Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка принципов построения и основных технических решений цифровой подстанции (ЦПС) 110 кВ нового поколения высокой заводской готовности

Номер контракта: 14.579.21.0033

Руководитель: Тумаков Анатолий Владимирович

Должность: Ведущий научный сотрудник

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
цифровая подстанция, устройство ied, шина подстанции, шина процесса, iec 61850, goos-сообщения, информационная безопасность

Цель проекта:
1. Ключевые проблемы, на решение которых направлена данная работа: - очень большое количество распределительных подстанций (около 500 000) с высоким процентом (40 ÷ 70%) морального и физического износа основного технологического оборудования подстанций и в связи с этим острая необходимость повышения уровня контроля и диагностики за работой данного оборудования; - низкий уровень (13 ÷ 40%) автоматизации распределительных подстанций Реализация данного проекта направлена на решение обозначенных выше проблем, связанных с модернизацией существующего электросетевого хозяйства РФ, а также усиление конкурентных позиций отечественных производителей в области создания цифровых подстанций. 2. Цель ПНИ - создание экспериментального образца программно-аппаратного комплекса компактной, модульной, быстромонтируемой, цифровой подстанции (ЭО ПАК ЦПС), включающей в себя распределительные устройства 6 (10, 20) кВ и 0,4 кВ, обеспечивающей сокращение сроков и стоимости реконструкции объектов 110-35-20(10, 6) кВ, включая затраты на проектно-изыскательские работы (ПИР), а также повышение их эксплуатационной надежности.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основные планируемые результаты проекта:
- Отчет о патентных исследованиях, выполненный в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
- Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы с обоснованием выбора направления исследований и используемых в данной работе методов и средств.
- Обоснование и разработка рациональной структурной схемы и выбор технических решений ЦПС
- Обоснование и разработка требований к измерительным устройствам ПАК ЦПС, к системе разработки алгоритмов работы измерительных систем ПАК ЦПС, к программному обеспечению для конфигурирования измерительных систем ПАК ЦПС, основных функциональных требований и принципов построения подсистем ЦПС, к основному оборудованию ЦПС.
- Экспериментальный образец программно-аппаратного комплекса цифровой подстанции (ЭО ПАК ЦПС).
- Экспериментальный стенд для проведения исследовательских испытаний ЭО ПАК ЦПС.
- Обоснование и разработка требований к универсальной программно – аппаратной платформе.
- ЭКД на универсальную программно – аппаратную платформу.
- Макет интеллектуального электронного устройства (ИЭУ).
- Проект технического задания на выполнение ОКР по теме «Разработка цифровой подстанции (ЦПС) 110 кВ нового поколения высокой заводской готовности».
- Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

2. Основные характеристики планируемых результатов:
1) Максимальное приближение MU (merging unit - полевые контроллеры) к электрооборудованию, минимальная номенклатура устройств MU за счет внутренней унификации субкомпонентов;
2) Использование в электрооборудовании первичных датчиков электрических и технологических величин на новых физических принципах.
3) Вместо всей существующей номенклатуры устройств обработки информации (IED) – одно унифицированное устройство, выполняющее все функции (защита, управление, измерения, диагностика). Модификация устройства определяется только уровнем напряжения, резкое сокращение номенклатуры устройств – это удешевление и упрощение эксплуатации.
4) Унифицированная топология цифровых сетей, адаптация на конкретный объект выполняется за счет корректировки карты маршрутизации коммутаторов.
5) Архитектура построения цифровой подстанции должна предусматривать создание шины процессов, поддерживающей протокол приема и передачи измерений параметров сети в соответствии со стандартом IEC 61850- 9.2LE (Process Bus) и информационной шины подстанции (Substation bus) для обмена информацией на основе быстрых объектно-ориентированных GOOSE сообщений, посредством применения протоколов в соответствии со стандартами IEC 61850-8.2 (MMS, GOOSE).
6) Модельный ряд цифровых устройств, сопрягаемых с шиной процесса, должен включать в себя:
- первичные датчики для сбора аналоговой информации (цифровые трансформаторы тока и напряжения) или аналого-цифровые преобразователи (MU датчика тока и MU датчика напряжения соответственно);
- первичные датчики для сбора дискретной информации и передачи команд управления на коммутационные аппараты, далее в тексте MU КА;
- управляющий контроллер (управление выключателем, РПН);
- интеллектуальные электронные устройства (ИЭУ).
7) Состав технологических подсистем ЭО ПАК ЦПС:
- подсистема оперативного и диспетчерского контроля и управления цифровой под-станцией;
- подсистема информационной поддержки и контроля подсистем РЗиА, ПА и других специализированных систем автоматического управления и регулирования;
- подсистема управления режимами и мониторинга параметров показателей качества электрической энергии (ПКЭ);
- подсистема коммерческого и технического учета электрической энергии (мощности);
- подсистема мониторинга, диагностики состояния и эксплуатации основного технологического оборудования;
- подсистема автоматизации вспомогательных технологических процессов;
- подсистема информационного взаимодействия.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечный продукт - полностью цифровые унифицированные распредустройства 0.4 кВ, 6(10, 20) кВ, 35 кВ, 110 кВ.
В ходе проекта создаются прототипы основных компонентов (MU, IED), а также системы проектирования.
1) Модульный принцип построения комплектной цифровой подстанции позволяет применить решения высокой заводской готовности. Таким образом, сокращаются сроки выполнения работ, начиная со стадии разработки технических требований, проектирования, до реализации строительства на объекте и последующей эксплуатации.
2) Модульные решения также обеспечивают и более высокую надежность объекта вследствие применения заранее проработанных стандартных вариантов, как по строительной части, так и в части первичного оборудования и информационно-технологических систем.
3) Для выполнения различных функций на ЦПС используются одни и те же источники информации, что приводит к уменьшению общего количества оборудования на ней.
4) Модульные комплектные ЦПС обеспечивают простое увеличение функциональности и перспективное развитие при значительно меньших инвестициях в сравнении с традиционными под-станциями.
5) Повышение точности измерений за счет исключения дополнительных погрешностей в измерительных цепях трансформаторов тока и напряжения.
6) Экономия средств за счет применения групповых устройств автоматики и средств учета (одно устройство на несколько присоединений, например, терминал резервной защиты или многофидерные приборы учета электрической энергии).

