Лекция. Архитектуры построения цифровых подстанций

Добрый день. Приветствую вас на курсе Применение технологий МЭК 61850 в электроэнергетике. Материал текущего занятия посвящён архитектурам построения цифровых подстанций и включает вопросы организации цифровой коммуникационной сети.

Лекция состоит из девяти частей. Начало лекции посвящено концепции создания цифровой подстанции как архитектуры нового поколения.

Информация об используемом умном оборудовании, включая измерительные преобразовательные устройства, а также коммутационное оборудование составляет центральную часть лекционного материала. Заключительные части содержат темы о коммуникационных сетях современных подстанций.

При создании концепции цифровой подстанции разработчики отталкивались от недостатков традиционных подстанций, существенным недостатком которых является наличие множества аналоговых соединительных проводов, обладающих плохой помехозащищённостью и ограниченных максимальной длиной в 400 м по условию затухания в них сигнала или падению напряжения.

Поэтому сложившаяся концепция цифровой подстанции подразумевает использование помехозащищённых оптоволоконных линий для передачи измерений и сигналов в цифровом виде от каждого устройства до единого информационного пространства. Контрольные измерительные кабели могут присутствовать на таких подстанциях для связи устройств сопряжения с первичным оборудованием.

Однако их длина, как правило, не превышает 5 м. Помимо этого, для решения задачи взаимозаменяемости оборудования была разработана единая модель описания функциональных возможностей как первичного, так и вторичного оборудования подстанции.

Рассмотрим виды источников измерительной и сигнальной информации, используемой на цифровых подстанциях, а также приведём примеры выпускаемого умного первичного оборудования.

Первым источником измерительной информации является устройство аналогового сопряжения. Оно используется в паре с традиционными электромагнитными измерительными трансформаторами. Такая пара называется электронным измерительным трансформатором. Устройство предназначено для оцифровки токовых и напряженческих измерительных сигналов и их передача в цифровом виде в единое информационное пространство подстанции, шину процесса по протоколу Sampled Values. К таким устройствам предъявляются особые требования по синхронизации, поэтому они должны иметь возможность работать с одним из соответствующих протоколов или синхронизирующих сигналов. В данном устройстве УНЦ используется синхронизация по отдельному каналу и РКБ.

Вторым устройством является устройство дискретного сопряжения, которое производит оцифровку дискретных сигналов и их передачу на шину процесса цифровой подстанции, а также их приём по протоколу GOOSE. Это устройство устанавливается в паре с традиционными коммутационными аппаратами для передачи на них дискретных сигналов от вторичных устройств, а также для оцифровки внутренних сигналов таких аппаратов. Например, сигналов о положении контактов, положении ключей управления, о состоянии цепей обогрева, состоянии приводов и других сигналов. На панели устройства располагаются разъёмы для подключения аналоговых цепей и Ethernet-порты для подключения к коммуникационной сети подстанции.

Существуют комбинированные устройства сопряжения, сочетающие в себе функции аналогового и дискретного устройств. Такие устройства устанавливаются в шкафах наружного исполнения на площадке распределительного устройства и осуществляют сбор и передачу сигналов от группы оборудования, находящегося в пределах одной ячейки, или по оси коммутационных аппаратов, или от смежных устройств вблизи кабельного лотка.

Для малых цифровых подстанций возможна установка одного устройства аналогово-дискретного сопряжения на площадке распределительного устройства. Четвёртый тип источников информации на подстанции представлен современными оптическими измерительными трансформаторами тока и напряжения, работа которых основана на эффекте Фарадея. Они могут иметь как раздельное исполнение, так и совмещённое. На слайде показана комбинированная колонна с функцией измерительного трансформатора тока и напряжения от компании Профотек. Связь с общей коммуникационной шиной подстанции осуществляется через комплектные электронно-оптические блоки, позволяющие передавать измерения не только по протоколу Sampled Values дискретностью 80 и 256 точек на период, но и по перспективному протоколу стандарта 61869-9 с настраиваемой частотой дискретизации.

Среди основных достоинств оптических измерительных трансформаторов следует выделить широкий диапазон первичных рабочих токов от 200 А до 40 кА, отсутствие насыщения, что особо важно для релейной защиты и автоматики, а также высокая точность измерений. Для защиты указывается класс точности 5ТПИ, который регламентирует максимальную пиковую мгновенную токовую погрешность.

