СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ РОССИЙСКОГО ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ РИТМ И RTDS ПРИ ТЕСТИРОВАНИИ РЗА

Введение

Цифровизация отрасли электроэнергетики ведет не только к усложнению микропроцессорной техники в области релейной защиты и автоматики, увеличению количества потоков данных и общего развития информационной инфраструктуры на объектах, а также ко все большему применению современных инструментов и методов разработки и тестирования всех этих систем и устройств.

Рис. 1. КПМ РИТМ

 

Команда лаборатории цифрового моделирования в электроэнергетике ЦИТМ Экспонента внедряет концепцию модельно-ориентированного проектирования (МОП) в отрасли, неотъемлемой частью этой концепции являются программно-аппаратные комплексы моделирования в реальном времени (ПАК РВ). 

ПАК РВ применяются при разработке и тестировании терминалов релейной защиты и автоматики. В настоящее время электроэнергетика, как отрасль, переживает стадию активного импортозамещения. В связи с этим необходимо проводить сравнительный анализ лучших образцов ПАК РВ зарубежных и отечественных производителей. Инженеры ЦИТМ Экспонента и ГК Текон поставили перед собой цель провести сравнительные испытания КПМ РИТМ и RTDS.

1. Российский программно-аппаратный комплекс моделирования в реальном времени КПМ РИТМ.

В электроэнергетике концепция МОП не нова и появилась еще до тренда цифровизации. Однако полноценный МОП в разработке до сих пор не применяется, но комплексы полунатурного моделирования или машины реального времени получили распространение. На рынке присутствовали западные решения, ставшие стандартом при моделировании в жестком реальном времени, к примеру, RTDS. В настоящее время существует альтернатива в виде российского комплекса КПМ РИТМ. Это программно-аппаратный комплекс моделирования в реальном времени, который позволяет проводить моделирование в жестком реальном времени, в том числе моделей энергосистем и элементов логики работы и цифровой обработки сигналов устройств защиты и автоматики. Данный комплекс имеет бесшовную интеграцию с российской средой моделирования Engee и широко известной MATLAB/Simulink.

В рамках электроэнергетики КПМ РИТМ позволяет проводить испытания на цифровых двойниках объектов энергетики, в том числе и цифровых подстанций. Такие цифровые двойники учитывают как «физическую», так и информационную часть объекта, что позволяет тестировать вторичные цифровые устройства и системы не только путем моделирования различных режимов работы первичной сети, но и сценариев возникновения киберинцидентов. Причем с использованием таких комплексов полунатурных испытаний возможна автоматизация процесса тестирования и испытания устройств защиты и автоматики с генерацией отчета по прохождению программы испытаний, что может существенно ускорить процесс разработки и внедрения новых цифровых устройств на объекты энергетики. В концепции МОП с помощью полунатурных испытаний микропроцессорных устройств защиты и автоматики и испытания прототипов этих устройств на машинах реального времени разработчики могут ускорить процесс создания конечных микропроцессорных терминалов и тестировать их на имитационных моделях электроэнергетических объектов.

Комплекс содержит большое количество модулей интерфейсов сопряжения с внешними устройствами. Так для связи с внешними устройствами по «меди» КПМ РИТМ имеет модули ЦАП и АЦП для передачи значений показаний измеряемых в модели величин на подключенное оборудование, а для передачи дискретной информации доступны модули цифровых входов и выходов типа «сухой» контакт и модули релейных выходов до 300 В соответственно. Для связи по цифровым протоколам передачи данных в КПМ РИТМ могут быть установлены модули Ethernet с реализацией протоколов GOOSE и SV по МЭК61850 , PTP для синхронизации времени, PRP для резервирования, C37.118 для работы с синхронизированными векторными измерениями, а также Modbus. Также есть поддержка Aurora по оптическому каналу связи для реализации скоростного обмена данными для нужд энергетики. Количество физических и цифровых интерфейсов масштабируется и подстраивается под решение различных задач.

Масштабирование моделей на КПМ РИТМ можно проводить при применении технологии использования многоядерности процессора для расчета отдельных частей модели на различных вычислительных ядрах и потоках, а с использованием модулей ПЛИС можно добиться шага расчета в единицы микросекунд, например, для моделирования элементов силовой электроники.

