Анализ сетей и информационного обмена по протоколам IEC 61850

Международный стандарт IEC 61850 определяет основы коммуникаций между устройствами как в рамках одного энергообъекта, так и между устройствами разных энергообъектов. Стандарт определяет модель данных, процедуру инжиниринга, а также коммуникационные протоколы.

Как известно, стандарт оказывает большое влияние на развитие техники релейной защиты и автоматики (РЗА). Применяя стандарт, становится возможным повысить быстродействие, функциональность комплексов РЗА, а также обеспечить функциональную совместимость между устройствами. Точно также как и в случае построения систем на традиционном принципе, для того, чтобы достичь этих качеств, требуется обеспечить правильную конфигурацию систем. В частности, сигналы пусковых органов и сигналы срабатывания защит, являясь достаточно важными сигналами, требуют высокой скорости информационного обмена. Согласно стандарту, для передачи таких сигналов предусмотрен специальный сервис GOOSE. Передача GOOSE-сообщений производится в многоадресном режиме. Поскольку в этом режиме, в заголовке кадра Ethernet не определяет конкретный адресат, GOOSE-сообщения распространяются по всей сети, что даёт возможность любому устройству сети (РЗА или испытательной установке) их отрабатывать.

Всегда, а особенно в таких условиях, чрезвычайно важно выполнять проверку корректности функционирования комплекса РЗА, как это проиллюстрировано в двух следующих примерах. Выполнение данных проверок перед вводом систем в эксплуатацию позволяет повысить эффективность дальнейшей работы комплексов РЗА. То, какими могут быть сценарии испытаний комплексов РЗА с поддержкой стандарта IEC 61850, хорошо показывает пример специалистов компании OMICRON, которые посетили энергообъекты в Юго-Западной Африке. Местная электросетевая компания пригласила их выполнить проверку конфигурацию коммуникаций в соответствии со стандартом IEC 61850 и продемонстрировать работу испытательной установки DANEO 400.

Электросетевая компания имеет на балансе 4 подстанции, которые реализованы с применением самых современных решений с поддержкой стандарта IEC 61850. Для коммуникаций между устройствами в пределах одной подстанции, а также между устройствами нескольких подстанций используются GOOSE-коммуникации. Общее количество GOOSE-сообщений превышает 100. Резервированные каналы связи гарантируют надежнуб доставку сообщений до адресатов.

Язык конфигурирования системы и локальная сеть

Для проверки того, что все GOOSE-сообщения передаются корректно, испытательная установка DANEO 400 подключалась к коммутатору локальной сети подстанции. Порт коммутатора, к которому была подключена испытательная установка, был настроен таким образом, чтобы обеспечивать перенаправление GOOSE-сообщений, принадлежащих различным виртуальным локальным сетям. Указанное позволило DANEO выполнять анализ трафика в режиме реального времени и выполнить проверку того, что все сообщения передаются в соответствии с файлом SCD (Substation Configuration Description) проекта. Для этого файл SCD предварительно загружался в программное обеспечение, управляющее установкой DANEO 400.

fig_1

Рис. 1. Перекрестная проверка GOOSE-сообщения в сети на соответствие SCD с помощью DANEO 400 может быстро выявить все несоответствия.

Проверка заняла всего несколько секунд и выявила две проблемы. Одно из 104 GOOSE-сообщений, которые были обнаружены в сети, было отмечено желытм цветом (рис. 1), указавая на то, что своими параметрами оно отличается от того, что сконфигурировано в файле SCD. В зависимости от конфигурации коммутатора, последствия могли бы быть следующими: это GOOSE-сообщение просто-напросто могло бы не доходить до адресата, к примеру, после срабатывания защиты не отключался бы требуемый выключатель. Помимо этого, анализ показал, что 40 сообщений из описанных в файле SCD даже не присутствовали в сети. На этапе наладки отказались от их использования, но в конфигурации проекта они сохранились. По результатам проверки они были удалены из файла SCD.

Измерение времени передачи сообщений между объектами

После использования DANEO 400 по первому сценарию на одной из подстанций, предстояло провести замеры времени передачи GOOSE-сообщений между устройствами смежных объектов с использованием нескольких испытательных установок. Каждой установке DANEO 400 был назначен статический IP-адрес для обеспечения возможности управления ими, используя специализированное ПО, установленное на одном ПК. На крыше одного из объектов было установлено устройство OTMC 100, которое обеспечивало временную синхронизацию установок. Это устройство поддерживает роль гроссмейстерских часов в соответствии с протоколом Precision Time Protocol (PTP), обеспечивая временную синхронизацию устройств энергообъекта с точностью не хуже 100 нс.

fig_2Рис. 2. Системы DANEO 400 и ISIO 200 можно легко подключить к коммуникационной сети подстанций в несколько этапов.

На каждом объекте также была выполнена установка устройства ISIO 200 (рис. 2): на одном конце она принимала дискретный сигнал от контроллера, передающего рабочее GOOSE-сообщение на контроллер другой подстанции, преобразовывала его в тестовое GOOSE-сообщение; на противоположном конце такое же устройство ISIO 200 принимало сформированное тестовое GOOSE-сообщение и преобразовывало его в электрический сигнал. Электрические сигналы и GOOSE-сообщения, имевшиеся на обоих концах, подавались на испытательную установку DANEO 400. Целью испытаний было измерение времени передачи GOOSE-сообщения, сформированного ISIO 200, на другую подстанцию, расстояние между которыми составляло 18 км. На приведенном графике (рис. 3) из пользовательского интерфейса DANEO два верхних сигнала – это сигналы, зарегистрированные на первой подстанции, а два нижних сигнала – зарегистрированные на второй подстанции.
fig_3

Рис. 3. Здесь с помощью графического интерфейса управления DANEO отображаются моменты времени для изменения состояния сигналов на обоих подстанциях.

