Применение стандарта МЭК 61850 в электроэнергетике. Мэк 61850 на русском

Протокол Sampled Values | Цифровая подстанция

Использование протокола МЭК 61850-9-2 (Sampled Values) неразрывно связано с термином «шина процесса» (от англ. «Process Bus»). Шиной процесса по МЭК 61850-1 называется коммуникационная шина данных, к которой подключены устройства полевого уровня подстанции (коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы). В данном случае слово «шина» не следует понимать буквально, речь идёт о целой системе передачи данных между устройствами. Таким образом, в общем случае к шине процесса могут быть подключены не только измерительные преобразователи, но также выключатели, разъединители и другое оборудование. Однако именно передача мгновенных значений от измерительных трансформаторов производит наибольшую нагрузку на информационную сеть «шины процесса».

В традиционной схеме подключения устройств РЗА цепи от измерительных трансформаторов тока и напряжения, находящихся на ОРУ или в КРУЭ, прокладываются до терминалов РЗА, размещенных в ОПУ (см. рис. 1).

Рис. 1а. Традиционная схема подключения устройств РЗА к ТТ. Sampledvalues1

Рис 1б. Традиционная схема подключения устройств РЗА к ТН.

Использование концепции шины процесса предполагает, что все сигналы, включая мгновенные значения токов и напряжений, оцифровываются непосредственно в аппарате и передаются устройствам защиты и автоматики в виде цифрового потока данных по информационной сети, называемой шиной процесса (см. рис. 2).

Рис. 2. Использование шины процесса для передачи данных.

Как и в случае с остальными протоколами основные концептуальные положения сервиса передачи мгновенных значений описаны главой МЭК 61850-7-2.

Охарактеризуем передачу мгновенных значений тока и напряжения с точки зрения требований, предъявляемых при передаче данных:

Требуется передача данных с высокой частотой, что ведёт к появлению больших объёмов информации, передаваемых по сети. Причём, должна быть обеспечена возможность выбора различных частот, наример, меньшая частота в случае использования для целей релейной защиты и большая частота для целей контроля качества электрической энергии;

Необходимо обеспечить минимальную задержку при передаче данных по сети шины станции, так как эта задержка в конечном счёте будет влиять на быстродействие устройств РЗА;
Измерения, получаемые с различных источников одним приёмником (например, значения тока и напряжения от разных устройств сопряжения), должны быть синхронизированы по времени. В противном случае возможна некорректная работа устройств РЗА;
Требуется обеспечить возможность выявления потерь и искажений данных при передаче данных с целью исключения возможных излишних и ложных срабатываний РЗА, а также сигнализации в случае отказа канала связи или устройства сопряжения,
Один поток данных может быть востребован различными устройствами (например, данные о напряжении на шинах от устройства сопряжения ТН), поэтому должна быть обеспечена возможность многоадресной передачи данных.
Требуется гибкость при формировании кадров данных, поскольку измерения могут поступать как с группы трёхфазных трансформаторов тока или напряжения, так и с комбинированных измерительных преобразователей.

Рассмотрим механизмы с помощью которых решались поставленные задачи.

Обеспечение высокой частоты передаваемых данных на сегодняшний день является обычным требованием к сетям передачи данных, например, при решении задач телефонии или передачи потокового видео. Поэтому, хотя прикладная задача передачи мгновенных значений тока и напряжения и накладывает достаточно высокие требования в части производительности сетевого оборудования, существующее сетевое оборудование в промышленном исполнении вполне способно решать эти задачи.

Отдельно требуется рассмотреть требование по возможности изменения частоты передачи данных. Так, например, при решении задач релейной защиты может потребоваться передавать мгновенные значения с частотой 20 выборок/период, однако для целей контроля качества электрической энергии потребуется существенно более высокая частота. С другой стороны в указанных случаях предъявляются различные требования к быстродействию. Так, в случае передачи данных устройству релейной защиты требуется передать занчения тока и напряжения в темпе реального времени с минимальной задержкой. Тогда как для целей коммерческого учёта и анализа качества допустимо введение задержек при условии точной привязки данных к единому времени.

