Имитация режимов источника точного времени при испытаниях релейной защиты

Введение

На современных энергообъектах применяется комплекс технических средств, образующий систему обеспечения единого времени (СОЕВ) на основе глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). СОЕВ устанавливает единое точное время для внутренних часов элементов систем релейной защиты, автоматики и автоматизированной системы управления технологическими процессами. В состав СОЕВ входит приёмник (активная антенна), сервер точного времени (СВ) с поддержкой протокола PTP [1], коммуникационная сеть и устройства с ведомыми часами точного времени [2] (рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент схемы СОЕВ подстанции

Для интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ) релейной защиты (РЗ) высокоавтоматизированных подстанций (ВАПС) с шиной процесса МЭК 61850-9-2 [3] источник точного времени необходим для:

обеспечения синхронизации по времени устройств-издателей потоков Sampled Values (преобразователей аналоговых сигналов (ПАС) и электронно-оптических блоков цифровых измерительных трансформаторов (ЦИТ));
корректного приёма и выравнивания по времени цифровых отсчётов (ЦО) мгновенных значений в потоках Sampled Values (SV), принимаемых ИЭУ, подписанными на нескольких издателей, перед передачей ЦО в алгоритмы РЗ для исключения неопределённых фазовых сдвигов обрабатываемых сигналов [3].

Потеря устойчивости СОЕВ без контроля её состояния в ИЭУ и ПАС/ЦИТ является критической, поскольку может привести к отказу или неправильному действию РЗ.

В соответствии с протоколом МЭК 61850-9-2 [4], статус синхронизации издателя SV-потока передаётся во флаге SmpSynch сетевого пакета SV. В таблице 1 приведены соответствия между состоянием источника синхронизации времени и значением признака (флага) SmpSynch. Подписчик (устройство РЗ) обрабатывает значение флагов SmpSynch в сетевых пакетах с ЦО и учитывает в соответствующих алгоритмах ИЭУ. Кроме флага SmpSynch, подписчик SV, при наличии точной синхронизации, может контролировать состояние синхронизации издателей по счётчику ЦО (поле smpCnt Ethernet-кадра SV-потока).

Таблица 1.Соответствие между значением флагов SmpSynch и состоянием источника синхронизации времени
Источник синхронизации времени	Значение флага SmpSynch
глобальный	2
локальный	1
отсутствует	0
локальный с уникальными идентификатором синхронизирующих часов	5-254

В настоящее время при тестировании комплексов РЗ высокоавтоматизированных энергообъектов выполняются проверки в системе «издатель SV – подписчик SV», включающие:

имитацию изменения флага синхронизации SmpSynch в генерируемых испытательной системой SV-потоках;
моделирование режима потери синхронизации издателей SV (например, при смещении одного из SV-потоков относительно синхросигнала 1PPS [5, 6]) для сценариев, когда издатель SV потерял синхронизацию, а флаг SmpSynch исходящего SV-потока не изменился.

Данные проверки целесообразно дополнить имитацией режимов источника точного времени для издателей и подписчиков SV, для комплексного тестирования РЗ ВАПС в системе «сервер времени – издатель SV – подписчик SV».

Влияние режима источника точного времени на релейную защиту

При эксплуатации ВАПС возможны реальные ситуации, которые могут повлиять на состояние СОЕВ, общую устойчивость и функционирование системы РЗ. Примеры таких ситуаций – отказ антенны, неустойчивый спутниковый сигнал, глушение и подмена сигналов ГНСС, сетевые коллизии в локально-вычислительной сети ВАПС, изменение (манипуляция) значений флагов SmpSynch в SV-потоках от ПАС/ЦИТ, которые не соответствуют текущему состоянию источника точного времени; отказ основного (и резервного) сервера времени.

Создание сценариев испытаний РЗ с имитацией режимов СОЕВ требует применения альтернативного (независимого) сервера времени при тестировании РЗ ВАПС. Имитация режимов СОЕВ может выполняться при пусконаладочных работах, приёмке из наладки, послеаварийных проверках и т.д. Далее будет рассматриваться имитация режимов СОЕВ с использованием протокола РТР для проверки РЗ с применением встроенного сервера времени в испытательном приборе типа РЕТОМ-61850 [7]. На рис. 2 приведена схема испытаний РЗ ВАПС, где устройство типа РЕТОМ-61850, подключенное к шине процесса, выполняет функцию генератора тестовых SV-потоков (SV* 1÷N), имитирующих издателей (ПАС), и функцию испытательного сервера времени, синхронизирующего ведомые устройства (РТР*-трафик).

