Logo

Цифровая подстанция: Стандарт МЭК 61850. Цифровизация электрических сетей

О.И. Михаленко, АО «НТЦ ФСК ЕЭС»

В начале июля текущего года в Научно-техническом центре Федеральной сетевой компании состоялась II Международная конференция «Цифровая подстанция: Стандарт МЭК 61850. Цифровизация электрических сетей». Организаторами мероприятия выступили АО «НТЦ ФСК ЕЭС» совместно с голландской компанией «DNV GL — Energy», при поддержке ПАО «ФСК ЕЭС». Соглашение об этом было подписано на 47-й Сессии СИГРЭ в Париже в августе 2018 года.

Всего на мероприятие побывали более 250 гостей из 7 стран — Нидерландов, Германии, Австрии, Китая, Казахстана, Белоруссии и России. В рамках мероприятия состоялась выставка ведущих производителей оборудования для цифровых подстанций. В приветственном слове к делегатам генеральный директор НТЦ ФСК ЕЭС Андрей Епифанов подчеркнул особую важность заявленной темы конференции. «Вопросы цифровизации электрических сетей как никогда актуальны сегодня для России. У нас есть опыт, исследования, разработки, уже появились результаты внедрения передовых технологий. Конференция открывает возможности для профессионального диалога между всеми заинтересованными сторонами», — отметил А. Епифанов.

Руководитель по развитию бизнеса компании DNV GL Морис Андриансен отметил, что в развитие данной конференции было вложено немало усилий. «Я очень рад приветствовать уже знакомые компании и специалистов, а также тех, кто присоединился к нам впервые. Цифровизация электрических сетей — очень важный мировой тренд. Данная площадка открыва-ет перспективы для последующей совместной работы», — заметил М. Адриансен.

От имени Министра энергетики Российской Федерации приветственное слово участникам конференции направил Директор департамента государственной энергетической политики Минэнерго России Алексей Кулапин. По его словам, электроэнергетика наиболее восприимчива к технологическим изменениям, и сегодня формирует стабильный спрос на цифровые технологии. Вместе с тем совершенно очевидно, что для получения системных эффек-тов от внедряемых решений необходимо сформировать единый для всех участников взгляд на цифровую трансформацию ТЭК: создать общий для всех понятийный аппарат, единые стандарты на используемые технологии. «Все это позволит состыковать между собой различные решения и оптимизировать работу не только отдельных энергообъектов, но и целых энергосистем. Данная конференция является конструктивной площадкой для презентации новых цифровых технологий, обмена опытом, обсуждения практики внедрения цифровых технологий и оборудования цифровой электроэнергетики, и выработки консолидированной отраслевой позиции», — отметил А. Кулапин.

На конференции было заслушано 46 докладов, во время которых обсуждался практический опыт реализации цифровых проектов, рассматривались направления развитие информационных технологий, необходимых для перехода к цифровой электроэнергетике, различные аспекты построения «Интернета энергии» (IDEA), затрагивались вопросы применения в отрасли big data, решений в сфере машинного обучения и пр.

Технология «Цифровая подстанция», базирующаяся на стандарте МЭК 61850, разрабатывается последние 15 лет. Создано оборудование в виде цифровых устройств РЗА, цифровых контроллеров присоединений, цифровых систем управления подстанцией, поддерживающих обмен информационными потоками в формате MMS, GOOSE и Sample Value. Но главное достижение стандарта и данной технологии в целом — это унификация информационного обмена оборудования различных производителей.

В рамках развития цифровой тематики интересен опыт интегратора в контуре ГК «Росатом» по направлениям бизнесов АСУ ТП, «Электротехник» и «Цифровая энергетика» — АО «РАСУ». В настоящее время АО «РАСУ» формирует продуктовую стратегию развития ГК «Росатом», включающую в себя такие продукты как цифровая подстанция, технологии цифрового района электрических сетей (ЦРЭС), платформенные решения для нужд энергетики, технологии диагностики и самодиагностики, предиктивной аналитики и другие. Сегодня АО «РАСУ» занимается созданием не только новых продуктов, но и формирует среду для повышения их востребованности за счёт изменения нормативного поля. При этом продукты создаются исходя из внутреннего спроса, в том числе и для продаж на международном рынке.

В России применение технологии «Цифровая подстанция» сегодня сфокусировано на направлении «Типизация решений для ЦПС», которое охватывает следующие области создания ЦПС: проектирование, пуско-наладка, эксплуатация, мониторинг, подготовка кадров и пр. По мнению зарубежных экспертов, в части типизации наша страна занимает передовые позиции.

