SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Новое поколение интеллектуальных электронных устройств для цифровой подстанции

В последние годы возрастает интерес со стороны предприятий электроэнергетической отрасли к внедрению технологий цифровой подстанции. В связи с этим перед российскими производителями стоит задача разработки и серийного производства интеллектуальных электронных устройств нового поколения, сопоставимых по стоимости с традиционными микропроцессорными устройствами.

ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис», г. Архангельск

Energoservis.png


В рамках работ по поддержке стандартов цифровой подстанции специалистами ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис» выполнены как модернизация серийно выпускаемых интеллектуальных электронных устройств ЭНИП‑2 и ЭНИП‑3 [1,2], так и разработка принципиально нового семейства устройств с поддержкой шины процесса и шины подстанции согласно МЭК 61850.

С 2013 года серийно производится новая модификация ЭНИП‑2 (рис. 1) с одним портом Ethernet и поддержкой МЭК 61850-8-1 (MMS- и GOOSE-сообщения). При этом стоимость указанной модификации ЭНИП‑2 соизмерима со стоимостью традиционных многофункциональных измерительных преобразователей телемеханики.

Ris.1.gif

Рис. 1. Одна из новых модификаций ЭНИП‑2

Завершаются работы по подготовке к серийному производству модификации ЭНИП‑2 с двумя портами Ethernet (2 × 100BASE-TX или 2 × 100BASE-FX). При этом возможна как независимая работа портов, так и работа через встроенный сетевой коммутатор.

Использование модификации ЭНИП‑2 со встроенным коммутатором перспективно для автоматизации подстанций 6–10 кВ, так как при этом отпадает необходимость в использовании сетевого оборудования Ethernet. Такой вариант обеспечит эффективный переход от использования промышленной сети RS‑485 с протоколами Modbus, МЭК 60870-5-101 к более производительной сети на базе Ethernet и протокола МЭК 61850‑8‑1. При практически одинаковой стоимости двух рассмотренных выше решений по автоматизации подстанций 6–10 кВ использование второго варианта позволяет обеспечить эффективное внедрение на указанных подстанциях новых технологий согласно МЭК 61850. Дополнительным плюсом такого решения в отличие от традиционного является возможность реализации кольцевой сети с резервированием.

В устройствах синхронизированных векторных измерений (PMU, Phasor Measurement Unit) ЭНИП‑3 воплощены схемотехнические решения, обеспечивающие высокую точность синхронизации внутренних часов реального времени (не хуже 1 мкс), применены многоканальные специализированные АЦП с одновременной выборкой, реализована поддержка протокола IEEE C37.118.2. Другая характерная особенность ЭНИП‑3 связана с использованием специально разработанных алгоритмов обработки сигналов, обеспечивающих эффективную работу устройства в условиях интенсивных электромагнитных и электромеханических переходных процессов в энергосистеме. Одна из модификаций ЭНИП‑3 разработана для работы с шиной процесса МЭК 61850-9-2LE.

Новые разработки интеллектуальных электронных устройств, выполненные специалистами ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис», ориентированы преимущественно на реализацию полных решений по цифровой подстанции, прежде всего шины процесса МЭК 61850-9-2LE.

На рис. 2 приведена структурная схема цифровой подстанции. Голубым цветом на схеме показаны устройства, производимые или разрабатываемые ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис».

Ris.2.gif

Рис. 2. ИЭУ для цифровой подстанции

В 2012 году специалистами ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис» разработан набор модулей для реализации различных интеллектуальных электронных устройств с поддержкой шины процесса МЭК 61850-9-2LE и шины подстанции МЭК 61850-8-1. Дополнительно обеспечена поддержка протоколов МЭК 60870-5-104, IEEE C37.118.2 и ведутся работы по поддержке протокола МЭК 61850-90-5.

Основные модули: модуль тока для подключения к измерительной и релейной обмоткам трансформатора тока, модуль напряжения, процессорный модуль, модуль дискретного ввода/вывода, модуль питания. Модуль питания может быть подключен к одному или двум источникам постоянного и/или переменного оперативного тока.