Дискретный сигнал, формируемый контроллером на подстанции 1 представлен на верхнем графике (Stimulus). Ниже на графике – формирование GOOSE-сообщения на подстанции 1. На третьем графике – момент приема GOOSE-сообщения на подстанции 2. Четвертый график иллюстрирует момент распознования дискретного сигнала на DANEO 400. Видно, что время передачи GOOSE-сообщения между устройствами двух подстанций составляет 149 мкс. Это всего лишь одно измерение. Хотя в нормальном режиме работы эта цифра и может быть справедливой, важно понимать, что в более сложных режимах работы она может увеличиться.

Испытания в сложных режимах работы системы

Конечно, наибольший интерес с точки зрения оценки времени передачи сообщений представляют более сложные режимы работы. И такие испытания можно провести, используя DANEO 400. Установка способна выполнить сотни тестов и представить результате в виде наглядных графиков. Для того, чтобы получить наихудший результат, в ходе испытаний оперативный персонал даже моделировал нарушение исправности соединения в кольцевой схеме локальной сети под управлением протокола RSTP, в которую включалось оборудование энергообъектов. В результате протяженность маршрута, по которому должно распространяться сообщение, увеличилось до 75 км (до назначения сообщение проходило через коммуникационное оборудование 4 подстанций), а средняя задержка передачи данных составила 476 мкс. Максимальная задержка передачи GOOSE-сообщений составила 658 мкс, а минимальная – 471 мкс (наиболее часто встречающееся значение в измерениях согласно рис. 4). Измерения доказали, что схема передачи данных в цифровом формате имеет право на жизнь при реализации схем релейной защиты и авоматики.

fig_4

Рис. 4. Результаты анализа задержки распространения (PDA), проведенного с помощью DANEO 400, для демонстрации неблагоприятного сценария отображены в виде гистограммы, на которой представлено время задержки для резервного пути.

Идентификация отсутствующих GOOSE-сообщений

Совершенно другая задача стояла перед специалистами РЗА на одном из объектов в Англии. Они должны были пронанализировать состав трафика в сети, объедняющей три подстанции. В сети было реализовано разделение на виртуальные локальные сети VLAN, а также применялся протокол PRP (Parallel Redundancy Protocol) согласно стандарту IEC 62439–3. Испытательные установки DANEO 400 были установлены на первой и третьей подстанциях. На 5 суток данные 3 подстанции были отключены от энергосистемы и на них проводились испытания по быстродействию и надежности схем РЗА с цифровыми коммуникациями. При этом за счёт того, что одна установка DANEO 400 оснащается тремя сетевыми интерфейсами, было возможно осуществлять мониторинг сообщений в двух независимых сетях под управлением PRP. Установки на первой и третьей подстанциях были синхронизированы и все испытания были проведены. При этом были четко идентифицированы отсутствующие GOOSE-сообщения, которые были в SCD файле, но которых не было в сети. И это было объяснимо – не во все сегменты сети были включены испытательные установки DANEO 400. о

30 миль за 200 мкс

Испытания в данном случае показали именно такие цифры, которые становятся достижимыми при непосредственном соединении сетей энергообъектов через волоконно-оптические кабели.

fig_5

Рис. 5. Анализ использования сети, проведенный с помощью DANEO 400, показывает количество отправленных в секунду пакетов, а также объем данных до и во время сбоя.

Среднее время передачи сообщений составило 180 мкс при расстоянии примерно 40 км, при общей загрузке сети не более 1% от общей пропускной способности (рис. 5). При возникновении КЗ в сети количество пакетов, передаваемых за 1 с увеличивается в 100 раз (положение синего маркера указывает на нагрузку сети непосредственно перед КЗ, а красного – на нагрузку сети после возникновения КЗ). В ходе испытаний также был произведен замер временной разницы прихода сообщений по сети A и B под управление PRP – разница не превысила 1 мкс.

Обнаружение случайных потерь GOOSE-сообщений

Несмотря на то, что в результате проведенных испытаний замеренные времена оказались вполне приемлимыми, оборудование DANEO 400 позволило зафиксировать ранее не замеченную проблему: коммункикация между подстанциями время от времени прерывалась.fig_6

Рис. 6. След выше представляет полную последовательность GOOSE-сигналов на одной подстанции, в то время как на второй подстанции есть два заметных пробела (синие и красные курсоры). Во втором пробеле отсутствует целый ряд повторных передач, зафиксирован даже тайм-аут GOOSE-сигналов (виден в заштрихованном столбце).

Это удалось зафиксировать через обнаружение пропаж GOOSE-сообщений в последовательности (рис. 6), которое DANEO определяет по факту истечения жизни сообщений (Time allowed to live). Сначала под подозрение попали терминалы, формировавшие сообщения, но потом при помощи DANEO было определено, что сообщения терялись на коммутаторах. Исчезновение GOOSE-сообщений при возникновении требования на срабатывания релейной защиты могло бы приводить к печальным последствиям, поэтому специалисты немедленно приняли меры для выяснения конкретной причины потери GOOSE-сообщений и ее устранения. Спонтанные исчезновения GOOSE-сообщений указали на то, что проверки функционирования сети должны проводиться более тщательным образом.

Цифровая подстанция

(close)

 

Цифровая подстанция

(close)

Имя пользователя должно состоять по меньшей мере из 4 символов

Внимательно проверьте адрес электронной почты

Пароль должен состоять по меньшей мере из 6 символов

 

 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: