Разработка профиля IEC 61850-9-2 для ФСК

В 2016 году министерство энергетики России одобрило реализацию Национального проекта, предполагающего массовое внедрение электрических подстанций нового поколения — цифровых подстанций (ЦПС). Одним из основополагающих стандартов, применяемых в рамках ЦПС, является международный стандарт IEC 61850.

Введение

В целях упрощения и ускорения процесса внедрения систем и устройств с поддержкой указанного стандарта, а также обеспечения удобства и безопасности эксплуатации, в ряде случаев требуется разработка профилей стандарта IEC 61850, сужающих широкие возможности стандарта до конкретных требований в соответствии с принятыми в РФ нормами.

В рамках создания типовых шкафов РЗА ведется работа и по созданию профиля IEC 61850 ФСК, который может стать общероссийским.

В сфере описания информационной модели в рамках выполненных работ уже сделано описание сопоставление принятых в России наименований функций для различных видов элементов сети и логических узлов стандарта IEC 61850. Кроме того, в отдельных случаях определено назначение отдельных сигналов на объекты данных логических узлов. Для специфических функций, применяемых в России, для которых не оказалось подходящих узлов в IEC 61850, были разработаны новые логические узлы в рамках поддерживаемого ФСК пространства имен RU-61850-7-4:2017A.

Одним из чрезвычайно важных вопросов, требующих более детальной проработки, является применение протокола Sampled Values в соответствии с IEC 61850-9-2. В частности, принятая к широкому использованию спецификация 9-2LE требует передавать в одном кадре Ethernet одновременно 4 значения токов и 4 значения напряжения с сопровождающими их флагами качества, что является неоптимальным в тех случаях, когда преобразование или обработка осуществляется, например, только для токов или только для напряжений.

* * *

Принятые в стандарте 9-2LE решения показывают, что основой для них стала потребность комплекта ступенчатых защит (КСЗ) в токе и напряжении, т. е. приемник сигналов одного вида. Для терминала КСЗ линии или АТ с одним выключателем удобно подвести 4 тока и 4 напряжения. Возникает вопрос: из какого источника этот сигнал взять? Если преобразователь аналоговых сигналов (ПАС) располагается на ОРУ, а присоединение имеет ТТ и ТН, то цепи напряжения и тока удобно завести в один ПАС. Но если мы имеем ТТ на присоединении и ТН на шинах, то для всех ПАС необходимо разводить цепи напряжения, а это противоречит концепции ЦПС, где информация должна транспортироваться по цифровым каналам связи.

Наглядный пример того, как делать не нужно, — это сегмент ЦПС 220кВ «Каргалинская» МЭС Урала, выполненный по китайским принципам.

Цепи напряжения распределяются по всем шкафам наружной установки, имеются ключи перевода цепей напряжения на ОРУ, т. е. был перенесен принцип распределения напряжения с традиционных ПС на цифровую. Основное преимущество цифровой ПС — это доступ всех устройств РЗА ко всей информации поступающей от источников ПАС, ОТТ, ЭТН на ПС. Резервирование должно происходить на уровне устройств РЗА путем перехода на другой SV-поток, а не переключением на ОРУ цепей напряжения (удобно зимой лопатой шкаф откапывать для выполнения простейшей операции в условиях технологического нарушения).

При рассмотрении вопроса резервирования получаем необходимость подвести SV-поток с другого ТН. Поэтому если и внедрять ПАС, то необходимо устанавливать их в шкафах ЯЗТ и ШЗН, т. е. приблизить к источнику сигнала. При данном расположении можно подключить цепи тока пофазно, не соединяя в звезду, и обеспечить контроль неисправности цепей ТТ, не думая об обнаружении обрыва «нуля» цепей тока. Данное расположение обеспечит минимальную нагрузку на цепи тока и напряжения. Имеются и недостатки, например необходимость подводить цепи питания к трем ПАС в ЯЗТ и двум в ШЗН. Но ПАС — это промежуточная стадия перехода к оптическим ТТ и цифровым ТН. Для ОТТ, ЭТН и ПАС, расположенным в ЯЗТ и ШЗН, на выходе имеется три фазы тока или напряжения. Ток нулевой последовательности они не измеряют, а вычисляют, следовательно, нет необходимости передавать их по сети, поскольку они точно так же могут быть вычислены на конечных устройствах.

