Влияние нарушения синхронизации цифровых потоков данных на поведение релейной защиты и автоматики

Введение

Корректность функционирования интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ) релейной защиты, сетевой и противоаварийной автоматики (РЗА и ПА) во многом зависит от стабильности системы синхронизации времени. Протоколом МЭК 61850-9-2 (Sampled Values – SV) [1] определены строгие правила формирования, передачи и приема данных в виде сетевых SV-потоков. В реальных условиях при реализации этих процедур возможны сбои и отклонения от установленных правил. Особенно уязвимой является операция синхронизации данных.

Ранее [2-4] были рассмотрены способы проверки специальных алгоритмов ИЭУ РЗА при пропуске, задержке и перемешивании сетевых пакетов в SV-потоках с разными алгоритмами искажений и их комбинациями, в том числе, с наложением сетевых коллизий локально-вычислительной сети (ЛВС) на процессы в электроэнергетической системе (ЭЭС).

При аттестации ИЭУ РЗА (подписчики SV) проходят сертификационные испытания (например, методика [5, 6]). Значительный объём в указанных проверках   занимают «негативные» тесты, требующие моделирования режимов, вероятность возникновения которых практически исключено в реальных условиях эксплуатации на высокоавтоматизированных подстанциях (ВАПС). Однако они представляют интерес с точки зрения оценки устойчивости поведения ИЭУ в нестандартной ситуации. Следует отметить, что аттестация функции подписчика SV по корректным измерениям и реакции на искажения в SV-потоках выполняется отдельно от проверки функционирования алгоритмов РЗА с моделированием аварийных процессов в ЭЭС.

Одной из реальных ситуаций для ВАПС с шиной процесса МЭК 61850-9-2, при которой возможна неправильная работа функций РЗА, использующих подписку на SV-потоки, является неисправность внутренней временной синхронизации издателя SV (преобразователя аналоговых сигналов (ПАС) или цифрового измерительного трансформатора (ЦИТ)), при которой начинается дрейф системы публикации SV одного или нескольких SV-потоков, на которые подписано ИЭУ РЗА.

В статье рассмотрено влияние смещения SV-потока на функционирование специального алгоритма компенсации сетевых коллизий, блокировки при неисправности в шине МЭК61850-9-2 и особенности поведения функций РЗА, использующих измерения из разных SV-потоков.

Нарушение синхронизации SV-потоков в шине процесса МЭК 61850-9-2

Сервер единого времени (СЕВ) энергообъекта, как правило, работающий по протоколу РТРv2 [7] исключает фазовые сдвиги обрабатываемых сигналов издателей SV [8]. При потере/ухудшении приёма спутниковых сигналов, СЕВ должен устанавливать в исходящих пакетах РТРv2 Announce соответствующие статусы состояния синхронизации времени (поля данных Сlock Class, Clock Accuracy, time Source и т.д.) [9], рис. 1. Издатели SV – ПАС и электронно-оптические блоки ЦИТ учитывают эти данные в алгоритме установки флага синхронизации smpSynch в исходящем SV-потоке. 

Рис. 1 – Структура и данные пакета Announce протокола синхронизации РТР

В противном случае источниками SV будут генерироваться локально синхронизированные, но глобально смещающиеся SV-потоки, что может привести к отказу или неправильной работе основных дифференциальных защит линий электропередачи, использующих мгновенные значения в цифровых отсчётах измерений на разных ВАПС. Не исключены ситуации, при которых независимо от состояния системы обеспечения единого времени (СОЕВ) SV-потоки одного или нескольких издателей SV будут смещаться непосредственно в пределах шины процесса ВАПС, оказывая влияние на дифференциальные, дистанционные и направленные токовые защиты, использующие подписку на SV-потоки разных измерительных преобразователей.

