22 сентября 2016

Доклад НИПОМ на VII международной научно-технической конференции «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА ГЛАЗАМИ МОЛОДЕЖИ – 2016»


АПАРАТНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕРМИНАЛОВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ НА БАЗЕ СТАНДАРТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 

А.Н. Петров
ОАО «НИПОМ», Нижний Новгород, Россия

Аннотация

Существуют различные подходы к реализации релейных защит. Различают защиты с жесткой аппаратной логикой, гибкой логикой, микропроцессорные защиты. Традиционно считается, что чем меньше элементов содержит релейная защита, тем она надежнее, поэтому и для ее проектирования нужны специальные методы и компоненты. Отчасти это справедливо, если рассматривать релейную защиту как специализированную выделенную подсистему, не связанную с другими технологическими подсистемами электроэнергетических объектов. С развитием стандарта МЭК 61850 с одной стороны и широким спектром предлагаемых стандартизованных компонентов для реализации АСУ ТП в электроэнергетике с другой, предлагается рассматривать релейную защиту, как одну из взаимосвязанных подсистем цифровой подстанции. При таком рассмотрении с учетом высокой надежности компонентной базы АСУ ТП автор считает возможным реализацию релейной защиты на универсальной компонентной базе АСУ ТП.

Автором предлагается реализованная архитектура микропроцессорного терминала релейной защиты высоковольтных линий 110-220 кВ, спроектированного по модульному принципу на стандартизованных компонентах для промышленной автоматизации, выпускаемых множеством производителей. Рассматриваемый терминал РЗА использует новые алгоритмы цифровых измерительных органов релейной защиты, обладающие улучшенными точностными характеристиками и устойчивостью к изменению частоты и наличию апериодической составляющей, соответствует стандарту МЭК 61850, а его архитектура позволяет полностью отделить алгоритмическую обработку и логику от аппаратной части. Такой подход обеспечивает сокращенное время производства изделия на любой компонентной базе под управлением любой из широко применяемых операционных систем без потери надежности при меньшей стоимости.

Отдельно автор обращает внимание на вариант исполнения терминала РЗА, выполненный в рамках импортозамещения на отечественной аппаратно-программной платформе Эльбрус (Центральный процессор, контроллер периферийных интерфейсов, BIOS, операционная система, сертифицированная Гостехкомиссией РФ) и удовлетворяющий требованиям по информационной безопасности (кибербезопасности) в электроэнергетической отрасли РФ.

Ключевые слова: релейная защита, испортозамещение, кибербезопасность, надежность электроснабжения, АСУ ТП, цифровая подстанция, МЭК 61850.
 

IDENTIFICATION OF STATISTICAL PROPERTIES OF RANDOM ERRORS ACCOMPANYING STEADY-STATE SYNCHRONIZED CURRENT AND VOLTAGE PHASOR MEASUREMENTS

A.N. Petrov
NIPOM JSC, Nizhny Novgorod, Russia

Abstract

There are different approaches to the implementation of protection relays. Distinguished protection with a rigid hardware logic, flexible logic and microprocessor-based protection. Traditionally believed that less number of elements of protection relay leads to structure that is more reliable, therefore, it requires special design techniques and components. This is partly true, if we consider protection relay as a specialized selection of subsystems, which are not associated with other technological subsystems of electric power facilities. With the development of the IEC 61850 standard on the one hand and a wide range of standardized components for the implementation of PCS in the power sector on the other, it is proposed to consider relay protection as one of the interconnected subsystems of the digital substation. Taking into account high reliability of current PCS component base author propose to implement protection relay on the component basis of universal control systems.

Author propose a microprocessor architecture of protection relay for high-voltage lines 110-220 kV, designed in a modular structure on standardized components for industrial automation, produced by a variety of manufacturers. Described protection relay uses new algorithms for digital measurement with improved accuracy characteristics, resistance to frequency changes and the presence of DC component. Such device fully corresponds to IEC 61850 and its architecture allows complete separation of logic and algorithmic processing from hardware. This approach provides a reduced time of protection relay producing based on any element base and under control of any of the widely used operating systems without loss of reliability at a lower cost. 

Separately, author pay attention to the embodiment of protection relay made in the framework of import substitution with domestic software and hardware platform (CPU, controllers of peripheral interfaces, BIOS, operating system, certified by the State Technical Commission of the Russian Federation) and meets the requirements for information security (cyber security) in the electric power industry of the Russian Federation.

Key words: relay protection, import substitution, cyber security, reliability of power supply, automation systems, digital substation, IEC 61850.

