Особенности тестирования цифровой дифференциальной защиты шин 110-750 кВ на основе протокола IEC 61850-9-2LE

Дифференциальная защита шин (ДЗШ), в отличие от других функций релейной защиты и автоматики (РЗА), использует информацию от значительного количества измерительных преобразователей. Рассматривая методики проверки микропроцессорных (МП) централизованных устройств ДЗШ, например, [1], можно отметить, что тестирование измерительных органов дифференциальной защиты заключается в подведении к терминалу защиты двух фазных токов от испытательной установки и последующей проверке уставок по начальному току срабатывания дифференциальной защиты и коэффициенту торможения (рис.1). Данный подход с учётом предварительной проверки аналого-цифрового тракта терминала является достаточно объективным для МП защит.

Для энергообъектов, выполненных с применением «шины процесса» IEC 61850-9-2LE [2], РЗА реализуется на базе интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ). В отличие от МП терминалов защит с аналоговыми входами, ИЭУ имеют цифровые коммуникационные интерфейсы, обеспечивающие приём данных SV и специальные алгоритмы [3], обеспечивающие функционирование с учётом воздействия SV-потоков, на которые подписано испытуемое ИЭУ. С учетом этого, проверки собственно уставок ДЗШ подачей двух токов (SV потоков) уже недостаточно – возникает необходимость проведения целого ряда дополнительных специфических испытаний, что накладывает определённые требования к возможностям автоматизированных испытательных систем.

Особенностью ИЭУ ДЗШ является то, что с учётом значительного числа присоединений (не менее 12-ти для шин 110-220 кВ [4]) общая информационная нагрузка на сетевой интерфейс «шины процесса» устройства значительно выше, чем для ИЭУ защит других типов. При проектировании локальной вычислительной сети (ЛВС) «цифровой подстанции», как правило, рекомендуется обеспечивать ограничение максимальной загрузки сети на уровне, не превышающем 80%, что составляет примерно 16 SV-потоков с частотой 80 выборок/период для ЛВС с максимальной пропускной способностью 100 Мбит/с. Учитывая возможность дополнительного включения в рассматриваемую ЛВС SV-потоков от испытательных установок в режиме симуляции, нагрузка на коммуникационный интерфейс может удвоиться. Таким образом, для реализации ИЭУ ДЗШ с числом присоединений больше 8-ми необходимо соответствующее увеличение числа сетевых интерфейсов «шины процесса».

В статье рассматриваются некоторые методы тестирования цифровой ДЗШ 110-750 кВ с поддержкой протоколов IEC 61850-8-1 (GOOSE-сообщения) и IEC 61850-9-2LE (SV-потоки) на базе шкафа типа ШЭ2710 562 [5] при помощи цифровой испытательной системы РЕТОМ 61850 [6], сочетающие «классический» и «цифровой» способы проверки параметров срабатывания ДЗШ и её поведения в аварийных режимах, утяжелённых повышенной информационной нагрузкой и искажениями в SV-потоках данных, предаваемых по «шине процесса».

Испытательный комплекс РЕТОМ-61850 обеспечивает генерацию до 60-ти управляемых SV-потоков по стандарту IEC 61850 9 2LE, а также приём и регистрацию до 10-ти SV-потоков. Соответственно, с помощью одного устройства РЕТОМ-61850 становится возможным проведение, как штормовых испытаний, так и полноценных испытаний любых систем РЗА, в том числе с большим количеством принимаемых SV-потоков, таких как защиты сборных шин, централизованные системы защиты, комплексы защиты блоков генератор-трансформатор и т.д.

В качестве примера характеристика срабатывания испытываемого шкафа ДЗШ приведена на рис. 1. Дифференциальный ток (ось ординат) формируется как модуль геометрической суммы токов, всех присоединений системы шин, содержащихся в SV-потоках, а тормозной ток (ось абсцисс) определяется как полусумма модулей тех же токов:

Рис. 1 – Характеристика срабатывания шкафа ДЗШ типа ШЭ2710 562

Рассматриваемая ДЗШ имеет возможность приёма до 16-ти SV-потоков, содержащих цифровые данные трёхфазных токов и напряжений, на два коммуникационных интерфейса с поддержкой протоколов параллельного резервирования PRP и HSR стандарта IEC 62439-3 [8].

