Виртуализированная релейная защита с использованием R-GOOSE в сетях 5G: полевые испытания проекта Constellation компании UKPN

UK Power Networks управляет распределительными сетями на юго-востоке Англии, где наблюдается стремительный рост численности распределенных энергетических ресурсов (DER — Distributed Energy Resources): солнечных электростанций, систем накопления энергии и заводов по переработке отходов в энергию. Каждое новое подключение DER означает обновление уставок релейной защиты на множестве подстанций. Любое изменение модели реле влечет за собой квалификацию встроенного программного обеспечения, логистику запасных частей и переподготовку персонала. В масштабах всей сети традиционная модель — одно выделенное реле на присоединение, один производитель на реле — становится узким местом в координации.

Проект Constellation — это попытка UK Power Networks выйти за рамки этой модели. Проект финансируется в рамках Конкурса сетевых инноваций Ofgem (бюджет: 17,82 млн фунтов стерлингов, с мая 2021 г. по сентябрь 2026 г.); его идея заключается в замене реле защиты на уровне присоединений виртуализированным программным обеспечением защиты, работающим на подстанционных компьютерах. Защита присоединения, широкомасштабная защита (wide area protection), управление DER, адаптивные уставки — всё это функционирует как виртуальные машины на общем оборудовании, взаимодействуя внутри подстанции через шину процесса МЭК 61850, а между объектами — через сеть Vodafone 5G.

В январе 2025 года первая подстанция проекта Constellation была введена в эксплуатацию в Мейдстоне, графство Кент. Завод Allington Energy from Waste стал первым распределенным генератором, подключенным через новую систему. До завершения испытаний в сентябре 2026 года на юго-востоке Англии планируется запуск еще пяти интеллектуальных подстанций.

От централизованной к виртуализированной модели

Отправной точкой является централизованная защита и управление (CPC — Centralized Protection and Control). Система SSC600 от ABB объединяет защиту на уровне присоединений в одном устройстве: один модуль обрабатывает до 30 присоединений через шину процесса МЭК 61850, заменяя панель отдельных реле фидеров.

Программное обеспечение (ПО) SSC600, выпущенное компанией ABB в 2023 году, делает следующий шаг: оно отделяет программное обеспечение защиты от аппаратного обеспечения. Оно работает на базе Linux KVM или VMware Edge Compute Stack (ESXi 7.x и выше) на стандартных процессорах Intel Xeon Gold. Несколько экземпляров SSC600 SW могут совместно использовать один сервер, охватывая подстанции площадью более 30 присоединений. Алгоритмы защиты представляют собой тот же проверенный код — меняется только платформа исполнения.

Для проекта Constellation это открывает специфическую возможность: сосуществование решений защиты от нескольких производителей на одном подстанционном компьютере. ABB обеспечивает централизованную защиту присоединений и широкомасштабную защиту. GE Vernova предоставляет PhasorController для локального граничного интеллекта (edge intelligence) и управления DER. Siemens поставляет адаптивную защиту — автоматическое обновление уставок защиты через MMS МЭК 61850. Всё это работает как программное обеспечение на общей инфраструктуре.

Архитектура

Архитектура Constellation состоит из трех уровней.

На технологическом уровне устройства сопряжения с шиной процесса на каждом присоединении оцифровывают измерения измерительных трансформаторов и публикуют их в виде мгновенных значений (Sampled Values, SV) МЭК 61850-9-2 в локальной сети шины процесса. Команды управления выключателем передаются обратно в виде GOOSE-сообщений согласно МЭК 61850-8-1 по той же сети. В данной архитектуре отсутствуют ИЭУ на уровне присоединений — устройства сопряжения с шиной процесса и входы/выходы (I/O) выключателя подключаются напрямую к централизованной защите через коммутаторы Ethernet.

На уровне станции компьютеры подстанции обеспечивают работу виртуализированных функций релейной защиты. Каждое приложение защиты работает в выделенной виртуальной машине на базе VMware ESXi. Система полностью дублирована — два компьютерных узла подстанции, резервируемые коммутатор Ethernet — с использованием протокола параллельного резервирования (PRP) для бесшовного переключения сети при отказах. Протокол точного времени (PTP (IEEE 1588)) синхронизирует все устройства.

