В последние 25-30 лет в мире наблюдается активное замещение электротехнических реле защиты автоматическими устройствами и различными программируемыми контроллерами, которые управляют режимами работы электрооборудования. Они настолько плотно внедрились в ТЭК, что без них уже невозможно представить нормальное функционирование электроэнергетики.
Основная задача устройств релейной защиты (УРЗА) заключается в своевременном выявлении аварийных режимов работы электросети. Кроме того, функционал УРЗА позволяет:
- определять режим, который сопровождается отклонением рабочих параметров от предельно допустимых значений;
- воздействовать на выключатели для отключения поврежденного участка;
- оповещать дежурный персонал о выявленных проблемах.
Набор важных опций свидетельствует о том, что от надежности работы средств релейной защиты зависит качество электроснабжения потребителей электроэнергии.
Анализ текущего состояния средств релейной защиты и автоматики на энергообъектах отечественной электроэнергетики показывает, что основную долю находящихся в эксплуатации средств РЗА составляют аналоговые устройства на электромеханической и микроэлектронной базе. Кроме того, срок использования около 40% реле, находящихся в эксплуатации, значительно превышает нормативный.
Эксперты отмечают, что наибольшее количество случаев неправильного срабатывания устройств релейной защиты происходит по вине персонала в процессе технического обслуживания. Однако наблюдается тенденция увеличения неправильного срабатывания РЗА по причине неудовлетворительного состояния самих устройств.
На смену электромеханическим устройствам пришли полупроводниковые аналоговые реле. Новым этапом эволюции УРЗА стало появление микропроцессорных (цифровых) средств и терминалов – многофункциональных устройств управления и защиты электроустановок.
Основное преимущество микропроцессорных терминалов защит оборудования заключается в их многофункциональности. Кроме того, что они выполняют свои прямые функции, а именно защиту оборудования и работы автоматических устройств, эти устройства также «научились» замерять электрические величины.
На панелях старых защит электрооборудования питающих центров можно увидеть обширный набор различных реле и аналоговых измерительных приборов. В тех случаях, когда используются микропроцессорные защиты, нет необходимости устанавливать дополнительные измерительные устройства. Значения всех основных электрических величин фиксируются на дисплее терминалов.
Кроме того, нельзя упускать из виду еще одно важное преимущество МКЗ. Речь идет о точности полученных данных. Аналоговые устройства производят измерения с определенной погрешностью. Если же прибор эксплуатируется на протяжении нескольких десятилетий (именно в таком состоянии находится большинство измерительных приборов), то корректность их работы снижается еще больше.
На дисплее устройства пофазно отображаются точные значения электрических величин. Это обеспечивает контроль отключенного (включенного) положения всех полюсов выключателей.
Исходя из вышесказанного, можно сделать еще один вывод о преимуществе микропроцессорных защит: МКЗ компактны. Использование микропроцессорных технологий позволяет почти в два раза сократить количество панелей для защит, автоматики и управления оборудованием, которые устанавливаются на пункте управления подстанцией.
Следующий «плюс» заключается в удобстве фиксирования возникающих неисправностей. При каком-либо отклонении от предельно допустимых значений, в том числе при возникновении аварийной ситуации, на терминале защит загораются светоизлучающие диоды, извещающие оперативный персонал о событии.
В тех случаях, когда обслуживание электроустановок ведется по старинке, присутствует схема-макет, на которой вручную изображается фактическое положение всех коммутационных аппаратов. Использование микропроцессорных терминалов защит позволяет полностью отказаться от практики традиционных мнемосхем.
На дисплеях терминалов защит каждого присоединения изображается схема-макет, на которой в автоматическом режиме происходит изменение положения коммутационных устройств, соответствующего фактическим данным.
Помимо этого, все терминалы защит подключаются к интегрированной системе SCADA, отображающей всю схему подстанции, где демонстрируются значения нагрузок по каждому присоединению, напряжение на шинах ПС и в режиме реального времени фиксируются возникающие неполадки.
Таким образом, использование микропроцессоров позволяет объединить в одном устройстве множество функций, которые ранее выполнялись несколькими различными приборами. Более того, с помощью таких устройств возможна реализация некоторых функций, недоступных при использовании других типов релейной защиты.
Синхронизация систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления с диспетчерским пунктом позволяет дежурному диспетчеру оперативно фиксировать аварийные ситуации и отслеживать переключение, выполняемое оперативным персоналом.
Перед выдачей допуска специалистов на объект с целью проведения регламентных работ по техническому обслуживанию дежурный диспетчер, с помощью системы SCADA, может лично убедиться в том, что меры безопасности были приняты правильно и выполнены в полном объеме.
