Автоматизация испытаний релейной защиты высокоавтоматизированных подстанций

Введение

Интеллектуальные электронные устройства (ИЭУ) релейной защиты и автоматики (РЗА) высокоавтоматизированных подстанций (ЦПС) с «шиной процесса» (протокол IEC 61850-9-2 Sampled Values – SV) и «шиной станции» (протоколы IEC 61850-8-1 GOOSE и MMS) требуют соответствующего подхода к тестированию с учётом их программно-аппаратных особенностей и цифровой среды передачи информации для аналоговых и дискретных сигналов между первичными измерительным трансформаторами, коммутационными аппаратами и автоматизированной системы управления энергообъекта. Возможности стандарта IEC 61850 позволяют повысить эффективность автоматизации тестирования ИЭУ, обеспечить объективность испытаний и удобство их эксплуатации на разных этапах «жизненного цикла» ЦПС – от пусконаладочных работ до профилактических, периодических и послеаварийных проверок.

В настоящее время, как правило, тестирование ИЭУ повторяет традиционные методы испытаний микропроцессорных терминалов, включающие оценку отклонения параметров срабатывания функций РЗА и проверку функционирования логической части устройств. При указанном подходе не обеспечивается полноценное тестирование, т.к. «цифровые» особенности протоколов IEC 61850-8-1 и IEC 61850-9-2 остаются неучтёнными.   

Каждый из этапов «жизненного цикла» системы РЗА высокоавтоматизированных подстанций (наладка, эксплуатация, послеаварийная проверка, профконтроль и т.д.) должен предусматривать объём испытаний с дополнительными проверками, обусловленными технологией ЦПС. Комплексное совмещение традиционных и цифровых методов тестирования, в соответствии с архитектурой системы РЗА и локально-вычислительной сети (ЛВС) ЦПС, должно выполняться совместно с тестированием автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУТП), системы обеспечения единого времени (СОЕВ) и цифровых каналов шины процесса и станции.

 

1. Автоматизация испытаний ИЭУ с использованием протокола MMS

Современные ИЭУ РЗА в обязательном порядке поддерживают протокол MMS стандарта IEC 61850. Данный протокол в основном относится к АСУТП (SCADA) объекта, но за счёт своей универсальности обеспечивает автоматизацию процесса испытаний. Подключение испытательного комплекса к «шине станции» с использованием сервисов данного протокола позволяет выполнить:

– перевод ИЭУ в режим «Тестирование»;

– считывание параметров ИЭУ (наименование, производитель, тип устройства, заводской номер и т.д.);

– считывание параметров срабатывания (уставок) из ИЭУ и их сопоставление с заданными в SCL-файле на сервере ЦПС;

– анализ измеренных значений аналоговыми входами ИЭУ (или принимаемых SV-потоков);

– анализ дискретных событий ИЭУ: пуски и срабатывания измерительных органов функций РЗА.

Указанные возможности протокола IEC 61850-8-1 MMS позволяют выполнять проверку устройств РЗА с учётом взаимодействия со смежными ИЭУ РЗА и АСУТП.

Как правило, ИЭУ РЗА отличаются большим количеством функций и расчётных параметров срабатывания, проверка которых, кроме значительных временных затрат, требует создания специфических и уникальных условий для срабатывания и/или несрабатывания измерительных и пусковых органов, объединённых логической схемой в общий выходной сигнал (реле) либо применения проприетарных способов перепрограммирования внутренних логических сигналов на выходные реле.

При помощи протокола MMS проверка параметров срабатывания (уставок) функций РЗА может выполняться на основе анализа содержимого отчётов (MMS Report). Испытательный комплекс получает полную информацию о состоянии пусков и срабатываний всех функций ИЭУ, которая передаётся в «шину станции» и не ограничивается оценкой состояний выходных реле или логических сигналов GOOSE-сообщений (рис. 1, 2). При этом отсутствует необходимость изменения схемы подключения дискретных входов испытательного устройства к шкафам РЗА (и аналоговых каналов для ИЭУ с поддержкой протокола IEC 61850-9-2 SV).

Для оценки таких параметров РЗА как ток, напряжение, сопротивление срабатывания и т.п. могут использоваться отчёты с сигналами пуска измерительных органов без привязки к астрономическому времени событий. При проверке временных характеристик (времени срабатывания, времени ввода ускорения защиты, времени циклов автоматического повторного включения и т.п.) требуется синхронизация ИЭУ и испытательной установки по протоколам РТРv2, NTP и NTP совместно с синхросигналами 1PPS.

При комплексных (итоговых) проверках шкафов РЗА в рамках присоединения (шкафы основной, резервной защиты, автоматики управления выключателем) применение проверок с использованием отчётов MMS Report совмещается с проверкой всех задействованных проектом выходных реле и сигналов в GOOSE-сообщениях. После каждой комплексной проверки действия защит выполняется скачивание из ИЭУ файлов аварийных осциллограмм в формате COMTRADE для визуальной оценки поведения измерительных органов и внутренней логики ИЭУ и её фиксации в протоколе испытаний.