На уровне масштаба энергосистемы подстанции и объекты распределенной генерации (DER — Distributed Energy Resources) взаимодействуют через сеть 5G SA компании Vodafone с использованием R-GOOSE (маршрутизируемых GOOSE). Сообщения защиты передаются между географически разнесенными объектами, а не только между присоединениями в пределах одной подстанции.

flowchart BT
    subgraph PL["Уровень процесса"]
        CT["ТТ / ТН"] --> MU["Устройства сопряжения с шиной процесса"]
        CB["Выключатели"]
    end

    subgraph PB["Локальная сеть шины процесса (резервирование PRP)"]
        SW["Коммутаторы Ethernet"]
    end

    subgraph SL["Уровень станции"]
        SC1["Компьютер подстанции А\n(VMware ESCL)"]
        SC2["Компьютер подстанции Б\n(VMware ESXi)"]
        VM1["ВМ: Защита присоединения\n(ПО ABB SSC600)"] --- SC1
        VM2["ВМ: Периферийный интеллект\n(GE PhasorController)"] --- SC1
        VM3["ВМ: Адаптивная защита\n(Siemens)"] --- SC1
    end

    subgraph WA["Уровень масштаба энергосистемы"]
        WAN["Сеть Vodafone 5G\n(сетевой слайсинг)"]
        DER["Объект DER\nКомпьютер подстанции"]
    end

    MU -->|"МЭК 61850-9-2\nМгновенные значения (SV)"| SW
    SW -->|"МЭК 61850-8-1\nGOOSE"| CB
    SW --> SC1
    SW --> SC2
    SC1 -->|"R-GOOSE\nчерез 5G SA"| WAN
    WAN -->|"R-GOOSE"| DER

Защита от потери связи с сетью в масштабе энергосистемы

Constellation также реализует схему защиты в масштабе энергосистемы для обнаружения потери связи с сетью (LoM — Loss-of-Mains) на объектах DER — именно здесь канал 5G занимает свое место в архитектуре.

Традиционная защита LoM опирается на локальные измерения — как правило, на скорость изменения частоты (ROCOF — Rate of Change of Frequency). Проблема хорошо известна: во время широкомасштабных возмущений частоты (например, при отключении крупного генератора где-либо в передающей сети) реле ROCOF на объектах DER могут ошибочно интерпретировать отклонение частоты как переход в островной режим и отключить генераторы. Такое каскадное отключение объектов DER усугубляет возмущение частоты.

Подход Constellation объединяет пять функций в скоординированную схему:

Дистанционное отключение (Transfer trip) отключает изолированные объекты DER, когда размыкается вышестоящий выключатель — это прямая команда по 5G R-GOOSE, не требующая локального измерения частоты.

Блокировка на основе ROCOF — это часть, заслуживающая особого внимания. Когда централизованная защита на первичной подстанции обнаруживает общесистемное возмущение частоты (а не локальный островной режим), она передает команду «заблокировать ROCOF» через R-GOOSE всем подключенным объектам DER. Локальная защита ROCOF на объекте DER блокируется на время возмущения, что предотвращает ложные срабатывания.

Безопасное повторное включение (Safe reclosing) предотвращает несинхронное повторное подключение объектов DER после события перехода в островной режим.

Контроль связи (Communication supervision) непрерывно отслеживает получение GOOSE-сообщений R-GOOSE. Если канал 5G прерывается, в качестве резервного варианта активируется локальная защита ROCOF.

Локальный резервный алгоритм ROCOF (скорость изменения частоты) работает непрерывно, если только он не заблокирован командой из масштаба энергосистемы — что гарантирует, что защита никогда не будет утрачена, а лишь скорректирована.

sequenceDiagram
    participant PS as Основная подстанция<br/>(Централизованная защита)
    participant 5G as Сеть 5G<br/>(R-GOOSE)
    participant DER as Объект РВИ<br/>(Локальная защита)

    Note over PS,DER: Нормальный режим работы — локальный ROCOF активен на РВИ

    PS->>PS: Обнаружено возмущение системной частоты<br/>(ROCOF > 1 Гц/с, не локальный остров)
    PS->>5G: R-GOOSE: Блокировка ROCOF
    5G->>DER: R-GOOSE: Блокировка ROCOF
    DER->>DER: Локальный ROCOF заблокирован

    Note over PS,DER: Частота восстанавливается — ложных отключений РВИ не произошло

    PS->>5G: R-GOOSE: Снятие блокировки ROCOF
    5G->>DER: R-GOOSE: Снятие блокировки ROCOF
    DER->>DER: Локальный ROCOF снова включен

Что показали лабораторные испытания

Перед тем как какое-либо оборудование было установлено на объекте в Мейдстоуне, команда Constellation провела обширные лабораторные испытания. В установке использовался симулятор энергосистемы реального времени, подающий данные на два централизованных устройства релейной защиты через мгновенные значения (Sampled Values, SV) по стандарту МЭК 61850-9-2. Моделируемая сеть представляла собой участки шин 33 кВ (Главная 1 и Главная 2) с множеством точек подключения распределенной генерации (РВИ). Отдельный симулятор вносил настраиваемые задержки в R-GOOSE сообщения для имитации задержек в сети 5G.