Каждый модуль имеет несколько модификаций. Например, процессорный модуль может включать одну или две процессорные платы (до двух микропроцессоров на каждой плате), каждая процессорная плата может включать различные комбинации портов Ethernet: 2 порта 100BASE-TX или 2 порта 100BASE-FX, один порт 100BASE-TX и один порт 100BASE-FX. Опционально процессорный модуль может включать встроенный GPS-приемник и регистратор событий и процессов.

На структурной схеме (рис. 2) шина процесса и шина подстанции указаны условно. Может применяться различная топология сети и при необходимости использоваться разные протоколы резервирования (PRP или HSR).

Необходимость в разработке различных модификаций модулей тока и модулей напряжения связана как с реализацией устройств сопряжения MU (Merging Unit), например, при применении оптических датчиков тока или датчиков тока с использованием тора Роговского, емкостных или резистивных датчиков напряжения, так и для реализации специальной разновидности устройств сопряжения – SAMU (Stand-Alone Merging Unit), подключаемых к традиционным трансформаторам тока и напряжения.

Если ENMU используется в качестве SAMU, то при его конфигурировании задаются следующие возможные режимы работы: формирование раздельных или совмещенного потоков данных от релейной и измерительной обмоток трансформатора тока для выборок тока (samples values) и для векторных измерений.

На базе перечисленных выше модулей разрабатываются следующие интеллектуальные электронные устройства:
- устройства сопряжения MU;
- устройства сопряжения SAMU, подключаемые к традиционным трансформаторам тока и напряжения;
- контроллер выключателя;
- контроллер присоединения;
- ИЭУ с поддержкой шины процесса IEC 61850-9-2LE и шины подстанции IEC 61850-8-1.

Основное внимание при разработке нового поколения интеллектуальных электронных устройств было уделено устройствам сопряжения ENMU и интеллектуальных электронных устройств с одновременной поддержкой шины процесса МЭК 61850-9-2LE и шины подстанции МЭК 61850-8-1.

Отличительной особенностью ENMU является реализация функций PCMU (Phasor Control and Measurement Unit). Обеспечена поддержка протокола IEEE C37.118.2 и ведутся работы по поддержке в ENMU протокола МЭК 61850-90-5. Это дает возможность использования ENMU в территориально-распределенных системах управления и измерений WAMPAS. В ENMU предусмотрена как одновременная передача данных по протоколам МЭК 61850-9-2LE и IEEE C37.118.2 через один порт, так и через разные порты.

Многие схемотехнические решения и алгоритмы обработки сигналов, применяемые в новом поколении интеллектуальных электронных устройств, были апробированы на серийно производимых устройствах ЭНИП‑2 и ЭНИП‑3.

В 2012 году проведены всесторонние испытания ЭНИП‑3 на соответствие стандарту IEEE C 37.118.1, а также испытания на цифро-аналого-физическом комплексе ОАО «НТЦ ЕЭС» [3].

Применение векторных измерений можно рассматривать как альтернативу samples values (МЭК 61850-9-2LE), так как для многих ИЭУ достаточно использование синхрофазоров (комплексных амплитуд) токов и напряжений основной гармоники для вычисления параметров режима энергосистемы. Дополнительно в ENMU обеспечивается измерение среднеквадратических значений токов и напряжений, а также эквивалентных углов между ними.

Разработанные в настоящее время модификации ENMU позволяют реализовать SAMU как с общим потоком данных частотой 4 кГц (80 выборок за период) согласно МЭК 61850-9-2LE от измерительной и релейной обмоток ИТТ, так и с двумя раздельными потоками соответственно от измерительной и релейной обмоток. Благодаря наличию в модуле ENMU-CPU двух портов Ethernet имеется возможность реализации протоколов резервирования.

Следует отметить, что разрабатываемые устройства предназначаются для применения не только в распределительных устройствах 110 кВ и выше, но и в распределительных устройствах 6–10 кВ. Габаритные размеры и вес устройств позволяют установить их в релейные отсеки высоковольтных ячеек.

