Этапы реализации шины процесса в комплексах релейной защиты и автоматики

В преддверии каждого этапа пилотной эксплуатации должны быть определены цели и ожидаемые результаты, чтобы по результатам «пилота» можно было создавать типовые решения и с уверенностью их использовать. Для того, чтобы уменьшить сложность пилотных проектов внедряемые инновации должны касаться исключительно вторичного оборудования. Внедрение шины процесса требует большой осторожности, поэтому, прежде чем использовать комплексы РЗА сложной конфигурации, должны быть апробированы более простые решения. Современные устройства РЗА обладают достаточным уровнем гибкости, позволяют адаптироваться к нуждам конкретного применения и должны помочь в апробации новых решений.

Этапы внедрения технологии шины процесса

Для успешного внедрения технологии шины процесса требуется накопление опыта ее применения в комплексах различного масштаба. Для получения этого опыта следует реализовывать пилотные проекты, в которых последовательно следует увеличивать объем использования новой технологии и производить анализ результатов работы по каждому из этапов. Далее описаны возможные этапы внедрения новой технологии.

Этап 1: Реализация защиты присоединения традиционным и новым способами одновременно

На первом этапе технология шины процесса может использоваться для реализации защиты одного присоединения. Современные устройства защиты, такие как устройства серии SIPROTEC 5 от SIEMENS [3], обладают модульной конструкцией, что позволяет масштабировать возможности устройства. Например, существующее устройство токовой ступенчатой защиты SIPROTEC 7SJ85 [4] может оснащаться цифровым интерфейсом для получения информации в формате протокола МЭК 61850-9-2 (рис.1).

Рис. 1. Этап 1 – Реализация защиты одного присоединения с использованием технологии шины процесса.

Другой отличительной особенностью современных устройств РЗА является возможность реализации защиты более чем одного элемента энергообъекта. Например, одно устройство РЗА SIPROTEC 7SJ85 может использоваться для реализации защиты до 7 присоединений [3].

Учитывая две указанные возможности, современные устройства позволяют реализовать защиты одного присоединения двумя способами – традиционным с подключением к электромагнитному ТТ и новым с передачей измерений в формате протокола Sampled Values – и все это в одном устройстве. Таким образом, одно устройство будет осуществлять измерение тока присоединения двумя способами – при получении аналогового сигнала от ТТ на свои аналоговые входы и при получении данных в цифровом формате от устройства сопряжения с шиной процесса, устанавливаемого на присоединении. При этом, в устройстве защиты активируются два экземпляра функции токовой защиты, получающие измерения от двух разных источников. Таким образом можно осуществить сравнение двух способов.

Поскольку устройство РЗА при реализации алгоритма токовой защиты опирается на обработку измерений одного присоединения, то в этой конфигурации не требуется выполнение временной синхронизации устройства сопряжения  с шиной процесса. И это является еще одним достоинством данной схемы, поскольку снижается ее сложность.

Этап 2: Реализация коммуникационной сети

Следующим шагом для масштабного внедрения технологии шины процесса является установка нескольких устройств сопряжения с шиной процесса, осуществляющих измерение токов на двух разных присоединениях, и создание локальной вычислительной сети, по которой осуществляется передача данных в формате протокола Sampled Values (рис. 2).

Рис. 2.Применение шины процесса для реализации защиты двух присоединений с организацией локальной вычислительной сети.

Поскольку, как уже было отмечено выше, современные устройства РЗА обеспечивают возможность реализации защиты нескольких присоединений одновременно, то концепция, применимая для этапа 1, может быть спроецирована и на случай с двумя присоединениями. На этом этапе основное внимание должно уделяться пилотной эксплуатации современных коммуникационных технологий. В частности, интерес представляют протоколы резервирования такие как PRP (Parallel Redundancy Protocol) и HSR (High Availability Seamless Redundancy Protocol) [4, 5], которые обеспечивают непрерывную передачу данных при возникновении единичных отказов в сети. С использованием данных протоколов резервирования становится возможным обеспечивать высокую надежность передачи мгновенных значений тока (напряжения) по сети Ethernet. В рамках этапа 2 может быть выполнена проверка конфигураций, использующих как протокол PRP, так и протокол HSR. Необходимо отметить, что в случае применения протокола резервирования HSR затраты на настройку системы оказываются незначительными. Указанное обусловлено тем, что конфигурация с использованием протокола HSR не требует применения внешних коммутаторов (помимо коммутаторов, интегрированных в устройства РЗА).

На этапе 2, как и на этапе 1, не требуется выполнять синхронизацию устройств сопряжения с шиной процесса по времени, поскольку ни одна из реализуемых функций не использует измерения с нескольких присоединений в своем алгоритме

Основные аспекты применения протоколов PRP и HSR

Протоколы PRP и HSR обеспечивают параллельное резервирование – то есть для передачи данных предусматривается два коммуникационных маршрута. В случае нарушения исправности одного из них, приемник получает данные по второму маршруту. При этом ошибки в передаче данных отсутствуют, а значит приемник и реализуемые в нем прикладные функции функционируют без сбоев [7]. Сети Ethernet традиционно строятся по тому принципу, что каждый элемент сети обладает возможностью получения одного и того же пакета данных по единственному коммуникационному маршруту. Указанное обеспечивалось протоколом RSTP, который логически блокирует все альтернативные маршруты передачи данных, исключая таким образом зацикливание коммуникаций и возникновение широковещательного шторма.

