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.

Цифровая ячейка (цифровая подстанция)

Рассматриваются вопросы реализации совместного проекта ЗАО «ГК «Электрощит»-ТМ Самара» и ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис» по созданию цифровых ячеек на базе КРУ СЭЩ‑70. Цифровая подстанция.

ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис», г. Архангельск,
ЗАО «ГК «Электрощит»-ТМ Самара», г. Самара

Energoservis.png           ElektroSchit_logo.png

Основные преимущества цифровой подстанции связаны с повышением уровня ее автоматизации за счет применения более скоростных коммуникаций на основе промышленного Ethernet с поддержкой технологий резервирования и безопасности, использования единых протоколов обмена при интеграции с АСУ ТП подстанции различных интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ), возможности реализации так называемых горизонтальных связей между ИЭУ для обмена дискретной (МЭК 61850-8-1, GOOSE-сообщения) и аналоговой информацией (МЭК 61850-90-5) [1]. Организация горизонтальных связей между интеллектуальными электронными устройствами позволяет построить надежную систему оперативных блокировок на подстанции, обеспечить реализацию более эффективных алгоритмов устройств защиты и автоматики, систем регулирования напряжения на подстанции и т. д.

Другое важнейшее преимущество цифровой подстанции связано с существенным сокращением количества медных проводов во вторичных и оперативных цепях или их отсутствием при полной реализации стандартов цифровой подстанции. Переход на цифровые технологии связи на подстанциях позволит осуществить полноценный мониторинг и диагностику работы как отдельных интеллектуальных электронных устройств, промышленных сетей, высоковольтных ячеек, так и подстанции в целом.

На подстанциях используются распределительные устройства (РУ) разных уровней напряжений. Наибольшее количество присоединений чаще всего приходится на РУ 6–20 кВ. Поэтому актуальной задачей является внедрение эффективных и доступных по стоимости решений на основе стандартов МЭК 61850 для распределительных устройств 6–20 кВ.

Главное отличие решений для РУ 6–20 кВ от решений для открытых РУ 110 кВ и выше связано с тем, что основные компоненты цифровой подстанции находятся внутри высоковольтных ячеек 6–20 кВ, что позволяет упростить реализацию резервирования промышленных сетей, требований по обеспечению ЭМС, вводу/выводу аналоговой и дискретной информации. Основным компонентом РУ 6–20 кВ нового поколения является цифровая ячейка.

Наиболее важная задача совместного проекта ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис» и ЗАО «ГК «Электрощит»-ТМ Самара» связана с разработкой цифровой ячейки на базе комплектного распределительного устройства (КРУ) СЭЩ‑70 (рис. 1), сопоставимой по стоимости с СЭЩ‑70 при использовании традиционных микропроцессорных устройств и промышленных сетей на основе RS‑485. При этом подстанции, оснащенные цифровыми ячейками СЭЩ‑70, должны иметь более высокий уровень надежности, обладать возможностью тестирования ячеек сразу после их сборки, обеспечивать возможность мониторинга и диагностики как отдельных компонентов ячеек, так и ячейки, и подстанции в целом.

Ris.1.png

Рис. 1. Комплектное распределительное устройство СЭЩ-70

В процессе реализации совместного проекта прорабатывается 4 основных варианта цифровой ячейки на базе КРУ СЭЩ‑70.


Вариант 1

Первый из рассматриваемых вариантов имеет максимальную степень готовности к серийному производству. Его структурная схема приведена на рис. 2.

Ris.2.png

Рис. 2. Структурная схема 1‑го варианта цифровой ячейки

Центральным компонентом цифровой ячейки является многофункциональный измерительный преобразователь ЭНИП‑2, который обеспечивает измерение параметров режима энергосистем на основе среднеквадратических значений, а также на основе токов и напряжений главной гармоники, выполнение функций телесигнализации и телеуправления, технического учета электроэнергии, замещения щитовых приборов при использовании модулей индикации, технического учета электроэнергии, мониторинга качества электроэнергии.

Устройства ЭНИП‑2 содержат один или два порта Ethernet (витая пара 2 × 100BASE-TX или оптика 2 × 100BASE-FX MM LC) с поддержкой МЭК 61850-8-1. Возможна как независимая работа портов, так и работа через встроенный сетевой коммутатор. В ЭНИП‑2 встроен сервер MMS-сообщений, публикатор и подписчик GOOSE-сообщений для реализации оперативных блокировок и управления.

С целью расширения функциональных возможностей ЭНИП‑2 дополняются модулями дискретного ввода/вывода, блоками телеуправления со встроенными реле, модулями кабельных сетей 6–35 кВ, модулями ввода/вывода с различных датчиков по шине 1‑Wire (температурные датчики, датчики влажности, датчики охранных систем и т. д.), модулями индикации на основе светодиодных индикаторов, черно-белых и цветных сенсорных ЖКИ [2].