Известно, что для устранения неравномерности поступления цифровых отсчётов (ЦО), ИЭУ РЗА оснащены специальными алгоритмом – буфером компенсации сетевых задержек в шине процесса [8, 10]. Размер буфера устанавливается изготовителем РЗА и обычно составляет не более 2-3 мс. Указанная величина глубины буфера может быть определена экспериментально с помощью испытательного комплекса для проверки ИЭУ РЗА [2, 4].

Смещение сетевых пакетов SV-потока (рис. 2) можно рассматривать как результат коллизии – задержки передачи пакетов в локально-вычислительной сети шины процесса или неисправности (рассинхронизации) издателя SV. Характер динамики смещения SV для этих случаев будет отличаться и может оказывать разное влияние на функционирование специального алгоритма ИЭУ по компенсации неравномерности поступления ЦО.

Рис. 2 – Смещение сетевых пакетов SV-потока относительно глобального времени

Дискретное смещение SV-потока с минимальным шагом в 1 сетевой пакет – 250 мкс (для МЭК 61850-9-2LE) и его влияние на поведение РЗА, рассмотренное в источнике [4], является «простым» для специального алгоритма сведения ЦО из разных SV-потоков с одинаковыми значениями счётчиков SV (smpCnt).Такое смещение будет однозначно компенсировано до выхода пакетов за пределы буфера ИЭУ.  При выходе пакета за пределы буфера ИЭУ произойдёт блокировка соответствующих функций РЗА и сигнализация недостоверности данных в шине процесса.  

Линейное смещение SV-потока с заданной скоростью относительно глобального времени и других глобально синхронизированных SV-потоков может привести к неопределённости в обработке ЦО, находящегося на границе буфера компенсации, при передаче его в схему алгоритмов РЗА. Указанная неопределённость состояний достоверности/недостоверности данных SV будет предшествовать однозначной оценке смещения SV-потока за пределы буфера и блокировке требуемых функций РЗА. Интерпретация данного состояния и логика обработки сигналов в алгоритмах ИЭУ, как правило, отличается для разных изготовителей.

Кроме указанного, смещение SV-потока относительно глобального времени и других глобально синхронизированных SV-потоков, приводит к угловой погрешности в функциях РЗА, использующих измерения сопротивления, мощности, дифференциального тока и т.д.

Угловая погрешность в измерениях аналоговых сигналов в рассинхронизированных SV-потоках увеличивается в пределе до выхода за границу буфера компенсации и, в первом приближении (для аналогового сигнала с частотой 50 Гц), может быть определена по формуле:

где T_ИСК – продолжительность коллизии смещения, с.

Для буфера с установленным максимальным размером в 3 мс, угловая погрешность составит 54°.

            Процесс смещения SV-потока в ЛВС можно, условно, наложить на два эксплуатационных режима ЭЭС – нормальный (установившийся режим) и аварийный (короткое замыкание – КЗ). В нагрузочном режиме ЭЭС смещение SV, к примеру, может вызвать дополнительное повышение небаланса для дифференциальных токовых защит и смещение в зону срабатывания вектора нагрузки для дистанционной защиты.

Одновременный процесс КЗ с коллизией в шине процесса маловероятен, но может рассматриваться как характерный случай для испытаний, при котором, во всех остальных ситуациях (КЗ без коллизии в ЛВС, или коллизии без КЗ в ЭЭС), ИЭУ РЗА будет функционировать в соответствии с заданными алгоритмами работы.

Оценка поведения специального алгоритма блокировки РЗА при моделировании смещения SV-потоков

Время возникновения неисправности шины процесса в ИЭУ при линейном смещении SV-потока может быть определено как:

где Т_БУФ – время буфера ИЭУ, с; ?_СМЕЩ – скорость смещения SV-потока в мкс/с;

Например, для Т_БУФ = 2 мс и ?_СМЕЩ = 100 мкс/с, время возникновения сигнала неисправности ИЭУ Т_{НЕИСП.9-2}, в течении которого углы между измерениями тока и и/или напряжения разойдутся до 36°, составит 20 сек.

