Волошин А.А., Коваленко А.И., Вертогузов Д.А., НИУ МЭИ, Шамис М.А., ЗАО «ЭнЛАБ»

В статье описывается функционал программно-аппаратного комплекса «Цифровой двойник энергосистемы» (ПАК ЦДЭС) для автоматизации расчета параметров срабатывания устройств релейной защиты и автоматики в составе приложений «Автоматизированный расчет параметров срабатывания РЗА» (АРПС РЗА) и «Автоматизированный расчет режимов» (АРР).

Ключевые слова: автоматизация расчета режимов, расчет параметров срабатывания защит

В электроэнергетике одной из важных задач на этапах проектирования и эксплуатации объектов является расчет параметров срабатывания комплекса РЗА, от которого зависит корректное функционирование электрической сети и надежность работы электротехнического оборудования. При выборе параметров срабатывания РЗА выполняется большой объем расчетов с учетом особенностей топологии и режимов работы электрической сети, каталожных данных электротехнического оборудования, геометрии фазных проводников и протяженности линий электрический передач и т. д. Ручной расчет может быть часто осложнен, из-за чего возникает необходимость в применении специализированного программного обеспечения, позволяющего упростить процесс выбора параметров срабатывания РЗА.

Указанные задачи могут быть решены посредством разработанного в Центре НТИ МЭИ ПАК «ЦДЭС» – передового российского программно-аппаратного комплекса, обеспечивающего моделирование процессов в энергосистемах различного масштаба – от микроэнергосистем до крупных энергетических комплексов [1]. В зависимости от решаемых задач ПАК «ЦДЭС» может быть предложен в нескольких пакетах поставки:

• «ЦДЭС. Эксплуатация» — предназначен для установки в диспетчерских центрах: сбор телеинформации, автоматизированная актуализация расчетных моделей, выполнение оптимизационных расчетов, расчет и адаптивное изменение уставок РЗА в режиме онлайн, реализация алгоритмов систем автоматического восстановления электроснабжения, оптимизация режимов работы с учетом прогнозов генерации и потребления, управление возобновляемыми источниками энергии и системными накопителями энергии, управление электрозарядной инфраструктурой;
• «ЦДЭС. Испытания» — симуляция нормальных и аварийных режимов в реальном времени, проведение испытаний устройств РЗА с возможностью подключения по цифровым протоколам, а также с использованием усилителей тока и напряжения и дискретных входов/выходов;
• «ЦДЭС. Университет» — проведение лабораторных работ, выполнение курсовых и типовых проектов, выполнения ВКР для студентов, обучающихся по таким специальностям как «Сети и системы», «Релейная защита и автоматика», «Электроснабжение промышленных предприятий», а также для выполнения НИОКР;
• «ЦДЭС. Наладка» — мобильный ПАК для применения на энергообъектах. Симуляция нормальных и аварийных режимов в реальном времени, проверка устройств РЗА с подключением по цифровым протоколам, а также с использованием усилителей тока и напряжения и дискретных входов/выходов;
• «ЦДЭС. Режимы» — расчет нормальных и аварийных режимов сетей электроснабжения промышленных предприятий и электрических сетей с учетом токов самозапуска двигателей, расчет параметров срабатывания РЗА, проверка устойчивости генерации и нагрузки, проверка термической стойкости кабелей, отключающей способности выключателей и т.д.;
• «ЦДЭС. Проектирование» — автоматизированное проектирование комплексов РЗА ЦПС в соответствии со стандартом МЭК 61850, создание файлов SSD и SCD на языке SCL, автоматизированный расчет параметров срабатывания РЗА, автоматизированная проверка правильности проектных решений, синтез оптимальной топологии электрических сетей по критериям SAIDI/SAIFI, CAPEX/OPEX;
• «ЦДЭС. Киберполигон» – автоматический расчет и оценка последствий кибератак для энергосистем и систем электроснабжения.

