Введение
Вторичные системы высокоавтоматизированных подстанций (ВАПС) на основе II и III архитектуры используют шину процесса – локально-вычислительную сеть (ЛВС), объединяющую устройства релейной зашиты и автоматики (РЗА) и устройства сопряжения с объектом. ЛВС обеспечивает трафик данных шины процесса по протоколам GOOSE (МЭК 61850-8-1 [1]) и SV (МЭК 61850-9-2 [2]). Передача аналоговой информации от первичных измерительных преобразователей и дискретных сигналов между устройствами РЗА и коммутационными аппаратами через шину процесса осуществляется с использованием кадров в формате Ethernet, образующих потоки данных.
Проектные решения для ВАПС II и III архитектур предусматривают дублирование сигналов (GOOSE-сообщения и SV-потоки) для устройств уровня присоединения от независимых источников (издателей) с целью обеспечения надёжного срабатывания при отказе любого из элементов системы РЗА ВАПС. Указанное дублирование аналоговых сигналов (передаваемых в SV-потоке) в устройстве РЗА не типично для традиционного подхода к построению вторичных систем подстанций.
В настоящее время отсутствует нормативная документация, регламентирующая поведение элементов системы РЗА в случае пропадания сетевых пакетов, или изменения качества или других сетевых параметров SV-потока (GOOSE-сообщения), на который подписано одно или несколько интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ). Для исключения указанных ситуаций, которые могут привести к возможности неправильного действия функций защиты и автоматики, целесообразно выполнять сигнализацию и перевод функций РЗА на другой (резервный) издатель, аналоговые измерения или дискретные события которого являются актуальными.
Использование сетевой технологии передачи аналоговых сигналов (Sampled Values) в III архитектуре ВАПС приводит к дополнительному увеличению времени действия защит на 3 мс [3]. При различных сетевых коллизиях в ЛВС (коммутаторы, серверы времени и т.д.) и в зависимости от способа реализации специальных алгоритмов, принятых разработчиком ИЭУ, время задержки отключения от РЗА при нестационарном аварийном режиме энергосистемы может увеличиваться до существенных значений.
Оценка работоспособности и устойчивости ИЭУ РЗА требует дополнительного объёма испытаний, разработки методов и технических средств для тестирования функции резервирования устройствами уровня присоединения дублируемых GOOSE-сообщений и SV-потоков, формируемых ИЭУ уровня процесса, а также соответствующих нормативно-технических документов для заводов-изготовителей и эксплуатирующих организаций.
Виды резервирования SV-потоков для РЗА ВАПС III архитектуры
В источнике [3] предлагается различать следующие виды резервирования SV-потоков:
● сетевое;
● аппаратное;
● схемное (холодное);
● бесшовное (горячее).
Сетевое резервирование обеспечивается использованием двух независимых физических каналов связи, соответствующего сетевого оборудования и протоколов резервирования PRP (Parallel Redundancy Protocol) или HSR (High-availability Seamless Redundancy) стандарта МЭК 62439-3 [4]. Дублирование каналов передачи SV-потоков и сетевых коммутаторов шины процесса (для ЛВС с протоколом PRP) ВАПС не обеспечивает резервирование устройств-издателей SV, которые остаются возможной точкой отказа системы РЗА ВАПС. В ряде случаев, выход из строя такого издателя SV – электронного блока цифрового измерительного трансформатора (ЦИТ) или преобразователя аналоговых сигналов (ПАС) – может привести к длительной блокировке некоторых функций одновременно в нескольких устройствах РЗА.
Аппаратное резервирование предполагает подписку ИЭУ на SV-потоки от разных измерительных или преобразовательных устройств-издателей, расположенных в одной точке измерения (рис. 1). Устройство-подписчик (ИЭУ РЗА) в этом случае принимает сразу два потока из одной точки первичной сети. При реализации[П1] аппаратного резервирования [П2] [П3] появляется возможность реализации холодного и горячего резервирования.
Аппаратное резервирование предполагает подписку ИЭУ на SV-потоки от разных измерительных или преобразовательных устройств-издателей, расположенных в одной точке измерения (рис. 1). Устройство-подписчик (ИЭУ РЗА) в этом случае принимает сразу два потока из одной точки первичной сети. При реализации аппаратного резервирования появляется возможность реализации холодного и горячего резервирования.