В тематическом исследовании PAC World (Kulmala et al.) подробно представлены результаты теста блокировки ROCOF. Во время испытания частота системы упала ниже 47 Гц примерно на 300 миллисекунд, при этом скорость изменения превысила порог 1 Гц/с. Централизованная защита обнаружила возмущение, классифицировала его как общесистемное (не локальный остров) и передала команды на блокировку ROCOF четырем единицам РВИ через R-GOOSE. Ложных срабатываний не произошло — частота восстановилась выше порога защиты от снижения частоты до того, как истекло время срабатывания в 500 миллисекунд.

Вывод авторов однозначен: «виртуализированная централизованная защита отвечает требованиям защиты с заданными задержками и надежностью, эквивалентной специализированному оборудованию, при условии, что оборудование соответствует установленным для него требованиям».

Последняя фраза имеет решающее значение. Виртуализация не делает плохое оборудование приемлемым магическим образом. Подстанционный компьютер должен обеспечивать стабильный сетевой ввод/вывод с низкой задержкой. Ресурсы центрального процессора (ЦП) и памяти должны быть зарезервированы, а не разделены с некритическими рабочими нагрузками. Синхронизация PTP (IEEE 1588) должна поддерживаться. Это инженерные ограничения, а не теоретические риски, и команде Constellation пришлось решать каждое из них во время интеграционных испытаний в Демонстрационном центре энергетических сетей (PNDC) Университета Стратклайда недалеко от Глазго.

От лаборатории к эксплуатации

Проект проходит четыре фазы: лабораторные испытания, интеграция в PNDC, пассивные сетевые испытания (мониторинг системы параллельно с существующей защитой) и активные сетевые испытания (система управляет сетью). После этого — подготовка отчетности по текущей деятельности (BAU) и планирование развертывания.

gantt
    title График проекта Constellation
    dateFormat YYYY-MM-DD
    axisFormat %Y

    section Проект
    Constellation (Ofgem NIC)             :2021-05-04, 2026-09-29

    section Проектирование и лаборатория
    Проектирование и разработка системы            :2021-05-04, 2022-12-31
    Лабораторные испытания (ABB)               :2022-06-01, 2023-06-30

    section Интеграция PNDC
    Создание тестовой среды PNDC            :2023-01-01, 2023-12-31
    Интеграция Maidstone WAP и ПСИ (SAT)        :done, 2023-06-01, 2023-12-31

    section Полевые испытания
    Испытание пассивной сети в Maidstone        :active, 2025-01-21, 2026-03-31
    Подача отчетного документа Ofgem 5          :milestone, 2024-11-29, 0d
    Испытания активной сети (планируемые)        :2026-04-01, 2026-09-29

    section Контрольные точки
    Объявление о партнерстве с Vodafone 5G      :milestone, 2021-07-22, 0d
    Запуск первой интеллектуальной подстанции    :milestone, 2025-01-21, 0d
    Окончание испытаний                        :milestone, 2026-09-29, 0d

Примечание: точные границы этапов являются приблизительными в тех случаях, когда открытые источники указывают только последовательность действий, а не конкретные даты. Контрольные точки с точными датами взяты из документов UKPN, Vodafone и Ofgem.

Установка в Maidstone представляет собой испытание пассивной сети — интеллектуальная подстанция осуществляет мониторинг и анализ параллельно с существующей защитой, не являясь основной системой релейной защиты. Отчетный документ, включающий «обзор и выводы по итогам установки на объекте и извлеченные уроки после демонстрации пассивной сети в середине испытаний», был представлен в Ofgem 29 ноября 2024 года. План проекта также включает этап испытаний активной сети и подготовку итогового отчета (BAU write-up) перед завершением испытаний в сентябре 2026 года.

Откуда берется резерв мощности

UK Power Networks (UKPN) оценивает, что внедрение этого подхода во всей своей сети может высвободить 1,4 ГВт дополнительной мощности для подключения распределенных энергетических ресурсов (DER — Distributed Energy Resources) без строительства новой инфраструктуры. Этот механизм имеет две составляющие. Блокировка ROCOF (Rate of Change of Frequency — скорость изменения частоты) в масштабе энергосистемы исключает ложные отключения DER во время событий изменения системной частоты, что означает, что компании-операторы распределительных сетей (DNO — Distribution Network Operators) могут подключать больше DER к тем же фидерам, не превышая порог риска каскадных отключений. Адаптивная защита динамически обновляет уставки через MMS (Manufacturing Message Specification) на основе топологии сети в реальном напряженном режиме, заменяя статические расчеты по наихудшему сценарию, которые приводят к недоиспользованию доступной мощности. В пресс-релизе UKPN потенциальный резерв оценивается в дополнительные 50% мощности «при условии обеспечения безопасности».