2. Элементы новизны:
1) Устройства связи с объектом (MU) встраиваются внутрь силового электрооборудования (короткие цепи вторичной коммутации – повышение надежности и ЭМС).
2) Используются первичные датчики нового типа (магниточувствительные бесконтактные датчики вместо блок-контактов – долговечность и надежность, цифровые ТТ/ТН с креплением на провод и возбуждением от первичного тока/напряжения – уменьшение габаритов и массы, исключение изоляционной среды – долговечность и надежность).
3) Программное обеспечение всех компонентов ЦПС формируется исходя из единой программной среды для проектирования, наладки и эксплуатации – ожидается сокращение сроков инжиниринга в 3-4 раза.

3. Разработки полностью цифровых РУ-0.4 кВ и РУ-6 кВ в мире только начаты, в России – практически отсутствуют.
Работы по созданию цифровых подстанций проводят:
- Компания «General Electric», США.
- Компания Siemens AG, Германия.
- Компания «ABB», Швейцария, Швеция и т.д.
В качестве тенденции развития систем контроля и управления электрическими подстанциями можно выделить переход к интеллектуальной автоматизации подстанций (цифровая подстанция) в рамках технологии Smart Grid (интеллектуальная сеть).
Такой подход характеризуется:
- Использованием стандартных интеллектуальных интерфейсов для сопряжения с технологическими процессами (технологическая шина IEC 61850).
- Использованием стандартных систем передачи данных и технологических процессов как в пределах одной подстанции, так и между подстанциями (горизонтальная и вертикальная интеграция).
- Использованием цифровой системы обмена данными в реальном времени.
- Использованием цифровых устройств защиты и компоненты для анализа сети в реальном времени.
- Расширением функциональных возможностей инструментария для описания систем контроля и управления электрическими подстанциями в соответствии со стандартами МЭК 61850 в части проверки не только синтаксиса, но и семантики описания, с использованием единой шины процесса на базе этого стандарта, а так же, подключение устройств, не поддерживающих этот стандарт, через шлюз.
- Широким внедрением универсальных информационных технологий и протоколов: Intranet, Ethernet, TCP/IP, Web-технологий.
- Широким использованием международных стандартов для описания энергообъектов и коммуникаций внутри энергообъектов и гармонизация этих стандартов.
- Унификацией аппаратных решений. Использование конфигурируемых многофункциональных устройств, работающих под управлением операционных систем общего назначения для работы в качестве «среднего» уровня автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), устройств телемеханики, интеллектуальных шлюзов.
- Интенсивным развитием системы мониторинга и диагностики основного технологического комплекса.
- Ориентацией на необслуживаемый режим работы. Широкое использование геоинформационных систем (ГИС) при эксплуатации удаленных подстанций, управляемых из центрального диспетчерского пункта.
- Расширением возможностей доступа персонала к информационным ресурсам системы с одновременным ужесточением мер информационной защиты.
- Использованием единого времени на объекте автоматизации.

Предлагаемые в проекте технологические решения вобрали лучшее из зарубежного и отечественного опыта.

4. Достижение результатов обеспечивается:
- наличием в составе исполнителей ПНИЭР ведущих специалистов в области автоматизации и релейной защиты подстанций;
- наличием большого опыта работы на реальных энергообъектах у Индустриального партнера - ООО "ДЕЦИМА";
- выбор функциональности компонентов РУ, обеспечивающих требуемые технические характеристики и удобство эксплуатации минимумом устройств;
- использование наиболее продвинутых технических решений из области микроэлектроники и цифровой техники.
Ограничения и риски:
- недостаточность алгоритмического обеспечения (разрабатывается в проекте)
- высокие требования к компонентам с точки зрения климатики, ЭМС, вибрации (используются выпускаемые в настоящее время высоконадежные компоненты).
- ограничение или прекращение финансирования ПНИЭР.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Области применения планируемых результатов:
- Подстанции и ВРУ распредсетей.
- Распредустройства на предприятиях, электростанциях и подстанциях.
- Системы электроснабжения транспорта (судостроение, ж/д и метрополитен).
- Системы электроснабжения нефте- газодобывающих и перерабатывающих предприятий.
- Системы автоматизации функциональных узлов для электростанций и предприятий.

2. В настоящее время в России в эксплуатации находится:
- более 5000 подстанций 110-1150 кВ;
- около 8 тысяч подстанций 35 кВ;
- около 500 тысяч подстанций 6-10/0,4 кВ.
Подстанции 220 кВ и выше постепенно модернизируются, хотя и на них уровень автоматизации менее 40 %.
Гораздо хуже обстоит дело с подстанциями 110 кВ и ниже. По разным оценкам уровень автоматизации этих подстанций находится на уровне 7 – 13 %. Причем речь идет не о комплексной автоматизации, а хотя бы о телемеханизации этих подстанций.
Релейная защита и автоматика выполнена с использованием электромеханических реле (~ 98%), кото-рые имеют большие габариты, разброс характеристик срабатывания реле по току и времени, невысокую чув-ствительность. Около 50% всех комплектов релейной защиты находятся в эксплуатации более 25 лет и морально устарели.
Основное количество (67%) подстанций было введено в эксплуатацию до 1980 года.

3. Распределительные устройства нового поколения – платформа для реконструкции выработавших свой ресурс распредустройств и систем автоматизации.
Импортозамещение: вытеснение с рынка импортных компонентов систем управления, регулирования и защиты.
Переход от совершенствования аппаратной части в сторону совершенствования программного обеспечения и в сторону алгоритмов диагностики оборудования.
В процессе выполнения данной работы предлагаются новые технические решения, которые могут быть предметом дальнейшей разработки:
- В электрооборудование встраиваются микропроцессорные полевые устройства, обеспечивающие преобразование информации и команд в цифровой поток, используемый при дальнейшей обработке; для повышения эффективности, в общем случае, выполняется адаптация электрооборудования.
- Обработка информации и формирование цифровых сигналов и команд управления выполняется в вычислительных устройствах, реализующих все технологические функции в соответствии с отраслевыми нормами (измерение, защита, автоматика, аварийная регистрация, диагностика и т.д.).
- Требования разработаны для систем управления, автоматики, релейной защиты, измерений, диагностики электрооборудования и др.; разработанные решения позволяют существенно сократить количество связей между различными устройствами и повысить надежность комплекса в целом.
- Разработаны требования к посекционной компоновке комплектно-распределительного устройства КРУ-6 (10, 20) кВ.

4. Использованные наукоемкие технологии дадут импульс следующим направлениям:
- развитие программного обеспечения для диагностики технологических объектов управления;
- развитие стандарта IEC61850;
- повышение надежности, обусловленное непрерывной, пооперационной и ресурсной диагностикой;
- расширение работ в области информационной безопасности.

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы.
2. Проведены патентные исследования в соответствии ГОСТ Р 15.011-96.
3. Выполнено обоснование выбора направления исследований, методов и средств создания цифровых подстанций.
4. Разработаны и исследованы варианты возможных решений задачи создания цифровых подстанций и выбран оптимальный вариант.
5. Выполнены обоснование и разработка рациональной структурной схемы и выбраны технические решения ЦПС.
6. Выполнены обоснование и разработка требований к измерительным устройствам ПАК ЦПС, включая требования к универсальному интеллектуальному электронному устройству (ИЭУ) управления присоединениями.
7. Выполнены обоснование и разработка требований к универсальной программно – аппаратной платформе.
8. Выполнены обоснование и разработка требований к системе разработки алгоритмов работы измерительных систем ПАК ЦПС.
9. Выполнены обоснование и разработка требований к программному обеспечению для конфигурирования измерительных систем ПАК ЦПС.
10. Разработана эскизная конструкторская документация (ЭКД) на универсальную программно – аппаратную платформу.
11. Обоснованы и разработаны основные функциональные требования и принципы построения подсистем ЦПС.
12. Обоснованы и разработаны требования к основному оборудованию ЦПС.
13. Разработана концепция и структура разрабатываемого экспериментального образца программно-аппаратного комплекса (ЭО ПАК) ЦПС.
14. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный стенд для проведения исследовательских испытаний ЭО ПАК ЦПС.
15. Разработано тестовое программное обеспечение для проверки обеспечения требований по времени доставки информации по протоколу МЭК 61850-9-2LE для выбранной операционной системы универсальной программно – аппаратной платформы.
16. Разработана информационная модель макета ИЭУ в соответствии с МЭК 61850.
17. Разработаны ЭКД и ПД ЭО ПАК ЦПС.
18. Изготовлен экспериментальный стенд для проведения исследовательских испытаний ЭО ПАК цифровой подстанции.
19. Изготовлен макет ИЭУ.
20. Разработана программная документация (ПД) на ПО макета ИЭУ.
21. Разработана Программа и методики (ПМ) экспериментальных исследований работы макета ИЭУ.