Ведомые часы ИЭУ РЗ и ПАС, в соответствии со спецификацией РТР [8], анализируют многоадресные сообщения Announce протокола РТР, передаваемые через локально-вычислительную сеть ВАПС. В зависимости от сценария испытаний, сервер времени РТР РЕТОМ-61850 устанавливает параметры качества и приоритета ведущих часов в пакетах Announce.

Рис. 2. Схема испытаний РЗ ВАПС

В сетевом пакете Announce, следует отметить следующие данные (рис. 3), предназначенные для устройств ЛВС с поддержкой протокола РТР:

приоритет часов (priority1, priority2) СВ перед другими источниками точного времени;
класс часов (clockClass) СВ, определяющий состояние синхронизации сервера времени;
класс точности (clockAccuracy), определяющий текущую точность часов сервера времени;
источник времени (timeSource) для СВ.

Рис. 3. Структура и данные пакета Announce протокола РТР

Значения указанных атрибутов в нормальных режимах СОЕВ должны быть согласованы между собой, а их несоответствие должно контролироваться ИЭУ и учитываться в логике функций РЗ. Манипуляция параметрами настройки функции СВ испытательного прибора позволяет моделировать различные сценарии рабочих режимов и нарушений работы СОЕВ, совмещая их с проведением проверок параметров срабатывания функций РЗ ИЭУ. Фрагмент окна web-интерфейса прибора РЕТОМ-61850 для изменения параметров настройки СВ приведён на рис. 4.

Рис. 4. Фрагмент окна настройки СВ РТР

Проверка издателей SV-потоков

Сценарий проверки логики ПАС/ЦИТ по изменению статуса синхронизации включает установку заданного класса часов (clockClass) СВ и анализ обновлений атрибута SmpSynch (состояние источника синхронизации) исходящего SV-потока проверяемого издателя, согласно [3, 9]. В таблице 2 приведены варианты настройки режимов испытательного СВ и ожидаемое изменение состояния флага SmpSynch [1], включающие позитивные и негативные сценарии испытаний.

Таблица 2. Пример сценариев проверки логики флага SmpSynch издателя SV
Состояние СВ	Состояние и смена класса часов (clockClass) СВ	Изменение (состояние) флага SmpSynch в SV исследуемого ПАС/ЦИТ
Глобальная синхронизация	6	2
Режим дрейфа после потери глобальной синхронизации	7	1
Режим работы после потери глобальной синхронизации и выхода из режима дрейфа с временной ошибкой превышающей класс точности менее 250 нс (но не превышающий 1 мкс)	52	1
Режим работы после потери глобальной синхронизации и выхода из режима дрейфа с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 1 мкс	187	0
Потеря глобальной синхронизации и переход в режим дрейфа	6 -> 7	2 -> 1
Потеря глобальной синхронизации с переходом в режим с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 250 нс (но не превышающей 1 мкс)	6 -> 52	2 -> 1
Потеря глобальной синхронизации с переходом в режим с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 1 мкс	6 -> 187	2 -> 0
Возврат из режима дрейфа к глобальной синхронизации	7 -> 6	1->2
Переход из режима дрейфа в режим с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 250 нс (но не менее 1 мкс)	7 -> 52	1
Переход из режима дрейфа в режим с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 1 мкс	7 -> 187	1 -> 0
Переход из режима с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 250 нс, в режим дрейфа	52 -> 7	1->2
Переход из режима с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 250 нс, в режим с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 1 мкс	52 -> 187	1 -> 0
Переход из режима с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 250 нс, в режим глобальной синхронизации	52 -> 6	1->1
Переход из режима с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 1 мкс, в режим с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 250 нс	187 -> 52	0->1
Переход из режима с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 1 мкс, в режим глобальной синхронизации	187 -> 6	0->1
Переход из режима с временной ошибкой, превышающей класс точности менее 250 нс в режим дрейфа	187 -> 7	0->2

Кроме атрибута clockClass, алгоритмы ИЭУ могут дополнительно анализировать поля данных clockAccuracy и timeSource. Для характеристики класса точности спецификация протокола РТР предусматривает следующие параметры: 25 нс; 100 нс; 250 нс; 1 мкс; 2,5 мкс; 10 мкс; 25 мкс; 100 мкс; 250 мкс; 1 мс; 2,5 мс; 10 мс; 25 мс; 100 мс; 250 мс; 1 с; 10 с; более 10 с. Поскольку для ВАПС с оборудованием с МЭК 61850-9-2 точность должна соответствовать требованиям ±1 мкс (класс синхронизации времени T5 [1]), установка данного параметра равным 2,5 мкс (или хуже), при его обработке в ИЭУ, будет оказывать влияние (блокировка, сигнализация) на соответствующие функции ИЭУ. Также можно проверить поведение ИЭУ при нарушении требований к точности для календарной синхронизации (класс синхронизации времени T1, точность не хуже 1 мс [10], установкой параметра clockAccuracy равным 2,5 мс (или хуже).

