Испытания РЗА на основе МЭК 61850-9-2 с гибкой конфигурацией измерительных каналов и синхронизацией IRIG-B

Аннотация

Рассматриваются особенности испытаний устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) на действующем энергообъекте с вторичным оборудованием, выполненном на основе китайского подхода к проектированию цифровых подстанций с шиной процесса МЭК 61850. Предлагаются способы и средства для тестирования функций РЗА, использующих приём общего цифрового потока, набор данных которого не соответствует распространённым спецификациям МЭК 61850-9-2. Приводятся схемы обеспечения синхронизации устройств РЗА и испытательных комплексов при несетевом формате точного времени типа IRIG-B.

Введение

Релейная защита и автоматика объектов электроэнергетики, таких как цифровые/высокоавтоматизированные подстанции (ВАПС) с цифровыми вторичными системами на основе шины процесса МЭК 61850-9-2 (Sampled Values – SV) [1], как правило, проектируется под спецификации МЭК 61850-9-2. Данные спецификации, обеспечивая совместимость интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ) РЗА – подписчиков и издателей SV-потоков, определяют частоту дискретизации, наборы данных, количество и порядок следования измерительных каналов тока и напряжения в сетевом пакете Ethernet и другие параметры. В РФ широкое распространение получили некоторые профили МЭК 61850-9-2, например, Корпоративный профиль ПАО «ФСК Россети» [2] на основе стандарта МЭК 61869-9 [3], а также спецификация МЭК 61850-9-2 LE [4].

В некоторых проектных решениях, как правило, использующих китайские устройства РЗА, например, NR Electric (NR) серии PSC, применяется свободное распределение каналов тока и напряжения в SV-потоках под конкретный проект ВАПС. Это не является отклонением от стандарта МЭК 61850, но такие ИЭУ могут оказаться несовместимыми с ИЭУ других изготовителей, например, поддерживающих МЭК 61850-9-2 LE или Корпоративный профиль ПАО «ФСК Россети».

Протокол SV предъявляет требования к точной синхронизации времени для издателей SV – не хуже ±1 мкс. В РФ широкое распространение получил сетевой протокол точного времени PTP (IEEE 1588) [5] для синхронизации ИЭУ через шину процесса, который рекомендован в современных редакциях МЭК 61850-9-2. В Китае для синхронизации РЗА ВАПС в основном применяется формат сигнала IRIG-B [6], который использует отдельную, как правило, оптоволоконную линию передачи временного кода. В связи с этим техническое обслуживание ИЭУ со специфической конфигурацией SV и поддержкой IRIG-B имеет некоторые особенности.

Далее рассматриваются испытания ИЭУ РЗА с гибкой настройкой МЭК 61850-9-2 и синхросигналом IRIG-B [7] на примере устройств серии PSC фирмы NR и испытательного комплекса типа РЕТОМ-61850.

1. Средства генерации цифровых потоков SV с произвольным набором данных

Функция генерации SV-потока, набор данных которого может содержать произвольное количество каналов, как правило, актуальна при аттестационных испытаниях ИЭУ-подписчика SV (устройство РЗА, контроллер присоединения, измерительный преобразователь и т.п.). Например, проверка реакции ИЭУ на несоответствие количества каналов в конфигурации подписчика [8, 9] выполняется при проведении негативных тестов в сертификационных центрах и у разработчиков ИЭУ РЗА, когда в SV-потоке имитируется неполный или избыточный набор данных. Возможность гибко управлять параметрами SV в испытательном комплексе позволяет оценить устойчивость работы ИЭУ в условиях системного сбоя издателя (цифрового измерительного трансформатора или преобразователя аналоговых сигналов). Кроме того, при задании последовательности режимов в SV-потоке, например, «холостой ход/нагрузка — короткое замыкание — пауза», можно оценивать параметры срабатывания: по току, напряжению, сопротивлению, мощности, времени и другим величинам.

Примером инструмента, обеспечивающего проверки ИЭУ с произвольным количеством каналов тока и напряжения, является специализированное программное обеспечение (ПО) «Генератор SV-потоков МЭК 61850» для приборов РЕТОМ-61850 [10]. Программа предназначена для сертификационных испытаний подписчиков SV-потоков и поддерживает до 48 независимых измерительных каналов. Кроме настроек значений передаваемых цифровых отсчётов (value), ПО позволяет устанавливать индивидуальные метки качества (quality) для каждого канала, имитировать нарушения в порядке следования сетевых пакетов и реализовывать некоторые другие возможности [10]. На рис. 1 приведены пример настройки SV-потока с 14 каналами тока/напряжения в наборе данных и структура его сетевого кадра.

