Авторы:

• Попов С.Г., начальник опытного полигона "Цифровая подстанция" ОАО "НТЦ электроэнергетики", к.т.н.
• Балабин М.А., начальник отдела новых технологий филиала ОАО "НТЦ электроэнергетики" - СибНИИЭ
• Наровлянский В.Г., начальник отдела, ОАО "Энергосетьпроект", д.т.н.
• Ваганов А.Б., ведущий научный сотрудник, ОАО "Энергосетьпроект", к. ф-м. н.
• Перегудов С.А., генеральный директор АО "ИТЦ Континуум"
• Кириллов А.С., начальник департамента АО "ИТЦ Континуум"
• Кузьмин А.А., руководитель проектов АО "ИТЦ Континуум"

На данный момент активное развитие получили системы, базирующиеся на синхронизированных векторных измерениях, именуемые в англоязычной традиции WAMS, WAMPAC, в отечественной - СМПР, активно-адаптивная сеть (ААС). Рост интереса к данным системам вызван изменением нормативной базы для создания подобных систем - IEEE C37.118.1, IEEE C37.118.2, IEC 61850-90-5. Согласно заявлению разработчиков указанных стандартов, в новых версиях стандарта учтен весь накопленный с момента выхода первой версии стандарта IEEE C37.118 мировой опыт. Дополнительным толчком к росту интереса к данной тематике стало активное развитие технологий цифровой подстанции и активно-адаптивной сети.

Свойства системы как единого целого существенно зависят от функциональности устройств нижнего уровня: исполнительных механизмов и измерительных приборов. В качестве измерительных приборов системы WAMPAC выступают устройства синхронизированных векторных измерений - УСВИ (в англоязычной традиции PMU - Phasor Measurement Unit).

Следует отметить, что УСВИ, предлагаемые сегодня как на зарубежном, так и на отечественном рынках, не позволяют решать одну из ключевых задач, поставленных в новых стандартах - измерения в переходных процессах. Кроме этого, современное УСВИ должно обеспечивать возможность интеграции в состав "цифровой подстанции", включая поддержку приема данных в формате IEC 61850-9-2. УСВИ, предназначенные для функционирования в составе цифровой подстанции, на рынке не представлены.

Указанные выше причины привели к тому, что ОАО "ФСК ЕЭС" инициировало разработку устройств синхронизированных векторных измерений нового поколения. В рамках данной работы объединены усилия крупнейших научных центров России: ОАО "НТЦ Электроэнергетики" и ОАО "Институт ЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ". Основная научная составляющая данной работы - разработка метрологических алгоритмов. Реализация данных алгоритмов в аппаратуре и программном коде поручена АО "ИТЦ Континуум".

В чем же отличие УСВИ нового поколения от уже существующих образцов?

Во-первых, это реализация требований новых стандартов серии IEEE C37.118. В отличие от старой версии стандарта, утвержденной в 2005 году, в новой версии (принятие которой ожидается в следующем году) будет регламентироваться точность измерений не только в установившихся, но и переходных режимах энергосистем. Стандартизация этой функциональности даст мощный импульс внедрению систем управления и противоаварийной автоматики, основанных на измерениях, получаемых от УСВИ.

Во-вторых, это поддержка протоколов цифровой подстанции, а в частности возможность интеграции в технологическую шину (process bus). На основании данной потребности, в УСВИ была реализована поддержка протоколов IEC 61850-9-2 (для получения потока мгновенных срезов тока и напряжения от цифровых трансформаторов или устройств типа полевых преобразователей - SAMU) и IEC 61850-8-1 (для конфигурирования устройства и публикации результатов измерений и самодиагностики).

Протокол IEC 61850-9-2 отличается высокой информационной емкостью (12 800 срезов мгновенных значений в секунду), а IEC 61850-8-1 - сложностью кодирования/декодирования фреймов по правилам ASN.1 BER. Таким образом, УСВИ нового поколения должно обладать значительной производительностью коммуникационной подсистемы и вычислительного ядра.

Следует отметить высокую наукоемкость процесса разработки метрологических алгоритмов, связанную с особенностью передачи мгновенных срезов тока и напряжения в формате IEC 61850-9-2 (фиксированная частота дискретизации по времени и по уровню). Указанная особенность, в частности, не позволяет применять такие отлаженные метрологические механизмы как фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ). При этом новая версия стандарта IEEE C37.118 налагает значительно более жесткие требования к точности и оперативности измерений, а также нормирует измерения при переходных процессах.

Аппаратная и программная часть УСВИ нового поколения была разработана с учетом последних тенденций в развитии систем автоматизации электроэнергетики, в частности, предусмотрено резервирование электропитания (допускается совместное применение источника переменного и постоянного тока), резервирование коммуникационных интерфейсов Ethernet. Устройство построено по модульному принципу, что обеспечивает гибкость при формировании конфигурации устройства (допускается оснащение дополнительными модулями дискретного ввода/вывода, модулями аналоговых входов различной номенклатуры). Несмотря на возможность работы УСВИ от технологической шины обеспечена возможность работы и от традиционных измерительных трансформаторов тока и напряжения (наличие аналоговых входов по току 1А и 5А и по напряжению 57.7В и 100В). Наличие в устройстве аналоговых входов позволяет интегрировать его в состав подстанций оснащенных традиционными трансформаторами тока и напряжения.

Исходя из потребности в высокой вычислительной производительности устройства, для него была разработана уникальная многопроцессорная платформа со специализированными коммуникационными и вычислительными блоками. Взаимодействие компонентов системы друг с другом обеспечивается за счет использования высокоскоростной параллельной шины данных с пропускной способностью до 3,2 Гбит/сек.

Немаловажная роль уделена и человеко-машинному интерфейсу - устройство оснащено сенсорным цветным дисплеем и внутренним WEB сервером.

Другой важный аспект в работе устройства - его надежность, определяемая, во многом, встраиваемым программным обеспечением. В этой части, при разработке УСВИ особое внимание было уделено производительности устройства (задержка выдачи результата жестко нормируется новой версией стандарта IEEE C37.118). Исполнение нормативных требований стало возможным только при использовании операционной системы жесткого реального времени. Дополнительным эффектом от использования подобной ОС стало повышение информационной безопасности устройства - запуск стороннего программного обеспечения и работа какого-либо вредоносного ПО на данной платформе невозможны.

Помимо выполнения основной функции (измерение и передача синхронизированных векторных измерений в формате протокола IEEE C37.118) устройство:

• оснащено средствами для интеграции его в информационные системы через протоколы IEC 61850-8-1, МЭК 60870-5-104, FTP, HTTP, TELNET, SNMP;
• выполняет вычисления дополнительных (помимо векторов тока/напряжения, частоты и скорости ее изменения, регламентируемых IEEE C37.118) электрических параметров - активная, реактивная, полная мощности и коэффициент мощности на каждом периоде номинальной частоты сети пофазно и суммарно по всем трем фазам, действующих значений токов и напряжений.