Как дистанционното управление на SCADA повишава безопасността на операторите

Въведение

Всеки път, когато оператор на подстанция влиза в разпределителна уредба за високо напрежение, за да задейства ръчно външна VCB или SF6 CB, той поема риск, който съвременната технология за дистанционно управление на SCADA е направила напълно ненужен. Инцидентите, свързани със светкавична дъга, случайното включване под напрежение на изолирано оборудване и грешките при превключване под натиска на времето остават сред основните причини за сериозни наранявания и смъртни случаи в средите на електроразпределение с високо напрежение - и повечето от тези събития се случват по време на операции за ръчно локално превключване, които биха могли да бъдат изпълнени дистанционно от безопасно разстояние.

Директният отговор: интегрирането на дистанционното управление на SCADA с външни VCB и SF6 CB елиминира необходимостта от физическо присъствие на персонала в разпределителната уредба за високо напрежение по време на превключващите операции, като директно премахва човешкото тяло от границата на дъговата светкавица и намалява излагането на оператора на опасностите за безопасността при високо напрежение чрез възможно най-основното средство - разстоянието.

За електроинженерите, които разработват проекти за модернизация на електроразпределителната мрежа, мениджърите по снабдяването, които определят външни прекъсвачи с възможност за дистанционно управление, и служителите по безопасността, отговорни за защитата на персонала на подстанциите с високо напрежение, това ръководство предоставя инженерната рамка за интегрирано в SCADA външно внедряване на VCB и SF6 CB, което действително променя резултатите от безопасността на операторите.

Съдържание

• Каква възможност за дистанционно управление на SCADA изискват външните VCB и SF6 CB?
• Как интегрирането на SCADA премахва опасностите за безопасността при високо напрежение, свързани с ръчното превключване?
• Как да определите и надстроите външните VCB и SF6 CB за дистанционно управление на SCADA?
• Кои са най-критичните грешки при инсталирането и пускането в експлоатация при модернизация на външни прекъсвачи, интегрирани в SCADA?

Каква възможност за дистанционно управление на SCADA изискват външните VCB и SF6 CB?

Дистанционното управление на SCADA на външна VCB или SF6 CB не е софтуерна функция - това е хардуерна възможност, която трябва да бъде определена в момента на поръчката. Работният механизъм на прекъсвача, интерфейсът за управление и комуникационната архитектура определят дали дистанционното управление е надеждно, сигурно и безопасно. Разбирането на тези изисквания е отправна точка за всяка модернизация на електроразпределителната мрежа, която цели подобряване на безопасността на оператора.

Основни хардуерни изисквания за готови за SCADA външни VCB и SF6 CB

• Механизъм на работа: Пружинен механизъм с моторно зареждане и електрически намотки за затваряне и задействане; номинално напрежение на управление 24 VDC - 220 VDC или 110 VAC - 230 VAC
• Време за презареждане на двигателя: ≤ 15 s след всяка операция по затваряне; критично за автоматичното затваряне и бързите превключващи последователности
• Излишък на трип намотката: Двойни намотки за задействане (TC1 + TC2) за приложения в подстанции с високо напрежение; независими кабелни пътища към отделни релейни изходи
• Блок за спомагателни контакти: Минимум 4 × NO + 4 × NC контакти; специализирани контакти за обратна връзка за позицията на SCADA (52a/52b), наблюдение на веригата на задействане и състояние на зареждане на пружината
• Дистанционен/местен селектор: Ключов превключвател или селектор, който физически изолира отдалечените команди на SCADA по време на локални операции по поддръжката - непрехвърляема блокировка за безопасност
• Реле за защита от изпомпване: Предотвратява повтарящи се операции по затваряне при продължителна команда за затваряне от SCADA; задължително за механизми с моторно задвижване
• Интерфейс RTU / IED: Цифрови входове/изходи (DI/DO) към RTU на подстанцията или директно предаване на съобщения по IEC 61850 GOOSE чрез интегриран IED
• Комуникационни протоколи: IEC 61850 (за предпочитане при нови инсталации), DNP3, IEC 60870-5-101/104, Modbus RTU
• Номинално напрежение: 12 kV - 40,5 kV (средно напрежение); до 72,5 kV за високоволтови външни SF6 CB
• Капацитет на прекъсване на късо съединение: До 50 kA по IEC 62271-100
• Стандарти: IEC 62271-100, IEC 62271-111, IEC 61850 (комуникация с подстанция), IEC 62351 (киберсигурност за енергийни системи)
• Защита на корпуса: Минимум IP55 за контролна клеморедна кутия за подстанции на открито; IP65 за крайбрежни и тропически инсталации