Автоматизация расчета параметров срабатывания РЗА

1. Создавать и конфигурировать модели устройств РЗА;
2. Синтезировать расчетные условия для расчета и выбора параметров
   срабатывания функций РЗА с учетом топологии, режимов работы,
   вида защищаемого объекта;
3. Синтезировать и производить расчет требуемого перечня сценариев
   нагрузочных и аварийных режимов;
4. Производить расчет параметров срабатывания для устройств
   релейной защиты и проверку их правильности;
5. Строить карты селективности защит;
6. Экспортировать пояснительную записку и бланки параметрирования для устройств РЗА.

Устройства РЗА могут быть представлены существующими моделями производителей РЗА, имеющимися в библиотеке АРПС РЗА, или пользовательскими устройствами РЗА. Для создания модели устройства РЗА выбирается необходимый шаблон устройства и настраиваются его основные параметры: подключение к измерительным трансформаторам тока (ТТ), трансформаторам напряжения (ТН) и управляемым выключателям (Рисунок 1). В зависимости от назначения и особенностей выбранного шаблона устройства основные настраиваемые параметры могут варьироваться.

Заключение

Применение приложений «Автоматизированный расчет параметров срабатывания релейной защиты и автоматики» и «Автоматизированный расчет режимов» в составе ПАК «ЦДЭС» позволяет автоматизировать основные трудоемкие процессы по расчету параметров срабатывания РЗА, такие как синтез, расчет и фильтрация нагрузочных и аварийных режимов, расчет и проверка параметров срабатывания, формирование отчетной документации. Указанное дает возможность повысить качество и скорость выполнения расчетов, существенно снизить вероятность возникновения ошибок, обусловленных человеческим фактором.

Введение

Моделирование режимов энергосистем относится к числу важных прикладных и исследовательских задач, поскольку позволяет анализировать и прогнозировать поведение электрических сетей и электротехнического оборудования в различных условиях, оптимизировать их работу, повышать их надежность и устойчивость к возмущениям и нарушениям.

.

Существует достаточно большое разнообразие зарубежных программных и программно-аппаратных комплексов для моделирования в энергетике [1], но зачастую их применение ограничено сравнительно узконаправленной функциональностью, что недостаточно для решения комплексных инженерных, образовательных и научных задач. Учитывая задачи обеспечения технологического суверенитета страны, в НИУ «МЭИ» разработали программно-аппаратный комплекс «Цифровой двойник энергосистемы» [2] (ПАК ЦДЭС), позволяющий выполнять: - моделирование электроэнергетической схемы в режиме реального времени с шагом расчета от 30 до 150 мкс; - исследования электромагнитных и электромеханических процессов; - испытания устройств силовой преобразовательной техники; - испытания устройств релейной защиты и автоматики (РЗА); - испытания устройств синхронизированных векторных измерений (УСВИ); - моделирование алгоритмов защиты и автоматики.

Используемая архитектура ПАК ЦДЭС с применением ши­ны данных, микросервисной архитектуры, централизованной системы авторизации и контейнеризации приложений позволяет достаточно просто интегрировать новую функциональность [2]. В связи с этим для выполнения вышеописанных задач в состав ПАК ЦДЭС включен ряд различных приложений, обладающих следующим набором функций: - разработка схем энергосистем или импорт готовых схем посредством CIM-модели; - моделирование поведения энергосистем; - разработка сценариев симуляции на языке программирования (ЯП) Python; - создание пользовательских элементов посредством схем замещения или ЯП C/C++; - разработка и моделирование одно- и двухцепных воздушных и кабельных линий электропередачи с различной топологией и конфигурацией; - разработка, конфигурация и запуск виртуальных устройств защиты и автоматизации; - расчет интегральных показателей надежности схемы (SAIDI, SAIFI и др.); - конфигурация информационного обмена посредством протоколов передачи данных МЭК 60870-5-104, Modbus TCP, MQTT, UDP, МЭК 61850 (SV, GOOSE, MMS); - управление входами/выходами аналоговых и дискретных сигналов.

В рамках статьи представлена новая функциональность ПАК ЦДЭС, предназначенная для разработки моделей воздушных и кабельных линий посредством геометрического параметрирования ЛЭП, для создания пользовательских элементов, «снимков» режима и экспорта результатов моделирования в различные общепринятые форматы. Функциональность, разработанная ранее, представлена в публикациях [3] и [4].