Рис. 2 – Структурная схема сети объекта, реализованного с применением технологии «цифровая подстанция»

На рис. 2 приведена структурная схема ЛВС с подключенными ИЭУ защиты шин и испытательным комплексом РЕТОМ-61850 на примере подстанции с двойной системой шин с четырьмя линиями и двумя трансформаторами. Источники SV-потоков (преобразователи аналоговых сигналов токов и напряжений ПАС1…ПАС9) и GOOSE-сообщений (преобразователи дискретных сигналов ПДС1…ПДС7) подключены к «шине процесса» и «шине станции», соответственно. В ходе испытаний реакция ИЭУ ДЗШ на тестовые воздействия анализировалась по соответствующим исходящим GOOSE сообщениям. Следует отметить, что полноценное подключение испытательной установки к обобщённой ЛВС энергообъекта с «шиной процесса» и «шиной станции» c резервированием по протоколу PRP предполагает наличие в ней не менее 4-х независимых портов Ethernet.

Оценка предела информационной нагрузки ИЭУ ДЗШ

При загрузке ЛВС свыше расчётного предела, информация о значениях мгновенных токов и напряжений (SV), дискретных сигналов (GOOSE) будет передаваться с задержкой или значительными искажениями, что без применения специальных алгоритмов, обеспечивающих блокировку действия защиты с соответствующей сигнализацией недостоверности принимаемых данных, может привести к неправильному действию защиты.

Процесс испытаний заключался в последовательной загрузке ЛВС «шины процесса» SV-потоками от РЕТОМ 61850 с оценкой поведения ИЭУ по исходящим GOOSE сообщениям, индикации и внутреннему регистратору терминала. Один SV-поток 80 выборок/период, с учетом сервисного трафика, загружает сеть примерно на 5 Мбит/с или 5% для ЛВС с пропускной способностью 100 Мбит/с.

На рис. 3 представлена осциллограмма испытаний с реакцией ДЗШ при внутреннем КЗ на фоне максимально допустимой загрузки сегмента ЛВС с пропускной способностью 100 Мбит/с 20 ю SV-потоками (на осциллограмме показан один SV-поток). Результаты испытаний, приведённые в таблице 1, подтверждают устойчивость поведения ИЭУ, соответствующую блокировку и сигнализацию при пропадании пакетов данных в результате превышения максимально-допустимой пропускной способности ЛВС.

Таблица 1 – Оценка предела устойчивости функционирования ИЭУ ДЗШ

Опыт	Загрузка ЛВС 100 Мбит/с	Поведение ИЭУ ДЗШ
Внутреннее КЗ на фоне максимально допустимой информационной нагрузки (рис. 3)	20 SV-потоков	Срабатывание при внутреннем КЗ (сигнал 222 на рис.3)
Внешнее КЗ на фоне максимально допустимой информационной нагрузки		Отсутствие срабатывания при внешнем КЗ
Любой режим (предаварийный, внутреннее, или внешнее КЗ) на фоне превышения предела пропускной способности ЛВС	21 и более SV-потоков	Блокировка ИЭУ. Сигнализация недостоверности данных IEC 61850-9-2

 

Рис. 3 – Действие ДЗШ при внутреннем КЗ на фоне загрузки ЛВС 20-ю SV-потоками

Проверка поведения ДЗШ в аварийных режимах в условиях искажений данных SV-потоков

В отличие от МП ДЗШ, проверку аналого-цифрового тракта терминала которой можно выполнять путем последовательной подачи величин на входные аналоговые датчики, проверка ИЭУ ДЗШ должна сопровождаться подачей всех подписанных SV-потоков на все коммуникационные интерфейсы. В таком режиме проверка производится в условиях проектной рабочей информационной нагрузки с возможностью объективной проверки функционирования специальных алгоритмов ИЭУ при искажениях в ЛВС.

Испытательный комплекс РЕТОМ-61850 поддерживает следующие режимы генерации искажений в SV-потоках [6, 7]:

− потерю одного или нескольких сетевых пакетов 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 ЛВС); − перемешивание (изменение правильного порядка следования выборок) сетевых пакетов внутри SV-потока в фиксированном или случайном режиме.

Особый интерес представляет оценка времени срабатывания ДЗШ при КЗ в зоне на фоне искажений. На рис. 4÷9 приведены аварийные осциллограммы для различных режимов и искажений в ЛВС, а в таблице 2 − соответствующие условия и результаты испытаний. Оценивалось поведение ДЗШ в граничных условиях: при задаваемой величине смещения NСМ и размере окна перемешивания выборок NПЕР, не превышающих уставку буфера компенсации задержек и восстановления данных NБУФ ИЭУ РЗА; при превышении уставки времени NБУФ, при 2 и 3 подряд пропущенных пакетах SV-потока NПР. Значение NБУФ, задаваемое соответствующей уставкой ИЭУ, при испытаниях составляло 4 мс, что соответствует 16-ти пакетам SV-потока [3].

Таблица 2 – Результаты испытаний ИЭУ ДЗШ с учетом искажений данных SV-потоков.

Искажение в ЛВС	Режим	Реакция ДЗШ	Время срабатывания
Нет искажений	Внутреннее КЗ	Срабатывание	25 мс
	Внешнее КЗ	Отсутствие срабатывания	---
Смещение SV-потоков (NСМ < NБУФ)	Внутреннее КЗ (рис. 4)	Срабатывание	25 мс
	Внешнее КЗ	Отсутствие срабатывания. Сигнализация недостоверности данных 9-2. Блокировка ИЭУ.	---
Смещение SV-потоков (NСМ ≥ NБУФ)	Внешнее КЗ	Отсутствие срабатывания. Сигнализация недостоверности данных 9-2. Блокировка ИЭУ.	---
Пропуск выборок (NПР = 2)	Внутреннее КЗ (рис. 5)	Срабатывание	25 мс
Пропуск выборок (NПР > 2)	Внешнее КЗ (рис. 6)	Отсутствие срабатывания. Сигнализация недостоверности данных 9-2. Блокировка ИЭУ.	---
Перемешивание выборок (NПЕР < NБУФ)	Внутреннее КЗ (рис. 7)	Срабатывание	25 мс
Перемешивание выборок (NПЕР ≥ NБУФ)	Внешнее КЗ (рис. 8)	Отсутствие срабатывания. Сигнализация недостоверности данных 9-2. Блокировка ИЭУ.	---

 

Поскольку алгоритмы ИЭУ в определённой степени восстанавливают искажённые данные SV потоков, осциллограммы опытных испытаний приводятся от двух источников – устройства ДЗШ, и испытательной системы РЕТОМ-61850.

Из осциллограммы на рис. 4б видно, что поток SV2 смещен относительно потока SV1 почти на 60 электрических градусов. Осциллограмма на рис. 4а наглядно показывает, что специальный алгоритм ИЭУ компенсировал смещение одного из SV-потоков относительно других (и опорного сигнала 1PPS) величиной 3 мс, и ДЗШ корректно отреагировала на внутреннее КЗ.

Рис. 4а – Осциллограмма ИЭУ при внутреннем КЗ на фоне смещения одного из SV-потоков

Рис. 4б – Осциллограмма РЕТОМ-61850 при внутреннем КЗ на фоне смещения одного из SV-потоков

На рис. 5 приведены осциллограммы срабатывания ДЗШ при пропуске 2-х следующих подряд пакетов данных SV-потока. Алгоритм ИЭУ восстановил пропущенные кадры, и ДЗШ подействовала на отключение при внутреннем КЗ. На осциллограмме испытательной установки РЕТОМ-61850 (рис. 5б) наглядно показаны пропуски пакетов (0,0005 с или 2 пакета) в SV-потоке, выделенные серыми столбцами с синими рамками.

Рис. 5а – Осциллограмма ИЭУ при имитации пропуска сетевых пакетов (NПР = 2)

Рис. 5б – Осциллограмма РЕТОМ-61850 при имитации пропуска сетевых пакетов (NПР = 2)

По осциллограмме опыта имитации пропадания трёх идущих подряд пакетов данных (рис. 6) видно, что данное искажение не позволяет в удовлетворительной мере восстановить информацию о сигнале, что приводит к блокировке терминала с формированием соответствующего сигнала неисправности.

