Современные протоколы передачи данных в микропроцессорных комплексах релейной защиты и автоматики цифровых подстанций

Постановка задачи

Современные комплексы релейной защиты и автоматики, выполненные на микропроцессорной элементной базе, обеспечивают передачу сигналов измерения и управления как в аналоговой, так и в цифровой форме. Реализация вторичных цепей на основе цифровых интерфейсов, применение интеллектуальных первичных и вторичных измерительных преобразователей, интеграция систем релейной защиты и автоматики (РЗА) с автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУТП) электрических станций и подстанций фактически является переходом к новому поколению комплексных электроэнергетических объектов — цифровым электрическим станциям и подстанциям.

В основе работы цифровой подстанции лежит иерархическая система связи интеллектуального первичного оборудования и сетевого вторичного оборудования, при этом реализовано совместное использование информации и взаимные операции между интеллектуальным оборудованием [1]. Если соотносить новую цифровую подстанцию с традиционной, можно выявить следующие изменения: новый интерфейс связи и коммуникационная модель на уровнях ячейки и подстанции, а на уровне процесса — замещение традиционных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН) на электронные ТТ и ТН. Теперь информация во вторичных цепях передается по помехоустойчивому оптоволоконному кабелю либо по витой дифференциальной паре.

Таким образом, система передачи сигналов измерений и управления на цифровой подстанции представляет собой совокупность нескольких информационных сетей, передающих данные в двоичной форме по стандартным протоколам. Реализация системы передачи данных на цифровых подстанциях регламентируется стандартом МЭК-61850, который фактически включает все аспекты проектирования комплекса РЗА цифровой подстанции, от конфигурирования первичного оборудования до протоколов информационного обмена.

Достоинства и недостатки цифровых подстанций

Как известно, к основным преимуществам при проектировании и эксплуатации цифровых подстанций относятся:

• существенное упрощение схем и монтажа вторичных цепей;
• снижение капитальных затрат за счет экономии меди;
• снижение эксплуатационных затрат на обслуживание и диагностику неисправностей во вторичных цепях;
• оперативность и простота изменений в структуре комплекса РЗА без необходимости физических изменений во вторичных цепях.

Однако одновременно с этим значительно возрастают требования к подготовке и уровню квалификации инженеров-электриков, осуществляющих проектирование и наладку комплексов РЗА. Требуются дополнительные знания основных принципов организации передачи данных в локальных вычислительных сетях (ЛВС), современных протоколов передачи данных и действующих международных стандартов, владение навыками диагностики неисправностей, вызванных ошибками в конфигурации интеллектуальных устройств комплекса цифровой подстанции.

Лабораторный стенд «Модель цифровой подстанции»

С целью повышения уровня подготовки инженеров — специалистов в области релейной защиты и автоматики, на научно-производственном предприятии «Учебная техника — Профи» (г. Челябинск) разработан лабораторный стенд «Модель цифровой подстанции» МЦП-МЭК61850-СК. Стенд обеспечивает:

• изучение структуры, элементов и принципов реализации комплексов РЗА на цифровых подстанциях;
• изучение основных этапов проектирования и конфигурирования комплекса РЗА цифровых подстанций;
• исследование работы интеллектуального первичного измерительного и коммутационного оборудования;
• изучение протоколов передачи данных, применяемых на всех уровнях обмена данными.

Внешний вид стенда представлен на рис. 1. Лабораторный стенд содержит:

• физическую трехфазную модель двухтрансформаторной подстанции;
• микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики;
• интеллектуальные трансформаторы тока и напряжения, осуществляющие обработку и преобразование сигналов измерений в цифровую форму;
• трехфазные коммутационные аппараты с цифровым управлением.

Рис. 1. Внешний вид стенда «Модель цифровой подстанции»

Протоколы передачи данных в лабораторном стенде

Лабораторный стенд обеспечивает передачу данных по двум различным уровням сети. Верхний уровень, представляющий локальную сеть предприятия и реализованный на интерфейсе Ethernet, предназначен для выполнения функций чтения данных текущих измерений, чтения/записи уставок защит, настройки параметров устройств, дистанционного управления коммутационными аппаратами посредством протокола MMS (Manufacturing Message Specification) МЭК-9506 [2], являющегося основой стандарта передачи данных на цифровых подстанциях МЭК-61850.

Осуществление данных функций предполагает наличие MMS-серверов в каждом интеллектуальном устройстве стенда. При этом стандарт МЭК-61850 предусматривает возможность реализации нескольких логических устройств в одном физическом, что позволяет интегрировать в модель цифровой передачи данных по МЭК-61850 практически любые цифровые решения, поддерживающие один из существующих протоколов передачи данных. Данная особенность стандарта МЭК-61850 использована в качестве основы для разработки модели цифровой передачи данных в стенде МЦП-МЭК61850-СК. Причем функции MMS-серверов всех устройств подстанции объединены в одном физическом устройстве — MMS-сервере, выполненном в соответствии с требованиями и стандартами МЭК-61850 и обеспечивающем прозрачный с точки зрения пользователя доступ к параметрам, измерениям и управлению интеллектуальными устройствами (трансформаторы тока и напряжения, выключатели, микропроцессорные защиты, приборы учета электроэнергии) [3]. На уровне интерфейса каждое устройство представлено в виде SCL-модели (Substation Configuration Language), определенной в стандарте МЭК-61850-6 [4]. Доступ к чтению и/или записи параметров осуществляется через стандартные MMS-запросы по TCP/IP-соединению. На рис. 2 представлены фрагменты SCL-моделей измерительного трансформатора тока и трехфазного выключателя. Конфигурирование состава и параметров оборудования осуществляется через специализированное программное обеспечение, входящее в состав стенда.

Рис. 2. SCL-модели трансформатора тока и трехфазного выключателя

Элементы сети «шина процесса» и «шина присоединения»

Нижний уровень сети представлен в виде «шины процесса» и «шины присоединения» и обеспечивает непрерывный обмен данными между измерительными трансформаторами тока, устройствами релейной защиты, выключателями. Передача данных на этом уровне сети фактически становится заменой передачи сигналов по вторичным и аналоговым измерительным цепям. В лабораторном стенде «шина процесса» и «шина присоединения» выполнены на базе интерфейсов RS-485. Поскольку передача данных в сети RS-485 требует наличия мастер-устройства, одной из функций MMS-сервера лабораторного стенда является управление процессом передачи данных (циклический опрос) в соответствии с рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема передачи данных

«Шина процесса» предназначена для передачи данных текущих измерений от измерительных трансформаторов тока TA1–TA7 и напряжения TV1–TV2 к устройствам цифровой защиты и автоматики P1–P5. Передача данных осуществляется по протоколу SV (Sampled Values), определенному в стандарте МЭК-61850-9.2 [5].

«Шина присоединения» обеспечивает передачу цифровых сигналов состояния и управления между устройствами релейной защиты P1–P5 и моделями трехфазных выключателей Q1–Q5. Процесс осуществляется по протоколу GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event), указанному в стандарте МЭК-61850-8.1 [2].

Приборы учета электроэнергии ПУ1, ПУ2 опрашиваются только при получении MMS-запросов на чтение текущих показаний по сети Ethernet. В этом случае основной цикл опроса приостанавливается и в шину присоединения отправляется пакет «Опрос состояния», адресованный одному из приборов учета электроэнергии. Ответный пакет типа «Данные с ПУ» используется для формирования MMS-ответа, и основной цикл опроса продолжается.

Интеграция в лабораторный стенд элементов РЗА

Лабораторный стенд обеспечивает возможность интеграции с промышленными устройствами релейной защиты и автоматики, поддерживающими протоколы передачи данных МЭК-61850. Для этого MMS-сервер, входящий в состав стенда, выполняет функции преобразования информационных пакетов, передаваемых по интерфейсам RS-485 в стандартные пакеты GOOSE и SV, отправляемые по интерфейсу Ethernet. Также осуществляется и обратное преобразование.

Мониторинг и диагностика процессов передачи данных

Для изучения особенностей информационного обмена между интеллектуальным оборудованием модели цифровой подстанции, а также изучения структуры данных, передаваемых с применением типовых протоколов передачи данных, в состав программного обеспечения стенда включен пакет Wireshark [6]. Фрагмент анализа трафика в информационной сети представлен на рис. 4.

Рис. 4. Захват и анализ трафика информационной сети модели цифровой подстанции

Программа обеспечивает возможность просмотра содержимого пакетов в двоичной форме, а также позволяет декодировать содержимое пакетов с отображением в виде структурированных данных. На рис. 5 представлена структура данных информационного пакета GOOSE от трехфазного выключателя.

Рис. 5. Структура GOOSE-сообщения от трехфазного выключателя

Выводы

Рассмотренные принципы реализации программной и аппаратной части, реализованные в лабораторном стенде «Модель цифровой подстанции», полностью соответствуют требованиям действующего стандарта МЭК-61850. Это позволяет эффективно использовать данный стенд для изучения методологии проектирования, наладки и эксплуатации комплексов РЗА цифровых подстанций, изучения особенностей и структуры протоколов передачи данных по стандарту МЭК-61850.

К перспективным направлениям применения стенда относится исследование взаимодействия микропроцессорных защит, совершенствование алгоритмов существующих и создание новых алгоритмов защиты, учитывающих особенности и функциональные возможности микропроцессорной элементной базы и цифровой передачи данных, а также проведение исследований и разработка рекомендаций по совершенствованию/оптимизации протоколов передачи данных.

Полученные результаты, алгоритмические модели и технические решения будут использованы для расширения функциональности целого комплекса лабораторных стендов, предназначенных для изучения средств релейной защиты и автоматики. К ним относятся стенды: «Интеллектуальные электрические сети» ИЭС2-СК, «Автоматизация электроэнергетических систем» АЭС-СК, «Системы электроснабжения промышленных предприятий» СЭС-ПП-СК, «Релейная защита» РЗ-СК и другие. Применение современных стандартов и протоколов передачи данных в лабораторном оборудовании производства ООО НПП «Учтех-Профи» позволяет выйти на принципиально новый уровень, соответствующий основным тенденциям в развитии мировой электроэнергетики.