Разработка электрической схемы и моделирование поведения энергосистем

Для разработки схемы электрической се­ти ПАК ЦДЭС включает в се­бя приложение «Редактор ЭЭС». В приложении доступна функция импорта электрической схемы посредством CIM-модели и разработки схемы с использованием встроенной библиотеки элементов. Библиотека элементов содержит одно- и трехфазные элементы следующих типов: - источники электроэнергии (эквивалент энергосистемы и синхронный генератор); - коммутационные аппараты (выключатель, разъединитель и т. д.); - вращающиеся машины; - потребители электроэнергии; - измерительные средства; - средства управления схемой (кнопка, индикатор, тумблер и другие).

Математические модели элементов перед добавлением в библиотеку приложения «Редактор ЭЭС» проходили множество испытаний и проверялись на сходимость с математическими моделями элементов всемирно признанного ПАК RTDS [3]. Различие результатов моделирования элементов при сравнении с ПАК RTDS во всех режимах составляло не более 0,01 %. Модели элементов библиотеки ПАК ЦДЭС позволяют моделировать такие явления, как бросок то­ка намагничивания, насыщение трансформаторов то­ка, феррорезонанс в трансформаторах напряжения и др.

Помимо уже готовой библиотеки элементов, для создания электрической схемы и последующего моделирования пользователю доступно создание собственных элементов и разработка воздушных и кабельных линий с произвольной конфигурацией и топологией.

Для моделирования пользовательских элементов разработано приложение «Редактор элементов», где пользователь составляет схему замещения из простых элементов: идеального трансформатора, источника то­ка, источника ЭДС, катушки индуктивности, конденсатора, резистора и взаимной неэлектрической це­пи. После создания элемента (задания его параметров и составления валидной схемы замещения) необходимо описать алгоритм его работы во встроенном редакторе ко­да на языке программирования C/C++. Посредством редактора ко­да созданного элемента можно описывать различные физические процессы и логику работы данного элемента.

Эта функциональность позволяет создавать собственные специфические элементы с оригинальной логикой работы под различные технологические режимы и физические процессы и использовать их при моделировании поведения энергосистем.

Разработка моделей воздушных и кабельных линий

В ПАК ЦДЭС для моделирования одно- и двухцепных воздушных линий (ВЛ) применяется модель Бержерона, так как данная модель линии разгружает параметры линии и позволяет достаточно легко производить моделирование ВЛ, в которых не происходит исследований процессов, связанных с изменением частоты. Существует два способа создания модели ВЛ: посредством задания электрических параметров и геометрическим способом. При задании параметров электрическим способом необходимо указать значения активного и реактивного сопротивлений последовательностей (рис. 1). Также для ВЛ необходимо указать способ расчета: как длинную линию или PI-секцию (модель с сосредоточенными параметрами).

Рис. 1. Окно задания параметров ВЛ электрическим способом 

Для задания параметров ВЛ геометрическим методом разработано специальное приложение «Редактор ВЛ и КЛ». Для моделирования ВЛ необходимо определить тип линии: одноцепная или двухцепная. После этого задать параметры ВЛ, представленные в табл. 1. На рис. 2 показаны скриншоты приложения «Редактор ВЛ и КЛ» при разработке модели одно- и двухцепных ВЛ.

Таблица 1. Параметры ВЛ при геометрическом методе задания параметров

Рис. 2. Модели ВЛ в приложении «Редактор ВЛ и КЛ» при геометрическом способе параметрирования:  а – одноцепная ВЛ; б – двухцепная ВЛ 

Разработанные модели ВЛ доступны для использования в электрических схемах для последующей симуляции режима энергосистемы. Результаты параметрирования ВЛ отображаются в ви­де матриц: - последовательностей продольных сопротивлений; - последовательностей поперечных проводимостей; - фазных продольных сопротивлений; - фазных поперечных проводимостей.

