ПРЕСС-ЦЕНТР

Оптимизация структуры и технико-экономических характеристик цифровых подстанций

Релейная защита и автоматизация  №2/2012

Орлов Леонид Леонидович, директор направления автоматизации подстанций ЗАО «РТСофт»

Технология «Цифровой подстанции» (ЦПС) не только открывает множество новых перспектив, но и ставит перед Заказчиками и производителями множество вопросов, требующих углубленной проработки. Одним из важнейших вопросов является анализ технико-экономических характеристик, как в сравнении ЦПС с традиционными решениями, так и сравнительный анализ различных вариантов архитектуры ЦПС с точки зрения стоимости реализации и дальнейшей эксплуатации. Сегодня технология ЦПС апробируется в рамках пилотных проектов, и применяемые решения отличаются существенно более высокой стоимостью реализации по сравнению с классическими РЗА и АСУТП, что обусловлено и высокой стоимостью нового оборудования, и избыточностью предлагаемых архитектур ЦПС. Для серийного внедрения данный подход неприменим, и необходима оптимизация структуры и стоимости реализации цифровых подстанций, тем более что сама технология ЦПС и стандарт МЭК 61850 предоставляют множество возможностей для такой оптимизации. В данном докладе приведен краткий анализ различных вариантов подходов к созданию ЦПС и ее возможных архитектур с точки зрения прогнозируемой стоимости их реализации.

В качестве отправной точки для анализа примем ПС с организацией вторичных цепей и систем по традиционному принципу (Рисунок 1), N – количество присоединений ВН.

Рисунок 1. Классическое РЗА и АСУТП для традиционной ПС

Рисунок 1. Классическое РЗА и АСУТП для традиционной ПС

Рассмотрим кратко основные принципы создания ЦПС и их влияние на стоимость реализации.

1. С точки зрения аппаратной архитектуры:

1.1. Появление дополнительных цифровых (интеллектуальных) устройств, приближенных к силовому оборудованию:

1.1.1. Объединительных устройств (MU) в составе измерительных трансформаторов (ЦИТ);

1.1.2. Отдельных объединительных устройств (SAMU), подключаемых к традиционным ТТ, ТН;

1.1.3. Интеллектуальных полевых контроллеров или УСО для коммутационных аппаратов (IO);

1.2. Сокращение объема контрольных кабелей (вплоть до полного отказа от них) и связанных с этим затрат на СМР и ПНР;

1.3. Увеличение объема цифровых связей и потребности в активном сетевом оборудовании для организации технологической ЛВС (шины процесса);

1.4. Возможность отказа от модулей УСО и измерений в интеллектуальных устройствах (IED) РЗА и АСУТП.

Относительно влияния аппаратной архитектуры ЦПС на стоимость реализации можно отметить следующее:

1) Зачастую основное внимание уделяется именно «цифровизации» измерений, несмотря на довольно высокую стоимость ее реализации, в то время как «цифровизация» коммутационных аппаратов уже сейчас реализуема с использованием серийно выпускаемого, аттестованного и многократно внедренного оборудования, дает существенный экономический эффект и обеспечивает сокращение потребности в кабельной продукции на 30-40%.

2) Увеличение общего количества интеллектуальных устройств на ПС неизбежно приводит к росту затрат на данные устройства.

3) Сокращение потребности в кабельной продукции (п.1.2) само по себе дает ощутимую экономическую выгоду, но данный эффект нивелируется увеличением затрат на цифровые связи (п.1.3).

4) Затраты на цифровые связи прямо пропорциональны количеству цифровых устройств в системе.

5) Возможность отказа от модулей УСО и измерений в IED (п.1.4) существует, но ее использование не в интересах производителей данных устройств, поэтому данному вопросу не уделяется особое внимание.

Общее количество цифровых устройств (полевых устройств и IED) в составе вторичных систем можно использовать в качестве основного индикатора для оценки стоимости создания и последующей эксплуатации цифровых подстанций.

В большинстве предлагаемых на сегодня решений цифровые устройства четко разделены на две группы: полевые (УСО, MU) и функциональные (IED). Сегодня разработчики IED (оборудования РЗА, АСУТП, измерений и учета) идут, как правило, по пути наименьшего сопротивления, добавляя новые порты, интерфейсы и протоколы шины процесса к существующим устройствам. Данную архитектуру можно условно назвать канонической, поскольку она предлагается большинством производителей (Рисунок 2).

Рисунок 2. "Каноническая" архитектура ЦПС

Рисунок 2. «Каноническая» архитектура ЦПС

В результате применения такого подхода получаются системы, в которых количество интеллектуальных устройств почти в 2 раза больше, чем на традиционных ПС.

Возникает резонный вопрос: стоит ли считать данную архитектуру оптимальной и принимать ее в качестве типовой для промышленного внедрения? На наш взгляд, предложенная архитектура несомненно требует пересмотра, уточнения и оптимизации.

При анализе возможностей оптимизации архитектуры и стоимости ЦПС необходимо обратить внимание на тот факт, что цифровая ПС в ее полном развитии – это не только добавление шины процесса к уже существующим системам защиты, управления, измерений, но и возможность пересмотра и совершенствования функциональности этих систем и их элементов. Основной «двигатель прогресса» – это наличие на уровне IED цифровых устройств с мощным процессором и минимальным количеством модулей ввода-вывода, которое дает возможность реализации более компактных и многофункциональных устройств.

Рассмотрим основные принципы создания ЦПС с точки зрения усовершенствования функциональной архитектуры и возможность их применения для оптимизации состава и стоимости систем.

2. Варианты оптимизации ЦПС с точки зрения функциональной архитектуры:

2.1. Укрупнение и централизация IED (реализация в одном устройстве определенного набора функций применительно к нескольким присоединениям или РУ одного класса напряжения) становится возможным в очень широких пределах, в первую очередь для функций измерений и управления.

2.2. Функциональная интеграция IED (сочетание в одном устройстве множества функций применительно к одному присоединению) становится возможной в более широких пределах, чем это принято для классических ПС. При этом требуется пересмотр действующих НТД, в первую очередь в области систем РЗА и учета электроэнергии.

2.3. Функциональная интеграция между IED и полевыми устройствами (реализация в полевом устройстве части функций измерения, управления или даже защит, стандартно реализуемых в IED) – также может представлять интерес при использовании достаточно производительных, интеллектуальных и гибко конфигурируемых устройств на полевом уровне. Возможные варианты такой интеграции требуют дополнительной проработки, согласования и корректировки действующих НТД.

2.4. В перспективе возможна полная виртуализация IED с реализацией большинства или всех функций измерения, регистрации, управления, защиты на кластере высокопроизводительных серверов (Рисунок 3).

Рисунок 3. Гипотетическая архитектура "будущей" ЦПС

Рисунок 3. Гипотетическая архитектура «будущей» ЦПС

В результате выполненного анализа и оценки стоимости реализации различных вариантов ЦПС становится очевидно, что оптимизация функциональной архитектуры – основной путь к достижению оптимальных технико-экономических характеристик построения цифровых подстанций, сопоставимых с традиционными решениями и даже превосходящих их. Столь же очевидно, что мы не можем сегодня же перейти к архитектуре будущего, показанной на Рис.3. Остается ответить на вопросы:

1) Можно ли оптимизировать архитектуру цифровой подстанции уже сегодня, без коренного пересмотра принципов организации систем РЗА и учета?

2) Каков будет экономический эффект от этой оптимизации?

3) Какие варианты дальнейшей оптимизации архитектуры могут быть целесообразны в ближайшей перспективе?

4) Какой экономический эффект могут принести эти дальнейшие шаги?

Рассмотрим состав основных цифровых устройств (функциональных и полевых) в традиционной и цифровой подстанции.

Функциональные устройства (IED):

1) терминал основных защит

2) терминал резервных защит

3) терминал АУВ

4) контроллер присоединения

5) измерительный преобразователь

6) устройство контроля ПКЭ

7) устройство векторных измерений (PMU)

8) регистратор аварийных событий

9) счетчик электроэнергии

В традиционной подстанции возможности оптимизации состава IED ограничены как физически (ввиду необходимости наличия цепей ввода-вывода в составе каждого устройства), так и формально (положениями действующих НТД).

Функциональные устройства в указанном составе применяются как на традиционных, так и (предположительно) на цифровых ПС. Кроме того, в составе ЦПС дополнительно появляются интеллектуальные полевые устройства:

1) MU в составе ЦИТ

2) отдельные MU (SAMU)

3) интеллектуальные полевые контроллеры или УСО для коммутационных аппаратов (IO).

Основной способ оптимизации стоимости ЦПС – сокращение количества цифровых устройств. Предлагаются к рассмотрению следующие варианты оптимизации:

1) Укрупнение и централизация IED

2) Функциональная интеграция IED

3) Функциональная интеграция между IED и полевыми устройствами

4) Виртуализация IED.

В качестве первого шага оптимизации, который не противоречит действующим НТД в области РЗА и коммерческого учета, предлагается оптимизация устройств АСУТП и измерений следующим образом:

1) Укрупнение контроллеров присоединений (переход от традиционной концепции «контроллера присоединения» к «контроллеру группы присоединений»)

2) Централизация и функциональная интеграция измерительных устройств, принимающих мгновенные значения из шины процесса по протоколу МЭК 61850-9-2 (использование специализированного высокопроизводительного многофункционального «сервера измерений» вместо отдельных измерительных устройств или модулей в составе контроллеров).

Предлагаемый вариант оптимизации архитектуры ЦПС показан на Рисунок 4.

Рисунок 4. Вариант оптимизации архитектуры ЦПС

Рисунок 4. Вариант оптимизации архитектуры ЦПС

Данное техническое решение реализуется компанией «РТСофт» и предлагается к применению в рамках пилотных проектов по созданию цифровых подстанций. Контроллер группы присоединений и полевое УСО реализованы на унифицированной платформе SMART-SPRECON с использованием оборудования серийно выпускаемого, сертифицированного и аттестованного в ОАО «ФСК ЕЭС» и уже внедренного более чем на 100 объектах российской энергетики. Сервер измерений реализуется на базе аппаратного и программного обеспечения собственной разработки «РТСофт» с использованием опыта и наработок компании в области измерительных систем и систем сбора и передачи информации. На текущий момент реализован прототип сервера измерений с базовой функциональностью.

Данный вариант реализации уже обеспечит сокращение количества цифровых устройств в ЦПС на 15-20% и сокращение стоимости нижнего уровня АСУТП цифровой ПС на 20-30%.

Но не стоит останавливаться на достигнутом. В целях дальнейшей оптимизации архитектуры ЦПС и постепенного перехода к архитектуре «ЦПС будущего», предлагаем к рассмотрению и обсуждению экспертным сообществом несколько других, возможно более радикальных вариантов функциональной интеграции IED и полевых устройств:

1) Совмещение функций резервных защит и АУВ

2) Централизация функций резервных защит и/или АУВ на несколько присоединений

3) Реализация функций контроля ПКЭ и/или векторных измерений (PMU) в составе SAMU

4) Совмещение функций полевого IO и SAMU

5) Реализация функций резервных защит и/или АУВ в полевом устройстве.

Данные предложения не вполне соответствуют «канону» ЦПС и действующим НТД в области систем РЗА, но, на наш взгляд, заслуживают внимания и обсуждения.

Выводы и заключения:

1) Основной фактор, влияющий на стоимость реализации цифровой ПС – общее количество цифровых устройств в системе.

2) Цифровая подстанция «канонической» архитектуры отличается существенно большим количеством цифровых устройств по сравнению с традиционной технологией и, соответственно, более высокой стоимостью реализации и эксплуатации.

3) Для перехода к серийному внедрению цифровых ПС, необходима оптимизация их архитектуры и стоимости. Высокая производительность современных микропроцессорных устройств делает технически возможным сокращение их общего количества без потери функциональности.

4) Основные варианты оптимизации архитектуры ЦПС:

a. Укрупнение и централизация IED

b. Функциональная интеграция IED

c. Функциональная интеграция между IED и полевыми устройствами

d. Виртуализация IED.

5) Некоторые из указанных вариантов оптимизации реализованы в настоящее время и уже сегодня могут обеспечить существенный экономический эффект. Наиболее эффективны следующие мероприятия:

a. Переход от традиционной концепции «контроллера присоединения» к «контроллеру группы присоединений».

b. Использование специализированных «серверов измерений» для приема и обработки потоков данных МЭК 61850-9-2.

6) Некоторые варианты оптимизации представляют большой интерес и в перспективе могут принести еще больший экономический эффект, но требуют детальной проработки и согласования.