Неопределённость взятия ЦО для алгоритмов РЗА обусловлена динамикой наложения процесса линейного смещения SV-потока с заданной скоростью (мкс/с) и джиттером неравномерного поступления сетевых пакетов SV в буфер ИЭУ (рис. 3):

где x(nT_Д) – время поступившего в буфер ИЭУ сетевого пакета, следующего с периодом T_Д (для МЭК618509-2LE – 250 мкс) в соответствии с протоколом SV, с; ξ(nT_Д) – смещение на величину джиттера, с; η(nT_Д) – линейное изменение смещения сетевого пакета, мкс (за секунду).

В первом приближении, джиттер пакетов SV может определяться Гауссовым стационарным шумом. Моделирование Гауссова стационарного шума для нормального закона распределения может выполняться на основе формулы плотности вероятности [11]:   

где σ – среднеквадратическое отклонение; μ – математическое ожидание (среднее значение).

На рис. 3 приведены графики генерируемых сетевых пакетов SV с σ = 50 мкс, линейным смещением 100 мкс/с и μ = 0, поступающих в буфер ИЭУ и выходная реакция специального алгоритма, определяющего выход пакетов за пределы буфера для дальнейшей блокировки или попытки восстановления пропущенного пакета.

Рис. 3 – Схема приёма сетевых пакетов для SV-подписчика на m-е количество SV-потоков

Тестирование ИЭУ при физическом моделировании смещения SV-потоков

Для дополнения проверки ИЭУ РЗА в режимах «грубого» дискретного изменения смещения [4], предлагается выполнять проверку функционирования РЗА с подпиской на 2 и более SV с «плавным» линейным смещением SV-потока с заданной скоростью, измеряемой параметром мкс/с.

Данный функционал реализован в программном обеспечении (ПО) «Генератор SV-потоков МЭК 61850» [12] программно-аппаратного испытательного комплекса (ПАК) РЕТОМ-61850 (рис. 5), предназначенном для функциональных испытаний подписчиков SV по методикам [5, 6].

Рассмотрим испытания с моделированием SV-потоков на примере имитации издателей ПАС ТТ и ТН (рис.6), с подключение ПАК к ИЭУ РЗА.

Исходные данные сценария испытаний:

1. ИЭУ РЗА с подпиской на SV1 (ПАС ТТ) и SV2 (ПАС ТН).
2. Величина буфера компенсации задержек составляет 2 мс.
3. Рассматриваемая функция РЗА – дистанционная защита (ДЗ) линии. Характеристика срабатывания ДЗ приведена на рис. 7. Вырез сектора нагрузки составляет 30º.
4. Моделируемый режим ЭЭС – симметричная нагрузка. Угол сопротивления нагрузочного режима – 0º.
5. Издатель SV2 ПАС ТН линейно смещает (задерживает) исходящий SV-поток со скоростью 100 мкс/c. Значение флагов синхронизации SmpSynch равно 2 (глобальная). Траектория смещения трёхфазной симметричной системы векторов из точки 1 в точку 2, с входом в зону срабатывания ДЗ, рис. 7.
6. Джиттеры SV-потоков в опыте не моделируются.
7. Длительность моделируемого режима – 20 сек.
8. Схема подключения ПАК для проведения теста приведена на рис. 8.

 

Рис. 4– К оценке поведения ИЭУ при линейном смещении SV-потока с джиттером

Результат испытаний для рассмотренного сценария на реальном ИЭУ приведён на осциллограмме, рис. 9. Функция ДЗ срабатывает без реального КЗ в ЭЭС, поскольку, для срабатывания сигнала неисправности шины процесса МЭК 61850-9-2 и блокировки ИЭУ необходим выход сетевого пакета за предельное время буфера (2 мс), которое соответствует смещению симметричной системы напряжений в SV2 относительно симметричной системы токов SV1 на 36º, при этом в зону срабатывания, определенную вырезом сектора нагрузки, вектор сопротивления входит раньше.