На слайде представлены графики, демонстрирующие токовую и угловую погрешности оптического трансформатора тока. Красным цветом выделены зоны допустимой погрешности для класса точности 0,2S. Синим обозначены реальные интервалы погрешности оптического трансформатора при различной нагрузке. Из метрологических характеристик видно, что реальная токовая и угловая погрешности не превышают 0,1% и 10 минут соответственно и практически не зависят от загрузки трансформатора. Передача в цифровом виде измерений происходит с фактической погрешностью, тогда как заявленные в паспорте классы точности являются скорее требованиями существующей нормативно-технической документации.

Как было сказано ранее, на цифровых подстанциях должно применяться современное цифровое первичное оборудование. На примере силового выключателя можно показать, что распределительные шкафы, установленные у кабельных лотков, становятся больше не нужны, а подключение к цепям выключателя осуществляется по цифровому интерфейсу. Устройство управления, как правило, устанавливается на раме самого выключателя и представляет собой интеллектуальное устройство, содержащее преобразовательные функции аналогового и дискретного сопряжения, а также функции контроля показаний внутренних датчиков. В рамках объектной модели стандарта эти функции описываются логическими узлами. Например, XCBR - это функция контроля состояния коммутационных контактов и так далее. В правой части слайда представлен комбинированный коммутационный аппарат фирмы ABB с поддержкой МЭК 61850, обладающий встроенными умными функциями, такими как измерение тока, управление коммутацией и контроль параметров встроенных датчиков.

Поскольку устройства с полной поддержкой стандарта всё ещё стоят достаточно дорого, могут использоваться альтернативные варианты построения архитектур цифровых подстанций. Первым является решение, которое может быть использовано при техническом перевооружении существующих подстанций. Оно включает использование полевых комбинированных устройств аналогово-дискретного сопряжения, собирающих аналоговые сигналы с первичного оборудования и измерительных устройств. Такое решение имеет слабые возможности по гибкому конфигурированию, поскольку группа оборудования с точки зрения модели стандарта представляется одним интеллектуальным устройством сопряжения.

Гибридный вариант подходит для строящихся подстанций и отличается от предыдущего тем, что каждый коммутационный аппарат и измерительный трансформатор напряжения имеет свой собственный интеллектуальный преобразовательный блок, который передаёт данные на общий полевой коммутатор. Это решение имеет большие возможности по конфигурированию при относительно невысокой стоимости строительства. Недостатком гибридной архитектуры является наличие полевого коммутатора.

Третий вариант подразумевает использование полностью цифрового первичного и измерительного оборудования. Каждому из которых подходят кабель питания и цифровой кабель связи. Это решение является самым технологичным и на сегодняшний день имеет наибольшую стоимость строительства.

Данный слайд демонстрирует различия в кабельных лотках традиционной и цифровой подстанции. Кабельный лоток традиционной подстанции содержит множество контрольно-измерительных кабелей, сигнальных кабелей и кабелей питания, проложенных вместе и соединяющих вторичные системы с первичным оборудованием по принципу подключения точка-точка. В правой части слайда показано внутреннее устройство полевого шкафа сопряжения фирмы General Electric, установленного на открытом распределительном устройстве цифровой подстанции.

Рассмотрим существующие архитектуры в части компоновки коммуникационных сетей цифровых подстанций. Все архитектуры цифровой подстанции построены по иерархическому принципу, в котором в общем случае можно выделить три уровня.

На самом нижнем полевом уровне располагаются измерительные датчики. Информация с этих датчиков поступает в общую коммуникационную сеть подстанции. Средний уровень, который называется уровнем присоединения, содержит интеллектуальные вторичные устройства, такие как терминалы защиты и автоматики, контроллеры присоединения, счётчики электрической энергии, связанные с конкретным электрическим присоединением подстанции.