Исходя из этих условий в стандарте предусмотрено два параметра, которые будут влиять на частоту формирования кадров с выборками мгновенных значений (Sample Rate – SmpRate) и на количество измерений, размещаемых в одном кадре (Number of ASDU – noASDU). Фактическая частота формирования кадре в сеть при этом будет составлять f = SmpRate/noASDU. Так, например, при частоте SmpRate = 80 выборок за период и количестве мгновенных значений в одном кадре noASDU = 1, фактическая частота формирования кадров составит 80 пактов за период или 4 кГц. В случае частоты взятия выборок SmpRate = 256 выборок за период и количестве выборок в кадре noASDU = 8, фактическая частота формирования кадров в сеть составит лишь 1,6 кГц.

Конечно, кадр с 8 выборками будет иметь больший размер, чем с одной выборкой, однако, в силу специфики сетей на базе технологии Ethernet, оптимальная пропускная способность канала передачи данных достигается при максимальной длине кадров. Кроме того, при передаче нескольких выборок в одном кадре используется одна и та же общая часть кадра, что в конечном счёте позволяет повысить эффективность передачи данных в случаях, когда не требуется высокое быстродействие, то есть скорость передачи каждой отдельной выборки.

Вопрос обеспечения минимальных задержек при передаче данных по протоколу GOOSE был достаточно подробно рассмотрен нами. Протокол МЭК 61850-9-2, также как и GOOSE, маппируется непосредственно на протокол второго уровня, что в сочетании с использованием меток приоритета VLAN-Priority и качества обслуживания QoS позволяет значительно повысить приоритет данных, передаваемых по протоколу МЭК 61850-9-2, по сравнению с остальными данными, передаваемыми по той же сети с использованием других протоколов, тем самым, сводя к минимуму задержки как при обработке данных внутри устройств источников и приёмников данных, так и при обработке их сетевыми коммутаторами.

Устройство релейной защиты может получать измерения от разных устройств шины процесса. Например, на защищаемом присоединении может быть установлен только трансформатор тока, тогда как данные о напряжении получаются от ТН, установленного на шинах и подключенного через отдельное устройство сопряжения. Очевидно, что в такой ситуации отсутствие синхронизации между выборками с двух УСШ может привести к ложным и излишним срабатываниям защиты в случае возникновения различных задержек по сети и неодновременного прихода пакетов.

Отметим, что фактически присвоение метки абсолютного времени каждой выборке не требуется – требуется лишь чтобы выборки, сформированные различными устройствами в один и тот же момент времени имели один и тот же идентификатор. Таким идентификатором является поле smpCnt – счётчик выборок. Счётчик за одну секунду пробегает значения от 0 до (SmpRate*50-1). Номера присваиваются формируемым выборкам одновременно, так что устройство-приёмник данных МЭК 61850-9-2 может легко установить соответствие между получаемыми значениями и производить вычисления на их основе. Для того чтобы все устройства сопряжения формировали данные с одними и теми же номерами используется внешний синхронизирующий импульс. При использовании секундного импульса счётчик smpCnt принимает значение 0 каждый раз при приходе синхроимпульса. Причём выборке с номером «0» соответствует выборка, взятая в момент прихода импульса.

Таким образом достигается синхронизация всех выборок и принимающее устройство может обрабатывать значения токов и напряжений, принятые от разных устройств, компонуя их по номерам выборок (см. рис. 3), причём синхронизация самого принимающего устройства не требуется. С помощью счётчика выборок устройство также может осуществлять контроль целостности принимаемых данных, то есть обнаруживать факты пропажи выборок. Различные устройства по-разному реагируют на пропажу выборок, как правило, это определятся алгоритмами, заложенными в устройство-приёмник и описано в сопроводительной документации.

Рис. 3. Синхронизация и присвоение номеров выборкам.