Помимо воздушных линий, ПАК ЦДЭС позволяет разрабатывать модели кабельных линий (КЛ) с использованием геометрического способа. Для конфигурации КЛ таким образом доступно задание следующих слоев: - Жила | Изоляция; - Жила | Изоляция | Экран | Изоляция; - Жила | Изоляция | Экран | Изоляция | Экран | Изоляция; - Жила | Изоляция | Экран | Изоляция | Экран | Изоляция | Экран | Изоляция.

В табл. 2 перечислены параметры КЛ. Стоит отметить, что параметры слоев КЛ зависят от выбранной конфигурации. На рис. 3 представлен скриншот приложения «Редактор ВЛ и КЛ» при параметрировании кабельных линий.

Таблица 2. Параметры КЛ при геометрическом методе задания параметров

Рис. 3. Геометрическая модель кабельной линии в приложении «Редактор ВЛ и КЛ»

По окончании параметрирования ВЛ и КЛ модели ЛЭП готовы к использованию при разработке электрических схем в приложении «Редактор схемы ЭЭС». После то­го как схема электрической се­ти разработана, необходимо выполнить валидацию, в рамках которой данное приложение проверяет схему на наличие источников электроэнергии и отсутствие островных изолированных участков. После успешной валидации разработанная схема се­ти автоматически передается в другие приложения ПАК ЦДЭС, например, в приложение «Симулятор ЭЭС», где происходит запуск симуляции разработанного решения. Стоит отметить, что в приложении «Симулятор ЭЭС» схема недоступна для редактирования и автоматически окрашивается в соответствии со стандартом «Правила оформления нормальных схем электрических соединений подстанций и графического отображения информации посредством ПТК и АСУ ТП» (СТО 56947007-25.040.70.101-2011) (рис. 4).

Рис. 4. Отображение электрической схемы: а – в приложении «Редактор ЭЭС»; б – в приложении «Симулятор ЭЭС» 

Настройка шага расчета при выполнении симуляции режимов работы энергосистем

При моделировании режимов работы энергосистем часто требуется изменение ша­га расчета режима в зависимости от количества элементов, состава технологических элементов и сложности моделируемой схемы.

В связи с этим в ПАК ЦДЭС имеется возможность изменения ша­га расчета режимов работы энергосистемы. В приложении «Симулятор ЭЭС» по умолчанию задан шаг расчета 50 мкс. При необходимости более точного моделирования допустимо установить шаг расчета 30 мкс. Увеличение ша­га расчета до 100 или 150 мкс позволяет расширить пользовательские возможности по моделированию и повысить, например, количество элементов в составе моделируемой энергосистемы без изменения аппаратных ресурсов. В настоящий момент проведены нагрузочные испытания ПАК ЦДЭС, в рамках которых одновременно симулировались режимы работы 12 электрических схем, каждая из которых содержала 673 однофазных топологических узла, включая 56 генераторов при ша­ге расчета 50 мкс.

Создание «снимка режима» и запуск моделирования

При моделировании больших энергосистем, содержащих множество синхронных генераторов или вращающихся машин с системами автоматического регулирования, требуется значительное время для выхода энергосистемы на установившийся режим. Это связано с возникновением переходных процессов и их последующим длительным затуханием, механической инерцией вращающихся машин и генераторов, большими постоянными времени автоматических регуляторов.

В ПАК ЦДЭС реализована функциональность создания «снимков» текущего мгновенного состояния симуляции для возможности запуска симуляции с нужного предварительно сохраненного момента. Все «снимки» режима симуляции сохраняются в памяти ПАК ЦДЭС. Использование данной функциональности позволяет существенно ускорить проведение исследований при работе со сложными моделями энергосистемы.

Экспорт результатов расчета и моделирования в различные форматы данных

После выполнения моделирования ПАК ЦДЭС позволяет экспортировать следующие результаты моделирования в различные форматы: - осциллограммы (формат COMTRADE); - схема энергосистемы и состояние режима симуляции (формат SVG); - графики (формат CSV, PNG); - журнал событий (формат CSV); - CIM-модель энергосистемы (формат XML); - однолинейная схема ПС (формат SSD); - результаты расчетов параметров надежности энергосистемы (XLSX).