Рис. 1. Пример настройки ПО «Генератор SV-потоков МЭК 61850» (а) и структура SV для потока с 14 каналами (б)

2. Синхронизация испытательного прибора и ИЭУ РЗА на основе сигналов временной синхронизации IRIG-B

Способы синхронизации испытательных приборов и ИЭУ на разных этапах жизненного цикла РЗА ВАПС могут существенно отличаться. Например, может применяться синхронизация испытательной установки:

• объектовая, от системы обеспечения единого времени (СОЕВ) ВАПС;
• независимая от СОЕВ ВАПС, по спутниковым сигналам GPS/ГЛОНАСС;
• локальная, от внутренних часов, с симуляцией глобальной синхронизации для ИЭУ РЗА.

Если испытательная система не поддерживает синхронизацию IRIG-B (из-за отсутствия её широкого распространения в РФ), можно использовать внешнее устройство-преобразователь протокола PTP в сигнал формата IRIG-B. Пример такого решения приведён на рис. 2, где показана схема локальной синхронизации испытательной установки типа РЕТОМ-61850 и проверяемого ИЭУ РЗА типа PSC NR при наладке (или проверке с физической изоляцией ИЭУ от шины процесса/станции и СОЕВ). В качестве преобразователя протокола PTP в IRIG-B используется многофункциональный блок типа РЕТ-КОМ и оптический кросс-преобразователь «TTL-оптика» типа РЕТ-ОПТИК [11].

Рис. 2. Локальная синхронизация испытательной установки и ИЭУ РЗА через преобразователь протокола PTP в IRIG B

Для организации глобальной временной синхронизации испытательной установки без интерфейса IRIG-B и ИЭУ РЗА с поддержкой IRIG-B следует использовать встроенную систему спутниковой синхронизации GPS/ГЛОНАСС. Например, такая возможность поддерживается в модернизированном приборе типа РЕТОМ-61850.1 (рис. 3).

Рис. 3. Глобальная спутниковая синхронизация испытательной установки и ИЭУ РЗА через преобразователь протокола PTP в IRIG-B

При необходимости испытаний ИЭУ РЗА без их физического отключения от СОЕВ ВАПС может применяться независимая (отдельная от СОЕВ) глобальная временная синхронизация испытательного прибора по сигналам GPS/ГЛОНАСС (рис. 4).

Рис. 4. Независимая глобальная спутниковая синхронизация испытательной установки от СОЕВ ВАПС

3. Полевые испытания ИЭУ РЗА с гибкой конфигурацией и синхронизацией по IRIG-B

Испытания ИЭУ РЗА рассмотренного типа были проведены на одной из подстанций (ПС) в центральной части РФ, где устройства РЗА серии PSC фирмы NR с поддержкой SV и GOOSE установлены на присоединениях 220/110 кВ: линиях электропередачи (ЛЭП) и автотрансформаторах (АТ). Особенностью проекта ПС является применение концентраторов-преобразователей аналоговых сигналов от разных трансформаторов тока/напряжения (ТТ/ТН) в общие SV-потоки и реализация СОЕВ на основе синхросигналов IRIG-B по оптическим каналам. Цифровые выходы преобразователей аналоговых сигналов (ПАС), подключенных к измерительным ТТ/ТН, передают данные по проприетарному протоколу в ПАС-концентраторы с выходом МЭК 61850-9-2 SV (рис. 5). Данное оборудование размещается в шкафах на открытом распределительном устройстве на расстояниях 50-100 м. ПАС-концентраторы выполняют преобразование и инкапсуляцию цифровых отсчётов от ПАС ТТ/ТН в единый SV-поток. Подписчики SV (ИЭУ РЗА) принимают один SV-поток, содержащий все необходимые для функций РЗА аналоговые значения от кернов ТТ/ТН, а также данные от кернов измерений и учёта (рис. 6).

Рис. 5. Организация измерительных каналов для общего SV-потока

Объектами испытаний являлись шкафы резервных защит и автоматики управления выключателями ЛЭП и АТ с конфигурацией SV-потоков, содержащих 14, 17 и 33 канала (рис. 6).

