Летом 2018 года, была введена в промышленную эксплуатацию первая высокоавтоматизированная подстанция (ВАПС), реализованная с использованием оборудования отечественных производителей — ПС «Медведевская» в Москве. За прошедшие годы количество объектов энергетики, на которых внедряются решения в рамках программы цифровизации, увеличилось настолько, что можно делать определенные выводы. С целью уменьшить количества разночтений, допускаемых стандартами, опубликованы и приняты нормативно-технические документы, в которых зафиксированы решения, показавшие положительных эффект от внедрения.
Фактически, текущий этап внедрения полностью цифровых вторичных систем — это переходом к новому поколению устройств релейной защиты и автоматики (РЗА). Особенно это касается II и III архитектуры построения ВАПС. Ключевым моментом, с точки зрения РЗА, для ВАПСявляется создание шины процесса — локально-вычислительной сети подстанции, объединяющей устройства РЗА и устройства сопряжения с объектом (УСО), обеспечивающей трафик протоколов GOOSE (МЭК 61850−8-1 [1]) и SV (МЭК 61850−9-2 [2]).
Передача информации по протоколам GOOSE и SV осуществляется с использованием кадров в формате Ethernet, образующих потоки данных. В настоящее время отсутствует нормативная документация, регламентирующая поведение системы РЗА в случае пропадания, или изменения качества пакетов SV-потока. Для исключения излишнего срабатывания защиты целесообразно в таких случаях выполнять блокирование функций, аналоговые измерения для которых являются неактуальными.
Авторы:
- Безденежных М. Н.;
- Дони Н. А.;
- Кошельков И. А.
Использование сетевой технологии передачи аналоговых сигналов (Sampled Values — протокол МЭК 61850−9-2 [2]) в III архитектуре ЦПС приводит к дополнительному увеличению времени действия защит на 3 мс. Это может быть существенным для защит и автоматики, имеющим время действия менее периода промышленной частоты. Кроме того, для организации шины процесса требуется большое количество дорогой специфичной аппаратуры — специализированные коммутаторы, оптические интерфейсы, серверы времени, надежность которых непосредственно влияет на надежность всей релейной защиты. Необходимы дополнительные мероприятия по обеспечению информационной безопасности технологического процесса, на базе которого работают устройства РЗА.
Положительный эффект от внедрения цифровых технологий на подстанции — уменьшение количества проводных связей, улучшение режимов работы измерительных трансформаторов тока и напряжения, повышение наблюдаемости технологических процессов, возможность полной автоматизации на стадии проектирования ЦПС и её управления в процессе эксплуатации.
Каждое новое поколение устройств РЗА обладает свойствами, выгодно отличающими новые образцы от ранее используемых. Основными свойствами РЗА являются селективность, быстродействие, чувствительность и надежность, рассмотрим, как технологии ВАПС влияют на них. Применяемые в настоящее время решения не касаются существующих принципов и алгоритмов защит, таким образом не оказывают существенного влияния на селективность и чувствительность. Ситуация, вероятно, может измениться при широком внедрении на объектах энергетики цифровых трансформаторов, лишенных таких недостатков электромагнитных трансформаторов, как насыщение. Однако это вопрос перспективы, а не текущих реалий.
Одним из способов повышения надежности работы оборудования является его резервирование. Так, например, на ВАПС в обязательном порядке выполняется дублирование системы обеспечения единого времени (СОЕВ). Кроме того, при нарушении синхронизации в одном из преобразователей аналоговых сигналов (ПАС), устройство — преобразователь, в течение гарантированного времени удерживания (десятки секунд), продолжает формировать Ethernet-кадры с цифровыми отсчетами (ЦО), взятыми в моменты времени с необходимой точностью по отношению ко всем остальным ПАС. О факте отсутствия синхронизации данное устройство информирует своих подписчиков снятием флага наличия синхронизации в поле smpSynch в пакете 9−2 [3].
Для повышения показателя надежности передачи цифровой информации по каналам связи стандарт МЭК 61850 предполагает использование протоколов «бесшовного» резервирования PRP (Parallel Redundancy Protocol) или HSR (High-availability Seamless Redundancy) [4]. При таком подходе одной из точек отказа УРЗ становится устройство — издатель SV-потока, например — ПАС. В ряде случаев выход из строя ПАС может привести к блокировке некоторых функций одновременно в нескольких устройствах РЗА. Исключить длительный вывод защит из работы можно несколькими различными способами, в некоторых случаях защита может продолжать работать без вывода.
