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:

  1. Назначение протокола Sampled Values.

  2. Структура его прикладного кадра Ethernet.

  3. 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.

Рис. 1. Архитектура ЦПС
Рис. 1. Архитектура ЦПС

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.

Рис. 2. Трехуровневая структура Ethernet кадра Sampled Values
Рис. 2. Трехуровневая структура Ethernet кадра Sampled Values

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.

Рис. 3. Процесс моделирования работы электрической сети по МЭК 61850
Рис. 3. Процесс моделирования работы электрической сети по МЭК 61850

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.

Рис. 4. Схема моделируемой сети 220 кВ
Рис. 4. Схема моделируемой сети 220 кВ

Из блоков библиотеки Simscape Power System собираем модель.

Рис. 5. Модель сети 220 кВ в Simulink
Рис. 5. Модель сети 220 кВ в Simulink

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.

Рис. 6. Блок формирования SV-кадров
Рис. 6. Блок формирования SV-кадров

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.

Рис. 7. КПМ РИТМ с ноутбуком разработчика
Рис. 7. КПМ РИТМ с ноутбуком разработчика

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.

Рис. 8. Монитор КПМ РИТМ
Рис. 8. Монитор КПМ РИТМ

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.

Рис. 9. Захват SV-кадра с помощью Wireshark
Рис. 9. Захват SV-кадра с помощью Wireshark

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. 

Рис. 10. Анализ состава SV-кадра в Wireshark
Рис. 10. Анализ состава SV-кадра в Wireshark

Пройдя внутрь PhsMeas1, можно увидеть значения токов и напряжения и их качества.

Рис. 11. Третий уровень SV-кадра
Рис. 11. Третий уровень SV-кадра

Внутри quality содержатся атрибуты качества измерений со значением false, то есть все норме. Поэтому атрибут validity имеет значение good.

Рис. 12. Идентификаторы качества измерений
Рис. 12. Идентификаторы качества измерений

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.

Рис. 13. Стенд автоматического тестирования автоматики
Рис. 13. Стенд автоматического тестирования автоматики

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!

Комплексы полунатурного моделирования РИТМ

Вводный вебинар по работе с КПМ РИТМ

Комментарии (13)


  1. Indemsys
    26.04.2022 19:06
    +1

    Осталось неясным где тут некий "двойник"?
    Вижу только модель и генератор тестовых сигналов и нет никаких признаков двойников.
    Может термин "двойник" здесь все же неуместен?


    1. avshkol
      26.04.2022 21:50

      Судя по всему, там есть какой-то генератор изменений нагрузки, режимов работы генераторов, коротких замыканий в сети и т.п., моделирующий «реальный» поток данных.


      1. ritm_energy Автор
        27.04.2022 13:31

        Для статьи была создана виртуальная физическая модель в ПО для физического моделирования объектов, эта модель была развернута на машине реального времени КПМ РИТМ. Машина реального времени, по сути, это промышленный компьютер, который обеспечивает работу нашей физической модели энергосистемы в жестком реальном времени, а также в реальном времени выдавать измерения с этой модели в виде SV-потока в данном случае. А сама модель энергосистемы может быть построена из различных элементов: электрические машины, трансформаторы, ЛЭП, нагрузки, источники возобновляемой энергии, силовая электроника и т.д.


        1. avshkol
          28.04.2022 10:57

          Технический вопрос:

          Данные внутри у вас организованы в соответствии с ГОСТами 58651.x?

          Учитывая, что они ещё не все вышли, как планируете производить реорганизацию данных при выходе все новых ГОСТов этой серии?


          1. ritm_energy Автор
            28.04.2022 13:17

            Мы не использовали указанный вами ГОСТ для формирования данных


    1. cheshirskiykot
      26.04.2022 22:17

      В статье приводится разбор деталей того, как работает одна из систем для релейной защиты. В реальном цифровом двойнике она будет являться одной из составляющих. Цифровой двойник полностью дублирует существующий электроэнергетический объект и даже получает от реальных систем (SCMS/АСКУЭ/SCADA) данные на вход для моделирования.


      1. avshkol
        27.04.2022 01:52

        Здесь вопрос в том, что называть "цифровым двойником" на практике. Вот есть приложение+БД, которые каждую секунду получают параметры тока и напряжения из какого-то количества точек реальной подстанции или части сети, энергоузла и т.п.

        Если измерениями охвачено только небольшая часть всех возможных точек, а остальное досчитывается/моделируется, это цифровой двойник. Но есть противоположный взгляд - это не двойник, поскольку он может сильно различаться с оригиналом.

        Если же мы получаем практически полную картинку (для наших нужд), и ничего принципиально важного не досчитывем/не моделируем, то это скорее НЕ цифровой двойник, а просто автоматизированная система измерений, собирающая максимум данных для анализа. Но есть другое понимание - что это как раз цифровой двойник, поскольку максимально близок к оригиналу.

        Поэтому взгляд на то, что есть цифровой двойник, зависит от того, является ли его определяющей функцией аналитика и моделирование, или только сбор максимального количества данных и максимальная близость к реальности в каждую секунду?

        Поэтому грань между тем, что считать цифровым двойником в реальности, несколько расплывчата и субъективна. Например, вопрос "при каких характеристиках умный дом становится цифровым двойником реального дома?" весьма не прост и вызовет массу споров.


        1. ritm_energy Автор
          27.04.2022 13:32

          Согласны, все зависит от цели моделирования. В нашем случае ключевое значение имеют потоки информации, поступающие с измерителей в модели.  SV-потоки с машины реального времени дают нам полную картину того, что происходило бы на живой цифровой подстанции, поэтому мы здесь используем термин “двойник”.


      1. ritm_energy Автор
        27.04.2022 13:32
        +1

        По сути машина реального времени передает измерения с имитационной модели, учитывающей физику реальных процессов (в данном случае измерения с ЛЭП), которые могут быть доступны релейной защите и другим вторичным системам, принимающим SV-потоки (АСКУЭ, УСВИ,ПА и др.). При необходимости имитационная модель может быть достроена до решения, описанного вами. У нас есть инструмент, который позволяет уточнять параметры модели, отталкиваясь от текущих измерений с реального объекта.


    1. ritm_energy Автор
      27.04.2022 13:30
      +1

      На машину реального времени (это не генератор тестовых сигналов) мы загрузили верифицированную физическую модель электроэнергетической сети. Получился черный ящик с моделью, к которому можно подключить, например, токовую защиту, которая будет чувствовать и реагировать на поступающие из ящика SV-потоки с измерениями, будто она сейчас установлена на реальной подстанции. В свою очередь защита может выдавать управляющее воздействие, которое может принять машина реального времени и отключить, например, поврежденную ЛЭП, при этом произойдет изменений режима в сети, что отразится и в SV-потоке. Выходит, что комбинация верифицированная модель + жесткое реальное время + SV-потоки  и дает “двойник”. То есть получается имитация потоков данных с реального объекта.


      1. Indemsys
        27.04.2022 14:54
        +1

        Ну как же не генератор если генератор. Генерирует пакеты данных.
        Данные же не берутся с реального объекта, а генерируются моделью, и начало генерации не реальным объектом вызывается, а оператором ПК.
        Ну да, еще к генератору есть обратная связь, сильно нелинейная и цифровая, но это принципиально картину не меняет.
        Т.е. нет двух главных признаков двойника: обратная связь по объекту подражания и синхронность с объектом подражания.
        По прежнему думаю что применение к вашей системе слова двойник несколько поспешно.


        1. ritm_energy Автор
          27.04.2022 18:11
          +1

          Ваше понимание цифрового двойника предполагает наличие каналов связи с реальным объектом и корректировку модели под его текущий режим. Мы же предполагаем более простое определение для цифрового двойника в текущей реализации. Двойник это цифровая копия физического объекта, помогающая точнее воспроизводить всевозможные режимы его работы для улучшения качества разработки и производства вторичного оборудования цифровых подстанций. Важно заметить, что при наличии каналов связи мы вполне легко добавляем механизм уточнения модели по измерениям с реального объекта  по цепям host-target. Модель в процессе своей работы управляема (в нашем случае с ПК) по любым своим параметрам.


  1. Mr_Green63
    29.04.2022 10:33

    Checksum длиной 4 байта со значением контрольной суммы для проверки целостности данных при передаче. Кадр удаляется, если обнаружится ошибка.

    Можно ли смоделировать процесс, чтобы при анализе дампа в wire shark, можно было видеть checksum, чтобы быть на 100% уверенным в корректности передачи?