Широкий список поддерживаемых и общепринятых форматов экспорта позволяет быстро и удобно использовать результаты моделирования для составления отчетов, протоколов исследования и т. д. Например, формат экспорта однолинейной схемы ПС SSD необходим для разработки решений по РЗА и АСУ ТП для цифровых подстанций (ЦПС), а такие форматы, как COMTRADE, CSV и XLSX, предоставляют возможность производить дополнительные вычисления и исследования на основе полученных данных из ПАК ЦДЭС.

Заключение

Представленная в статье функциональность расширяет ранее имеющиеся возможности ПАК ЦДЭС в части моделирования режимов энергосистемы. Моделирование длинных линий, различных топологий ВЛ и КЛ, создание «снимков» режима и экспорт результатов моделирования в различных форматах – все это необходимо при выполнении как инженерных, так и научных задач. Широкие функциональные возможности комплекса позволяют использовать ПАК ЦДЭС как единую многофункциональную и комплексную платформу взамен сразу нескольких ведущих программных и программно-аппаратных комплексов зарубежной разработки.

Литература

1. Форсайт П., Шамис М. А., Иванов Ф. А. Новая платформа NovaCor для симуляторов RTDS // Энергия единой се­ти. 2018. № 3. 2. Волошин А. А., Волошин Е. А., Лебедев А. А., Лебедева Н. С. Архитектура программного-аппаратного комплекса «Цифровой двойник энергосистемы» // Электрические станции. 2023. № 10. 3. Волошин А. А., Волошин Е. А., Лебедев А. А. Результаты разработки российского программно-аппаратного комплекса реального времени «Цифровой двойник энергосистемы» // Энергоэкспетр. 2023. № 2. 4. Волошин А. А., Волошин Е. А., Шамис М. А., Лебедев А. А., Малютин М. С., Рыжков А. К. Применение программно-аппаратного комплекса «Цифровой двойник энергосистемы» для подготовки научных и инженерных кадров в электроэнергетике // Энергоэксперт. 2024. № 1.

Коллеги из МЭИ опубликовали в журнале "Электрические станции" статью о симуляторе ЦДЭС "Архитектура программно-аппаратного комплекса "Цифровой двойник энергосистемы".

Ссылка на статью: Electric stations. Architecture of the CDEC_10.2023 package

.

Подробнее по ссылке: https://www.nntu.ru/news/detail/konkursy/vse-novosti/studenty-ngtu-im-re-alekseeva---pobediteli-vi

Магистранты института автоматики и электронного приборостроения стали призерами конкурса студенческих работ от EnLAB.

Подробнее по ссылке: https://kai.ru/web/institute-of-automation-and-electronic-instrument-making/news/new?id=12970610

• Григорьев Денис - I место;
• Петров Алексей - I место;
• Куликов Филипп - II место;
• Родин Никита - III место;
• Тычкин Андрей - III место

Поздравляем победителей и их наставников!

Никита Федорчук, магистрант факультета экологии и инжиниринга, занял первое место в VI Всероссийском открытом конкурсе работ студентов и аспирантов, выполненных с использованием цифровых симуляторов энергосистем. Конкурс прошел под эгидой ЗАО «ЭнЛАБ». Никита представил на конкурс свою магистерскую выпускную квалификационную работу «Моделирование релейной защиты линий напряжением 110-220 кВ в программном комплексе PSCAD». Студент смоделировал модель релейной защиты автоматики ЛЭП так, чтобы она срабатывала при разных повреждениях. Работая на цифровом симуляторе, Никита проанализировал работу действующей ЛЭП при различных коротких замыканиях. Созданная им модель обеспечит надежную защиту на всех участках линий электропередач.

Подробная информация по ссылке: http://nti.mpei.ru/mpei-students-are-the-winners-of-the-vi-student-work-competition-from-enlab/.

В журнале «ИСУП» (Информатизация и системы управления в промышленности) №4 2023г  вышла наша статья о линейке приборов серии PW400 компании PONOVO, предназначенных для технического обслуживания устройств РЗА.

В таблице представлены ключевые характеристики и функциональные возможности приборов серии PW400