Для внедрения стандарта МЭК 61850 в проверочном оборудовании достаточно реализовать прием и передачу GOOSE-сообщений и потоков Sampled Values. Однако следует учитывать, что для совершенствования процесса тестирования в устройстве также должны быть предусмотрены специальные аппаратные возможности и программные решения.

Рассмотрим отдельно требования к аппаратной и программной частям проверочного устройства.

Аппаратные требования

Количество портов

На цифровой подстанции применяются два протокола PRP и HSR, которые обеспечивают резервирование системы РЗА без временных задержек. По протоколу PRP резервирование осуществляется организацией двух параллельно работающих информационных сетей. Следовательно, для проверки работы резервирования и времени переключения с одного канала на другой в проверочном оборудовании необходимо наличие 2-х портов Ethernet (рис. 1).

При проектировании системы РЗА шины станции и процесса могут быть физически разделены, и для таких случаев требуются дополнительные 2 порта Ethernet.

Таким образом, общее количество портов в проверочном устройстве, необходимых в большинстве случаев, – 4.

Скорость обмена данными

Существующие решения по проектированию системы защиты построены на сети со скоростью обмена данными 100 Мбит/с. Определим максимальное количество потоков, которые можно передать по данному каналу.

При частоте сигнала 50 Гц и частоте выборок 80 за период выборки передаются каждые 250 мкс. Приняв объем выборки равным 1000 бит (приблизительный объем выборки, в котором содержатся измеренные значения 4 токов и 4 напряжений в единый момент времени), получаем, что каждую секунду в сеть выдается 4 Мбит данных. Более точные данные были получены с помощью карты захвата – 5 Мбит. Для частоты выборки 256 данное значение будет приблизительно в 3 раза больше – 15 Мбит.

Далее необходимо определить пропускную способность информационной сети. Эта характеристика измеряется на этапе построения подстанции, поскольку зависит от монтажа и конфигурации системы.

Следует различать номинальную и эффективную пропускные способности протокола. Под номинальной пропускной способностью обычно понимается битовая скорость передачи данных, поддерживаемая на интервале передачи одного пакета. Эффективная пропускная способность протокола – это средняя скорость передачи пользовательских данных. В общем случае эффективная пропускная способность протокола будет ниже номинальной из-за наличия в пакете служебной информации, а также из-за пауз, возникающих между передачей отдельных пакетов. Для протокола Ethernet эффективная пропускная способность составляет примерно 70% от номинальной.

Исходя из вышесказанного, получается, что одновременно можно передавать либо 13 потоков с частотой выборки 80 за период, либо 4 потока с частотой выборки 256 за период. Для передачи большего количества информации организуются магистральные сети, в которых могут передаваться до 50 потоков Sampled Values, и скорость обмена данными в них выше – 1 Гбит/с и более.

Таким образом, для тестирования оборудования в пределах одной подстанции необходимы устройства с поддержкой скорости обмена данными 100 Мбит/с, а для тестирования магистральных каналов – с увеличенным значением скорости (1 Гбит/с и выше).

Трансляция цифровых данных в аналоговые и наоборот

При тестировании частично цифровых систем защиты, в которых установлены одновременно устройства традиционного типа и устройства с поддержкой стандарта МЭК 61850, необходимо учитывать особенности взаимодействия устройств разного типа. Для таких случаев целесообразно в проверочном оборудовании предусмотреть возможность трансляции цифровых данных в аналоговые и наоборот, т.е. преобразование дискретных сигналов в GOOSE- сообщения, аналоговых сигналов – в Sampled Values и наоборот (рис. 2).

Низковольтные аналоговые входы и выходы

Количество входов и выходов должно соответствовать количеству токов и напряжений в потоке, следовательно, в проверочном оборудовании должно быть 8 входов и 8 выходов. Низковольтные выходы могут быть использованы для управления внешними усилителями, напрямую как источники напряжения. Аналоговые входы/выходы также используются для трансляции сигналов (см. подраздел “Трансляция цифровых данных в аналоговые и наоборот”). Выходные параметры низковольтных входов/выходов стандартизированы – 7,07 В (RMS) или 10 В (амплитудное).

Дискретные входы/выходы

Необходимость дискретных входов и выходов показана выше (см. подраздел “Трансляция цифровых данных в аналоговые и наоборот”). Они также могут быть использованы и для совместной работы с другим проверочным оборудованием, у которого отсутствуют интерфейсы синхронизации. По изменению состояния внешнего контакта можно одновременно запускать и останавливать выдачу сигналов на проверяемое оборудование. Однако следует учитывать, что точность синхронной выдачи будет значительно ниже, чем при использовании специализированных протоколов.