При использовании протоколов PRP и HSR к устройству всегда подключены два активных коммуникационных маршрута, по которым производится передача данных, однако протоколы обеспечивают возможность исключения дубликатов на приемнике [6]. В случае если оба коммуникационных маршрута исправны, тогда два пакета, содержащие одинаковые данные, поступают на одно и то же устройство дважды. Прежде чем данные из этих пакетов будут переданы на прикладной уровень, производится анализ наличия дубликатов и их исключение. Дополнительные поля протоколов PRP и HSR, добавляемые в кадр Ethernet, как раз и предоставляют приемнику все необходимые данные для решения этой задачи.

Рис. 3. Топология ЛВС при использовании протокола PRP.

Устройства, реализующие поддержку протоколов PRP и HSR называют устройствами с дублированными интерфейсами подключения. В английском языке принято два сокращения: DANP (dual attached node PRP) – устройство с дублированными портами подключения с поддержкой протокола PRP, DANH (dual attached node HSR) устройство с дублированными портами подключения с поддержкой протокола HSR. Устройства, которые не поддерживают ни PRP, ни HSR, обозначают англоязычным термином SAN (single attached note), что означает устройство с одним портом подключения. Такие устройства могут приобретать все качества устройств с двумя портами подключения при использовании специальных устройств, называемых RedBox (Redundancy Box). С одной стороны конечное устройство подключается к RedBox посредством одного коммуникационного порта, однако во внешнюю сеть передача данных производится уже по двум активным маршрутам с использованием указанных коммуникационных протоколов.

Протокол PRP опирается на использование двух полностью независимых локальных вычислительных сетей. Таким образом, сети под управлением протокола PRP основываются на топологии двойной звезды, представленной на рис. 3. При реализации сетей Ethernet большое внимание уделяется задержкам передачи данных и пропускной способности. Временная задержка определяется задержкой в передаче данных от передающего узла принимающему. Она в значительной степени зависит от числа узлов сети, через которое должно пройти каждое сообщение. Пропускная способность определяет максимальный объем данных, который может быть передан по сети. При использовании PRP временные задержки в передаче сообщений малы в виду малого числа узлов, через которые должно пройти сообщение. На достаточно высоком уровне также находится и пропускная способность. При этом требуется создавать полностью дублированную инфраструктуру сети Ethernet, что требует значительных затрат. Требование того, что две сети должны быть абсолютно независимы друг от друга, требует большой осторожности при проектировании и наладке. При случайном соединении двух локальных сетей между собой происходит нарушение условий функционирования всей системы. Однако, если система реализована корректно и введена в эксплуатацию, то нарушение ее устойчивого функционирования маловероятно. В случае когда в двух изолированных друг от друга сетях отсутствуют повреждения, приемники получают два экземпляра данных и отбрасывают дубликаты. Если в одной из сетей возникает повреждение, то данные все равно поступают на приемник через вторую сеть. Таким образом, работа прикладных функций не нарушается.

Одним из недостатков системы, функционирующей под управлением протокола PRP, являются значительные затраты на ее реализацию. Однако данный недостаток не характерен для другого протокола резервирования HSR. Конфигурация сети под управлением протокола HSR представлена на рис. 4.

Рис. 4. Конфигурация сети под управлением протокола HSR.

В то время, как протокол PRP опирается на получение каждого пакета дважды и на исключение дубликатов, узлы c поддержкой HSR обеспечивают ретрансляцию данных другим элементам кольцевой сети, которая для протокола HSR является обязательной. Кольцевая топология исключает необходимость дублирования соединений, однако при этом сохраняется резервирование по принципу n-1, также характерное для систем, функционирующих под управлением протокола PRP. Реализация кольцевой топологии относительно проста. Все устройства соединяются последовательно до тех пор, пока первое и последнее устройство сети не соединятся между собой, образуя кольцо. Для соединения колец под управлением протокола HSR между собой используются устройства, которые в англоязычной литературе получили название Quadbox. Для того, чтобы резервировать соединение кольцевых сегментов между собой, эти устройства также должны дублироваться. В таком случае при отказе одного обмен данными между устройствами разных кольцевых сегментов нарушаться не будет.

Этап 3: Обеспечения синхронизация устройств шины процесса по времени

При реализации распределенных функций РЗА требуется обработка измерений от устройств сопряжения с шиной процесса, подключенных к измерительным преобразователям различных присоединений. Для обеспечения возможности сопоставления данных измерений требуется синхронизация устройств сопряжения по времени.

