КПМ РИТМ в ЧувГУ: испытания устройства БАВР от АО "ЧЭАЗ" по программе ПАО "Транснефть"
В Чувашском государственном университете специалисты научно-исследовательской лаборатории "Цифровые тени и двойники в электроэнергетике" провели испытания быстродействующего автоматического ввода резерва производства АО "ЧЭАЗ". Проверка выполнялась на программно-аппаратном комплексе реального времени КПМ РИТМ в соответствии с требованиями ПАО "Транснефть" и программой испытаний OTT‑29.130.00‑КТН‑119‑17.
Главной задачей проекта стала оценка корректности работы устройства БАВР при различных нарушениях внешнего электроснабжения нефтеперекачивающей станции. Особое внимание уделялось скорости переключения на резервный источник, правильности выбора алгоритма и отсутствию недопустимых переходных процессов в сети.
Участники и значение проекта
В испытаниях приняли участие Чувашский государственный университет и Чебоксарский электроаппаратный завод. ЧувГУ, основанный в 1967 году, является одним из ведущих образовательных и научных центров Чувашской Республики. На базе университета действует лаборатория, специализирующаяся на моделировании электроэнергетических объектов, создании цифровых двойников и проверке оборудования в режиме реального времени.
АО "ЧЭАЗ" - крупный российский электротехнический холдинг, выпускающий оборудование для распределения электроэнергии, релейной защиты и автоматизации. Одно из важных направлений предприятия - производство устройств быстродействующего автоматического ввода резерва для электроустановок напряжением до 10 кВ.
Для нефтеперекачивающих станций надежность электроснабжения имеет критическое значение. Остановка электроприводных агрегатов магистральных насосов может привести к нарушению технологического режима и снижению устойчивости всей системы перекачки. Поэтому при аварийном отключении рабочего источника питание двигателей необходимо восстановить за минимальное время, переведя нагрузку на резервные шины.
Почему применялось HIL-тестирование
Hardware-in-the-Loop, или HIL-тестирование, представляет собой метод, при котором математическая модель энергосистемы выполняется в жестком реальном времени, а реальное испытываемое устройство подключается к вычислительному стенду через физические интерфейсы.
В результате устройство БАВР получает сигналы, аналогичные тем, которые оно получало бы на действующей подстанции. При этом исследователи могут безопасно воспроизводить короткие замыкания, отключения линий, потерю напряжения и другие аварийные режимы без риска повредить промышленное оборудование.
Такой формат испытаний позволяет:
- сократить сроки проверки оборудования;
- заранее выявить ошибки в алгоритмах автоматики;
- воспроизвести большое количество аварийных сценариев;
- проверить реакцию устройства с учетом реальных временных задержек;
- оценить совместную работу автоматики и объекта управления.
Использование полунатурного моделирования было необходимо и с нормативной точки зрения. Требования OTT‑29.130.00‑КТН‑119‑17 предусматривают проведение испытаний БАВР на программно-аппаратном комплексе, работающем в режиме жесткого реального времени, с применением тестовой схемы нефтеперекачивающей станции.
Основные задачи НИОКР
В рамках проекта специалисты выполнили несколько взаимосвязанных этапов. Сначала была создана цифровая модель схемы электроснабжения НПС, пригодная для запуска на КПМ РИТМ. Затем в модель заложили сценарии типовых технологических нарушений.
После этого к стенду подключили реальное устройство БАВР производства АО "ЧЭАЗ". Для каждого сценария регистрировались команды автоматики, напряжения, токи, частота, состояние коммутационных аппаратов и параметры переходного процесса.
Завершающим этапом стало сопоставление фактических результатов с установленными требованиями по быстродействию, селективности и устойчивости работы устройства.
Состав математической модели
Разработанная цифровая модель воспроизводила электроснабжение НПС с мощной синхронной и асинхронной нагрузкой. В ее состав вошли:
- две системы шин напряжением 110 кВ подстанции ПС1;
- два силовых трансформатора 500/110 кВ;
- два вводных трансформатора 110/35/6 кВ;
- четыре системы шин закрытого распределительного устройства 6 кВ;
- два сдвоенных токоограничивающих реактора;
- центральные распределительные пункты ЦРП1 и ЦРП2 напряжением 6 кВ;
- по две системы шин 6 кВ на каждом распределительном пункте;
- четыре синхронных двигателя с автоматическим регулированием возбуждения и частоты вращения.
