Главная » О компании » Новости » Применение ПАК ЦДЭС для автоматизации расчета параметров срабатывания РЗА
04 сентября 2025, 13:08

Применение ПАК ЦДЭС для автоматизации расчета параметров срабатывания РЗА

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

«Автоматизированный расчет параметров срабатывания релейной защиты и автоматики» (АРПС РЗА) — приложение в составе пакетов ПАК «ЦДЭС» — позволяет создавать модели устройств РЗА и автоматизировать процессы расчета параметров срабатывания РЗА и подготовки отчетной документации. В приложение АРПС РЗА в качестве входной информации используется модель рассматриваемой электроэнергетической системы, которая создается в приложении Редактор ЭЭС, является единой для каждого проекта ПАК «ЦДЭС» и используется во всех приложениях проекта. При этом для проведения расчетов нагрузочных и аварийных режимов используется приложение «Автоматизированный расчет режимов» (АРР).
Все приложения ПАК «ЦДЭС» реализованы в рамках одной платформы, поэтому взаимодействие АРПС РЗА и АРР не требует участия пользователя.
На текущий момент функционал приложения АРПС РЗА позволяет:
  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.

 
Рисунок 1. Модальное окно настройки подключения модели устройства РЗА
 .
В шаблоне устройства РЗА конкретного производителя присутствует полный перечень защит в соответствии с описанием производителя. В существующих терминалах РЗА различных производителей одни и те же параметры срабатывания могут иметь различные обозначения, поэтому в моделях существующих терминалов используется терминология конкретного производителя РЗА. В пользовательском терминале может быть выбрано ограниченное число функций на усмотрение пользователя, а при описании настроек функций РЗА используется общепризнанная терминология. В качестве примера вид настроек функции МТЗ для пользовательского терминала представлен ниже (Рисунок 2).
Рисунок 2. Модальное окно настройки максимальной токовой защиты
 .
Пользователь может ограничиться конфигурированием терминала на этом этапе, полученная конфигурация устройства РЗА может быть экспортирована в бланк параметрирования, что облегчает процесс оформления документации не только при проектировании, но и при необходимости позволяет изменить параметры срабатывания в процессе эксплуатации. Для выполнения автоматизированного расчета параметров срабатывания защиты достаточно задать настройки, влияющие на состав расчетных условий и выполнение расчетов, например, для максимальной токовой защиты это «Использовать ПОН», «Зависимая выдержка времени на срабатывание» и «Коэффициент возврата».
При автоматизированном расчете параметров срабатывания в АРПС РЗА для каждой функции, входящей в терминал РЗА, определяется требуемый перечень расчетных условий в достаточном количестве. При формировании перечня используется алгоритм сегментирования электрической сети, определяющий границы защищаемых объектов любого типа: ЛЭП, трансформаторы, токоограничивающие реакторы, шины, а также вводные и секционные (шиносоединительные) выключатели и т. д. Все расчетные условия, зависящие от количества смежных участков, создаются в необходимом количестве с наименованиями, учитывающими уникальные обозначения оборудования смежных участков сети. Например, для ступенчатых защит в наименовании расчетного условия всегда будет указываться тип элемента в смежном участке, а также номер конца смежного участка. Расчетные условия синтезируются на основе правил, составленных в соответствии с требованиями общих НТД [2, 3], локальных НТД [4], а также с рекомендациями методических указаний конкретных производителей устройств РЗА, в том числе отраслевые стандарты по отдельным производителям РЗА [5].
Выбор расчетных схемно-режимных вариантов работы электрической сети при определении параметров срабатывания и оценке чувствительности защит на данный момент осуществляется инженером-расчетчиком. Для рассмотрения полного набора вариантов по критерию N-k с учетом положений РПН трансформаторов требуется изменение следующих параметров: режим работы нагрузок, положение выключателей, режим работы генерирующих установок, положение РПН трансформаторов. Под изменением режима работы нагрузок понимаются, как правило, четыре режима: зимний максимум, зимний минимум, летний максимум и летний минимум. В таком случае количество сценариев нагрузочных режимов составляет:
.
где М – общее количество генерируемых сценариев нагрузочного режима;
N – количество выключателей в схеме.
Сценарии аварийного режима генерируются на основе сценариев нагрузочных режимов с указанием вида КЗ и места повреждения. Местом повреждения выбирается один из узлов электрической сети. В каждом новом сценарии аварийного режима происходит изменение вида КЗ и места КЗ.
Таким образом, число сценариев аварийного режима зависит от числа узлов сети и числа сценариев нагрузочного режима:
.
где S – общее количество генерируемых сценариев аварийного режима;
C – количество узлов сети.
Таким образом, анализ возможных схемно-режимных вариантов работы энергосистемы является объемной, трудоемкой работой, поэтому в существующей практике при выборе параметров срабатывания, как правило, ограничиваются рассмотрением перечня наиболее вероятных схемно-режимных вариантов. Кроме того, выбираемые в соответствии с
методическими рекомендациями по расчету параметров срабатывания режимы КЗ необходимо проверять в соответствии с аварийным режимом, чтобы исключить излишнее загрубление защиты.
Приложение АРПС РЗА, работая в связке с АРР, позволяет снизить трудозатраты, сроки выполнения, а также предотвратить возможные ошибки при выполнении задач расчета и анализа схемно-режимных вариантов работы энергосистемы. Для каждого выбранного пользователем расчетногоусловия в АРПС РЗА автоматически формируется соответствующее задание на расчет сценариев нагрузочного или аварийного режима с требуемыми настройками генерации пакетных расчетов. При генерации заданий на расчет режимов учитываются требуемые виды КЗ, необходимость синтезировать пакет сценариев с изменениями топологии и положений отпаек РПН. Пример модального окна настройки параметров сценария приведен на рисунке Рисунок 3.
Рисунок 3. Модальное окно создания сценария режима
 .
В зависимости от расчетного условия автоматически формируется фильтр поиска максимального или минимального значения искомого расчетного тока или напряжения среди пакета сценариев. Таким образом, в АРПС РЗА после расчета режимов из АРР передается вся требуемая информация для дальнейшего расчета параметров срабатывания. Пример экрана приложения АРР с настройками фильтрации и сортировки приведен на рисунке Рисунок 4.
Рисунок 4. Модальное окно настройки фильтрации
 .
В соответствии с итоговым расчетным условием автоматически рассчитываются параметры срабатывания реле во вторичных величинах в соответствии с коэффициентами трансформации ТТ и ТН, а также рассчитываются коэффициенты чувствительности.
Коэффициент чувствительности рассчитывается для всех контрольных точек защищаемого участка, а также при необходимости для каждого смежного участка электрической сети в зоне дальнего резервирования. В качестве требований по значениям коэффициентов чувствительности используются методические указания [5].
Среди возможностей работы с результатами расчетов АРПС РЗА, кроме текстовых описаний и расчетных формул, пользователю доступны построение карты селективности, отражающей согласованность защит с относительной селективностью между собой, построение характеристик срабатывания защит в соответствии с функционалом защиты (времятоковые характеристики, характеристики реле сопротивления и т. д.), проверка параметров срабатывания РЗА при заданном КЗ. Пользователю доступны настройки состояния электрической сети до КЗ и параметров КЗ, а также возможность задания отказа элементов для дополнительной проверки условий срабатывания защит в зоне дальнего резервирования.
Для удобства работы с отчетной документацией предусмотрен экспорт пояснительной записки, в которой отображены используемые отстроенные значения режимных параметров, рассчитанные параметры срабатывания защит, карты селективности и характеристики срабатывания. Также доступен экспорт бланка параметрирования в редактируемом формате с учетом терминологии производителей РЗА. Кроме того, доступен экспорт файла электронной документации CPD (Configure Parameters Description) в виде xml-файла, который семантически соответствует стандарту МЭК 61850.
 .
 .

