СПОСОБ СВЯЗИ НА ПРЕДПРИЯТИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
UTILITY COMMUNICATION METHOD AND APPARATUS THEREFOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области связи на предприятии электроэнергетики и, в частности, к передаче команд релейной телемеханической защиты между удаленными объектами электроэнергетического предприятия по коммунальному обслуживанию.
Уровень техники
Компании-операторы электроэнергетических предприятий или систем передачи электрической энергии владеют и управляют сетями передачи электроэнергии, соединяющими объекты, такие как источники энергии и подстанции, которые, несмотря на удаление друг от друга на несколько сотен и более километров, должны тем или иным образом координировать свои действия. В их системах связи происходит обмен различными сообщениями по протяженным линиям связи между удаленными объектами предприятия с целью обеспечения безопасной передачи и распределения энергии. Для некоторых из этих сообщений, в частности, для команд релейной телемеханической защиты, задержка прохождения сигнала между передатчиком и приемником играет крайне важную роль и не должна превышать нескольких миллисекунд, максимально нескольких десятков миллисекунд. Для любого критичного ко времени применения увеличенная задержка передачи или потеря пакета может приводить к ложному срабатыванию или даже к повреждению электроэнергетической системы.
Команды релейной телемеханической защиты для цепей дистанционной защиты электрических сетей обычно передаются устройствами дистанционного аварийного отключения или устройствами передачи сигналов аварийной защиты, также известными как устройства релейной телемеханической защиты, через выделенные каналы связи между двумя пунктами. Физически каналы связи могут включать в себя радиоволны или волоконно-оптические линии, но предпочтительно сигналы защиты передают по вспомогательным проводам, аналоговым выделенным линиям, голосовым каналам аналоговых и цифровых систем связи или даже по высоковольтным линиям электропередачи, последние известны как высокочастотная связь по линиям электропередачи. Специальные устройства релейной телемеханической защиты постоянно контролируют состояние системы связи, например, с помощью периодического обмена специальными сообщениями проверки по шлейфу.
Для надежной передачи сообщений на большие расстояния от одного объекта к другому предприятие может также использовать территориально-распределенную систему связи WAN. В данном контексте территориально-распределенная система связи WAN может быть представлена выделенным каналом связи между двумя пунктами, базирующимся на волоконно-оптических кабелях, вспомогательных проводах, сетью связи с установлением соединения с гарантированной скоростью передачи данных типа Ethernet поверх SDH/HDLC или пакетно-ориентированной системой связи, обеспечивающей взаимное соединении ряда объектов предприятия и включающей в себя множество специфических элементов сети, таких как коммутационные устройства, повторители сигнала и, возможно, оптическую среду передачи на физическом уровне.
Публикация WO 2010/081798 направлена на увеличение надежности связи через недетерминированный канал связи и, в частности, полезна для обеспечения межподстанционной релейной телемеханической защиты систем энергоснабжения. Канал связи контролируют на основе регулярного сетевого трафика, т.е. путем оценки трафика данных, сообщений или пакетов данных, содержащих оперативные данные реального масштаба времени в качестве нагрузки. Постоянная оценка качества канала, включая соответствующее оповещение, если качество канала признано неудовлетворительным, основана на оценке на приемном узле пакетов данных, непрерывно или периодически передаваемых с передающего узла. В пакетно-ориентированных территориально-распределенных сетях связи WAN периодически передаваемые пакеты данных могут рассматриваться в качестве замены обычного сигнала удержания канала в занятом состоянии в аналоговых устройствах релейной телемеханической защиты или обычных кадров данных удержания канала в занятом состоянии в цифровых устройствах релейной телемеханической защиты.
Стандарт связи для связи между устройствами системы автоматизации подстанции введен как часть стандарта IEC 61850, озаглавленного «сети и системы связи подстанций». Для обмена некритичными ко времени сообщениями в пределах подстанций, стандарт IEC 61850-8-1 устанавливает протокол Manufacturing Message Specification (MMS, ISO/IEC 9506) (Спецификация производственных сообщений), основанный на сокращенном стеке протоколов Open Systems Interconnection (OSI) (Взаимодействие открытых систем) с протоколом Transmission Control Protocol (TCP) (протокол управления передачей) и протоколом Internet Protocol (IP) (протоколом Internet) на транспортном и сетевом уровнях соответственно и Ethernet в качестве физической среды. Для обмена критическими ко времени событийными сообщениями в пределах подстанций стандарт IEC 61850-8-1 определяет Generic Object Oriented Substation Events (GOOSE) (Общие объектно-ориентированные события на подстанции) и Generic Substation State Events (GSSE) (Общие события состояния подстанции) непосредственно на уровне Ethernet-канала (на уровне 2 взаимодействия открытых систем) связного стека. Таким образом, стандарт определяет формат публикации событийных сообщений в виде многоадресных сообщений промышленного Ethernet. В частности, как и в обычных информационных сетях связи с квази-постоянным трафиком маршрутизаторы и коммутационные устройства подстанции не предусматривают механизма контроля внутриподстанционной сети связи.
Стандарт IEC 61850 относится к системам связи и сетям связи в пределах подстанций или к локальным сетям связи LAN. Поэтому моделирование применений, включающих в себя связь между подстанциями, таких как связь в интересах релейной телемеханической защиты, находится вне объема текущей версии стандарта. Для того чтобы распространить принципы стандарта на связь между подстанциями, в главе 8 «Аспекты связи» отчета IEC/TR 61850-90-1 (E), озаглавленного "Communication networks and systems for power utility automation - Part 90-1: Use of IEC 61850 for the communication between substations" («Сети и системы связи для автоматизации энергосистем общего пользования - часть 90-1: Использование стандарта IEC 61850 для связи между подстанциями») предложены два подхода:
В «туннельном» подходе (Фиг.1, вверху) сообщения пересылаются прозрачно, т.е. без каких-нибудь потерь информации из-за преобразования сообщений в интерфейсе между локальной сетью связи LAN подстанции и территориально распределенной сетью связи WAN, связывающей подстанции. Отсутствие потери информации означает, что осуществляется передача каждого бита исходного сообщения, что предотвращает, например, удаление MAC-адреса уровня 2 маршрутизатором интерфейса. Данный подход подразумевает наличие достаточной полосы частот для передачи всего несжатого сообщения в соответствии со стандартом IEC 61850 с временной задержкой порядка 10 мс. Туннельный подход моделирует только функцию передачи команд релейной телемеханической защиты, но не предусматривает функцию оперативного контроля канала, которая является важной составной частью обычной релейной телемеханической защиты.
Вышеупомянутый отчет IEC/TR 61850-90-1 (E) не раскрывает каких-либо подробностей реализации туннельного подхода. По правде говоря, кадры данных GOOSE/GSSE являются многоадресными на уровне 2 взаимодействия открытых систем, их передача через уровень 3 или сети, основанные на протоколе Internet, представляет собой не очень простую задачу. Типичные пути осуществления туннелирования в пакетно-ориентированных сетях могут включать в себя: i) причисление различных подстанций к одному и тому же уровню 3 подсети и использование идентификаторов виртуальной локальной сети связи VLAN для отделения трафика внутри подстанции от трафика между подстанциями и предотвращения перегрузки подсети кадрами данных GOOSE/GSSE, ii) ручное программирование коммутационных устройств на границе LAN/WAN таким образом, что присущие уровню 2 кадры данных GOOSE/GSSE с характерными MAC-адресами источников, определением протокола Ether-type и (или) VLAN-идентификаторами передаются каналу WAN или iii) использование адаптеров или специально адаптированных коммутационных устройств для туннелирования неизмененных кадров данных GOOSE/GSSE, инкапсулированных в пакеты уровня 3, по сетям уровня 3 (например, с помощью протокола туннелирования уровня 2).
В «шлюзовом» подходе (Фиг.1, внизу) сообщения, подлежащие обмену между подстанциями, модифицируют для передачи по сети WAN, другими словами, соответствующее информационное содержание извлекают из внутриподстанционных сообщений, соответствующих стандарту IEC 61850, и вставляют в отличающиеся от них межподстанционные сообщения. Поэтому с точки зрения стандарта IEC 61850 передача сообщения не является прозрачной. При применении в системах релейной телемеханической защиты данный подход позволяет использовать обычное оборудование релейной телемеханической защиты, которое включает в себя функцию оперативного контроля канала связи и которое предназначено для надежной и безопасной передачи команд системы защиты с небольшой задержкой по каналам связи с ограниченной полосой пропускания, таким как радиолинии, медные провода или линии передачи электроэнергии. С этой целью на передающем конце линии территориально-распределенной системы связи WAN необходимо извлечь команды стандарта IEC 61850 из сообщений, содержащих эти команды, в то время как на приемном конце необходимо воссоздать исходные сообщения стандарта IEC 61850 с использованием команд, выданных оборудованием релейной телемеханической защиты, основываясь на дополнительной информации, сконфигурированной или переданной ранее и независимо от передачи команд.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения - дать возможность коммунальному предприятию, в частности, электроэнергетической компании, эффективно использовать межподстанционные сети связи для обмена командами релейной телемеханической защиты между удаленными объектами или подстанциями компании. Данная цель достигается с использованием способа связи и терминала релейной телемеханической защиты в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения. Дополнительные предпочтительные варианты осуществления очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения, в которых зависимость пунктов не должна рассматриваться как исключающая последующие целенаправленные комбинации пунктов формулы изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением канал связи между подстанциями используют для прозрачной передачи GOOSE/GSSE-сообщений, соответствующих стандарту IEC 61850-8-1, содержащих команды релейной телемеханической защиты или другие межподстанционные команды, и в то же время осуществляют оперативный контроль канала (Channel Supervision and Monitoring (CSM). Оперативный контроль прозрачного канала связи с помощью CSM-функции, аналогичной функции обычной релейной телемеханической защиты, повышает надежность и достоверность целевого использования таких каналов связи. В конечном счете, предлагаемый подход позволяет уйти от таких недостатков, как непрозрачность передачи при шлюзовом подходе и отсутствие оперативного контроля канала при туннельном подходе.
В частности, при типичном способе передачи команд релейной телемеханической защиты от первой подстанции ко второй подстанции электроэнергетической сети происходит обмен командами или передача команд в пределах соответствующей внутриподстанционных или локальных сетей связи LAN двух подстанций, при этом команды являются частью или встроены в командные сообщения, такие как кадры данных GOOSE/GSSE стандарта IEC 61850, определяемые моделью класса общего события на подстанции (Generic Substation Event (GSE) стандарта IEC 61850. Полные, неукороченные командные сообщения передаются прозрачно или в целостном виде по межподстанционному каналу или пути связи. В периоды времени, когда по каналу связи не передаются командные сообщения с первой подстанции на вторую, по каналу межподстанционной связи между двумя подстанциями осуществляется обмен CSM-сообщениями. С помощью CSM-сообщений оценивают пригодность канала с точки зрения приемлемой максимальной задержки, которая должна составлять от нескольких миллисекунд до нескольких десятков миллисекунд, в зависимости от требований конкретного применения.
CSM-сообщения являются частью дополнительного CSM-функционала и могут иметь вид сообщений, удерживающих канал в занятом состоянии, разблокирующих или тестовых сообщений, которые не содержат командной информации релейной телемеханической защиты или другой информации, относящейся к работе основного оборудования подстанции. Тем не менее, повторяющаяся передача CSM-сообщений может сама по себе рассматриваться в качестве подтверждения командной информации релейной телемеханической защиты, содержавшейся в последнем GOOSE/GSSE-сообщении.
Обычно межподстанционный канал связи пересекает территориально-распределенную сеть связи WAN и включает в себя известную последовательность узлов. Сеть WAN может иметь вид i) сети связи, ориентированной на установление соединения, состоящей из ряда взаимосоединенных устройств уплотнения (мультиплексоров) в качестве узлов, или ii) сети связи с коммутацией пакетов, такой, как, например, сеть уровня 2 или сеть уровня 3 на основе IP-протокола, состоящая из ряда взаимосоединенных коммутационных устройств в качестве узлов. Соответственно межподстанционный канал связи с входящими в его состав узлами, такими как вышеупомянутые мультиплексоры или коммутационные устройства, далее называют также «WAN-каналом». На каждой подстанции устройство сопряжения соединяет WAN-канал с LAN-подсистемой системы автоматизации электрической подстанции, обрабатывающей сообщения стандарта IEC 61850. WAN-каналу выделяют достаточную полосу частот или обеспечивают его достаточной пропускной способностью для прозрачной передачи событийно-ориентированных сообщений стандарта IEC 61850, содержащих команды релейной телемеханической защиты, так что целостные командные сообщения передаются в пределах нескольких десятков миллисекунд.
Краткое описание чертежей
Объект изобретения более детально рассмотрен в нижеследующем описании со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, проиллюстрированные прилагаемыми чертежами, на которых показано:
на Фиг.1 - схематическое представление двух альтернативных вариантов осуществления межподстанционной связи,
на Фиг.2 - фрагмент сети передачи электроэнергии,
на Фиг.3 - схематическое представление варианта осуществления настоящего изобретения,
на Фиг.4 - порядок обмена сообщениями во времени.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На Фиг.2 представлен фрагмент сети передачи электроэнергии, содержащий первую подстанцию 10, вторую подстанцию 20, воздушную линию 40 передачи электроэнергии между двумя подстанциями 10, 20 и межподстанционную или территориально-распределенную сеть 30 связи WAN. На обеих подстанциях внутриподстанционная или локальная сеть 11 связи LAN взаимно соединяет оборудование вторичной коммутации подстанции, такое как реле 12, 22, и обеспечивает обмен сообщениями стандарта IEC 61850. Два оконечных устройства 15, 25 играют роль интерфейсов между локальными сетями связи 11, 21 LAN и территориально-распределенной сетью 30 связи WAN. Реле 12, 22 защиты в свою очередь соединены с оборудованием первичной цепи подстанции и выдают сигнал или состояние, которые необходимо передать, например, команду релейной телемеханической защиты, такую как блокировка, разблокировка, разрешающий сигнал или прямой сигнал на отключение, или другую команду, относящуюся к цепи дистанционной защиты, от имени линии 40 передачи электроэнергии, приводящие например, к блокировке, разблокировке, разрешенному или отключенному состоянию коммутационного устройства удаленного объекта назначения.
На Фиг.3 схематически представлен вариант осуществления настоящего изобретения для прозрачного обмена командными сообщениями, касающимися функций A2, B2 релейной телемеханической защиты. Каждый из соответствующих интерфейсов на обеих подстанциях содержит терминал 15, 25 релейной телемеханической защиты (TPE), который принимает GOOSE/GSSE-сообщения стандарта IEC 61850, поступающие по соответствующей локальной сети LAN подстанции. Каждый терминал 15, 25 передает эти сообщения полностью через WAN-канал 31 на противостоящий терминал 25, 15 без какого-либо редуцирования информационного содержания сообщения, как исходно установлено в туннельном подходе согласно стандарту IEC/TR 61850-90-1 (E). Терминалы релейной телемеханической защиты дополнительно адаптированы для генерации и передачи CSM-сообщений, а также для приема и оценки последних от имени WAN-канала 31.
В случае пакетно-ориентированной территориально-распределенной сети связи WAN терминалы релейной телемеханической защиты могут включать в себя коммутационное устройство уровня 2, обладающее соответствующими функциями фильтрования сообщений, подсоединенное к уровню 2 территориально-распределенной сети связи WAN, или коммутационное устройство, обладающее соответствующей возможностью встраивания сообщений, соединенное с IP-сетью с протоколом управления передачей (TCP) или с протоколом передачи датаграмм пользователя (UDP) в качестве уровня 3 территориально-распределенной сети связи WAN. Кадры данных GOOSE/GSSE, которые должны быть переданы терминалом релейной телемеханической защиты, могут быть идентифицированы с использованием специальных MAC-адресов источников, определения протокола Ethertype и (или) VLAN-идентификатора.
На Фиг.4 в верхнем ряду, обозначенном позицией а), показано GOOSE/GSSE-сообщение 52, выдаваемое функциями A2, B2. Согласно схеме ретрансляции стандарта IEC 61850-8-1, GOOSE/GSSE-сообщения повторяются с интервалом T0 длительностью, как правило, 1 секунда. Временной интервал T0 выбирают достаточно большим, чтобы в многоадресной области локальной сети связи LAN подстанции, где происходит обмен GOOSE/GSSE-сообщениями, не оказывалось мешающего воздействия на любой другой трафик стандарта IEC 61850, и он мог беспрепятственно циркулировать. Всякий раз, когда из-за внешнего события 51 информация в наборе данных, содержащемся в GOOSE/GSSE-сообщениях меняется, например, как это имеет место в начале и в конце команды срабатывания, серии GOOSE/GSSE-сообщений вырабатываются с коротким периодом повторения Т1 длительностью несколько миллисекунд, тем самым увеличивая вероятность успешного приема сообщения ценой значительного увеличения нагрузки на локальную сеть связи LAN. Для снижения нагрузки до низкого уровня устойчивого состояния интервал повторения постепенно увеличивают до T2>T1, T3>T2, …, пока не будет снова достигнут интервал повторения Т0 уровня устойчивого состояния.
На Фиг.4 в среднем ряду, обозначенном позицией b), показан непрерывный поток двоичных сигналов, несущих встроенные GOOSE/GSSE-сообщения 62, передаваемые по ориентированному на соединение WAN-каналу. В промежутках между GOOSE/GSSE-сообщениями 62 терминал релейной телемеханической защиты вырабатывает и непрерывно передает с интервалом от 1 до 10 мс CSM-сообщения 63. Так как в WAN-канале нет другого трафика, полная пропускная способность WAN-канала может быть задействована для обмена сообщениями 62, 63. Поэтому пропускная способность WAN-канала может быть соответственно снижена по сравнению с пропускной способностью локальной сети связи LAN подстанции, и пропускной способности в объеме нескольких 100 кбит/с достаточно для поддержания временной задержки на низком уровне. В передающем интерфейсе GOOSE/GSSE-сообщения надлежащим образом маркируют в рамках потока двоичных сигналов, например путем добавления стартового и стопового битов перед и после сообщения, технологии, уже известной, например из "Ethernet over Synchronous Digital Hierarchy SDH" (Ethernet поверх синхронной цифровой иерархии) или "High-Level Data Link Control HDLC" (Высокоуровневый протокол управления каналом передачи данных) для передачи и безошибочного восстановления кадров данных Ethernet.
На Фиг.4 в нижнем ряду, обозначенном позицией c), показаны сообщения 72, передаваемые в пакетно-ориентированном WAN-канале. Сообщения 72 являются GOOSE/GSSE-сообщениями, т.е. либо присущими уровню 2 GOOSE/GSSE-сообщениями в случае территориально-распределенной сети WAN, либо инкапсулированными в виде неизмененных GOOSE/GSSE-сообщений транспортного протокола уровня 3, который обеспечивает маршрутизацию на уровне 3 территориально-распределенной сети WAN или IP-сети. CSM-сообщения 73 вставляют с регулярными интервалами типичной длительностью несколько миллисекунд. Интервалы повторения CSM-сообщений достаточно малы, чтобы позволить критичным ко времени CSM-аспектам, таким как разблокировка, не создавать чрезмерную дополнительную нагрузку на канал связи, как это имеет место в каналах, ориентированных на соединение, сообщения 72, 73 не должны занимать более небольшой части полной емкости канала связи, чтобы не создавать значительных препятствий прочему WAN-трафику в канале. В случае прямой передачи GOOSE/GSSE-сообщений уровня 2, в сетевом устройстве на границе LAN/WAN-сетей осуществляют фильтрацию с использованием MAC-адресов источников, определения протокола Ethertype и (или) VLAN-идентификаторов. В случае инкапсуляции GOOSE/GSSE-сообщений на уровне 3, применяют стандартные процедуры маршрутизации уровня 3.
CSM-функции вырабатывают дополнительные сообщения, такие как сообщения удержания канала в занятом состоянии, разблокировки и тестовые сообщения. Повторяющаяся передача CSM-сообщений может сама по себе рассматриваться как подтверждение информации релейной телемеханической защиты, содержащейся в самом последнем GOOSE/GSSE-сообщении. Альтернативно такая командная информация может быть напрямую включена в состав CSM-сообщений в виде нескольких дополнительных двоичных разрядов. Информация, вырабатываемая CSM-функциями, может нуждаться в передаче абонентам в пределах подстанции под контролем соответствующих уполномоченных операторов с использованием обычных механизмов связи и (или) таких механизмов связи, как уведомление (средство типа «публикация и подписка»), считывание (опрос) и запрос на предоставление информации. Альтернативно информация о качестве канала, такая как критичные ко времени события разблокировки, может быть передана в виде GOOSE-сообщений или GSSE-сообщений по локальной сети связи LAN подстанции.
CSM-сообщения передают по тому же межподстанционному каналу связи или WAN-туннелю, что и команды релейной телемеханической защиты, и поэтому оба типа сообщений пересылаются одними и теми же WAN-узлами. С этой целью терминал релейной телемеханической защиты сохраняет обновленную информацию о текущем пути связи, включая таблицу всех промежуточных узлов территориально-распределенной сети WAN, через которые проходят соответствующие сообщения.
CSM-сообщения релейной телемеханической защиты включают в себя следующие мероприятия:
a) передача сообщений или сигналов удержания канала в занятом состоянии во время покоя, т.е. когда не передаются никакие команды, и непрерывная оценка качества канала на этой основе. Невозможность приема ожидаемого сообщения позволяет в течение нескольких миллисекунд обнаружить разрыв канала связи или недостаточное качество канала связи для обеспечения успешной передачи команды, после чего на приемное защитное реле может быть послан так называемый разблокирующий импульс, и на время разрыва канала связи может выдаваться сигнал тревоги;
b) обмен тестовыми командами между соединенными устройствами релейной телемеханической защиты. Такие команды имеют тот же формат, что и подлинные команды, однако не приводят к каким-либо исполнительным действиям. Вместо этого противостоящее устройство после получения тестовой команды направляет в обратном направлении тестовый ответ, позволяющий первому устройству измерить временную задержку в шлейфе. Если задержка больше предварительно заданного предела, равного, например, двум периодам основной частоты сети (40 мс), то может выдаваться сигнал тревоги. Проверка по шлейфу может быть начата вручную в любое время, или оборудование может быть сконфигурировано таким образом, чтобы проверка по шлейфу выполнялась с регулярными интервалами, например, каждые несколько минут или часов;
c) установка счетчиков команд, подсчитывающих количество переданных и принятых команд. Такие счетчики могут обнуляться индивидуально или одновременно, если это необходимо;
d) установка устройства записи событий для запоминания всех событий, которые относятся к последующему восстановлению и анализу последовательности событий. Записанные события сохраняют вместе с временными метками в энергонезависимом запоминающем устройстве, и они могут включать в себя:
- переданные или принятые команды;
- посланные, возвращенные и неудавшиеся проверки по шлейфу;
- разблокирующие импульсы;
- изменения состояния тревоги оборудования;
- события манипулирования, такие как сброс счетчиков команд, установка часов реального времени, включение оборудования;
e) оценка и запись показателей качества канала, таких как отношение сигнал-помеха, уровень приема, уровень шума, коэффициент ошибок по битам, среднее время передачи, максимальное время передачи, среднее искажение пакета и (или) максимальное искажение пакета. Такие показатели могут быть полезны при поиске причин проблем со связью.
В целом настоящее изобретение предлагает использовать прозрачную передачу команд релейной телемеханической защиты между подстанциями в виде GOOSE-сообщений или GSSE-сообщений, как это определено моделью классов общего события на подстанции GSE стандарта IEC 61850-7-2, совместно с оперативным контролем канала (CSM), аналогичным контролю, обеспечиваемому обычным оборудованием релейной телемеханической защиты. Такой подход позволяет уйти от таких недостатков, как непрозрачность передачи, присущая шлюзовому подходу, и отсутствие CSM-функциональности при использовании туннельного подхода.