Вопросы испытаний ЦПС в режиме повышенной информационной нагрузки

Вадим Герасимов («НПП „Динамика“») рассказывает о проблемах испытаниях ЦПС во время информационного «шторма» и о решениях, которые помогут эти проблемы преодолеть.

Для ЦПС критичным фактором устойчивости является режим повышенной информационной нагрузки.

Устойчивость цифровой подстанции — это способность всей системы и отдельных ее элементов сохранять работоспособность во всех штатных ситуациях, в том числе аварийных. Для ЦПС критичным фактором устойчивости является режим повышенной информационной нагрузки — «шторм». Информационной перегрузке наиболее подвержена шина станции. Поскольку по этой шине производится обмен логическими сигналами, а в момент аварии количество сообщений резко возрастает, возможна задержка и даже потеря сообщений.

В настоящее время в качестве нормативного документа, регламентирующего объемы и методы проверок программно-технических комплексов (ПТК) АСУ ТП и микроконтроллерных систем сбора и передачи информации (ССПИ) на цифровых подстанциях ЦПС в режиме повышенной информационной нагрузки, применяется стандарт ФСК СТО 56947007-25.40.40.112-2011 [1]. Структура испытаний выстроена таким образом, что проверке подвергаются не только параметры, связанные с требованиями стандарта IEC 61850, но и логика работы терминалов РЗА совместно с АСУ ТП (по последовательности выдаваемых сигналов), резервирование каналов передачи данных, резервирование питания. В то же время при испытаниях аналоговые сигналы присутствуют как физические величины, наличие шины процесса не учитывается. Объем испытаний, сгруппированных по видам, приведен в таблице 1.

Таблица 1

Группа

Выполняемые проверки

Пункт СТО

Детализация

1 1 Проверка реализации стандарта IEC 5.1
2 Проверка MMS 5.1.1 ИЭУ 1 (192.168.200.1)

ИЭУ 2 (192.168.200.2)

3 Проверка GOOSE 5.1.2 ИЭУ 1: APPID: 1001

MAC: 01:0c:cd:01:01:01

ИЭУ 1: APPID: 1002

MAC: 01:0c:cd:01:01:01

4 2 Проверка работы комплекса в режиме информационного всплеска 5.2
5 Приход всех сигналов срабатывания МПРЗА 5.2.1 Терминал № 1, № 2, № 3, …
6 Приход всех сигналов пуск МПРЗА 5.2.2 Терминал № 1, № 2, № 3, …
7 Корректная последовательность событий по протоколу 5.2.3
8 Приход сигналов аварийного отключения выключателей 5.2.4 В-1, В-2, …
9 3 Проверка работы комплекса в длительном режиме повышенной информационной нагрузки 5.3
10 Аналоговые события 5.3.1 Задержка
11 Дискретные события 5.3.2 Задержка
12 4 Проверка отсутствия потерь в передаче информации 5.4 Длительность проверки 2 час.
13 5 Определение времени передачи GOOSE-сообщений и отсутствия потерь GOOSE‑сообщений 5.5
14 Оценка полного времени передачи GOOSE-сообщений 5.5.1 Время передачи GOOSE 30 мс
15 Отсутствие потерь в передаче GOOSE-сообщений 5.5.2 Время передачи GOOSE 30 мс
16 6 Проверка передачи информации в ССПТИ 5.6
17 8 Проверка резервирования сети Ethernet в «штормовом» режиме 5.8
18 9 Проверка резервирования питания контроллеров присоединения и УСО 5.9
19 10 Проверка резервирования серверов верхнего уровня в «штормовом» режиме 5.10
20 11 Проверка резервирования станционных контроллеров в «штормовом» режиме 5.11
21 12 Проверка функционирования АРМ в «штормовом» режиме 5.12

Необходимо обратить внимание на два существенных аспекта этого стандарта:

  • Стандарт ориентирован на выполнение аттестационных испытаний в аккредитованной лаборатории, т. е. испытания, в том числе «штормовые», проводятся как функциональные.
  • Для проведения испытаний в соответствии со стандартом требуется специальный полигон, представляющий собой модель некой типизированной подстанции со всеми ее связями, взаимодействиями и т. д. Для примера на рис. 1 представлен полигон компании «Релематика» (по согласованию с предприятием). Очевидно, что испытания возможно выполнять только в лабораторных условиях.

Рис. 1. Полигон «штормовых» испытаний компании «Релематика»

Кроме того, выполнение подобных испытаний представляют собой весьма непростую задачу, так как необходимо запрограммировать 82 терминала (в соответствии с идеологией стандарта) и обеспечить работу не менее 25 выключателей (в виде их физических моделей). Данная методика предполагает, что оборудование, выдержавшее испытания в соответствии с рассматриваемым стандартом, при правильном его применении и проектировании обеспечивает выполнение требований по стойкости к информационной нагрузке как отдельных терминалов РЗА, так и коммуникационной структуры подстанции в условиях кратных повреждений или отказов.