Важной особенностью передачи данных в цифровом формате является возможность передачи сервисной информации – так называемых мета-данных. Сервисная информация передаётся с использованием меток качества в одном кадре с самими выборками. Такая опция позволяет устройству-издателю снабжать передаваемые значения токов и напряжений метками, отражающими достоверность этих данных, включая информацию о том, что измерения производятся в заданном классе точности, измеряемое значение не выходит за границы допустимого диапазона, значение измерено прямым путём, либо получено на основе косвенных вычислений и т.п. Эти данные могут в дальнейшем использоваться алгоритмами принимающего устройства с целью блокировки тех или иных функций в автоматическом режиме и выдачи сигнализации оперативному персоналу.

Аналогично с GOOSE-сообщениями, данные в которых передаются на основе составленного набора данных (DataSet), потоки по протоколу МЭК 61850-9-2 также формируются на основе набора данных, в который включаются атрибуты мгновенных значений тока и напряжения. В общем случае в набор данных, передаваемых по протоколу МЭК 61850-9-2, могут включаться не только эти атрибуты, но и любые атрибуты сигналов, включая дискретные сигналы, при условии, что эти данные необходимо передавать с высокой частотой дискретизации.

Глава МЭК 61850-9-2 описывает коммуникационный профиль протокола передачи мгновенных значений и структуру соответствующих сообщений, однако не описывает ни структуру информационной модели устройств, ни структуру набора передаваемых данных, ни частоты дискретизации измеряемых сигналов, ни способы синхронизации устройств по времени.

За несколько лет существования первой редакции МЭК 61850-9-2 массово не были представлены устройства с его поддержкой, в первую очередь, ввиду большой гибкости которую он давал, хотя принципиально все изложенные в нем положения всем были понятны. Каждый производитель мог определить «свой» набор данных, «свои» частоты дискретизации и реализовать устройства с соответствующими характеристиками, но их решения не были бы совместимы с решениями других производителей, либо для их совместимости потребовался бы охват большого диапазона значений изменяющихся параметров, что сразу реализовать крайне сложно.

Появилась необходимость в некой договоренности между производителями, заказчиками и другими заинтересованными сторонами. Такой договоренностью стали технические требования «Implemetation Guidelines for Digital Interface to Instrument Transformers using IEC 61850-9-2», получившие сокращенное наименование «МЭК 61850-9-2LE». Эти технические требования не противоречат положениям стандарта МЭК 61850-9-2, а лишь зафиксировали ряд моментов:

структуру информационной модели устройства,
набор передаваемых данных (4 тока и 4 напряжения),
частоты дискретизации измеряемых сигналов (4000 Гц для целей релейной защиты и коммерческого учёта, 12800 Гц для целей контроля качества электроэнергии),
способы синхронизации устройств по времени (секундный импульс 1PPS).

Это дало толчок к массовому появлению на рынке как устройств-источников информационных потоков МЭК 61850-9-2LE, так и приемников этих потоков.

Моменты, зафиксированные техническими требованиями МЭК 61850-9-2LE, могут меняться с течением времени (например, может измениться способ синхронизации устройств по времени, структура набора данных и т.д.). И примеры этому уже есть, например, тенденция к использованию протокола PTP для синхронизации устройств по времени вместо описанного в МЭК 61850-9-2 LE синхроимпульса 1PPS, изменение/добавление частот дискретизации измеряемых сигналов и др.

Таким образом, можно отметить что все устройства, которые сейчас появляются на рынке, поддерживают МЭК 61850-9-2, а благодаря техническим требованиям МЭК 61850-9-2LE все производители «приняли» одинаковые решения в тех аспектах, где МЭК 61850-9-2 допускает гибкость.

Первая редакция МЭК 61850-9-2 не предполагала использования протоколов резервирования, в связи с чем формат Ethernet-кадра, описанный первой редакцией не включал соответствующих полей. Впоследствии вопрос применения протоколов резервирования на уровне шины процесса встал достаточно остро в связи с чем, в редакции 2 стандарта в описание формата кадра 9-2 были добавлены поля для протоколов резервирования PRP и HSR.

