Использование комплекса RTDS для изменения признаков качества данных, передаваемых по протоколам GOOSE и SV

В ходе испытаний использовался комплекс RTDS  для изменения признаков режима тестирования и качества данных динамически. Целью проведенных испытаний было определить, каким образом устройства с поддержкой протоколов стандарта МЭК 61850 реагируют на изменение данных признаков в передаваемых сообщениях, а также как следует использовать комплекс RTDS для проведения подобных испытаний.

Параметры передачи данных по протоколам стандарта МЭК 61850 в режиме реального времени

Для получения и передачи GOOSE-сообщений, а также для передачи мгновенных значений тока и напряжения по протоколу Sampled Values в RTDS предусмотрен модуль Giga-Transceiver Network Communication Card (GTNET). В ранних версиях программное обеспечение не предоставляло возможности изменения значений признаков качества, режима тестирования и необходимости выполнения обслуживания, однако эта функциональность стала доступной в последних версиях. Документация на устройства РЗА, а также декларации соответствия стандарту МЭК 61850 должны обозначать реакцию устройств на указанные признаки. Не всегда устройствами поддерживается полный перечень признаков, однако поддержка признака режима тестирования, как правило, все же реализуется.

Признаки качества

Конфигурация устройства в соответствии с МЭК 61850 определяет, какие атрибуты данных будут включены в предаваемое сообщение. К примеру, набор передаваемых данных может включать в себя только информацию о состоянии сигнала (stVal) и не включать атрибут качества данных (q). Если же выполняется передача атрибута качества, тогда каждому элементу набора данных будет соответствовать битовая строка признаков качества. Таблица, приведенная ниже, отражает назначение отдельных признаков качества данных [1].

Таблица 1. Биты качества в соответствии с МЭК 61850.

Признаки режима тестирования (Test) и необходимости выполнения обслуживания (Needs Commissioning)

Два других признака, которые являются частью сообщений, это признак режима тестирования (Test) и признак необходимости выполнения обслуживания (NeedsCommissioning). Документация на устройство должна описывать поведение устройства в условиях получения сообщений с различными значениями данных признаков, а также определять возможность или невозможность установки данных признаков устройством. Например, подраздел 15.2.3.8 стандарта МЭК 61850-7-2 (редакция 1) обозначает следующее: «В случае если признак режима тестирования Test  имеет значение TRUE (ИСТИНА), значения сигналов, передаваемых в данном сообщении, не должны использоваться алгоритмами функционирования устройства-приемника».

Захват и анализ данных

Программные инструменты, которые могут обеспечивать захват и отображение сообщений МЭК 61850, являются необходимыми при разработке и тестировании отдельных устройств, а также при вводе в эксплуатацию комплексов РЗА на энергообъектах.  Существуют бесплатные программные инструменты, которые могут быть использованы для решения указанных задач: MMS Ethereal и Wireshark.

На рис. 1 представлено окно программы MMS Ethereal, в котором произведена фиксация GOOSE-сообщения от модуля GTNET комплекса RTDS, которая используется для анализа данных GOOSE-сообщения. При этом пользователю становятся доступными следующие данные сообщения: признак режима тестирования Test имеет значение ЛОЖЬ, признак необходимости выполнения обслуживания Needs Commissioning имеет значение ЛОЖЬ, число элементов в передаваемом наборе данных 36. Из 36 элементов набора данных 16 элементов представляют собой дискретную информацию (атрибуты StVal и Quality (162 = 32 элемента)) и 2 элемента представляют собой аналоговую информацию mag.f и Quality (22=&gt,4 элемента). Все биты элемента quality по-умолчанию имеют нулевое значение. Значение первого передаваемого дискретного сигнала установлено равным ЛОЖЬ, а второго ИСТИНА.

Рис. 1. Пример отображения структуры GOOSE-сообщения в программе MMS Ethereal.

Документация

В ходе тестирования использовались следующие устройства: терминал AREVA P444 NCIT (с интерфейсом для приема мгновенных значений тока и напряжения в формате протокола Sampled Values), модуль RTDS GTNET-GSE (с базовыми ПО для передачи/приема GOOSE-сообщений), RTDS GTNET-SV (с базовыми ПО для передачи мгновенных значений тока и напряжения в формате протокола Sampled Values), а также терминал дистанционной защиты SEL 421. Терминал AREVA обладал возможностью приема/передачи GOOSE-сообщений и приема данных в формате протокола Sampled Values, а терминал SEL обладал только возможностью приема/передачи GOOSE-сообщений. Модули GTNET комплекса RTDS были спараметрированы на передачу/прием GOOSE-сообщений и на передачу данных по протоколу Sampled Values.

Документация на устройство SEL-421 обозначает, что устройством отклоняются все элементы данных входящего GOOSE-сообщения в следующих ситуациях:

1. Несоответствие конфигурации номер версии конфигурации в сообщении не соответствует обозначенному в файле конфигурации, который использовался для настройки устройства на прием данных.
2. Необходимо обслуживание в случае, если соответствующий признак входящего сообщения установлен равным ИСТИНА.
3. Режим тестирования в случае, если для сообщения признак тестирования имеет значение ИСТИНА.
4. Ошибка декодирования данных формат входящего GOOSE-сообщения не соответствует предварительно заданной конфигурации.

Документация на устройство SEL 421 описывает возможность и условия установки битов качества данных и отказа. Предоставленная версия устройства SEL, однако, не поддерживает возможности установки признаков режима тестирования и необходимости выполнения обслуживания.

Устройство AREVA предоставляет возможность изменения значения признака режима тестирования в  формируемых GOOSE-сообщениях через пользовательский интерфейс.  При этом устройство поддерживает либо возможность установки признака режима тестирования таким образом, что будут блокироваться любые изменения элементов набора данных сообщения, либо такую настройку, что изменения элементов набора данных не подавляются, но передаются с признаком режима тестирования. При использовании пользовательского интерфейса также можно определить, следует ли игнорировать входящие GOOSE-сообщения с установленными признаком режима тестирования или нет.

Признаки, обработка которых производится при получении потока Sampled Values, включают в себя:

• Ошибка синхронизации времени
• Режим тестирования
• Качество данных (Validity)

Устройство способно сигнализировать о возникновении данных ошибок, а также предоставляет доступ к указанным сигналам при создании схем программируемой логики.  Таким образом, пользователь может разработать логическую схему, которая будет определять поведение устройства в условиях, когда измерения, получаемые посредством протокола Sampled Values, не синхронизированы, имеют признак тестирования равный ИСТИНА или же не удовлетворительного качества. Рис. 2 иллюстрирует пример логики, которая может быть реализована для подсвечивания одного из светодиодов устройства для сигнализации о том, что данные некорректны.

Рис. 2. Пример логики обработки признаков потока Sampled Values.

При использовании модуля GTNET-GSE комплекса RTDS пользователь получает возможность контролировать состояние признаков качества (quality), режима тестирования (test) и необходимости выполнения обслуживания (needs commissioning) при передаче GOOSE-сообщений, а также возможность обработки данных признаков во входящих сообщениях. При использовании модуля GTNET-SV комплекса RTDS пользователь получает возможность контролировать состояние признака качества (quality) и признака наличия/отсутствия синхронизации времени (SmpSynch) в транслируемом потоке Sampled Values. Изменение указанных данных может производиться в процессе моделирования, и, таким образом, может быть выполнена проверка функционирования устройств в различных режимах. Возможно использование дополнительных данных о состоянии GOOSE-сообщений с целью формирования логики поведения устройства при приеме данных от внешних устройств.

Декларации соответствия стандарту МЭК 61850

Стандарт МЭК 61850 описывает ряд коммуникационных сервисов и других функциональных возможностей, которые либо могут, либо не могут быть реализованы в каждом отдельном устройстве, при такой свободе реализации, однако, каждый производитель должен обеспечивать функциональную совместимость своего устройства с устройствами других производителей. Для этого должны проводиться проверки на соответствие стандарту МЭК 61850, а каждый производитель должен предоставлять данные о реализованном объеме сервисов стандарта МЭК 61850.

Международная группа пользователей UCA International Users Group (UCAIug) является некоммерческой организацией, основной задачей которой является оказание технической поддержки конечным пользователям и производителям в реализации и применении современных стандартов отрасли. Одной из ключевых задач данной группы пользователей является разработка программ испытаний устройств на соответствие современным стандартам и аккредитация лабораторий, где такие испытания могут проводиться. Программы испытаний на соответствия требованиям стандарта МЭК 61850, шаблоны деклараций соответствия устройств стандарту, а также перечень известных технических недочетов и ошибок стандарта доступны членам данной группы.  Существует четыре важных документа:

• Декларация соответствия реализации протокола (Protocol Implementation Conformance Testing PICS)
• Декларация соответствия реализации информационной модели (Model Implementation Conformance Statement MICS)
• Дополнительная информация по реализации протокола для испытаний (Protocol Implementation eXtra Information for Testing PIXIT)
• Декларация соответствия утвержденному перечню технических недочетов (TISSUES Implementation Conformance Statement TICS)

Вместе взятые, данные документы образуют основу для проведения проверок на соответствие стандарту МЭК 61850 согласно МЭК 61850-10, перечень этих документов должен предоставляться испытательным лабораториям производителем, который желает произвести проверку своего устройства в соответствии с процедурами группы UCAIug. Данные декларации могут являться частью технической документации на устройство.

Результаты тестирования устройств при формировании данных с различными значениями признаков

В описанных ниже сценариях производилось управление признаками данных, транслируемыми в GOOSE-сообщениях от устройств AREVA и RTDS, а также транслируемыми в потоках Sampled Values от комплекса RTDS, с целью выполнения проверки того, как на них будут реагировать устройства AREVA, RTDS и SEL.

Конфигурация устройств

1. Конфигурация устройства AREVA в части GOOSE:

• Передача данных в RTDS: Трехфазное отключение, сигнал телеускорения, пуска АПВ.
• Прием данных от RTDS: Положение силовых выключателей, сигнал готовности привода выключателя, сигнал телеускорения.

2. Конфигурация устройства AREVA в части Sampled Values:

• Прием данных от RTDS: IA, IB, IC, VA, VB и VC.

3. Конфигурация устройства SEL в части GOOSE:

• Передача данных в RTDS: Трехфазное отключение, сигнал телеускорения, пуск АПВ.
• Прием данных от RTDS: Положение силовых выключателей, сигнал телеускорения.

Поведение устройства SEL 421-3

При использовании комплекса RTDS производилось изменение признаков данных в транслируемом GOOSE-сообщении для проверки функционирования устройства в соответствии с декларациями производителя. Мониторинг диагностических сигналов устройства SEL возможен через telnet-соединение, именно этот способ использовался для фиксации изменений состояния принимаемых GOOSE-сообщений. Устройство должно игнорировать входящие GOOSE-сообщения, если выполняются обозначенные в документации условия, соответственно, была произведена проверка того, что это на самом деле происходит. Рис. 3 иллюстрирует пример, когда конфигурация модуля GTNET была установлена таким образом, что атрибут configuration revision в передаваемом GOOSE-сообщении имел отличное значение от того, которое было задано при настройке устройства SEL на прием данных, что и зафиксировал терминал.

Рис. 3. Несоответствие атрибута configuration revision.

Рис. 4 иллюстрирует пример, когда конфигурация набора данных передаваемого GOOSE-сообщения не соответствовала заданной при настройке устройства SEL на прием сообщения, что также было идентифицировано терминалом.

Рис. 4. Ошибка декодирования данных, обусловленная несоответствием конфигурации набора данных.

Поведение устройства AREVA P444 NCIT

Как известно, исходящее GOOSE-сообщение включает в себя атрибут StNum (номер состояния) и атрибут SeqNum (Номер в последовательности). Атрибут StNum определяет количество изменений состояний сигналов, передаваемых посредством GOOSE-сообщения, а атрибут SeqNum определяет порядковый номер сообщения в последовательности сообщений.  Поскольку устройство AREVA может изменять значение признака режима тестирования с ИСТИНА на ЛОЖЬ, то передача GOOSE-сообщений должна производиться в соответствии с МЭК 61850-7-2 (редакция 1), раздел 15.2.3.6: «Атрибут StNum должен представлять собой счетчик, значение которого инкрементируется с каждым GOOSE-сообщением, передающим новое состояние того или иного элемента набора данных». Рис. 5 иллюстрирует, что атрибут StNum сохраняет значение 57, в то время как значение признака тестирования Test изменилось с ИСТИНА на ЛОЖЬ при отсутствии изменения состояний сигналов набора данных.

Рис. 5. Изменение признака режима тестирования в устройстве P444.

Поведение комплекса RTDS, а также устройств SEL и AREVA при изменении признаков данных GOOSE-сообщения

В ходе проверки осуществлялось формирование GOOSE-сообщения от комплекса RTDS с установленным признаком тестирования Test, при этом в модели устанавливалось КЗ на линии, защита которой обеспечивалась двумя имеющимися устройствами РЗА. Рис. 6 иллюстрирует результат опыта моделирования однофазного КЗ на землю. Черные шлейфы “GOOSEIN” сигналы от устройств SEL и AREVA, передаваемые посредством GOOSE-сообщений. Красный шлейф “BI1GT” показывает состояние признака режима тестирования для каждого из 16 виртуальных входов (“GOOSEIN”). Черный шлейф №0 сигнал отключения по фазе А, шлейф №3 разрешающий сигнал, передаваемый устройством SEL. Черный шлейф №8 визуализирует сигнал отключения по фазе А, шлейф №13 визуализирует разрешающий сигнал, передаваемый устройством AREVA в защиту, установленную на противоположном конце ВЛ. Для GOOSE-сообщения, публикуемого устройством AREVA, был выбран режим с разрешением изменения состояний элементов набора данных и с трансляцией установленного признака режима тестирования Test. Красные шлейфы с №8 по №15 отражают факт идентификации модулем GTNET признака режима тестирования, установленного в GOOSE-сообщении, поступаемом от устройства AREVA. Для предотвращения отключения выключателя при приеме GOOSE-сообщения с установленным признаком режима тестирования Testнеобходимо использовать функции гибкой логики. Утверждение об этом можно найти и в разделе 15.2.3.8 стандарта МЭК 61850-7-2 (редакция 1): «Значение ИСТИНА признака режима тестирования должно указывать на то, что данные, передаваемые посредством сообщения, не должны использоваться при выполнении устройством своих функций».

Рис. 6. Моделирование режима КЗ при установленном в устройстве P444 признаке режима тестирования Test.

Публикация комплексом RTDS GOOSE-сообщения, содержащего информацию о положении выключателя и готовности привода с установленным признаком режима тестирования, привела к его игнорированию как устройством SEL, так и устройством AREVA, поскольку в конфигурации последнего для параметра Игнорирование признака режима тестирования было задано значение Нет.  Из рис. 7 видно как устройства, установленные по концам линии, ликвидируют КЗ фазы А на землю, но после этого не происходит АПВ. 

Рис. 7. GOOSE-сообщение от комплекса RTDS с установленным признаком режима тестирования.

На рис. 8 показаны осциллограммы токов и напряжений фазы А для случая публикации комплексом RTDS GOOSE-сообщения с установленным признаком режима тестирования Test. Фазное напряжение не восстанавливается по причине того, что не происходит АПВ из-за получения устройствами сигнала готовности привода с установленным признаком режима тестирования.

Рис. 8. Отключение фазы A без АПВ.

Поведение комплекса RTDS, а также устройства AREVA при изменении признаков данных потока Sampled Values

Потоки Sampled Values аварийного режима публиковались комплексом RTDS с установленным признаком качества invalid и признаком режима тестирования Test.  Рис. 9 иллюстрирует поведение устройства при получении таких данных. На рис. 10 показаны осциллограммы напряжений и токов фазы А для данного случая. Внутренняя логика ИЭУ AREVA не была сконфигурирована для блокировки срабатывания в условиях получения данных с данными признаками, поэтому происходила выдача отключающего сигнала, а также срабатывание АПВ.

Рис. 9. Признаки Invalid и Test в формируемом потоке Sampled Values.

Рис. 10. Отключение фазы А с последующим АПВ.

Выводы

Рост числа внедрений систем РЗА, основанных на МЭК 61850, порождает необходимость тщательной проверки поведения каждого из устройств в режимах обработки нормальных данных и данных с различными значениями признака режима тестирования и качества. Понимание того, как конкретное устройство будет реагировать на возникновение нештатных ситуаций при передаче данных согласно МЭК 61850, является одним из краеугольных камней при проектировании комплексов РЗА.

Важно иметь соответствующие инструменты для проверки устройств РЗА с поддержкой МЭК 61850, а также важно анализировать стандарты, сертификаты соответствия и техническую документацию, предоставляемую производителем. Порядок обработки GOOSE-сообщений и потоков Sampled Values с установленными признаками режима тестирования и признаками качества не идентичен у разных производителей устройств, проверка реакции устройств должна быть протестирована до их установки на объект. Понимание признаков, оказывающих влияние на работу устройств, а также понимание методов проверки является ключевой частью внедрения и использования системы РЗА с МЭК 61850.

Понимание условий функционирования устройств при приеме и публикации GOOSE-сообщений, безусловно, является задачей системных интеграторов и конечного пользователя.  Важным также является правильное параметрирование каждого устройства на обработку (прием/отправку) сообщений протоколов МЭК 61850, содержащих признаки тестовых режимов и биты качества.

Статья показывает, каким образом подобные тесты могут быть проведены с помощью цифрового комплекса  моделирования энергосистем, связанного с ИЭУ и динамически управляющего параметрами GOOSE-сообщений и потоков Sampled Values.

Благодарность

Авторы выражают глубокую признательность Лэсу Деннингу, Денису Фронету, Дэмиену Толомиру, Фабриу Жиль и Пуриа Нэсэйна из компании AREVA за их поддержку по техническим вопросам, связанным с реализацией МЭК 61850 в устройстве AREVA P444 NCIT.

Авторы выражают глубокую признательность Тиму Тиббалс и Веселину Скенджичу из компании SEL за их поддержку по техническим вопросам, связанным с реализацией МЭК 61850 в устройстве SEL.

Авторы выражают глубокую признательность за вклад, сделанный комитетом по испытаниям UCAIug, за их самоотверженную и напряженную работу по разработке программы проведения проверок устройств на соответствие стандарту МЭК 61850.

Список литературы

1. МЭК 61850, Сети и системы связи на электрических подстанциях – Все главы (IEC 61850-SER).