В журнале "Релейная защита и автоматизация", №03 (60), сентябрь 2025 опубликована статья "Применение контроллеров на процессорах RISC-V совместно с программно-аппаратным комплексом "Цифровой двойник энергосистемы", авторы Волошин А.А., Волошин Е.А., Лебедев, А.А., Лачугин В.Ф., Домрачев В.А., Танюрчев Н.В. Аннотация: рассматривается применение контроллеров, реализуемых с применением процессоров архитектуры RISC-V при выполнении автоматизированных систем управления технологическими процессами с открытой архитектурой, а также интеграция программно-аппаратного комплекса «Цифровой двойник энергосистемы». Обсуждаются проблемы, связанные со стандартизацией и совместимостью оборудования в области автоматизированных систем управления технологическими процессами. Рассматривается также разработка прототипа программируемого логического контроллера на базе RISC-V для управления технологическим оборудованием. Приводится описание функциональной схемы, процесса разработки прикладного программного обеспечения и испытания прототипа, а также результаты, подтверждающие возможность интеграции с программно-аппаратным комплексом «Цифровой двойник энергосистемы».

В журнале "Энергоэксперт", № 3,  2025 опубликована статья "Применение ПАК ЦДЭС для автоматизации расчета параметров срабатывания РЗА", авторы Волошин А.А., Коваленко А.И., Вертогузов Д.А. (НИУ МЭИ), Шамис М.А. (ЗАО «ЭнЛАБ»)

В журнале "Электроэнергия. Передача и распределение", №2 (89), март-апрель 2025 опубликована статья "Методика расчета показателей надежности цифровых систем РЗА различных архитектур с применением ПАК ЦДЭС", авторы Волошин А.А., Лебедева Н.С., Маринов Я.А., Лештаев И.И., Иволгин В.Б. Настоящая статья посвящена вопросам оценки надежности систем релейной защиты и автоматики (РЗА) цифровых подстанций (ЦПС) различных архитектур. Авторами статьи разработан специализированный метод автоматизированного расчета показателей надежности цифровых систем РЗА. Указанный метод реализован в разработанном Центром НТИ МЭИ ПАК Цифровой двойник энергосистемы. В статье подробно описан метод автоматизированного расчета, а в качестве примера его использования приведен демонстрационный расчет показателей надежности одного из вариантов реализации релейной защиты трансформатора 110 кВ в соответствии с III архитектурой РЗА ЦПС. Кроме того, приведены результаты расчета показателей надежности аналогичных схем релейной защиты трансформатора 110 кВ, реализованных на базе других типов архитектур РЗА ЦПС: I, II архитектуры РЗА ЦПС, централизованной архитектуры, а также архитектуры с применением интеллектуальной системы релейной защиты и автоматики.

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.

В статье рассмотрены функциональные возможности, которые дает программно-аппаратный комплекс «Цифровой двойник энергосистемы» и его новые приложения. Теперь доступны: разработка электрической схемы с применением пользовательских элементов и собственных геометрических моделей линий электропередачи, настройка шага расчета при выполнении симуляции режимов работы энергосистем, создание «снимка режима» и запуск моделирования с использованием «снимков», экспорт результатов расчетов и моделирования в различные форматы данных.  

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".

В статье представлено описание архитектуры программно-аппаратного комплекса реального времени "Цифровой двойник энергосистемы", рассмотрено аппаратное обеспечение каждого уровня комплекса, а также состав программных модулей, исполняемых на каждом уровне, описаны преимущества модульного построения комплекса для реализации различных вариантов применения комплекса.

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

 

Подведены итоги VI Всероссийского открытого конкурса работ студентов и аспирантов по электроэнергетической и электротехнической тематикам, выполненным с использованием симуляторов. Конкурс проводился ЗАО «ЭнЛАБ» при поддержке АО «НИЦ ЕЭС» (Россия), НПП «ЭКРА» (Россия) и компании PONOVO Power Co. (Китай).

.

В число призеров вошел магистр кафедры электроснабжения ЮЗГУ Игорь Брежнев. Решением жюри он стал дипломантом конкурса за выпускную квалификационную работу «Исследование качества электроэнергии в сетях жилых, общественных и производственных зданий на примере анализа высших гармоник». Почетный диплом также был вручен научному руководителю ВКР, доценту кафедры электроснабжения Дарье Куделиной.   Подробности далее по ссылке: https://vk.com/wall-108852_32884

Студенты Нижегородского государственного технического университета стали победителями и призерами VI конкурса студенческих работ по электроэнергетической и электротехнической тематикам, выполненных с использованием симуляторов реального времени. Ежегодный конкурс проводится ЗАО «ЭнЛАБ» при поддержке компаний-партнеров конкурса - АО «НИЦ ЕЭС», НПП «ЭКРА», Ponovo.  

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.

Всероссийский открытый конкурс работ студентов и аспирантов по электроэнергетической и электротехнической тематикам, выполненных с использованием симуляторов, проводится ЗАО «ЭнЛАБ».  

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

Звездный для ИГЭУ Шестой всероссийский открытый конкурс работ студентов и аспирантов по электроэнергетической и электротехнической тематикам, выполненных с использованием симуляторов Конкурс проводился ЗАО «ЭнЛАБ», г. Чебоксары, при поддержке АО «НИЦ ЕЭС» (Россия), НПП «ЭКРА» (Россия) и компании PONOVO Power Co. (Китай). Обучающиеся электроэнергетического факультета ИГЭУ собрали целый урожай наград!

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

Научные руководители - Иванов И.Е., Лебедев В.Д., Шадрикова Т.Ю., Яблоков А.А.

Поздравляем победителей и их наставников!

  Подробнее по ссылке: http://ispu.ru/node/19900