Полный стек МЭК 61850, наконец работающий согласно проекту

На протяжении многих лет многие инженеры относились к МЭК 61850 как к «просто очередному протоколу» — зачастую его использование ограничивалось GOOSE для блокировок или MMS для опроса SCADA, в то время как мгновенные значения (Sampled Values, SV) отвергались как слишком сложные и дорогие для распределительных сетей. Constellation — это пример того, как полный стек технологий работает согласованно, и результат превосходит простое поэтапное улучшение. SV (9-2) оцифровывает шину процесса. GOOSE (8-1) передает команды на отключение. R-GOOSE (маршрутизируемые GOOSE) расширяет передачу сигналов защиты через глобальную сеть передачи данных (WAN) 5G. Уберите любой из этих элементов, и архитектура разрушится.

Виртуализация ставит перед инженерами свой ряд вопросов. Какой гипервизор выбрать? Каковы максимальные задержки при нагрузке? Как ресурсы центрального процессора (ЦП) и памяти распределяются между виртуальными машинами (ВМ) защиты и всеми остальными процессами на сервере? Команда Constellation оценила VMware ESXi, Linux KVM и контейнеры Docker с применением патчей PREEMPT_RT. Это не новые вопросы — еще в 2019 году опыт наладки и ввода в эксплуатацию централизованной защиты на базе ISAS уже показал, что зависимости ядра, совместимость драйверов сетевых интерфейсных карт (NIC) и планирование в реальном времени являются практически непреодолимыми препятствиями, которые отнимают месяцы проектного времени (Anoshin, Golovin, Svistunov, PAC World Выпуск 050). Constellation работает в более крупном масштабе, но проблемы квалификации оборудования остаются теми же.

5G является жизнеспособным каналом передачи данных в масштабе энергосистемы (WAMS) для сигналов защиты — при определенных условиях. Сетевой слайсинг (network slicing) обеспечивает канал с низкой задержкой и высокой надежностью, необходимый для R-GOOSE. Соединение через мобильный широкополосный доступ с моделью «best-effort» (с максимально возможным качеством) было бы неприемлемым.

Мультивендорная модель вызывает вопросы у обеих сторон. Для производителей переход от продажи автономного реле к поставке программного компонента на чужом оборудовании меняет продукт, модель поддержки и коммерческие отношения. Для сетевых компаний подстанция, где ABB обеспечивает защиту присоединения, GE Vernova управляет распределенными энергетическими ресурсами (DER), а Siemens отвечает за адаптивные уставки, означает отсутствие единого поставщика, ответственного за систему в целом. Кто владеет интеграцией? Кому звонить в 2 часа ночи, если ВМ защиты не запускается после перезагрузки сервера? Это не технические вопросы — это вопросы закупок и эксплуатации, на которые отрасль еще не дала ответа.

Источники

1. Kulmala, A., Raipala, O., Hovila, P., Yazadzhiyan, B., Dantas, R., Scoble, C. "Virtualized Centralized Protection and Control — Constellation Project Case Study." PAC World. pacw.org

2. UK Power Networks. "Constellation." UKPN Innovation. innovation.ukpowernetworks.co.uk

3. ABB. "ABB launches the world's first virtualized protection and control solution." News center, 2023. new.abb.com

4. UK Power Networks. «Первая в Великобритании интеллектуальная подстанция установлена как технология электроснабжения следующего поколения». 21 января 2025 г. ukpowernetworks.co.uk

5. Vodafone UK. «Впервые в мире: UK Power Networks будет использовать Vodafone 5G на интеллектуальных подстанциях». 22 июля 2021 г. vodafone.co.uk

6. GE Vernova. «UK Power Networks: первая в мире интеллектуальная подстанция». gevernova.com

7. ABB. «Технологии ABB позволяют британской энергосистеме интегрировать больше возобновляемых источников энергии». Центр новостей. new.abb.com

8. UK Power Networks. «Отчет о ходе реализации проекта Constellation». Декабрь 2024 г. cloudfront.net (PDF)

9. Anoshin, A., Golovin, A., Svistunov, N. «Централизованная защита на базе программного обеспечения: опыт наладки и ввода в эксплуатацию». PAC World, выпуск 050, декабрь 2019 г. pacw.org