I.    ВВЕДЕНИЕ

Мировая электроэнергетика развивается по пути интеллектуализации, объединяемой широким понятием Smart Grid. Не смотря на то, что это понятие не имеет устоявшегося определения, оно все чаще встречается в нормативных документах, употребляется специалистами в электроэнергетике, а элементы Smart Grid начинают внедряться и в национальной единой энергосистеме, что подтверждается принятой в 2012 году ОАО «ФСК ЕЭС»  «Концепцией интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью» (ИЭС ААС).
Следуя мировым тенденциям за последние пятнадцать лет в отечественной электроэнергетике отмечается устойчивый рост применения специализированного микропроцессорного оборудования и программного обеспечения различного назначения, началось фактическое использование стандарта МЭК 61850, в том числе и для решения задач релейной защиты и противоаварийной автоматики.
Существуют различные подходы к реализации релейных защит. Различают защиты с жесткой аппаратной логикой, гибкой логикой и выполненные на микропроцессорной базе.

II.    АНАЛИЗ ИСПОЛНЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ЗАЩИТ

Микропроцессорные релейные защиты представляют собой специализированные цифровые автоматы, предназначенные для реализации заданного набора функций (рис.1). 
 

Первые микропроцессорные защиты практически повторяли по функциям электромеханические и статические реле и имели преимущественно жесткую, не расширяемую логику функционирования. Специализация функций защиты, минимально достаточный набор выполняемых операций, использование высоконадежных вычислительных компонентов в совокупности обеспечивали высокую надежность цифровых реле.
Выбор собственных алгоритмов реализации отдельных функций релейной защиты, технического исполнения компонентов и блоков, входящих в её состав, элементов вычислительной техники и др. определили развертывание специализированных производств микропроцессорных устройств релейной защиты. Отсутствие глубокой стандартизации в момент разработки первых устройств микропроцессорной РЗА привело к проблемам несовместимости защит отдельных производителей, невозможности взаимозаменяемости отдельных блоков и узлов и др. Эксплуатирующим организациям до сих пор приходится иметь для защит определенного производителя специально обученный персонал, ремонтный фонд и ЗИП, набор проверочных специализированных программ, приборов и др.
С другой стороны, производители микропроцессорной релейной защиты часто сталкиваются с такими проблемами, как:

  • требование процедур усиленного входного контроля качества вычислительных компонентов из-за брака и контрафактной продукции [1];
  • требование постоянного контроля на всем этапе изготовления печатных плат терминалов РЗА;
  • организация производства требует существенных площадей, энергозатрат, привлечения квалифицированной рабочей силы, что увеличивает себестоимость изделия;
  • периодическая смена элементной базы приводит к вынужденному перепроектированию печатных плат с последующей отладкой, сертификацией, что увеличивает сроки обновления продуктовых линеек и создает проблему одновременной поддержки разных версий схемотехнических решений у заказчиков и производителей.

Специфика исполнения терминалов цифровой релейной защиты определила две характерные особенности реализации текущих задач:

  • во-первых, следует отметить реализацию стандарта МЭК 61850 в выпускаемых сегодня релейных защитах, что отчасти объясняет несовместимость релейных защит различных производителей при декларировании соответствия стандарту МЭК 61850. Поскольку она была вынужденной мерой в ответ на требования электроэнергетической отрасли, ее техническая реализация на существующей аппаратной базе привела к тому, что требования стандарта выполняются либо частично, либо допускаются вольные трактовки отдельных частей стандарта. Это вызвано тем, что загрузка выполнением различных сервисных задач центральными процессорами микропроцессорных защит зачастую достигает 80-90%, другими словами, производители сталкиваются с зависимостью от ранее разработанного программного кода и аппаратными ограничениями, решение которых требует существенных временных и капитальных вложений;
  • во-вторых, трудности в переходе на отечественную элементную базу по программе импортозамещения. Ограниченность выбора средств вычислительной техники российского производства, особенности структурного исполнения терминалов релейной защиты, зависимость от разработанного специального программного обеспечения, необходимость кардинального изменения производства и другие проблемы не позволяют российским производителям цифровой релейной защиты оперативно решить задачи импортозамещения.

III.    ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ЗАЩИТ.

Среди наиболее отчётливо выделенных перспективных направлений развития современной микропроцессорной релейной защиты следует выделить:

  • переход на новую элементную базу производства защит с учетом импортозамещения;
  • кибербезопасность релейной защиты с учетом реализации стандарта МЭК 61850;
  • совершенствование программного обеспечения терминалов цифровой релейной защиты, направленного на обеспечение взаимодействия с оборудованием цифровой подстанции, а также, удобства и расширяемости средств защиты.

