Релейная защита и автоматика (РЗиА) — критически важный элемент энергосистемы, состоящий из комплекса устройств, призванных обеспечить безаварийную работу, локализацию повреждений и минимизацию ущерба в электрических сетях за счет своевременного отключения поврежденных участков. Однако традиционные алгоритмы РЗиА (релейной защиты и автоматики) не всегда обеспечивают требуемую скорость и селективность срабатывания, что приводит к увеличению длительности аварийных перерывов электроснабжения.

С развитием цифровых технологий и внедрением вспомогательных систем на основе ИИ в энергетике количество обрабатываемых сигналов в АСУТП (автоматизированную систему управления технологическим процессом) продолжает расти. Это связано с:
 

• внедрением цифровых подстанций;

• интеграцией распределенной генерации и ВИЭ;

• использованием IoT‑устройств и датчиков;

• развитием систем предиктивной аналитики.

 

Оптимизация алгоритмов РЗиА в рамках АСУТП позволяет сократить время ликвидации аварий и повысить надежность энергоснабжения за счет улучшения информационного обеспечения, структурирования данных и внедрения современных цифровых технологий.

 

Основные проблемы существующих систем РЗиА, снижающие их эффективность
 

• Завышенные уставки срабатывания. Для обеспечения селективности защиты часто устанавливают завышенные токи срабатывания и выдержки времени, что увеличивает длительность аварии.

• Жесткая логика работы. Традиционные защиты не учитывают режимные параметры сети в реальном времени.

• Отсутствие адаптации. Алгоритмы не адаптируются к изменениям схемы сети, сезонным изменениям нагрузки, температурным условиям.

• Ложные срабатывания. Некорректная настройка или внешние помехи могут вызывать ложные отключения исправного оборудования.

• Каскадные отключения. Нескоординированная работа защит может привести к распространению аварии на смежные участки.

• Ограниченная диагностика. Традиционные системы предоставляют минимум информации о характере и месте повреждения.

• Информационное обеспечение. Единые стандарты лингвистического обозначения сигналов оперативному персоналу формируются, уже разработаны методические указания ПАО «ФСК ЕЭС» по унификации наименований сигналов. Но в рамках отдельных предприятий могут применяться локальные корпоративные стандарты, что порождает разнородность подходов на разных энергообъектах (особенно при интеграции старого и нового оборудования).

 

Последствия вышеупомянутых проблем:

• увеличение времени простоя энергообъектов-потребителей;

• повышенный износ оборудования из‑за термического воздействия токов КЗ;

• экономические потери из‑за недоотпуска электроэнергии;

• снижение надежности энергосистемы в целом;

• низкая практическая ценность накапливаемой информации из‑за разрозненного лингвистического обозначения сигналов;

• сложности интеграции с современными системами предиктивной аналитики и ИИ.

 

Адаптивная РЗиА и структурированное информационное обеспечение в составе АСУТП как решение ситуации 

Современный подход — внедрение адаптивных алгоритмов РЗиА (релейной защиты и автоматики), интегрированных в АСУТП (автоматизированную систему управления технологическим процессом), с одновременной унификацией и структурированием информационного обеспечения с учетом последних технологических трендов. Это позволит сократить временной промежуток между возникновением критической ситуации и принятием мер (реагированием) на нее как со стороны оперативного персонала, так и со стороны поддерживающих систем.

 

Ключевые принципы такого решения
 

1. Создание условий для динамической настройки уставок. Уставки защит в этом случае автоматически корректируются в зависимости от:

• текущей схемы сети;

• уровня нагрузки;

• температуры окружающей среды;

• параметров предшествующего режима.

2. Введение многопараметрического анализа, который дает учет не только тока, но и:

• напряжения;

• частоты;

• направления мощности;

• гармонического состава.

3. Координация защит, чтобы добиться согласованной работы всех уровней защиты с учётом реальной топологии сети.

4. Своевременная диагностика повреждений: определение типа и места повреждения для ускорения локализации аварии.

5. Создание унифицированной среды информационного обеспечения. Это подразумевает стандартизацию классификации, кодирования и лингвистического обозначения сигналов для облегчения работы оперативного персонала.

6. Использование возможностей искусственного интеллекта (ИИ) и Big Data – алгоритмы машинного обучения дадут возможности для анализа накопленных данных и прогнозирования аварийных ситуаций, где за короткий срок будут переработаны огромные массивы значений показателей.