В рамках данного направления в ПАО «ФСК ЕЭС» было принято решение о применении корпоративных (типовых) технических решений, направленных на автоматизацию процессов проектирования, создание и ведение баз данных проектной документации на шкафы вторичных систем для последующего перехода к концепции проектирования на основе моделирования. В результате был создан электронный каталог корпоративных технических решений для РЗА и АСУ ТП. Это программное обеспечение, предназначенное для комплексного информационно-инструментального сопровождения процесса разработки проектной документации в части РЗА и АСУ ТП электросетевых объектов на базе корпоративных технических решений ПАО «ФСК ЕЭС».

Разработанное программное обеспечение является базовым элементом в формируемой системе информационного сопровождения оборудования и систем РЗА и АСУ ТП на всех стадиях жизненного цикла объекта (от проектирования до утилизации).

Типизацию и высокий уровень совместимости решений обеспечивают специальные профили МЭК 61850, которые конкретизируют требования стандарта с учётом специфики реализации функций на конкретных рынках.

Их применение позволяет автоматизировать операции проектирования и наладки оборудования вторичных систем в энергетике. Для энергокомпаний профиль — это возможность создать единое информационное пространство и осуществлять инжиниринг по единым правилам без ограничения конкуренции между поставщиками.

Создание профилей МЭК 61850 является глобальным мировым трендом. В том или ином виде они разработаны или разрабатываются различными организациями и странами, включая Испанию (группа E3), Китай (Государственная электросетевая компания Китая), Францию (RTE), а также объединение Европейских системных операторов (ENTSO-E). В качестве примера российской разработки на конференции был представлен корпоративный профиль стандарта МЭК 61850 ПАО «ФСК ЕЭС», созданный в рамках НИОКР по разработке каталога типовых решений РЗА, ПА и АСУ ТП.

Профиль применяется на ПС 110-750 кВ, конкретизирует и доопределяет требования стандарта в следующих областях:

  • модели данных функций РЗА, АСУ ТП и ПА;
  • описание элементов первичной схемы подстанций на языке SCL;
  • спецификация протоколов передачи данных;
  • требования к смежным системам (синхронизация времени, ЛВС и т. п.).

По словам представителя компании-разработчика ООО «ТЕК-ВЕЛ» Алексея Аношина, применение профиля позволяет достигать более высокой совместимости между оборудованием различных производителей при реализации типовых функций, формализовать требования к проектной и рабочей документации, а также использовать разработанные файлы описания конфигурации подстанции на всем жизненном цикле объекта.

Специалисты сходятся во мнении, что типовые решения — более дорогостоящие в сравнении с традиционными. Однако на конференции было отмечено, что при серийном использовании, а также при внедрении типовых решений другими сетевыми и генерирующими компаниями, они не только помогают значительно упростить процесс проектирования, пусконаладки и интеграции оборудования, но также становятся более выгодными с финансовой точки зрения.

Типизация решений на базе МЭК 61850 важна ещё и потому, что стандарт, являясь живой структурой, претерпевает множественные изменения. Нововведениям в стандарте МЭК 61850 был посвящён доклад представителя швейцарской компании IT4Power, являющегося руководителем РГ 10 ТК 57 МЭК Кристофера Бруннера. Он отметил, что в настоящее время стандарт уже вышел за пределы подстанции и продолжает совершенствоваться. «В новой редакции стандарта улучшен процесс проектирования, включая логическое моделирование, рассмотрены вопросы совместимости версий стандарта и т. д.», — отметил К. Бруннер.

Эффективность технологии «Цифровая подстанция» обеспечивается за счёт цифрового обмена данными между устройствами по информационным сетям ПС (у одного источника данных появляется несколько потребителей). Резервированная передача данных является важным функциональным аспектом шины процесса. «Посредством шины процесса происходит одновременная передача измеренных значений нескольким устройствам РЗА. Причем резервированная передача данных не требует значительного увеличения количества используемого оборудования. Благодаря ей происходит частичная централизация функций РЗА, что значительно повышает эффективность защиты», — отметил представитель компании «Сименс АГ» д-р Томас Либах. В рамках повышения надёжности работы системы релейной защиты, в настоящее время большое внимание уделяется вопросам технического обслуживания устройств РЗА, АСУ ТП и средств измерений, посредством перехода от системы обслуживания устройств по нормативам к обслуживанию по их состоянию.

Переход к цифровому представлению информации о техническом обслуживании осуществляется на базе международных стандартов по хранению и обмену информацией. Наиболее универсальным средством для решения данного круга задач является группа стандартов, посвящённая общей информационной модели — МЭК 61968, 61970 и 62325.

В рамках НИОКР ПАО «ФСК ЕЭС» «Разработка системы автоматической диагностики и повышения эффективности обслуживания устройств РЗА, АСУ ТП и средств измерений ПС» компанией ООО «ЭнергопромАвтоматизация», в составе консорциума с АО «НТЦ ФСК ЕЭС» и ООО «Релематика», была разработана корпоративная система автоматической диагностики и повышения эффективности обслуживания устройств РЗА, АСУ ТП и средств измерений ПС. ПТК «Эксплуатация» создан с целью постепенного перехода от планового обслуживания устройств к обслуживанию по состоянию. С помощью данного ПО осуществляется непрерывный, периодический и ситуационный мониторинг на основе данных об устройствах, а также собираемых на уровне ПС сигналов и осциллограмм. «Необходимо расширить внедрение цифровых технологий на весь жизненный цикл энергообъекта. Потребность в накоплении и анализе данных всего жизненного цикла объекта электроэнергетики является важным этапом для перехода на обслуживание по состоянию и созданию точной и многокритериальной обратной связи для исправления типовых решений. Внедрение новых технологий требует осмысления и упорядочения результатов, а это возможно лишь в том случае, если формализовать и «оцифровать» жизненный цикл ПС», — отмечает заместитель начальника департамента релейной защиты, метрологии и автоматизированных систем управления технологическими процессами ПАО «ФСК ЕЭС» Андрей Шеметов.

Практическая реализация технологии ЦПС показала необходимость наличия действующей системы регистрации аварийных событий в сочетании с контролем информационных потоков локальной вычислительной сети подстанции уже на начальных этапах монтажа и наладки энергообъекта. Для того чтобы понять, что происходит в шине процесса и шине станции, в каком состоянии находятся коммуникационное оборудование и оборудование, участвующее в информационном обмене, необходим некоторый механизм мониторинга, функции которого в полной мере может выполнять система регистрации аварийных событий нового поколения. «Практический опыт свидетельствует, что система регистрации аварийных событий для цифровой подстанции даже более важна, чем для классической», — пояснил представитель компании «Прософт Системы» Юрий Иванов. Особое внимание на конференции было уделено нововведениям в МЭК 61850. Представитель компании DNV GL из Нидерландов Нильс Хейкер проанализировал процедуры тестирования, предусмотренные вторым изданием стандарта. В своем выступлении докладчик отметил, что вторая версия стандарта содержит много подробных примеров тестирования для проверки разделов «SCL» и «Документация», также более подробно проработаны процедуры проверки разделов «Ассоциация» и «GOOSE-сообщения».

«Увеличение длительности тестирования не прогнозируется, однако будет разумно пересмотреть процедуры испытания перед новым тестированием. Приятно отметить, что многие тестовые сценарии проверки SCL написаны на более понятном для инженеров языке. Также теперь будет проще генерировать файлы SCL, так как правила стали более чёткими и строгими», — рассказал Н. Хейкер.

В настоящее время одной из главных проблем проектирования цифровых подстанций в России является отсутствие отечественных нормативных документов в этой области. По словам заместителя руководителя департамента технического маркетинга ООО НПП «ЭКРА» Александра Гурьева, сегодня не регламенти- рованы такие важные аспекты как выбор оборудования, состав проектной документации, формат её представления, процесс согласования с конечным потребителем и многое другое. «Фактически единственным документом, описывающим технологии «Цифровая подстанция», её оборудование и процесс проектирования является сам стандарт МЭК 61850.

При этом он оставляет решение многих вопросов за проектировщиком и заказчиком», — поясняет А. Гурьев.

Отсутствие отечественной нормативной базы приводит к возникновению у проектировщика вопросов и другого характера:

  • должны ли технические решения по цифровизации присоединений 110 кВ и выше применяться и для класса напряжения 6-35 кВ?
  • каким образом организовать взаимодействие цифрового комплекса с традиционным?
  • какие решения должны быть применены в части специфических подсистем подстанции, например, центральной сигнализации?

Все вышесказанное приводит в первую очередь к тому, что каждый из проектов ЦПС требует значительных трудозатрат. Современные энергосистемы сталкиваются с новыми проблемами из-за растущей нагрузки от возобновляемой генерации, старения активов и изменения рыночных условий. В результате сетевые компании нуждаются в улучшении ситуационной осведомленности и поддержке принятия решений для эффективного контроля и повышения надёжности энергосистем.

Как указывается в концепции «Цифровая трансформация 2030» ПАО «Россети», ответ на эти вызовы возможен только при широком автоматическом и автоматизированном управлении: от электросетевого предприятия до режимов работы конечных потребителей.

Такое управление подразумевает применение современных цифровых технологий, важнее место среди которых занимает промышленный интернет вещей (IoT) или интернет энергии (IoE). Подобная инфраструктура обеспечивает повышение эффективности и надёжности работы цифровой электрической сети с минимальными транзакционными издержками в интересах всех участников бизнес-процессов в электросетевом комплексе.

Как правило, в энергокомпании существует только одна физическая электрическая сеть, однако у неё есть десятки представлений в различных подразделениях. Несоответствия данных в разных подразделениях могут приводить к неточностям общей модели сети, неоптимальной производительности системы и чрезмерному ручному труду в целях актуализации данных. В настоящее время энергокомпании прикладывают много усилий, чтобы обеспечить постоянную синхронизацию моделей, легкий обмен данными между этими системами, а также с соседними энергокомпаниями. Цифровой двойник — это связующее звено, которое объединяет все данные в современной энергокомпании. Он автоматически обеспечивает синхронизацию данных, таким образом, что одна цифровая модель соответствует одной физической электрической сети.

Сегодня для прогнозирования возобновляемых источников и электрических нагрузок активно применяются новые технологии, такие как наука о данных и машинное обучение. В распре делительных сетях датчики IoT и интеллектуальных электронных устройств на цифровых подстанциях будут собирать большие объёмы данных. Эти данные могут быть проанализированы и сопоставлены с другими наборами данных, для получения нового представления о сети.

Перспективам использования этих технологий в энергетике были посвящены доклады представителей компания DNV GL Т. Борста, ООО «Сименс» Е. Никитиной, ООО НПП «ЭКРА» В. Матисона.

После утверждения 21 декабря 2018 года в ПАО «Россети» концепции «Цифровой трансформации 2030» и введения в действие 29 марта 2019 г. СТО 34.01–21–004–2019 «Цифровой питающий центр. Требования к технологическому проектированию цифровых подстанций напряжением 110-220 кВ и узловых цифровых подстанций напряжением 35 кВ», СТО 34.01–21–005–2019 «Цифровая электрическая сеть. Требования к проектированию цифровых распределительных электрических сетей 0,4-220 кВ» появились условия для проектирования объектов электрических сетей на новых (цифровых) принципах. Тем не менее, сегодня отраслевые программы по ЦПС, ЦЭС (цифровым электрическим сетям), ИБ (информационной безопасности) развиваются отдельно. По мнению представителя АО «НИПОМ» Владимира Зинина, этот факт усложнит достижение целей, поставленных в концепции «Цифровой трансформации 2030». «Отдельные программы должны быть гармонизированы, а в части систем технологического управления следует предусмотреть построение и дальнейшее развитие доверительной вычислительной среды, опирающейся на отечественные программно-аппаратные решения», — В. Зинин.

Итоговая дискуссия, состоявшаяся в последний день Конференции, выявила тенденции путей развития технологии «Цифровая подстанция» на краткосрочную и среднесрочную перспективы.

Очевидно, что в ближайшие годы определяющим трендом станет типизация решений для ЦПС, что соответствует отечественным, и общемировым тенденциям. При условии массового внедрения типовых решений, уже через несколько лет будет отмечено существенное повышение уровня надёжности эксплуатации электросетевых объектов, эффективности процессов инжиниринга, строительства и пуско-наладочных работ. В рамках заданного правительством РФ курса на цифровизацию электрических сетей, сегодня отмечается значительное увеличение количества продуктов от производителей соответствующего оборудования. В этой связи существенно возрастает роль полигонных испытаний и сертификации продукции. В АО «НТЦ ФСК ЕЭС» был создан независимый от производителей полигон вторичного оборудования, оснащенный программно-техническими испытательными комплексами, на котором проводятся различные виды испытаний новых образцов элементов АСУ ТП, РЗА и ЛВС на соответствие заявленным функциональным характеристикам, требованиям международного стандарта МЭК 61850 и профильным НТД. Участники дискуссии отметили, что по завершению процесса цифровой трансформации электрических сетей, в России будет сформирована новая эффективная клиент ориентированная инфраструктура для передачи и распределения электроэнергии, обеспечивающая надёжное электроснабжение потребителей.