Эксплуатация цифровых комплексов РЗА

В течение последних трех лет в СМИ освещаются цифровые технологии как ключевой элемент развития экономики страны, а среди профессионалов электроэнергетической отрасли активно обсуждаются вопросы внедрения цифровых подстанций (ЦПС) с применением технологии шины процесса по стандарту IEC 61850. Но если сделать всего один шаг назад и посмотреть на реальное состояние дел в вопросе реализации цифровых сигналов между устройствами релейной защиты и автоматики (РЗА) посредством сервиса GOOSE‑коммуникации стандарта IEC 61850, то картина предстанет далеко не такой оптимистичной.

Siemens часто сталкивается с нежеланием применения GOOSE‑коммуникации со стороны проектирования и эксплуатации.

Несмотря на уже более чем десятилетний опыт внедрения технологии GOOSE‑коммуникации на вновь строящихся и реконструируемых объектах передачи и распределения электроэнергии, компания Siemens каждый раз сталкивается с нежеланием применения этой технологии со стороны организаций и специалистов, занятых вопросами проектирования и эксплуатации. В результате реализовано всего несколько объектов класса напряжения 220 кВ и выше с масштабным (полноценным) применением GOOSE‑коммуникации и несколько десятков объектов с элементами этой технологии для некритичных применений. Отдельно стоит отметить, что даже современные, вновь сооружаемые объекты передачи и распределения электроэнергии класса напряжения 220 кВ и выше реализуются другими производителями в рамках традиционного подхода с использованием только кабельных связей между устройствами РЗА. Например, на нескольких новых проектах применяется проектное решение с центральным устройством РАС со сбором сигналов срабатываний устройств РЗА проводными кабельными связями. Такое решение противопоставляется современным тенденциям применения цифровых технологий, которые активно освещаются в СМИ и регулярно обсуждаются в электроэнергетической отрасли.

Принимая во внимание трудность согласования применения GOOSE-коммуникации на современных объектах электроэнергетики, нельзя не отметить следующие неоспоримые преимущества этой технологии:

• общий положительный экономический эффект в плане соотнесения затрат на проектные работы (их увеличение) и сокращении затрат на кабельную продукцию, монтажные и наладочные работы;
• сокращение издержек, связанных с производством шкафов РЗА: уменьшение количества оборудования вторичной коммутации и упрощенная конструкция шкафа (при этом общий объем вырученных средств может превышать расходы на приобретение дополнительного сетевого оборудования);
• повышение удобства обслуживания;
• постоянный контроль исправности цифровой связи.

Несмотря на эти очевидные преимущества, GOOSE‑коммуникация по-прежнему остается не до конца понятной специалистам, осуществляющим техническое и оперативное обслуживание комплексов РЗА. Вследствие этого справедливым со стороны эксплуатирующих организаций является вопрос о способах и методах технического и оперативного облуживания цифровых комплексов РЗА как уже внедряемых объектов, так и будущих ЦПС.

Цифровая подстанция. Взгляд компании SIEMENS

В предыдущей статье мы неоднократно обращали внимание на необходимость поддержки и обработки атрибутов качества сигналов устройствами РЗА, применяющими технологию GOOSE-коммуникации стандарта IEC 61850. Настоящая статья описывает назначение и принципы обработки атрибутов качества цифровых сигналов в устройствах SIPROTEC 5. Также в статье приведены методы и решения по техническому и оперативному обслуживанию шкафов серии ШЗС5, предназначенных для создания современных цифровых комплексов РЗА с масштабным применением GOOSE‑коммуникации.

* * *

Существенным аспектом технического и оперативного обслуживания шкафа ШЗС5 являются корректная настройка параметров обработки входных и выходных цифровых сигналов GOOSE-коммуникации и соответствующий этой настройке порядок вывода шкафа ШЗС5 из работы для автономного тестирования (проверки), а также для проверки исправности входных и выходных цифровых сигналов. Порядок ввода шкафа ШЗС5 в работу также зависит от указанной настройки.

В связи с этим устройство SIPROTEC 5 как основной компонент шкафа ШЗС5 в соответствии с IEC 61850‑7‑3 поддерживает обработку следующих атрибутов качества входных и выходных цифровых сигналов, передаваемых сервисом GOOSE-коммуникации, а также любого внутреннего сигнала устройства в процессе его исполнения, и имеет модель поведения, описанную в IEC 61850‑7‑4, — см. таблицу 1.

