Logo

Перспективные решения по проектированию объектов энергетики. Цифровое проектирование

А.С. Шеметов, И.Л. Архипов, ПАО «ФСК ЕЭС» Т.В. Ковыршина, М.В. Брагута, АО «НТЦ ФСК ЕЭС»
Статья является продолжением серии публикаций, описывающих результаты, полученные в рамках выполнения и последующего сопровождения системы автоматизированного проектирования «Электронный каталог технических решений по релейной защите и автоматике, автоматизированным системам управления технологическими процессами», разработанного для нужд ПАО «ФСК ЕЭС». Приведено описание результатов тестирования программного обеспечения, а также целевой концепции проектирования информационно-технологических систем на базе технологий «Цифровая подстанция».

В 1960 г. возникла концепция CAD (Computer Aided Design) — проектирование с помощью ЭВМ, которая начала активно развиваться с появлением персональных компьютеров.

Разработчики программных CAD-систем успешно сымитировали ручное черчение на компьютере, что значительно сократило время проектирования, а Национальный американский научный фонд признал это событием величайшим. Со временем степень автоматизации графических редакторов увеличивалась средствами включения в состав CAD-систем баз объектов, функционала параметризации, создания динамических блоков, включающих в себя графическую, конструкторскую информацию, а также технические требования — свойства объектов.

Технология CAD (САПР) вышла за рамки простой автоматизации процесса черчения (графических редакторов), начав работать с хранилищем технической информации, CAD-системы получили функционал автоматизированных инженерных расчётов, автоматического вывода результатов проектирования (таблицы спецификаций, расчёты), активно стала применяться технология ин- формационного моделирования. Это обусловило переход от монолитной к сервисно-ориентированной архитектуре CAD-систем: вокруг классической САПР-платформы (ядра) формируется инфраструктура специализированных программных приложений, предоставляющих пользователю возможность оперировать не блоками с заданными атрибутами, а полноценными интеллектуальными объектами, которые не только наполнены свойствами и информацией, но и умеют взаимодействовать друг с другом, меняют свои свойства в зависимости от меняющихся условий проекта, обновляют информацию в связанных представлениях.

Проектирование на основе моделирования

Комплексное решение задач типизации и максимальной унификации технических решений вторичных систем объектов энергетики в условиях ограничений современных специальных стандартов МЭК [1] является драйвером неизбежного внедрения в процесс проектирования технологии информационного моделирования (концепция «Simulation Based Design (SBD)» [2] — проектирование на основе моделирования). Важно подчеркнуть, что SBD — это не название программы или совокупности программ, а метод проектирования, который в отечественных разработках определяется как «Цифровое проектирование». Стоит отметить, что SBD является основой PLM-системы (Product lifecycle management — управление жизненным циклом [3]. Пакет стандартов МЭК 61850 открыл новые возможности для автоматизации проектирования танного на основе расширенного языка разметки (XML), и созданию единой модели данных в интеллектуальных электронных устройствах (логические узлы, типы данных и др.). Таким образом, на этапе проектирования добавляется этап «Моделирование». В свою очередь, наличие цифровой модели открывает широкие возможности для автоматизации процессов проектирования, в том числе и посредством типизации технических решений.

Однолинейная схема в SCL позволяет связывать логические функции в микропроцессорных устройствах с элементами схемы, с которыми эти микропроцессорные устройства взаимодействуют. Благодаря этой технологии всё вторичное оборудование охватывается единой легко формализуемой информационной средой.