Программные требования

Поддержка требуемой частоты выборок за период

В стандарте представлены несколько частот выборок за период для выборочных значений тока и напряжения, следовательно, проверочное оборудование должно иметь возможность работать с ними. Однако из-за проблем с совместимостью устройств различных производителей была издана урезанная версия девятой части стандарта – 9-2 LE. В соответствии с данной спецификацией проверочное устройство должно иметь возможность работать с потоками Sampled Values как с частотой 80 выборок за период, так и с частотой 256, несмотря на то, что счетчиков и оборудования для АСКУЭ с частотой 256 выборок за период пока крайне мало.

Синхронизация времени

В соответствии со стандартом выборки токов и напряжений должны быть синхронизированы. В настоящее время распространены следующие протоколы синхронизации: NTP, PTP, IRIG‑B. Желательно, чтобы проверочное устройство поддерживало наибольшее количество протоколов из возможных.

Синхронизация также важна при проведении тестирования каналов связи информационной сети на подстанции, когда используются два прибора на концах линии (рис. 4) при определении максимальной пропускной способности, времени задержки передачи данных, уровня потери кадров и т.д.

Регистрация потоков Sampled Values и GOOSE-сообщений с возможностью осциллографирования

Данное требование формируется из необходимости тестирования первичного оборудования: трансформаторов тока (ТТ), трансформаторов напряжения (ТН), коммутационных устройств. При проверке необходим источник первичных аналоговых токов и напряжений и регистратор вторичных цифровых сигналов (SV и GOOSE). Такой подход позволит оценить временные задержки преобразования сигналов из аналоговой формы в цифровую, оценить работу первичных преобразователей с точки зрения погрешности и искажения формы сигнала. Для оценки временных характеристик необходима синхронизация устройств (рис. 5).

Регистрация по реальным меткам времени

Регистрация по реальным меткам дает информацию о задержках прихода пакетов Sampled Values и времени доставки GOOSE-сообщений. На осциллограмме отображаются как токи и напряжения, так и состояния логических сигналов (рис. 6). По осциллограмме логических сигналов можно проводить анализ логики работы устройства.

Изменение и доставка GOOSE-сообщений происходят с неизвестной задержкой. По осциллограмме с реальными метками времени, на которой отображены токи, напряжения, логические сигналы, можно определить реальные времена изменения GOOSE-сообщений и, следовательно, оценить быстродействие всей системы РЗА.

Тестовый бит

На данный момент большинство устройств РЗА уже принимают и корректно обрабатывают информацию с признаком тестирования. Хотя руководящими документами на территории РФ пока не разрешено тестирование устройств без вывода его из работы, необходимо заложить эту возможность в проверочном оборудовании. С точки зрения авторов статьи, следует пересмотреть принципы тестирования, поскольку проверка устройства без вывода его из работы (с использованием логической изоляции) сделает процесс тестирования системы РЗА цифровой подстанции более удобной. Однако для этого потребуются дополнительные усилия и решения на стадии разработки проекта.

COMTRADE

Как и в случае с традиционными устройствами, цифровые устройства РЗА чаще всего проверяются токами и напряжениями чистой синусоидальной формы. Известно, что при КЗ на защищаемом объекте формы аналоговых токов и напряжений отличаются от синусоидальных. Поэтому в проверочном оборудовании необходимо реализовать возможность воспроизведения реальных записанных регистраторами аварий, во-первых, для проверки самого устройства РЗА, во-вторых, в случае возникновения спорных моментов при неправильной работе системы во время аварии.

Выводы

В данной статье были рассмотрены основные аппаратные и программные требования к проверочному оборудованию для полноценного тестирования устройств РЗА с целью обеспечения надежной работы системы РЗА и другого оборудования цифровой подстанции.

Подводя итог вышесказанному, проверочное устройство должно отвечать следующим требованиям:

• наличие не менее 4-х портов Ethernet со скоростью обмена данными не менее 100 Мбит/с;
• наличие не менее 8-ми аналоговых входов и 8-ми аналоговых выходов с возможностью трансляции в Sampled Values и наоборот;
• наличие дискретных входов и выходов с возможностью трансляции в GOOSE-сообщения и наоборот;
• синхронизация NTP, PTP и др. протоколов синхронизации;
• прием/передача Sampled Values с 80/256 выборками за период;
• осциллографирование и регистрация SV потоков и GOOSE-сообщений по реальным меткам времени;
• выдача и прием информации с признаком тестирования;
• выдача сигналов в формате COMTRADE.