Таблица 1. Атрибуты качества входных и выходных цифровых сигналов

Приведенные в таблице 1 атрибуты качества имеют следующие назначения:

• V — указывает на исправность коммуникации (опция TAL = time allowed to live) и на исправность источника (отправителя) цифрового сигнала. При нарушении цифровой связи или при обнаружении программно-аппаратной неисправности источника сигнала данный атрибут качества устанавливается в значение Invalid (Недействительно).
• T — указывает на то, что источник (отправитель) цифрового сигнала находится в режиме тестирования. При переводе источника (отправителя) цифрового сигнала в режим тестирования данный атрибут качества устанавливается в значение True (Да).
• О — указывает на то, что источник (отправитель) цифрового сигнала находится в режиме логического (функционального) вывода из цифровой системы связи. Такой режим предполагает, что источник (отправитель) цифрового сигнала может быть в любое время полностью отключен по питанию или физически отсоединен от системы связи. Для этого режима источника, задаваемого оператором, для приемника цифрового сигнала заранее задается правильная реакция без излишней индикации неисправности принимаемого сигнала. При переводе источника (отправителя) цифрового сигнала в режим логического (функционального) вывода данный атрибут качества приобретает значение True (Да).

На рис. 1 в общем виде представлены основные потоки информации внутри устройства SIPROTEC 5 и принципы обработки значений атрибутов качества и состояний цифровых сигналов. Более подробно эти принципы описаны далее.

Режимы работы устройства SIPROTEC 5

Режимы работы устройства SIPROTEC 5, которые влияют на значения атрибутов качества генерируемых устройством сигналов:

• нормальный режим;
• режим тестирования всего устройства или его отдельных стандартных функций, CFC-схем;
• режим логического (функционального) вывода всего устройства;
• режим отключенного состояния стандартной функции устройства.

В нормальном режиме работы все стандартные функции устройства SIPROTEC 5 и пользовательские алгоритмы CFC‑логики работают в штатном режиме. Атрибуты качества T и О генерируемых устройством сигналов всегда имеют значение False (Нет). Атрибут качества V может изменять свое значение в зависимости от текущей исправности компонентов аппаратной и программной частей устройства избирательно для затронутых генерируемых сигналов. Сигналы, генерируемые поврежденными стандартными функциями устройства, приобретают значение атрибута качества V Invalid (Недействительно) для передачи сервисом GOOSE‑коммуникации стандарта IEC 61850 и значение Good (Достоверно) для использования в CFC-логике устройства.

В режиме тестирования все сигналы, генерируемые стандартными функциями устройства и пользовательскими алгоритмами CFC‑логики, приобретают значение атрибута качества Т True (Да). Перевод устройства SIPROTEC 5 в режим тестирования должен производить специалист, осуществляющий техническое обслуживание шкафа ШЗС5. Переключение устройства SIPROTEC 5 в режим тестирования и обратно осуществляется с помощью программы DIGSI 5. Несмотря на то, что устройство SIPROTEC 5 позволяет переключать в режим тестирования стандартные функции устройства и пользовательские алгоритмы CFC‑логики по отдельности, рекомендуется переводить в режим тестирования все устройство целиком, со всеми стандартными функциями и пользовательскими алгоритмами.

В режиме логического (функционального) вывода всего устройства все сигналы, генерируемые стандартными функциями устройства и пользовательскими алгоритмами CFC‑логики, приобретают значение атрибута качества O True (Да). Перевод устройства SIPROTEC 5 в режим логического (функционального) вывода должен производить специалист, осуществляющий оперативное обслуживание шкафа ШЗС5. Переключение устройства SIPROTEC 5 в режим логического (функционального) вывода и обратно осуществляется с использованием виртуального переключателя.

В режиме отключенного состояния стандартной функции устройства сигналы, генерируемые этой функцией и имеющие значение для системы в целом, приобретают значение атрибута качества V Invalid (Недействительно) для передачи сервисом GOOSE-коммуникации стандарта IEC 61850 и значение Good (Достоверно) для использования в CFC‑логике устройства. В случае временного автоматического блокирования стандартной функции по режиму или ее оперативного блокирования по условиям режима выходные сигналы этой функции сохраняют значение атрибута качества V Good (Достоверно) для передачи сервисом GOOSE-коммуникации.

Отдельно стоит отметить, что устройство SIPROTEC 5 обладает широким спектром функций самодиагностики аппаратного и программного обеспечения. Реакция устройства на неисправности носит избирательный характер благодаря модульному аппаратному и программному обеспечению и возможности аппаратного резервирования функций РЗА по цепям переменного тока и напряжения. При выявлении неисправности только поврежденные стандартные функции устройства и их выходные сигналы изменяют значение атрибута качества V, в то время как другие, неповрежденные, функции продолжают генерировать выходные сигналы со значением атрибута качества V Good (Достоверно).

Помимо описанных режимов работы устройства SIPROTEC 5 и функций самодиагностики, непосредственно влияющих на значения атрибутов качества генерируемых устройством сигналов, пользователь имеет возможность настраивать параметры обработки атрибутов качества и состояний сигналов в следующих контрольных точках устройства (см. рис. 1):

• принимаемый входной цифровой сигнал;
• CFC-логика;
• стандартная функция устройства.

Далее приведены технические решения по настройке параметров обработки атрибутов качества и состояний цифровых сигналов, передаваемых сервисом GOOSE-коммуникации.

Обработка входных цифровых сигналов

Входной цифровой сигнал, передаваемый сервисом GOOSE‑коммуникации, поступает на вход устройства SIPROTEC 5 с атрибутами качества V, T, O. Значения этих атрибутов качества зависят от состояния источника сигнала и исправности коммуникации между источником и приемником. SIPROTEC 5 при приеме входного цифрового сигнала анализирует значения атрибутов качества V, T, O и различает следующие отклонения от нормального рабочего состояния — см. таблицу 2.

Таблица 2. Отклонения значений атрибутов качества от нормального рабочего состояния

Пользователь имеет возможность задать параметры обработки атрибутов качества и состояний принимаемого цифрового сигнала для всех приведенных выше отклонений по следующему принципу:

• для каждого отклонения в отдельности сохранять значение соответствующего атрибута качества сигнала для его последующей обработки;
• задать безопасное состояние сигнала, которое будет применяться взамен фактически принимаемого состояния при определении соответствующего отклонения (при этом атрибут качества примет значение, предусмотренное нормальным режимом эксплуатации);
• для каждого отклонения в отдельности задать подстановочное состояние сигнала в случае выявления этого конкретного отклонения (при этом атрибут качества примет значение, предусмотренное нормальным режимом эксплуатации).

В шкафах ШЗС5 реализован следующий принцип обработки атрибутов качества и состояний входных цифровых сигналов:

• при приеме сигнала со значением атрибута качества O True (Да) это значение автоматически изменяется (сбрасывается) на значение False (Нет), при этом состояние сигнала для дальнейшей обработки в устройстве устанавливается в безопасное состояние, определенное пользователем для каждого сигнала отдельно;
• все прочие атрибуты качества и состояния сигнала сохраняют свои значения для дальнейшей обработки в CFC‑логике устройства.

Обработка сигналов в CFC‑логике

Принимаемый устройством SIPROTEC 5 входной цифровой сигнал поступает в CFC-логику с атрибутами качества V и T. Атрибут качества O обработан ранее и более не имеет значения.

В шкафах ШЗС5 реализован следующий принцип обработки атрибута качества V и состояния сигнала в CFC-логике:

• входной цифровой сигнал раскладывается на состояние сигнала и значение качества;
• значение качества расшифровывается и далее проходит обработку, в результате которой формируются два сигнала индикации неисправности: <Ошибка связи> и <Недействительное значение>;
• состояние сигнала с контролем его достоверности используется для дальнейшего применения в CFC‑логике или в стандартных функциях устройства без атрибутов качества, при этом выполняется такая обработка состояния сигнала, при которой сигнал принимает безопасное состояние в случае его недостоверности.

Сигналы индикации <Ошибка связи> и <Недействительное значение> объединяются по схеме «Или» для всех входных цифровых сигналов, выводятся на один светодиод устройства SIPROTEC 5 и его дисплей следующим образом:

• при наличии сигнала индикации <Недействительное значение> светодиод моргает, при наличии сигнала индикации <Ошибка связи> светодиод горит постоянно;
• сигналы индикации <Ошибка связи> и <Недействительное значение> для каждого обрабатываемого сигнала в отдельности выводятся на отдельную страницу дисплея устройства.

Согласно настройкам, описанным выше, обработка атрибута качества T в CFC‑логике осуществляется следующим образом:

• если принимающее устройство находится в нормальном режиме работы, входные цифровые сигналы со значением атрибута качества T True (Да) игнорируются, для обработки используется последнее действительное (нетестовое) состояние сигнала, таким образом, CFC‑схема представляет собой входной фильтр устройства для тестовых сигналов;
• если принимающее устройство находится в режиме тестирования, входные цифровые сигналы со значением атрибута качества T True (Да) обрабатываются с фактическим (тестовым) состоянием сигнала, и далее это состояние сигнала используется для стандартных функций и алгоритмов CFC-логики устройства, также работающих в режиме тестирования.

Обработка сигналов стандартными функциями устройства SIPROTEC 5

Согласно настройкам параметров обработки атрибутов качества входных цифровых сигналов, описанным выше, на дискретный вход стандартной функции устройства SIPROTEC 5 всегда поступает уже обработанный в CFC‑логике сигнал с заранее определенными атрибутами качества. Обработка атрибутов качества сигналов стандартными функциями устройства не требуется.

Обработка выходных цифровых сигналов

Устройство SIPROTEC 5 является также источником цифровых сигналов для сервиса GOOSE-коммуникации. В связи с этим все выдаваемые цифровые сигналы должны быть обеспечены соответствующими значениями атрибутов качества. Следующие элементы внутренней архитектуры SIPROTEC 5 могут быть источниками выходных цифровых сигналов для GOOSE‑коммуникации:

• стандартные функции устройства;
• CFC-логика.

Выходные цифровые сигналы стандартной функции устройства имеют автоматически присваиваемые значения атрибутов качества V, T и O в зависимости от режима работы устройства, его исправности и состояния самой функции. Данный вопрос был подробно рассмотрен выше. Выходные цифровые сигналы стандартной функции устройства не требуют дополнительной обработки и могут назначаться на коммуникационный интерфейс напрямую.

Как правило, атрибут качества V выходных сигналов обработки алгоритмов CFC-логики определяется исправностью общего программно‑аппаратного состояния устройства (базовый модуль) и всех его компонентов (модули расширения, коммуникационные модули и т. д.). Для сохранения избирательного и селективного характера обработки параметра V выходных сигналов CFC‑логики в зависимости от исправности программного и аппаратного обеспечения только релевантных компонентов устройства РЗА необходимо выполнить дополнительную обработку данных сигналов в CFC‑логике устройства. Для этих целей значение атрибута качества V выходного сигнала CFC‑логики должно определяться качеством входных сигналов, используемых в алгоритме CFC. Если среди входных сигналов CFC‑логики есть сигналы стандартных функций устройства SIPROTEC 5, то качество выходного сигнала CFC‑логики определяется исправностью данных стандартных функций.

Атрибуты качества T и O выходных сигналов CFC-логики приобретают свое значение автоматически согласно режиму работы устройства РЗА.

В соответствии с изложенным выше, все выходные цифровые сигналы устройства SIPROTEC 5 имеют актуальные значения атрибутов качества V, T и О.

Обслуживание шкафа без внешних связей

Для планового и внепланового технического обслуживания требуется вывод шкафа ШЗС5 из работы. Для целей его автономного тестирования и проверок без воздействия на силовое первичное оборудование и другие находящиеся в работе устройства РЗА рекомендуется следующий порядок вывода шкафа из работы:

1. Вывод отключающих цепей шкафа с помощью оперативных переключателей.
2. Перевод устройства SIPROTEC 5 в режим логического (функционального) вывода из работы с помощью его виртуального переключателя.
3. Отключение цепей переменного тока и напряжения с помощью испытательных блоков.
4. Отсоединение коммуникационных интерфейсов устройства SIPROTEC 5.
5. Отключение всех выходных цепей шкафа на рядах зажимов с помощью специальных мостиков, встроенных в клеммы.