Верхний или подстанционный уровень содержит общие для всей подстанции устройства. К ним относятся система SCADA, сервер точного времени и коммуникационный контроллер, осуществляющий отправку данных в диспетчерские центры. Обмен информацией между IED происходит не напрямую, а через общую коммуникационную сеть, через которую передаётся множество измерительной информации и сигналов. Для разгрузки коммуникационной сети и обеспечения безопасности её, как правило, разделяют на две независимые шины: шину процесса и шину станции. Шина процесса осуществляет связь устройств уровня присоединения с полевым уровнем через протоколы Sampled Values и GOOSE, тогда как шина станции обеспечивает связь устройств с подстанционным уровнем через коммуникационные протоколы GOOSE и MMS.

В стандарте ФСК ЕЭС приводится следующая полная трёхуровневая компоновка цифровой подстанции, описанная ранее. Она требуется при создании цифровых систем АСУ ТП, ССПИ, СОТИ и автоматизированных информационно-измерительных систем. Для крупных подстанций с несколькими классами напряжения может использоваться сетевое секционирование, подразумевающее создание раздельных шин процесса для каждого класса напряжения. Распределительные устройства классов напряжения от 6 до 20 кВ вместо трёхуровневой схемы используют схему без шины процесса, называемую двухуровневой схемой.

В ячейках распределительных устройств среднего напряжения все сигналы и вторичные устройства сосредоточены локально в ячейках, поэтому создание шины процесса в этом случае экономически необоснованно. Кроме того, варианты архитектуры без шины процесса могут применяться при частичной цифровизации подстанции, которая подразумевает замену вторичных устройств и организацию цифрового коммуникационного обмена только системами верхнего уровня. При этом измерения и сигналы между полевыми устройствами и уровнем присоединения передаются в аналоговом виде. Такая компоновка системы подстанции называется двухуровневой или полуторной.

Эффективность внедрения различных решений для цифровой подстанции по данным распределительной сетевой компании показана в данной таблице. Самыми эффективными являются технологии, внедряемые на верхнем уровне подстанции, поскольку не требуют значительных затрат на реконструкцию. На уровне присоединения применение многофункциональных устройств, сочетающих в себе функции защиты, автоматики и контроллера присоединения, а также организация цифрового коммуникационного обмена между устройствами, оправдана только для классов напряжения 35 кВ и ниже. На уровне присоединения обоснованным является установка полевых устройств сопряжения совместно с традиционным коммутационным и измерительным оборудованием. Как уже отмечалось, такое решение не даёт больших возможностей по конфигурированию. Оснащение первичного оборудования индивидуальными преобразователями, а тем более использование цифровых измерительных преобразователей, является неэффективным, дорогим решением. Таким образом, сегодня эффективность решения становится важнее его новизны, и это сдерживает комплексное внедрение цифровых технологий на подстанциях.

Следующий раздел лекции посвящён описанию основ функционирования коммуникационной сети подстанции и её элементов. Введение в коммуникационные сети начинается с сетевой модели стека сетевых протоколов OSI.

Посредством данной модели различные сетевые устройства могут взаимодействовать друг с другом. Модель состоит из уровней и в полном виде включает семь уровней иерархии. В цифровой подстанции взаимодействие систем происходит на пяти уровнях. Кратко опишем эти уровни, начиная с нижнего и заканчивая верхним. Самый нижний физический уровень предназначен для передачи битов информации через две соединённые точки. Функция передачи данных в виде кадров осуществляется на канальном уровне, где реализуются протоколы Sampled Values и GOOSE, для которых критично время доставки. Сетевой уровень IP реализует механизмы адресации и маршрутизации пакетов информации. Выше него находится транспортный уровень, отвечающий за передачу данных между сетевыми подсистемами и реализующий механизм подтверждения доставки в TCP, что особенно важно при передаче информации в системы подстанционного уровня. Верхний прикладной уровень представлен всеми коммуникационными профилями стандарта.

Передача данных на цифровой подстанции осуществляется с использованием стандарта Ethernet DIX, названного по заглавным буквам компаний, принимавших участие в его разработке. В рамках данного стандарта информация передаётся в составе кадра максимальной длиной 1518 байт. Внутри кадр можно разделить на три составляющие. Первая составляющая - заголовок длиной 14 байт. Он содержит информацию о MAC-адресе устройства источника и устройства назначения, а также в нём указывается тип используемого протокола для передачи данных. Вторая составляющая кадра - это непосредственно поле данных. В третьей части кадра передаётся контрольная сумма, которая необходима для проверки корректности передачи.