Цифровые технологии наделили устройства релейной защиты многими достоинствами:
- высокое качество работы РЗА за счет аппаратной надежности, непрерывного самоконтроля и диагностики;
- большая точность измерений;
- уменьшение габаритных размеров;
- простота технического обслуживания;
- компактные и экономичные технические решения;
- возможность совершенствования технологических характеристик РЗА;
- возможность выбора любой времятоковой характеристики (ВТХ) из числа тех, что записаны в памяти каждого токового модуля;
- наличие функций, не связанных непосредственно с защитой (регистрация повреждений и параметров защищаемого объекта, контроль нагрузки, диагностика цепи выключателя и др.). При этом устройство определения места повреждения (ранее дорогостоящее автономное средство) для цифровой защиты представляет собой побочный продукт программного обеспечения без дополнительной стоимости.
Ложка дегтя
Сегодня в отечественной электроэнергетике появляется всё больше нового оборудования для защиты объектов энергоснабжения, которое использует компьютерные технологии на базе процессоров. Оно выполняет функции традиционных устройств РЗА, но изготовлено на основе микроконтроллеров (микропроцессорных элементов).
Микропроцессорным устройствам релейной защиты и автоматики свойственны как преимущества, так и некоторые недостатки. Существенным «минусом» таких средств РЗА является их высокая цена. Кроме того, сетевые компании вынуждены выделять дополнительные средства на обслуживание микропроцессоров. Средства необходимы для закупки дорогостоящего оборудования, программных продуктов и подготовки высококвалифицированных специалистов с соответствующей специализацией.
Затраты, связанные с техническим обслуживанием микропроцессорных устройств, значительно снижаются при условии, что все питающие центры компании укомплектованы современными устройствами на базе микроконтроллеров. В таком случае обслуживанием РЗА занимаются специалисты службы релейной защиты и автоматики, которые специализируются на защитных устройствах данного типа.
Если же микропроцессорные элементы установлены лишь на некоторых энергообъектах, то это действительно затратно, поскольку электросетевая компания вынуждена содержать в штате работников нескольких служб, которые обслуживают как традиционные РЗА, так и РЗА на основе микроконтроллеров.
К числу недостатков микропроцессорных устройств можно отнести узкий диапазон рабочих температур. Обычные электромеханические защитные средства отличаются своей неприхотливостью и могут функционировать в широком диапазоне температур. Некоторые модели рассчитаны на самые жесткие условия эксплуатации, где рабочая температура может колебаться в диапазоне от -40 °С до +70 °С. В то время как обеспечение корректной работы микропроцессоров нуждается в установке дополнительного климатического оборудования.
По оценкам экспертов, микропроцессорным устройствам свойственен еще один недостаток. Речь идет о возможных сбоях в работе программного обеспечения. Несмотря на уверения производителей защитных устройств на базе микропроцессоров в их стабильной работе, на практике может потребоваться периодическая перезагрузка терминала. Если в момент сбоя программы произойдет короткое замыкание, это может вывести оборудование из строя, поскольку в этот промежуток времени присоединение находится без защиты.
На фоне многочисленных «плюсов» микропроцессорных устройств релейной защиты их «минусы» менее значительны. А в некоторых случаях они даже могут быть полностью исключены. К примеру, установка лицензионного программного обеспечения и создание оптимальных условий для работы микроконтроллеров практически полностью исключают вероятность возникновения системных ошибок и предотвращают сбои в работе электрооборудования.
Векторы роста
От корректности работы и своевременного срабатывания РЗА зависит надежность электроснабжения всех потребителей электроэнергии. Для того чтобы создать прочную базу для надежного и безопасного функционирования отечественной электросетевой инфраструктуры, в том числе и устройств релейной защиты и автоматики, в России был принят ряд стратегически важных документов.
- «Концепция развития релейной защиты и автоматики электросетевого комплекса». Документ впервые был опубликован 2 июля 2015 г. на сайте оператора электрических сетей ПАО «Россети». В нем, помимо информации о реальном состоянии РЗиА, определены основные протоколы обмена данными между РЗА, первичным оборудованием и АСУ ТП, а также акцентировано внимание на перспективах перевода РЗА на дистанционное управление. Здесь же описаны возможные риски, возникающие при переходе на новые технологии:
- Потеря управляемости по причине нарушения канала связи;
- Снижение или полная потеря управляемости вследствие незаконного проникновения в систему посторонних лиц;
- Возникновение аварийной ситуации при повторном включении выключателя без осмотра специалистами на месте;
- Задержка допуска сотрудников экстренных служб при возникновении ЧС.
Чтобы предотвратить несанкционированное проникновение в систему управления устройствами РЗА, следует обеспечить информационную безопасность комплексов релейной защиты и автоматики на энергообъектах России. Для этого необходимо:
- Изучить возможности нарушителей (потенциал, степень оснащенности технологическими устройствами), понять их мотивацию.
- Детально проанализировать возможные уязвимости в системах РЗА.