Протокол синхронизации времени не описан самим стандартом МЭК 61850-9-2 вовсе. Глава МЭК 61850-5 содержит лишь требования к точности синхронизации, однако также не оговаривает каким образом должна достигаться эта точность. Единственным документом, прямо указывающим на использованием синхроимпульса 1PPS являются технические требования МЭК 61850-9-2 LE. Следует отметить, что данная спецификация не предполагала использование протокола синхронизации IEEE 1588 v2, профиль для электроэнергетики которого появился уже после принятия МЭК 61850-9-2LE. Однако уже сегодня появляются устройства, поддерживающие новый протокол синхронизации времени вместе с возможностью синхронизации по сигналу 1PPS.

Рассмотренные изменения ведут к необходимости закрепления новых технических требований, или общих договорённостей взамен действующей редакции 9-2 LE и у многих возникает вопрос, когда будет издана вторая редакция 9-2LE? Однако, вторая редакция 9-2LE издана не будет. На смену этому документу придёт стандарт, описывающий требования к цифровому интерфейсу измерительных трансформаторов – МЭК 61869-9.

На сегодняшний день стандарт МЭК 61869-9 Измерительные трансформаторы — Часть 9. Цифровой интерфейс находится в финальной стадии разработки – он опубликован для голосования и сбора замечаний. Этот документ заменит и расширит технические требования МЭК 61850-9-2LE, которые определили первый профиль (или спецификацию) МЭК 61850 для измерительных трансформаторов тока и напряжения и устройств сопряжения. Новый стандарт учитывает опыт, накопленный в работе с техническими требованиями, изложенными в 9-2LE.

Отличительными особенностями документа являются:

Обратная совместимость с МЭК 61850-9-2LE
Использование синхронизации времени согласно стандарту IEC 61588 (2-ая редакция), с сохранением возможности использования 1PPS
Обеспечение возможности измерения электрических величины в сетях как переменного, так и постоянного тока
Предусмотрено использование Ethernet 100 Мбит/с или 1 Гбит/с
Определено использование следующих частот дискретизации измеряемых сигналов в независимости от номинальной частоты сети:
- для целей учета электроэнергии и РЗА: 4800 Гц;
- для целей контроля качества электроэнергии: 14400 Гц;
- для целей учета электроэнергии и РЗА в сетях постоянного тока: 96000 Гц.

digitalsubstation.com

Кто может перевести стандарт МЭК 61850?

— Есть ли перевод стандарта МЭК 61850 на русский язык?

— Планируется ли выпустить стандарт на русском языке?

— Кто может выполнить перевод стандарта?

Эти вопросы часто задают заинтересованные представители различных компаний. Разобраться в вопросе правомерности перевода и использования переведенного стандарта нам помог советник Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору Виктор Иванович Энговатов.

Россия является одним из активных членов Международной Электротехнической Комиссии и некоторые стандарты МЭК издаются сразу и на русском языке (а вообще в МЭК три официальных языка: Английский, Французский и Русский). Органом, представляющим интересы России в МЭК является Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Ростехрегулирование, http://www.gost.ru/) , эта организация обладает правами на распространение стандартов МЭК на территории нашей страны, а также может заниматься официальным выпуском документов на русском языке.

Существующая система технического регулирования позволяет производителям декларировать соответствие международным стандартам, а указом президента, вновь разрабатываемые технические регламенты, национальные стандарты и своды правил должны базироваться, как правило, на международных стандартах.

Насколько нам известно, Ростехрегулирование пока не планирует выполнение перевода стандарта МЭК 61850 на русский язык. Однако выполнить перевод стандарта и затем официально опубликовать текст стандарта на русском языке через Ростехрегулирование может практически любая компания. Для этого, ей следует выполнить перевод официальной копии стандарта на русский язык и предоставить перевод в Ростехрегулирование. Далее агентство в установленном порядке выполнит процедуру официальной публикации стандарта на русском языке, после чего компания сможет добровольно декларировать соответствие выпускаемой продукции данному стандарту.