Какво вижда SCADA: Точки с данни за състоянието на прекъсвача

Правилно интегрираната външна VCB или SF6 CB осигурява на SCADA системата видимост в реално време за тези критични точки от данни:

• Позиция на прекъсвача: Отворен / затворен / междинен (индикация за грешка)
• Състояние на зареждане на пружината: Зареден / разреден (предотвратява команда за затваряне, когато механизмът не е готов)
• Надзор на веригата за изключване: Непрекъснато наблюдение на непрекъснатостта на веригата на изключвателната бобина
• Състояние на управляващото напрежение: Индикация за изправност на батерията/постоянното захранване
• Брояч на операциите: Общо механични операции за планиране на поддръжката през целия жизнен цикъл
• Налягане на газа SF6 (само за СВ SF6): Нормална аларма / аларма за ниско налягане / блокировка

Как интегрирането на SCADA премахва опасностите за безопасността при високо напрежение, свързани с ръчното превключване?

Доводите за безопасност при дистанционно управление от SCADA на външни VCB и SF6 CB не са теоретични - те са обосновани от физиката на опасността от дъгова вълна и документираните начини на отказ при ръчно превключване в среда с високо напрежение.

Сравнение на опасностите за безопасността: Ръчно локално превключване срещу дистанционно управление на SCADA

Параметър за безопасност	Ръчно локално превключване	Дистанционно управление на SCADA
Местоположение на оператора по време на превключване	Вътре в границата на дъговата светкавица (< 1-2 m)	Контролна зала (> 50-500 м)
Експозиция на светкавична дъга	Експозиция на цялата падаща енергия	Нула - оператор извън границата на дъговата заплаха
Риск от грешка при превключване	Висока - времеви натиск, пристрастие към визуално потвърждение	Нисък - блокировките на SCADA предотвратяват операции извън последователността
Операция през нощта / при неблагоприятни метеорологични условия	Висок риск - намалена видимост, мокри лични предпазни средства	Няма допълнителен риск - среда в контролната зала
Време за реакция при повреда	Ограничени от времето за придвижване до разпределителната гара	Незабавно - оператор на терминал SCADA
Одитна следа	Дневник на хартиен носител - подлежи на пропуск	Автоматичен дневник на събитията с времеви отпечатък
Едновременни операции с няколко прекъсвача	Последователни - един оператор, един прекъсвач	Паралелно - няколко прекъсвача от една работна станция

Колоната за експозиция на дъгова светкавица е разграничител, който е от решаващо значение за безопасността. IEC 62271-200 и NFPA 70E определят границите на енергията на инцидента с дъгова светкавица въз основа на нивото на тока на повредата и времето за изчистване.¹. За типична открита подстанция 33 kV с наличен ток на повреда 25 kA, границата на дъговата светкавица при ръчно превключване може да се простира на 3-5 метра от оборудването. Дистанционното управление на SCADA премества оператора на място, където падащата енергия е нулева - не намалена, а напълно елиминирана от самата операция по превключване.