Для проверки функций РЗА использовалось ПО «Генератор SV-потоков МЭК 61850» и приборы типа РЕТОМ-61850 и РЕТОМ-61850.1, с помощью которых обеспечивалась последовательная выдача тестовых режимов. Анализ работы терминалов PSC выполнялся по GOOSE-сообщениям с помощью ПО «Сетевой анализатор».

Поскольку ИЭУ РЗА не отключались от СОЕВ, их проверка выполнялась по схеме на рис. 4. В качестве глобального источника точного времени (сервера времени) по протоколу PTP использовался комплекс РЕТОМ-61850.1 с приёмным модулем GPS/ГЛОНАСС (рис. 7).

Рис. 6. Пример набора данных (dataset) для РЗА ЛЭП и АТ с 14 каналами

Рис. 7. Подключение приборов для проверки ИЭУ РЗА (РЕТОМ-61850.1 выполняет функцию сервера PTP)

Выводы

Рассмотренные схемы испытаний позволяют выполнять проверки ИЭУ РЗА с поддержкой произвольной конфигурации SV-потоков и синхронизацией по IRIG-B на всех этапах жизненного цикла ИЭУ: при наладке, профилактическом контроле, послеаварийных проверках и техническом обслуживании по состоянию.

При проектировании РЗА ВАПС с применением специфических (нетиповых) решений МЭК 61850 следует учитывать поддержку соответствующих инструментов для проведения испытаний и мониторинга РЗА и АСУТП.

Решения для тестирования ИЭУ РЗА, апробированные на ПС 220/110 кВ, могут применяться на других объектах с аналогичным оборудованием, которое не поддерживает распространённые в РФ профили МЭК 61850-9-2.

Литература

1. 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.

2. СТО 56947007-25.040.30.309-2020 «Корпоративный профиль МЭК 61850». Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС». Дата введения: 05.10.2020. Дата введения изменений: 24.03.2023.

3. IEC 61869-9 Instrument Transformers – Part 9: Digital Interface for Instrumental Transformers / International Electrotechnical Commission. – 2016.

4. IEC 61850-9-2 LE (Lite Edition). Implementation Guideline for Digital Interface to Instrument Transformers using IEC 61850‑9-2.

5. IEC/IEEE 61850-9-3:2016 Communication networks and systems for power utility automation – Part 9-3: Precision time protocol profile for power utility automation. Edition 1.0. / International Electrotechnical Commission. – 2016.

6. Лэй, С. Опыт внедрения цифровых подстанций в Китае / С. Лэй, Д. Сюэпэн // Релейная защита и автоматизация. – 2012. – № 2. – С. 72-76.

7. Ингрэм Д. Реализация протокола PTP на подстанциях / Д. Ингрэм, Б. Смелли // Hypertech [Электронный ресурс]. 2015. URL: https://hypertech.co.il/wp-content/uploads/2015/12/Implementing-PTP-in-substations.pdf (дата обращения: 06.04.2026).

8. СТО 56947007-29.240.10.253-2018 «Типовые методики испытаний компонентов ЦПС на соответствие стандарту МЭК 61850 первой и второй редакций». Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС». Дата введения: 29.03.2018.

9. Программа и методики испытаний на соответствие Корпоративному профилю МЭК 61850 ПАО "ФСК ЕЭС" (SV-подписка). Устройства ЦПС, обрабатывающие выборочные значения (SV). Редакция №1.9 / АО НТЦ ФСК ЕЭС. М. - 2022.

10. Рыжов, Э.П. Программно-аппаратный комплекс для сертификации подписчиков SV / Э.П. Рыжов, Ю.Л. Смирнов, В.Э. Степанов // Технологический суверенитет России в области РЗА и АСУ ТП и устойчивость в условиях санкционных ограничений: Всероссийская научно-техническая конференция по релейной защите и автоматизации энергетических систем, Чебоксары, 23–25 апреля 2024 года. – Чебоксары, 2024. – С. 147-151.

Шалимов, А.С. Опыт периодических испытаний цифровых защит с поддержкой IEC61850-8-1 и IEC 61850-9-2 / А.С. Шалимов // Релейная защита и автоматизация. – 2021. – № 3. – С. 100-103.

--------------------------------------------------------------

Рыжов Э.П., к.т.н. Шалимов А.С., ООО «НПП «Динамика»,

г. Чебоксары, июнь 2026

С другими статьями можно ознакомиться на сайте НПП «Динамика»
https://www.dynamics.com.ru/pages