К настоящему времени изготовлены опытные образцы устройств сопряжения ENMU, предназначенные для подключения к традиционным измерительным трансформаторам тока и напряжения, проведены испытания, ведется подготовка к серийному производству.

Аналогичная ситуация с устройствами синхронизированных векторных измерений ЭНИП‑4. Устройства ЭНИП‑4 представляют собой усовершенствованный вариант устройств ЭНИП‑3-0. Принципиальное отличие связано с увеличением диапазонов работы по току и напряжению (полные диапазоны по току и напряжению в соответствии с МЭК 61850-9-2LE). Это дает возможность использовать данные от ЭНИП‑4 в системах не только режимной, но и противоаварийной автоматики. Другие отличия связаны с увеличением портов Ethernet: два порта для поддержки шины процесса МЭК 61850-9-2LE и два порта для поддержки IEEE C37.118.2 и/или МЭК 61870-90-5, МЭК 60870-5-104.

Остальные из представленных на рис. 2 интеллектуальных электронных устройств с поддержкой шин процесса находятся в разработке. Контроллер выключателя ENCB разрабатывается на основе серийно производимых устройств дискретного ввода/вывода серии ЭНМВ.

Для распределительных устройств и подстанций 6–35 кВ с экономической точки зрения выгодно совмещение в одном устройстве функций смежных устройств, то есть применение многофункциональных устройств. На базе созданных специалистами ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис» модулей разрабатывается контроллер присоединения ENВС (Bay Controller), выполняющий дополнительно функции SAMU, PCMU и устройств релейной защиты и автоматики.

Данное устройство планируется использовать в совместном проекте с «ГК «Электрощит» – ТМ Самара» по цифровой ячейке. В разрабатываемой специальной модификации ENBC в модуле дискретного ввода/вывода предусмотрены цифровые интерфейсы для подключения бесконтактных датчиков положения в КРУ 6 (10) кВ и для сопряжения с блоком управления вакуумным выключателем.

Ris.3.gif

Рис. 3. ИЭУ с поддержкой шины процесса и шины подстанции

В апреле 2013 года в НИУ МЭИ при поддержке ООО «Теквел» прошла первая сессия испытаний на совместимость оборудования по стандарту МЭК 61850. В ходе испытаний была установлена совместимость по МЭК 61850-9-2LE между ENMU и устройством релейной защиты TOP300 фирмы ИЦ «Бреслер» и счетчиком электроэнергии ARIS-EM фирмы «Прософт-Системы», между волоконно-оптическим трансформатором тока и напряжения ЗАО «Профотек» и ЭНИП‑3-0, между многофункциональным измерительным преобразователем ЭНИП‑2 и устройством релейной защиты TOP300 (ИЦ «Бреслер») по условиям стандарта МЭК 61850 в части передачи GOOSE сообщений, Atlan Designer (Pullnet Technologies SA) и ЭНИП‑2 в части передачи данных конфигурации с использованием файлов в синтаксисе SCL.


Литература

1. Мокеев А. В. Интеллектуальные электронные устройства ЭНИП‑2 с функциями синхронных измерений параметров режима электрической сети//Информатизация и системы управления в промышленности (ИСУП). – 2012. № 3. – С. 22–23.
2. Мокеев А. В. Продукция и решения ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис» для цифровой подстанции//Сб. 6‑й Всерос. науч.-техн. конф. «Энергия белых ночей». – 2013. – С. 107–115.
3. Жуков А. В. Развитие технологий векторной регистрации параметров для противоаварийного и режимного управления электрическими режимами энергосистем / А. В. Жуков, А. Т. Демчук, Д. М. Дубинин // Тез. докл. XXI междунар. науч.-техн. конф. РЗА 2012. М.: ВВЦ, 2012. С. 232–245.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(45)_2013

А. В. Мокеев, зам. генерального директора, д. т. н.,
ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис», г. Архангельск,
тел.: (8182) 64-6000,
e‑mail: ed@ens.ru,
www.enip2.ru