис. 6 приведен общий вид панели управления шкафа автоматики управления «Бреслер-0107.060.2К», предназначенной для подключения двух ДГРК. Принцип действия автоматики ничем не отличается от управления плунжерными ДГР [9]. Режим ручного управления задается специальным ключом на панели шкафа или устанавливается автоматически при отказе микропроцессорного терминала. В этом режиме подключение/отключение емкостей определяется положением соответствующих тумблеров, напротив которых указана величина «коммутируемого» тока. В качестве индикатора настройки выступает вольтметр, отображающий величину напряжения на нейтрали. Выводы 1. Дугогасящие реакторы с конденсаторным регулированием не имеют механических движущихся частей и обладают рядом преимуществ перед наиболее распространенными плунжерными реакторами. Они имеют более высокую надежность, малое время перестройки, научно‑практическое издание

более низкую цену, обеспечивают простой и наглядный контроль емкостного тока сети, не требуют трудоемкого обслуживания в процессе эксплуатации.

2. Эксплуатационные характеристики современных конденсаторов позволяют выполнять дугогасящие реакторы с конденсаторным регулированием с долговечностью, соответствующей сроку эксплуатации основного оборудования подстанций.

3. Дугогасящие реакторы с конденсаторным регулированием в рабочем диапазоне токов являются линейными элементами и не генерируют гармонические составляющие в компенсируемой сети.

Литература: 1. Petersen W., Neutralizing of ground fault current and suppression of ground fault arcs through the ground fault reactor, E.T.Z. – 1919.

2. Правила устройства электроустановок. Издание 7-е. Утверждено приказом Минэнерго РФ от 08.07.2002.

3. Авторское свидетельство СССР №598171. Устройство для компенсации емкостного тока замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью с несколькими отходящими линиями // А.П. Ксенофонтов – Опубл. в Б.И. №10. – 1978.

4. Авторское свидетельство СССР №748621. Устройство для быстродействующей компенсации емкостного тока замыкания на землю в сети переменного тока // Д.Н. Степанчук, В.Ф. Солдатов, В.П. Кобазев . – Опубл. в Б.И. №26. – 1980.

5. www.zez-silko.ru. Компенсационные конденсаторы.

6. www.eiectronicon.com. (www.powercapacitors.info).

7. www.electronics.ru. Романова И. Конденсаторы компании EPCOS для коррекции коэффициента мощности тока // Электроника. – 2011. – №7 (00113). – С. 60-65.

8. Булычев А.В., Козлов В.Н. и др. Дугогасящий агрегат. Испытания, результаты, исследования // Новости Электротехники. – 2015. – №4(94). – С.1, 30-32.

9. Козлов В.Н., Булычев А.В. Современная автоматика управления дугогасящими реакторами для компенсации емкостного тока замыкания на землю в сетях 6-35 кВ // Энергоэксперт. – №1. – 2014. – С. 38-43.

59

вНИМАНИЕ

Требования к оформлению статей

УДК

Рубрика журнала: название статьи (стиль ЗАГОЛОВОК 1, на рус. и англ. языках)

Аннотация статьи (на рус. и англ. языках) Ключевые слова (на рус. и англ. языках)

Фамилия И. О. (на рус. и англ. языках) Организация, город, страна ( на рус. и англ. языках)

Текст статьи Редактор: Microsoft Word (с расширением .doc) Переносы слов: без переноса. Расположение страниц: книжное.

Гарнитура шрифта: Times New Roman, Arial Размер шрифта: 11 пт. Формат бумаги: А4.

Список литературы: • не более 15 литературных источников, содержащих материал, использованный автором при написании статьи. Ссылки в тексте даются в квадратных скобках, н-р [1]. Ссылки на неопубликованные работы не допускаются.

• оформление согласно ГОСТ 7.1-2003 «Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила оформления».

• сокращения отдельных слов и словосочетаний приводятся в соответствии с ГОСТ 7-12-93 «Библиографическая запись. Сокращение слов на русском языке. Общие требования и правила». Сведения об авторе (с фотографией): Фамилия, Имя, Отчество; ученая степень; почетные звания; должность и место работы; дата рождения; год окончания вуза с указанием названий вуза и кафедры; год и место защиты и тема диссертации; контактный тел. и e-mail. К направляемым в редакцию статьям прилагаются: • з аявление от автора на имя главного редактора; • д ве внешние рецензии;

• а кт экспертизы; • ходатайство научного руководителя.