Модель в SCL ориентирована на подстанционное применение, где структуру можно отобразить в виде иерархии, состоящей из фиксированного набора уровней (распределительных устройств, присоединений, силового оборудования). В силу этого, SCL-файлы имеют достаточно строгую иерархическую структуру. Основные файлы SCL включают:

  • ICD (IED Capability Description) — файл описания возможностей микропроцессорных устройств (этот файл должен быть предоставлен каждым производителем МП устройств для полной конфигурации системы);
  • IID (Instantiated IED Description) — файл ICD, с изменённой конфигурацией под конкретное применение (например, изменяется состав логических узлов. Типовой шкаф ПАО «ФСК ЕЭС»);
  • SSD (Substation или System Specification Description) файл описания спецификации системы (файл содержит полную спецификацию системы автоматизации подстанции и представляет собой формализованное описание однолинейной схемы ПС и распределения логических узлов, соответствующих функциям РЗА, ПА, мониторинга и т. д., по этой схеме, упрощённо — это аналог схемы ИТС);
  • SCD (Substation или System Configuration Language) — файл описания конфигурации подстанции (файл описывает полную информацию о подстанции и включает файлы SSD, ICD, описывает обмен между физическими устройствами по определённым коммуникационным сервисам стандарта МЭК 61850: GOOSE (быстрая передача аналоговых и дискретных сигналов между устройствами), Reports (спорадическая передача данных от терминалов РЗА в АСУ ТП), Sampled Values (передача мгновенных значений тока и напряжения от устройств сопряжения с шиной процесса в терминалы РЗА и контроллеры присоединений) и др.);
  • CID (Configured IED Description) — файл описания конфигураций микропроцессорных устройств (можно рассматривать как файл SCD, урезанный до соответствующего устройства и содержащий описание настройки передачи данных в рамках устройства).

Недостатками в использовании SCL на сегодняшний день является заложенный в основу подход к проектированию «снизу — вверх», то есть от интеллектуальных электронных устройств к системе, а также полное игнорирование SCL в части описания однолинейной схемы подстанции.

Более логически правильный путь предполагает выбор задач, которые должны решать устройства нижнего уровня (защиты, управления, оперативных блокировок, измерения и т. д.) в привязке к однолинейной схеме подстанции. Таким образом проектирование цифровых подстанций на первом этапе должно включать создание SSD-файла. Отсутствие соответствующего инструментария генерации файлов SSD, а также несоответствие различных поставщиков стандарту МЭК 61850 являются основными техническими проблемами, сдерживающими широкое внедрение технологии «Цифровая подстанция».

Рисунок 1. Основной функционал ЭК РЗА и АСУ ТП: 1. Мастер конфигурации РЗА; 2. Мастер конфигурации АСУ ТП; 3. Мастер логической ОБР

Новая редакция раздела VII «Релейная защита и автоматика» Типового задания на проектирование объектов ПАО «ФСК ЕЭС» [4] обязывает проектировщика разработать проектную документацию на подстанции нового поколения с учётом требований МЭК 61850-4 и МЭК 61850-6. В частности, в рамках стадии раз- работки проектной документации заказчику должны передаваться:

  • наименования сигналов в семантике стандарта МЭК 61850 с указанием передаваемых объектов/атрибутов данных;
  • файл описания спецификации подстанции (SSD) в формате SCL.

Электронный каталог типовой проектной документации на РЗА и АСУ ТП

В рамках НИОКР для нужд ПАО «ФСК ЕЭС» разработана система автоматизированного проектирования на основе моделирования (с учётом требований МЭК 61850-6) «Электронный каталог типовой проектной документации на РЗА и АСУ ТП» (далее ЭК РЗА и АСУ ТП), предназначенная для сопровождения процессов разработки проектной документации вторичных систем.

Основой информационного обеспечения ЭК РЗА и АСУ ТП являются типовые шкафы/отсеки ПАО «ФСК ЕЭС». 17 мая 2018 г. был введён в действие приказ ПАО «ФСК ЕЭС» № 170 и утверждены следующие материалы типовых проектных решений сетевой компании:

  • альбомы «Типовая проектная документация на шкафы РЗА»;
  • альбомы «Типовая проектная документация на шкафы АСУ ТП»;
  • альбомы «Типовая проектная документация на шкафы УПАСК»;
  • альбомы «Корпоративный профиль МЭК 61850 ПАО «ФСК ЕЭС».

