Введение
Активное внедрение цифровых технологий становится современной тенденцией развития самых различных отраслей. При этом электроэнергетика является ведущей отраслью мировой промышленности, в которой инновационные технологии находят применение одними из первых. Так было с внедрением электронных вычислительных машин, силовых полупроводниковых элементов, микропроцессорных средств автоматизации и управления и др. В частности, уже в 2003 году появилась первая редакция международного стандарта МЭК-61850 . Этот документ определяет не только протоколы обмена данными между интеллектуальными устройствами на электрических станциях и подстанциях, но и всю идеологию построения микропроцессорных систем автоматического управления и защиты, выполненных с помощью цифровых технологий измерения, обработки и передачи информации в электронном виде. Важнейшей частью стандарта является описание процесса конфигурирования устройств и комплексного проектирования электроэнергетических объектов, соответствующих требованиям стандарта МЭК-61850.
Несмотря на то, что микропроцессорные средства управления в электроэнергетике активно применяются достаточно давно — так, микропроцессорные терминалы релейной защиты и автоматики (РЗА) активно внедряются на электрических станциях и подстанциях с начала 90-х годов, а централизованные комплексы противоаварийной автоматики на базе ЭВМ применяются уже с 80-х годов прошлого века, — в начале XXI века появляются новые термины, такие как «цифровая подстанция» и «цифровая энергетика». Так в чем же заключается новизна? Ключевым моментом, определяющим отличие «цифровой энергетики» от традиционной энергетики с активным применением микропроцессорных средств управления, является переход от аналоговой формы передачи сигнала к передаче сигнала в оцифрованном виде. Так, широко применяемые в настоящее время микропроцессорные терминалы релейной защиты и автоматики, несмотря на внутреннюю обработку информации в «цифре», получают входные сигналы в виде аналоговых значений с измерительных трансформаторов тока и напряжения. Выходные сигналы управления также формируются в виде «аналоговых» напряжений, коммутируемых выходными реле микропроцессорных блоков управления. Данный подход обеспечивает высокую степень совместимости с уже имеющимся оборудованием на электрических станциях и подстанциях, в частности коммутационными аппаратами и измерительными трансформаторами, что предоставляет возможность поэтапной реконструкции комплексов релейной защиты и автоматики как на отдельных подстанциях, так и в целых сетевых районах единой электроэнергетической системы.
В настоящее время микропроцессорные системы все более широко используются в самом разном электроэнергетическом оборудовании, например в современных элегазовых и вакуумных выключателях, измерительных трансформаторах и т. п. Наличие данных измерений и сигналов управления в цифровом виде непосредственно в измерительных элементах и конечных элементах управления обусловливает закономерный отказ от аналоговой формы передачи сигнала. В противном случае будет иметь место многократное дублирование операций преобразования сигналов из аналоговой формы в цифровую и наоборот.
Описание
Принцип действия комплексов основан на формировании цифровых (дискретизированных) сигналов, рассчитанных на основании заданных значений параметров напряжения и силы переменного (постоянного) тока в однофазной или многофазной сети с помощью программного обеспечения, их последующем преобразовании и воспроизведении в виде цифровых потоков мгновенных значений (Sampled Values МЭК 61850-9-2LE и МЭК 61850-9-2).
Комплексы применяются для проверки и испытаний устройств релейной защиты и автоматики (УРЗА), а также другого оборудования, работающего по стандарту МЭК 61850. Приемопередача между комплексом и проверяемыми устройствами производится в цифровом виде по Ethernet посредством GOOSE-сообщений для логических сигналов и Sampled Values (SV-потоков) — для аналоговых величин.
Комплексы включают в себя устройство РЕТОМ-61850 (далее — устройство) и программное обеспечение. Управление устройством осуществляется посредством внешнего программного обеспечения, установленного на персональный компьютер.
Конструктивно комплексы выполнены в переносном корпусе типа «чемодан» с ручкой, которая фиксируется в нескольких положениях.
Заводской номер наносится на паспортную табличку (шильдик) комплексов любым технологическим способом в виде цифрового кода. Нанесение знака поверки на корпус комплексов не предусмотрено.
Для предотвращения несанкционированного доступа к внутренним частям комплекса предусмотрено пломбирование голографическими наклейками корпуса комплекса. Общий вид комплекса и места пломбирования от несанкционированного доступа (места нанесения голографических наклеек) представлены на рисунке 1.