Исходя из приведенного анализа видим, что целесообразно в составе набора данных SV предусмотреть 3 значения с их флагами качества вместо 8 значений, предусмотренных спецификацией 9-2LE. Предлагаемые три значения в различных случаях могут быть либо тремя токами, либо тремя напряжениями. Для ДЗШ, ДЗТ, ДЗЛ не нужны напряжения, туда передаются три тока. Помимо предложенного варианта набора данных с тремя значениями, целесообразно также иметь вариант набора данных с одним значением. Одно значение напряжения или тока используется для передачи напряжения с ВЛ (ШОН, ТН в одной фазе), тока нейтрали АТ, Т, реактора, фазного тока для защиты от перегрузки в общей обмотки АТ, тока или напряжения для защит от замыканий на землю обмотки статора генератора (синхронного компенсатора). Сейчас продолжается разработка вопроса о возможности оснащении вводов с RIP-изоляцией устройствами КИВ так как есть статьи, показывающие негативное воздействие ТПС на высоковольтные вводы. Решить данный вопрос можно с помощью вынесения ПАС на ОРУ максимально близко к вводу без использования ТПС. В этом случае для трехфазных АТ нужно передавать три значения тока утечки ввода, а для однофазных АТ одно значение, так как заземление ПИН-ввода через десятки метров недопустимо. При применении ПАС на время реконструкции ПС и поэтапной замены ТТ возможна передача трехфазных токов или напряжений в посылке из трех значений, фазные значения принимают параметры SV-потоков от ПАС, и после установки ОТТ и ЭТН терминалы РЗ перепрограммировать не требуется.

Нужно отметить и контроль достоверности получаемых значений в SV-потоках.

Традиционная советская схема БНН с использованием звезды и треугольника цепей напряжения не будет работать, так как треугольник можно сделать только из звезды, а это бесполезно. Для удостоверения получаемых значений нужно иметь по два SV-потока трехфазного тока и напряжения. Из четырех SV-потоков можно сделать однозначный вывод о неисправности SV-потока и необходимости перейти на резервный. Переключения между SV-потоками, несущими три значения может оказаться проще.

С точки зрения частоты выборок предпочтительным является стандарт IEC 61869-9 с 96 выборками за период для РЗА и 288 выборками для измерения. При этом в обоих случаях передается 48 кадров Ethernet c выборками за период. Для РЗА в каждом кадре передается две точки каждого измеряемого параметра. Такая передача SV-потоков позволит существенно сократить нагрузку на сеть.

* * *

Для наглядности покажем количество SV-потоков, подводимых к устройству РЗ ЛЭП и РЗ шин для типовых схем РУ. Приведенная схема (схема в pdf; скачать полную схему в dvg-формате можно тут) ЦПС с распределением SV-потоков демонстрирует правильность предлагаемого решения. Для примера рассмотрены защиты ЛЭП и шин, поскольку они являются приемниками 75-90% трафика SV РЗА шины процесса и ориентироваться нужно на них. По результатам изыскания можно предположить, что объединять U и I в одном потоке не правильно, поскольку принципы резервирования I и U отличаются друг от друга, а динамически комбинировать составляющие пакета не представляется возможным.

Устройство (приемник) Подключается Подписанные SV-потоки
(основной / резервный)
Примечание
Защита ЛЭП 330–750 кВ (для всех типов РУ, кроме РУ-3Н)

— два выключателя на ЛЭП;

— два ТН на ЛЭП.

к ЭТТ в цепи двух (или трех при наличии ШР) выключателей ЛЭП; SVI(3)-1 В1

SVI(3)-2 В1

SVI(3)-1 В2

SVI(3)-2 В2

SVI(3)-1 ВР

SVI(3)-2 ВР

Шунтирующий реактор на ЛЭП
к ЭТН на ЛЭП. SVU(3)-1

SVU(3)-2

Защита ЛЭП 110–220 кВ (для РУ-6Н, 7, 8, 9АН, 16, 17)

— два выключателя на ЛЭП;

— один ТН на ЛЭП.