НПП «ЭКРА» предлагает различать следующие виды резервирования: аппаратное резервирование, схемное резервирование и горячее (бесшовное) резервирование SV-потоков.
Под аппаратным резервированием предлагается понимать резервирование, при котором устройства РЗА принимают SVпотоки от разных измерительных или преобразовательных устройств-издателей SV-потоков, расположенных в одной точке измерения (между измерительными трансформаторами отсутствуют коммутационные аппараты, например, два ТН на одной секции шин). Такой подход к резервирования, в дополнение к PRP, реализован в защитах ЭКРА, принимающих SV-потоки, с самого первого объекта ВАПС в России — ПС Медведевская, по требованию заказчика. Реализовано переключение SV-потоков цепей тока/напряжения с базового потока на альтернативный и обратно. Сделано это за счёт хранения в терминале двух наборов идентификаторов для обоих потоков сразу; если по какойто причине возникает необходимость выполнить переключение, персонал подстанции оперативно переводит цепь на альтернативный поток. В более актуальных версиях программ терминала реализована возможность автоматизированного переключения от внешнего сигнала, как правило — GOOSE-сообщения.
Схемное резервирование — тип резервирования, при котором устройства РЗА принимают SV-потоки от разных измерительных или преобразовательных устройств-издателей SV-потоков, расположенных в разных точках измерения (измерительные трансформаторы могут быть гальванически разделены при помощи коммутационных аппаратов, например, ТН соседних секций). Для устройств — приёмников SV-потоков переключение с одного потока на другой принципиально не отличаются для аппаратного и схемного резервирования. Различия заключаются в способе формирования сигнала переключения, если он отличается от оперативного (переключения оперативным персоналом с помощью ключа шкафа защит).
Если в случае выполнения переключения на альтернативный поток терминал принимает один из потоков (базовый, или альтернативный), то для реализации горячего резервирования терминалу требуется принимать и обрабатывать основной и резервный потоки одновременно. В каждый момент времени для реализации функций релейной защиты используются данные только из одного SV-потока, имеющего лучшие критерии исправности. При одинаковых значениях критериев исправности двух SV-потоков приоритет имеет основной SV-поток. Выбор используемого SV-потока производится автоматически и не оказывает влияния на функционирование РЗА. Предполагается что устройства — издатели SV-потоков имеют аппаратное резервирование. Допускается использование устройств-издателей SV-потоков со схемным резервированием с обязательным контролем состояния коммутационных аппаратов, соединяющих между собой точки подключения устройств — издателей SV-потоков по первичной схеме. При горячем резервировании необходимо, чтобы основные и резервные устройства-издатели SV-потоков (измерители или преобразователи) были идентичны (одного класса точности).
Рассмотрим реализацию резервирование SV-потоков на примере терминала дифференциальной защиты линии (ДЗЛ), на ряде объектов реализовано совместное использования защит на основе IEC 61850−9-2 и защит с аналоговыми цепями [5]. На рис. 1 приведена схема подключения шкафа ДЗЛ. Для работы защиты линии необходимо обеспечить подключения к трем цепям тока и двум — напряжения. При переходе на SV-потоки это означает использование от трех до пяти потоков, количество может меняться, в зависимости от подключения устройств ПАС к измерительным трансформаторам. Возможные схемы подключения ПАС показаны на рис. 2 и рис. 3. При подписке устройств РЗА следует помнить об ограничении количества одновременно обрабатываемых SV-потоков. В настоящий момент в устройствах ЭКРЫ реализована возможность приема и обработки одновременно до 8 SV-потоков согласно профилю LE (Light Edition) МЭК 61850 через каждую плату приёма SV-потоков. В наборе каждого из потоков LE содержится информация о четырех каналах тока и напряжения. При реализации аппаратного резервирования появляется возможность реализации горячего резервирования. Устройство РЗА, в этом случае, принимает сразу два потока из одной точки первичной сети.
В настройках защит, работающих с SV-потоками, возможность работы горячего резервирования реализована путем добавления двух аналоговых цепей, для одной точки логики устройства. Например, на рис. 4 показаны настройки: «1 цепь I_Q1» и «1 цепь I_Q1-R» — цепи приёма тока линии. Принимая и обрабатывая два пакета SV-потока от различных источников, устройство защиты осуществляет сравнение критерия исправности и осуществляет замену пакета на резервный, в случае необходимости, не оказывая влияния на работу непосредственно функций РЗА.
В сравнении используется ряд полей пакета SV-потока:
- бит тестирования (бит симуляции проверяется отдельно);
- качество величин тока и/или напряжения;
- статус синхронизации;
- номер пакета (должен соответствовать синхронизации самого терминала).
В итоге для подачи на вход релейной защиты автоматически выбирается лучший поток. При этом для исключения частых переключений между потоками вводится задержка на переключение 250 мс.
Переход осуществляется бесшовно,
На рис. 5 показаны настройки цепи тока линии Q1 терминала ДЗЛ. Кроме инверсии (изменение полярности трансформатора) сигнала, доступны функции математического зануления аналоговых значений (аналог извлеченного испытательного блока (БИ) аналоговых цепей) и переключения на альтернативный поток.
Зануление цепи и переключение на альтернативный поток может осуществляться с помощью электронного, или механического переключателя, а также с помощью дискретного входа терминала или GOOSE-сообщения. С помощью переключения на альтернативный поток реализуются схемное резервирование (перевод на ОВ, переключение между ТН1 и ТН2) и аппаратное резервирование — когда нет необходимости в горячем резервировании, и допустим кратковременные вывод защит из работы при переключении.
Для наглядности, рассмотрим вариант одновременного использования горячего резервирования цепей напряжения с возможностью переключения с ТН1 на ТН2 (рис. 6). Имеется схема с двумя системами шин, с установленными трансформаторами напряжения на каждой системе. К каждому ТН подключено два блока преобразования (БП) формирующих SV-потоки цепей напряжения.
В нормальном режиме работы на измерительный орган узла цепей напряжения поступают значения выборок основного базового SV-потока («Базовый (о)» на схеме), в случае ухудшения качества данных SV-потока, измерительный орган узла цепей напряжения автоматически выполняет замену входных аналоговых величин на величины резервного базового потока («Базовый (р)»). С точки зрения РЗА ничего не меняется, функционирование продолжается в штатном режиме. В случае отсутствия базового резервного потока, или в случае, когда его качество не позволяет считать его валидным — формируется сигнализация о неисправности цепей 9−2. Переключение на альтернативные основной и резервный потоки может выполняться различными способами, в том числе с использованием логической переменной, что позволяет выполнять автоматизированное переключение. При переключении на альтернативный поток, действие измерительного органа выводится, на время необходимое для полной перезаписи буфера аналоговых величин измерительного органа, для корректной работы. Возможен вариант, когда с использованием логики контроля положения состояния коммутационных аппаратов (КА), объединяющих системы шин, для цепей напряжения 1 системы шин могут использоваться четыре различных источника SV-потока.
При реализации логики переключения на альтернативный поток важно помнить о выводе РЗА на время переключения. Недопустимо формировать сигналы переключения с высокой частотой (чаще одного раза за 250 мс). В случае использования GOOSE-сообщения для переключения, в устройстве — источнике GOOSE-сообщения, должна быть предусмотрена соответствующая логика подхвата.
Заключение
Очевидно, бесшовное переключение между потоками 9−2 при разумной реализации может повысить надёжность системы в целом. Горячее резервирование обладает некоторыми неочевидными свойствами, и требованиями, однако, оно позволяет снизить до нуля время переключения между потоками в случае неисправности одного из них, и не блокировать защиты.
Корректность поведения защит при бесшовном переключении проверена как в лабораторных условиях, так и на ряде действующих подстанций. Для использования горячего резервирования на ранее введённых в эксплуатацию объектах, в большинстве случаев, достаточно будет выполнить обновление прошивки терминалов, но не стоит забывать, что при обновлении прошивки — изменяется модель данных устройства, и, как минимум, необходимо выполнить работы по обновлению файла электронного проекта подстанции (SCD).
Литература
- 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.
- Communication networks and systems in substations — Part 9−2: Specific Communication Service Mapping (SCSM) — Sampled values over ISO/IEC 8802−3. International standard IEC 61850−9-2 Edition 2.0 2011−09.
- Безденежных М.Н., Дони Н.А., Кошельков И.А. Оценка необходимости наличия синхронизации времени функций РЗА, использующих данные об аналоговых величинах согласно протоколу МЭК 61850−9-2 // Автоматизация и IT в энергетике. Москва. 2019. № 8. С. 26−32.
- Industrial communication networks — High availability automation networks — Part 3: Parallel Redundancy Protocol (PRP) and Highavailability Seamless Redundancy (HSR). International standard IEC 62439−3 Edition 3.0 2016−03.
- Дони Н.А. Особенности совместного использования защит на основе IEC 61850−9-2 и защит с аналоговыми цепями. Материалы конференции СИГРЭ. Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем. 1−5 июня 2015, Сочи.
Журнал «Релейщик» № 3, 2023