Так вышло, что испытания релейной защиты обязательно проводят на специальных комплексах в режиме реального времени. Внутри этих комплексов находятся цифровые двойники электроэнергетических объектов. Чтобы разобраться как и зачем их туда загружают, мы прольем свет на всеми любимый и ненавистный стандарт МЭК 61850 и поделимся своим опытом моделирования энергосистем на КПМ РИТМ.
Кому полезно?
Статья будет полезна начинающим специалистам, а также тем, кто уже работает с цифровыми технологиями в электроэнергетике и смежных областях.
В данной статье рассмотрено:
Назначение протокола Sampled Values.
Структура его прикладного кадра Ethernet.
Цифровое моделирование энергосистемы в реальном времени на КПМ РИТМ.
Первые два раздела носят справочный характер и служат основой для понимания того, как устроено цифровое общение между устройствами на подстанции. Поэтому тем, кто на «ты» с протоколами МЭК 61850, можно смело переходить к третьему разделу.
1. Назначение протокола Sampled Values
Для начала немного теории из стандарта «ФСК ЕЭС»:
Цифровой подстанцией (ЦПС) называется подстанция, в которой организация всех потоков информации при решении задач мониторинга, анализа и управления осуществляется в цифровой форме, а параметры такой передачи определяются единым файлом электронного проекта. В качестве основной среды передачи данных в рамках цифровой подстанции используется локальная вычислительная сеть (ЛВС) на базе технологии Ethernet, а в качестве коммуникационных протоколов применяются протоколы, описанные стандартом МЭК 61850.
Другими словами, при переходе от «меди» к ЛВС ключевым вопросом стала организация потоков информации по протоколам МЭК 61850. Среди всего многообразия потоков информации на подстанции мы рассмотрим процесс передачи цифровых измерений токов и напряжений, которые поступают от трансформаторов тока и напряжений.
Источником мгновенных измерений служат специальные устройства обработки первичного сигнала от традиционных или от оптических измерительных трансформаторов. Эти устройства часто называют «устройство сопряжения» или «merging unit». Устройства предназначены для оцифровки сигналов тока и напряжения и их передачу в цифровом виде в единое информационное пространство подстанции по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС).
Основным протоколом для передачи высокодискретных измерений является протокол Sampled Values (SV). SV-протокол в спецификации 9-2LE предназначен для передачи мгновенных измерений четырех токов и четырех напряжений. По три измерения на каждую фазу и одно в нейтрали. Измерения располагаются в SV-кадре.
2. Структура SV-кадра
Поскольку для передачи данных по протоколу Sampled Values используется Ethernet II, SV-кадр содержит все его основные составляющие. Структуру SV-кадра длиной 1526 байт можно разделить на три уровня.
Первый уровень
Preamble длиной 8 байт находится в самом начале ethernet кадра для синхронизации отправителя и получателя. Преамбула сообщает получателю о необходимости подготовиться к поступлению кадра.
DA (Destination Address) длиной 6 байт содержит MAC-адрес получателя. Поддерживает три основных метода передачи трафика в сетях – Unicast, Broadcast и Multicast. Входит в заголовок кадра.
SA (Source Address) длиной 6 байт содержит MAC-адрес отправителя, только Unicast. Входит в заголовок кадра.
Priority tagged длиной 4 байта используется для передачи значения приоритета.
Ethernet type длиной 2 байта указывает тип протокола (0x88BA для МЭК 61850) инкапсулированных в данный кадр данных. Входит в заголовок кадра.
APPID длиной 2 байта – идентификатор приложения – используется для фильтрации, то есть для выбора тех кадров Ethernet, которые содержат SV. По умолчания значение 0x4000.
Length длиной 2 байта указывает суммарную длину полей APPID, Length, reserved 1, reserved 2 и APDU.
Reserved 1 длиной 2 байта – зарезервированное поле, в котором указывает режим работы устройства. Если старший бит 1, то включен режим тестирования.
Reserved 2 длиной 2 байта – зарезервированное поле для передачи параметров безопасности.
APDU протокольный блок данных прикладного уровня с измерениями.
Checksum длиной 4 байта со значением контрольной суммы для проверки целостности данных при передаче. Кадр удаляется, если обнаружится ошибка.
Второй уровень
savPdu длиной 4 байта – начало сообщения
noASDU длиной 3 байта – количество ASDU в одном кадре (от 1 до 8)
Мы помним, что наши токи и напряжения – это обычные синусоиды. В зависимости от того, для чего предназначены измерения, меняется количество точек на период измеренной синусоиды, а также сколько таких точек будет храниться в одном SV-кадре.
для РЗиА (ПА) | для качества ЭЭ | |
Точек на период | 80 | 256 |
Измерений в одном кадре | 1 | 8 |
Количество измерений в одном кадре - это и есть количество блоков данных ASDU (Applicational service data unit).
Sequence of ASDU длиной 4 байта – начало блока данных.
Sequence ASDU1 длиной 2 байта – идентификатор начала блока данных.
svID длиной от 21 до 69 байт – идентификатор точки измерения или устройства сопряжения.
smpCnt длиной 4 байта – номер выборки.
confRev длиной 6 байт – номер конфигурации.
Счетчик изменений в структуре SV-кадра. Учитывается удаление элемента набора данных и переупорядочивание элементов в наборе данных.
smpSynch длиной 3 байта – метка наличия синхронизации.
Временная синхронизация между интеллектуальными электронными устройствами ЦПС крайне важна для обеспечения единства моментов измерения. Для синхронизации в последнее время используется протокол PTP (Precision Time Protocol). Точность синхронизации должна быть не хуже 1 мкс.
Метка принимает следующие значения:
2 – глобальная синхронизация. Устройства синхронизированы относительно друг друга и относительно всемирного координированного времени (GPS/GLONASS).
1 – локальная синхронизация. Устройства синхронизированы относительно друга друга по внутренним мастер часам.
0 – синхронизация отсутствует.
Sequence of Data длиной 66 байт – информация об измерениях.
Третий уровень
Поле Sequence of Data содержит информацию о мгновенных токах и напряжениях фаз A, B, C и нейтрали N, а также об их качестве.
Мгновенные значения тока:
InnATCTR1.Amp.instMag.i
InnBTCTR2.Amp.instMag.i
InnCTCTR3.Amp.instMag.i
InnNmTCTR4.Amp.instMag.i
Мгновенные значения напряжения:
UnnATVTR1.Vol.instMag.i
UnnBTVTR2.Vol.instMag.i
UnnCTCVR3.Vol.instMag.i
UnnNmTCVR4.Vol.instMag.i
Quality – статусная информация о токах и напряжениях:
InnATCTR1.Amp.q
InnBTCTR2.Amp.q
InnCTCTR3.Amp.q
InnNmTCTR4.Amp.q
UnnATVTR1.Vol.q
UnnBTVTR2.Vol.q
UnnCTCVR3.Vol.q
UnnNmTCVR4.Vol.q
Статусная информация включает в себя Validity и DetailQualitу.
Validity – оценка качества передаваемых данных:
Good – неисправности не обнаружены;
Invalid – получаемая информация неверна и ее нельзя использовать;
Questionable – проблемы с сервером, однако передаваемая информация может оставаться актуальной.
DetailQualitу уточняет причину некорректности данных.
3. Цифровое моделирование энергосистемы в реальном времени на КПМ РИТМ
После знакомства с протоколом Sampled Values смоделируем работу электрической сети по протоколу МЭК 61850 на комплексе полунатурного моделирования РИТМ для проверки теории на практике.
Для этого создадим модель энергосистемы и развернем ее на РИТМе. КПМ РИТМ будет генерировать SV-потоки в локальную сеть с измерительных трансформаторов тока в темпе реального времени. Далее, с помощью программы Wireshark захватим потоки и убедимся, что SV-кадр соответствует описанной ранее структуре.
Для конкретики создадим не абстрактную модель, а простейшую имитационную модель В4 электрической сети 220 кВ из стандарта «ФСК ЕЭС». Полный список верифицированных имитационных моделей можно посмотреть на сайте нашего партнера.
Из блоков библиотеки Simscape Power System собираем модель.
Информация с измерительных трансформаторов тока (СТ А и СТ Б) и напряжения (VT A и VT Б) попадает в блок формирования SV-кадров из библиотеки РИТМа.
На вход блока подаются 4 тока и 4 напряжения, confRev, smpSynch, extSA (Source Address), которые мы обсуждали ранее. На выходе получаем сформированный SV-кадр и его длину, которые передаются на блок Raw Ethernet из библиотеки РИТМа, а затем в Ethernet сеть.
Далее, готовая модель компилируется в Си-код и запускается на КПМ РИТМ.
На экране мы видим осциллограммы мгновенных токов и напряжений, а также их действующие значения. Расчетные значения параметров в нормальном режиме приведены в таблице из стандарта.
Параметр | ПС А | ПС Б |
Напряжение на шинах, кВ | 239,5 | 239,8 |
Ток по линии, кА | 0,279 | 0,288 |
Итак, наша модель запустилась на РИТМе и работает в темпе реального времени. Шаг расчета модели 250 мкс, как раз 80 точек на период. Время (TET), затраченное РИТМом на выполнение каждого шага расчета модели, около 25 мкс.
Зеленые линии показывают действующие значения токов (I1 и I2) и напряжений (U1 и U2). Значения совпадают с расчетными параметрами, указанными в таблице.
В реальном времени РИТМ отправляет в сеть SV-кадры, которые мы можем захватить Wireshark’ом у себя на ноутбуке. Рассмотрим кадр под номером 90891.
Wireshark определил, что наш кадр формата Ethernet ll с блоком данных протокола Sampled Values. Это означает, что кадр с измерениями из модели энергосистемы сформирован правильно.
Раскрыв вкладку IEC61850 Sampled Values, можно рассмотреть кадр подробнее и сопоставить его состав со структурой из первого раздела нашей статьи. Preamble и Checksum не отображаются, поскольку эти биты удаляются на физическом уровне контроллером сетевого интерфейса перед передачей на канальный уровень, где происходит анализ кадров.
Пройдя внутрь PhsMeas1, можно увидеть значения токов и напряжения и их качества.
Внутри quality содержатся атрибуты качества измерений со значением false, то есть все норме. Поэтому атрибут validity имеет значение good.
Таким образом, захваченные SV-кадры полностью соответствуют стандарту МЭК 61850-9-2LE.
Что дальше?
Как вариант, к РИТМу с отлаженной моделью электрической сети можно физически подключить вторичное оборудование (например, терминал РЗиА и/или ПА) для проведения испытаний.
Также возможен другой сценарий. Развернуть модель «вторички» на другом РИТМе и обеспечить общение с моделью на нашем РИТМе через GOOSE и SV.
Такой вариант коммуникации двух РИТМов мы покажем в следующей статье.
Ждем вопросы и возможные пожелания в комментариях!
В мае наши партнеры запланировали технический вебинар по данной тематике.
Спасибо за прочтение!