Атрибут timeSource (источник времени для сервера РТР), в соответствии со спецификацией несёт информацию об источнике времени, используемом ведущими часами. Значения атрибута приведены в таблице 3.

Таблица 3. Варианты значений флага timeSource в протоколе PTP
Тип источника времени	Код	Примечание
ATOMIC_CLOCK	0x10	Данные параметры характеризуют для ИЭУ статус глобальной синхронизации. Типовым для системы обеспечения единого времени подстанции является параметр GPS, соответствующий любой ГНСС в качестве источника точного времени.
GPS	0x20
TERRESTRIAL_RADIO	0x30
PTP	0x40
NTP	0x50	Данные параметры или не соответствуют требуемой точности (NTP), или соответствуют локальному режиму работы источника времени (INTERNAL_OSCILLATOR).
HAND_SET	0x60
OTHER	0x90
INTERNAL_OSCILLATOR	0xА0

Проверка подписчиков SV-потоков

В отличие от проверки издателей SV на корректность функционирования при нарушениях работы СОЕВ, тестирование устройств-подписчиков имеет больше вариантов и сценариев.

Особенностью испытаний подписчика является то, что ИЭУ РЗ, подписанное на несколько SV-потоков от разных издателей, должно контролировать как логику SmpSynch флагов синхронизации издателей (таблица 1), так и параметры часов СВ (таблицы 2, 3), рис. 5.

Рис. 5. Пример схемы испытаний подписчика SV

Контроль поведения подписчика (ИЭУ РЗ) при сценариях нарушений в работе СОЕВ выполняется оценкой логических сигналов в исходящих GOOSE-сообщениях и информации в MMS-отчётах.

Комплексная проверка с имитацией режимов СОЕВ необходима также для проверки функциональной совместимости устройств РЗ и ПАС (ЦИТ) разных производителей по причине отличий в их алгоритмах и логике, что может привести к неправильным действиям РЗ в процессе эксплуатации. Например, отсутствие блокирования при нарушениях в СОЕВ (игнорирование режима источника синхронизации) одного из элементов системы РЗ и неодинаковая/неодновременная внутренняя блокировка/деблокировка функций РЗ ИЭУ может привести к ложным или излишним отключениям.

Опыт испытаний ИЭУ РЗ при имитации режимов СОЕВ в эксплуатации

Рассмотренный функционал испытаний, реализованный в испытательном комплексе РЕТОМ-61850, имеет опыт применения на ВАПС при испытаниях ИЭУ РЗ с поддержкой протоколов МЭК 61850-8-1, МЭК 61850-9-2 (МЭК 61869-9) подключенных к шине процесса с ПАС и СОЕВ на основе РТР-серверов времени.

В соответствии с рассмотренными выше комбинациями настроек СВ РЕТОМ-61850 (рис. 4, таблицы 2, 3), генерировались сценарии испытаний устройства РЗ 7SL87 («Siemens AG», серия SIPROTEC 5 [11]), имеющего функцию контроля источника РТР, с подпиской на два SV-потока от двух ПАС трансформатора тока (ПАС ТТ) и напряжения (ПАС ТН), рис. 5.

В ходе пусконаладочных испытаний выполнялись комплексные проверки дифференциальной защиты линий (ДЗЛ), дистанционной защиты (ДЗ), токовой направленной защиты от КЗ на землю (ТНЗНП), резервной максимальной токовой защиты (МТЗ). Моделировались режимы имитации повреждений (КЗ на присоединениях) в SV-потоках при одновременном управлении состоянием синхронизации СВ, с контролем работы/блокировки в ИЭУ функций основной защиты (ДЗЛ), защит с цепями тока и напряжения, настроенных на разные SV-потоки (ДЗ, ТЗНП) и функции МТЗ, имеющей подписку на 1 SV-поток.

Оценка поведения функции синхронизации 7SL87 показала, что приоритет перед флагами SmpSynch в SV-потоках, имеют атрибуты РТР-протокола, т.е. предпочтение отдаётся состоянию СВ. При появлении в атрибутах Announce-пакетов СВ, не соответствующих характеристикам, приведённым в таблице 4, в 7SL87 блокировались соответствующие функции:

ДЗЛ, имеющей подписку только на один SV-поток от ПАС ТТ, но использующей волоконно-оптический (ВОЛС) канал связи с полукомплектом на противоположном конце линии электропередачи;
ДЗ, ТЗНП использующих измерения от двух ПАС.

В работе, независимо от состояния СВ и значений флагов SmpSynch, оставалась (и выполняла свои функции) только функция резервной МТЗ.

