Опыт периодических испытаний цифровых защит с поддержкой IEC 61850-8-1 и IEC 61850-9-2

Наладка и последующее периодическое обслуживание действующего оборудования релейной защиты и автоматики (РЗА) цифровых энергообъектов (ЦПС) имеют специфические особенности, обусловленные существенным различием в проектировании систем РЗА на основе интеллектуальных устройств (ИЭУ) и локально-вычислительной сети (ЛВС) шины процесса (станции).

Специалисты НПП «Динамика» принимали непосредственное участие в начальных этапах эксплуатации ряда действующих объектов ЦПС 110 кВ, выполненных на отечественном и зарубежном оборудовании РЗА, оказывая техническую поддержку наладочным организациям и службам эксплуатации в испытаниях элементов цифровых систем РЗА ЦПС с применением проверочного оборудования серии РЕТОМ. Обобщая данный опыт, предлагаются практические решения для тестирования элементов цифровых систем РЗА с учетом имеющихся особенностей проектирования ЦПС.

В статье рассматриваются испытания оборудования РЗА цифровых подстанций на основе электромагнитных измерительных трансформаторов, шкафов с преобразователями аналоговых сигналов, шины станции IEC 61850-8-1 (GOOSE, MMS) и шины процесса IEC 61850-9-2 (IEC 61850-9-2LE или IEC 61869-9) с использованием протоколов резервирования PRP и синхронизации времени PTPv2.

Пусконаладочные испытания

При проведении пусконаладочных работ (ПНР) РЗА ЦПС следует учитывать следующие особенности:

отсутствие развёрнутой локально-вычислительной сети (ЛВС) ЦПС и системы обеспечения единого времени (СОЕВ);
настройка ИЭУ (в т.ч. ПАС, ПДС) РЗА выполняется изолированно от ЛВС при непосредственном подключении к ИЭУ испытательной установки и переносного персонального компьютера (ПК);
подключение Ethernet-портов испытательной установки (для выдачи и приёма SV-потоков и GOOSE-сообщений) выполняется, как правило, к оптическим портам ИЭУ, поддерживающим скорость 100 Мбит/с;
при отсутствии подключения к серверу времени настройка ИЭУ РЗА выполняется в режиме имитации временной синхронизации SV-потоков от испытательной установки (управление флагом состояния синхронизации smpSynch: 0 (отсутствует), 1 (локальная), 2 (глобальная));
востребована возможность удалённого беспроводного управления испытательными комплексами, расположенными на открытом распредустройстве (ОРУ) непосредственно возле шкафов ПАС/ПДС.

Решения НПП «Динамика» для наладчиков учитывают указанные особенности и включают в состав испытательного комплекса типа РЕТОМ-61850 [1] встроенный PTPv2-сервер времени, преобразовательный блок, выполняющий функции многопортового медиаконвертера и устройства «RedBox» (PRP/HSR) для настройки и наладки отдельных ИЭУ РЗА. Дополнительно для синхронизации приборов серии РЕТОМ-51/61/71 по сигналам 1PPS используется функция преобразования протокола точного времени РТРv2 в синхросигналы 1PPS или преобразования внутреннего сигнала 1PPS от РЕТОМ-61850 из среды TTL в «сухой контакт» для подключения к дискретным входам синхронизации РЕТОМ-51/61/71 (рис. 1).

Рис. 1. Схемы синхронизации приборов типа РЕТОМ-71 и РЕТОМ-61850 при испытаниях ИЭУ РЗА ЦПС

Приёмка из наладки

Во время приёмки шкафов РЗА из наладки, как правило, оценивается устойчивость настроенных элементов системы РЗА и ЛВС при воздействии информационного шторма.

Наброс нагрузки трафика (информационный всплеск) по протоколу GOOSE, требуемый в соответствии с [2], может быть имитирован испытательной системой типа РЕТОМ-61850, генерирующей до 256 GOOSE-сообщений, что позволяет загрузить сегменты ЛВС с пропускной способностью 100 Мбит/с до 100% [3].

Комплексные испытания элементов ЛВС ЦПС на устойчивость выполняются поочерёдной информационной перегрузкой трафиком SV/GOOSE подсетей А(В) шины процесса/станции, резервируемых по протоколу PRP (рис. 2).

а) информационная перегрузка («шторм») одной из подсетей ЛВС PRP с одновременным тестированием ИЭУ РЗА

б) информационная загрузка 4-х подсетей ЛВС трафиком SV/GOOSE

Рис. 2. Схемы испытаний элементов ЛВС ЦПС на устойчивость при информационной перегрузке

Дополнительно проверяется поведение ИЭУ при подаче тестовых воздействий с искажениями данных SV [4, 5]. Указанные испытания входят также в состав типовых методик испытаний компонентов ЦПС [6], которые могут быть дополнены возможностями искажений по стандарту IEC 61869-9 [7], реализованных в ПО РЕТОМ-61850.

Проверяется логика функционирования ИЭУ в рабочем и тестовом режимах и соответствующая реакция на рабочие и тестовые (режим имитации «Simulation») SV-потоки и GOOSE-сообщения.

При комплексных испытаниях шкафов РЗА выполняется генерация в ЛВС всех SV-потоков, на которые подписаны по проекту проверяемые и смежные ИЭУ – от 6-ти SV-потоков (основных и резервных) для одного ИЭУ защит линий электропередачи 110-220 кВ и до 16-ти SV-потоков (и более) для ИЭУ дифференциальных защит трансформаторов и шин [5].

Профилактический контроль

При профконтроле шкафов РЗА действующей ЦПС переконфигурация ИЭУ с исключением цепей токов и напряжений (SV-потоков) из настроек (что аналогично устаревшим методикам проверки для электромеханических панелей РЗА при помощи ручных испытательных приборов, со снятием накладок и перемычек и т.д.) недопустима, поскольку при этом снижается автоматизация и объективность процесса испытаний, увеличивается риск неправильной работы из-за возможности некорректного восстановления рабочих настроек. Следует отметить, что требования к испытательным приборам для тестирования элементов РЗА ЦПС включают наличие не менее 20-ти исходящих SV-потоков для комплексных испытаний оборудования ЦПС в целом [8].

Опыт профконтроля шкафов РЗА ЦПС показал следующие особенности:

отсутствие у персонала эксплуатирующих организаций необходимого опыта работы с оборудованием с поддержкой МЭК 61850;
необходимость использования режима имитации «Simulation» либо полная изоляция (физическое отключение) проверяемого ИЭУ от ЛВС ЦПС;
недоверие к сервисам МЭК 61850 для тестирования ИЭУ РЗА без их физической изоляции от ЛВС объекта при работающем первичном оборудовании;
разные зоны ответственности персонала РЗА и АСУТП, соответственно, организация рабочего места для проверки ИЭУ (допуск) распространяется только на отдельные шкафы РЗА, а не на шкаф сетевых коммутаторов (СК) шины процесса/станции;
отсутствие необходимого количества зарезервированных для испытаний (подключения испытательных приборов) портов СК или их некорректная настройка;
отсутствие запаса пропускной способности в сегментах ЛВС для трафика под тестовые SV-потоки в проекте ЦПС;
требование к одновременному подключению иcпытательных систем к обеим подсетям ЛВС, резервируемой по протоколу PRP;
эффективность проведения полноценных испытаний ИЭУ без физической их изоляции от ЛВС ЦПС в режиме имитации «Simulation», без переконфигурирования ИЭУ за счёт генерации достаточного количества SV-потоков при помощи испытательной системы РЕТОМ-61850.

Решения для пусконаладки и профконтроля РЗА ЦПС

С учётом опыта участия специалистов НПП «Динамика» в испытаниях РЗА более десятка ЦПС 110 кВ, выполненных по разным проектам, предлагается комплексное решение на основе программно-технических устройств РЕТОМ-61850 и РЕТОМ-51/61/71. Данные комплексы позволяют выполнять весь спектр испытаний для современных и перспективных ЦПС в условиях быстрого развития профилей IEC 61850 за счёт гибкой системы обновлений внутреннего ПО, обеспечивающего на текущий момент поддержку:

спецификации IEC 61850-9-2LE [9];
редакции 2.1 IEC 61850-9-2 [10];
стандарта IEC 61869-9 (4800 Гц, 2ASDU; 14400 Гц, 6ASDU) [11];
«Корпоративного профиля МЭК 61850 ФСК ЕЭС» [12].

Перечень испытаний ИЭУ РЗА ЦПС с применением комплексов РЕТОМ-61850 и РЕТОМ-51/61/71 приведён в таблице 1.

Таблица 1. Виды испытаний ИЭУ РЗА ЦПС
	Виды испытаний	Особенности и комментарии
1.	Проверка параметров срабатывания функций РЗА ИЭУ	Выдача до 20-ти SV-потоков для проверки ИЭУ РЗА 110 кВ и выше (в т.ч. дифференциальных защит автотрансформаторов, шин, ошиновок, линий с двумя выключателями и др.)
2.	Автоматизация испытаний ИЭУ РЗА на основе протокола МЭК 61850-8-1 MMS	Проверка функционирования измерительных органов по отчётам MMS (Report)
3.	Испытания ИЭУ РЗА при повышенной информационной нагрузке	Генерация до 80-ти потоков SV и 256-ти исходящих GOOSE с возможностью подключения к 4-м подсетям шины процесса и станции (с резервированием по протоколу PRP)
4.	Наладка отдельных ИЭУ РЗА с организацией локальной сети	Возможность обеспечивается при помощи блока РЕТ-КОМ с 6-ю портами Ethernet
5.	Цифровая регистрация реакции ИЭУ на аварийные режимы	Приём и регистрация (по входящим GOOSE-сообщениям) до 10 SV-потоков
6.	Проверка синхронизации ИЭУ РЗА и ПАС при наладке	Функция локального сервера времени PTPv2 реализована в комплексе РЕТОМ-61850
7.	Моделирование искажений данных в SV-потоках IEC 61850-9-2LE и IEC 61869-9	Пропуски, перемешивание и смещение сетевых пакетов, а также ряд испытаний в соответствии с [6]
8.	Испытания ИЭУ РЗА по протоколам SV и GOOSE с учётом резервирования ЛВС по протоколу PRP	Используется функция «Redbox» блока РЕТ-КОМ, поддерживающего протоколы PRP и HSR
9.	Непосредственное подключение к оптическим портам ИЭУ РЗА	Функция реализуется при помощи блока РЕТ-КОМ (четырёхпортовый медиаконвертер LC-RJ45 100 Мбит/с)
10.	Проверка точности синхронизации ИЭУ с поддержкой протокола точного времени PTPv2	Функция обеспечивается при помощи преобразовательных блоков РЕТ-КОМ и РЕТ-ОПТИК
11.	Испытания комбинированных (гибридных) цифро-аналоговых ИЭУ РЗА	Проверка обеспечивается параллельной синхронной работой приборов типа РЕТОМ-51/61/71 и РЕТОМ-61850 с использованием преобразовательных блоков РЕТ-ОПТИК или РЕТ-КОМ
12.	Динамическое и метрологическое тестирование ПАС (в т.ч. со встроенной блокировкой при неисправностях в цепях напряжения)	Совместно с РЕТОМ-51/61/71 и специализированным ПО «Сетевой анализатор»
13.	Мониторинг и анализ трафика ЦПС при наладке и эксплуатационном обслуживании	Осуществляется при помощи специализированного ПО «Сетевой анализатор»

Программное обеспечение для испытаний ЦПС

На этапах наладки ЦПС востребованными являются ручные режимы тестирования функций РЗА и автоматическое программное обеспечение для проверки сложных функций – дистанционных, дифференциальных, токовых защит с зависимой время-токовой характеристикой и т.д. Данный процесс сопровождается оценкой поведения ИЭУ во взаимодействии с элементами ЛВС и СОЕВ при помощи анализатора сети (например, ПО «Сетевой анализатор») по протоколам IEC 61850-8-1, IEC 61850-9-2, IEEE 1588 (PTPv2).

На этапе профконтроля, в отсутствие спецпрограмм автоматической проверки, используются программные модули типа «Генератор проверок» и «Конструктор проверок» [13], обеспечивающие быстрое создание сценариев для проверки шкафов РЗА. Встроенный в испытательное ПО MMS-браузер позволяет выполнять операции перевода ИЭУ и его отдельных функций в один из пяти режимов (включено (on), выключено (off), блокировка (blocked), тестирование (test), тестирование/блокировка (test/blocked)), определяющих его функциональное и коммуникационное поведение [14].

При проверках параметров срабатывания ИЭУ РЗА на всех этапах эксплуатации ЦПС выполняется одновременная оценка прохождения сигналов в АСУТП по протоколу MMS Report IEC 61850-8-1, что позволяет провести процесс испытаний с единым подходом для ИЭУ разных изготовителей без изменения конфигурации проверяемых ИЭУ. Контроль выходных сигналов шкафов и сигналов взаимодействия с внешним оборудованием (смежные шкафы РЗА, ПАС, ПДС) выполняется по логическим сигналам в GOOSE-сообщениях.

Заключение

Необходимо дополнить требования к проектной и эксплуатационной нормативно-технической документации для цифровых энергообъектов следующими моментами:
- расширение рабочего места (допуска) персонала релейной защиты и автоматики до шкафов с коммутаторами шины процесса и станции;
- выделение необходимого количества портов на коммутаторах ЛВС для подключения портов испытательной установки для генерации SV-потоков, GOOSE-сообщений в необходимом объёме, приёма всех GOOSE- и MMS-сообщений объекта, синхронизации испытательной установки по протоколу РТРv2, доступа к ИЭУ для скачивания SCL-файлов;
- учёт дополнительной сетевой нагрузки от испытательной системы на ЛВС объекта для проведения полноценных эксплуатационных испытаний.
Для повышения эффективности эксплуатации оборудования ЦПС актуально привлечение специалистов фирмы-производителя испытательных систем для обучения персонала и технической поддержки пусконаладочных или профилактических работ на подстанции, как это практикуется на объектах ЦПС, оснащённых комплексами РЕТОМ-61850.

Литература

Комплекс программно-технический измерительный РЕТОМ-71. Руководство по эксплуатации БРГА.441323.035 РЭ. Чебоксары, 2016.
СТО 56947007-25.040.40.112-2011. Типовая программа и методика испытаний программно-технического комплекса автоматизированной системы управления технологическими процессами (ПТК АСУ ТП) и микропроцессорного комплекса системы сбора и передачи информации (МПК ССПИ) подстанций в режиме повышенной информационной нагрузки «шторм». Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС». Дата введения: 30.11.2011.
Герасимов В.А. Вопросы испытаний ЦПС в режиме повышенной информационной нагрузки // Цифровая подстанция. 2018. № 10. С. 48–51.
Шалимов А.С. Тестирование специальных алгоритмов устройств релейной защиты с использованием шины процесса IEC 61850-9-2LE // Релейная защита и автоматизация, №3, 2017.
Безденежных М.Н., Дони Н.А., Егоров Е.П., Кошельков И.А., Петров А.А., Шалимов А.С. Особенности тестирования цифровой дифференциальной защиты шин 110-750 кВ на основе протокола IEC 61850-9-2LE // Релейная защита и автоматизация. 2018. № 2(31). С. 41-47.
СТО 56947007-29.240.10.253-2018 «Типовые методики испытаний компонентов ЦПС на соответствие стандарту МЭК 61850 первой и второй редакций» Стандарт организации. Дата введения: 29.03.2018. ПАО «ФСК ЕЭС» 2018.
Рыжов Э.П., Шалимов А.С. Тестирование интеллектуальных электронных устройств с поддержкой IEC 61869-9.
СТО 34.01-4.1-013-2020. Аппаратура для испытания и проверки устройств РЗА. Технические требования. Стандарт организации. ПАО «Россети». Дата введения: 16.03.2020.
IEC 61850-9-2. Communication networks and systems for power utility automation – Part 9-2: Specific communication service mapping (SCSM) – Sampled values over ISO/IEC 8802-3. Edition 2.1 2020-02.
IEC 61850-9-2 LE (Lite Edition). Implementation Guideline for Digital Interface to Instrument Transformers using IEC 61850-9-2. UCA International Users Group. 2004.
IEC 61869-9 Instrument Transformers – Part 9: Digital Interface for Instrumental Transformers, 2016.
СТО 56947007-25.040.30.309-2020. Корпоративный профиль МЭК 61850 ПАО «ФСК ЕЭС». Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС». Дата введения: 05.10.2020.
Смирнов Ю.Л. Требования к процессу тестирования РЗА для снижения влияния человеческого фактора // Релейщик, №1, 2011.
IEC 61850-7-4: Communication networks and systems for power utility automation – Part 7-4: Basic communication structure – Compatible logical node classes and data object classes – Edition 2.0.