Рис. 6 – Осциллограмма ИЭУ при имитации периодического пропуска сетевых пакетов (NПР = 3)

Функционирование буфера компенсации задержек ИЭУ наглядно продемонстрировано в опытах имитации перемешивания данных в SV-потоке. На рис. 7 видно, что алгоритм восстановил правильный порядок кадров для случая, когда задаваемое окно перемешивания не выходило за пределы уставки буфера в 4 мс. В случае задания окна перемешивания данных больше уставки буфера терминала, ИЭУ блокируется (рис. 8).

Рис. 7а – Осциллограмма ИЭУ при внутреннем КЗ на фоне перемешивании данных в SV-потоке

Рис. 7б – Осциллограмма РЕТОМ-61850 при внутреннем КЗ на фоне перемешивании данных в SV-потоке

Рис. 8 – Осциллограмма ИЭУ при периодическом перемешивании данных в SV-потоке при NПЕР >NБУФ

Проверка функционирования специальных алгоритмов при помощи РЕТОМ-61850 возможна и при комбинации нескольких возможных искажений в ЛВС – одновременном пропуске, смещении и перемешивании сетевых пакетов в граничных или практически определённых для данной ЛВС пределах. На рис. 9 приведены осциллограммы соответствующего опыта со следующими параметрами: количество подряд пропущенных кадров NПР = 2, размер окна перемешивания пакетов данных NПЕР = 6, величина смещения одного из потоков NСМ = 5 кадров.

Рис. 9а – Осциллограмма ИУ при комбинированном искажении, на фоне внутреннего КЗ

Рис. 9б – Осциллограмма РЕТОМ-61850 при комбинированном искажении, на фоне внутреннего КЗ

Результаты проведенного тестирования подтверждают устойчивость функционирования ИЭУ ДЗШ в аварийных режимах с учётом возможных специфических для «цифровой подстанции» условий: при повышенной информационной нагрузке и возможных искажениях данных в «шине процесса». Проверка работоспособности специальных алгоритмов, оценка размера буфера компенсации задержек [3] должны дополнять методику проверки ДЗШ, обеспечивая полноценные испытания ИЭУ.

Выводы

1. Проверка работоспособности устройств РЗА для энергообъектов, реализованных с поддержкой технологии «цифровая подстанция», предъявляет новые требования к автоматизированным испытательным комплексам проверки оборудования РЗА.
2. Рассмотренные методы функционального тестирования ИЭУ РЗА с функцией приёма SV-потоков актуальны как при разработке устройств защиты, так и при проведении квалификационных испытаний и наладочных работ.
3. Нормативные документы, программы и протоколы испытаний ИЭУ рекомендуется дополнить соответствующим разделом тестирования в условиях искажений данных в ЛВС РЗА.

Литература

1. Шкаф защиты сборных шин напряжением 110-220 кВ типа ШЭ2607 065. Руководство по эксплуатации ЭКРА.656453.271 РЭ.
2. IEC 61850-9-2 LE (Lite Edition). Implementation Guideline for Digital Interface to Instrument Transformers using IEC 61850 9-2.
3. 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.
4. СТО 56947007-29.120.70.241-2017. Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС». Технические требования к микропроцессорным устройствам РЗА. Стандарт организации Дата введения: 28.02.2017.
5. Шкаф защиты сборных шин типа ШЭ2710 562 (версия программного обеспечения 562_028 с использованием шины процесса IEC 61850-9-2 LE). Руководство по эксплуатации ЭКРА.656453.043 РЭ.
6. Комплекс программно-технический измерительный цифровой РЕТОМ-61850. Руководство по эксплуатации БРГА.441461.014 РЭ. Редакция 130617.
7. Шалимов А.С. Тестирование специальных алгоритмов устройств релейной защиты с использованием шины процесса IEC 61850-9-2LE // Релейная защита и автоматизация, №3, 2017.
8. IEC 62439-3:2016. Industrial communication networks – High availability automation networks - Part 3: Parallel Redundancy Protocol (PRP) and High-availability Seamless Redundancy (HSR).