Такая структура позволила воспроизвести как нормальные режимы работы, так и сложные переходные процессы, возникающие при нарушениях внешнего питания.
Как проходила программа испытаний
Всего было проведено 100 HIL-опытов. Во время экспериментов на цифровой модели имитировались отключения линий электропередачи, короткие замыкания и другие нарушения, способные привести к потере питания двигательной нагрузки.
После появления аварийного события устройство БАВР анализировало состояние сети и формировало управляющие воздействия на коммутационные аппараты. Стенд в реальном времени передавал в устройство измерительные сигналы, а затем фиксировал реакцию автоматики и изменение параметров энергосистемы.
Важным преимуществом такого подхода стала возможность многократно повторять один и тот же сценарий, изменяя начальные условия. Это помогает определить не только факт срабатывания БАВР, но и границы устойчивой работы алгоритма.
Что проверяет устройство БАВР
БАВР предназначено для автоматического восстановления электроснабжения ответственной нагрузки при исчезновении или недопустимом снижении напряжения на рабочем вводе. Однако простого переключения недостаточно: автоматика должна учитывать состояние резервного источника, направление перетоков, фазовые соотношения и параметры двигательной нагрузки.
При неправильном выборе момента переключения возможно возникновение больших токов, провал напряжения или потеря устойчивости двигателей. Поэтому устройство должно действовать быстро, но одновременно учитывать электрическое состояние сети.
В ходе испытаний проверялись способность БАВР правильно распознавать аварийный режим, выбирать допустимый способ ввода резерва и сохранять селективность по отношению к другим устройствам защиты и автоматики.
Измерения и обмен данными
Связь между КПМ РИТМ и испытываемым устройством организовывалась через измерительные и управляющие каналы. На вход БАВР поступали сигналы, соответствующие напряжениям и токам в контролируемых присоединениях. Выходные команды устройства возвращались на стенд и учитывались моделью при расчете следующего временного шага.
Благодаря этому обеспечивалась замкнутая схема испытаний: модель формировала электрические процессы, БАВР реагировало на них, а полученные команды изменяли состояние виртуальной энергосистемы.
Регистрация данных позволила оценить временные характеристики переключения, правильность формирования команд и поведение сети после подключения резервного источника. Такой обмен максимально приближен к взаимодействию автоматики с оборудованием реальной подстанции.
Практическая ценность результатов
Проведенная работа дает возможность проверить устройство до его установки на промышленном объекте. Это снижает риски при вводе оборудования в эксплуатацию и помогает заранее определить сценарии, требующие дополнительной настройки.
Для производителя результаты испытаний служат основой для совершенствования алгоритмов БАВР и подтверждения соответствия требованиям заказчика. Для эксплуатирующей организации полунатурная проверка означает более высокую предсказуемость поведения автоматики в аварийных режимах.
Кроме того, созданная модель может использоваться повторно. Ее возможно дополнять новыми типами оборудования, изменять параметры нагрузки, добавлять нестандартные аварийные события и применять для обучения персонала.
Перспективы цифрового моделирования
Испытания на КПМ РИТМ показывают, что цифровые двойники становятся важным инструментом при разработке и эксплуатации энергетического оборудования. Виртуальная копия объекта позволяет анализировать режимы, которые сложно или невозможно воспроизвести на действующей подстанции.
В дальнейшем подобные стенды могут применяться для проверки не только БАВР, но и устройств релейной защиты, противоаварийной автоматики, регуляторов возбуждения, систем управления электроприводами и средств диспетчеризации.
Особенно востребован такой подход на объектах с непрерывным технологическим циклом. К ним относятся нефтеперекачивающие станции, промышленные предприятия, металлургические комплексы и крупные транспортные узлы.
Проведенные в ЧувГУ 100 испытаний подтвердили эффективность HIL-подхода как безопасного и информативного способа проверки автоматики. Совмещение реального устройства БАВР, детальной цифровой модели НПС и вычислений в режиме жесткого реального времени позволяет получить результаты, максимально приближенные к условиям эксплуатации, без вмешательства в работу действующего энергообъекта.