Передаваемый в Ethernet-кадре MAC-адрес необходим для однозначной идентификации сетевого адаптера устройства в коммуникационной сети. Обычно он состоит из шести октетов (байтов), записанных в шестнадцатеричном виде. Первые три октета назначаются органом регистрации и позволяют идентифицировать производителя сетевого адаптера и его серийный номер. Вторые три октета отведены для настройки передачи данных. В цифровой подстанции при передаче данных по протоколам канального уровня Sampled Values или GOOSE первый октет равен одному. Он является идентификатором многоадресной мультикаст-рассылки, которая позволяет доставлять данные всем подписавшимся на неё адресатам. Второй и третий октет зарезервированы за техническим комитетом МЭК. Если четвёртый октет равен единице, это означает передачу по протоколу GOOSE. Если четвёртый октет равен четырём, это означает передачу по протоколу Sampled Values. Диапазон для пятого и шестого октетов определён стандартом в зависимости от используемого для передачи данных протокола. Функция маршрутизации передачи данных осуществляется с помощью IP-адреса. IP-адрес - это уникальный сетевой адрес узла в коммуникационной сети. Он также состоит из четырёх октетов, но записывается, как правило, в десятичном виде. Из IP-адреса можно выделить номер устройства в подсети, а также номер самой подсети.

Для такого разделения используется маска подсети, которая, так же как и IP-адрес, записывается четырьмя октетами в десятичном виде. Если IP-адрес и маску подсети записать в двоичном виде и применить операцию конъюнкции, то можно получить номер сети в двоичном виде. В свою очередь, если ноль присутствует в маске подсети, то бит из IP-адреса переходит в номер компьютера в сети. Таким образом, из IP-адреса с помощью маски подсети можно выделить номер подсети и номер устройства. Рассмотрим пример, когда устройства А и Б находятся в одной подсети, а устройство С - в другой. В рамках одной подсети устройства А и Б видят друг друга. Для осуществления коммуникационного обмена между устройствами подсети 1 и устройством С необходим маршрутизатор с прописанной маской подсети для устройства С.

Все узловые коммуникационные устройства могут быть разделены на три типа. Первое и самое простое устройство, которое работает на физическом уровне - это концентратор. Внутри концентратора имеется общая шина, благодаря которой все устройства видят друг друга, а информация, поступившая на один порт, рассылается на все остальные. Вторым устройством можно выделить коммутатор или свитч. Коммутатор работает на канальном уровне и имеет внутреннюю шину в виде полной сети со связями типа точка-точка. Это позволяет использовать коммутатор как центральный компонент одной сети с функцией управления и фильтрации трафика. Благодаря скорости работы он используется для организации шины станции и шины процесса цифровых подстанций. Самым сложным, медленным и дорогим устройством является маршрутизатор. Он работает на сетевом уровне модели OSI и используется для соединения устройств, работающих в разных подсетях.

Для лучшего представления назначения устройств рассмотрим подробнее схему коммуникационной сети, в которой используются коммутаторы и маршрутизаторы. В рамках подсети 1 все устройства соединены между собой коммутатором. Внутри коммутатор содержит динамически заполняемую таблицу коммутации с номером порта и MAC-адресом устройства, подключённого к этому порту. Если на коммутатор приходит пакет с MAC-адресом, отсутствующим в таблице коммутации, коммутатор разошлёт этот пакет на все порты. Связь подсети 1 и подсети 2 осуществляется через маршрутизаторы. Маршрутизатор содержит таблицу маршрутизации, в которой обязательно указывается маска подсети, шлюз, а также метрика. Метрика позволяет оценивать скорость подходящих к нему линий связи и строить наиболее эффективный маршрут передачи данных. В данном примере через маршрутизатор Б. Если на маршрутизатор приходит пакет с неизвестным MAC-адресом, то такой пакет отбрасывается. В этом и заключается его отличие от коммутатора.

