
Имитационные модели электроэнергетических объектов для разработки систем противоаварийной автоматики
Один из способов ускорить создание и тестирование релейной защиты и автоматики — разработка и испытание устройств с помощью комплексов полунатурного моделирования на базе машин реального времени и специальных программных комплексов математического моделирования физических процессов. Разработчик может создавать прототипы устройств и тестировать их на цифровых двойниках электроэнергетических объектов с помощью машин реального времени в рамках концепции по разработке и созданию стендов полунатурного моделирования (Hardware-In-the-Loop, HIL) и стендов быстрого прототипирования (Model-In-the-Loop, MIL). При этом не нужно подключать наше устройство к реальной сети и ждать аварий, которые опасны для оборудования, — вместо этого используется детальная модель энергосистемы. Эффективность таких методов разработки покажем на примере применения отечественного комплекса полунатурного моделирования «РИТМ», разработанного ООО «РИТМ». Главная задача этого комплекса — имитационное моделирование электроэнергетических объектов для исследования и разработки систем противоаварийной автоматики и релейной защиты.
Испытания устройств противоаварийной автоматики
Остановимся на вопросах сертификационных испытаний устройств противоаварийной автоматики и имитационной модели защищаемого объекта электроэнергетики. Противоаварийная автоматика в электроэнергетических системах — это комплекс автоматических устройств, который обеспечивает измерение и обработку параметров электроэнергетического режима, передачу информации и команд управления, предназначенных для выявления, ограничения развития и прекращения аварийных режимов в энергосистемах с классом напряжения 6–750 кВ. Стоит отметить, что энергосистема — сложная система непрерывной генерации, передачи и потребления электроэнергии со сложными электромеханическими и электромагнитными процессами. Большинство аварийных процессов протекает очень быстро: от десятков микросекунд до нескольких секунд. При такой скорости только автоматические устройства могут остановить развитие аварий и минимизировать последствия, которые могут быть очень тяжелыми: от порчи оборудования до массовых блэкаутов.
Существует множество видов противоаварийной автоматики, которая применяется в различных ситуациях и режимах. В нашем случае для проведения сертификационных испытаний ЦИТМ «Экспонента» была выбрана автоматика ограничения перегрузки оборудования (АОПО). АОПО не допускает излишней перегрузки оборудования по току, которая может вызвать порчу оборудования из-за термического воздействия токов большой величины.
Современная противоаварийная автоматика реализована на микропроцессорной элементной базе и представляет собой так называемые терминалы. На реальных объектах электроэнергетики (электрических подстанциях и станциях) терминалы противоаварийной автоматики компонуются в специальные шкафы, к которым прокладываются цепи связи и измерения с объекта. Поскольку противоаварийная автоматика — это сложное техническое устройство, которое выполняет важные функции для поддержания работы энергосистемы, к ней предъявляются особые требования на всех этапах жизни устройства — от разработки и тестирования до эксплуатации.
Перед выпуском устройства противоаварийной автоматики и его поставкой на объекты электроэнергетики необходимо пройти сертификационные испытания и получить все требуемые сертификаты, что является непростой задачей для разработчика. Испытания проводят с помощью специальных комплексов, которые моделируют участок энергосистемы с последующим запуском таких моделей на машинах реального времени, которые по цепям измерения (медным проводам или Ethernet) передают на устройство значение токов и напряжений. С точки зрения устройства противоаварийной автоматики подключение к такому комплексу не будет отличаться от подключения к реальной энергосистеме, то есть речь идет о цифровом двойнике реального объекта для испытания устройств. В ходе испытаний на комплексе моделируются аварийные ситуации в электроэнергетической системе и отслеживается правильность работы устройства противоаварийной автоматики в той или иной ситуации. Для облегчения прохождения таких испытаний, а также упрощения процесса разработки необходимы соответствующие инструменты. Разберем подробнее способы помочь разработчикам, а также каждую составляющую процесса испытаний: модель энергосистемы, машину реального времени и подключение устройств.