Далее возможно выполнить любые работы по техническому облуживанию шкафа и устройства SIPROTEC 5, в том числе обновление встроенного программного обеспечения, аппаратную модернизацию, изменение конфигурации, изменение параметров и уставок и т. д.

Для ввода шкафа в работу рекомендуется следующий порядок:

1. Подключение всех выходных цепей шкафа на рядах зажимов с помощью специальных мостиков, встроенных в клеммы.
2. Подключение коммуникационных интерфейсов устройства SIPROTEC 5.
3. Подключение цепей переменного тока и напряжения с помощью испытательных блоков.
4. Проверка правильных состояний функций устройства SIPROTEC 5, соответствующих режиму работы первичного силового оборудования, а также проверка отсутствия неисправностей в цепях переменного тока и напряжения.
5. Перевод устройства SIPROTEC 5 в нормальный рабочий режим с помощью его виртуального переключателя.
6. Ввод отключающих цепей шкафа с помощью оперативных переключателей.

Проверка внешних связей шкафа

Для проверки исправности внешних подключений шкафа ШЗС5 (проводных и цифровых связей) с первичным силовым оборудованием, прочими устройствами РЗА и системой АСУ ТП, рекомендуется следующая последовательность действий до ввода шкафа в работу.

1. Проверка внешних проводных (медных) связей. Для проверки внешних проводных соединений с прочими устройствами РЗА и первичным силовым оборудованием необходимо поочередно подключить каждую внешнюю цепь и опробовать ее с одновременной проверкой правильной реакции на стороне принимающего устройства/оборудования. Для этих целей принимающее устройство/оборудование должно быть выведено из работы на время опробования.
2. Проверка внешних цифровых связей. Для проверки внешних цифровых соединений с прочими устройствами РЗА и системой АСУ ТП объекта необходимо:
   1. перевести устройство SIPROTEC 5 в режим логического (функционального) вывода;
   2. подключить соответствующий коммуникационный интерфейс устройства SIPROTEC 5;
   3. перевести устройство SIPROTEC 5 в режим тестирования;
   4. вывести устройство SIPROTEC 5 из режима логического (функционального) вывода.

При этом все передаваемые устройством SIPROTEC 5 сигналы маркируются соответствующим значением атрибута качества Т. Прочие устройства РЗА, находящиеся в работе, игнорируют такие сигналы и продолжают работать с их безопасными значениями, заданными при настройке.

Для возможности опробования цифровой связи и проверки реакции принимающего устройства РЗА на тестовое воздействие это устройство РЗА также должно быть переведено в режим тестирования только на время опробования цифровой связи. Система АСУ ТП объекта должна поддерживать прием отчетов, в состав которых входят тестовые сигналы (поддерживать соответствующие биты качества согласно части 7‑3 стандарта IEC 61850) и их последующую хронологическую обработку.

После завершения проверок всех внешних цифровых сигналов для последующего ввода шкафа в работу необходимо:

1. Перевести SIPROTEC 5 в режим логического (функционального) вывода.
2. Вывести SIPROTEC 5 из режима тестирования.
3. Отключить соответствующий коммуникационный интерфейс SIPROTEC.

Устройство SIPROTEC 5 имеет специальный задаваемый параметр для режима тестирования — режим работы выходных реле. Если принимающее устройство находится в режиме тестирования, то оно обрабатывает принимаемые тестовые сигналы так же, как в рамках рабочего процесса, но воздействие на выходные реле в этом режиме может быть выведено. Такой режим полезен, когда нужно оценить прием и правильную обработку цифрового сигнала внутри принимающего устройства и не допустить при этом воздействия на его внешние проводные связи с другими устройствами РЗА и на силовое первичное оборудование, находящиеся в работе.

* * *

Учитывая описанные в статье технические решения, стоит отметить, что цифровые сигналы РЗА на основе сервиса GOOSE‑коммуникации имеют неоспоримые преимущества перед традиционным решением на основе проводных (медных) связей и дают новые возможности для технического и оперативного обслуживания. По своей сути каждый цифровой сигнал, заменяющий собой проводную связь, обеспечен возможностями оперативного ввода/вывода и специальной маркировки при опробовании. Эти новые возможности повышают надежность технического облуживания и помогают исключить ошибки обслуживающего персонала при опробовании сложных комплексов РЗА с множественными связями между отдельными устройствами.