б) общий вид комплекса сзади и места пломбирования от несанкционированного доступа Рисунок 1 — Общий вид комплекса и места пломбирования от несанкционированного доступа
Реализация комплекса РЗА на цифровой подстанции
На рис. 2 показана структурная схема комплекса РЗА, выполненного в соответствии с принципами реализации цифровых подстанций. Здесь измерительные преобразователи (ИП) входят в состав вторичных измерительных преобразователей тока и напряжения TA и TV, формирующих выходной сигнал в уже оцифрованном виде. Коммутационные аппараты (трехфазные высоковольтные выключатели) содержат блок дискретного управления выключателем ДУ, обеспечивающий удаленное управление состоянием коммутационного аппарата цифровыми командами управления. В этих условиях обязательной частью терминала РЗА будет только логическая часть, что позволяет существенно уменьшить их массу и габариты, снизить стоимость за счет отсутствия дорогих АЦП и элементов гальванической развязки. Кроме того, сокращаются расходы на передачу сигналов между отдельными устройствами комплекса РЗА благодаря применению для передачи сигналов на физическом уровне интерфейса Ethernet. Поскольку фильтрация входящих данных в цифровой форме может осуществляться на программном уровне, нет необходимости в индивидуальных связях между отдельными устройствами, вместо этого они могут быть объединены в единую сеть. Для обеспечения более эффективной работы сети с точки зрения коллизий при передаче данных, обеспечения требуемого быстродействия и надежности доставки команд управления на цифровой подстанции применяется две независимые сети — шина процесса и шина присоединения. Шина процесса используется для передачи данных от измерительных трансформаторов тока и напряжения. Шина присоединения предназначена для передачи команд управления выключателями, обмена данными между терминалами РЗА, удаленного конфигурирования оборудования и реализации функций АСУТП. Необходимо отметить, что стандарт МЭК-61850 обеспечивает полноценную замену ранее широко используемому стандарту МЭК-60870 для реализации систем АСУТП на электрических станциях и подстанциях.
Рис. 2. Реализация комплекса РЗА на цифровой подстанции
Тем не менее имеющиеся в настоящий момент на рынке готовые решения, в частности микропроцессорные терминалы РЗА, соответствующие требованиям МЭК-61850, оказываются значительно дороже их «менее цифровых» аналогов. Связано это в первую очередь с тем, что данные решения полностью совместимы с предыдущим поколением оборудования, то есть способны принимать как цифровые, так и аналоговые входные сигналы и формировать управляющие воздействия как в «цифре», так и через обычные выходные реле в виде «сухого контакта». Фактически это означает присутствие в составе терминала РЗА всех блоков, имеющихся и в обычных, не совместимых со стандартом МЭК-61850 терминалах. Понятно, что ни о каком снижении стоимости не может быть и речи. Усугубляет данную ситуацию тот факт, что большинство промышленно выпускаемых решений, поддерживающих МЭК-61850, в реальности обеспечивают лишь работу по шине присоединения, что несомненно упрощает и облегчает монтаж и эксплуатацию вторичных цепей, позволяет работать напрямую с современным коммутационным оборудованием, но не избавиться от аналоговых входных цепей, поскольку это единственный в данных решениях путь получения информации с измерительных трансформаторов тока и напряжения. Таким образом, в настоящий момент наблюдается определенный дефицит цифровых решений в достаточно широком ценовом диапазоне.
Описание прибора
Подключение осуществляется через SFP модули, которые могут быть как медными, так и оптическими. Сетевые разъемы Eth0-Eth4 конфигурируются в зависимости от потребностей пользователя: они могут быть настроены индивидуально либо собраны в одну или несколько групп, что позволяет прибору выполнять функции коммуникатора. При совместной работе с РЕТОМ-61/51 через информационный кабель, РЕТОМ-61850 расширяет возможности комплексов. В этом случае он выдает токи и напряжения в SV-потоки параллельно с прибором РЕТОМ-61/51. Все логические входы/выходы из входящих/исходящих GOOSE-сообщений транслируются в/из РЕТОМ-61/51, что позволяет проверять оборудование, частично поддерживающее стандарт МЭК-61850. Для работы с усилителями (например, РЕТОМ-61УМ) на задней панели прибора имеются низковольтные выходы. Любой SV-поток прибора может перенаправляться на низковольтные выходы. Выдача токов и напряжений в SV-потоках и в низковольтных выходах параллельна. Выдаваемые напряжения масштабируются при помощи настраиваемых коэффициентов. Прибор имеет два дискретных входа и четыре дискретных выхода. Сигналы с дискретных входов могут перенаправляться в исходящие GOOSE-сообщения, а дискретные выходы могут ретранслировать состояния логических входов из входящих GOOSE-сообщений. Синхронизация осуществляется по протоколам NTP, PTPv2 и от сигнала PPS. Тип синхронизации и настройки задаётся в веб-интерфейсе управления устройством. Прибор может выполнять функции сервера PTP, а также быть генератором сигнала PPS.