Имитационная модель электроэнергетической системы
Требования к различным видам противоаварийной автоматики и ее испытаниям описаны в специальных отраслевых стандартах. В рамках статьи нас интересует СТО 59012820.29.020.002–2018 «Релейная защита и автоматика. Автоматическое противоаварийное управление режимами энергосистем. Устройства автоматики ограничения перегрузки оборудования. Нормы и требования» (далее — стандарт) [1]. В документе приведены требования к функциям устройства и средствам проведения испытаний, а также методика проведения сертификационных испытаний.
Программа сертификационных испытаний, в соответствии со стандартом, должна содержать опыты, включающие проверки при таких возмущениях в сети, как короткие замыкания, замыкания на «землю», различные набросы мощности из-за отключения или включения потребителей энергии или же изменения мощности генерирующего оборудования. Причем эти процессы должны затрагивать не только электрическую часть физики процесса, но и влияние движущихся масс в электрических генераторах и двигателях.
Поскольку устройства подключаются по измерительным цепям к энергосистеме, в том числе по цепям тока, в стандарте есть и опыты с повреждением в них. Ввиду серьезных требований к самим устройствам, набору для испытания и, как следствие, сложности имитационной модели, разработчикам и центрам моделирования необходим инструмент, который бы отвечал всем нужным требованиям, — например, моделирование электромагнитных и электромеханических переходных процессов разной сложности как в самой сети, так и во вторичных цепях.
Для этих целей хорошо подходит MATLAB/Simulink. Физическое моделирование электрических процессов можно осуществлять с помощью встроенной в программный комплекс библиотеки элементов Simscape Electrical, а в частности Specialized Power Systems для моделирования электроэнергетических систем. Данные библиотеки включают множество различных элементов сети — от электрических машин, трансформаторов, элементов сетей до элементов возобновляемых источников энергии и силовой электроники, — а также логические элементы и средства измерения.
В стандарте приведены топология и состав силовых элементов в тестовой модели энергосистемы для испытания на ней АОПО (рис. 1), а также описаны параметры этих элементов. Стандарт требует от модели достаточной детализации с учетом набора элементов. Все эти условия были учтены при разработке модели в Simulink.
Рассмотрим часть модели в Simulink (рис. 2), ответственную за «физику» процессов, происходящих в энергосистеме. Обозначения на Simulink-модели полностью соответствуют схеме сети. Сеть представлена несколькими классами напряжения в диапазоне 10 000–330 000 В. Передача электроэнергии между частями энергосистемы осуществляется по линиям электропередачи (ЛЭП) 330 кВ. Из-за конструкции ЛЭП и характера протекающих токов в линиях имеют место эффекты само- и взаимоиндукции, а также наличие емкостей между проводами и «землей». В модели учитываются индуктивные и емкостные свойства ЛЭП, в том числе влияние геометрии расположения самих проводов, а также распределенный характер параметров ЛЭП.
Для перехода на другие классы напряжения, на которых, например, происходят генерация и потребление электроэнергии в сети, на каждой из трех подстанций (ПС1, 2 и 3) предусмотрены силовые трансформаторы с разными классами напряжения и коэффициентами трансформации. Как известно, трансформаторы работают по принципу электромагнитной индукции, который в полной мере учитывается в модели, в том числе потери энергии и форма стального сердечника этих трансформаторов с его влиянием на магнитное поле.
Источником электроэнергии в модели служит синхронный генератор большой мощности в 500 МВт. Модель выполнена с учетом уравнений Парка — Горева для описания синхронного генератора. Благодаря этому в модели учитываются вращение вала генератора и его влияние на электрический режим системы.
Модель генератора необходимо дополнить моделью алгоритма управления режимом работы генератора — автоматики регулировки возбуждения (АРВ), которая поддерживает необходимый уровень напряжения на обмотках генератора. Ориентируясь на параметры генератора по определенному закону регулирования, АРВ контролирует напряжение на обмотке возбуждения и впоследствии на роторе генератора.
На каждой подстанции есть обобщенные потребители активной мощности из сети, уровень потребления которых может меняться в диапазоне 0—1 ГВт, поэтому они смоделированы специальным динамическим блоком нагрузки.