- Определить возможные способы реализации угроз безопасности информации.
- Оценить последствия от возможного проникновения в систему посторонних лиц.
Одним из перспективных направлений развития РЗА на ближайшие 20 лет в документе названо внедрение технологий Smart Grid, которое предполагает перераспределение функций релейной защиты и автоматики между терминалами, а также «создание централизованных защит на базе высокопроизводительных вычислительных систем».
Предложенные в Концепции решения по переходу от традиционных методов управления режимами работы средств РЗА к дистанционному управлению и контролю устройств с диспетчерских пунктов электросетевых компаний полностью соответствуют мировой тенденции развития топливно-энергетического комплекса. Кроме того, они позволяют обеспечить надежную работу систем РЗА, снизить капитальные затраты и минимизировать расходы, связанные с эксплуатацией этих устройств.
- Стратегия развития электросетевого комплекса Российской Федерации на 2018–2022 гг. и период до 2030 г.
- Программа инновационного развития ПАО «Россети» на период 2016–2020 гг. с перспективой до 2025 г. (ПИР).
В каждом из этих документов одной из основных стратегических целей называется модернизация и инновационное развитие устройств релейной защиты и автоматики, которое должно быть одновременно реализовано в нескольких направлениях:
- Разработка и реализация инвестпрограмм, направленных на реконструкцию и обновление систем РЗА. Прежде всего, это внедрение централизованных систем противоаварийной автоматики нового поколения, использование технологии векторных измерений в процессе оперативно-диспетчерского управления электроэнергетическим режимом, дальнейшее развитие и внедрение систем мониторинга запасов устойчивости в режиме реального времени, РЗиА, разработка и внедрение современного оперативно-информационного комплекса;
- Совершенствование нормативно-технического обеспечения эксплуатации РЗиА и технологии их обслуживания. Продвижение в этом направлении означает разработку и усовершенствование правил техобслуживания, методических указаний по расчету различных УРЗА, стандартов, определяющих технические требования;
- Обновление систем РЗА. Модернизация средств релейной защиты предполагает замену устройств с высокой степенью физического износа на аттестованные микропроцессорные устройства преимущественно отечественного производства, внедрение систем автоматизации переключений в цепях защиты автоматики, разработку и использование типовых проектов систем РЗА;
- Разработка и внедрение комплексов релейной защиты и автоматики, проведение научных исследований, конструкторских работ и испытаний новинок в условиях, приближенных к реальным, для создания инновационных УРЗА. Кроме того, речь идет о развитии систем защиты и автоматики в области ВИЭ, цифровых электрических подстанций и станций на модернизируемых и вновь строящихся энергообъектах, а также о разработке средств РЗА, способных автоматически изменять алгоритм работы при сбоях в электросети или отказах самих реле;
- Обучение обслуживающего персонала и комплектование служб РЗА высококвалифицированными специалистами, которые имеют право самостоятельно проводить техническое обслуживание устройств релейной защиты и автоматики. На этапе перехода к новым технологиям персонал (дополнительно к стандартным требованиям) в процессе повышения квалификации должен приобрести ряд ценных навыков.
- Умение анализировать полученные с УРЗА данные при нормальном функционировании энергообъекта и в случае отклонения рабочих параметров от предельно допустимых значений;
- Навыки проведения комплексной обработки данных о состоянии устройства;
- Умение проанализировать процессы, которые происходят в токовых цепях и цепях напряжения;
- Проведение внеплановых проверок УРЗА;
- Навыки разработки комплекса мероприятий, направленных на устранение причин излишних срабатываний устройства;
- Умение анализировать аварийные процессы по осциллограммам;
- Навыки работы со специализированными программными продуктами для учета величин, контролируемых УРЗА, проведения анализа и выполнения расчета основных параметров.
Игра на НЕРВах
Обмен сигналами между средствами РЗА осуществляется с использованием технологий стандарта МЭК 61850 «Сети и системы связи на подстанциях» по протоколу передачи данных GOOSE. Для решения этой задачи на обычном распределительном пункте 6-10 кВ необходимо:
- Установить два сетевых коммутатора;
- Внедрить систему питания каждого из этих коммутаторов;
- Установить средство для синхронизации времени.
По оценкам специалистов, в обустройство шины из 14 цифровых реле на основе стандарта МЭК 61850 для ПС электросетевой компании придется инвестировать более 2 млн руб. Установка релейной защиты из 14 ячеек для этого энергообъекта обойдется в 520 тыс. – 1 260 тыс. руб. Стоимость проекта зависит от выбора производителя оборудования. Следовательно, использование МЭК 61850 на РП 6-10 кВ сопоставимо с удвоением капиталовложений в РЗА. Если добавить в расчет обучение специалистов, то сумма существенно увеличится.
