Структура связи в стандарте IEC 61850

Технический комитет 57 (TC57) Международной электротехнической комиссии IEC разработал пакет взаимосвязанных стандартов, касающихся общей информационной модели (CIM) для описания энергосистем (IEC61970) и распределительного оборудования (IEC61968). Кроме этого, в пакет входят стандарты программных интерфейсов для интеграции приложений предприятий энергоснабжения (IEC61970), а также основные протоколы решения задач телемеханики (IEC60870) и автоматизации подстанций (IEC61850).

Серия стандартов IEC 61850 определяет способы обмена между процессами, представленными интеллектуальными электронными устройствами IED (релейная защита, автоматика, цифровые трансформаторы тока и напряжения). Полный набор стандартов содержит более 10 частей, и на момент издания данной работы еще не принят в качестве национального стандарта России.

Общая схема коммуникационных профилей стандарта IEC 61850 показана на рис.58 [28]. Стандарт опирается на несколько профилей, в зависимости от вида взаимодействующих процессов. Сообщения процессов классифицированы на следующие типы:

сбор измеряемых величин (sampled values SV);

общее объектно-ориентированное сообщение подстанции (Generic Object Oriented Substation Event, GOOSE);

сигналы синхронизации времени (Time Sync);

сообщения клиент-серверной службы (Core ACSI Services);

общее событие состояния подстанции(Generic Substation Status Event GSSE).

Основные особенности различных профилей:

выборочные значения (Sampled Values) и общие объектно-ориентированные события состояния подстанции (GOOSE) непосредственно преобразуются в пакет Ethernet, исключая обработку данных на средних уровнях;

уровень, ориентированный на установление соединения производственной службы сообщений MMS, может функционировать по TCP/IP или по стандарту ISO;

протокол Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) функционирует с сервисами ISO, не требующими установки соединения;

все данные преобразуются в пакеты Ethernet.

Рис. 58. Коммуникационные профили IEC 61850

Стандарт IEC 61850 определяет абстрактные модели устройств, включая данные с атрибутами, их типы и соглашения по именам, т.е. те аспекты устройств, которые необходимы для обеспечения взаимодействия их друг с другом. Фактически стандарт представляет собой надстройку над эталонной моделью OSI. Над стеком 7-го уровня находится абстрактный интерфейсный уровень (ACSI – Abstract Communication Services) и адаптационный уровень (SCSM – Specific Communication Services Mapping). На рис.59 приведена схема надстройки IEC 61850 над моделью OSI [26]. Абстрактный интерфейс сервиса связи по стандарту МЭК 61850 определяют набор сервисов и реакцию на воздействие этих сервисов, но он не содержит описания конкретных протоколов. Отображения этих сервисов на конкретный протокол прикладного уровня составляет суть адаптации (согласования, mapping).

Рис. 59. Стандарт IEC 61850 как надстройка над моделью OSI

При разработке стандарта были проанализированы функции устройств автоматизации подстанции и связанных с ними объектов (прикладные функции). Прикладные функции были разбиты на минимальные части – логические узлы. Несколько логических узлов могут составлять логическое устройство. Логические устройства, отображающие реальные, взаимодействуют с реальным миром через средства коммуникации.

Логический узел содержит данные с приданными им атрибутами. Данные имеют значения в семантическом контексте. Узел может содержать до 30 данных, каждый из которых может иметь до 20 атрибутов. Имена данных и атрибутов стандартизованы.

Функции распределены между логическими узлами различным образом. Одна функция может выполняться несколькими узлами и реализовываться несколькими реальными устройствам, как это показано на рис.60.

Так, например, функция токовой ступенчатой защиты выполняется логическими узлами, представляющими человеко-машинный интерфейс, токовую защиту, выключатель, трансформатор тока, а реализуются в
АРМе, комплекте защит, выключателе и трансформаторе тока.

Рис. 60. Распределение функций по логическим узлам

1 – АРМ, 2 – синхронизируемое устройство, 3 комплект защит ДЗ и ступенчатая токовая защита, 4 – устройство управление выключателем, 5, 6 – трансформаторы тока и напряжения, 7 – трансформатор напряжения на шинах подстанции, ЧМИ – человеко-машинный интерфейс.

Список групп логических узлов показан в табл.7

Таблица 7

Назначение классов узлов

Конкретные логические узлы, входящие в группу кроме идентификатора группы имеют поясняющие символы, которые также стандартизованы. Примеры обозначений логических узлов:

PDIF – дифференциальная защита;

RBRF – устройство резервирования отказов выключателя (УРОВ);

CSWI – контроллер коммутационного аппарата;

ITCI – интерфейс телеуправления;

MMXU – значения измерений;

SPDC – мониторинг и диагностика частичных разрядов;

XCBR – выключатель;

TCTR – трансформатор тока;

YPTR – силовой трансформатор;

ZLIN – воздушная линия электропередачи.

Стандартное логическое узловое имя может быть расширено префиксом и суффиксом, например: Q0 XCBR 1.

Каждый логический узел содержит один или несколько элементов данных [28]. Каждый элемент данных имеет собственное имя. Имена определяются стандартом и отображают функции энергосистемы.

Например, выключатель смоделирован как логический узел XCBR. Имя узла содержит ряд данных, в том числе обозначения:

Loc – для определения «дистанционный» или «локальный»;

OpCnt – для подсчета операций;

Pos – для определения положения;

BlkOpn – для блокировки команд отключения выключателя;

BlkCls - для блокировки команд включения выключателя.

Данные могут содержать атрибуты. Так положение выключателя Pos имеет атрибут stVal, который представляет позицию реального выключателя (промежуточное, отключенное, включенное, неисправное).

При ссылке на атрибут обычно указывается имя логического узла, имя данных и имя атрибута, например, XCBR.Pos.stVal. При изменении значений некоторых атрибутов данных логического узла возможна генерация узлом сообщения.

На базе логических узлов формируется логическое устройство. Набор логических устройств входит в сервер. Сервер обладает сетевым адресом. Набор серверов определяет физическое устройство. Таким образом, у одного физического устройства (интеллектуального электронного устройства, IED) может быть несколько сетевых адресов. IED может выставить как дискретный сигнал на выход, так и породить сообщение для сети.

Информационный обмен определен услугами (services). Определены, в частности, следующие категории услуг:

контроль устройства;

обмен точка-точка статусной информацией (блокирование или разрешение функции или устройства);

отчет об установке данных (атрибутов данных);

обработка и установка группы параметров;

передача отсчетов значений от датчиков;

синхронизация времени;

пересылка файлов.

6.3. Сервисы общих событий состояния подстанции GOOSE – GSSE

Общее событие подстанции (GOSSE, GSSE), обеспечивает прямой информационный обмен между выходными величинами данных одного IED и входными данными множества других IEDs (групповой), либо используется для вычисления данных для внутренних целей этого же IED. Протокол МЭК 61850 определяет два типа сервисов одноранговой связи для передачи данных: общие события состояния подстанции (GSSE) и общие объектно-ориентированные события на подстанции (GOOSE). GOOSE сообщениям присваивается приоритет выше, чем стандартному трафику сети Ethernet. Протокол МЭК 61850 рекомендует для GOOSE значение приоритета равное 4. Обычный Ethernet трафик соответствует приоритету 1.

Cтандарт IEC61850 очень заинтересовал релейщиков, в части обмена информации между реле через сообщения GOOSE в сети Ethernet. Это связано с большим количество цепей, которые приходится устанавливать для обеспечения обмена между реле в существущих устройствах.

Применение GOOSE-коммуникаций и протокола МЭК 61850 позволяет [27], с использованием оптической или электрической цифровой сети Ethernet подстанции, выполнять обмен логическими сигналами между любыми терминалами РЗА, включенными в эту сеть, без использования дискретных входов и выходов терминалов, то есть, без использования кабельных связей. При применении оптической сети обеспечивается лучшая электромагнитная совместимость, большая гибкость, при изменениях в проекте (в части взаимодействия устройств РЗА). Наладка всех устройств, а так же работы по их обслуживанию могут производиться с любого компьютера, подключенного к сети Ethernet подстанции.

Но, учитывая возможные перегрузки коммуникационной сети при возникновении аварийных ситуаций, предлагается использовать для обмена через сеть только наименее ответственные сигналы. Среди них могут быть:

организация оперативной блокировки;

запреты АПВ;

информация о положении выключателей и разъединителей для РЗА;

контроль отсутствия/наличия напряжения для РЗА;

контроль пуска максимальной токовой защиты ячеек КРУ 6… 35 кВ для организации логической защиты шин и дуговой защиты;

организация защиты минимального напряжения и автоматического включения резерва в ячейках КРУ.

Возможна передача через сеть и других, более ответственных сигналов, например, пуск УРОВ, сигналы отключения.

Поскольку GOOSE использует групповой принцип, то есть одна телеграмма получается многочисленными подписчиками, то нет подтверждения. Издатель вынужден выдавать телеграмму несколько раз. При этом интервалы между выдачами увеличиваются от минимально необходимого (для релейной защиты 1-4 мс), до максимального, задаваемого при настройке системы. Каждая телеграмма GOOSE включает данные о времени жизни телеграммы. В случае если повторение не получено подписчиком в пределах времени жизни телеграммы, то сведения, предоставленные при предыдущем прием этой телеграммы, классифицируется, по крайней мере, как сомнительные и с этим качеством передаются в приложение. Это связано с тем, что после первой посылки состояние издателя может измениться, и он прекращает повторные передачи телеграммы. В случае если сообщение не поступает в течение максимального времени для данного издателя, то фиксируется неисправность коммуникационной среды.

Каждое сообщение GOOSE включает номер повторной телеграммы, что позволяет подписчику отслеживать принятые сообщения. На рис. 61 показана реакция системы при возникновении события, контролируемого релейной защитой [29].

Рис. 61. Генерация сообщений GOOSE при возникновении события

Сообщения GSSE введены для совместимости МЭК 61850 с ранее используемым протоколом UCA.