Противоаварийная автоматика подключается к сети через специальные измерительные трансформаторы тока и напряжения, которые доводят токи и напряжения до безопасных для оборудования значений. Поскольку до терминала или промежуточного АЦП токи и напряжения идут по цепям, необходимо учитывать возможные в них замыкания.
Сама АОПО, подключаемая к измерительному оборудованию, контролирует токовую нагрузку, а также направление перетока мощности по ЛЭП №1. Для управления моделью, в том числе при работе в реальном времени, предусмотрена панель управления: она позволяет выбирать и запускать опыт из программы испытаний, например вызвать короткое замыкание или наброс нагрузки, а также управлять коммутационными аппаратами — силовыми выключателями.
В процессе моделирования энергосистемы встает вопрос о ее адекватности и соответствии выдвинутым требованиям. Стандартом описываются режимные параметры энергосистемы — уровни напряжения в ее узлах (на шинах подстанций), а также перетоки активной мощности от генерации к потребителям. В Simulink есть несколько инструментов, которые способны помочь в настройке модели для подтверждения ее соответствия стандарту. Во-первых, для электроэнергетических систем доступен инструмент Load Flow tool, который рассчитывает режим работы энергосистемы в зависимости от заданных параметров сети и режима работы оборудования. При соблюдении всех тонкостей построения сети этот инструмент уже дает большую точность по каждому из параметров: его погрешность менее 1% относительно предписанных значений. Чтобы еще больше приблизиться к требованиям, можно воспользоваться дополнительным инструментом — Parameter Estimator. Он поможет довести отдельные параметры режима до заданных величин путем итерационного перебора влияющих параметров до необходимой точности параметров режима. В итоге погрешность результатов измерения будет незначительной — тысячные доли процента от предписанных значений (рис. 3).
Для демонстрации эффективности разработки и тестирования алгоритмов устройств противоаварийной автоматики в нашем проекте был разработан прототип АОПО в соответствии с типовой архитектурой алгоритма, применяемой в электроэнергетике. Например, за основу можно взять СТО 56947007–33.040.20.204-2015 «Типовые функции цифровых устройств противоаварийной автоматики ФСМ, ФТКЗ, АЧР, ЧАПВ, ЧДА, КПР, САОН, АОПО, АРПМ» [2].
Согласно основным требованиям, функции АОПО выполняются с контролем тока прямой последовательности и направления трехфазной активной мощности, также допустимо использовать алгоритмы с контролем тока и направления активной мощности только одной фазы. АОПО содержит две ступени срабатывания, рассчитанные на разное значение перегрузки по току и разные управляющие воздействия на сеть. Также АОПО обеспечивает адаптацию уставок к изменению температуры окружающего воздуха.
На рис. 4 показана Simulink-модель прототипа АОПО с указанием основных органов. Поскольку прототип АОПО будет принимать данные по измерениям из разработанной модели энергосистемы, а также отправлять управляющие воздействия в соответствии со стандартом МЭК 61850 «Сети и системы связи на подстанциях», в алгоритме предусмотрены органы для приема и обработки измерений тока и напряжения по SV-потокам, а также для приема показаний датчика температур по GOOSE-сообщениям, и органы для формирования и отправки управляющих воздействий в модель энергосистемы по GOOSE-сообщениям. Алгоритм включает измерительный орган для цифровой обработки принятых измерений тока и напряжения для выделения значения тока прямой последовательности и мощности, протекающего по ЛЭП. В пусковом органе формируется сигнал пуска алгоритма в случае превышения значения тока уставки срабатывания, сформированной на основе показаний датчика температур. В исполнительной логике формируется сигнал срабатывания в случае совпадения направления перетока мощности с уставкой и превышения заданной выдержки времени сигналом пуска.