Напомним, что на сегодняшний день на русский язык переведена и официально опубликована глава стандарта ГОСТ Р МЭК 61850-3-2005. Сети и системы связи на подстанциях. Часть 3. Основные требования.

ЗАО «ИД «Вся электротехника» оказывает услуги по техническому переводу и может квалифицированно выполнить технический перевод, в том числе по тематике МЭК 61850.

digitalsubstation.com

ГОСТ Р 54835-2011/IEC/TR 61850-1:2003 Сети и системы связи...

Возможность создания SA-системы основана на доступности новейших мощных быстродействующих микропроцессоров, что способствовало эволюции вспомогательного оборудования подстанции - от электромеханических устройств к цифровым. Это, в свою очередь, обеспечило внедрение SAS с использованием нескольких интеллектуальных электронных устройств (IED-устройств) для выполнения требуемых функций (защиты, локального и удаленного мониторинга и управления и т.д.). Как следствие, возникла необходимость в обеспечении надлежащего качества связи между IED-устройствами, в особенности для стандартных протоколов. Использование оригинальных протоколов связи, разработанных различными изготовителями, требовало установки сложных и дорогостоящих конверторов протоколов при работе с IED-устройствами от различных изготовителей. Опыт работы в промышленности показал необходимость и возможность разработки стандартных протоколов связи, которые поддерживали бы взаимодействие IED-устройств от различных изготовителей. Взаимодействие в данном случае - это способность применять одну сеть или канал связи при совместном использовании информации и выполнении команды. Также существует потребность во взаимозаменяемости IED-устройств, т.е. возможности замены устройства от одного изготовителя на устройство от другого изготовителя без изменения других элементов системы. Взаимозаменяемость не рассматривается в настоящем стандарте. Взаимодействие является общей целью работы электроэнергетического предприятия, поставщиков оборудования и организаций по стандартизации. Фактически за последние годы несколькими национальными и международными организациями была начата деятельность по достижению этой цели (см. приложение В). Цель стандартизации систем автоматизации подстанции заключается в разработке стандарта связи, который в максимально возможной степени удовлетворял бы функциональным требованиям, требованиям к рабочим характеристикам и поддерживал бы при этом последующие технологические разработки. Для достижения поставленной цели изготовители IED-устройств и пользователи должны принять соглашение относительно способа свободного обмена информацией между этими устройствами. Стандарт связи должен поддерживать эксплуатационные функции подстанции. Следовательно, в этом стандарте должны быть обязательно учтены эксплуатационные требования, но его целями не должны быть ни стандартизация (какое-либо ограничение) функций, задействованных в эксплуатации подстанций, ни их распределение в SA-системах. Для установления требуемого объема информационного обмена (например, количества обмениваемых данных, временных ограничений обмена и др.) должны быть определены и описаны прикладные функции. Стандарт по протоколам связи должен в максимально возможной степени использовать существующие стандарты и общепринятые принципы связи. Помимо прочего настоящий стандарт должен обеспечивать выполнение следующих требований: - готовый профиль связи должен быть основан на действующих стандартах связи IEC/IEEE/ISO/OSI, при их наличии; - используемые протоколы должны быть открытыми, а также должны поддерживать устройства с функцией самоописания. Должна быть обеспечена возможность добавления новых функций; - стандарт связи должен быть основан на объектах данных, имеющих отношение к потребностям электроэнергетики; - синтаксис и семантика связи должны быть основаны на использовании общих объектов данных, относящихся к энергосистеме; - стандарт должен рассматривать подстанцию как один из узлов в электрической сети, и, соответственно, как элемент общей системы управления в электроэнергетике.

dokipedia.ru

Применение стандарта МЭК 61850 в электроэнергетике

Содержание курса:

1. Основы промышленных ЛВС и стандарта МЭК 6185

1.1. Общая информация о курсе «МЭК 61850». Состав курса, организационные мероприятия.