Таблица 4. Условия атрибутов в Announce-пакетах РТР-протокола, обеспечивающие рабочее состояние функций РЗ
Параметр РТР	Функция РЗ
	ДЗЛ	ДЗ, ТЗНП (два SV-потока)	МТЗ(один SV-поток)
clockClass	6	6, 7, 52	любой
timeSource	ATOMIC_CLOCK; GPS; TERRESTRIAL_RADIO; PTP		любой

Следует отметить особенность тестирования системы РЗ ВАПС совместно с СОЕВ на действующем объекте. В отличие от протоколов стандарта МЭК 61850 для SV-потоков и GOOSE-сообщений, где предусмотрен режим «Тест» («Simulation»), для протокола РТР такой режим отсутствует. При необходимости использования функции СВ в испытательной установке для испытаний, выведенных в тестовый режим, но физически подключенных к ЛВС и СОЕВ ВАПС ИЭУ РЗ, можно использовать настройки доменов РТР испытательного прибора и проверяемых устройств, выполняя изменение проектного РТР-домена ЛВС в проверяемых устройствах на время испытаний. Коммутаторы шины процесса должны при этом поддерживать мультидоменный режим, при котором их перенастройка в процессе испытаний с моделированием сценариев нарушений СОЕВ не потребуется.

Для исключения ошибочных действий эксплуатационного персонала при работе на ПС с подключением СВ РЕТОМ-61850, включающих перенастройку оборудования ВАПС на источник времени от РЕТОМ-61850, предусмотрены установленные в настройках программного обеспечения по-умолчанию режим РТР «ведомый» («slave») и низкий приоритет часов (priority 1, priority 2) равный 248 (соответствующий только ведомым часам).

Выводы

Комплексные испытания вторичного оборудования высокоавтоматизированных подстанций, учитывающие влияние источника точного времени на все элементы системы релейной защиты, позволяют обеспечить надежность и эффективность функционирования в аварийных и эксплуатационных режимах энергосистемы. Использование предложенного инструмента в составе цифрового испытательного комплекса при аттестации интеллектуальных электронных устройств, приёмке из наладки и эксплуатации позволяет выполнять оценку поведения и устойчивости релейной защиты при нарушениях в системе обеспечения единого времени.
Следует дополнить нормативно-техническую документацию по аттестационным испытаниям, проектированию и правилам технического обслуживания оборудования релейной защиты высокоавтоматизированных подстанций соответствующими требованиями к проведению испытаний системы обеспечения единого времени.

Литература

IEC/IEEE 61850-9-3:2016 Communication networks and systems for power utility automation – Part 9-3: Precision time protocol profile for power utility automation. Edition 1.0. / International Electrotechnical Commission. – 2016.
СТО 56947007-29.240.10.256-2018 Технические требования к аппаратно-программным средствам и электротехническому оборудованию ЦПС. Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС». Дата введения: 21.09.2018.
Дони Н.А. Особенности совместного использования устройств релейной защиты на основе стандарта IEC 61850-9-2LE и защит с традиционными входными аналоговыми цепями // Релейщик. 2015. №1. С. 40-43.
IEC 61850-9-2. Communication networks and systems for power utility automation – Part 9-2: Specific communication service mapping (SCSM) – Sampled values over ISO/IEC 8802-3. Edition 2.1. / International Electrotechnical Commission. – 2020.
Шалимов А.С. Тестирование специальных алгоритмов устройств релейной защиты с использованием шины процесса IEC 61850-9-2LE // Релейная защита и автоматизация. – 2017. – № 3 (28). – С. 39-42.
Рыжов Э.П., Шалимов А.С. Тестирование интеллектуальных электронных устройств с поддержкой IEC 61869-9 // Релейная защита и автоматизация. 2020. № 3 (40). С. 30-36.
Комплекс программно-технический измерительный цифровой РЕТОМ-61850. Руководство по эксплуатации БРГА.441461.014 РЭ. Редакция 221222.
IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, IEEE Std. 1588-2008, 24 Jul. 2008.
IEC 61869-9 Instrument Transformers – Part 9: Digital Interface for Instrumental Transformers / International Electrotechnical Commission. –
МЭК 61850-5:2013 Communication networks and systems for power utility automation – Part 5: Communication requirements for functions and device models. Edition 2.0. / International Electrotechnical Commission. – 2013.
SIPROTEC 5 Дистанционная защита и дифференциальная защита линии и управление для 1- и 3- фазного отключения 7SA87, 7SD87, 7SL87, 7VK87 V40 и выше. Руководство по эксплуатации. Версия документа: C53000-G5056-C011-E.04. Редакция: 09.2021.