ПРИМЕНЕНИЕ ETHERNET В КОНТЕКСТЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1. Введение

Сфера применения стандарта IEC 61850 – обеспечение связью всех процессно-ориентированных функций, выполняемых на подстанции. Целью стандарта является взаимодействие, т.е. способность ИЭУ-устройств от одного или нескольких различных поставщиков обмениваться информацией и использовать эту информацию для выполнения своих функций.

Стандарт МЭК-61850 обеспечивает свободное распределение функций по интеллектуальным электронным устройствам (IED) и, следовательно, поддерживает любую философию системы, охватывающую различные подходы к интеграции, распределению функций и архитектуре автоматизации подстанции.

Стандарт содержит объектно-ориентированную модель данных, которая группирует все данные в соответствии с общими функциями пользователя в объектах, называемых логическими узлами (LN). Все связанные атрибуты данных содержатся и определены в этих логических узлах. Доступ ко всем данным обеспечивается в определенном порядке сервисами стандарта, которые направлены на выполнение требований к производительности.

Модель данных и сервисы стандарта сопоставляются с основным пакетом связи, состоящим из сообщений MMS (Спецификация производственных сообщений), TCP / IP и Ethernet с функцией установки приоритетности передачи телеграмм. Данные сервисы охватывают потребности МЭК-61850 с точки зрения внутристанционной связи.

B связи с постоянным расширением стандартов МЭК-61850 разрабатываются глобальные вычислительные сети WAN для межстанционной связи (между двумя или несколькими подстанциями) и связи с Центром сетевого управления. Трафик локальной сети с критическим по времени содержанием МЭК-61850 может транспортироваться, в большинстве случаев, по уже существующей утилите SDH-сети (Ethernet over SDH). Этот подход позволяет запускать традиционные сервисы параллельно с трафиком МЭК-61850 при использовании технических, а также коммерческих аспектов.

В следующих параграфах описываются модель и механизмы стандарта МЭК-61850, а также вопросы синхронизации времени, связанные с сущностью этих прикладных программ в режиме реального времени.

2. Модель и механизмы стандарта МЭК-61850

Стандарт МЭК-61850 в настоящее время в основном связан с системами автоматизации подстанций (SAS). Система автоматизации подстанций представляет собой набор взаимосвязанных устройств, предназначенных для защиты, наблюдения и управления электрической сетью (например, сборной шины, трансформатора или линии). Почти во всех случаях это связано с выключателем. SAS традиционно реализованы как централизованные или распределенные архитектуры. Централизованные системы обычно соединены электрическими проводами или используют последовательную связь для подключения устройств сбора данных. Более поздние SAS реализованы с использованием распределенных ИЭУ, которые подключаются с использованием либо собственной сети связи, либо сети на основе отраслевого стандарта. Нынешняя рекомендация по SAS-связям – МЭК-61850. Одним из основных драйверов для этого набора стандартов является унифицированная SAS-архитектура и функциональная совместимость ИЭУ разных производителей.

Стандарт МЭК-61850 был ориентирован на топологию SAS, которая рассматривает взаимосвязь между ИЭУ на уровне подстанции, используя стандартизированные локальные сети (LAN), и определяет объектные модели для подстанций и загрузочные устройства. Это позволяет стандартизировать различные устройства и оборудование на подстанции, определяя новую архитектуру автоматизации.

Стандарт МЭК-61850 поддерживает функции автоматизации подстанции посредством передачи выборочных значений (SV), быстрого обмена каналами ввода и вывода для защиты и управления, сигналов управления и отключения, проектирования и конфигурирования, мониторинга и контроля, связи с центром управления, временной синхронизации и т. д.

На рисунке 1 показана упрощенная 7-слойная эталонная модель OSI для приложения на основе Ethernet / IP. Сообщения GOOSE и SV направляются непосредственно на уровень 2 (уровень Ethernet-канала), чтобы избежать длительной обработки TCP / IP.

Сервисы связи МЭК-61850 могут быть сгруппированы в два общих вида связи (см. Рисунок 2): вертикальная и горизонтальная связь. Вертикальная связь в автоматизации подстанций - это то, что происходит между устройствами уровня станции и уровня присоединения. Вертикальные сервисы связи назначены стандартом МЭК-61850 для чтения или записи данных, для управления и мониторинга, включая передачу файлов. Они отображаются на MMS (ИСО 9506) по протоколу TCP / IP. Сервисы контроля используют подтвержденные сервисы на прикладном уровне. Сервисы мониторинга полагаются на целостность данных TCP / IP.

Части стандарта IEC 61850-7-xx объясняют, как абстрактные сервисы и модели сопоставляются с конкретными коммуникационными протоколами, как определено в МЭК 61850-8-1 и как показано на рисунке 2.1. Передача данных между ИЭУ осуществляется через сообщения разных типов, такие как GOOSE (общие объектно-ориентированные события на подстанции), которые используются для передачи критических событий в реальном времени (например, отключение, команды для работы) и выборочные значения (SV), которые инкапсулируются и передаются по Ethernet. Вся другая информация внутри подстанции передается посредством сообщений связи между логическими узлами, которые составляют функции. Сообщения основаны на простых сервисах связи, предоставляемых протоколом MMS (Спецификация производственных сообщений). Модель, лежащая в основе прикладного уровня, использует TCP / IP в качестве транспортных и сетевых протоколов с помощью MMS.

В разделе «Горизонтальная связь» в стандарте МЭК-61850 мы говорим в основном о модели «Общее событие на подстанции» (GSE), предназначенная для обмена данными с жёстким временным режимом (сообщениями) между двумя или более ИЭУ-устройствами, использующими многоадресную рассылку Ethernet (см. Рис.2.2, на уровне присоединения). Модель сервиса GSE 61850-7-2 детализирует быстрое и надежное общесистемное распределение входных и выходных данных. Этот GSE сервис использует особенную схему повторной передачи для достижения соответствующего уровня надежности.

Отсчет и оцифровка напряжения и измерение тока определены в стандарте для замены традиционной записи ввода-вывода. Защитные ИЭУ основывают свои решения на выборках тока и напряжения, измеренных на трансформаторах тока и напряжения. Потеря или даже задержка, превышающая 4 м/с между двумя последовательными выборками, не позволяет ИЭУ функционировать корректно.

Выборочный обмен может рассматриваться в основном как вертикальная связь. Однако эти выборки иногда также распределяются горизонтально внутри подстанции. Примером может служить так называемое напряжение электрической шины, используемое для запуска реле защиты. Данные выборки должны быть измерены с частотой обычно 4 кГц и должны циклически передаваться с частотой 1 кГц. Поскольку обычно более одного ИЭУ требует измеренных значений, используется многоадресная адресация уровня MAC. Внутри подстанции обычно от 30 до 60 единиц ИЭУ передают эти выборки, что приводит к высокой скорости многоадресной нагрузки в случае только одной общей сети.

3. Временная синхронизация для автоматизации подстанций

Стандарт МЭК-61850 определяет простой протокол синхронизации времени по сети (SNTP, RFC 2030) для временной синхронизации, рассматриваемый включение IEEE 1588 в будущую ревизию. Существуют различные классы производительности, которые используются для различных функциональных требований автоматизации подстанции при маркировке времени, как показано на рисунке 9.3 в разделе 9.

Традиционные реализации SNTP в основном основаны на временном тиснении входящих и исходящих пакетов времени на прикладном уровне SNTP (который выше уровня UDP). Точность, которая может быть достигнута, придерживаясь такой схемы тиснения времени, не очень хороша (~ 1 м/с). Для удовлетворения требований к автоматизации подстанции (класс IEC 2 или выше) можно выполнить временное тиснение на низком уровне как на SNTP-клиенте, так и на сервере. Обратите внимание, что реализация достаточно проблематична и, следовательно, не конфликтует с SNTP как таковым.

SNTP определяет временное распределение на основе как одноадресных, так и широковещательных режимов. Однако стандарт МЭК-61850 предлагает использовать только одноадресную временную синхронизацию, то есть «временной клиент» контролирует интервал между двумя запросами времени. Поскольку точность уменьшается за счет различного времени передачи, то точность улучшается, если количество переходов между сервером времени и ИЭУ является как можно меньшим. В отличие от SNTP, согласно IEEE 1588, сервер времени запускает обновление времени. В принципе оба подхода обещают достичь одинокого уровня точности.

4. Дополнительные расширения

Стандарт МЭК-61850 представляется на уровне подстанции, но расширяется для связи между подстанциями и между подстанцией и центром управления.

В то время как временные требования в нормальных рабочих условиях могут быть достигнуты на подстанции, при проектировании необходимо уделять больше внимания сетям WAN. Принимая во внимание такие сообщения, как GOOSE, для передачи в дистанционных целях защиты, каждый должен иметь возможность гарантировать качество обслуживания (QoS), включая детерминированные сроки для таких сервисов, даже в неблагоприятных сетевых условиях. Таким образом, доступная технология для WAN-приложений - это Ethernet over SDH, которая может обеспечить требуемые характеристики QoS.

В будущем синхронизация ИЭУ будет определяться протоколом IEEE1588v2, что улучшит точность синхронизации по сравнению с существующим протоколом SNTP. Это потребует добавления специального оборудования для синхронизации.