Решение в области моделирования в реальном времени на базе КПМ РИТМ ничем не уступает западным аналогам, а для подтверждения этого был проведен сравнительный анализ с широко распространенным среди предприятий электротехнического профиля ПАК РВ от компании RTDS, командой лаборатории цифрового моделирования в электроэнергетики ЦИТМ Экспонента и инженерами департамента РЗА из группы компаний Текон были проведены испытания терминала защиты синхронного генератора ТЕКОН 300 GB с помощью российского КПМ РИТМ и RTDS.

2. Сравнительные испытания терминала ТЕКОН 300 на КПМ РИТМ и RTDS.

Для сравнительных испытаний двух этих комплексов было проведено совместное тестирование терминала защиты синхронного генератора ТЕКОН 300 GB совместно с его разработчиками из ГК Текон.

ГК Текон, будучи одним из лидеров на рынке устройств РЗА, предъявляет высокие требования к инструментам разработки, в том числе к программно-аппаратным комплексам реального времени. В виду этого инженеры компании являются опытными пользователями ПАК РВ от RTDS, а теперь и пользователями КПМ РИТМ, который по решению руководства компании был приобретен для замены канадского производителя. Поэтому при их участии и контроле были проведены совместные сравнительные испытания терминала защиты на двух комплексах моделирования в реальном времени на цифровом двойнике электроэнергосистемы.

Подобные испытания являются очень показательными как для самого терминала, так и для КПМ РИТМ. В ходе испытаний терминал проходит огромное количество тестов, показывая готовность к установке на реальный объект. КПМ РИТМ на практике показывает, что комплекс действительно может моделировать все необходимые режимы работы электроэнергетической системы, а также информационных систем связи с тестируемым устройством.

Испытания включают в себя моделирование двойника энергосистемы, реализацию функционала для проведения опытов на этом двойнике, а также подключение терминала РЗА и его тестирование. Заключительным этапом является оценка правильности работы терминала РЗА, а также сравнительный анализ опытов, проведенных на КПМ РИТМ и RTDS.

Испытания проводились на модели блока синхронный генератор-трансформатор, который подключается к обобщенной энергосистеме через линию электропередачи (Рис. 2.). 

Рис. 2. Принципиальная схема участка сети

 

Сам генератор работает на напряжении 20 кВ и мощностью 400 МВА, подключается к сети 220 кВ через повышающий трансформатор. Параметры всего оборудования были выбраны и представлены инженерами из ГК Текон и соответствуют параметрам реального защищаемого терминалами ТЕКОН 300 GB оборудования. Наименования моделируемого оборудования представлены в Таблице 1.

Терминал защиты генератора ТЕКОН 300 GB комплексное устройство, которое содержит большое количество защитных функций, содержит функции с абсолютной и относительной селективностью и обеспечивает комплексную защиту электрической машины.

Таблица 1. Типы и наименования оборудования

 

3. Цифровой двойник электроэнергосистемы.

Одним из важнейших элементов подобного тестирования является создание имитационной модели энергосистемы, которая бы включала в себя функционал и могла с высокой точностью реализовывать весь спектр заложенных испытаний. 

На момент прохождения испытаний для запуска цифрового двойника на КПМ РИТМ была собрана модель системы в MATLAB/Simulink. Для создания такой модели использовались блоки специализированной библиотеки для физического моделирования электроэнергетических систем и возможности программного пакета поддержки КПМ РИТМ (Рис. 3).

Названия в модели на Рис. 2 соответствуют принципиальной схеме Рис.2. Модель генератора (1 на Рис. 3) полностью учитывает как электрическую, так и механическую часть электрической машины, поэтому в модели можно видеть влияние переходных процессов на работу машины, что позволяет моделировать такие процессы как синхронные качания и асинхронный ход синхронного генератора.

Рис. 3. Модель энергосистемы

 

Дополнительно к модели генератора была реализована модель алгоритма управления режимом работы генератора – автоматика регулирования возбуждения (АРВ) с системой возбуждения и автоматика регулирования частоты вращения (АРЧВ) (2 на Рис. 3). 

Модели трансформаторов (3 на Рис. 3) полностью учитывают законы электромагнитной индукции и способны моделировать переход с одного класса напряжения на другое с учетом геометрии магнитопровода, потерь в стали и насыщения магнитопровода.