Требования к элементам текстового материала Требования к таблицам (обязательны ссылки в тексте):

Требования к формулам:

• редактор: MS Word.

• редактор: MS Equation 3.0 (Вставка – Объект – Создание – MS Equation 3.0).

• шрифт: 9 пт, заголовок – полужирным.

• размеры элементов формул: основной размер – 11 пт, крупный символ – 14 пт,

Таблицы могут быть с заголовками и без.

мелкий символ – 11 пт, крупный индекс – 7 пт, мелкий индекс – 5 пт.

Требования к иллюстрациям и рисункам (обязательны ссылки в тексте):

• гарнитура греческих букв: Symbol. Для остальных букв: Times New Roman.

• чертежи: в строгом соответствии с ЕСКД.

• шрифты: латинские буквы набираются курсивом; обозначения матриц, век-

• режим «Вставка в текст статьи»: Вставка – Объект – Рисунок редактора Microsoft Word.

• шрифт подрисуночных подписей: 9 пт.

• иллюстрации присылать отдельными файлами в форматах: • чертежи – .pdf, .ai, .eps;

торов, операторов – прямым полужирным шрифтом; буквы греческого алфавита и кириллицы, математические обозначения типа sh, sin, Im, Re, ind, ker, dim, lim, inf, log, max, ехр, const, а также критерии подобия, обозначение химических элементов (например, 1оg1 = 0; Ре; Bio) – прямым шрифтом.

• формулы располагать по центру страницы. Нумерованные формулы разме-

• фото – .tiff, .jpg (300dpi);

щать в красной строке, номер формулы ставится у правого края. Нумеруют-

• Print Screen – .bmp, .jpg (с max качеством).

ся лишь те формулы, на которые имеются ссылки. В математических и химических формулах и символах следует избегать громоздких обозначений.

• единицы физических величин: по международной системе единиц СИ.

Возвращение рукописи автору на доработку не означает, что статья принята к печати. После получения исправленного автором текста рукопись вновь рассматривается редколлегией. Исправленный текст автор должен вернуть вместе с первоначальным экземпляром статьи, а также ответами на все замечания. Датой поступления статьи в журнал считается день получения редакцией окончательного варианта статьи. Записи, помеченные ОРАНЖЕВЫМ цветом, относятся только к оформлению статей в рубрику «Наука», ЧЕРНЫМ цветом в рубрики «Наука» и «Практика». СПИСОК РЕКЛАМОДАТЕЛЕЙ НОМЕРА: 1. БВК, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 стр.

2. Бреслер, НПП, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 стр.

3. Динамика, НПП, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 стр. обложки 4. Казанская Ярмарка, ОАО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 стр. обложки 5. КомплектЭнерго, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 стр.

6. ПРИМЭКСПО, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 стр. обложки 7. Прософт-Системы, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 стр. обложки, 10-11 стр.

8. УРАЛЭНЕРГОСЕРВИС, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 стр. обложки

76

04 /Декабрь 2015

9. Феникс Контакт РУС, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-13 стр.

10. ЭКРА, ООО, НПП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . цветная вкладка, 14-15, 43 стр.

11. Экспо-Дон, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 стр.

12. Экспо-Стандарт, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 стр.

13. ЭКСПОЦЕНТР, ЗАО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-7 стр.

14. ЭнергопромАвтоматизация, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 стр.

15. Энергосервис, ИЦ, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 стр.

16. ЭнЛАБ, ЗАО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 стр.

Вы можете оформить подписку на журнал «Релейная защита и автоматизация» через редакцию с любого месяца и приобрести отдельные номера, отправив заполненную Заявку удобным для Вас способом (по e-mail: bk@srzau-ric.ru или на сайте: www.srzau-ric.ru). Также можно подписаться в любом почтовом отделении России по Объединенному каталогу «Пресса России», подписной индекс 4314. Электронная версия журнала доступна на www.elibrary.ru