IEC 61850 – путь к цифровой подстанции

В России с начала 90-х годов ведутся интенсивная разработка и внедрение микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики. Микропроцессорные устройства пришли на смену защите на электромеханической базе, устаревшей и морально, и физически. Это стало возможным благодаря развитию вычислительных мощностей процессоров, повышению характеристик аналогово-цифровых преобразователей, развитию микросхем памяти разных видов. До сих пор на территории нашей страны происходят модернизация и замена устаревшего оборудования релейной защиты подстанций. И чем дальше развиваются технологии, тем шире раскрываются горизонты для будущих разработок

Одним из существенных преимуществ микропроцессорных устройств РЗА является возможность использования цифровых интерфейсов связи. За эти годы они прошли путь от простейших узкоспециализированных протоколов, разрабатываемых конкретными производителями устройств, до стандартов связи мирового уровня, таких как DNP3, IEC 60870, Modbus.

Увеличение количества интеллектуальных устройств на подстанции, повышение пропускной способности каналов связи, необходимость упрощения и систематизации инжиниринга подстанций привели к разработке стандарта IEC 61850. Приход его на смену классическим стандартам АСУ, выполняющим задачи мониторинга, телесигнализации, телеуправления и сбора данных, повлиял не только на развитие систем АСУ ТП. Стандартом охвачены такие аспекты, как пусконаладка устройств, взаимосвязи устройств, самодиагностика, тестирование как отдельных устройств, так и целых комплексов.

В настоящее время внедрение стандарта зависит в первую очередь от экономической целесообразности его применения, однако даже при наиболее благоприятных условиях ближайшие перспективы использования стандарта не выходят за границы системы АСУ ТП. Это связано в первую очередь с ответственностью, которая лежит на устройствах РЗА, а также с технологическими сложностями, которые повлекло за собой применение стандарта. Потенциал же нового стандарта значительно шире функциональности, необходимой для АСУ.

IEC 61850 в АСУ ТП – цифровая подстанция

Стандарт IEC 61850 выделяется среди множества открытых стандартов связи своими уникальными особенностями. Одним из основных отличий является возможность организации обмена информацией не только с системой АСУ, но и между конечными устройствами и интеллектуальными измерительными преобразователями. Для этих целей служат специальные сообщения GOOSE/GSSE и SV. Концепция модели устройства и принцип самоописания призваны упростить и унифицировать наладку системы. Внедрение языка SCL, базирующегося на стандартном и широко используемом XML, для описания систем, применяющих IEC 61850, позволяет вести проработку системы на начальном этапе без привязки к устройствам конкретных производителей и без необходимости наличия устройств на связи. Преимущества нового стандарта подробно и наглядно рассмотрены во множестве статей и докладов.

Сегодня многие производители устройств релейной защиты предоставляют пользователям своих устройств возможность программирования поведения устройства. Такая возможность называется «гибкая логика». Как правило, пользователь имеет возможность редактирования взаимосвязей между крупными функциональными блоками защиты, используя при этом элементарные логические и математические функции. Это позволяет производителю уменьшить номенклатуру выпускаемой продукции, а пользователю – адаптировать алгоритмы работы защиты под конкретные условия применения.

Устройство с поддержкой «гибкой логики» оказывается еще более сложным для внедрения в системы АСУ, так как оно не имеет статической структуры, а количество и назначение данных может разниться даже у устройств одной серии. Стандарт IEC 61850 позволяет решить эту проблему, так как основан на принципе самоописания. Устройство само сообщает конфигуратору подстанции, какие функции выполняются в составе защиты, какие параметры доступны для изменения, какими данными оперирует устройство.

Судя по требованиям, все чаще возникающим со стороны заказчиков, в ближайшее время доминирующим стандартом связи для новых подстанций станет именно IEC 61850. При этом в настоящее время, как правило, стандарт рассматривается только как функциональная замена других стандартов в части применения для целей АСУ ТП.

Отдельного внимания заслуживают работы по организации подстанции с использованием как вертикальных, так и горизонтальных взаимосвязей – так называемая цифровая подстанция. Концепция цифровой подстанции подразумевает применение интеллектуальных устройств, начиная с измерений аналоговых величин и заканчивая исполнительными элементами коммутационного оборудования. Одной из основных целей развития подобной концепции является уменьшение затрат на постройку новых подстанций.

Горизонтальный обмен между оборудованием, реализуемый посредством механизмов IEC 61850 GOOSE и SV, позволяет перейти на качественно иной уровень построения подстанции. Огромному количеству кабелей, используемых на классических подстанциях, приходит на смену качественно и количественно иное кабельное хозяйство – локальная сеть. Реализация надежной и резервированной сети для шины процесса является важной задачей обеспечения надежности функционирования цифровой подстанции.