Для замещения щитовых приборов и индикаторов состояния ячейки предлагается два основных конструктивных решения (рис. 3): раздельное размещение ЭНИП‑2 и одного или нескольких модулей индикации и совмещение ЭНИП‑2 и модуля индикации в единое устройство с установкой на место щитового прибора.

Ris.3.png

Рис. 3. ЭНИП‑2 и модуль индикации

При большом многообразии функций стоимость ЭНИП‑2 вместе с модулем индикации сопоставима со стоимостью многофункционального измерительного преобразователя телемеханики или многофункционального щитового прибора. В случае технического учета электроэнергии ЭНИП‑2 замещает счетчик электрической энергии. Таким образом, применение ЭНИП‑2 имеет и экономический эффект. В этом случае достигается редкое сочетание инноваций и финансовой выгоды.

Подключение УРЗА и счетчика электроэнергии к шине подстанции (рис. 2) производится через специальное устройство сопряжения – шлюз, так как в настоящее время отсутствуют приемлемые по стоимости устройства РЗА и счетчики с поддержкой МЭК 61850-8-1. Использование шлюза следует рассматривать как временное решение. В ближайшем будущем ожидается появление доступных по стоимости УРЗА и счетчиков с поддержкой шины подстанции. Так, специалистами ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис» завершается разработка многофункционального измерительного устройства ESM, которое в отличие от ЭНИП‑2 выполняет функции счетчика коммерческого учета электроэнергии.

Выбор оборудования для локальной сети осуществляется заказчиком на этапе заказа цифровых ячеек. Наиболее рациональное решение для реализации шины подстанции связано с применением сетевых устройств, выполняющих функции специального коммуникационного адаптера для сетей с резервированием RedBox (Redundancy Box) и коммутатора. Указанные сетевые устройства обеспечивают поддержку протокола бесшовного сетевого резервирования HSR согласно МЭК 62439-3 для промышленных сетей Ethernet с кольцевой топологией или протокола резервирования PRP для промышленных сетей с произвольной топологией. Применение коммутаторов, совмещенных с RedBox, позволяет упростить реализацию интеллектуальных электронных устройств. В этом случае в используемых ИЭУ достаточно наличия одного сетевого интерфейса. Начало массового производства указанных коммутаторов с реализацией протоколов резервирования HSR и PRP на программируемых логических интегральных микро­схемах (FPGA, Field-Programmable Gate Array) фирмами Moxa и Kyland запланировано на первую половину 2014 года.

В высоковольтных ячейках применяется множественное дублирование ввода/вывода дискретных сигналов, используется большое количество медных проводов, что приводит к снижению надежности. Для устройств РЗА, телемеханики, устройств индикации состояния ячейки, организации оперативных блокировок часто применяются отдельные концевые выключатели, блок-контакты выключателей и т. д.

В предлагаемом на рис. 2 варианте используется только двукратное дублирование ввода/вывода дискретных сигналов.


Вариант 2

Второй вариант цифровой ячейки (рис. 4) подразумевает отказ от дублирования ввода дискретных сигналов для выполнения функций релейной защиты и автоматики, телемеханики, оперативных блокировок и т. д. Это позволит значительно сократить количество контрольных проводов и обеспечит повышение надежности.

Ris.4.png

Рис. 4. Структурная схема 2‑го варианта цифровой ячейки (цифровая подстанция)

Структурная схема на рис. 4 построена для случая, когда требуется технический учет электроэнергии. При необходимости провести коммерческий учет электроэнергии планируется вместо ЭНИП‑2 использовать многофункциональное измерительное устройство ESM.

Принципиальное отличие от первого варианта связано с изменением способов ввода/вывода дискретных сигналов. В СЭЩ-70 имеется уникальная возможность полной замены концевых выключателей, блок-контактов на бесконтактные датчики и переходом на взаимодействия с блоком управления вакуумным выключателем с электромагнитной защелкой по цифровым интерфейсам.

Данный вариант предусматривает использование распределенной системы дискретного ввода/вывода, основанной на применении специальных модулей дискретного ввода/вывода ЭНМВ‑4‑ХХ. Можно рассматривать данную подсистему как простейший вариант шины процесса для дискретного ввода/вывода в цифровой ячейке.

Семейство модулей ЭНМВ‑4‑ХХ разрабатывается специально для дискретного ввода/вывода в ячейках СЭЩ‑70. В состав семейства входят следующие устройства: модуль ввода информации с бесконтактных датчиков положения, модуль ввода информации с «сухих» контактов, модуль ввода/вывода с актуаторов, модуль взаимодействия с блоком управления вакуумным выключателем с магнитной защелкой.