Регистрация по реальным меткам времени
Регистрация по реальным меткам дает информацию о задержках прихода пакетов Sampled Values и времени доставки GOOSE-сообщений. На осциллограмме отображаются как токи и напряжения, так и состояния логических сигналов (рис. 6). По осциллограмме логических сигналов можно проводить анализ логики работы устройства.
Изменение и доставка GOOSE-сообщений происходят с неизвестной задержкой. По осциллограмме с реальными метками времени, на которой отображены токи, напряжения, логические сигналы, можно определить реальные времена изменения GOOSE-сообщений и, следовательно, оценить быстродействие всей системы РЗА.
Скорость обмена данными
Существующие решения по проектированию системы защиты построены на сети со скоростью обмена данными 100 Мбит/с. Определим максимальное количество потоков, которые можно передать по данному каналу.
При частоте сигнала 50 Гц и частоте выборок 80 за период выборки передаются каждые 250 мкс. Приняв объем выборки равным 1000 бит (приблизительный объем выборки, в котором содержатся измеренные значения 4 токов и 4 напряжений в единый момент времени), получаем, что каждую секунду в сеть выдается 4 Мбит данных. Более точные данные были получены с помощью карты захвата – 5 Мбит. Для частоты выборки 256 данное значение будет приблизительно в 3 раза больше – 15 Мбит.
Далее необходимо определить пропускную способность информационной сети. Эта характеристика измеряется на этапе построения подстанции, поскольку зависит от монтажа и конфигурации системы.
Следует различать номинальную и эффективную пропускные способности протокола. Под номинальной пропускной способностью обычно понимается битовая скорость передачи данных, поддерживаемая на интервале передачи одного пакета. Эффективная пропускная способность протокола – это средняя скорость передачи пользовательских данных. В общем случае эффективная пропускная способность протокола будет ниже номинальной из-за наличия в пакете служебной информации, а также из-за пауз, возникающих между передачей отдельных пакетов. Для протокола Ethernet эффективная пропускная способность составляет примерно 70% от номинальной.
Исходя из вышесказанного, получается, что одновременно можно передавать либо 13 потоков с частотой выборки 80 за период, либо 4 потока с частотой выборки 256 за период. Для передачи большего количества информации организуются магистральные сети, в которых могут передаваться до 50 потоков Sampled Values, и скорость обмена данными в них выше – 1 Гбит/с и более.
Таким образом, для тестирования оборудования в пределах одной подстанции необходимы устройства с поддержкой скорости обмена данными 100 Мбит/с, а для тестирования магистральных каналов – с увеличенным значением скорости (1 Гбит/с и выше).
Реализация комплекса РЗА на микропроцессорной элементной базе
Рассмотрим структурную схему классического варианта реализации комплекса РЗА, представленную на рис. 1. На данной схеме показаны основные блоки, входящие в состав большинства современных микропроцессорных терминалов РЗА, а именно блоки входных вторичных измерительных трансформаторов тока и напряжения TA и TV, измерительные преобразователи ИП аналоговых входных сигналов в цифровую форму, логическая часть ЛЧ, реализующая все функции защиты и управления в соответствии с заданными параметрами и уставками, блоки дискретного управления (ДУ), обеспечивающие формирование выходных сигналов защиты в виде «сухого контакта». Перечислим основные недостатки данного подхода: во-первых, это сложность монтажа и обслуживания вторичных измерительных цепей и цепей управления; во-вторых, необходимость «подвести» аналоговый сигнал для каждого терминала РЗА, использующего его при выполнении своих функций (в частности, речь идет о сигналах с измерительных трансформаторов напряжения, но не ограничивается этим); в-третьих, потребность в гальванической развязке и преобразовании уровней входных аналоговых сигналов тока и напряжения в каждом терминале РЗА через вторичные измерительные трансформаторы тока и напряжения; в-четвертых, применение дорогостоящих аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в каждом терминале РЗА для операции преобразования в цифровую форму одного и того же сигнала; в-пятых, существенные расходы «на медь» при передаче аналоговых сигналов от измерительных трансформаторов к микропроцессорным терминалам РЗА с учетом удаленности, потерь сигнала и допустимого уровня помех.
Рис. 1. Классический вариант реализации комплекса РЗА на микропроцессорной элементной базе
Возможно, вам также будет интересно
Школа MATLAB. Урок 1. Моделирование устройств силовой электроники. Основные инструментарии Simulink Школа MATLAB. Урок 2. Библиотека SimPowerSystems. Школа MATLAB. Урок 3. Построение SPS-моделей с полупроводниковыми элементами. Школа MATLAB. Урок 4. Анализ динамических свойств устройств силовой электроники во временной области Школа MATLAB. Урок 5. Анализ свойств устройств силовой электроники в частотной области. Школа MATLAB. Урок 6.
Структура системы электропитания импульсной нагрузки Решению проблемы преобразования низковольтного постоянного напряжения в высоковольтное для заряда и разряда емкостных накопителей энергии посвящено много статей и исследований, среди которых можно выделить следующие . Но разработка устройств для заряда емкостных накопителей энергии с высокими техническими характеристиками является сложной научно-технической задачей. В рассматривается структурная схема
Появление фотооптических инверторов (PV) и электромобилей (EV) обусловило растущие требования по повышению плотности мощности и эффективности силовых преобразователей. Карбид кремния (SiC) является основным кандидатом для решения этой задачи, поэтому он остается объектом растущего интереса в течение последнего десятилетия. Повышающий преобразователь является неотъемлемой частью большинства преобразователей систем PV и EV. В данной статье представлено новое поколение 1200 В/20 А SiC MOSFET, использованных в повышающем преобразователе мощностью 10 кВт, работающем в режиме жесткого переключения с интерливингом на частотах до 100 кГц. Дано сравнение тепловых параметров и эффективности с быстрым кремниевым H3 IGBT. В обоих случаях результаты показывают явное преимущество нового поколения SiC MOSFET.
Область применения
Комплексная проверка устройств с поддержкой МЭК 61850:
- интеллектуальных электронных устройств,
- цифровых измерительных трансформаторов,
- полевых аналогово-цифровых преобразователей,
- счетчиков электроэнергии, АСКУЭ и других элементов цифровой подстанции,
а также:
- проверка каналов связи,
- проведение штормовых испытаний,
- модулирование цифровых подстанций с множеством присоединений,
- автоматическое тестирование интеллектуальных устройств
- выдача до 20 SV-потоков (80 и 256 выборок), управляемых в ручном и автоматическом режиме НОВИНКА
- выдача до 60 SV-потоков (80 и 256 выборок) в режимах «Информационный шторм» и «Повышенная информационная нагрузка» НОВИНКА
- генерация искаженных SV-потоков: смещение, перемешивание, пропуски выборок НОВИНКА
- 128 GOOSE-сообщений (128 прием, 128 передача)
- регистрация SV-потоков и GOOSE-сообщений
- расчет электроэнергетических параметров SV-потоков НОВИНКА
- осциллографирование SV-потоков
- синхронизация по протоколам PTPv2 (IEEE 1588), SNTP+PPS (оптический и электрический) НОВИНКА
- организация локального PTP-сервера (grandmaster clock) НОВИНКА
- генерация синхронизированного с PTP-сервером сигнала PPS НОВИНКА
- перенаправление дискретных входных сигналов на дискретные выходные сигналы
- 5 Ethernet портов, каждый из которых может настраиваться на прием и передачу соответствующих GOOSE-сообщений и SV-потоков.
МЭК-61850
При помощи Quasar вы можете проверить все типы защит, в том числе и по протоколу МЭК-61850, для этого Quasar оснащен специальным Ethernet портом, при этом вы можете использовать одни и те же тестовые шаблоны.
Быстрая проверка простых защит и автоматическая сложных
Вы можете быстро проверять простые защиты при помощи подключенного смартфона/планшета или сложные защиты в автоматическом режиме при помощи подключенного ноутбука с специализированным программным обеспечением ROOTS.
Quasar – это самое продвинутое трехфазное устройство для тестирования электромеханических и цифровых защит всех типов, как на традиционных, так и на подстанциях МЭК-61850; предоставляющее наиболее полное и простое программное обеспечение для его управления.
Комплект поставки:
- устройство РЕТОМ-61850;
- ноутбук или планшетный компьютер;
- стандартное программное обеспечение: ручное управление независимыми источниками тока и напряжения, генератор последовательностей, реле тока, реле напряжения, реле частоты, реле мощности, реле сопротивления, RL-модель, COMTRADE, гармоники, генератор проверок, секундомер;
- сумка для хранения и транспортирования;
- кабель Ethernet для подключения к компьютеру;
- SFP-модули (опционально);
- кабели медные или оптические (опционально) для подключения к ЛВС;
- кабели интерфейсные для подключения к РЕТОМ-61/51;
- кабели общего назначения для подключения дискретных входов/выходов;
- кабель низковольтный;
- кабель сетевой.
Дискретные входы/выходы
Необходимость дискретных входов и выходов показана выше (см. подраздел “Трансляция цифровых данных в аналоговые и наоборот”). Они также могут быть использованы и для совместной работы с другим проверочным оборудованием, у которого отсутствуют интерфейсы синхронизации. По изменению состояния внешнего контакта можно одновременно запускать и останавливать выдачу сигналов на проверяемое оборудование. Однако следует учитывать, что точность синхронной выдачи будет значительно ниже, чем при использовании специализированных протоколов.
Рис. 3. Синхронная выдача аналогового и цифрового сигнала.
Облачные технологии и беспроводная связь
Главным новшеством Quasar можно считать применение облачных технологий и беспроводное управление через WiFi, оператор может подключить любой смартфон или планшет, на котором установлено соответствующее бесплатное мобильное приложение и управлять оборудованием Quasar App приносит всем привычный функционал мобильных устройств, например, вы можете незамедлительно сохранить и отправить результаты испытаний со своего смартфона коллегам или заказчику.
Установка приложения Quasar App и его обновление производится напрямую из Google Store — абсолютно точно так же, как все мы привыкли в нашей повседневной жизни.
Quasar также может управляться через бесплатное ПО Quasar Software, включенное в комплект поставки и устанавливаемое на ноутбук или ПК с ОС Windows. Подключение ПК или ноутбука может осуществляться как проводным (Ethernet), так и беспроводным (WiFi) способом.
Синхронизация времени
В соответствии со стандартом выборки токов и напряжений должны быть синхронизированы. В настоящее время распространены следующие протоколы синхронизации: NTP, PTP, IRIG‑B. Желательно, чтобы проверочное устройство поддерживало наибольшее количество протоколов из возможных.
Синхронизация также важна при проведении тестирования каналов связи информационной сети на подстанции, когда используются два прибора на концах линии (рис. 4) при определении максимальной пропускной способности, времени задержки передачи данных, уровня потери кадров и т.д.
Рис. 4. Проверка каналов связи информационной сети подстанции.
Сделан для эксплуатации в реальных полевых условиях
Quasar разрабатывался специально для эксплуатации в экстремальных полевых условиях при низких температурах, в пыль и грязь, при сложных условиях транспортировки. Quasar помещен в первоклассный прочный ABS кейс, который имеет колеса и выдвижную ручку для транспортировки; больше нет необходимости покупать кейс отдельно, распаковывать и упаковывать оборудование, тратить дополнительные финансовые и временные ресурсы.
Все подключения, входы и выходы расположены на передней панели и четко промаркированы, вы можете легко снять (и одеть) крышку, сдвинув её одним движением руки.
Всё в Quasar сконструировано для оперативного, точного и эффективного проведения испытаний. Для получения результатов требуется только подключить оборудование и запустить заранее подготовленный тест для каждого типа реле.
Quasar имеет порт расширения для подключения дополнительных выходных каналов и различных опций, в том числе, которые будут выпускаться в будущем.
Quasar не требователен к питающей сети, вы можете запустить его практически от любого источника напряжения 50 или 60 Гц.
Прямое управление:
Управление по беспроводной связи с планшета с установленным приложением Quasar App или ноутбука с Quasar Software – предоставляет оператору полный доступ ко всем выходным и измерительным каналам устройства: к каналам напряжения и тока, к амплитуде, фазовому углу, низкоуровневым выходам, гармоникам, к выбору, активации и комбинированию выходных каналов, управлению частотой. Отображает все измерения: мультифункционального таймера, таймера обратного отсчета, аналогового и дискретного входов, частоты; имеет ярлыки выбора каналов, внутренней памяти, аварийных состояний и многое другое.