В условиях модернизации подстанций может оказаться целесообразным применение нескольких промежуточных этапов модернизации с применением конвертеров протоколов и интерфейсных цифровых модулей – устройств сопряжения (рис. 1).

Конвертеры и интерфейсные цифровые модули осуществляют преобразование данных от разных источников в формат представления МЭК 61850 и обеспечивают их передачу по каналам связи. Конвертеры протоколов фактически не могут увеличить функциональность связи с устройством, а лишь обеспечивают единый способ организации связи и представления данных. Применение конвертеров может быть оправданно на начальных этапах модернизации подстанций для интегрирования устройств, не имеющих поддержки МЭК 61850. Для цифровых подстанций применять такие решения нежелательно, так как любой конвертер вносит дополнительные задержки, не говоря о том, что большинство протоколов просто не предназначены для обмена оперативными данными между устройствами.

Другим этапом модернизации подстанции может быть применение цифровых модулей-источников. При переводе части оборудования на IEC 61850 в части шины процесса понадобятся измерительные устройства (аналогово-цифровые преобразователи) с поддержкой 61850 SV и цифровые исполняющие механизмы с поддержкой 61850 GOOSE/GSSE. Для подстанции с установленным традиционным коммутационным оборудованием и измерительными трансформаторами такое решение может оказаться более выгодным, нежели замена всего оборудования.

Опыт применения IEC 61850

Опыт интеграции устройств серии «Бреслер» с поддержкой стандарта IEC 61850 показал, что у разных систем АСУ ТП и устройств различных производителей имеются различные ограничения реализации протокола. Это приводит к необходимости адаптации устройств к конкретным условиям применения. В устройствах производства ООО «ИЦ «Бреслер» на этапе разработки была заложена возможность гибкого конфигурирования в части МЭК 61850. Это стало одним из факторов, обеспечивающих возможность интеграции терминалов с оборудованием других производителей. В целом стоит отметить, что такая ситуация не должна становиться нормой. Потребность наиболее полной и гибкой реализации протокола со стороны устройств обусловлена недостаточной полнотой и гибкостью со стороны существующих систем АСУ ТП. Вычислительные возможности и ресурсы терминальных устройств по сравнению с системами АСУ ТП значительно более ограниченны, из чего логично следует необходимость максимально полной и гибкой реализации стандарта именно со стороны систем АСУ ТП.

На сегодняшний день были проведены испытания в части обмена GOOSE-сообщениями терминалов «Бреслер» с устройствами компаний Doble, НПП «Динамика», Siemens, Areva, GE, Микроника, ProSoft и др. Также имеется опыт пробной интеграции в АСУ Siemens SicamPas, SPPA T3000, АСУ РТ Софт, ProSoft и др.

Выполнены испытания, показавшие возможность использования устройств, использующих IEC 61850 в рамках шины процесса цифровых подстанций. Проверена работа устройства с тестовым оборудованием производства компаний НПП «Динамика» и Omicron. ООО «ИЦ Бреслер» стало первым отечественным производителем, принявшим участие в совместных испытаниях с источниками цифровых измерений фирм «Микроника» и «Профотек» (рис. 2).

Одним из последних мероприятий были комплексные мультибрендовые испытания, организованные ЗАО «Новинтех». На испытательном стенде опробовалась совместная работа устройств различных производителей: ИЦ «Бреслер», НПП, «Микроника», GE. УСШ аналоговых сигналов Микроника SO-52v11-MUA публикует SV-потоки согласно спецификации IEC 61850-9-2LE. Терминал Бреслер ТЛ 2607.XXA является подписчиком SV-потока. Терминал Бреслер ТЛ 2607.XXA также обменивался GOOSE-сообщениями с УСШ дискретных сигналов Микроника SO-52v11-MUIO и терминалом РЗА GE Multilin D60. Весь обмен информацией выполнялся посредством единой сети, организуемой коммутатором Hirschmann (рис. 3).

Были проведены лабораторные имитации различных режимов работы, включая работу релейной защиты, алгоритмов автоматики в условиях цифровых подстанций, когда и аналоговые, и дискретные сигналы между устройствами передаются посредством цифровых интерфейсов (рис. 4).

Эти испытания показали практическую возможность реализации цифровой подстанции, а также позволили на практике проанализировать множество аспектов функционирования такой системы.

Выводы

Наиболее важными составляющими успешной интеграции устройств с поддержкой IEC 61850 являются строгое соответствие стандарту, возможность гибкого конфигурирования и накопление опыта работы с различными производителями.

Для успешного развития систем в направлении цифровых подстанций необходимо создавать экспериментальные площадки, активно сотрудничать представителям российского сообщества как во внутрироссийском обсуждении проблем, так и в международном обмене опытом применения IEC 61850, целенаправленно участвовать в коллоквиумах CIGRE и обсуждениях рабочих групп.