Использование в распределительных устройствах бесконтактных датчиков положения вместо концевых выключателей и блок-контактов имеет неоспоримые преимущества. Во‑первых, исчезают проблемы, связанные с «дребезгом» контактов, необходимостью пробоя оксидной пленки, большим количеством контрольных проводов. Во‑вторых, уменьшается потребление оперативного тока, повышается надежность, появляется возможность обеспечить диагностику подсистемы ввода/вывода дискретной информации.

Ввод информации с бесконтактных датчиков в модуле ЭНМВ‑4‑БК производится с использованием многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Это позволяет контролировать остаточное напряжение датчика и по его значению диагностировать неисправность, а также обеспечивает гибкость при работе с различными моделями датчиков. В комплектных распределительных устройствах СЭЩ‑70 используются бесконтактные датчики серии E2A фирмы Omron для контроля положения элементов КРУ, в том числе положения выдвижного элемента, выключателя, заземляющих разъединителей, дверцы отсека, клапанов ЗДЗ и т. д.

Применение модулей ЭНМВ‑4‑БК совместно с датчиками серии E2A позволяет значительно сократить количество контрольных кабелей в высоковольтной ячейке, повысить надежность КРУ, а также организовать эффективную систему блокировок.

Модули дискретного ввода/вывода максимально приближены к датчикам дискретных сигналов. Подключение модулей к головному устройству сопряжения с шиной процесса УСШ-Д производится с помощью промышленной сети CAN.

Предлагаемая система дискретного ввода/вывода, основанная на использовании промышленной сети CAN, обладает возможностью диагностики как самой сети, так и отдельных датчиков и блоков управления вакуумными выключателями. Для реализации оперативных блокировок в разрабатываемом устройстве сопряжения УСШ-Д предусматривается программируемая логика.

Идеальным вариантом подключения устройств РЗА к УСШ-Д является подключение по цифровому интерфейсу, что требует модернизации устройств РЗА. Промежуточный вариант связан с применением дополнительного модуля ЭНМВ‑4‑МС, управляемого от УСШ-Д, который преобразует цифровой код в дискретные сигналы для УРЗА.


Вариант 3

Третий вариант – полноценная реализация цифровой ячейки (рис. 5).

Ris.5.png

Рис. 5. Структурная схема 3‑го варианта цифровой ячейки

В качестве базовых компонентов цифровой ячейки в третьем варианте используются устройства сопряжения с шиной процесса УСШ-Т, УСШ-Н, УСШ‑Д. Все они разрабатываются на основе аналогового устройства сопряжения с шиной процесса ENMU и дискретного устройства сопряжения с шиной процесса ENCB [3]. Разработка устройств сопряжения с шиной процесса ведется специалистами ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис» с 2011 года. Устройства имеют модульную структуру. Основные модули: модуль тока для подключения к измерительной и релейной обмоткам трансформатора тока, модуль напряжения, процессорный модуль, модуль дискретного ввода/вывода, модуль питания. Каждый имеет несколько модификаций.

Необходимость в разработке различных модификаций модулей тока и модулей напряжения связана как с реализацией устройств сопряжения (MU, Merging Unit), например при использовании оптических датчиков тока или датчиков тока с применением тора Роговского, емкостных или резистивных датчиков напряжения, так и с реализацией 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 (sampled values) и для векторных измерений. В последних модификациях ENMU обеспечена одновременная передача трех потоков sampled values (sv256, sv80M, sv80P), реализован протокол резервирования PRP (IEC 62439-3).

Устройства сопряжения с шиной процесса ENMU были разработаны не только для применения их в распределительных устройствах 110 кВ и выше. Габаритные размеры и вес устройств ENMU позволяют устанавливать их в релейные отсеки высоковольтных ячеек 6–20 кВ. Для цифровых ячеек СЭЩ‑70 на основе готовых модулей разрабатываются специализированные аналоговые и дискретные устройства сопряжения с шиной процесса.

Следует отметить, что в цифровой ячейке возможно применение как совмещенного аналогового устройства сопряжения с шиной процесса (УСШ), так и токового устройства сопряжения с шиной процесса (УСШ-Т), а также устройства сопряжения напряжения с шиной процесса (УСШ-Н).

В третьем варианте предусмотрена внутренняя шина процесса по топологии «точка-точка» и внешняя шина процесса, данные для которой формируются контроллером присоединения путем консолидации потоков данных от УСШ-Т, УСШ-Н и устройства сопряжения шины процесса с дискретными датчиками УСШ-Д. Консолидация данных может производиться путем совмещения выборочных значений тока и напряжения либо с помощью совмещения выборочных значений (sampled values) тока и напряжения с GOOSE-сообщениями.

