Когда речь заходит о четвертой промышленной революции, всех захватывает мысль об искусственном интеллекте и его применении во многих отраслях, которые только можно представить. Но давайте отойдем от этой темы (ура) и в данной статье рассмотрим технологию индустрии 4.0, которая относительно давно используется в электроэнергетике – имитационное моделирование в режиме жесткого реального времени и цифровые двойники.
Имитационное моделирование и цифровые двойники – технология, которая давно помогает специалистам в области электроэнергетики разрабатывать и тестировать микропроцессорные системы защиты и автоматики.
В данной статье мы хотим поделиться своим опытом модернизации научно-исследовательского киберполигона российскими комплексами моделирования в реальном времени. А также рассказать о сравнительных испытаниях российского оборудования для моделирования с западными лидерами индустрии.

Моделирование в реальном времени в электроэнергетике

Думаем, стоит добавить контекст и описание применения технологии, а может и дать пояснения к определениям.
В электроэнергетике давно применяют специальные программные среды для создания имитационных моделей элементов энергосистем как первичного оборудования (ЛЭП, трансформаторы, генераторы и т.д.), так и алгоритмы вторичных устройств для управления этим оборудованием. Такими средами пользуются достаточно широко – от специалистов в академической среде до разработчиков систем релейной защиты и автоматики.
Что, если к такой среде моделирования добавить специальный аппаратный комплекс, который бы позволял запускать имитационные модели в режиме реального времени?
В ситуации, когда одна секунда моделирования на комплексе строго равняется секунде в реальном мире, то появляется возможность подключения реального оборудования для сопряжения с цифровым двойником электроэнергетической системы. При этом оборудование, подключенное к комплексу, будет чувствовать себя так же, как и на реальной электрической станции или подстанции.
Подобные комплексы, которые сочетают среду моделирования и аппаратную часть, имеют в нормативной отраслевой документации устоявшееся определение и конечно же аббревиатуру – ПАК РВ. ПАК РВ – это программно-аппаратный комплекс реального времени для моделирования энергосистем, который используется для создания цифровых двойников электроэнергетических объектов.
В рамках электроэнергетики ПАК РВ позволяют проводить разработку, тестирование и сертификацию систем защиты, автоматики и мониторинга на цифровых двойниках объектов энергетики, в том числе и цифровых подстанций. Такие цифровые двойники, учитывают как «физические» процессы, так и информационную часть объекта, что позволяет тестировать вторичные цифровые устройства и системы не только путем моделирования различных режимов работы сети, но и сценариев возникновения киберинцидентов. На базе таких ПАК РВ создаются киберполигоны для тестирования устройств защиты и автоматики и испытания прототипов этих устройств, а разработчики могут ускорить процесс создания конечных микропроцессорных терминалов и тестировать их на имитационных моделях электроэнергетических объектов.

Зачем разработчики релейной защиты используют ПАК РВ?

В ходе создания микропроцессорных терминалов релейной защиты и автоматики наступает момент, когда все проделанные наработки необходимо протестировать в боевых условиях. Или же наступает необходимость провести сертификацию готового устройства перед поставкой на объекты. Но невозможно установить прототип или непроверенное устройство на реальную подстанцию, так как мы рискуем оборудованием и потребителями электроэнергии. Да и никто не даст устраивать замыкания по всей сети, лишь бы проверить новую разработку. Тут и помогают ПАК РВ, с помощью которых можно создавать двойники объектов и безопасно исследовать, разрабатывать и тестировать. И уже давно существуют отраслевые стандарты и нормы по такому тестированию.

На рынке присутствовали западные решения, ставшие стандартом при моделировании в жестком реальном времени, к примеру, RTDS (Real Time Digital Simulator), однако в данный момент оснащение полигонов подобным оборудованием стало невозможным.

С этой проблемой столкнулись и наши коллеги из ГК Текон в рамках программы модернизации научно-исследовательского киберполигона на базе западных ПАК РВ, для исследований, испытаний и тестирования производимого оборудования. Поэтому, для расширения полигона новым оборудованием и методиками для испытаний нашей командой, было предложено использовать российский программно-аппаратных комплексов моделирования энергосистем в реальном времени КПМ РИТМ. А в процессе провести сравнительные испытания двух комплексов: российского КПМ РИТМ и западного RTDS.

На этих испытаниях остановимся поподробнее. Чтобы не устраивать испытания в вакууме и показать, как подобные технологии действительно используются в промышленности, тестирование проводилось на базе реальной задачи разработчиков релейной защиты. По итогам испытаний были сняты осциллограммы с терминала релейной защиты, которые оценивались специалистами по релейной защите на возможность расширения киберполигона новым оборудованием.