Стенд цифровой подстанции
Получив детальную модель тестовой энергосистемы и алгоритм противоаварийной автоматики, необходимо провести тестирование разработанной АОПО в соответствии с программой испытаний из стандарта. В этом нам помогут машины реального времени на базе комплекса полунатурного моделирования «РИТМ». «РИТМ» — это специальный компьютер, который предназначен для выполнения задач в режиме жесткого реального времени, то есть секунда модельного времени будет рассчитываться за секунду реального времени с учетом шага дискретизации модели. Например, модель энергосистемы будет обсчитываться с шагом 250 мкс, при этом будет соблюдаться частота расчета в 4000 Гц.
Комплекс «РИТМ» полностью интегрирован в MATLAB/Simulink и имеет свою отлаженную библиотеку для работы. Операционная система машины — система реального времени, которая позволяет решать множество задач в рамках разработки и испытания устройств (например, быстрое прототипирование алгоритмов и их испытание на цифровых двойниках).
Стенд полунатурного моделирования, который можно назвать двойником цифровой подстанции, представлен на рис. 5. Модель энергосистемы (рис. 2) будет работать на машине реального времени RITM_1, выступая в роли цифрового двойника энергосистемы и при этом генерируя поток измерений тока ЛЭП № 1 и напряжения с шин ПС № 2 по SV-потоку, а также передавая показания датчиков температуры воздуха по GOOSE-сообщениям, в соответствии со стандартом МЭК 61850, по сети Ethernet. Шаг модельного времени был выбран равным 250 мкс для привязки к этим протоколам. В свою очередь прототип АОПО будет работать на второй машине RITM_2, которая будет выступать в качестве терминала противоаварийной автоматики и получать измерения по шине процесса МЭК 61850, обрабатывать их и выдавать управляющие воздействия по GOOSE-сообщениям обратно на цифровой двойник энергосистемы. Две машины «РИТМ» будут синхронизированы между собой по времени протоколом PTPv2. Также обе они будут иметь связь с компьютером разработчика, который сможет отслеживать измерения, трафик в сети и генерировать управляющие воздействия для запуска опытов. На рис. 6 изображена реализация стенда цифровой подстанции в виде стойки.
Для автоматизации работы разработчика во время тестирования на «РИТМ» с помощью MATLAB/Simulink можно проводить автоматическую обработку результатов испытаний и составлять автоматизированный отчет после многих часов испытаний и их итераций. В рамках автотестирования был проведен опыт из программы испытаний по набросу мощности на ЛЭП № 1 в ходе отключения нагрузки. На осциллограмме (рис. 7) представлена иллюстрация одного из опытов в ходе тестирования: видно повышение значения тока после отключения нагрузки и перераспределения потоков мощности. При этом были произведены пуск и срабатывание алгоритма автоматики через заданную выдержку времени.
На рис. 8 представлен пример отчета на основе испытаний по набросу мощности на ЛЭП с указанием результатов испытаний и возможных причин неправильной работы. Разработчик после целой ночи такого автотестирования наутро сможет ознакомиться с отчетом и провести его анализ, при этом не тратя свое время на проведение однообразных серий испытаний.
В рамках создания стенда цифровой подстанции для исследования и разработки противоаварийной автоматики были показаны возможности библиотек Simulink, которые позволяют реализовывать точные модели электроэнергетических объектов, которые вполне можно считать цифровыми двойниками. Широкие возможности MATLAB/Simulink по исследованиям и тестированию алгоритмов в динамике и построение гибких моделей для испытаний позволяют повысить качество разработки продукта. А использование «РИТМ» и Simulink в качестве основного инструмента разработчика цифровой релейной защиты и противоаварийной автоматики покрывает и ускоряет все стадии процесса разработки, вплоть до сертификационных испытаний.
- Стандарт АО «СО ЕЭС» (СТО 59012820.29.020.002–2018) «Релейная защита и автоматика. Автоматическое противоаварийное управление режимами энергосистем. Устройства автоматики ограничения перегрузки оборудования. Нормы и требования».
- Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС» (СТО 56947007–33.040.20.204-2015) «Типовые функции цифровых устройств противоаварийной автоматики ФСМ, ФТКЗ, АЧР, ЧАПВ, ЧДА, КПР, САОН, АОПО, АРПМ».