В случае необходимости расширения функциональных возможностей по локальной защите и автоматике дополнительное устройство РЗА может быть подключено также по схеме «точка-точка». Для реализации других устройств РЗА (централизованных устройств РЗА, дифференциальной защиты линий, шин, централизованных устройств режимной и противоаварийной автоматики) необходимо подключить контроллер присоединения к шине процесса РУ 6–20 КВ посредством коммутатора. Один из возможных вариантов – применение сетевых устройств, выполняющих функции специального коммуникационного адаптера для сетей с резервированием RedBox (Redundancy Box) и коммутатора с поддержкой протоколов резервирования HSR или PRP. Указанные сетевые устройства упоминались при описании первого варианта цифровой ячейки.

В рассматриваемом варианте предполагается использовать многофункциональное устройство ESM (рис. 6), которое в отличие от ЭНИП‑2 дополнительно выполняет функции счетчика коммерческого учета электроэнергии, прибора измерения показателей качества электроэнергии и устройства синхронизированных векторных измерений. Специалистами ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис» разрабатываются две основные модификации ESM: с аналоговыми входами и цифровыми входами согласно МЭК 61850-9-2.

Ris.6.png

Рис. 6. Многофункциональное интеллектуальное измерительное устройство ESM

Так же как и для ЭНИП‑2, для подключения к ESM модуля индикации имеются два конструктивных решения: раздельное размещение ESM и одного или нескольких модулей индикации и совмещение ESM и модуля индикации в единое устройство с установкой на место щитового прибора.

Для индикации показаний ESM разработан специальный модуль индикации ЭНМИ‑6. В случае раздельной установки ESM и ЭНМИ‑6 возможен как стандартный способ подключения ЭНМИ‑6 к устройству ESM с помощью интерфейса RS‑485, так и подключение по локальной сети Ethernet.

Таким образом, модуль индикации ЭНМИ‑6 может использоваться как автономное устройство для отображения параметров устройств в рамках цифровой подстанции (подписка на GOOSE-сообщения, MMS-сообщения).

В контроллере присоединения реализуется концентратор данных процесса, регистратор аварийных процессов, устройство релейной защиты и автоматики. В последнем случае речь идет о минимально необходимом наборе устройств защиты и автоматики для присоединений 6–20 кВ. Функции защиты и автоматики могут быть существенно расширены за счет подключения дополнительного устройства (устройств) к шине процесса.

Третий вариант предпочтителен при переходе на цифровые трансформаторы тока и напряжения. В рамках совместного проекта ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис» и ЗАО «ГК «Электрощит»-ТМ Самара» по цифровой ячейке на базе СЭЩ‑70 запланированы работы по созданию цифровых трансформаторов тока и напряжения.


Вариант 4

Четвертый вариант основан на применении в СЭЩ‑70 традиционных измерительных трансформаторов тока и напряжения (рис. 7). Контроллер присоединения разрабатывается на основе уже имеющегося устройства ENBC [3].

Ris.7.png

Рис. 7. Структурная схема 4‑го варианта цифровой ячейки

Первое принципиальное отличие предлагаемого варианта от ENBC – распределенная система ввода/вывода дискретных сигналов, аналогичная ранее рассмотренным вариантам (за исключением первого). Второе отличие связано с использованием 4 процессорных плат, одна из которых выполняет функции УСШ‑Д, вторая – функции ЭНИП‑2 или ESM, третья – устройства релейной защиты, четвертая плата (опционально) – функции УСШ и концентратора данных процесса.

Цифровая ячейка, построенная по 4‑му варианту, совместима с 3‑м вариантом, так как используются близкие аппаратные решения. Различаются они по способу связи модулей (устройств) между собой. Решения по цифровой ячейке для 4‑го варианта обладают более низкой стоимостью по сравнению с тем, что может предложить 3‑й вариант. Имеется возможность создания отдельных модулей сторонними разработчиками.

Рассмотренные в статье варианты решений по цифровой ячейке на базе СЭЩ‑70 могут быть использованы при модернизации высоковольтных ячеек РУ 6–20 кВ.


Литература

1. Baigent D., Adamiak M., Mackiewicz R. IEC 61850 Communication Networks and Systems In Substations: An Overview for Users // Protection&Control Journal, 2009.
2. Мокеев А. В. Интеллектуальные электронные устройства ЭНИП‑2 с функциями синхронных измерений параметров режима электрической сети // Информатизация и Системы Управления в Промышленности. 2012. № 3.
3. Мокеев А. В. Продукция и решения ЗАО «Инженерный центр «Энергосервис» для цифровой подстанции // Сб. 6‑й Всерос. науч.-техн. конф. «Энергия белых ночей». 2013.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 1(49)_2014

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

А. Б. Рафиков, генеральный конструктор,
И. В. Подболотов, главный специалист 
по электронному оборудованию
ЗАО «ГК «Электрощит»-ТМ Самара», г. Самара,
тел.: (846) 273-3886,