Случай от реалния свят: Програма за повишаване на безопасността на разпределителните мрежи

Регионално разпределително предприятие в Югоизточна Азия, което експлоатира мрежа от 33 kV открити подстанции, е регистрирало три инцидента с дъгови вълни, свързани с ръчни превключвания, за период от пет години. Два от тях са довели до сериозни изгаряния, а един е бил фатален. Прегледът на безопасността на предприятието установи, че и трите инцидента са станали по време на ръчно локално управление на външни СВ SF6 по време на последователност на превключване за възстановяване на повреда - операции с високо напрежение и времеви натиск, при които операторите са се намирали в границите на дъговата светкавица.

Компанията ни ангажира с доставката на готови за SCADA външни VCBs с интеграция на IEC 61850 IED за обновяване на парка в 24 подстанции. Всеки прекъсвач беше специфициран с двойни намотки за задействане, пружинен механизъм с моторно зареждане, твърдо свързана дистанционна/местна блокировка с ключове и пълна обратна връзка за състоянието на SCADA. След пускането в експлоатация предприятието прилага политика, забраняваща ръчното локално превключване, освен по време на изрично разрешени процедури за изолиране при поддръжка. През 36-те месеца след модернизацията са регистрирани нулеви инциденти, свързани с дъгова заплаха, в целия модернизиран парк на подстанцията - пряк резултат от отстраняването на операторите от границата на дъговата заплаха по време на нормалните операции по превключване.

Слой за предотвратяване на грешки при превключване

Освен елиминирането на дъговата вълна, интегрирането на SCADA добавя възможност за систематично предотвратяване на грешки при превключване, която не може да бъде възпроизведена при ръчни операции:

• Логика на блокиране в SCADA: Предотвратява командите за затваряне на прекъсвачи, чийто изолатор нагоре по веригата е отворен или чийто заземител надолу по веригата е затворен - най-честите причини за инциденти, свързани със случайно включване под напрежение.
• Налагане на последователност на операциите: SCADA може да наложи задължителни последователности на превключване за сложни процедури за възстановяване на повреда, като предотвратява операциите извън последователността, които са причина за повечето инциденти, свързани с безопасността при високо напрежение.
• Потвърждаване на командата: Потвърждението с двойно действие (избор преди работа) на терминалите SCADA предотвратява случайното изпълнение на команда от едно натискане на клавиш или контакт със сензорния екран.

Как да определите и надстроите външните VCB и SF6 CB за дистанционно управление на SCADA?

Определянето на външни VCB и SF6 CB за интегриране в SCADA изисква структуриран подход, който съгласува хардуера на прекъсвача, комуникационната архитектура и дизайна на защитната блокировка с експлоатационните изисквания и ограниченията за модернизация на подстанцията.

Стъпка 1: Определяне на комуникационната архитектура

• Инсталиране на нови подстанции: Посочете съвместим с IEC 61850 издание 2 IED, интегриран с външния VCB; Изпращане на съобщения по GOOSE за задействане на защитата, MMS за наблюдение и управление на SCADA²
• Модернизация на съществуващи подстанции на "кафяво поле": Оценка на съществуващия протокол на RTU (DNP3, IEC 60870-5-104, Modbus); определяне на външен VCB с твърдо свързан DI/DO интерфейс, съвместим със съществуващия RTU без преобразуване на протокола
• Комуникационна резервираност: За подстанции с високо напрежение в критични електроразпределителни мрежи определете двойни резервирани оптични комуникационни пътища към RTU на подстанцията.

Стъпка 2: Определяне на изискванията за електрически интерфейс

• Потвърдете номиналната стойност на контактите на цифровия изход на SCADA системата (обикновено 0,5 A - 2 A при 110 VDC); проверете дали са спазени изискванията за ток на задействане и затваряне на бобината на прекъсвача
• Посочете работния обхват на намотката за задействане: IEC 62271-100 изисква надеждна работа в диапазона 70%-110% от номиналното управляващо напрежение
• Потвърдете номиналния ток на спомагателния контакт за входовете SCADA DI; входовете, изолирани с оптрон, изискват минимум 5 mA при 24 VDC - проверете спрямо спецификациите на спомагателния контакт на прекъсвача

Стъпка 3: Проектиране на дистанционната/местната блокировка за безопасност

Това е най-критичният за безопасността елемент от проекта за интеграция на SCADA:

• Ключов превключвател за отдалечено/местно управление: Физически премахва командите за затваряне и изключване на SCADA от веригата на изключвателната бобина, когато е в положение Local; не може да бъде отменено от софтуера
• Локална аларма за работа към SCADA: Когато селекторът е в позиция Local, SCADA показва визуална аларма, която не позволява на операторите да подават дистанционни команди към прекъсвач под локален контрол.
• Блокиране на заземителя: Хардвирната блокировка предотвратява командата за затваряне на SCADA, когато съответният заземител е в затворено положение - задължително за безопасността на подстанциите с високо напрежение

Стъпка 4: Утвърждаване на изискванията за киберсигурност

За външни VCB и SF6 CB с комуникационни интерфейси IEC 61850 в обществени или полуобществени мрежи:

• Изискване Съответствие с IEC 62351 за удостоверяване и криптиране на SCADA команди³
• Прилагане на контрол на достъпа въз основа на роли: отделни нива на привилегии за оператор, инженер и администратор за командите за превключване
• Потвърдете сегментирането на мрежата: локалната мрежа на подстанцията трябва да бъде изолирана от корпоративната ИТ мрежа чрез защитна стена или диод за данни.

Сценарии на приложение по тип разпределение на енергия

• Градски разпределителни подстанции (11-33 kV): Дистанционното управление на SCADA позволява превключване на възстановяването на повредата от центъра за управление на мрежата, без да се изпращат екипи на място - от решаващо значение за бързото възстановяване на доставките
• Подстанции за високо напрежение за промишлени предприятия: Дистанционното превключване по време на производствените часове елиминира необходимостта от прекъсване на операциите за ръчно превключване; спазването на правилата за дъгова заплаха се постига без натоварване с лични предпазни средства
• Разпределителни мрежи в селските райони: Интегрираните в SCADA външни VCB позволяват отдалечено изолиране на повреди в дълги въздушни линии, което намалява времето за възстановяване на повредата от часове на минути
• Подстанции за събиране на енергия от възобновяеми източници: Дистанционното управление е от съществено значение за безпилотните подстанции за слънчева и вятърна енергия; интегрирането на SCADA е базово изискване, а не опция
• Подстанции за крайбрежна и сурова среда: Дистанционното управление елиминира излагането на оператора на екстремни метеорологични условия по време на аварийни превключвания

Кои са най-критичните грешки при инсталирането и пускането в експлоатация при модернизация на външни прекъсвачи, интегрирани в SCADA?

Контролен списък за монтаж и пускане в експлоатация

1. Проверете блокировката на дистанционния/местния селектор преди всяко изпитване в реално време: Потвърдете, че командите за затваряне и задействане на SCADA са физически изключени от веригата на бобината за задействане, когато селекторът е в положение Local (местно) - тествайте с мултицет на клемите на бобината, а не чрез софтуерна симулация
2. Тестване на точността на обратната връзка за позицията на SCADA при всички състояния на прекъсвача: Потвърдете, че състоянията на контактите 52a и 52b се отчитат правилно към SCADA за отворени, затворени и междинни позиции; неправилната обратна връзка за позицията е основната причина за грешки при превключването, инициирани от SCADA.
3. Потвърждаване на функцията за защита от изпомпване при SCADA, която поддържа команда за затваряне: Приложете устойчив цифров изход от RTU и потвърдете, че прекъсвачът се затваря само веднъж; отказът на антипомпената система под контрола на SCADA води до бързо повтарящо се затваряне, което разрушава работния механизъм.
4. Извършване на тест за латентност на комуникацията от край до край: Измерване на времето от командата на оператора на SCADA до задействането на изключвателната бобина на прекъсвача; общото закъснение трябва да бъде < 500 ms за нормално превключване и < 100 ms за изключвания, инициирани от SCADA за защита
5. Преди да се свържете с мрежата, въведете контрол на достъпа в областта на киберсигурността: Никога не свързвайте външна VCB, интегрирана в SCADA, към мрежата на подстанцията с идентификационни данни по подразбиране или без конфигуриран контрол на достъпа, базиран на роли.