Программное обеспечение ЭК РЗА и АСУ ТП

Программное обеспечение ЭК РЗА и АСУ ТП [5] является инструментарием для автоматизированной разработки проектной документации, включая решения по цифровым подстанциям, а также предназначено для ведения электронного каталога типовых проектных решений ПАО «ФСК ЕЭС» и конфигурирования оборудования системы защиты и управления ПС.

Программное обеспечение ЭК РЗА и АСУ ТП выполнено на базе отечественной САПР nanoCAD. Основным функционалом программного обеспечения является (рисунки 1, 2):

Рисунок 2. Фрагмент схемы ИТС, выполненной в ЭК РЗА и АСУ ТП

  • автоматизированная разработка схем электрических принципиальных подстанций (СЭП) в соответствии с требованиями СТО ПАО «ФСК ЕЭС» [6], включая сохранение, версионный контроль, экспорт и импорт электронной модели СЭП;
  • автоматизированная разработка схемы ИТС и данных для проектной документации: подбор типовых проектных решений по СЭП с последующей генерацией необходимых текстовых, табличных и графических отчетов (состав и количество типовых шкафов и устройств, заказная спецификация шкафов и устройств, перечень функций и сигналов и др.). Экспорт данных для типовой проектной документации в форматах *.dwg и *.pdf, а также в виде электронной модели;
  • отображение и экспорт отобранных типовых проектных решений, сгенерированных отчётов, спецификаций, списков сигналов, типовых структурных и функциональных схем;
  • централизованное ведение базы данных:
    • проектной документации на типовые шкафы;
    • функций и сигналов, в том числе с поддержкой обозначений по МЭК 61850-6;
    • типовых основных технических требований, бланков и инструкций.

Основой ЭК РЗА и АСУ ТП является база условно-графических обозначений (далее УГО) СЭП, чье графическое обозначение соответствует СТО 56947007–29.240.10.249–2017 (с изм. от 31.07.2018), и которые являются первичным фильтром для выбора типовых шкафов, а также утверждённые альбомы типовой проектной документации. Каждое УГО представляет собой параметрический объект с набором атрибутов, свойств (включая технические требования, предъяв-ляемые ПАО «ФСК ЕЭС» к оборудованию), содержащий узлы (интерфейсы) для их объединения в процессе разработке СЭП. На основе разработанной электронной модели СЭП реализуется последующий функционал ЭК РЗА и АСУ ТП. Выходными формами для разрабатываемой документации являются:

  • СЭП;
  • схема ИТС;
  • схема с картами уставок устройств РЗА;
  • данные по устройствам РЗА: сводная ведомость типовых шкафов РЗА и технические требования к ним;
  • данные по АСУ ТП проектируемого объекта: сводная ведомость типовых шкафов АСУ ТП и технические требования к ним, информационная ёмкость АСУ ТП, типовая структурная схема и перечень сигналов в семантике стандарта МЭК 61850;
  • сводная ведомость типовых шкафов УПАСК и технические требования к ним;
  • таблицы с заданными уставками РЗА на проектируемые типовые шкафы.

Основным способом передачи информации при работе с ПО является использование Web-сервисов (Интернет-библиотека), что обеспечивает сетецентрический принцип обращения с базами данных. Использование Web-сервисов обеспечивает доступ пользователя к актуальной БД и интерактивность обращения с БД. Возможность работы с БД из разных географических точек обеспечивается высокой скоростью обработки запросов.

Необходимый для функционирования объём ПО ограничивается программным средством ЭК РЗА и АСУ ТП. В случае нестабильного канала связи с сервером, рекомендовано применение формата передачи данных через файлы *.XPGA. Формат файла.XPGA разработан на основании XML специально для передачи и сохранения полной информации по проекту. Реализованная в программном обеспечении схема передачи информации между пользователями системы представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема передачи информации между пользователями системы

Вариант схемы утверждения информационной модели СЭП/ИТС представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема утверждения ИМ СЭП/ИТС

Тестирование и техническая поддержка ЭК РЗА и АСУ ТП

Для организации процесса тестирования ЭК РЗА и АСУ ТП внешними организациями АО «НТЦ ФСК ЕЭС» реализован ряд мероприятий:

  • организован доступ к материалам типовых проектных решений ПАО «ФСК ЕЭС» средствами информационно-телекоммуникационной сети Интернет (URL: http://cis-ees.ru/TPR);
  • предоставлены временные бесплатные лицензии для тестирования программного обеспечения ЭК РЗА и АСУ ТП;
  • организована система технической поддержки пользователей (URL: http://bugnet.cis-ees.ru), в которой можно задать вопрос по работе комплекса, сообщить об ошибке или сделать предложение по работе ЭК РЗА и АСУ ТП;
  • подготовлен информационный канал, содержащий обучающие видеоматериалы (URL: https://www.youtube.com/channel/UCEsl7YWkMXSOwClHHuS_Ww).

С 2018 г. инициативно получили доступ к материалам типовых проектных решений и временные лицензии для тестирования ПО «ЭК РЗА и АСУ ТП» 70 организаций (более 1000 пользователей), среди которых лидеры рынка как проектирования, так и изготовления устройств ИТС.

В функции технической поддержки входит расширение базы и её обновление в период опытной эксплуатации. Необходимость использования корпоративных решений по РЗА, АСУ ТП, а также ЭК РЗА и АСУ ТП включена в задания на проектирование инновационных проектов ПАО «ФСК ЕЭС», рассматриваемые в качестве пилотных объектов для внедрения инновационного оборудования, технологий и новой техники.

Планируемые работы и дальнейшее развитие ЭК РЗА и АСУ ТП

Наличие электронной модели открывает широкие возможности для автоматизации процессов проектирования. В период опытной эксплуатации от пользователей внешних организаций поступили следующие предложения по совершенствованию функционала:

  • запросы на автоматизированный расчёт вторичных цепей тока и выбора параметров ТТ;
  • автоматизированный расчёт вторичных цепей напряжения и выбора параметров ТН;
  • автоматизированное формирование схемы организации цепей напряжения;
  • автоматизированное формирование схемы организации СОПТ;
  • расширение программного модуля формирования схемы распределения устройств ИТС по ТТ и ТН, с учётом типовых технических решений по ПА;
  • разработать корпоративную проектную документацию на шкафы СОПТ, цепей вторичной коммутации;
  • существует необходимость функционала формирования файлов описания объектов МЭК 61850 в формате языка SCL;
  • расширение корпоративного профиля МЭК 61850 ПАО «ФСК ЕЭС».

С учётом полученных результатов и поступивших предложений ПАО «ФСК ЕЭС» планируют инициировать работы, направленные на расширение информационного и инструментального обеспечения разработанного программного обеспечения:

  1. Актуализация и дополнение ЭК РЗА и АСУ ТП техническими решениями, не вошедшими в перечень ранее разработанных.
  2. Создание корпоративных типовых технических решений для подстанций ПАО «ФСК ЕЭС»:
    • проектной документации на шкафы РЗА, цепи вторичной коммутации, не вошедших в НИОКР 1й очереди;
    • проектной документации на шкафы локальной противоаварийной автоматики ПС;
    • типовой проектной документации на шкафы СОПТ;
    • типовой логики работы терминалов РЗА в составе типовых шкафов;
    • типовых технических требований к централизованным защитам и сенсорным дисплеям централизованных защит;
    • типовых технических требований к АСУ ТП без оперативного персонала.
  3. Разработка требований и типовых технических решений, связанных с внедрением современных цифровых технологий для создания ПС нового поколения:
    • актуализация и расширение
    • корпоративного профиля МЭК 61850 ПАО «ФСК ЕЭС»;
    • создание инструмента для просмотра и графического отображения файлов описания структуры подстанции в формате SCL;
    • разработка и испытание алгоритмов резервирования GOOSE-сообщений и SV-потоков;
    • разработка программного обеспечения для формирования стандартных файлов описания объектов МЭК 61850 в формате языка SCL.
  4. Создание автоматизированной среды разработки проектной и другой профильной документации на РЗА, ПА, АСУ ТП и СОПТ, включая решения по цифровым подстанциям (расширение ПТК «ЭК РЗА и АСУ ТП»):
    • разработка ПО для автоматизации расчётов, необходимых при выполнении проектной документации в части РЗА и СОПТ;
    • разработка ПО для автоматизации расчётов;
    • расчёт вторичных цепей тока и выбора параметров ТТ, вторичных цепей напряжения и выбора параметров ТН;
    • автоматическая выгрузка выходных отчётов и электронных документов, разработанных в САПР, в разрабатываемую в смежном НИОКР систему автоматической диагностики и повышения эффективности обслуживания устройств РЗА, АСУ ТП и СИ;
    • разработка ПО для проектирования и эксплуатации РЗА;
    • разработка ПО для просмотра файлов, написанных в формате SCL;
    • разработка ПО для проектирования и сопровождения в процессе эксплуатации комплексов ПА.