Схемное (холодное) резервирование выполняет функцию переключения подписки ИЭУ РЗА на SV-потоки от разных устройств-издателей (базовых и альтернативных), расположенных в разных точках измерения (например, от ПАС измерительных трансформаторов, установленных на разных элементах схемы ВАПС), рис. 1. Переключение на устройства-издатели SV-потоков со схемным резервированием выполняется оперативно, с контролем состояния коммутационных аппаратов, соединяющих между собой точки подключения устройств-издателей альтернативных SV-потоков в первичной схеме. Количество альтернативных SV-потоков определяется проектом ВАПС.
Горячее (бесшовное) резервирование SV-потоков обеспечивается при одновременной обработке в ИЭУ РЗА SV‑потоков от двух издателей (основного и резервного), например, двух устройств ПАС одного класса точности, подключенных к одному физическому измерительному устройству (трансформатору тока или напряжения), формирующих два независимых SV-потока с разными коммуникационными параметрами (destination/source MAC-адрес, svID, APPID). При этом, в каждый момент времени, для реализации функций релейной защиты используются данные из одного потока, имеющего (в общем случае) лучшие параметры качества (quality), рис. 2. При одинаковом качестве двух потоков приоритет имеет основной поток. Примеры организации холодного и горячего резервирования SV-потоков ВАПС приведены в источнике [3].
При обеспечении горячего резервирования ИЭУ РЗА принимает и обрабатывает пакеты SV-потоков от основного и резервного источников с проверкой критериев исправности издателя (и канала передачи данных) и, в случае необходимости, осуществляет замену сетевого пакета с цифровыми отсчётами на резервный, не оказывая влияния на работу непосредственно функций РЗА.
Для подачи цифровых отсчётов на входы алгоритмов измерительных органов, для РЗА автоматически выбирается лучший поток, переход на который осуществляется бесшовно, т.е. без блокировки функций РЗА (время переключения равно нулю). В случае отсутствия базового резервного потока, или в случае, когда его качество не позволяет считать его пригодным – формируется сигнализация ИЭУ о неисправности измерительных цепей МЭК 61850-9-2 и, возможно, блокирование соответствующих функций РЗА.
Критерии переключения ИЭУ РЗА на резервный SV-поток при горячем резервировании
Основным идентификатором качества сигнала в SV-потоке является показатель (флаг) validity (достоверность) атрибута quality (качество). Данный атрибут отражает признак достоверности и может иметь значения:
● good (хороший): сигнал достоверный и устанавливается издателем в случае, если в работе источника получаемой информации не обнаружено каких-либо неисправностей;
● invalid (недействительный): недостоверность сигнала означает, что обнаружена неисправность в работе источника данных, выдаваемая информация неверна и ее нельзя использовать;
● questionable (сомнительный): признак условной достоверности выставляется в том случае, если функция самодиагностики обнаруживает ненормальное поведение источника данных, хотя сама передаваемая информация может оставаться актуальной.
Примером смены состояния флага качества является работа функции блокировки при неисправностях (БНН) во вторичных цепях измерительного трансформатора напряжения (ТН), встроенной в ПАС, которая управляет состоянием флагов качества передаваемых значений напряжения [5]. При срабатывании БНН, в соответствующем SV-потоке формируются флаги: q.validity = invalid, q.detailQual.failure = true, q.detailQual.inconsistent = true. Описание битов качества SV-потока приведено в табл. 1 [2].
Критериями исправности принимаемых и обрабатываемых в ИЭУ РЗА SV‑потоков являются:
● непрерывность – отсутствие потери подряд двух и более ASDU (в одном или двух сетевых пакетах), перемешивание или смещение относительно 1PPS сетевых пакетов с выходом за пределы буфера компенсации сетевых задержек и других сетевых коллизий [6, 7];
● достоверность – значение полей (битов) качества всех измерительных каналов (тока или напряжения) соответствует «good»;
● синхронность – состояние флага синхронизации равно 2 (global) или, в ряде случаев – 1 (local);
● режим ИЭУ – соответствие битов тестирования SV‑потока режиму работы ИЭУ РЗА.
При восстановлении характеристик SV-потока основного издателя, ИЭУ РЗА через выдержку времени, величина которой определяется требованиями к горячему резервированию, автоматически переключается на основной поток.
Важно понимать, что механизм переключения между основным и резервным потоками не анализирует значения аналоговых сигналов в пакетах 9-2. Необходимым условием правильной работы бесшовного резервирования является полная совместимость двух потоков, т.е. полная взаимозаменяемость выборок с одинаковым полем smpCnt. Отсчёты должны совпадать с точностью до пренебрежимо малой погрешности. Иными словами, если два издателя маркируют свои потоки как полностью корректные, то значения в них должны совпадать. На приведённых ниже рисунках аналоговые значения не совпадают только для наглядности отображения перехода с одного потока на другой. В реальной эксплуатации синусоиды основного и резервного потоков должны продолжать друг друга, либо же поток должен быть отмечен как не синхронный, с плохим качеством отсчётов и т.п.
