Осциллограмма испытания АОПО

Имитационные модели электроэнергетических объектов для разработки систем противоаварийной автоматики

Опубликовано в номере:
PDF версия
В современном мире разработчикам релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем все чаще требуются средства для ускорения и оптимизации разработки и тестирования устройств. При этом возникают вопросы необходимости быстрого прототипирования алгоритмов работы устройств и их отладки, а также оперативного испытания уже готовых изделий перед прохождением сертификаций в соответствующих организациях. Решить эти вопросы помогает создание цифровых двойников электроэнергетических объектов.

Один из способов ускорить создание и тестирование релейной защиты и автоматики — разработка и испытание устройств с помощью комплексов полунатурного моделирования на базе машин реального времени и специальных програм­мных комплексов математического моделирования физических процессов. Разработчик может создавать прототипы устройств и тестировать их на цифровых двойниках электроэнергетических объектов с помощью машин реального времени в рамках концепции по разработке и созданию стендов полунатурного моделирования (Hardware-In-the-Loop, HIL) и стендов быстрого прототипирования (Model-In-the-Loop, MIL). При этом не нужно подключать наше устройство к реальной сети и ждать аварий, которые опасны для оборудования, — вместо этого используется детальная модель энергосистемы. Эффективность таких методов разработки покажем на примере применения отечественного комплекса полунатурного моделирования «РИТМ», разработанного ООО «РИТМ». Главная задача этого комплекса — имитационное моделирование электроэнергетических объектов для исследования и разработки систем противоаварийной автоматики и релейной защиты.

 

Испытания устройств противоаварийной автоматики

Остановимся на вопросах сертификационных испытаний устройств противоаварийной автоматики и имитационной модели защищаемого объекта электроэнергетики. Противоаварийная автоматика в электроэнергетических системах — это комплекс автоматических устройств, который обеспечивает измерение и обработку параметров электроэнергетического режима, передачу информации и команд управления, предназначенных для выявления, ограничения развития и прекращения аварийных режимов в энергосистемах с классом напряжения 6–750 кВ. Стоит отметить, что энергосистема — сложная система непрерывной генерации, передачи и потребления электроэнергии со сложными электромеханическими и электромагнитными процессами. Большинство аварийных процессов протекает очень быстро: от десятков микросекунд до нескольких секунд. При такой скорости только автоматические устройства могут остановить развитие аварий и минимизировать последствия, которые могут быть очень тяжелыми: от порчи оборудования до массовых блэкаутов.

Существует множество видов противоаварийной автоматики, которая применяется в различных ситуациях и режимах. В нашем случае для проведения сертификационных испытаний ЦИТМ «Экспонента» была выбрана автоматика ограничения перегрузки оборудования (АОПО). АОПО не допускает излишней перегрузки оборудования по току, которая может вызвать порчу оборудования из-за термического воздействия токов большой величины.

Современная противоаварийная автоматика реализована на микропроцессорной элементной базе и представляет собой так называемые терминалы. На реальных объектах электроэнергетики (электрических подстанциях и станциях) терминалы противоаварийной автоматики компонуются в специальные шкафы, к которым прокладываются цепи связи и измерения с объекта. Поскольку противоаварийная автоматика — это сложное техническое устройство, которое выполняет важные функции для поддержания работы энерго­системы, к ней предъявляются особые требования на всех этапах жизни устройства — от разработки и тестирования до эксплуатации.

Перед выпуском устройства противоаварийной автоматики и его поставкой на объекты электроэнергетики необходимо пройти сертификационные испытания и получить все требуемые сертификаты, что является непростой задачей для разработчика. Испытания проводят с помощью специальных комплексов, которые моделируют участок энергосистемы с последующим запуском таких моделей на машинах реального времени, которые по цепям измерения (медным проводам или Ethernet) передают на устройство значение токов и напряжений. С точки зрения устройства противоаварийной автоматики подключение к такому комплексу не будет отличаться от подключения к реальной энергосистеме, то есть речь идет о цифровом двойнике реального объекта для испытания устройств. В ходе испытаний на комплексе моделируются аварийные ситуации в электроэнергетической системе и отслеживается правильность работы устройства противоаварийной автоматики в той или иной ситуации. Для облегчения прохождения таких испытаний, а также упрощения процесса разработки необходимы соответствующие инструменты. Разберем подробнее способы помочь разработчикам, а также каждую составляющую процесса испытаний: модель энерго­системы, машину реального времени и подключение устройств.

 

Имитационная модель электроэнергетической системы

Требования к различным видам противоаварийной автоматики и ее испытаниям описаны в специальных отраслевых стандартах. В рамках статьи нас интересует СТО 59012820.29.020.002–2018 «Релейная защита и автоматика. Автоматическое противоаварийное управление режимами энергосистем. Устройства автоматики ограничения перегрузки оборудования. Нормы и требования» (далее — стандарт) [1]. В документе приведены требования к функциям устройства и средствам проведения испытаний, а также методика проведения сертификационных испытаний.

Программа сертификационных испытаний, в соответствии со стандартом, должна содержать опыты, включающие проверки при таких возмущениях в сети, как короткие замыкания, замыкания на «землю», различные набросы мощности из-за отключения или включения потребителей энергии или же изменения мощности генерирующего оборудования. Причем эти процессы должны затрагивать не только электрическую часть физики процесса, но и влияние движущихся масс в электрических генераторах и двигателях.

Поскольку устройства подключаются по измерительным цепям к энергосистеме, в том числе по цепям тока, в стандарте есть и опыты с повреждением в них. Ввиду серьезных требований к самим устройствам, набору для испытания и, как следствие, сложности имитационной модели, разработчикам и центрам моделирования необходим инструмент, который бы отвечал всем нужным требованиям, — например, моделирование электромагнитных и электромеханических переходных процессов разной сложности как в самой сети, так и во вторичных цепях.

Для этих целей хорошо подходит MATLAB/Simulink. Физическое моделирование электрических процессов можно осуществлять с помощью встроенной в программный комплекс библиотеки элементов Simscape Electrical, а в частности Specialized Power Systems для моделирования электроэнергетических систем. Данные библиотеки включают множество различных элементов сети — от электрических машин, трансформаторов, элементов сетей до элементов возобновляемых источников энергии и силовой электроники, — а также логические элементы и средства измерения.

В стандарте приведены топология и состав силовых элементов в тестовой модели энергосистемы для испытания на ней АОПО (рис. 1), а также описаны параметры этих элементов. Стандарт требует от модели достаточной детализации с учетом набора элементов. Все эти условия были учтены при разработке модели в Simulink.

Схема тестовой модели энергосистемы

Рис. 1. Схема тестовой модели энергосистемы

Рассмотрим часть модели в Simulink (рис. 2), ответственную за «физику» процессов, происходящих в энергосистеме. Обозначения на Simulink-модели полностью соответствуют схеме сети. Сеть представлена несколькими классами напряжения в диапазоне 10 000–330 000 В. Передача электроэнергии между частями энерго­системы осуществляется по линиям электропередачи (ЛЭП) 330 кВ. Из-за конструкции ЛЭП и характера протекающих токов в линиях имеют место эффекты само- и взаимоиндукции, а также наличие емкостей между проводами и «землей». В модели учитываются индуктивные и емкостные свойства ЛЭП, в том числе влияние геометрии расположения самих проводов, а также распределенный характер параметров ЛЭП.

Simulink-модель энергосистемы

Рис. 2. Simulink-модель энергосистемы

Для перехода на другие классы напряжения, на которых, например, происходят генерация и потребление электроэнергии в сети, на каждой из трех подстанций (ПС1, 2 и 3) предусмотрены силовые трансформаторы с разными классами напряжения и коэффициентами трансформации. Как известно, трансформаторы работают по принципу электромагнитной индукции, который в полной мере учитывается в модели, в том числе потери энергии и форма стального сердечника этих трансформаторов с его влиянием на магнитное поле.

Источником электроэнергии в модели служит синхронный генератор большой мощности в 500 МВт. Модель выполнена с учетом уравнений Парка — Горева для описания синхронного генератора. Благодаря этому в модели учитываются вращение вала генератора и его влияние на электрический режим системы.

Модель генератора необходимо дополнить моделью алгоритма управления режимом работы генератора — автоматики регулировки возбуждения (АРВ), которая поддерживает необходимый уровень напряжения на обмотках генератора. Ориентируясь на параметры генератора по определенному закону регулирования, АРВ контролирует напряжение на обмотке возбуждения и впоследствии на роторе генератора.

На каждой подстанции есть обобщенные потребители активной мощности из сети, уровень потребления которых может меняться в диапазоне 0—1 ГВт, поэтому они смоделированы специальным динамическим блоком нагрузки.

Противоаварийная автоматика подключается к сети через специальные измерительные трансформаторы тока и напряжения, которые доводят токи и напряжения до безопасных для оборудования значений. Поскольку до терминала или промежуточного АЦП токи и напряжения идут по цепям, необходимо учитывать возможные в них замыкания.

Сама АОПО, подключаемая к измерительному оборудованию, контролирует токовую нагрузку, а также направление перетока мощности по ЛЭП №1. Для управления моделью, в том числе при работе в реальном времени, предусмотрена панель управления: она позволяет выбирать и запускать опыт из программы испытаний, например вызвать короткое замыкание или наброс нагрузки, а также управлять коммутационными аппаратами — силовыми выключателями.

В процессе моделирования энергосистемы встает вопрос о ее адекватности и соответствии выдвинутым требованиям. Стандартом описываются режимные параметры энергосистемы — уровни напряжения в ее узлах (на шинах подстанций), а также перетоки активной мощности от генерации к потребителям. В Simulink есть несколько инструментов, которые способны помочь в настройке модели для подтверждения ее соответствия стандарту. Во-первых, для электроэнергетических систем доступен инструмент Load Flow tool, который рассчитывает режим работы энергосистемы в зависимости от заданных параметров сети и режима работы оборудования. При соблюдении всех тонкостей построения сети этот инструмент уже дает большую точность по каждому из параметров: его погрешность менее 1% относительно предписанных значений. Чтобы еще больше приблизиться к требованиям, можно воспользоваться дополнительным инструментом — Parameter Estimator. Он поможет довести отдельные параметры режима до заданных величин путем итерационного перебора влияющих параметров до необходимой точности параметров режима. В итоге погрешность результатов измерения будет незначительной — тысячные доли процента от предписанных значений (рис. 3).

Точность моделирования

Рис. 3. Точность моделирования

Для демонстрации эффективности разработки и тестирования алгоритмов устройств противоаварийной автоматики в нашем проекте был разработан прототип АОПО в соответствии с типовой архитектурой алгоритма, применяемой в электроэнергетике. Например, за основу можно взять СТО 56947007–33.040.20.204-2015 «Типовые функции цифровых устройств противоаварийной автоматики ФСМ, ФТКЗ, АЧР, ЧАПВ, ЧДА, КПР, САОН, АОПО, АРПМ» [2].

Согласно основным требованиям, функции АОПО выполняются с контролем тока прямой последовательности и направления трехфазной активной мощности, также допустимо использовать алгоритмы с контролем тока и направления активной мощности только одной фазы. АОПО содержит две ступени срабатывания, рассчитанные на разное значение перегрузки по току и разные управляющие воздействия на сеть. Также АОПО обеспечивает адаптацию уставок к изменению температуры окружающего воздуха.

На рис. 4 показана Simulink-модель прототипа АОПО с указанием основных органов. Поскольку прототип АОПО будет принимать данные по измерениям из разработанной модели энергосистемы, а также отправлять управляющие воздействия в соответствии со стандартом МЭК 61850 «Сети и системы связи на подстанциях», в алгоритме предусмотрены органы для приема и обработки измерений тока и напряжения по SV-потокам, а также для приема показаний датчика температур по GOOSE-сообщениям, и органы для формирования и отправки управляющих воздействий в модель энерго­системы по GOOSE-сообщениям. Алгоритм включает измерительный орган для цифровой обработки принятых измерений тока и напряжения для выделения значения тока прямой последовательности и мощности, протекающего по ЛЭП. В пусковом органе формируется сигнал пуска алгоритма в случае превышения значения тока уставки срабатывания, сформированной на основе показаний датчика температур. В исполнительной логике формируется сигнал срабатывания в случае совпадения направления перетока мощности с уставкой и превышения заданной выдержки времени сигналом пуска.

Simulink-модель алгоритма АОПО

Рис. 4. Simulink-модель алгоритма АОПО

 

Стенд цифровой подстанции

Получив детальную модель тестовой энергосистемы и алгоритм противо­аварийной автоматики, необходимо провести тестирование разработанной АОПО в соответствии с программой испытаний из стандарта. В этом нам помогут машины реального времени на базе комплекса полунатурного моделирования «РИТМ». «РИТМ» — это специальный компьютер, который предназначен для выполнения задач в режиме жесткого реального времени, то есть секунда модельного времени будет рассчитываться за секунду реального времени с учетом шага дискретизации модели. Например, модель энергосистемы будет обсчитываться с шагом 250 мкс, при этом будет соблюдаться частота расчета в 4000 Гц.

Комплекс «РИТМ» полностью интегрирован в MATLAB/Simulink и имеет свою отлаженную библиотеку для работы. Операционная система машины — система реального времени, которая позволяет решать множество задач в рамках разработки и испытания устройств (например, быстрое прототипирование алгоритмов и их испытание на цифровых двойниках).

Стенд цифровой подстанции

Рис. 5. Стенд цифровой подстанции

Стенд полунатурного моделирования, который можно назвать двойником цифровой подстанции, представлен на рис. 5. Модель энергосистемы (рис. 2) будет работать на машине реального времени RITM_1, выступая в роли цифрового двойника энергосистемы и при этом генерируя поток измерений тока ЛЭП № 1 и напряжения с шин ПС № 2 по SV-потоку, а также передавая показания датчиков температуры воздуха по GOOSE-сообщениям, в соответствии со стандартом МЭК 61850, по сети Ethernet. Шаг модельного времени был выбран равным 250 мкс для привязки к этим протоколам. В свою очередь прототип АОПО будет работать на второй машине RITM_2, которая будет выступать в качестве терминала противоаварийной автоматики и получать измерения по шине процесса МЭК 61850, обрабатывать их и выдавать управляющие воздействия по GOOSE-сообщениям обратно на цифровой двойник энерго­системы. Две машины «РИТМ» будут синхронизированы между собой по времени протоколом PTPv2. Также обе они будут иметь связь с компьютером разработчика, который сможет отслеживать измерения, трафик в сети и генерировать управляющие воздействия для запуска опытов. На рис. 6 изображена реализация стенда цифровой подстанции в виде стойки.

Реализация стенда цифровой подстанции

Рис. 6. Реализация стенда цифровой подстанции

Для автоматизации работы разработчика во время тестирования на «РИТМ» с помощью MATLAB/Simulink можно проводить автоматическую обработку результатов испытаний и составлять автоматизированный отчет после многих часов испытаний и их итераций. В рамках автотестирования был проведен опыт из программы испытаний по набросу мощности на ЛЭП № 1 в ходе отключения нагрузки. На осциллограмме (рис. 7) представлена иллюстрация одного из опытов в ходе тестирования: видно повышение значения тока после отключения нагрузки и перераспределения потоков мощности. При этом были произведены пуск и срабатывание алгоритма автоматики через заданную выдержку времени.

Осциллограмма испытания АОПО

Рис. 7. Осциллограмма испытания АОПО

На рис. 8 представлен пример отчета на основе испытаний по набросу мощности на ЛЭП с указанием результатов испытаний и возможных причин неправильной работы. Разработчик после целой ночи такого автотестирования наутро сможет ознакомиться с отчетом и провести его анализ, при этом не тратя свое время на проведение однообразных серий испытаний.

Протокол испытаний АОПО

Рис. 8. Протокол испытаний

В рамках создания стенда цифровой подстанции для исследования и разработки противоаварийной автоматики были показаны возможности библиотек Simulink, которые позволяют реализовывать точные модели электроэнергетических объектов, которые вполне можно считать цифровыми двойниками. Широкие возможности MATLAB/Simulink по исследованиям и тестированию алгоритмов в динамике и построение гибких моделей для испытаний позволяют повысить качество разработки продукта. А использование «РИТМ» и Simulink в качестве основного инструмента разработчика цифровой релейной защиты и противоаварийной автоматики покрывает и ускоряет все стадии процесса разработки, вплоть до сертификационных испытаний.

Литература
  1. Стандарт АО «СО ЕЭС» (СТО 59012820.29.020.002–2018) «Релейная защита и автоматика. Автоматическое противоаварийное управление режимами энергосистем. Устройства автоматики ограничения перегрузки оборудования. Нормы и требования».
  2. Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС» (СТО 56947007–33.040.20.204-2015) «Типовые функции цифровых устройств противоаварийной автоматики ФСМ, ФТКЗ, АЧР, ЧАПВ, ЧДА, КПР, САОН, АОПО, АРПМ».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.