Линия электропередачи смоделирована П-образной схемой замещения и учитывает геометрию взаимного расположения проводов и относительно земли (4 на Рис. 3). Нагрузка (5 на Рис. 3) моделируется специальным блоком, в котором возможно задать потребляемую мощность и регулировать ее в реальном времени, выбирать группу соединений. Энергосистема для подключения модели блока генератор-трансформатор представлена обобщенным источником напряжения 220 кВ (6 на Рис. 3).

Также модель содержит блоки для моделирования замыканий разных видов (7 на Рис. 3) и логику для моделирования различных ненормальных режимов работы сети, которые добавляются в базовой модели «физики» в зависимости от опыта.

4. Испытательный стенд.

Другой важной частью испытаний является сам комплекс полунатурного моделирования. Данный комплекс должен быть достаточно производительный, чтобы просчитывать модель энергосистемы с заданным шагом расчета в реальном времени, при этом не выходя за него и не нарушая моделирование в реальном времени. В данных испытаниях модель просчитывается с шагом расчета 150 мкс. Данное значение времени выполнения позволяет смоделировать весь перечень физических явлений, а также данный шаг расчета модели меньше шага работы органов цифровой обработки сигналов терминала. 

Рис. 4. Принципиальная схема стенда полунатурного моделирования

 

Принципиальная схема стенда полунатурного моделирования на базе КПМ РИТМ представлен на Рис. 4. На КПМ РИТМ моделируется двойник заданной сети. В данной модели предусмотрены измерители, с которых показания тока и напряжения передаются через ЦАП машины на усилители, которые приводят контрольный сигнал напряжения ±10 В от ЦАП к 100 В для цепей напряжения и 1/5 А по цепям тока в номинальном режиме. Таким образом терминал подключается к точкам измерения цифрового двойника сети.

В ходе проведения опытов терминал должен давать обратную связь о своей работе в модель сети, для этого в КПМ РИТМ установлен модуль цифровых входов и выходов. Выходные реле терминала ТЕКОН 300 GB были подключены к каналам на плате цифровых входов на КПМ РИТМ, таким образом через «сухой» контакт терминал передает в машину реального времени сигнал о срабатывании. Внутри модели этот сигнал уходит на реализацию управляющего воздействия, например отключение выключателей или гашение поля генератора.

Дополнительно между терминалом и КПМ РИТМ был организован канал связи по Ethernet, по которому машина реального времени отправляет на терминал GOOSE-сообщения для дополнительного запуска записи осциллограмм помимо записи по срабатыванию логики защиты. Таким образом была реализована шина станции/процесса между устройствами. Формат кадра может быть полностью адаптирован под конкретный терминал, все поля кадра поддаются редактированию и настройке.

Для синхронизации внутренних часов устройств ТЕКОН 300 GB и КПМ РИТМ в той же сети Ethernet с помощью протокола PTPv2 была организована синхронизация времени между терминалом и комплексом моделирования. КПМ РИТМ при синхронизации по PTPv2 может принимать роль ведомого при наличии внешних мастер часов или выступать в роли мастера и быть источником времени для остальных устройств в сети.

5. Сравнительный анализ результатов испытаний.

В рамках настоящих испытаний было проведено более 30 опытов 12 защитных функций. В таблице 2 раскрыты некоторые из опытов, которые были проведены в ходе испытаний. Также в данной таблице приведены значения погрешности между результатами моделирования на КПМ РИТМ и RTDS в характерных точках, которые отмечены на осциллограммах далее. 

 

Таблица 2. Режимы для испытания терминала

При проведении анализа осциллограмм результатов испытаний на КПМ РИТМ и RTDS внимание обращалось на основные три аспекта: схожесть значений показаний электрических величин, качественное совпадение переходных процессов и идентичное действие терминала. 

Цель данных тестов предоставить опытное подтверждение для специалистов ГК «Текон», что российский программно-аппаратный комплекс способен функционально заместить именитого западного производителя в области моделирования в реальном времени. Причем в таких областях, как организация обмена информации по протоколам по МЭК 61850 КПМ РИТМ превосходит RTDS.

