Особенности совместного использования защит на основе IEC 61850-9-2 и защит с аналоговыми цепями

Введение

В настоящее время в электроэнергетике происходит активное внедрение технологии «Цифровая подстанция», ключевым моментом которой является применение шины процесса в соответствии со стандартом IEC 61850-9-2 [1] и проектами стандартов IEC 61869-9, IEC 61869-13. Ограничение стандарта IEC 61850-9-2 до практического применения на реальных объектах отражено в [2] (IEC 61850-9-2LE).

Внедрение новой техники в релейную защиту подстанции обычно происходит поэтапно.

При плановой модернизации существующих объектов это может быть уровень одного или нескольких присоединений, уровень системы одного напряжения. При проектировании новых подстанций технология использования указанных стандартов может быть реализована полностью [3].

Имеются некоторые особенности применения на подстанции оборудования с одновременным использованием шины процесса и традиционных аналоговых сигналов от измерительных трансформаторов тока (ТТ) и трансформаторов напряжения (ТН).

Основная часть

Необходимость синхронности получения цифровых отсчетов (ЦО) сигналов — Sampled Values (SV) — и синхронности обработки информации в устройствах релейной защиты (УРЗ)

Получение цифровой информации о токах и напряжениях различных присоединений цифровой подстанции осуществляется с помощью электронных ТТ и ТН со встроенными преобразователями аналоговых сигналов (ПАС) в цифровой вид — Merging Unit (MU) — в соответствии с проектом стандарта IEC 61869-9 или с использованием традиционных ТТ, ТН и автономных преобразователей аналоговых сигналов (АПАС) — Stand-alone Merging Unit (SAMU) — по проекту стандарта IEC 61869-13 (рис. 1). Получение ЦО сигналов токов и напряжений в ПАС или АПАС производится с помощью аналого—цифровых преобразователей (АЦП). Одновременность фиксации (взятия) ЦО для всех используемых электрических величин в пределах подстанции исключает неопределенные фазовые сдвиги обрабатываемых сигналов и обеспечивается единым источником синхронизации (источник точного времени). Синхронизация может осуществляться по отдельной оптической или электрической сети (сигналы 1PPS, IRIG-B) или через шину процесса по стандарту IEC 61588v2 (PTP).

Каждый набор цифровых отсчетов сигналов, полученный в один момент времени, снабжается соответствующим номером, изменяющимся в пределах 0…3 999 для частоты взятия отсчетов 4 000 Гц (или в пределах 0…4 799 для частоты взятия отсчетов 4 800 Гц) и упаковывается в Ethernet-кадр, широковещательно отправляемый в сеть «Шина процесса». Периодичность повторения номеров отсчетов — 1 с.

Устройства релейной защиты в пределах подстанции используют аналоговые сигналы в цифровом виде, полученные только по шине процесса IEC 61850-9-2

Подписчиками (приемниками) на конкретные потоки информации в сети «Шина процесса» являются интеллектуальные устройства (ИУ) — Intelligent Electronic Devices (IED), — выполняющие функции релейной защиты, противоаварийной автоматики и измерений. Каждое ИУ должно «собрать» ЦО с одинаковыми номерами для всех используемых в устройстве сигналов и только после этого использовать цифровые данные конкретных цифровых отсчетов для реализации необходимых функций.

Разная задержка выдачи кадров с цифровыми данными, отправляемых различными источниками сигналов (издателями) в сеть «Шина процесса», по отношению к синхронизированному моменту взятия цифровых отсчетов и разные транспортные задержки приводят к необходимости ожидания приема всех используемых в ИУ наборов ЦО с одинаковыми номерами. По истечении допустимого времени ожидания цифровых данных с определенным номером приемником принимается решение о восстановлении потерянных отсчетов или о формировании ошибки данных в шине процесса. Решение принимается в зависимости от конкретной ситуации в соответствии с принятой в ИУ стратегией приема и обработки сигналов.

Возникающие задержки при преобразованиях сигналов и транспортировке данных показаны на рис. 2.

Для издателей. Предельно допустимая величина задержки (Т₁ на рис. 2), отсчитанной от момента фиксации значения аналогового сигнала на входе преобразователя до выдачи Ethernet-кадра с соответствующим ЦО, регламентирована проектом стандарта IEC 61869-9 и применительно к сигналам, используемым в УРЗ, составляет 2 мс. Степень неравномерности выдачи Ethernet-кадров стандартом не определена.

Для подписчиков. Транспортная составляющая задержки Ethernet-кадров (Т₂ на рис. 2) от разных издателей при приеме их в определенном узле сети также не определена и сильно зависит от архитектуры сети и её загрузки.

Для нормальной работы вычислителя в ИУ, обработку значений принятых сигналов желательно производить равномерно, через фиксированные интервалы времени. Неравномерность поступления цифровых отсчетов на вход ИУ компенсируется с помощью «эластичного» буфера, на выходе которого информация выдается с периодом, косвенно синхронизированным с единым источником точного времени на подстанции. Глубина буфера автоматически регулируется в соответствии с принятым предельным временем ожидания ЦО с одинаковыми номерами.

В приведенном примере Т₃ — интервал времени между моментом фиксации ЦО в преобразователе сигналов и моментом его использования в ИУ.

Для ИУ, установленных на одной подстанции и использующих цифровую информацию от нескольких источников, синхронность обработки сигналов гарантируется нумерацией цифровых отсчетов при их фиксации на входе преобразователей сигналов в момент взятия ЦО. Это важно для защит шин, ошиновок, трансформаторов. Для дистанционных и токовых защит вся необходимая цифровая информация может быть получена от одного источника и будет находиться в одном Ethernet-кадре.

Дополнительные фазовые сдвиги сигналов промышленной частоты, полученные от разных источников (издателей), определяются:

• точностью синхронизирующих сигналов, поступающих в источники сигналов от системы единого времени (по стандартам отклонение нормируется в диапазоне ±2 мкс);
• интервалом времени между фронтом синхронизирующего импульса 1PPS и моментом «взятия» цифрового отсчета, которому присваивается номер «0» (интервал T₀ на рис. 2).

В соответствии со стандартами, интервал времени T₀ должен компенсировать задержку сигналов на входе АЦП аналоговыми фильтрами нижних частот (ФНЧ), подавляющими составляющие с частотой выше половины частоты взятия отсчетов.

Для случая применения на входе АЦП фильтров Баттерворта второго порядка с частотой среза 2 000 Гц задержка в передаче единичного ступенчатого сигнала на уровне 0,5 равна 114 мкс, а фазовый сдвиг на частоте 50 Гц составляет 2° (рис. 3).

Рис. 3-а. Свойства ФНЧ второго порядка на входе АЦП: амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики	Рис. 3-б. Свойства ФНЧ второго порядка на входе АЦП: задержка единичного сигнала

Если в цепях предварительной обработки аналоговых сигналов использованы ФНЧ первого порядка, то задержка сигнала может составлять 200 мкс, а фазовый поворот 5°. Компенсирующая задержка Т₀ в этом случае должна быть другой величины. Фазовый сдвиг сигналов на выходе такого ФНЧ при номинальной частоте также отличается от фазового сдвига сигналов для ФНЧ второго порядка.​

В стандартах нет четких требований ни к задержкам Т₀, ни к фазовым сдвигам сигналов на промышленной частоте, неодинаковость которых для преобразователей от разных производителей является погрешностью измерения сигналов по углу в пределах подстанции. Поэтому предпочтительным является использование на одном объекте (подстанции) источников сигналов с одинаковыми аналоговыми цепями для предварительной обработки сигналов. Такое условие гарантируется при использовании всех преобразователей на подстанции от одного производителя.

При наличии в устройствах ПАС и АПАС регулировки фазовых поворотов сигналов в небольших пределах может быть осуществлена подстройка с использованием сертифицированного источника эталонных сигналов.

Требования к наличию синхронизации устройств ИУ от системы точного времени отсутствуют, и достаточным является использование для целей регистрации событий SNTP сервера для корректировки часов реального времени устройств с точностью ±1 мс.

УРЗ в пределах подстанции используют сигналы, полученные по шине процесса и непосредственно от измерительных ТТ и ТН, с преобразованием в цифровой вид в самом ИУ

Этот вариант относится, прежде всего, к защитам многообмоточных трансформаторов и к защитам шин и ошиновок, входные цепи которых могут быть комбинированными (рис. 4).

Для такого применения ИУ с комбинированными входами должно содержать устройство преобразования аналоговых сигналов, аналогичное использованному преобразователю в АПАС. Наличие в ИУ синхронизации начала преобразования от источника единого времени является обязательным требованием.

Ключевым моментом правильности совместного использования ЦО в комбинированном устройстве является нумерация цифровых отсчетов, полученных от АЦП в ИУ, по правилам, используемым при нумерации ЦО в АПАС. Задержка момента взятия ЦО с номером «0» по отношению к переднему фронту сигнала 1PPS (Т₀ на рис. 2) должна быть такой же, как и в преобразователях сигналов (ПАС или АПАС), и может подстраиваться по эталонным источникам сигналов.

УРЗ в пределах цифровой подстанции используют сигналы, полученные по шине процесса, но основные защиты линий связаны с обычными устройствами на подстанциях противоположных концов высоковольтной линии (ВЛ)

Даже при выполнении всей подстанции с использованием шины процесса алгоритмы выполнения некоторых типов защит требуют строго фиксированного промежутка времени между моментами взятия цифровых отсчетов в цифровых ТТ и ТН и моментами их обработки в УРЗ. Это требование касается, прежде всего, основных защит ВЛ, например дифференциально-фазных (ДФЗ) [4], так как полукомплекты защиты, установленные на вторых концах ВЛ, могут быть обычными, без использования шины процесса (рис. 5).

Сравнение фаз токов по концам ВЛ в ДФЗ производится непосредственно в ВЧ-канале связи, поэтому требуется согласование во времени положения ВЧ-пакетов, формируемых органами манипуляции (ОМ) обоих полукомплектов.

В электромеханических или микропроцессорных (МП) ДФЗ выходной сигнал устройства управления ВЧ-передатчиком (сигнал органа манипуляции) сдвинут по отношению к мгновенным значениям контролируемых токов. Величина сдвига определяется используемой в ОМ фильтрацией и способом формирования импульсов управления. Так, для электромеханической защиты ДФЗ-201 и МП ДФЗ задержка сигналов управления пуском ВЧ-передатчика T_ом составляет 3,3 мс — или 60° для сигнала манипуляции промышленной частоты.

Если для «обычных» ДФЗ интервал времени между взятием ЦО и моментом его обработки строго определен, то для аналогичного ЦО, принятого ИУ по шине процесса, существует неопределенность, связанная с конечным временем транспортировки данных через цифровые сети. Диапазон допустимых задержек передачи информации находится в пределах от десятков до нескольких тысяч микросекунд, что соответствует значительным неопределенным фазовым сдвигам вычисляемых векторных и мгновенных значений сигналов, полученных в соответствии с IEC 61850-9-2LE и традиционным путем.

Для устройства ДФЗ с использованием шины процесса предлагается ввести задержку обработки ЦО по отношению к моменту их фиксации на входе АЦП на фиксированное время, большее максимального времени транспортных задержек (Т_с на рис. 6). В этом случае формирование сигналов управления ВЧ-передатчиком по отношению к ДФЗ на «обычной» подстанции будет происходить с задержкой на время Т_с, соответствующей дополнительному углу сдвига сигнала манипуляции на выходе ОМ на величину φ=T_с⋅18000(°) в сторону отставания и независящее от времени транспортировки цифровой информации по сети. Например, для принятой задержки T_с=0,003 с — угол φ=54°.

Управление глубиной «эластичного» буфера, в котором происходит задержка ЦО на фиксированное время T_с, должно осуществляться автоматически путем синхронизации выдачи ЦО с необходимыми номерами от единого источника точного времени (1PPS, PTP), используемого на цифровой ПС для синхронизации устройств ПАС и АПАС.

Компенсация дополнительного фиксированного сдвига ВЧ-пакетов, переданных по ВЧ-каналу со стороны цифровой подстанции, может производиться путем задержки сигналов манипуляции ВЧ-передатчиком на время Т_с в полукомплекте «обычной» ДФЗ. Для МП ДФЗ указанная задержка может осуществляться с использованием кольцевого буфера фиксированной длины.

Синхронизация взятия цифровых отсчетов сигналов от источника точного времени в полукомплекте МП ДФЗ на «обычной» ПС не требуется.

При использовании в качестве основной защиты ВЛ дифференциальной защиты с цифровым каналом связи (ДЗЛ) [5] аналогичная задача решается тем же путем. Роль «ведущего» полукомплекта ДЗЛ выполняет ИУ, установленное на цифровой подстанции. На роль «ведомого» устройства назначается полукомплект на «обычной» подстанции.

«Ведущий» полукомплект ДЗЛ синхронизируется от источника точного времени цифровой подстанции, а «ведомый» — по моментам взятия ЦО с «ведущим» полукомплектом стандартным для ДЗЛ образом, через цифровой канал связи между подстанциями. Компенсация фиксированного сдвига номеров обрабатываемых ЦО в разных полукомплектах ДЗЛ может осуществляться на «обычной» подстанции цифровой задержкой оцифрованных сигналов на заданное время Т_с.

Экспериментальные исследования полукомплектов ДФЗ и ДЗЛ в режиме совмещения технологий цифровой и традиционной подстанций показывают стабильность их характеристик, полностью независимых от времени транспортировки цифровых данных через шину процесса.

Заключение

• Для уменьшения угловых погрешностей измерений сигналов в пределах цифровой подстанции рекомендуется применять источники сигналов одного производителя или производить подстройку источников сигналов по углу под один эталон.
• Комбинированное использование в устройствах релейной защиты сигналов, полученных в соответствии с IEC 61850-9-2LE и традиционным путем, требует обязательной синхронизации устройств ИУ от источника точного времени в пределах цифровой подстанции. Это же требование относится к ИУ, выполняющим функции ДФЗ или ДЗЛ.

Литература

[1] Communication networks and systems in substations — Part 9-2: Specific Communication Service Mapping (SCSM) — Sampled values over ISO/IEC 8802-3. International standard IEC 61850-9-2 Edition 2.0 2011-09.

[2] Implementation guideline for digital interface to instrument transformers using IEC 61850-9-2. UCA International Users Group. 2004.

[3] Communication networks and systems for power utility automation — Part 90-4: Network engineering guidelines. Technical report. Edition 1.0 2013-08.

[4] А. Н. Дони, Н. А. Дони, А. И. Левиуш. Особенности выполнения микропроцессорной ДФЗ ВЛ 110-750 кВ. Материалы SIGRE Relay Protection and Substation Automation of Modern ENV Power Systems. Moscow, Cheboksary, September 10-12, 2007.

[5] А. Н. Дони, Н. А. Дони. Особенности продольной дифференциальной защиты линии с цифровыми каналами связи между полукомплектами. Материалы SIGRE Actual Trends in Development of Power System Protection and Automation, 7-10 September 2009, Moscow.