Информационный шторм, создаваемый реальными интеллектуальными электронными устройствами (ИЭУ), создает большую информационную нагрузку по сравнению с программными симуляторами.

Однако с учетом [2] и не отрицая высокую оценку стандарта, надо отметить, что информационный шторм, создаваемый реальными интеллектуальными электронными устройствами (ИЭУ), создает большую информационную нагрузку по сравнению с программными симуляторами. Кроме того, в реальной практике наладчики вносят изменения в проект и практически не настраивают сетевое оборудование. В итоге на многих подстанциях спонтанно формируется сеть типа «общий котел», в которой работают 150 и даже более интеллектуальных устройств. В случае развития крупной аварии для этих объектов вероятность возникновения нештатной ситуации, то есть потери аварийных сигналов, крайне высока. Поэтому, на наш взгляд, целесообразно применять оборудование и методику, которые позволяют выполнять штормовые испытания на конкретном объекте в условиях практических пуско-наладочных работ.

60% — максимально допустимая величина загрузки для нормальной работы сети.

Какие требования должны быть предъявлены для полевых испытаний на повышенную информационную нагрузку? Абстрагируясь от достоинств и недостатков стандарта, можно сделать вывод, что опыт испытаний в соответствии со стандартом позволяет обобщенно оценить условия работы терминалов РЗА цифровой подстанции, степень загрузки коммуникационных каналов и граничные условия устойчивости системы. Так, по стандарту суммарное количество сигналов от контроллеров присоединения и сигналов сигнализации (АС/ПС), участвующих в штормовом режиме, достигает 2 673. Размер одного GOOSE‑сообщения зависит от количества сигналов в сообщении и типа сообщения и меняется от 146 байт для одного сигнала до 1 363 байт при 64/256 сигналах при максимальном размере Ethernet-кадра 1 500 байт. Тогда для передачи 2 673 сигналов требуется не менее 11 GOOSE‑сообщений. Таким образом, при пропускной способности локальной сети 100 Мбит/с в режиме информационного всплеска (период повторения GOOSE‑сообщения — 2 мс) при указанном количестве сигналов она будет загружена на 60%. Это максимально допустимая величина для нормальной работы сети.

Насколько полевые «штормовые» испытания должны соответствовать стандарту СТО 56947007-25.40.40.112-2011? Испытания должны решать две задачи: проверка работы терминалов РЗА в условиях шторма и проверка работы ЛВС с ее оборудованием.

Представляется, что, поскольку аттестационные испытания оборудование выдержало, могут быть приняты некоторые упрощения по отношению к стандарту:

  • При проведении полевых испытаний требования по проверке функционала могут быть игнорированы.
  • Эмуляторы устройств не используются.
  • Проверки полноты реализации IEC 61850 в ПТК АСУ ТП и ССПИ не требуются.
  • Поток дискретных событий формируется с использованием источника GOOSE‑сообщений.
  • Проверка требований в области нарушения питания и резервирования выполняется в процессе штормовых испытаний путем моделирования соответствующих ситуаций.

Тогда объем испытаний может выглядеть следующим образом — см. таблицу 2.

Таблица 2

1 Проверка соответствия стандарту IEC 61850 Соответствие ИЭУ, работающих по стандарту IEC 61850, установленных на подстанции, списку устройств, прописанных в SCD-файле.

Наличие управляющих блоков GOOSE-сообщений для реализации обмена между ИЭУ.

№ пп

Наименование испытания

Контролируемый показатель

2 Оценка полного времени передачи GOOSE-сообщения по сети в режиме установившейся информационной нагрузки По меткам времени оценивается наибольшее время, затрачиваемое на прием, обработку и передачу GOOSE-сообщений между устройствами в сети. Оно не должно превышать 10 мс на одно устройство.
3 Оценка полного времени передачи GOOSE-сообщения по сети в режиме информационного всплеска По меткам времени оценивается время, затрачиваемое на прием, обработку и передачу GOOSE-сообщений между устройствами в сети в «штормовом» режиме и отсутствие потерь в передаче. Наибольшее полное время не должно превышать 10 мс на одно устройство.

Как уже отмечалось, стандарт не рассматривает методики проведения «штормовых» испытаний по протоколу стандарта IEC 61850‑9.2LE. Поток аналоговых событий создается при подаче токов и напряжений пилообразной формы на физические входы микропроцессорных устройств. Время нарастания сигнала T определяется требуемым потоком событий.

Нельзя упускать из виду и возможность применения для малых ЦПС структуры с объединенными шинами станции и процесса.

Понятно, что режим информационного всплеска на шине процесса невозможен по определению. Но возможно появление SV‑потоков с установленным признаком тестирования. На практике реальны ситуации снижения пропускной способности ЛВС по разным причинам: нарушение целостности оптоволокна, ограничения коммутатора, ошибки при настройке сети. Нельзя упускать из виду и возможность применения для малых ЦПС структуры с объединенными шинами станции и процесса, хотя на данный момент этот вопрос очень дискуссионный. Обычно коллизии в сети начинаются при ее загрузке на 80% и более. Коллизии в SV‑потоках при повышенной информационной нагрузке носят случайный, непостоянный характер, что сказывается на возможности ИЭУ обрабатывать принимаемые данные. Представляется целесообразным дополнить «штормовые» испытания повышенной информационной нагрузкой на шине процесса (таблица 3).

Таблица 3

№ пп Наименование испытания Контролируемый

показатель

1 Определить предел статической устойчивости ИЭУ Загрузка ЛВС SV‑потоками вплоть до сигнализации неисправности (недостоверности принимаемых данных)
2 Оценка времени срабатывания ИЭУ при аварии Оценивается время срабатывания при возникновении КЗ
3 Динамическая загрузка ЛВС удвоенным трафиком Фиксация времен срабатывания ИЭУ при скачкообразном увеличении количества потоков на фоне уже существующей загрузки
4 Проверка качества сети Моделирование плохого качества сети без создания повышенной информационной нагрузки

Отсюда следуют требования, предъявляемые к технологии выполнения испытаний:

  • Проверка соответствия стандарту IEC 61850:
    • фиксирование фактов появления/исчезновения сообщений;
    • разбор структуры сообщений;
    • проверка на регламентированные поля;
    • проверка на порядок следования сообщений;
    • генерирование сообщений с заданными ошибками;
    • генерирование «мусорного» трафика с имитацией GOOSE‑сообщений и SV‑потоков;
    • формирование отчета для последующего анализа.
  • Проверка коммутационного оборудования:
    • количество потерянных пакетов;
    • отсутствие зависимости времени доставки сообщений от объема трафика;
    • восстановление связи при обрыве каких-либо коммуникаций.

Тестовое оборудование, отвечающее таким требованиям, должно быть либо портативным, либо встраиваемым в серверный шкаф подстанции (при необходимости выполнять функции мониторинга 24/7) и уметь [3]:

  • Проводить классические испытания устройств РЗА.
  • Синхронно генерировать токи и напряжения в аналоговом и цифровом виде.
  • Преобразовывать дискретные сигналы в GOOSE-сообщения и наоборот.
  • Проверять оборудование на совместимость с протоколом стандарта IEC
  • Оценивать работу устройств РЗА по протоколам резервирования.
  • Регулировать трафик для проведения «штормовых» испытаний.
  • Задавать прогнозируемые искажения данных и оценивать их влияние на работу устройств РЗА.

Прототипом такого устройства может служить комплекс РЕТОМ-61850 (рис. 2а и 2б).

 

Рис. 2. Комплекс РЕТОМ‑61850 и сетевой анализатор

Варьируя количество GOOSE‑сообщений, их размер и периодичность выдачи, можно в широких пределах изменять загрузку шины станции.

Комплекс соответствует требованиям протоколов стандарта IEC 61850, обеспечивает реализацию алгоритмов функциональной проверки терминалов РЗА, имеет возможности управления дополнительным оборудованием, например источниками питания и имитаторами неисправностей. Если говорить о «штормовых» испытаниях, РЕТОМ-61850 выдает до 128 GOOSE‑сообщений, что 64 сигналах в сообщении требует производительности ЛВС около 6 Мбит/с на одно сообщение. Предел загрузки сети 100М составляет 16 GOOSE‑сообщений. Кроме того, прибор генерирует до 60 потоков SV с частотой 80 выборок/период, из них 20 потоков — управляемые. Один такой SV‑поток загружает сеть примерно на 5 Мбит/с. Соответственно, предел 100%-ной загрузки сети 100М — 20 SV-потоков. Варьируя количество GOOSE‑сообщений, их размер и периодичность выдачи, можно в широких пределах изменять загрузку шины станции. Аналогично можно поступать и с шиной процесса. Таким образом, сочетание широких функциональных возможностей и гибкость применения комплекса позволяет с его помощью глубоко и оперативно оценивать состояние оборудования цифровой подстанции.

«НПП „Динамика“» считает необходимым:

  • Включить в комплекс работ по пусконаладке и эксплуатации цифровых подстанций «штормовые» испытания на конкретном объекте с реальной схемой коммуникаций и его SCD-файлом.
  • Вынести на обсуждение технической общественности методики выполнения полевых «штормовых» испытаний.
  • В дополнение к стандарту СТО 56947007-25.40.40.112-2011 разработать нормативный документ, регламентирующий полевые «штормовые» испытания.

Литература

  1. 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», 2011.
  2. Полигон испытаний ПТК АСУ ТП в режиме «Информационный шторм». Егоров А. Г., Никандров М. В., Шапеев А. А. / Цифровая подстанция, апрель 2014.
  3. Требования к проверочному оборудованию для тестирования устройств с поддержкой стандарта МЭК 61850. Смирнов Ю. Л., Александров Н. М. / Цифровая подстанция, апрель 2014.