7. Обеспечение кибербезопасности. Защита информационных потоков между РЗиА (релейной защиты и автоматики) и АСУТП (автоматизированной системой управления технологическим процессом) от несанкционированного доступа.
 

Для реализации механизма взаимодействия на предприятии внедряют последовательный алгоритм работы.

Шаг 1. Сбор и анализ данных

АСУТП предоставляет необходимые данные для адаптивной РЗиА, с помощью которых улучшается аналитика текущего состояния системы и повышается скорость реагирования на различные отклонения:

• телеизмерения токов и напряжений (ТИ);

• телесигналы положения коммутационных аппаратов (ТС);

• осциллограммы аварийных процессов;

• данные о температуре окружающей среды;

• информация о текущем состоянии сети;

• данные от систем предиктивной аналитики.

 

Шаг 2. Унификация информационного обеспечения

Для повышения эффективности работы оперативного персонала осуществляется:

• внедрение единой системы классификации и кодирования информации (на основе стандартов МЭК 61850, корпоративных стандартов крупных энергохолдингов);

• разрабатываются правила лингвистического обозначения сигналов, обеспечивающие однозначную интерпретацию;

• определяются обязательные атрибуты сигналов:

• дата/время;

• идентификатор (уникальное обозначение);

• иерархический адрес (зона объекта, присоединение, оборудование);

• наименование (смысловое значение);

• текстовый статус (состояние в определенный момент);

• символ типа (аварийный, предупредительный и т. д.);

• обеспечивается совместимость с системами кибербезопасности и предиктивной аналитики.

 

Шаг 3. Использование математических моделей для расчетов взаимного влияния групп параметров

Используются модели:

• установившихся режимов (расчет токов КЗ, потоков мощности) – это система уравнений, которая описывает состояние электроэнергетической системы (ЭЭС) в определённый момент времени, когда параметры системы (напряжения в узлах, токи, потоки мощности, потери мощности) остаются неизменными или изменяются незначительно за рассматриваемый период;

• переходных процессов (моделирование КЗ, коммутаций) – описывает изменение параметров системы во времени при возникновении возмущений (например, при включении/отключении нагрузок, коротких замыканиях, изменении нагрузки и т. д.);

• тепловых процессов (нагрев проводников, оборудования) – система математических соотношений, которая количественно описывает тепловые явления, их свойства и динамику. и позволяет изучать процессы теплопереноса, оптимизировать теплоэнергетические системы, прогнозировать поведение объектов в различных условиях;

• предиктивные модели на основе машинного обучения – это инструменты для прогнозирования будущих событий или значений на основе анализа исторических и текущих данных, которые используют алгоритмы машинного обучения, статистические методы и математические модели для выявления закономерностей и экстраполяции их на будущие периоды.

 

Шаг 4. Формирование алгоритмов адаптивной РЗиА (релейной защиты и автоматики) на основе имеющихся данных

Примеры алгоритмов:

Адаптивная МТЗ (максимальная токовая защита):

I уст =k отс ⋅ (I раб.макс +ΔI нагр)

где:

I уст  — уставка срабатывания;

k отс  — коэффициент отстройки;

I раб.макс  — максимальный рабочий ток;

ΔI нагр  — запас по нагрузке.

Дифференциальная защита с адаптивным торможением:

I сраб =I нач +k торм ⋅I торм 

где k торм  автоматически корректируется в зависимости от режима.

 

Шаг 5. Интеграция РЗиА с АСУТП

Архитектура системы может выглядеть следующим образом:
 

• Полевые устройства (ТТ, ТН, датчики) → осуществляют сбор данных.

• Контроллеры РЗиА → отвечают за обработку сигналов, принятие решений.

• SCADA‑система → осуществляет визуализацию, архивирование, анализ.

• Сервер АСУТП → производит расчет адаптивных уставок, координацию защит, унификацию информационного обеспечения.

• Подсистема кибербезопасности → осуществляет защиту данных.

• Модуль предиктивной аналитики → прогнозирует аварийные ситуации.

 

Инструменты и технологии для реализации адаптивной РЗиА
 

• Различные ПО для моделирования;

• Промышленные контроллеры (подбираются в зависимости от требований проекта);

• SCADA‑системы;

• Коммуникационные протоколы;

• Средства кибербезопасности: межсетевые экраны, шифрование данных, системы обнаружения вторжений;

• Инструменты Big Data и ИИ: платформы для предиктивной аналитики, алгоритмы машинного обучения.