Протоколы связи в электроэнергетике и предпосылки для разработки МЭК 61850

Прежде всего определим области применения каналов передачи данных в электроэнергетике и задачи, которые решаются с их помощью. В настоящее время к основным областям применения систем передачи данных можно отнести системы релейной защиты и автоматики (РЗА), диспетчерского и автоматизированного технологического управления электроэнергетическими объектами (АСТУ), а также системы автоматизированного учета энергоресурсов. В рамках этих систем решаются следующие задачи:

Системы АСТУ

1. Передача данных между локальными устройствами телемеханики (ТМ), устройствами РЗА и центральной приемопередающей станцией (ЦППС).
2. Передача данных между объектом и диспетчерским центром.
3. Передача данных между диспетчерскими центрами.

Системы учета

1. Передача данных от приборов учета в устройства сбора и передачи данных (УСПД).
2. Передача данных от УСПД на сервер.

В части систем РЗА можно отметить следующее: несмотря на то, что сбор данных с устройств РЗА в АСТУ в цифровом формате стал внедряться с момента появления цифровых устройств РЗА, связи между устройствами по-прежнему организуются аналоговыми цепями.

В РЗА системы передачи информации могут выполнять следующие функции:

1. Передача дискретных сигналов.
2. Передача данных между устройствами РЗА и ЦППС.

Другим важным каналом передачи, общим как для систем РЗА, так и для систем АСТУ и учета, является канал, по которому осуществляется передача измерений от измерительных трансформаторов тока и напряжения. До последнего времени о внедрении цифровых протоколов связи на данном уровне речь не шла, однако, имея в виду появление протокола для передачи мгновенных значений тока и напряжения МЭК 61850-9-2, на проблемах этого информационного канала также стоит остановиться.

Последовательно рассмотрим каждую из вышеперечисленных функций передачи информации и существующие подходы к их реализации.

Передача измерений от ТТ и ТН

Передача сигналов от измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН) осуществляется по кабелям с медными жилами переменного тока и напряжения соответственно. Для данного способа характерны проблемы, о которых достаточно часто упоминается в литературе [1, 2]:

• большая разветвленность и протяженность медных кабелей, приводящая к необходимости применения большого числа вспомогательного оборудования (испытательных блоков, клеммников и т.д.) и, как следствие, к повышению стоимости систем и сложности монтажа и наладки,
• подверженность измерительных цепей воздействию элек­тромагнитных помех,
• сложность или отсутствие возможности контроля исправности измерительного канала в темпе процесса, сложность поиска места повреждения,
• влияние сопротивления измерительных цепей на точность измерений и необходимость согласования мощности ТТ/ТН с сопротивлением цепей и нагрузкой приемника.

Передача дискретных сигналов между устройствами

Передача дискретных сигналов между устройствами традиционно осуществляется подачей оперативного напряжения посредством замыкания выходного реле одного устройства на дискретный вход другого.

Такой способ передачи информации имеет следующие недостатки [3]:

• необходимо большое число контрольных кабелей, проложенных между шкафами с аппаратурой,
• устройства должны иметь большое число дискретных входов и выходов,
• количество передаваемых сигналов ограничивается определенным количеством дискретных входов и выходов,
• отсутствует возможность контроля связи между устройствами,
• возможно ложное срабатывание дискретного входа устройства при замыкании на землю в цепи передачи сигнала,
• цепи подвержены воздействию электромагнитных помех,
• сложность расширения систем РЗА.

Передача данных между РЗА и ЦППС

Обмен данными между РЗА и ЦППС на объекте осуществляется в цифровом формате. Однако ввиду необходимости интеграции большого количества различных устройств этот способ имеет следующие особенности:

• существование большого количества различных протоколов передачи данных, причем устройство ЦППС для успешной интеграции любых устройств должно поддерживать все эти протоколы,
• отсутствие единой системы наименования данных, приводящее к необходимости поддержания большого количества описательной документации, а также к сложностям и ошибкам при наладке,
• относительно малая скорость передачи данных, обусловленная наличием большого количества последовательных интерфейсов.

Передача данных между ЦППС объекта и диспетчерским центром

Передача данных между объектом и диспетчерским центром также ведется в цифровом формате. Обычно для этих целей используют протоколы МЭК 60870-101/104. Особенности реализации этих систем связи:

• необходимость передачи данных в протоколах диспетчерского управления, как правило, отличающихся от протоколов, применяемых на подстанции,
• передача ограниченного количества информации, что обусловлено необходимостью переназначения всех сигналов с одного протокола на другой, и, как следствие, потеря некоторых данных, передача которых на этапе проектирования не была сочтена целесообразной,
• отсутствие единых наименований сигналов в рамках объекта и в центрах управления сетями (ЦУС), приводящее к сложности наладки и отслеживания ошибок.

Обратимся к рис. 1, где приведена принципиальная схема организации передачи данных. Следует отметить большое количество проприетарных (фирменных) протоколов. Широкое распространение таких протоколов требует, во-первых, большого количества шлюзов (конвертеров), во-вторых, хорошей квалификации и опыта персонала в работе с различными протоколами. В конечном счете это ведет к усложнению системы и проблемам при эксплуатации и расширении.

Рис. 1. Схема организации передачи данных.

Охарактеризуем кратко показанные стандартные протоколы.

Modbus

Modbus – один из наиболее распространенных сетевых протоколов для интеграции устройств РЗА в систему АСТУ, построенный на архитектуре «клиент–сервер». Популярность этого протокола во многом обусловлена его открытостью, поэтому большинство устройств поддерживают этот протокол.

Протокол Modbus может применяться для передачи данных по последовательным линиям связи RS-485, RS-433, RS-232, а также сети TCP/IP (Modbus TCP).

Стандарт Modbus состоит из трех частей, описывающих прикладной уровень протокола, спецификацию канального и физического уровней, а также спецификацию ADU для транспорта через стек TCP/IP.

К достоинствам данного стандарта следует отнести его массовость и относительную простоту реализации систем на его базе. К недостаткам – отсутствие возможности оперативной сигнализации от конечного устройства к мастеру в случае необходимости. Кроме того, стандарт не позволяет конечным устройствам обмениваться фиксированными данными друг с другом без участия мастера. Это существенно ограничивает применимость MODBUS-решений в системах регулирования реального времени.

МЭК 60870-5-101/103/104

МЭК 60870-5-101 – протокол телемеханики, предназначенный для передачи сигналов ТМ в АСТУ. Он также построен на архитектуре «клиент–сервер» и предназначен для передачи данных по последовательным линиям связи RS-232/485.

Протокол МЭК 60870-5-104 является расширением протокола 101 и регламентирует использование сетевого доступа по протоколу TCP/IP. Стандарты МЭК 60870-5-101/104 не подразумевают наличие семантической модели данных.

Протокол МЭК 60870-5-103 предназначен для обеспечения возможности интеграции в систему управления энергообъекта устройств РЗА. В отличие от стандартов МЭК 60870-5-101/104, он определяет семантику для фиксированного набора данных, формируемых устройствами РЗА. Одним из основных недостатков протокола МЭК 60870-5-103 является относительно невысокая скорость передачи данных.

Протоколы МЭК 60870-5-101/103/104 обеспечивают достаточно высокую функциональность при решении задач телеуправления, телесигнализации и телеизмерений, интеграции данных устройств в системы управления. В отличие от Modbus они позволяют также осуществлять спорадическую передачу данных с устройств.

В основу протоколов, как и в предыдущем случае, положен обмен таблицами сигналов, причем типы данных, которыми осуществляется обмен, жестко фиксированы.

В целом протоколы хорошо подходят для решения описанного выше спектра задач, однако обладают рядом недостатков [4]:

1. Передача данных осуществляется в два этапа: назначение индексированных коммуникационных объектов на прикладные объекты, назначение прикладных объектов на переменные в прикладной базе данных или программе. Таким образом, отсутствует семантическая связь (полностью или частично) между передаваемыми данными и объектами данных прикладных функций.
2. Протоколы не предусматривают возможность передачи сигналов реального времени. При этом под сигналами реального времени понимаются данные, которые должны передаваться в темпе процесса с минимально возможными выдержками времени, к которым относятся, например, команды отключения, передача мгновенных значений токов и напряжений от измерительных трансформаторов. При передаче таких сигналов задержки в канале связи являются критическими. Отметим, что данный пункт не связан с возможностью синхронизации устройств с единым сервером времени, а касается именно вопросов скорости передачи данных между устройствами.

DNP3

В России этот стандарт распространен слабо, однако некоторые устройства автоматизации все же поддерживают его. Долгое время протокол не был стандартизован, но сейчас он утвержден как стандарт IEEE-1815.

DNP3 поддерживает и последовательные линии связи RS-232/485, и сети TCP/IP. Протокол описывает три уровня модели OSI: прикладной, канальный и физический. Его отличительной особенностью является возможность передачи данных как от ведущего устройства к ведомому, так и между ведомыми устройствами. DNP3 также поддерживает спорадическую передачу данных от ведомых устройств.

В основу передачи данных положен, как и в случае с МЭК-101/104, принцип передачи таблицы значений. При этом с целью оптимизации использования коммуникационных ресурсов ведется посылка не всей базы данных, а только ее переменной части.

Важным отличием протокола DNP3 от рассмотренных ранее является попытка объектного описания модели данных и независимость объектов данных от передаваемых сообщений. Для описания структуры данных в DNP3 используется XML-описание информационной модели.

В [4] дано подробное сравнение протоколов, но мы в табл. 1 приведем краткие выдержки применительно к рассмотренным выше протоколам.

Таблица 1. Протоколы передачи данных

Выводы

Из представленного краткого анализа видно, что существующие протоколы связи достаточно успешно позволяют реализовывать задачи диспетчерского управления / интеграции данных в системы управления, однако не позволяют реализовывать функции реального времени (такие как передача дискретных сигналов между устройствами РЗА, передача мгновенных значений токов и напряжений).

Большое количество проприетарных протоколов приводит к усложнению процесса интеграции устройств в единую систему:

• Протоколы должны поддерживаться контроллером и ЦППС, что требует реализации поддержки большого количества протоколов в УСО и ЦППС одновременно и ведет к удорожанию оборудования.
• Для интеграции устройств по проприетарным протоколам требуется квалификация наладочного персонала в работе с каждым из них.
• Переназначение сигналов из проприетарных протоколов в общепромышленные и назад часто приводит к потере информации, включая дополнительную информацию (такую как метки времени, метки качества и т.п.).

При передаче данных по-прежнему применяется большое количество последовательных интерфейсов, что накладывает ограничения на скорость передачи данных, объем передаваемых данных и количество устройств, одновременно включенных в информационную сеть.

Передача ответственных команд управления (команды отключения выключателей от РЗА, оперативные блокировки и т.п.) и оцифрованных мгновенных значений токов и напряжений невозможна в цифровом формате в силу непригодности существующих протоколов связи для передачи подобного рода информации.

Следует отметить, что существующие протоколы связи не предъявляют требований к формальному описанию конфигураций протоколов и передаваемых сигналов, в связи с чем проектная документация на системы АСТУ содержит лишь описание сигналов на твердых носителях.

Основные положения при создании стандарта МЭК 61850

Работа над стандартом МЭК 61850 началась в 1995 году, причем изначально велась двумя независимыми, параллельно работающими группами [5]: одна из них, образованная UCA*, занималась разработкой общих объектных моделей подстанционного оборудования (GOMFSE), вторая, образованная в рамках технического комитета 57 МЭК, занималась созданием стандарта на протокол передачи данных для подстанций.

Позднее, в 1997 году, работы обеих групп были объединены под эгидой рабочей группы 10 ТК 57 МЭК и вошли в основу стандарта МЭК 61850.

В основе стандарта лежат три положения:

• Он должен быть технологически независимым, то есть вне зависимости от технологического прогресса стандарт должен подвергаться минимальным изменениям.
• Он должен быть гибким, то есть допускать решение различных задач с использованием одних и тех же стандартизованных механизмов.
• Он должен быть расширяемым.

Разработка первой редакции стандарта заняла порядка 10 лет. Отвечая поставленным требованиям, стандарт позволяет соответствовать изменяющимся потребностям электроэнергетики и использовать последние достижения в области компьютерных, коммуникационных и измерительных технологий.

На сегодняшний день МЭК 61850 состоит из 25 различных документов (в том числе разрабатываемых), которые охватывают широкий круг вопросов и делают его гораздо больше, чем просто спецификацией ряда коммуникационных протоколов. Отметим основные особенности стандарта [6]:

• Определяет не только то, как должен производиться обмен информацией, но и то, какой информацией должен производиться обмен. Стандарт описывает абстрактные модели оборудования объекта и выполняемых функций. Информационная модель, лежащая в основе стандарта, представляется в виде классов объектов данных, атрибутов данных, абстрактных сервисов и описания взаимосвязей между ними.
• Определяет процесс проектирования и наладки систем.
• Определяет язык описания конфигурации системы (System Configuration description Language – SCL). Данный язык обеспечивает возможность обмена информацией о конфигурации устройств в стандартизованном формате между программным обеспечением различных фирм-производителей.
• Описывает методики испытаний и приемки оборудования.

Работая с МЭК 61850, необходимо понимать, что стандарт:

• не описывает конкретные методики внедрения, коммуникационные архитектуры или требования к конкретным продуктам,
• не стандартизует функциональность и алгоритмы устройств,
• сфокусирован на описании функциональных возможностей первичного и вторичного оборудования, функций защиты, управления и автоматизации, видимых извне.

Безусловно, такая масштабная работа не может быть идеальной. В качестве примеров неточностей и недоработок стандарта, в частности, называется отсутствие методик формальной проверки соответствия требованиям стандарта, ряд технических неточностей в описании параметров и подходов к их обработке и так далее. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены в дальнейших публикациях.

К недостаткам стандарта часто относят неконкретность описания требований и слишком большую свободу при реализации, что, по мнению разработчиков, как раз является одним из его главных достоинств.

Список литературы

1. Баглейбтер О.И. Трансформатор тока в сетях релейной защиты. Противодействие насыщению ТТ апериодической составляющей тока КЗ // Новости ЭлектроТехники. 2008. № 5(53).
2. Schaub P., Haywood J., Ingram D., Kenwrick A., Dusha G. Test and Evaluation of Non Conventional Instrument Transformers and Sampled Value Process Bus on Powerlink’s Transmission Network. SEAPAC 2011. CIGRE Australia Panel B5.
3. Шевцов М. В. Передача дискретных сигналов между УРЗА по цифровым каналам связи // Релейщик. 2009. № 1.
4. Schwarz K. Comparison of IEC 60870-5-101/-103/-104, DNP3, and IEC 60870-6-TASE.2 with IEC 61850 (электронный документ: http://bit.ly/NOHn8L).
5. Brunner C., Apostolov A. IEC 61850 Brand New World. PAC World Magazine. Summer 2007.
6. IEC 61850-1: Introduction and Overview.