Развитие компонентной базы АСУ ТП привело к снижению её стоимости. Выпускаемые сегодня промышленные компьютеры и контроллеры ориентированы на работу в самых различных условиях эксплуатации и доказали свою высокую надежность. Оснащение компонентной базы АСУ ТП выпускаемыми серийно микропроцессорами различной вычислительной мощности и способности параллельного выполнения вычислений практически не ограничивает разработчиков в выборе платформы для синтеза цифрового автомата релейной защиты на стандартно выпускаемых промышленностью компонентах АСУ ТП.
Важно, что построение релейной защиты на стандартных компонентах АСУ ТП позволяет:

  • существенно сократить производственные площади, затраты на производство, энергоемкость и др.;
  • повысить надежность устройств защиты за счет использования надежного компонентного базиса промышленной автоматизации, обеспеченного усиленным контролем ведущих производителей вычислительной техники;
  • обеспечить масштабируемость и широкое развитие программно-аппаратного обеспечения за счёт совместимости средств АСУ ТП различных производителей, а также, кроссплатформенности программного обеспечения;
  • привлечь новых производителей устройств защиты, поскольку для организации производства необходимо немного капиталовложений;
  • и ряд других возможностей. 

С учетом импортозамещения видится перспективным применение вычислительной платформы на базе процессоров «Эльбрус» российских разработчиков ИТМиВТ, ИНЭУМ им. Брука и ЗАО «МЦСТ», выпускающих средства автоматизации для оборонно-промышленного комплекса и космической отрасли. Технические решения, выполненные на базе аппаратно-программной платформы «Эльбрус», эксплуатируются в жестких с точки зрения температуры окружающей среды, влажности, ЭМС и помех различного характера, механических, химических воздействий, вибраций условиях и демонстрируют высокую надежность. Например, за основу создания терминала РЗА на ОАО «НИПОМ» в качестве промышленного компьютера выбран высокопроизводительный вычислительный модуль МB3S/C-К на базе системы на кристалле с архитектурой «Эльбрус-2C+» и кондуктивным отводом тепла (рис.2). Модуль МB3S/C-К относится к аппаратуре общего применения вида 1, работающей в режиме непрерывного длительного применения, невосстанавливаемой в процессе эксплуатации и необслуживаемой в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.303-98.

 Выпускаемая серийно отечественными производителями компонентная база на процессорах «Эльбрус» обширна, а операционная система реального времени «Эльбрус» сертифицирована Гостехкомиссией РФ на отсутствие недокументированных возможностей.
    С точки зрения кибербезопасности терминал цифровой релейной защиты должен использовать отечественную доверительную платформу, ключевые компоненты которой:

  • операционная система;
  • процессор;
  • контроллер периферийных интерфейсов;
  • базовая система ввода-вывода (BIOS)

разработаны в России, силами отечественных специалистов и имеют полную конструкторскую документацию.
Кроме платформы «Эльбрус» при разработке терминала релейной защиты были выбраны и другие производители вычислительной техники для обеспечения предпочтений и финансовых возможностей заказчика (таблица 1).

При этом функционал терминалов никак не связан с производителем компонентной базы и обеспечивается для всех вариантов производимой защиты. Возможна реализация бюджетного варианта цифровой защиты, например, для необслуживаемой цифровой подстанции, когда часть терминалов обеспечивается централизованным управлением и настройкой, поэтому выполняется без экрана и системы местного ввода-вывода информации. Аппаратно терминал выполнен в виде кассеты блочной конструкции с задним присоединением внешних проводов и оборудован системой тестового контроля, служащей для проверки работоспособности основных узлов и блоков [2]. В корпусе расположены платы ТС/ТУ (телесигнализации, телеуправления), плата ТИ (телеизмерений), кросс-плата, блок питания и компьютер в промышленном исполнении. Платы ТИ, ТС/ТУ, которые выполнены универсальными с расчётом на использование с любыми промышленными компьютерами и платами I/O. Платы I/O разных производителей имеют разные конструктивные разъёмы. Для согласования кабельной части универсальных плат ТИ, ТС/ТУ с платами I/O разработана кросс плата. Каждая плата ТС/ТУ содержит 11 каналов ТС и 10 каналов ТУ (рис.3). Таким образом, в одном корпусе можно выполнить до 66-ти каналов ТС и до 60 каналов ТУ. При необходимости исполнения вариантов терминалов с большим количеством каналов существует возможность их удвоения.
Одним из важнейших элементов цифровых релейных защит является программное обеспечение, как непосредственно ядра самого терминала, так и средства его конфигурирования, управления, контроля состояния и проверки работоспособности. Эволюционируя вместе с усложнением аппаратной части, которое, как уже отмечалось выше, было связано с выбором технического исполнения собственных алгоритмов реализации отдельных функций защиты различными производителями и отсутствием стандартизации, оно унаследовало ряд проблем. Зачастую для разных модификаций терминалов даже одного производителя приходилось использовать разные программы, для подключения к терминалам с персонального компьютера или ноутбука – разные драйверы, причем подключение к терминалу было возможно только через локальный последовательный низкоскоростной интерфейс (RS-232). С появлением поддержки МЭК 61850 появились утилиты конфигурации протоколов этого стандарта, различные программы-конверторы файлов одних форматов в другие и т.д.   
Это многообразие программного обеспечения со своими особенностями работы существенно усложняло выполнение повседневных обязанностей оперативным персоналом объектов электроэнергетики и специалистов по релейной защите. А если на объекте установлены цифровые защиты разных производителей, то количество сервисного программного обеспечения, необходимого для работы, увеличивалось вдвое. В конечном счете вероятность совершения ошибки в настройках релейной защиты при работе с таким многообразием программ со стороны персонала возрастала, а цена этой ошибки могла быть высокой.

Реализация концепции цифровой подстанции, как единицы технологического управления в интеллектуальной электрической сети, заставила пересмотреть архитектуру специализированного ПО для релейной защиты с учетом перспективы, связав её в логическую цепочку «производство – проектирование - эксплуатация». Например, при использовании релейных защит  программное обеспечение соответствует стандарту МЭК 61850 1-й редакции и по функциональному назначению разделено на три уровня (рис.4):

  • уровень управления подсистемой релейной защиты объекта (цифровой подстанции);
  • уровень проектирования и моделирования логики отдельного терминала защиты объекта;
  • уровень оперативного взаимодействия с терминалом защиты и контроля состояния терминалов защиты объекта.

Такое разделение функций между программным обеспечением наиболее точно отражает для каких категорий персонала оно предназначено, но в то же время позволяет им совместно оперировать в терминах единой семантической модели предметной области РЗА и стандарта МЭК 61850. Из особенностей ПО управления подсистемой релейной защиты объекта (цифровой подстанции) можно отметить возможность сопровождения всего жизненного цикла релейной защиты объекта в рамках единого проекта и частичную поддержку терминалов РЗА сторонних производителей (из-за ограничений конкретной реализации МЭК 61850 этими производителями). ПО оперативного взаимодействия с терминалом защиты (рис.5) эмулирует привычные для цифровых защит предыдущего поколения физические органы управления и сигнализации и может быть запущено как локально на терминале, так и удаленно на компьютере технологического персонала, подключенном к вычислительной сети терминалов РЗА объекта.

IV.    ВЫВОДЫ

1.    Для оперативного решения перспективных задач импортозамещения и кибербезопасности при аппаратурной реализации современных терминалов релейной защиты целесообразно применение стандартных компонентов АСУ ТП отечественного производства, выполненных на базе процессоров «Эльбрус».
2.    Проектирование и исполнение программного обеспечения терминалов, разделение функций между его составными частями должно быть ориентировано на определенные категории обслуживающего персонала и оперировать в терминах единой семантической модели релейной защиты и стандарта МЭК 61850. Примером такого исполнения может выступать программное обеспечение терминалов РЗА ОАО «НИПОМ».
 

Список литературы

[1]    Щавелев В.С Безупречность не всегда гарантирует работу изделий/ В.С. Щавелев//Энергетика и промышленность России – 2014 – с. 13 
[2]    Конструкторская документация на терминал РЗА , ОАО «НИПОМ»

References

[1]    Shchavelev V.S. Bezuprechnost ne vsegda garantiruet rabotu izdeliy [Perfection is not always guaranteed to work products] Energetika i promyishlennost Rossii [Energy and Industry of Russia] vol.9 2014 p. 13
[2]    NIPOM JSC The design documentation to the terminal of relay protection and automation 

Презентация НИПОМ на конференции "Электроэнергетика глазами моложежи - 2016"

подписаться на рассылку

Подпишитесь на рассылку, чтобы быть в курсе актуальных новостей, анонсов мероприятий и полезной информации, касающихся компании «НИПОМ» и ее продукции