Сравнение различных вариантов построения релейной защиты цифровых подстанций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сравнение различных вариантов построения релейной защиты цифровых подстанций

А.А. Волошин, Д.О. Благоразумов

В рамках настоящей работы были проанализированы четыре различных варианта построения комплекса РЗА для ЦПС с реализацией «шины процесса» по стандарту МЭК 61850. Для каждого варианта были разработаны принципиальные электрические схемы, задания заводу на изготовление шкафов, структурные схемы ЛВС, кабельные журналы и сводные заказные спецификации. На основе разработанной РД был проведен сравнительный технико-экономический анализ вариантов. При разработке рабочей документации были учтены требования, предъявляемые к надежности релейной защиты на подстанциях

Ключевые слова -- Релейная защита и автоматика, МЭК 61850, локальные вычислительные сети, цифровая подстанция, технико-экономическое обоснование

Four different variants of composition of digital substation's relay protection complex with realization “process bus” with IEC 61850 were analyzed in this study. Principal electrical circuits, plant installation for the manufacture of cabinets, LAN structure schemes, cable logs and custom specifications summaries were made for each variant. Comparative technical and economic analysis based on developed working documentation has been hold. In the development of working documents were considered the requirements for the reliability of relay protection at the substations.

Keywords --relay protection and automation, IEC 61850, Local Area Network, digital substation, technical and economic analysis

В мире широкое развитие получила идея разработки и внедрения «цифровых подстанций» (ЦПС), основанная на применении стандарта МЭК 61850. Переход от традиционных подстанций к ЦПС обусловлен возможностью применения локальных вычислительных сетей для передачи мгновенных значений токов и напряжений (Sampled Values, SV) от измерительных трансформаторов к микропроцессорным (МП) устройствам РЗА. Разработка и внедрение ЦПС вызывает необходимость проведения технико-экономического анализа различных вариантов построения комплекса РЗА.

Сравнение различных вариантов построения РЗА ЦПС

В настоящее время не существует методических указаний по проектированию цифровых подстанций, вследствие отсутствия единого мнения об архитектуре ЦПС. В рамках настоящей работы были проанализированы четыре варианта построения комплекса РЗА для ЦПС с реализацией «шины процесса» по стандарту МЭК 61850:

установка МП терминалов РЗА и реализация в них функций РЗА в соответствии с «типовыми» проектными решениями;

установка двух одинаковых взаиморезервирующих МП терминалов РЗА на каждый защищаемый элемент с функциональной интеграцией всех защит (основных и резервных) одного защищаемого элемента в каждом МП терминале;

установка одного функционально интегрированного МП терминала РЗА на каждый защищаемый элемент и одной централизованной защиты всех элементов ЦПС, выполненной на базе высокопроизводительного сервера;

установка для каждого защищаемого элемента одного МП терминала РЗА, выполняющего все основные и резервные функции РЗА и обеспечивающего при отказах автоматическое перераспределение функций РЗА по МП терминалам, находящимся в рабочем состоянии [1].

Для каждого варианта были разработаны принципиальные электрические схемы, задания заводу на изготовление шкафов, структурные схемы ЛВС, кабельные журналы и сводные заказные спецификации. При разработке рабочей документации (РД) были учтены требования, предъявляемые к надежности релейной защиты на подстанциях.

На основе разработанной РД был проведен технико-экономический расчет, описанный в [2], данные которого представлены на рис.1.

Рис. 1. Сравнительная стоимость ПС при различных подходах к реализации комплекса РЗА

Помимо комплекса РЗ для каждого из вариантов был проведен расчет АСУ ТП с учетом особенностей исполнения цифровых подстанций и специфики каждой из архитектур:

- отсутствие необходимости применения измерительных преобразователей и контроллеров сбора информации за счет использования Merging Unit (MU), что ведет к уменьшению количества сетевых устройств, а значит к уменьшению затрат на организацию АСУ ТП;

- отсутствие необходимости резервирования SCADA-сервера в вариантах 3-7. Особенности построения структуры данных вариантов основаны на том, что непосредственно оборудование, выполняющее функции релейной защиты, имеет собственную базу данных, а, следовательно, может осуществлять накопление данных на период ремонта нерезервированного сервера SCADA;

- реализации РЗА с применением «шины процесса» позволяет устанавливать только дополнительный сервер РАС, а реализация РЗА ЦПС с гибкой функциональной архитектурой позволяет отказаться от их использования;

- вариант 7 приводит к полной автоматизации ПС и позволяет отказаться от использования АРМ вовсе.

В таблице 1 приведены данные по проведенному расчету АСУ ТП (стоимость АИИС КУЭ при расчетах не учитывалась). Для сравнения приведены данные по традиционной ПС без реализации шины станции, данные для варианта с централизованной архитектурой РЗА ЦПС (пятый вариант). Данные для РЗА традиционной ПС получены на основе РД по реальному проекту. Данные пятого, шестого вариантов получены с применением метода экспертных оценок на основе третьего, данные седьмого - на основе четвертого варианта.

Таблица I. Количество используемого оборудования для реализации АСУ ТП

На основе произведенного анализа был проведен технико-экономический расчет АСУ ТП, результаты приведены в таблице 2 в млн. руб. Для проведения технико-экономической оценки стоимости АСУ ТП ПС приняты следующие данные: АРМ - 200000 руб., измерительный преобразователь - 50000 руб., RedBox - 200000 руб., коммутатор АСУ ТП - 400000 руб., контроллер АСУ ТП с учетом шкафа - 1,5 млн. руб., шлюз ТМ - 500000 руб., SCADA-server с учетом шкафа - 3 млн. руб, стоимость изготовления шкафа - 600000 руб, контроллер присоединения с учетом шкафа - 2,2 млн. руб., РАС с учетом шкафа - 3,5 млн. руб.