Аналогичные сценарии испытаний, с использованием рассмотренного инструментария моделирования рассинхронизации издателей SV, могут выполняться для других режимов ЭЭС и функций РЗА.

Рис. 5 – Настройки ПО «Генератор SV-потоков МЭК61850»

Рис. 6 – К проверке ИЭУ РЗА при моделировании сетевых искажений

Рис. 7– Алгоритм проверки ИЭУ РЗА с функцией ДЗ при моделировании смещения SV-потока

Рис. 8– Схема испытаний ИЭУ РЗА

Рис. 9– Осциллограмма испытаний ИЭУ РЗА

Выводы

1. Стандарт МЭК 61850 допускает определённые сетевые недетерминированные характеристики при передаче данных в ЛВС шины процесса на основе технологии Ethernet. Сетевые коллизии оказывают влияние на алгоритмы измерительных органов РЗА и, в определённой степени, компенсируются в специальных алгоритмах ИЭУ. Однако, некоторые реальные ситуации в шине процесса ВАПС могут вызвать неправильное действие или отказ функций РЗА.
2. В ИЭУ РЗА с подводимыми аналоговыми величинами из разных SV-потоков следует предусматривать специальные мероприятия по выявлению смещения SV-потока в пределах буфера выравнивания ЦО, поскольку указанное является дополнительным источником методических погрешностей для функций РЗА.
3. Моделирование сетевых искажений совместно с процессами в ЭЭС при помощи переносных испытательных комплексов позволяет оценить устойчивость алгоритмов РЗА при аттестационных испытаниях SV-подписчиков, а также при наладке, послеаварийных проверках, вызванных сетевыми инцидентами в ЛВС шины процесса и при обновлении внутреннего ПО ИЭУ РЗА ВАПС.

Литература

1. 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.
2. 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
3. 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.
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. СТО 56947007- 29.240.10.253-2018 «Типовые методики испытаний компонентов ЦПС на соответствие стандарту МЭК 61850 первой и второй редакций». Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС». Дата введения: 29.03.2018
6. Программа и методики испытаний на соответствие Корпоративному профилю МЭК 61850 ПАО "ФСК ЕЭС" (SV-подписка). Устройства ЦПС, обрабатывающие выборочные значения (SV). Редакция №1.9 / АО НТЦ ФСК ЕЭС. М. - 2022.
7. 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.
8. Дони, Н.А. Особенности совместного использования устройств релейной защиты на основе стандарта IEC 61850-9-2LE и защит с традиционными входными аналоговыми цепями / Н.А. Дони // Релейщик. – №1. – 2015. – С. 40.
9. Шалимов, А.С. Имитация режимов источника точного времени при испытаниях релейной защиты / А.С. Шалимов // Релейная защита и автоматизация. – 2023. – № 1 (50). – С. 82-86.
10. Атнишкин, А.Б. Функционирование РЗА при нарушениях синхронизации времени на цифровой подстанции / А.Б. Атнишкин, И.Н. Николаев // Релейщик. – 2024. – №2. – С. 9-13.
11. Корн Г.А., Корн Т.М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Москва: Наука, 1973.
12. Рыжов, Э.П. Программно-аппаратный комплекс для сертификации подписчиков SV / Э.П. Рыжов, Ю.Л. Смирнов, В.Э. Степанов // Технологический суверенитет России в области РЗА и АСУ ТП и устойчивость в условиях санкционных ограничений : Всероссийская научно-техническая конференция по релейной защите и автоматизации энергетических систем, Чебоксары, 23–25 апреля 2024 года. – Чебоксары, 2024. – С. 147-151.

 Булычев А.В.
Рыжов Э.П.,
Шалимов А.С.

г. Чебоксары
март 2025