Итак, на базе каждого из сравниваемых ПАК РВ был создан стенд для тестирования микропроцессорного терминала релейной защиты синхронного генератора. Подобный стенд можно разделить на две части: аппаратная часть, которая отвечает за интерфейсы сопряжения с реальным оборудованием, и программная часть, где смоделирован защищаемый участок энергосистемы.

Первую часть стенда можно показать на принципиальной схеме. На КПМ РИТМ моделируется двойник заданной сети, в котором предусмотрены измерители, с которых показания тока и напряжения передаются через ЦАП комплекса на усилители, которые приводят контрольный сигнал напряжения ±10 В к 100 В для цепей напряжения и 1/5 А по цепям тока в номинальном режиме.

В ходе проведения опытов очень важно иметь обратную связь от испытуемого оборудования к цифровому двойнику сети, для этого в ПАК РВ установлен модуль цифровых входов и выходов. Выходные реле терминала подключаются к каналам на плате цифровых входов, таким образом через «сухой» контакт терминал передает в ПАК РВ сигнал о срабатывании. А внутри модели этот сигнал уходит на реализацию управляющего воздействия, например отключение выключателей или гашение поля генератора. Дополнительно между терминалом и ПАК РВ была организована шина станции по Ethernet, для обмена GOOSE-сообщениями с дискретными сигналами, например, для записи осциллограмм или положениями выключателей.

Вторая часть стенда – это сама имитационная модель, которая будет работать на ПАК РВ . Так как проводится тестирование терминала защиты генератора, в роли модели участка сети выступает блок генератор – трансформатор ТЭЦ, подключенный к единой энергосистеме через линию электропередачи. Структуру модели и самого блока можно посмотреть на еще одной принципиальной схеме.

На ней же для наглядности показаны некоторые силовые элементы, но далеко не все. Помимо генератора, трансформатора и ЛЭП модель включает в себя силовые выключатели, дополнительные трансформаторы для различных нужд, потребителей, системы управления генератором, измерительные цепи и так далее. Параметры всего оборудования соответствуют параметрам реального защищаемого терминалами оборудования существующей ТЭЦ.

На момент прохождения испытаний для запуска цифрового двойника была собрана модель системы в MATLAB/Simulink. Для создания такой модели использовались блоки специализированной библиотеки для физического моделирования электроэнергетических систем.

Модель полностью учитывает как электрическую, так и механическую часть системы, поэтому в модели можно видеть влияние переходных процессов на работу машины и системы.

Результаты испытаний

В ходе испытаний было проведено более 30 опытов по тестированию части защитных функций терминала. Во время анализа осциллограмм результатов испытаний на КПМ РИТМ и RTDS внимание обращалось на основные три аспекта: 

1. Количественное совпадение значений показаний электрических величин.

2. Качественное совпадение переходных процессов.

3. Идентичное действие терминала.

Опыты включали в себя множество аварийных режимов работы сети: от различных видов замыканий в разных точках сети до различных режимов работы электрической машины.

Например, опыт вызова реверса мощности, вызванный сбросом пара. В данном случае проверялась работа алгоритма защиты от обратной активной мощности. Данный опыт показывает, как может измениться режим работы машины и какие при этом возникнут качания мощности в системе. Такой опыт возможно сделать благодаря реализованному алгоритму автоматики регулировки частоты вращения и турбины.

На осциллограммах видно начало возникновения этого процесса, что после сброса пара в системе начались качания с реверсом активной мощности, который успешно фиксировала защита и впоследствии ликвидировала режим. Погрешность результатов данного опыта двух ПАК РВ относительно друг друга составила порядка 0,46%.

В качестве еще одного примера можно привести осциллограммы опыта внутреннего замыкания на землю в конце обмотки статора генератора. При замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью не будет увеличения фазных токов, как в сети с заземленной нейтралью, поэтому основным критерием наличия замыкания выступает изменение напряжения в поврежденной фазе и наличие напряжения нулевой последовательности. В данном случае защита в двух опытах фиксировала повреждение и провело отключение выключателя генератора с гашением его поля. При этом погрешность результатов опыта двух ПАК РВ относительно друг друга составила порядка 0,61%.

Итог

Проведенные испытания подтвердили, что российский КПМ РИТМ способен функционально заменить RTDS в области моделирования энергосистем в жестком реальном времени. Благодаря этим испытаниям ГК Текон смогли расширить свой научно-исследовательский киберполигон, дополнив его устройствами КПМ РИТМ. Одно из отмеченных преимуществ КПМ РИТМ нашими коллегами – возможность продолжать работу, используя современные российские решения, и провести безболезненный переход на отечественные программно-аппаратные комплексы.

Если тема таких испытаний вам интересна, заходите на наш телеграм-канал. В нем мы регулярно рассказываем о проведенных опытах, выкладываем записи обучающих роликов и анонсируем предстоящие мероприятия.

Ждем вопросы и возможные пожелания в комментариях!

Спасибо за прочтение!