Таблица II. Сводная таблица стоимости ПС при различных подходах к реализации. Цифры указаны в млн. руб.

Для более глубокой оценки вариантов были также рассчитаны затраты на эксплуатацию систем РЗА и АСУ ТП ЦПС, расчеты проводились в соответствии с нормами СТО ФСК [3], [4]. При расчете учитывались не только затраты на техническое обслуживание, но и затраты на эксплуатацию, в т.ч. поиск «земли» в СОПТ. Инфляция была принята равной 5% в год на основании таблицы коэффициентов-дефляторов Минэкономразвития до 2019 года.

Затраты на эксплуатацию оборудования РЗ рассчитывались по формуле

Затраты на оборудование АСУ ТП и связи рассчитывались по следующей формуле:

где - количество чел/час в год;

- базовая стоимость 1 чел/час, равная 433 руб.;

- коэффициент стоимости 1 чел/час в зависимости от выполняемых работ;

- эксплуатационный коэффициент, расчетный коэффициент для оценки стоимости эксплуатации, равный 25%;

- коэффициент дисконтирования, принятый равным 8%;

- коэффициент инфляция, равный 0,05;

- количество тех.обслуживаний (профилактический контроль и профилактическое восстановление) за расчетный период, равное 6;

- полный расчетный период, равный 20 годам.

В соответствии с приведенными формулами, указанными СТО ФСК ЕЭС и данными, полученными от эксплуатации, были рассчитаны следующие значения:

релейная защита подстанция цифровой

Таблица III. Расчетное количество чел/час в год

Таблица IV. Сводная таблица стоимости эксплуатации систем РЗА и АСУ ТП за расчетный период, равный 20 годам. Цифры указаны в млн.руб.

Рис. 2. Общая стоимость ПС при различных подходах к реализации комплекса РЗА

Трад. ПС - традиционная архитектура РЗА без применения «шины процесса».

1 вариант - традиционная архитектура РЗА с применением «шины процесса».

2 вариант - установка двух взаиморезервирующих МП терминалов РЗА для каждого защищаемого элемента с полным набором основных и резервных функций.

3 вариант - установка одного МП терминала РЗА на каждый защищаемый элемент с полным набором основных и резервных защит и централизованной защиты для всей ЦПС на базе высокопроизводительного сервера.

4 вариант - установка одного специализированного промышленного компьютера на каждый защищаемый элемент с полным набором основных и резервных функций с автоматическим перераспределением функций при отказе.

5 вариант - централизованная архитектура РЗА ЦПС.

6 вариант - установка интеллектуальных УСО с полным набором основных и резервных защит и централизованной защиты для всей ЦПС на базе высокопроизводительного сервера.

7 вариант - установка интеллектуальных УСО с полным набором основных и резервных защит с автоматическим перераспределением функций при отказе.

Вывод

При анализе результатов необходимо учитывать, что указанные стоимости и цены получены методом экспертных оценок и используются только для относительного сопоставления вариантов. Также необходимо учитывать тот факт, что в вариантах 4-7 стоимость программного обеспечения РЗА может варьироваться в широких пределах и влиять на итоговую стоимость комплекса РЗА и АСУ ТП. Помимо этого, необходимо отметить, что в рамках работы не учитывалась стоимость реализация АИИС КУЭ с применением «шины процесса».

Но с учетом принятых допущений проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

Стоимость АСУ ТП с применением «шины процесса» существенно ниже стоимости АСУ ТП на традиционной подстанции.

Применение «типовой» архитектуры комплекса РЗА и архитектуры, базирующейся на установке двух взаиморезервирующих терминалов РЗА на каждый защищаемый элемент, ведет к увеличению эксплуатационных затрат, так как количество устройств РЗА, УСО и ЛВС существенно больше чем при реализации РЗА без «шины процесса», а сложность их эксплуатации существенно выше.

Реализация РЗА ЦПС с централизованной архитектурой ведет к уменьшению затрат на эксплуатацию, но необходимы специальные решения по устранению общих причин отказа централизованных серверов.

Необходимо также рассматривать совокупную стоимость владения ЦПС в целом, включая АИИС КУЭ, ПА и другие информационно-технологические системы (ИТС).

Для ИТС необходимо отдельно решать задачу технико-экономического обоснования выбора варианта построения.

Список литературы

[1] Дьяков А.Ф., Волошин А.А., Жуков А.В., Нудельман Г.С. Применение оптимизационных методов при создании функционально интегрированных систем релейной защиты и автоматики. Релейщик. №1, 2016 г.

[2] Волошин А.А., Волошин Е.А., Благоразумов Д.О., Грачева Н.П., Тяпкин Н.В., Чаругина А.В. Сравнение различных вариантов построения РЗА ЦПС. Передача и распределение. №2(41), 2017 г.

[3] СТО 56947007-25.040.40.236-2016 «ФСК ЕЭС» «Правила технической эксплуатации АСУ ТП ПС ЕНЭС. Общие технические требования».

[4] СТО 56947007-33.040.20.141-2012 «ФСК ЕЭС» «Правила технического обслуживания устройств релейной защиты, автоматики, дистанционного управления и сигнализации подстанций 110-750 кВ»

Размещено на Allbest.ru