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.

 .
 .
Список литературы
1) Волошин А.А., Волошин Е.А., Лебедев А.А. Результаты разработки российского программно-аппаратного комплекса реального времени «Цифровой двойник энергосистемы» / Энергоэксперт, №2, 2023, С. 48 – 52
2) СО ЕЭС «Методические указания по расчету и выбору параметров настройки резервных токовых защит линий электропередачи 110 кВ и выше»
3) СО ЕЭС «Методические указания по расчету и выбору параметров настройки дистанционных защит линий электропередачи 110 кВ и выше»
4) СТО 56947007-29.120.70.305-2020 «Методические указания для выбора параметров настройки и срабатывания МП устройств РЗА оборудования 6-35 кВ объектов ЕНЭС»
5) СТО 56947007-29.120.70.99-2011 «Методические указания по выбору параметров срабатывания устройств РЗА подстанционного оборудования производства ООО НПП «ЭКРА»»
6) Приказ Министерства энергетики Российской Федерации от 10.07.2020 № 546 «Об утверждении требований к релейной защите и автоматике различных видов и ее функционированию в составе энергосистемы и о внесении изменений в приказы Минэнерго России от 8 февраля 2019 г. № 80, от 13 февраля 2019 г. № 100, от 13 февраля 2019 г. № 101»