Често срещани грешки, които влошават безопасността и надеждността

• Окабеляване на командата за затваряне на SCADA директно към бобината за затваряне без антипомпено реле: Грешка в комуникацията на SCADA, която изпраща повтарящи се импулси за затваряне, ще доведе до разрушаване на механизма на прекъсвача в рамките на секунди - предпазването от изпомпване е задължително, а не опционално.
• Използване на софтуерна блокировка като единствен метод за отдалечена/местна изолация: Софтуерните блокировки могат да се повредят, да бъдат заобиколени или да бъдат заменени от грешки в комуникацията; дистанционната/местната изолация трябва да бъде твърдо окабелена физическа връзка на клемите на бобината.
• Пропускане на теста за валидиране "Избери преди работа": SCADA терминалите, конфигурирани без потвърждение за двойно действие, позволяват случайни команди за превключване с едно щракване на мишката - потвърждаване на функцията SBO за всеки прекъсвач в обхвата на модернизацията
• Пренебрегване на екранирането на контролните кабели в условията на открити подстанции: Необезопасените контролни кабели в откритите разпределителни уредби за високо напрежение възприемат електромагнитни смущения от преходни процеси при превключване, което води до фалшиви промени в състоянието на цифровите входове на SCADA, които генерират фалшиви аларми за позицията на прекъсвача или, в най-лошия случай, фалшиви сигнали за изключване.

Заключение

Интеграцията на дистанционното управление на SCADA с външни VCB и SF6 CB представлява най-ефективното единично подобрение, достъпно за операторите на електроразпределителни мрежи, които се стремят да премахнат опасностите за безопасността при превключване на подстанции с високо напрежение. Като премества операторите трайно извън границата на дъговата заплаха при рутинно превключване, налага блокиране на последователността на операциите и осигурява видимост на състоянието на прекъсвача в реално време от безопасната среда на контролната зала, интегрирането на SCADA променя профила на безопасност на операциите на подстанциите с високо напрежение по начин, който не може да бъде постигнат с никакви лични предпазни средства или процедурни контроли. Основният извод: най-безопасната операция по превключване е тази, при която никой оператор не стои до високоволтово оборудване - и SCADA дистанционното управление на външни VCB и SF6 CB е точно начинът, по който се постига това.

Често задавани въпроси относно дистанционното управление на SCADA за външни VCB и SF6 CB

1. “Установяване на граници около опасностите от прожекторна дъга”, https://www.osha.gov/sites/default/files/publications/OSHA4474.pdf. [Ръководство на OSHA, в което подробно са описани границите на дъговата светкавица и границите на енергията на инцидента по NFPA 70E]. Evidence role: general_support; Source type: government. Подкрепа: Потвърждава, че NFPA 70E определя специфични граници на дъговата заплаха въз основа на параметрите на енергията на инцидента. ↩

2. “IEC 61850 и GOOSE, MMS протоколи”,https://oringnet.com/en/knowledge-base/iec-61850-and-goose,-mms-protocols. [Обяснява допълващите се роли на GOOSE за високоскоростни приложения за защита и MMS за събиране на данни от клиент-сървър и дистанционно управление на устройствата.] Роля на доказателство: механизъм; Тип източник: индустрия. Подкрепя: Потвърждава различните функционални роли на протоколите GOOSE и MMS в автоматизацията на подстанциите. ↩

3. “IEC 62351”,https://www.ipcomm.de/protocol/IEC62351/en/sheet.html. [Определя изискванията на стандарта за сигурност IEC 62351 за криптиране и удостоверяване на автентичността на обмена на данни между системите за управление на енергията.] Evidence role: general_support; Source type: standard. Поддържа: Удостоверява, че IEC 62351 е необходимият стандарт за киберсигурност на SCADA комуникацията. ↩