Все устройства могут соединяться с коммутаторами различными сетевыми интерфейсами и кабелями связи. Самым распространённым и дешёвым является кабель Ethernet с коннектором типа RJ-45. Он обеспечивает пропускную способность до 1000 Мбит/с и также может работать на скорости 100 Мбит/с. Но его недостатком является слабая помехозащищённость и ограниченность по максимальной длине, которая составляет 100 м. В последнее время на объектах электроэнергетики всё большее распространение получают оптические кабельные линии. Они имеют большую пропускную способность и дальность прокладки. Для подключения кабелей связи к коммутаторам могут использоваться SFP-вставки. Эти переходники позволяют в один и тот же порт коммутатора подключать как оптические кабели, так и медные Ethernet-кабели, что повышает универсальность коммутационного оборудования.

Общие топологии построения коммуникационной сети. В разделе приводится обзор существующих способов соединения коммутаторов.

Самым простым и дешёвым способом соединения коммутаторов между собой в рамках одной подсети является каскадное подключение. При таком соединении коммутаторы подключаются последовательно один за другим, а передача данных между крайними коммутаторами осуществляется через всю цепочку. Этот способ подключения не обеспечивает резервирование сети, а при повреждении одного из коммутаторов в общей цепи поиск такого повреждения будет затруднён. Другим способом соединения является соединение коммутаторов в кольцо. Такие архитектуры могут реализовываться посредством использования протоколов RSTP, MRP или HSR. Принцип функционирования данной топологии следующий: устройство-источник формирует пакет и отправляет его в оба порта. Затем пакеты передаются последовательно через остальные устройства кольцевой топологии устройству-адресату. В RSTP и MRP при отсутствии отказов сети в коммутаторах блокируются те порты, которые не нужны для связанности с целью исключения широковещательного шторма. В то же время в HSR физический разрыв сети отсутствует. Вместо этого используются методы фильтрования повторяющихся пакетов. Так, технология Turbo Ring от компании Moxa позволяет восстанавливать связи в течение 20 мс.

В архитектуре, построенной по принципу звезда, есть один основной коммутатор, выполняющий функцию связи всех устройств в сети. Устройство отправляет пакет на основной коммутатор, который перенаправляет его получателю. Данная архитектура отличается простотой реализации и расширения схемы, а также повышенной диагностируемостью. При этом основной коммутатор остаётся без резерва. С целью решения данной проблемы применяются гибридные топологии, при которых основной коммутатор дополняется резервным, соединённым с основным в кольцо. Гибридные топологии отличаются повышенной надёжностью, которая обеспечивается резервированием основного коммутатора звезды, но при этом стоит дороже.

Рассмотрим топологии построения шины процесса (Process Bus) цифровой подстанции.

Как отмечалось ранее, в цифровой подстанции произошёл переход от соединения устройств по принципу точка-точка к общей коммуникационной шине. Разницу между этими вариантами легко показать в схематичном виде. Для первого варианта точка-точка имеются две независимые цепочки от устройства сопряжения до терминала защиты, в каждой из которых отказ одного элемента ведёт к отказу цепочки. В варианте с шиной процесса имеется перекрёстное соединение устройств. Сторонние исследования показывают, что шина процесса обладает более высоким коэффициентом готовности при схожих затратах на реализацию. Здесь принято допущение, что под коэффициентом готовности понимается вероятность только того, что сеть окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени. При более сложных топологиях разница в коэффициенте готовности может быть более 7%. Однако при всём этом к шине процесса предъявляются большие требования к реализации механизмов резервирования по сравнению с топологией точка-точка.

Один из способов реализации механизма резервирования шины процесса заключается в использовании протокола PRP с дублированием коммутаторов и связи между устройствами. Устройство DAN (Double Attached Node) подключается к двум независимым подсетям, которые работают параллельно. DAN одновременно отправляет кадр в обе подсети, а получатель DAN принимает кадр с обеих сетей. Последний пришедший кадр отбрасывается. Также данная топология допускает включение устройства с одним сетевым портом двумя способами: подключение SAN напрямую к одной из сетей и подключение SAN через Redbox. Архитектура с резервированием по PRP является самой надёжной, но при этом дорогой.

Более дешёвым вариантом резервирования является резервирование с помощью топологии HSR. Аналогично PRP, принцип работы HSR основан на дублировании кадров. Каждое устройство отправляет кадр в два разных порта: по и против часовой стрелки в кольце. Отличительной особенностью HSR является то, что технология имеет ограничения на применение по количеству устройств в кольце, обусловленные временем задержки кадра на каждом устройстве кольца.