Следует отметить, что изготовители ИЭУ РЗА могут использовать разные алгоритмы реализации функций горячего резервирования. При этом, способы проверки их функционирования могут быть типовыми.
Тестирование функции резервирования издателей SV-потоков
Проверка функции резервирования может объединяться с проверкой функционирования алгоритмов ИЭУ РЗА для оценки их поведения (быстродействия, селективности) при наложении событий аварии в электроэнергетической системе (ЭЭС) и неисправности издателя SV. Для проведения подобных испытаний актуально применение программно-аппаратных комплексов (ПАК) для проверки устройств РЗА с поддержкой МЭК 61850-9-2.
Требования к функционалу подобного ПАК включают возможность динамического изменения электрических (амплитуда, фаза, частоты и их производные для сигналов в каналах тока и напряжения) и сетевых параметров (структура, порядок следования и содержимое полей сетевых пакетов SV) в заданных сценарием испытаний комбинациях. Кроме того, ПАК должен поддерживать глобальную синхронизацию по протоколу точного времени РТР или от спутниковых сигналов ГЛОНАСС.
Примером подобного инструмента является ПАК на основе РЕТОМ-61850 [8] и специальное ПО «Генератор SV-потоков МЭК 61850». Применение ПАК для проверки сетевого резервирования по протоколу PRP рассмотрено в источнике [9].
Для испытаний функции горячего резервирования SV-потоков, ПАК выполняет имитацию необходимых издателей ИЭУ РЗА (рис. 3). Программное обеспечение ПАК формирует последовательности потоков данных, имитирующих режимы в ЭЭС и ЛВС. Аналоговые сигналы набора данных каналов тока и напряжения SV-потока для каждой последовательности, задаются в формате:
где Х – действующее значение сигнала тока или напряжения; f– частота сигнала; φ – фаза сигнала, tП – время смещения сигнала относительно начала последовательности. Значения Х, f, φ и tП формируются индивидуально для каждой последовательности SV-потока.
Алгоритм испытаний с использованием ПАК, в общем случае, включает генерацию последовательностей SV-потоков, включающих:
● нормальный режим (в ЭЭС, ЛВС и издателях SV);
● режим аварии в ЭЭС с наложением на процесс короткого замыкания (КЗ) событие отказа (неисправности) издателя основного SV-потока и фиксацией времён срабатывания функций (измерительных органов) РЗА.
Режим неисправности издателя зависит от сценария испытаний: отключение в передаче SV-потока, установка флагов недостоверных данных для передаваемых сигналов и т.д. Осциллограммы сценариев испытаний с паузой в передаче SV-потока и переключением флагов качества, полученные при помощи захвата сетевого трафика, приведены на рис. 4, 5.
Для оценки восстановления приёма основного SV-потока, выполняется следующий алгоритм:
● нормальный режим (в ЭЭС, ЛВС и издателях SV);
● режим отключения (недостоверности данных) основного и резервного SV-потоков с фиксацией сигнала неисправности шины процесса;
● восстановление параметров основного (или резервного) SV-потока, фиксация восстановления аналоговых измерений и снятия сигнала неисправности в ИЭУ.
На рис. 6 приведены фрагменты настроек ПАК для проверки функции резервирования при пропадании на заданное время основного SV-потока, установке недостоверного качества в аналоговых каналах, нарушение структуры сетевого пакета и коллизий в передаваемых SV-потоках. Указанные настройки могут применяться к каждому SV-потоку в любой из заданных последовательностей.
Рассмотрим проверку функционирования горячего резервирования SV с использованием ПАК для ИЭУ резервной защиты автотрансформатора типа БЭ2704v071 (ООО НПП «ЭКРА)». Устройство БЭ2704v071 подписано на два базовых SV потока МЭК61850-9-2LE – основной и резервный.
На рис. 7 приведена осциллограмма результата испытаний для сценария, когда к ИЭУ подводится изначально только один (базовый основной) SV-поток. ПАК имитирует режим SV из трёх последовательностей, где в первом режиме имитируется нормальный режим (в ЭЭС и в ЛВС), во втором на 120 мс выполняется отключение базового SV-потока, в третьем режиме – восстановление передачи SV-потока с аналоговыми сигналами, соответствующими трёхфазному КЗ в ЭЭС. В этом случае, при отсутствии базового резервного потока, отключение SV-потока (либо недостоверность в данных качества и т.п.) приводит к установке специальным алгоритмом ИЭУ логического сигнала «Неисправность шины 9-2» равным «1» и блокировке работы функций РЗА. После восстановления передачи (нормальных параметров) SV-потока с аналоговыми сигналами, соответствующими КЗ в ЭЭС, происходит возврат функции блокирования ИЭУ (значение сигнала «Неисправность шины 9-2» равно «0»), который приводит к суммарной задержке в срабатывании измерительных органов РЗА, приблизительно на 100 мс (рис. 7).
