Цифровые устройства релейной защиты и автоматики (РЗА), выполненные с использованием «шины процесса» на основе протокола IEC 61850-9-2LE [1], имеют некоторые особенности функционирования, обусловленные спецификой систем РЗА с цифровой передачей аналоговых сигналов.
Интеллектуальные устройства (ИУ) РЗА, использующие аналоговые сигналы в цифровом виде по «шине процесса» IEC 61850-9-2LE (SV-потоки) могут функционировать в условиях потери пакетов сетевых данных, задержек и неравномерного поступления сетевых пакетов, несинхронности данных (SV-потоков) от двух или более источников сигналов [2]. Правильное функционирование ИУ в этих случаях обеспечивается специальными алгоритмами, гарантирующими восстановление потерянных выборок в SV-потоках, выравнивание выборок от разных источников сигналов (для дифференциальных защит, схем дистанционных и направленных токовых защит с разделением токов и напряжений по разным SV-потокам) и т.д. Для проверки специальных алгоритмов ИУ РЗА требуются соответствующие режимы испытаний.
В программном обеспечении (ПО) испытательного комплекса РЕТОМ-61850 [3] реализован соответствующий функционал для проведения испытаний специальных алгоритмов ИУ РЗА, позволяющий имитировать следующие эффекты:
В соответствии с [1] для ИУ РЗА сетевой пакет SV-потока 80 выборок/период содержит по одной выборке мгновенных значений трёх фазных токов и напряжений (iА, iВ, iС, uА, uВ, uС), тока и напряжения нулевой последовательности (нейтрали) 3i0, 3u0. Сетевой пакет SV-потока 256 выборок/период, предназначенный для задач измерений, содержит по 8 выборок мгновенных значений.
Оценка поведения ИУ РЗА в режимах искажений SV-потоков позволит оценить работу специальных алгоритмов:
Далее рассматриваются особенности проведения испытаний с имитацией режимов искажений испытательной системой РЕТОМ-61850 (рис. 1). Режимы искажений задаются для любого количества SV-потоков (из 60-ти доступных) индивидуально и не зависят от настройки остальных SV-потоков (рис. 2). Все режимы искажений могут комбинироваться между собой. Программно-технический комплекс РЕТОМ-61850 имеет аппаратную синхронизацию высокой точности по протоколам PTP, 1PPS, что гарантирует высокую точность характеристик исходящих SV-потоков (межпакетные интервалы, метки времени, гарантированные характеристики искажений).
Рис. 1. Схема испытаний ИУ РЗА
Рис. 2. Настройка режимов искажений в ПО РЕТОМ-61850
Режим искажений «Смещение пакетов» производит смещение всех данных SV-потока (расположение сетевого пакета с начальным цифровым отсчётом smpCnt=0) относительно сигнала 1PPS (начало секунды) на положительное или отрицательное количество пакетов (выборок).
Время заданного смещения составляет:
где ТП – время между пакетами (250 мкс для SV-потока с частотой дискретизации 80 выборок/период и 625 мкс для SV-потока с частотой дискретизации 256 выборок/период и 8-ю мгновенными измерениями в пакете); NСМ – количество смещаемых сетевых пакетов (выборок).
При положительном значении заданного смещения имитируется задержка, а при отрицательном – опережение SV-потока (рис. 3).
Рис. 3. Пример смещения пакетов для SV-потока 80 выборок/период
Смещаемое количество пакетов зависит от частоты дискретизации и количества мгновенных измерений в SV-потоке. Для SV-потока с частотой дискретизации 80 выборок/период, с одним мгновенным измерением в пакете диапазон смещения составляет от -3999 до 3999. Для SV-потока с частотой дискретизации 256 выборок/период и 8 мгновенными измерениями в пакете диапазон – от -1599 до 1599.
Данный режим испытательной системы РЕТОМ-61850 позволяет проверить работоспособность алгоритма выравнивания выборок в устройстве РЗА, принимающего SV потоки от нескольких источников сигналов при рассинхронизации измерительных преобразователей.
В режиме задержки SV-потока (увеличение значения smpCnt) можно измерить время буфера значений выборок, компенсирующего неравномерность поступления цифровых отсчётов [4], что достаточно актуально, поскольку буфер увеличивает время срабатывания измерительных органов ИУ РЗА. Размер буфера компенсации в ИУ РЗА составляет единицы мс (2÷4), соответственно точность его измерения составит ±250 мкс или 6,25÷12,5%, что достаточно для оценки работоспособности алгоритма буферизации.
При имитации опережения SV-потока (уменьшение значения smpCnt), при котором сетевые пакеты поступают «из будущего», как правило, алгоритмом ИУ должна производиться мгновенная блокировка функции и сигнализация недостоверности принимаемых данных.
В режиме искажений «Порядок пакетов» изменяется порядок следования сетевых пакетов внутри окна заданной длительности с заданного цифрового отсчёта и с определённым интервалом повторения окна.
Размер окна перемешивания выборок:
где NП – задаваемая величина окна в пакетах, не менее 2.
В пределах окна могут перемешиваться только соседние выборки, либо случайные сетевые пакеты. На рис. 4 представлен пример случайной перестановки выборок, начиная с 3-го пакета от сигнала 1PPS, в окне перемешивания из 6 пакетов с интервалом повторения в 3 пакета. Алгоритм ИУ РЗА должен перестроить пакеты в нормальный порядок.
Рис. 4. Пример перемешивания пакетов для SV-потока 80 выборок/период
В режиме искажений «Пропуск пакетов» имитируется отсутствие сетевых пакетов в SV потоке вследствие помех или перегрузки каналов связи.
Исчезновение выборок производится следующим образом: с заданного цифрового отсчёта задаётся размер окна пропускания сетевых пакетов (выборок) и интервал повторения окна. При этом алгоритм режима предусматривает возможность пропуска всех либо случайного количества сетевых пакетов внутри окна. На рис. 5 представлен пример случайного пропуска выборок, начиная со 2-го пакета от сигнала 1PPS, в окне перемешивания из 3-х пакетов с интервалом повторения в 7 пакетов.
Время окна пропускаемых пакетов:
где NПР – заданное количество пропускаемых сетевых пакетов (выборок).
Рис. 5. Пример режима пропуска пакетов SV-потока 80 выборок/период
Данный режим позволяет проверить работоспособность алгоритмов восстановления потерянных значений при единичном пропадании выборок (аппроксимация) и соответствующей блокировки и сигнализации недостоверных данных в принимаемых SV-потоках при потере нескольких выборок.
Перенаправление сконфигурированных SV-потоков (до 60-ти) в программы ручного управления и автоматических проверок позволяет производить ручные, полуавтоматические и автоматические проверки уставок ИУ РЗА по сопротивлению (снятие характеристик срабатывания дистанционных защит), току, времени срабатывания и т.д. в статическом и динамическом режимах в комбинации с режимами искажений (рис. 6).
Рис. 6. Осциллограмма срабатывания измерительного органа в условиях искажений