В опыте №1 таблицы 2 проверялась работа алгоритма защиты от замыканий на землю обмотки статора генератора при однофазном замыкании на землю последнего стержня генератора. При замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью не будет увеличения фазных токов, как в сети с заземленной нейтралью, поэтому основным критерием наличие замыкания выступает изменение напряжения в поврежденной фазе и наличие напряжения нулевой последовательности. Точки измерения показаний TV4 и TV7 на Рис. 5. На осциллограммах Рис. 6 видно, что оба комплекса идентично смогли смоделировать подобное повреждение, при этом терминал корректно отреагировал и произвел действие на отключение. В момент ликвидации замыкания можно видеть апериодическую составляющую напряжения, при этом с учетом небольшой разновременности работы выходных реле терминала можно сказать, что эта составляющая также была схожа как на КПМ РИТМ, так и на RTDS.

Рис. 5. Указание точек измерения для защиты

 

В опыте №2 (Рис. 7) проверялась работа алгоритма максимальной токовой защиты выпрямительного трансформатора путем моделирования двухфазного замыкания на стороне низшего напряжения трансформатора возбуждения (ТВ). Точки измерения показаний TA28 на Рис. 5. Данное замыкание интересно тем, что при замыкании на стороне низшего напряжения в точке измерений защита фиксирует ток повреждения после перехода через трансформатор с группой соединения Y/Δ-11. Качественно и количественно опыты очень близки друг к другу и с точки зрения терминала имеют минимальные различия.

В опыте №3 проверялась работа алгоритма односистемной поперечной токовой дифференциальной защиты путем моделирования фазы А между двумя точками параллельных обмоток генератора. Синхронный генератор является сложной электрической машиной и повреждения в нем могут быть самые разные, поэтому и набор алгоритмов защиты тоже должен быть достаточный для выявления всех этих событий. Точки измерения показаний TA26 на Рис. 5. Как видно из осциллограмм на Рис. 8 оба комплекса справились с моделированием подобного повреждения с маленькой погрешностью результатов относительно друг друга.

Помимо опытов замыканий в разных точках сети при тестировании работы функций защиты необходимо уметь моделировать и другие электромагнитные и электромеханические переходные процессы. В качестве примеров таких опытов в таблице 2 показаны опыт № 4 и 5.

В опыте № 4 проверялась работа алгоритма защиты от несимметричной перегрузки путем моделирования отключения фазы А выключателя Q1 на стороне 220 кВ блока. Точка измерений находилась на обмотке статора генератора. Точки измерения показаний TA24 на Рис. 5. Как видно из осциллограмм Рис. 9 оба комплекса с маленькой относительной погрешностью смоделировали ненормальный режим работы сети с возникновением обратной последовательности. При этом можно увидеть, что переходной процесс во время отключения фазы, а также последующие колебания качественно совпадают как на КПМ РИТМ, так и на RTDS.

При проведении опыта № 5 из раскрытых опытов проверялась работа алгоритма защиты от обратной активной мощности. Данный опыт показывает, как может измениться режим работы машины и какие при этом возникнут качания мощности в системе. Точки измерения показаний TA19 и TV4 на Рис. 5. Например, в данном случае (Рис. 10) после сброса пара, в системе начались качания с реверсом активной мощности, который успешно фиксировала защита. КПМ РИТМ и RTDS смогли смоделировать данный процесс с большой точностью относительно результатов друг друга как с точки зрения значения мощности в нормальном и переходном режимах, так и с точки зрения развития переходного процесса.

Выводы.

Как показали проведенные испытания, российский КМП РИТМ способен функционально заменить RTDS в области моделирования в реальном времени. КПМ РИТМ успешно применяется для тестирования терминалов релейной защиты и позволяет провести безболезненный переход на отечественные программно-аппаратные комплексы.

Комплексы полунатурного моделирования позволяют проводить тестирование устройств защиты и автоматики, в том числе проводить сертификацию устройств, а также проводить быстрое прототипирование оборудования. При использовании в разработке устройств РЗА эти комплексы позволяют ускорить разработку, повысить качество устройств и безопасно применять их на объектах после комплексного тестирования.

Рис. 6. Внутреннее К(1) фазы А в точке К2 в конце обмотки статора

 

Рис. 7. Внутреннее К(2) фаз B и C в точке К4 на ХХ генератора при отключенном Q2

 

Рис. 8. Замыкание фазы А между двумя точками параллельных обмоток генератора

 

Рис. 9. Неполнофазный режим работы сети 1 Отключение фазы А выключателя Q1

 

Рис. 10. Реверс мощности, вызванный сбросом пара