Когда сетевая компания рассматривает перспективы инвестирования в МЭК 61850, она задается вопросом: «Какие задачи решает этот стандарт для организации событийного протокола передачи данных?». Оказывается, их не так уж и много:
- Автоматический ввод резерва (АВР) и восстановление нормального режима (ВНР) работы.
- Логическая защита шин (ЛЗШ).
- Устройство резервирования при отказе выключателя (УРОВ).
- Сигналы блокировки/разрешения для специальных алгоритмов РЗА.
С каждым из этих заданий отлично справляется современная релейная защита, где обмен данными происходит с помощью проводов и дискретных входов/выходов. Это не требует капиталовложений в стандарт «Сети и системы связи на подстанциях» и не нуждается в услугах узкоспециализированных специалистов.
Внедрение решений на основе МЭК 61850 происходит крайне медленно, поскольку этому препятствует высокая цена, которая несопоставима с объемами и простотой решаемых задач.
С учетом этой ситуации была разработана цифровая шина НЕРВ. Ее функционал позволяет обеспечить обмен информацией между средствами РЗА, включая обмен «на горизонтальном уровне».
Презентация первого доступного цифрового реле, получившего название «ЛЮТИК», состоялась в июне 2019 года. Область применения — 6-35 кВ с постоянным, переменным или выпрямленным оперативным током.
НЕРВ сконструирован по принципу общей шины. Ее функцию выполняет экранированная витая пара. Для подсоединения устройства разработчики предусмотрели коммутатор «Узел НЕРВ», который не нуждается в дополнительном питании и защищает шину от электромагнитных помех, возникающих при работе электронного оборудования.
Шина функционирует за счет внутренних питающих модулей устройств РЗА, поддерживает подключение 32 узлов. К каждому из них может быть подсоединено устройство релейной защиты. Чтобы предотвратить отражение сигнала, на концах НЕРВа установлены терминаторы.
Питание цифрового реле осуществляется за счет блоков питания устройств РЗА, что обеспечивает надежное функционирование шины. Блок питания средства релейной защиты отличается широким диапазоном работы по входному напряжению питания и имеет емкостной накопитель, который позволяет шине работать, даже если в питании случаются перерывы. Ряд средств релейной защиты обладает возможностью дополнительного питания от вторичных цепей трансформаторов тока, что обеспечивает надежную работу шины даже в случае возникновения аварийной ситуации.
Одно цифровое реле в состоянии заменить множество отдельных шин, предназначенных для передачи дискретного сигнала в традиционном механизме обмена информацией между средствами релейной защиты на ПС. Таким образом, разработчикам НЕРВа удалось существенно уменьшить количество проводных связей и при этом обеспечить надежную передачу данных между устройствами релейной защиты даже в случае выхода из строя одной из шин.
Повреждения во вторичных цепях на ПС с традиционными системами РЗА могут спровоцировать отказ или ложное срабатывание защитного средства. Постоянная самодиагностика цифровой шины, которая выполняется каждым подключенным к ней устройством, позволяет оперативно выявлять нештатные ситуации. Это минимизирует количество излишних срабатываний, исключает отказы оборудования и позволяет своевременно осуществить комплекс восстановительных мероприятий.
Функционалом цифрового реле предусмотрена периодическая синхронизация времени всех средств РЗА, подключенных к сети. Это свойство важно на этапе анализа и детальной проработки возникшей аварийной ситуации.
Одно из устройств, исполняющее функцию эталона, «раздает» время другим элементам системы. После получения пакета данных они вносят коррективы в свои внутренние часы. В случае отключения «эталонного» средства от сети функцию адресации выполняет следующее по старшинству устройство.
Технически НЕРВу не удастся потеснить технологии МЭК 61850 на питающих центрах с большим объемом данных (к примеру, 110/35/6кВ или 220кВ, 330кВ). Но цифровое реле — это прекрасная альтернатива для ПС 6-10кВ, где экономически не выгодно вкладывать средства в МЭК 61850 для решения традиционных и несложных задач с малым объемом передаваемой информации.
С 26 по 28 мая в Московском Центре международной торговли состоится Международная конференция и пройдет выставка «Релейная защита и автоматика энергосистем – 2020». Специалисты из разных стран мира встретятся на одной площадке, чтобы рассказать о своих разработках, поделиться опытом и обсудить перспективные направления развития систем РЗА.
В мероприятии примут участие эксперты из НИИ, научно-исследовательских центров, инжиниринговых компаний, а также представители компаний — производителей средств релейной защиты, вузов, электросетевых компаний и др.
«Релейная защита и автоматика энергосистем» — это крупное профессиональное событие в сфере РЗА. Оно проходит один раз в три года. Предыдущее мероприятие состоялось в 2017 г. В работе конференции приняли участие более 280 специалистов из 24 стран мира, выставочные стенды представили свыше 60 крупнейших участников рынка РЗА.