Редакция 2 стандарта МЭК 61850 предусматривает возможность перевода ИЭУ (а также его отдельных функций РЗА) при помощи объекта данных Mod в один из пяти режимов (Beh): «включено (on)», «включено/блокировано (on/blocked)», «выключено (off)», «тест (test)», «тест/блокировано (test/blocked)». Для тестирования шкафа РЗА (ИЭУ) без физического отключения от «шины станции» и «шины процесса» актуально применение режимов «тест (test)» (для ИЭУ без выходных реле) или «тест/блокировано (test/blocked)» (для ИЭУ с выходными реле).

Для автоматизации процесса тестирования децентрализованных комплексов (шкафов) РЗА ЦПС с использованием сервиса Report протокола MMS достаточным является поддержка пяти режимов Beh тестируемого устройства только для одного логического узла (системного логического узла LLN0) и двух режимов («включено (on)» и «выключено (off)») для логических узлов, описывающих функции защиты и автоматики, поскольку отчёты позволяют проверять все параметры срабатывания по состояниям их сигналов пуска, независимо от функционально-логической схемы ИЭУ.

Рис. 1. К проверке ИЭУ с аналоговыми входами с использованием протокола MMS

Рис. 2. К проверке ИЭУ c цифровыми каналами с использованием протокола MMS

 

2. ИСПЫТАНИЯ ИЭУ С ПОДДЕРЖКОЙ ПРОТОКОЛА IEC 61850-8-1 GOOSE

Испытания ИЭУ с поддержкой GOOSE можно разделить на два типа: для ПС со шкафами преобразователей дискретных сигналов (ПДС) и комбинированным (ограниченным) применением передачи логических сигналов по протоколу GOOSE.

Проверка отдельных шкафов и ячеек РЗА с поддержкой протокола GOOSE на ЦПС с «шиной станции» должна дополняться оценкой комплексного взаимодействия со смежными элементами системы РЗА. Особый интерес представляет вопрос комплексных испытаний ИЭУ при значительном количестве GOOSE-сообщений на объекте. Опыт испытаний РЗА ЦПС с разными проектными решениями показал, что в «шине станции» ЦПС напряжением 220(110)/35(10) кВ присутствует до 250 GOOSE-сообщений, в каждом из которых может быть до 100 логических сигналов. При пусконаладке таких объектов следует выполнять проверку устойчивости элементов ЛВС, образующей «шину станции», при одновременном срабатывании нескольких ИЭУ и последующем информационном всплеске трафика («шторме»), который имитируется испытательным комплексом на основе конфигурационного файла (SCD) ЦПС. Следует отметить, что одной из особенностей таких испытаний является стандарт ПАО «ФСК ЕЭС» – «Корпоративный профиль МЭК 61850 «ФСК ЕЭС» [1], который в том числе определяет количество повторов GOOSE с минимальным временем при изменении состояния логического сигнала в GOOSE-сообщении, что влияет на сетевую нагрузку.

Кроме изменения состояния логических сигналов в GOOSE-сообщениях, следует учитывать возможные изменения состояния параметров (флагов) качества данных сигналов синхронно с измерением аналоговых данных на входах ИЭУ для оценки таких алгоритмов, как переключение на обработку резервного GOOSE-сообщения или сигнализацию ошибки во входящих GOOSE.

 

3. ИСПЫТАНИЯ ИЭУ РЗА С ПОДДЕРЖКОЙ ПРОТОКОЛА SAMPLED VALUES

Перечень испытаний элементов системы РЗА ЦПС, выполненных с «шиной процесса» на основе протоколов IEC 61850-9-2LE или IEC 61869-9, должен быть объективно дополнен:

– тестированием ИЭУ в схеме с первичными преобразователями (в том числе с учётом особенностей электронно-оптических измерительных трансформаторов и электромагнитных (ЭМ) измерительных трансформаторов с преобразователями аналоговых сигналов);

– тестированием встроенных в преобразователи аналоговых сигналов (ПАС) функций РЗА;

– тестированием ИЭУ с учётом среды передачи информации, а именно искажений сетевых данных в ЛВС ЦПС;

– комплексными испытаниями ИЭУ с повышенной информационной нагрузкой;

– имитацией режимов СОЕВ;

– проверкой резервирования шины процесса при информационной перегрузке.

Проверка характеристик рассматриваемых ИЭУ РЗА должна оцениваться в достаточно сложной схеме тестирования «электромагнитный первичный преобразователь – преобразователь аналоговых сигналов – локально-вычислительная сеть – интеллектуальное электронное устройство» [2]. Для ИЭУ ЦПС с электронно-оптическими первичными преобразователями актуально моделирование «выбросов» мгновенных значений в передаваемых данных SV-потоков.

При выполнении аттестационных, пуско-наладочных и эксплуатационных испытаний также может быть востребована проверка алгоритмов аппроксимации цифровых отсчётов принимаемых потоков и блокирования измерительных органов ИЭУ РЗА при моделировании пропадания и перемешивания выборок в SV-потоках. Указанные процессы могут возникать в ЛВС шины процесса при эксплуатации ЦПС в неопределённое время, соответственно, ИЭУ должны проверяться на отстройку (компенсацию потери информации) от данных процессов [3, 4, 5].

Требования к испытательным приборам для тестирования элементов РЗА ЦПС с поддержкой IEC 61850-9-2 вклю­чают наличие не менее 20-ти исходящих SV-потоков для комплексных испытаний оборудования ЦПС в це­лом [6].

Актуальной темой эффективного функционирования ИЭУ РЗА является также медленно изменяющиеся задержки распространения сетевых пакетов SV в шине процесса, при которых постепенно возникает фазовый сдвиг между SV-потоками двух издателей (ПАС или электронно-оптический блок измерительного трансформатора), который может привести к неправильной работе функций ИЭУ РЗА. При этом тестирование алгоритмов РЗА имитацией смещения SV-потока с шагом в один цифровой отсчёт (250 мкс для IEC 61850-9-2LE) в ряде случаев не позволят провести полноценную проверку при автоматическом регулировании глубины буфера компенсации задержек цифровых отсчётов, поскольку рассинхронизация издателей SV-потоков на реальных объектах, как правило, является медленным процессом. Таким образом, необходим соответствующий механизм тестирования при смещении (задержке) SV-потока с заданным значением в диапазоне от 1 до 100 мкс/с для проверки реакции ИЭУ РЗА – алгоритма блокирования действия и сигнализации и недостоверности принимаемых данных. На рис. 3 приведён пример имитации медленного смещения (100 мкс/с) одного SV-потока, содержащего данные фазных токов, относительно SV-потока, содержащего напряжения и реакции на данный процесс ИЭУ по протоколу GOOSE (логические сигналы блокировки сигнала пуска дистанционной защиты («ИО ZАВ») и срабатывания логического сигнала недостоверности данных («Неиспр. 9-2») в шине процесса IEC 61850-9-2 в исходящем сообщении).

Рассмотренные особенности ИЭУ с поддержкой протокола SV должны учитываться при настройке автоматической проверки параметров срабатывания в соответствии с планом испытаний. 

Рис. 3. Пример моделирования смещения SV-потока с заданной скоростью

Заключение

Тестирование системы релейной защиты высокоавтоматизированных подстанций предполагает дополнительный объём и методологию соответствующих испытаний, связанных с отличиями интеллектуальных электронных устройств от микропроцессорных терминалов.

Автоматизация процесса испытаний при наладке и эксплуатации отдельных интеллектуальных электронных устройств и комплексов релейной защиты присоединений на данный момент обеспечивается соответствующими инструментальными техническими средствами, но необходима разработка  нормативно-технической базы по комбинированным методам тестирования интеллектуальных электронных устройств для повышения их надёжности и эксплуатационной эффективности на всех этапах «жизненного цикла» релейной защиты энергообъекта.

Литература

1. СТО 56947007-25.040.30.309-2020 Корпоративный профиль МЭК 61850 ПАО «ФСК ЕЭС». Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС», 2020.
2. Шалимов, А.С. Схемы испытаний устройств релейной защиты и автоматики на основе стандарта IEC 61850 / А.С. Шалимов // Релейная защита и автоматизация. – 2019. – № 3 (36). – С. 34-36.
3. Шалимов, А.С. Тестирование специальных алгоритмов устройств релейной защиты с использованием шины процесса IEC 61850-9-2LE /А.С. Шалимов // Релейная защита и автоматизация. – 2017. – № 3 (28). – С. 39-42.
4. Безденежных, М.Н. Особенности тестирования цифровой дифференциальной защиты шин 110-750 кВ на основе протокола IEC 61850-9-2LE / М.Н. Безденежных, Н.А. Дони, Е.П. Егоров, И.А. Кошельков, А.А. Петров, Н.А. Тойдеряков, А.С. Шалимов // Релейная защита и автоматизация. – 2018. – №2(31). – С. 41-47.
5. Рыжов, Э.П. Тестирование интеллектуальных электронных устройств с поддержкой IEC 61869-9 / Э.П. Рыжов, А.С. Шалимов // Релейная защита и автоматизация. – 2020. – № 3 (40). – С. 30-36.
6. СТО 34.01-4.1-013-2020. Аппаратура для испытания и проверки устройств РЗА. Технические требования. Стандарт организации. ПАО «Россети», 2020.

 

 Шалимов А.С.
начальник отдела РЗА ООО «НПП «Динамика»
г. Чебоксары
Апрель 2022