Синхронизация устройств по времени должна удовлетворять определенным требованиям. В частности, погрешность источника синхроимпульсов не должна превышать ±1 мкс. Существует два способа реализации синхронизации устройств сопряжения с шиной процесса по времени. Поскольку передача данных производиться по сети Ethernet, то предпочтительным вариантом, конечно, является использование этой же среды для распространения сигналов временной синхронизации. Соответственно, одним из возможных вариантов является использование протокола PTP в соответствии со стандартом IEEE 1588. Данный стандарт описывает механизм временной синхронизации с чрезвычайно высокой точностью, однако при этом существуют различные профили протокола PTP для применения в различных областях промышленности. В настоящее время отсутствует профиль PTP, который обеспечивает требуемый для шины процесса уровень надежности, точности и функциональной совместимости.

До тех пор, пока не будет создан профиль PTP, удовлетворяющий всем требованиям, более логичным является использование иной среды для передачи сигнала синхронизации. Данное решение не требует создание отдельной инфраструктуры, при этом метод уже достаточно хорошо апробирован, надежен и прост в реализации. Различные способы временной синхронизации применяются и хорошо зарекомендовали в себя других областях автоматизации энергообъектов, например, при реализации дифференциальной защиты линий и систем мониторинга переходных режимов. Так, устройства регистрации переходных режимов требуют получения сигнала точного времени. Обычно это реализуется с использованием IRIG-B. При реализации дифференциальной защиты линии также возможно использование нескольких способов временной синхронизации. Если задержка в распространении данных между комплектами дифференциальных защиты постоянна и одинакова в обоих направлениях, устройства могут быть синхронизированы напрямую. Если данное условие не выполняется, тогда должна осуществляться внешняя синхронизация по времени. Поскольку для дифференциальной защиты достаточно относительной временной синхронизации (абсолютное значение метки времени не используется), то, помимо IRIG-B, можно использовать синхронизацию по 1PPS. Устройства регистрации переходных режимов могут также поддерживать данные интерфейсы синхронизации времени, а могут и оснащаться интегрированными приемниками GPS для решения данной задачи.

Как и для реализации дифференциальной защиты, для шины процесса и, в частности, для устройств сопряжения с шиной процесса также требуется только относительная временная синхронизация. Таким образом, все упомянутые выше варианты (PPS, IRIG-B, GPS) могут быть использованы. Ниже мы обратим внимание на простейший способ синхронизации времени    1PPS. Данный способ синхронизации времени рекомендуется использовать согласно техническим требованиям по реализации цифрового интерфейса для измерительных преобразователей тока и напряжения (см. МЭК 61850-9-2LE [1, 6]).

Один из сценариев, где требуется синхронизация устройств сопряжения с шиной процесса по времени, – реализация дифференциальной защиты двухобмоточного силового трансформатора, когда устройство дифференциальной защиты получает измерения от двух устройств сопряжения с шиной процесса (рис.5).

Рис. 5. Реализация схемы дифференциальной защиты силового двухобмоточного трансформатора с использованием шины процесса.

По сравнению с продольной дифференциальной токовой защиты линии, данная защита реализуется в одном физического устройстве (при реализации дифференциальной защиты двухконцевой линии требуется два полукомплекта).

Сервер времени отвечает за формирование импульсов 1PPS. Передача данного импульса осуществляется всем устройствам сопряжения с шиной процесса по выделенным линиям связи. Этим обеспечивается возможность сопоставления измерений, гарантия взятия отсчетов в один и тот же момент времени. Также рекомендуется осуществлять передачу импульса синхронизации на устройство РЗА с целью проверки им корректности входящих данных. К примеру, может выполняться проверка допустимости временных задержек поступления данных на устройство РЗА.

Как только пилотная эксплуатация по данному этапу завершена успешно, может быть продолжено широкомасштабное внедрение технологии шины процесса. В ходе каждого из обозначенных этапов была выполнена проверка основных аспектов ее реализации.

Список литературы

1. IEC 61850, Part 9-2: Communication networks and systems for power utility automation Specific Communication Service Mapping (SCSM) sampled values over ISO/IEC 8802-3. iec.ch
2. Heine, H.: Der Prozessbus wird Wirklichkeit. [The Process Bus Becomes a Reality] ew Jg. 113 (2014), H. 8, p. 37 39.
3. Сайт energy.siemens.com/hq/en/automatisierung/stromuebertragung- verteilung/schutz/siprotec5/
4. IEC 62439-3: Industrial communication networks: High availability automation networks part 3: Parallel Redundancy Protocol (PRP) and High Availability Seamless Redundancy (HSR). iec.ch.
5. Kirrmann, H.,Kleineberg O. et al.: HSR: Zero recovery time and low-cost redundancy for Industrial Ethernet. 14th IEEE conference on emerging technologies and factory automation, 2009. ETFA 2009, 22 to 26 September 2009, Palma de Mallorca/Spain.
6. UCA International Users Group: Implementation guideline for digital interface to instrument transformers using IEC 61850-9-2. iec61850.ucaiug.org.
7. Heine, O. Kleineberg, “The High-Availibility Seamless redundancy protocol (HSR): Robust fault tolerant networking and loop prevention through duplicate discard”, WFCS 2012, Lemgo, Germany.