к ЭТТ в цепи двух (или трех при наличии ШР) выключателей ЛЭП; SVI(3)-1 В1

SVI(3)-2 В1

SVI(3)-1 В2

SVI(3)-2 В2

к ЭТТ (3ф/3ф) в цепи параллельной ЛЭП; SVI(3/3)-1 ЛЭП

SVI(3/3)-2 ЛЭП

|| ЛЭП
к ЭТН (3ф) в смежных узлах (резервирование ЦН). SVU(3)-1 ЛЭП

SVU(3)-1 СУ 1

SVU(3)-1 СУ 2

СУ – смежный узел
Защита ЛЭП 110–220 кВ (для РУ-9, 9Н, 9АН)

— один выключатель на ЛЭП;

— один ТН на шинах.

к ЭТТ в цепи выключателя ЛЭП; SVI(3)-1 В

SVI(3)-2 В

к ЭТТ (3ф) в цепи выключателя параллельной ЛЭП; SVI(3)-1 В

SVI(3)-2 В

|| ЛЭП
к ЭТН (3ф) на шинах; SVU(3)-1 Свои шины
к ЭТН (3ф) на смежных шинах (резервирование ЦН); SVU(3)-1 Смежные шины
к ЭТН (1ф) на ЛЭП. SVU(1)-1 ЛЭП
Защита ЛЭП 110–220 кВ (для РУ-12, 12Н)

— один выключатель на ЛЭП;

— один ТН на шинах;

— обходная СШ.

к ЭТТ в цепи выключателя линии; SVI(3)-1 В

SVI(3)-2 В

к ЭТТ в цепи обходного выключателя; SVI(3)-1 ОВ

SVI(3)-2 ОВ

Обходной выключатель
к ЭТТ (3ф) в цепи выключателя параллельной ЛЭП; SVI(3)-1 В

SVI(3)-2 В

|| ЛЭП
к ЭТН (3ф) на шинах; SVU(3)-1 Свои шины
к ЭТН (3ф) на смежных шинах (резервирование ЦН); SVU(3)-1 Смежные шины
к ЭТН (1ф) на ЛЭП. SVU(1)-1 ЛЭП
Защита ЛЭП 110–220 кВ (для РУ-13)

— один выключатель на ЛЭП;

— гибкая фиксация к двум СШ;

— один ТН на шинах.

к ЭТТ в цепи выключателя линии; SVI(3)-1 В

SVI(3)-2 В

к ЭТТ (3ф) в цепи выключателя параллельной ЛЭП; SVI(3)-1 В

SVI(3)-2 В

|| ЛЭП
к ЭТН (3ф) на шинах; SVU(3)-1 шины 1

SVU(3)-1 шины 2

Выбор активного SV по положению разъединителей
к ЭТН (1ф) на ЛЭП. SVU(1)-1 ЛЭП
Защита ЛЭП 110–220 кВ (для РУ-13Н, 14)

— один выключатель на ЛЭП;

— гибкая фиксация к двум СШ;

— один ТН на шинах;

— обходная СШ.

к ЭТТ в цепи выключателя линии; SVI(3)-1 В

SVI(3)-2 В

к ЭТТ в цепи обходного выключателя; SVI(3)-1 ОВ

SVI(3)-2 ОВ

Обходной выключатель
к ЭТТ (3ф) в цепи выключателя параллельной ЛЭП; SVI(3)-1 В

SVI(3)-2 В

|| ЛЭП
к ЭТН (3ф) на шинах; SVU(3)-1 шины 1

SVU(3)-1 шины 2

Выбор актуального SV по положению разъединителей
к ЭТН (1ф) на ЛЭП. SVU(1)-1 ЛЭП
Защита шин 330– 750 кВ (6 присоединений) к ЭТТ (3ф) в цепи отходящего присоединения; SVI(3)-1 П1

SVI(3)-2 П1

SVI(3)-1 П2

SVI(3)-2 П2

SVI(3)-1 П3

SVI(3)-2 П3

и т. д. — всего 6 присоединений

к ЭТН (3ф) на шинах. SVU(3)-1

SVU(3)-2

Защита шин 110–220 кВ (18 присоединений)

— 2 секции.