Возможны также комбинации технологий PRP и HSR. Организация сети шины процесса комбинированного вида представлена на слайде. Неоспоримым преимуществом данной топологии является почти абсолютная безотказность сети в целом и крайне высокая степень защищённости каждой подсети. Коммуникационная сеть каждого присоединения организована по протоколу PRP. Кроме того, ввиду ограниченного количества устройств в кольце логичным является разделение одного большого кольца на два. В таких топологиях могут использоваться так называемые Quadbox-устройства с четырьмя сетевыми портами. Данная архитектура подходит для присоединений высокого и сверхвысокого классов напряжения.

Рассмотрим топологии построения шины станции.

Поскольку шина станции имеет также интерфейс Ethernet, к ней применимы топологии, показанные для шины процесса. На практике, несмотря на то, что PRP-топология обладает большей надёжностью, чаще прибегают к реализации шин станции с использованием протокола резервирования HSR.

Выбор архитектуры коммуникационной сети для конкретного энергообъекта определяется множеством технических и экономических факторов. На слайде представлено сравнение возможных архитектур по различным показателям. Самые высокие показатели имеет архитектура, построенная по схеме двойной звезды, но она и самая дорогая. Гибридная архитектура немного уступает в части резервирования. Выбор между недорогими архитектурами типа звезда или кольцо необходимо делать исходя из приоритета. Если приоритетным является резервирование, выбор делается в пользу кольца. Если эффективность работы, тогда в пользу звезды.

Для решения проблемы повышения пропускной способности коммуникационной сети, которая может возникнуть, например, при реализации дифференциальных защит шин, основанных на сборе информации со множества присоединений, могут применяться различные технологии оптимизации трафика.

Одной из таких технологий является технология организации виртуальных сетей VLAN на основе существующей физической коммуникационной сети. Эта технология реализуется на канальном уровне и позволяет представить в рамках физической сети несколько логических, не обязательно повторяющих связи исходной сети. Применительно к цифровой подстанции сети VLAN могут быть использованы, например, для разделения трафика по типу GOOSE, Sampled Values, PTP, MMS. Таким образом, широковещательные сообщения направляются в ту VLAN, которой они принадлежат, не загружая остальные участки сети, то есть GOOSE, SV, PTP, MMS сообщения отправляются и принимаются независимо друг от друга.

Другая технология оптимизации трафика основана на использовании меток приоритета, называется Quality of Service. Эта технология работает следующим образом: каждому передаваемому по коммуникационной сети сообщению может быть назначена одна из семи меток приоритета. Чем выше значение, тем выше приоритет. Данная метка приоритета встраивается в Ethernet-кадр тегом из четырёх байт. Для корректной работы этой технологии требуется использование коммутаторов с поддержкой QoS. В обычном режиме пакеты с данными поступают в коммутатор и обрабатываются в нём по принципу FIFO. То есть первый, прибывший на порт коммутатора пакет, пройдёт дальше самым первым. Механизм QoS позволяет коммутатору выстраивать очередь во внутреннем буфере в соответствии с меткой приоритета. Таким образом, на выходе из коммутатора первыми появляются пакеты, имеющие больший приоритет. Наивысшие метки приоритета можно использовать для передачи GOOSE-сообщений на отключение выключателя. Этим обеспечивается скорость прохождения особо ответственных команд через коммутатор.

Решение задачи распределения функций вторичных устройств также определяет архитектуру цифровой подстанции.

На этапе проектирования в соответствии с нормативно-технической документацией определяется состав функций для всех вторичных устройств. Задача проектировщика заключается в распределении этих функций по устройствам. В рамках стандарта МЭК 61850 каждая функция ставится в соответствие логический узел. Так, например, функция дистанционной защиты, приведённая на слайде, соответствует логический узел PDIS. В правой части слайда показаны логические узлы, распределённые в терминал основной защиты линии. Используемые для этого логические узлы имеют красную метку. Решение о том, в каких устройствах на подстанции будут располагаться обязательные функции, определяет её конечную централизованную, распределённую или совмещённую архитектуру.

Спасибо за внимание.