Тестирование специальных алгоритмов устройств релейной защиты с использованием шины процесса IEC 61850-9-2LE

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:

• потерю одного или нескольких сетевых пакетов (выборок) цифровых данных SV-потоков в фиксированном или случайном режиме;
• смещение сетевых пакетов с данными мгновенных значений одного или нескольких SV-потоков относительно друг друга (из-за задержек, вносимых коммуникационным оборудованием локально-вычислительной сети объекта);
• перемешивание (изменение правильного порядка выборок) сетевых пакетов внутри SV-потока в фиксированном или случайном режиме.

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:

• аппроксимации потерянных данных;
• буферизации значений поступающих выборок;
• блокирования соответствующих функций;
• сигнализации неисправности (недостоверности принимаемых данных).

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 «Смещение пакетов»

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 Т_П – 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); N_СМ – 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.

Режим «Порядок пакетов»

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 N_П – 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

Режим «Пропуск пакетов»

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 N_ПР – 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.

 

Автоматическая проверка уставок ИУ РЗА в режиме искажений

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

Выводы

1. Рассмотренный функционал цифрового испытательного комплекса РЕТОМ-61850 для тестирования ИУ РЗА с функцией приёма SV-потоков, актуален для проведения квалификационных испытаний, при пуско-наладочных работах и обновлении внутреннего ПО ИУ при эксплуатации на «цифровом» энергообъекте.
2. Проверки специальных алгоритмов компенсации задержек сетевых пакетов SV потоков, восстановления данных и блокирования функций при плохом качестве сети должны включаться в протоколы испытаний ИУ РЗА, предназначенных для энергообъектов с «шиной процесса» IEC 61850 9 2LE.

Литература

1. IEC 61850-9-2 LE (Lite Edition). Implementation Guideline for Digital Interface to Instrument Transformers using IEC 61850 9-2.
2. Подшивалин А.Н., Капустина И.А., Николаев И.Н. Практические аспекты реализации МЭК 61850-9-2 в микропроцессорных защита // Сборник докладов. 4-я Международная научно-техническая конференция «Современные направления развития релейной защиты и автоматики энергосистем». Екатеринбург, 3-7 июля 2013.
3. Комплекс программно-технический измерительный цифровой РЕТОМ-61850. Руководство по эксплуатации БРГА.441461.014 РЭ. Редакция 130617.
4. Дони Н.А. Особенности совместного использования устройств релейной защиты на основе стандарта IEC 61850-9-2LE и защит с традиционными входными аналоговыми цепями // Релейщик, №1, 2015.