1.2. Введение в стандарт МЭК 61850: Протоколы связи в электроэнергетике, модель OSI и распределение протоколов по различным уровням, физические каналы связи. Основные документы международной электротехнической комиссии и главы стандарта МЭК 61850.

1.3. Состав и содержание стандарта МЭК 61850

1.4. Инфраструктура сети Ethernet. Применение протоколов резервирования при проектировании сетей Ethernet систем релейной защиты и автоматики цифровых подстанций. Оценка информационной загрузки сегментов сети Ethernet с обменом данными по протоколам GOOSE и Sampled Values. Способы управления информационными потоками данных в сетях Ethernet.

1.5. Сервисы и протоколы передачи данных, описываемые стандартом. Абстрактные сервисы передачи данных. Протокол GOOSE. Протокол MMS. Протокол SV.

2. Виды конфигурационных файлов МЭК 61850. Применение отчетов. Модель управления МЭК 61850

2.1. Виды файлов на языке SCL и подходы к конфигурированию устройств. Стандартизованные форматы файлов для обмена информацией (SSD, ICD, SCD, CID и др.). Примеры файлов и их содержания. Этапы процедуры конфигурирования устройств.

2.2. Информационная модель устройства и язык SCL. Информационная модель устройства. Логические узлы и модель данных. Наборы данных. Кратко о языке конфигурирования SCL (System Configuration Language). Использование языка SCL для описания объектной модели устройств.

2.3. Буферизируемые и небуферизируемые отчеты. Назначение, основные отличия от других механизмов передачи данных МЭК 61850. Структура и параметры управляющих блоков передачей буферизируемых/ небуферизируемых отчетов.

2.4. Журналы событий. Назначение. Структура и параметры управляющего блока передачей журналов событий.

2.5. Модель управления (control model) согласно МЭК 61850 (direct control with normal security, select before operate (SBO) with normal security, direct control with enhanced security, SBO with enhanced security).

2.6. Модель управления группами уставок и модель передачи файлов согласно МЭК 61850.

3. Теоретические сведения о протоколе GOOSE. Наладка информационного обмена данными по протоколу GOOSE

3.1. Технические особенности передачи сообщений по протоколу GOOSE. Структура Ethernet кадра сообщения. Состав GOOSE сообщения. Кодирование сообщения по BER.

3.2. Работа в группах осуществляется по следующему сценарию: знакомство с настроечным программным обеспечением МП РЗА; знакомство с информационными моделями устройств согласно стандарту МЭК 61850; конфигурирование терминалов на отправку GOOSE-сообщений и на прием сообщений друг от друга; анализ трафика по сети с помощью ПО Wireshark, пояснение параметров сообщений на практическом примере.

4. Использование протокола МЭК 61850-9-2

4.1. МЭК 61850-9-2 – спецификация Light Edition. Шина процесса согласно МЭК 61850. Структура кадра согласно МЭК 61850-9-2LE. Информационная модель согласно МЭК 61850-9-2LE. Синхронизация устройств сопряжения с шиной процесса по времени. Структура файлов SCL. Примеры.

4.2. Обзор первичного и вторичного оборудования с поддержкой протокола МЭК 61850-9-2/9-2LE.

4.3. Пример параметрирования устройств сопряжения с шиной процесса/эмуляторов и устройств РЗА с интерфейсом МЭК 61850-9-2LE.

4.4. Практическое занятие по параметрированию устройств РЗА для работы на шине процесса.

5. Вопросы проектирования РЗА с использованием МЭК 61850

5.1. Проектирование систем РЗА и АСУТП на основе протокола МЭК 61850. Пример проекта комплекса РЗА на основе стандарта МЭК 61850. Связь РЗА и АСУТП с использованием протокола МЭК 61850.

Программа "Применение стандарта МЭК 61850 в электроэнергетике"

rza.mpei.ru