к ЭТТ (3ф) в цепи отходящего присоединения; SVI(3)-1 П1

SVI(3)-2 П1

SVI(3)-1 П2

SVI(3)-2 П2

SVI(3)-1 П3

SVI(3)-2 П3

и т. д. — всего 18 присоединений

к ЭТТ (3ф) в цепи СВ; SVU(3)-1 СВ

SVI(3)-2 СВ

SVU(3)-3 СВ

SVI(3)-4 СВ

С двух сторон СВ
к ЭТН (3ф) на шинах. SVU(3)-1

Примечания:

  1. SVI(3/1) — SV-поток измеренных значений тока трех/одной фаз; SVU(3/1) — SV-поток измеренных значений напряжения трех/одной фаз.
  2. «-1», «-2» — показатели количества ЭТ, устанавливаемых в данной точке схемы в соответствии с действующими НТД.
  3. При отсутствии или потере качества основного SV-потока устройство автоматически переключается на резервный. Для ЭТТ в качестве резервного рассматривается аналогичный ЭТТ, установленный в той же точке измерения. Для ЭТН — либо аналогичный в той же точке, либо ЭТН смежного присоединения.

Приведенная схема ПС с цифровыми потоками показывает потребность различных устройств РЗА в SV-потоках от источников. В SV-потоках принята передача одного или трех значений.

Сравним загрузку информационного канала во время передачи данных по стандартам IEC61850-9-2LE и IEC 61869-9 96.

Наименование схемы Количество потоков Загрузка канала Ethernet, Мб/с
IEC 61850-9-2LE IEC 61869-9 96
Потоки SV РЗА
(4800 2ASDU – IEC 61869-9 96)
(4000 1ASDU – IEC 61850-9-2LE)
1 поток РЗА (1 ток) 5,12 2,82
1 поток РЗА (3 тока) 5,12 3,44
8 потоков РЗА (3 тока) 40,96 27,49
Потоки SV АСКУЭ
(14400 2ASDU – IEC 61869-9 96)
(12800 1ASDU – IEC 61850-9-2LE)
1 поток АСКУЭ (1 ток) 11,10 6,12
1 поток АСКУЭ (3 тока) 11,10 7,97
8 потоков АСКУЭ

(3 тока)

88,20 63,74
Защита шин 330–750 кВ (6 присоединений) 8 потоков РЗА +
8 потоков АСКУЭ
119,00 84,70
Защита шин 110–220 кВ (18 присоединений) — 2 секции 32 потоков РЗА +
32 потоков АСКУЭ
515,20 364,97
Для канала 1 ГБ 66 потоков РЗА +
66 потоков АСКУЭ
985,96 752,74
87 потоков РЗА +
87 потоков АСКУЭ
992,24

Выводы

Предложенная методика дает 27% экономии пропускной возможности канала связи, при этом предоставляя новый функционал, предусмотренный более современным стандартом.

Для канала 1 Гбит/с возможна передача цифровых сигналов для более 50 присоединений (60% загрузка канала). 50 присоединений это более чем достаточно для современных электроэнергетических объектов, что говорит о готовности имеющегося на сегодня сетевого оборудования организовать единую информационную сеть (ЛВС), в которой будут одновременно существовать MMS, GOOSЕ и SV.

Единая ЛВС позволит внедрять новые способы резервирования оборудования и информационных потоков при экономии аппаратных средств. Комплексами кибербезопасности проще контролировать единую ЛВС, чем несколько изолированных.

Создаются и предпосылки для сетей ЦПС в будущем: для устройств, передающих MMS, GOOSE, — 100 Мбит/с, для устройств, передающих MMS, GOOSЕ, SV, — 100 Мбит/с или 1 Гбит/с (ДЗШ, АТ), для соединения коммутаторов между собой в кольцо — 10 Гбит/с. Разделение сети будет осуществляться VLAN. Решение о переходе на данную архитектуру можно будет принять после накопления опыта.

Стоит отметить, что предлагаемые решения в аспекте перехода к другим частотам дискретизации (4 800 Гц для РЗА и измерений и 14 400 Гц для ККЭ) и к другим наборам данных не являются изменением или каким-либо дополнением существующего стандарта IEC 61850-9-2. Корректировки затрагивают лишь профиль стандарта, определяемый руководящими указаниями 9-2LE. Таким образом, устанавливаемые требования по составу набора данных и частотам дискретизации целесообразно утвердить на корпоративном (или национальном уровне) аналогичным документом — профилем протокола IEC 61850-9-2.

* * *

Как вы думаете, какой профиль IEC 61850 лучше принять для протокола Sampled Values в России? Пожалуйста, пройдите опрос по ссылке — это займет меньше минуты.

Опечатка во фразе «14 400 Гц для ККЭ» (было «144 000 Гц для ККЭ») исправлена, редакция приносит читателям свои извинения.

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: