В чём отличия процесса инжиниринга обычных и «цифровых» подстанций?
Какие проблемы обслуживающему персоналу несут проекты с МЭК 61850?
Как разработать проект, который будет соответствовать МЭК 61850 и будет понятен человеку?
Какие инструменты для разработки проектов в соответствии с требованиями МЭК 61850 существуют?

ИНЖИНИРИНГ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ЦИФРОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

Авторы: Аношин А. О. (ЗАО “ПРОФОТЕК”), Головин А. В. (ЗАО “ПРОФОТЕК”), Тазин В. О. (ООО “ТЕКВЕЛ”)

Отличия цифровой подстанции

Прежде чем говорить об изменениях в процессе инжиниринга систем автоматизации цифровых подстанций (ЦПС), кратко сформулируем основные особенности ЦПС по сравнению с традиционными. Основным отличием цифровой подстанции является широкое внедрение цифровых интерфейсов взамен аналоговых. В основном это касается систем релейной защиты и автоматизации, телемеханики и учёта. Так на смену передаче сигналов по цепи оперативного постоянного тока приходит протокол GOOSE, описанный в серии стандартов МЭК 61850, на смену цепям переменного тока и напряжения приходит протокол МЭК 61850-9-2 (также именуемый как SV). Появление этих протоколов и их внедрение вносит существенные изменения как в архитектуру системы автоматизации, так и в подходы к проектированию этих систем.

В ближайшее время полный отказ от всех медных кабельных связей вряд ли возможен. В большинстве существующих сегодня и разрабатываемых проектов сочетаются медные кабельные соединения (например, для передачи информации от измерительных ТТ и ТН к устройствам РЗА, ТМ и учёта) и цифровых протоколов для передачи дискретных сигналов и диспетчерских протоколов. Одной из причин этого является недоверие к цифровым протоколам, в связи с чем передачу информации по ним дублируют медными проводами, несмотря на то, что это крайне неблагоприятно с точки зрения возможности излишнего или ложного срабатывания. Вторая причина заключается в отсутствии коммерческих исполнений измерительных преобразователей тока и напряжения с цифровым интерфейсом по МЭК 61850-9-2, что требует сохранения, как минимум, цепей переменного тока и напряжения. Более того, широкое внедрение этих протоколов на уровне среднего напряжения в ближайшее время не предвидится в связи с относительно высокой стоимостью этого решения по сравнению с существующими. Этим будут обусловлены некоторые особенности инжиниринга систем автоматизации цифровых подстанций, по крайней мере на среднесрочную перспективу, а, возможно, и на более длительный срок.

Основные отличия в процессе проектирования и наладки систем автоматизации

Существующая ситуация

Рассмотрим какие задачи решаются на разных стадиях реализации проекта – от разработки проектной документации до монтажа и наладки на объекте. На этапе проектирования основными задачами, которые решались, были следующие:

1. Расчёт уставок релейной защиты и систем автоматики;
2. Разработка схем вторичных соединений, которые представляют собой чертежи с нанесенными на них схемами подключений вторичных соединений, клеммников, назначенных сигналов и т.п.

Результатом работы на данном этапе являются чертежи, таблицы и пояснительная записка.

На этапе наладки мы можем выделить следующие основные работы:

1. Прокладка вторичных кабелей, которая вместе с процедурой проверки может занимать значительную часть времени;
2. Задание уставок в устройства. Для современных терминалов, как правило, эти операции выполняются путем загрузки конфигурации с ПК;
3. Испытания устройств, которые, как правило, ведутся путём прогрузки цепей вторичным током.

Система с МЭК 61850

С добавлением к системе коммуникаций по протоколам стандарта МЭК 61850 ситуация несколько изменяется. Рассмотрим стадии, которые необходимо пройти здесь:

1. Расчёт уставок релейной защиты и систем автоматики, который ведётся аналогично предыдущему случаю;
2. Разработка схем вторичных соединений, которые также как и в случае обычных систем представляются в бумажном виде;
3. Конфигурирование информационного обмена по протоколам стандарта – специфическая часть, относящаяся именно к МЭК 61850.

Результатом работы на данном этапе является набор проектной документации как в предыдущем случае, дополненный набором файлов конфигурации и описания подстанции в соответствии с требованиями МЭК 61850.

Этап наладки будет отличаться тем, что с одной стороны существенно уменьшится объем работ по прокладке кабелей, поскольку вместо большого количества медных кабелей будут протягиваться цифровые линии связи. Вместе с уставками на данном этапе должна быть осуществлена загрузка файлов конфигураций МЭК 61850 в устройства.