ЛИТЕРАТУРА

  1. IEC61850. Part 4: System and project management. IEC-61850. Part 6: Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs.
  2. IEC61970. Part 301/IEC61968. Part 11: Common Information Model (CIM). Harmonization of IEC 61970, 61968 and 61850 Models-Technical Report.
  3. Yilin Huang and others A SIMULATION BASED DESIGN FRAMEWORK FOR LARGE SCALE INFRASTRUCTURE SYSTEMS DESIGN.
  4. Левин Д. и др. Энциклопедия PLM- технологий.
  5. Приказ ПАО «ФСК ЕЭС» № 227р от 28.05.2019 «О внесении изменений в распоряжение ОАО «ФСК ЕЭС» от 26.05.2015 № 274р».
  6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018610248 «Электронный каталог типовой проектной документации на РЗА и АСУ ТП (ЭК РЗА и АСУ ТП)».
  7. ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.240.10.249-2017 (с изм. От 31.07.2018). «Правила оформления принципиальных электрических схем подстанций».
  8. Горелик Т.Г. и др. К вопросу гармонизации CIM-модели энергосистемы и SCL описания подстанции.
  9. Волошин А.А. и др. Разработка системы автоматического синтеза тестовых сценариев и проверки правильности выполнения ПНР комплексов РЗА ЦПС.
  10. Кириленко О.В. и др. Новые инструменты для проектирования на базе МЭК 61850.
  11. Шеметов А.С. и др. Многокритериальная оптимизация инженерной деятельности на основе типовых технических решений РЗА и АСУ ТП ПАО «ФСК ЕЭС».

Шеметов Андрей Сергеевич родился 9 октября 1973 г. В 1995 г. окончил Ивановский государственный университет. В настоящее время работает заместителем начальника департамента релейной защиты, метрологии и автоматизированных систем управления технологическими процессами ПАО «ФСК ЕЭС». Руководит НИОКР «Разработка электронного каталога типовых проектных решений для проектирования и конфигурирования оборудования системы защиты, управления ПС, включая решения по цифровым ПС с применением наилучших доступных технологий». Является автором 5 опубликованных научных трудов и статей.

Архипов Игорь Леонидович  родился 7 июля 1981 г. В 2006 г. окончил Московский энергетический институт. Занимает должность начальника департамента инновационного развития ПАО «ФСК ЕЭС». В период с 2015 по 2017 гг. работал ученым секретарем Технического комитета Российского национального комитета СИГРЭ.

Брагута Максим Валериевич родился 24 августа 1983 г. В 2006 г. окончил Московский энергетический институт, к. т.н. Работает директором по информационно-управляющим системам АО «НТЦ ФСК ЕЭС». Член научно-технического совета АО «НТЦ ФСК ЕЭС». Автор 12 опубликованных научных трудов и изобретений.

Ковыршина Татьяна Валерьевна родилась 12 февраля 1981 г. В 2004 г. окончила Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана. Занимает должность начальника Группы информационного моделирования ИТС АО «НТЦ ФСК ЕЭС». В период с 2004 по 2017 гг. занималась проектированием систем вторичной коммутации и управления.