При подведении к ИЭУ БЭ2704v071 основного и резервного базовых SV-потоков обеспечивается условие функционирования горячего резервирования. Соответственно, при аналогичном аварийном сценарии происходит бесшовное переключение на измерения резервного потока, отсутствует блокировка ИЭУ и время срабатывания измерительных органов РЗА соответствует техническим данными устройства.
Таким образом, обеспечение горячего резервирования, совместно с сетевым, позволяет обеспечить надёжность РЗА с нулевым временем задержки отключения КЗ при отказе одного, а в ряде случаев и нескольких элементов вторичной системы ВАПС. Рассмотренные средства проверки и примеры сценариев испытаний могут адаптироваться для тестирования поведения ИЭУ-подписчиков SVс учётом особенностей реализации проектов ВАПС III архитектуры и расширяться на основе требований и опыта эксплуатации и технических данных ИЭУ РЗА.
Выводы
1. Предложенные технические решения по имитации неисправностей в издателях SV-потоков могут стать основой для разработки требований к методикам испытаний ИЭУ в части проверки резервирования SV-потоков.
2. Динамические испытания функции горячего резервирования SV-подписчика могут применяться при аттестации ИЭУ РЗА при оценке правильности обработки данных SV-потока и устойчивости функционирования ИЭУ при некорректных данных. Также, рассмотренный инструмент генерации SV-потоков может применяться для ряда проверок при приёмке ИЭУ РЗА из наладки, при эксплуатационных и послеаварийных проверках.
Литература:
1. Communication networks and systems for power utility automation - Part 8-1: Specific communication service mapping (SCSM) - Mappings to MMS (ISO 9506-1 and ISO 9506-2) and to ISO/IEC 8802-3 International standard IEC 61850-8-1 Edition 2.0 2011-06.
2. IEC 61850-9-2. Communication networks and systems for power utility automation – Part 9-2: Specific communication service mapping (SCSM) – Sampled values over ISO/IEC 8802-3. Edition 2.1. / International Electrotechnical Commission. – 2020.
3. Безденежных М.Н. Резервирование SV-потоков для целей РЗА/ М.Н. Безденежных, Н.А. Дони, И.А. Кошельков // Релейщик. –2023. – № 3. – С. 44-47.
4. IEC 62439-3:2021. Industrial communication networks - High availability automation networks - Part 3: Parallel Redundancy Protocol (PRP) and High-availability Seamless Redundancy (HSR). - Edition 4.0 / International Electrotechnical Commission. – 2021.
5. Дони Н.А. Особенности испытаний встроенной блокировки при неисправностях в цепях напряжения преобразователя аналоговых сигналов IEC 61850-9-2LE / Н.А. Дони, И.А. Кошельков, А.С. Шалимов // Релейная защита и автоматизация. – 2020. – № 2 (39). – С. 26-29.
6. Безденежных М.Н. Особенности тестирования цифровой дифференциальной защиты шин 110-750 кВ на основе протокола IEC 61850-9-2LE / М.Н. Безденежных, Н.А. Дони, Е.П. Егоров, И.А. Кошельков, А.А. Петров, Н.А. Тойдеряков, А.С. Шалимов // Релейная защита и автоматизация. – 2018. – № 2 (31). – С. 41-47.
7. Дони Н.А. Особенности совместного использования устройств релейной защиты на основе стандарта IEC 61850-9-2LE и защит с традиционными входными аналоговыми цепями / Н.А. Дони // Релейщик. – №1. – 2015. – С. 40.
8. Шалимов А.С. Опыт периодических испытаний цифровых защит с поддержкой IEC 61850-8-1 и IEC 61850-9-2 / Шалимов А.С. // Релейная защита и автоматизация. – 2021. – № 3 (44). – С. 100-103.
9. Рыжов Э.П. Проверка протоколов резервирования сети SV-подписчика МЭК 61850-9-2 в динамическом режиме / Э.П. Рыжов, А.С. Шалимов // В сборнике: Проблемы и перспективы развития энергетики, электротехники и энергоэффективности. Материалы VIIМеждународной научно-технической конференции. Чебоксары. – 2023. – С. 51-55.