Важной особенностью этого пункта является то, что внедрение цифровых протоколов существенно изменяет процедуру наладки. Если ранее основная работа здесь заключалась в прокладке кабелей и их стыковке, то сейчас часть этой работы выполняется ещё на этапе проектирования при конфигурировании системы по МЭК 61850. При этом в случае выявления каких-то ошибок на этапе наладки, у персонала наладочной организации должна быть достаточная компетенция для внесения изменений в файлы конфигурации МЭК 61850. В связи с этим фактически работа проектировщика и наладчика совмещаются.

Отправной точкой работы, согласно стандарту, является создание файла спецификации – файл SSD. Файл спецификации – это электронная форма тендерной документации, включающая в себя описание однолинейной схемы, требования к выполняемым функциям (в том числе функциям релейной защиты, учёта и управления) и их распределение по устройствам.

На основе файла спецификации SSD могут быть выбраны устройства и получены их ICD файлы, которые представляют собой файлы описания возможностей устройства. В идеале файл ICD должен содержать все возможные в устройстве логические узлы, которые доступны для использования, то есть описывать все доступные точки данных, между которыми может быть организован информационный обмен. К сожалению, в реальности некоторые производители отступают от этого правила, не перечисляя, например, общие логические узлы, которые могут использоваться в функциях свободно-программируемой логики. Из-за этого последовательность конфигурирования по схеме «сверху-вниз» (bottom-up) может нарушаться.

На следующем шаге в едином программном комплексе производится конфигурирования всей системы в целом. За основу берётся файл спецификации подстанции и файлы описания возможностей устройств. Далее создаются логические связи между всеми устройствами и задаются параметры коммуникаций.

В результате этой процедуры получается файл SCD, описывающий всю конфигурацию подстанции и каждого отдельного устройства. Согласно первой редакции стандарта МЭК 61850, далее должен производиться импорт сформированного файла SCD в конфигурационное ПО, поставляемое с каждым из используемых в проекте устройств. Из общего файла SCD данное ПО должно выделять необходимую часть, относящуюся к рассматриваемому устройству. Таким образом, ПО формирует описание сконфигурированного устройства – файл CID.  Именно этот файл загружается в устройство.

Формально процедура проектирования заканчивается на этом этапе и далее выполняется наладка – то есть загрузка файлов SCD в каждое устройство по отдельности, задавая, таким образом, конфигурацию каждому из устройств.

Если в ходе наладки были выявлены какие-либо ошибки в конфигурации, требуется производить изменение файла SCD. Далее процедура обновления конфигурации должна быть проделана в отношении всех устройств заново. Этот шаг является крайне важным, поскольку при каждом обновлении конфигурации один из её параметров – Configuration Revision увеличивается на «1». Устройства с различным значением параметра Configuration Revision обмениваться данными не смогут, поэтому система может оказаться неработоспособна.

Такая сложная процедура, с одной стороны, призвана исключить возможные ошибки при наладке, с другой – является достаточно трудоёмкой, и предполагает вовлечение в процесс как наладчиков, так и проектировщиков. Для того, чтобы избежать необходимости лишних итераций на этапе наладки, ещё на этапе проектирования  должно быть осуществлено моделирование работы системы и всех её функций.

Таким образом, на этапе проектирования должен добавиться ещё один пункт – «Моделирование». И совершенно очевидно, что эта возможность должна быть встроена в программное обеспечение для конфигурирования подстанции.

Содержание реализованного проекта цифровой подстанции с точки зрения сопроводительной проектной документации

Как уже отмечалось, проектная документация на современную подстанцию, на которой планируется широкое использование протоколов стандарта МЭК 61850, будет состоять из двух частей: проектной документации в классическом представлении и файлов конфигурации в формате файлов SCL.

Проектная документация (бумажная версия) будет включать в себя:

• Проект строительной части;
• Электрические схемы первичного оборудования;
• Электрические схемы вторичных цепей;
• Кабельные журналы;
• Уставки РЗиА и другие разделы.

Файлы конфигурации протоколов передачи данных по МЭК 61850 должны включать в себя только файл описания подстанции – SCD;

Структура файлов конфигурации

Для написания файлов конфигурирования МЭК 61850 используется язык SCL, который базируется на языке разметки XML с использованием определенной семантики (так называемой «схемы»). Каждый файл формата ICD, SCD, CID и др. должны быть написаны по определенным правилам, определяемым «схемой» и в таком случае могут быть читаемы специализированным программным обеспечением  и самими устройствами РЗА. По замыслу разработчиков стандарта МЭК 61850 использование XML в качестве «языка программирования» устройств должно было сделать эти файлы читаемыми как для машины, так и для человека. На практике для небольшого проекта подстанции с 20-ю присоединениями – файл SCD представляет собой текстовый документ объемом более 1500 листов. Чтение и редактирование которого крайне затруднены.

По итогам реализации проекта заказчик получает наряду с проектной документацией, описывающей традиционную схему, описание подстанции в соответствии с МЭК 61850, которое сложно для восприятия человеком и не позволяет выявить источник возможной некорректной работы системы. Известны случаи, когда из-за некорректной работы системы происходили погашения крупных узловых объектов, а расследование этих ситуаций было крайне затруднено. В связи с этим можем сформулировать условия, соблюдение которых необходимо для успешной реализации проектов с использованием протоколов стандарта МЭК 61850:

• Строгое соответствие используемых устройств стандарту МЭК 61850;
• Подготовка проектной документации одновременно на систему РЗА на старых принципах и на обмен данными по протоколам стандарта МЭК 61850;
• Полное документирование всех коммуникаций по МЭК 61850 в графическом виде с указанием на чертеже идентификаторов логических узлов, наборов данных, GOOSE-сообщений и т.п.;
• Обеспечение моделирования работы системы в режиме «offline» до этапа наладки непосредственно в ПО для конфигурирования системы;
• Обеспечение всех описанных стандартом МЭК 61850 процедур работы с файлами конфигураций для исключения несоответствия текущих конфигураций в различных устройствах.

Программные инструменты для системного инжиниринга

Как показано выше, при конфигурировании системы в соответствии с требованиями стандарта МЭК 61850 требуется широкое использование специализированных программных инструментов. На сегодняшний день на рынке представлены различные инструменты для инжиниринга систем по протоколам МЭК 61850 от независимых разработчиков. Ключевых разработчиков такого ПО на сегодняшний день насчитывается три: это швейцарская компания Helinks с инструментом Helinks STS, индийская Kalkitech c инструментом Kalkitech SCL Manager и испанская Pullnet с инструментом Atlan Designer. Помимо указанных также существуют инструменты системного инжиниринга от концерна Siemens (DIGSI) и Alstom (S1 Studio), SEL (Architect), однако эти продукты позволяют реализовывать систему только на базе продуктов указанных компаний и не позволяют редактировать конфигурации устройств других производителей.

Критериями для сравнения выбраны в соответствии с поставленными ранее задачами:

1. Возможность изображения однолинейной схемы и создания файлов спецификации (SSD);
2. Конфигурирование по МЭК 61850 (создание файлов SCD);
3. Генерация проектной документации с визуальным описанием коммуникаций по МЭК 61850;
4. Интеграция традиционных каналов передачи данных (дискретные сигналы по сети оперативного постоянного тока, измерения по цепям переменного тока и напряжения);
5. Моделирование логических функций и работы системы.

Таблица 1. Сравнение возможностей программный продуктов.

В таблице 1 приведено сравнение функциональных возможностей различных программных комплексов. Каждый из указанных комплексов предоставляет возможность создания однолинейной схемы и файла спецификации SSD. Каждая система позволяет также производить системный инжиниринг в  соответствии с требованиям МЭК 61850 с получением на выходе файла описания подстанции SCD.

Различия инструментов заключаются в способности интегрировать воедино систему, описанную файлами МЭК 61850 и традиционную систему с использованием медных кабельных связей. Единственным программным продуктом, который способен выполнять это является Atlan Designer, который позволяет одновременно работать как с традиционными схемами подключений вторичных соединений, так и с файлами конфигурации устройств подстанций с поддержкой МЭК 61850. Инструмент способен отличать медные связи (которые представлены только в виде документальной информации) от логических связей и связанных с ними параметров конфигурации, которые должны содержаться в файлах конфигурации. Благодаря этому, Atlan позволяет  работать в единой среде с общим хранилищем информации, из которого создаются все необходимые документы и файлы конфигурации.

Каждый из инструментов позволяет создавать проектную документацию в части функций и связей по протоколам стандарта МЭК 61850 с визуальным документированием этой информации, поскольку Atlan Designer поддерживает также интеграцию традиционной части системы, описание этой части также будет включено в документацию.

Способность моделирования описанных функций внесена в программные пакеты Helinks STS и Atlan Designer.

Как видно из приведённого сравнения, лидером по функционалу является пакет Atlan Designer, обратной стороной этой функциональности является сложность освоения продукта в работе, поскольку для реализации проекта требуется первоначальная подготовка базы данных всех используемых в проекте устройств с детальным описанием их входов, выходов и поддерживаемых функций.

Выводы

• Выполнение проектов и наладка систем автоматизации ЦПС должна производиться в соответствии с требованиями используемых новых стандартов;
• Целесообразно подробное визуальное документирование всего информационного обмена по протоколам МЭК 61850 в рамках проектной документации;
• Специализированное ПО от независимых разработчиков уже достаточно подготовлено для решения этих задач;
• Требуется серьезное повышение квалификации персонала различных уровней для перехода на широкое использование цифровых каналов передачи данных.