Микропроцессорная защита ЛЭП 110–220 кВ – новый продукт компании НИПОМ

15 июня 2016
В стратегии развития ОАО «НИПОМ» большое внимание уделяется технологиям цифровой подстанции (ЦПС) как единице технологического управления в электроэнергетике будущего и одной из важнейших технологических подсистем ЦПС – релейной защите и автоматике. Новый терминал защиты ЛЭП 110–220 кВ ОАО «НИПОМ» отвечает требованиям ЦПС и имеет ряд инновационных особенностей, которые обеспечивают определенные технологические преимущества.
АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ЗАЩИТЫ ЛЭП 110–220 КВ ОАО «НИПОМ»
Современное развитие компонентной базы АСУ ТП привело к снижению ее стоимости. Выпускаемые сегодня промышленные компьютеры и контроллеры ориентированы на работу в самых различных условиях эксплуатации и доказали свою высокую надежность. Оснащение компонентной базы АСУ ТП выпускаемыми серийно микропроцессорами различной вычислительной мощности и способности параллельного выполнения вычислений практически не ограничивает разработчиков в выборе платформы для синтеза цифрового автомата релейной защиты на стандартно выпускаемых промышленностью компонентах АСУ ТП. Именно по этому пути пошло ОАО «НИПОМ» при создании собственной архитектуры микропроцессорной защиты (рис. 1), что позволило: „
  • повысить надежность устройств защиты за счет использования надежного компонентного базиса промышленной автоматизации, обеспеченного усиленным контролем ведущих производителей вычислительной техники;
  • обеспечить масштабируемость и широкое развитие программ-ноаппаратного обеспечения за счет совместимости средств АСУ ТП различных производителей, а также кроссплатформенности программного обеспечения;
  • разработать архитектуру изделия с гибкой логикой, расширением функций защиты, настройкой под нужды конкретного заказчика без изменения конструкции терминала;
  • существенно сократить производственные площади, затраты на производство РЗА, энергоемкость и др.
Кроме широко представленной компонентной базы АСУ ТП при создании микропроцессорной защиты ЛЭП 110–220 кВ, на ОАО «НИПОМ» учитывались следующие перспективные направления развития современной микропроцессорной релейной защиты:
  • переход на новую элементную базу производства защит с учетом импортозамещения;
  • кибербезопасность релейной защиты с учетом реализации стандарта МЭК 61850;
  • совершенствование программного обеспечения терминалов цифровой релейной защиты, направленного на обеспечение взаимодействия с оборудованием цифровой подстанции, а также, удобства эксплуатации, технического обслуживания и расширяемости средств защиты.
Для реализации функций защит ЛЭП 110–220 кВ ОАО «НИПОМ» предлагает типовые комплекты защит высокой степени заводской готовности (таблица 1), которые оснащаются универсальными МП-терминалами РЗА.
В дальнейшем мы будем говорить непосредственно об универсальном терминале РЗА ЛЭП 110–220кВ (рис. 2), поскольку именно его архитектура представляет наибольший интерес.
Функционал терминалов РЗА ЛЭП 110– 220 кВ ОАО «НИПОМ» никак не связан с производителем компонентной базы и обеспечивается для всех вариантов производимой защиты.
Аппаратно терминал выполнен в виде кассеты блочной конструкции с задним присоединением внешних проводов и оборудован системой тестового контроля, служащей для проверки работоспособности основных узлов и блоков. В корпусе в базовой конфигурации терминала расположены платы дискретных выходов/входов (Digital Output/Digital Input или DO/DI) c возможностью расширения до 6 плат, плата аналоговых входов для подачи измеряемых токов и напряжений (Analog Input или AI), кросс-плата, блок питания и компьютер в промышленном исполнении.
Платы AI, DO/DI выполнены универсальными с расчетом на использование с любыми платами ввода/вывода (I/O) и промышленными компьютерами. Платы I/O разных производителей имеют разные конструктивные разъемы. Для согласования кабельной части универсальных плат AI, DO/DI с платами I/O разработана кросс плата. Каждая плата DO/DI содержит 11 каналов DI и 10 каналов DO. Таким образом (рис. 3), в одном корпусе можно выполнить 33 канала DI в базовой конфигурации (с увеличением до 66 каналов DI в расширенной) и 30 каналов DO в базовой конфигурации (с увеличением до 60 каналов DO в расширенной), что позволяет использовать терминалы РЗА как на объектах с небольшим количеством сигналов и относительно простыми схемами построения защиты, так и на сложных с большим числом присоединений без изменения конструкции терминала РЗА. Порты Ethernet служат для приема и отправки GOOSE-сообщений по шине процесса цифровой подстанции, подключения к технологической вычислительной сети объекта для управления, контроля состояния релейной защиты и обмена информацией с АСУ ТП посредством протокола MMS. Для реализации функций ДЗЛ количество портов Ethernet может быть увеличено добавлением стандартной Ethernet-карты в промышленный компьютер терминала РЗА также без изменения его конструкции.

Для обеспечения предпочтений, финансовых возможностей, а также соответствия специальным требованиям потенциальных заказчиков релейной защиты ЛЭП 110–220 кВ ОАО «НИПОМ» терминалы РЗА выполнены на промышленных компьютерах разных производителей (таблица 2) под управлением операционных систем MS Windows, Linux (включая ROSA), QNX, Эльбрус. Отметим, что с эксплуатационной точки зрения релейная защита работает одинаково на любой из перечисленных аппаратно-программных платформ.
При производстве терминалов РЗА ЛЭП 110–220 кВ ОАО «НИПОМ» возможны три условных варианта – бюджетный, базовый и кибербезопасный (таблица 2). Бюджетный вариант подразумевает исполнение терминала РЗА без сенсорного экрана, только с возможностью дистанционного управления, что уменьшает его стоимость, не влияя на другие эксплуатационные характеристики. К сожалению, на сегодняшний день исполнение терминала РЗА без экрана в ряде случаев может расцениваться как несоответствие требованиям нормативных документов, тем не менее ОАО «НИПОМ» предоставляет заказчику такую возможность, понимая, что в будущем возможность дистанционного управления релейной защитой на объекте будет обычной типовой задачей специалистов по эксплуатации. Базовый вариант отличается от бюджетного наличием сенсорного экрана в терминале. Кибербезопасное исполнение терминала РЗА возможно только в случае, если в качестве аппаратно-программной платформы используется доверенная архитектура отечественной разработки ЭЛЬБРУС.

ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ И КИБЕРБЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕРМИНАЛАХ РЗА ОАО «НИПОМ»
В последнее время государство ставит перед производителями и компаниями электроэнергетического комплекса задачу по последовательному импортозамещению интеллектуального оборудования на технологических объектах единой энергосистемы РФ. Понимая это, на ОАО «НИПОМ» рассматривают вопрос импортозамещения интеллектуального оборудования комплексно вместе с решением проблемы кибербезопасности в контуре управления передачей и распределением электроэнергии.
Как уже было отмечено выше, с точки зрения кибербезопасности МП-терминал релейной защиты должен использовать отечественную доверительную платформу, ключевые компоненты которой: „
  • операционная система; „
  • процессор; „ контроллер периферийных интерфейсов;
  • базовая система ввода-вывода (BIOS) разработаны в России, силами отечественных специалистов и имеют полную конструкторскую документацию.

Удовлетворяющей перечисленным условиям на сегодняшний день является только платформа ЭЛЬБРУС. Кибербезопасный терминал РЗА ЛЭП 110–220 кВ ОАО «НИПОМ» выполнен на базе высокопроизводительного промышленного компьютера с архитектурой «Эльбрус» и кондуктивным отводом тепла, относящегося к аппаратуре общего применения вида 1, работающей в режиме непрерывного длительного применения, невосстанавливаемой в процессе эксплуатации и необслуживаемой в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.303-98. Операционная система реального времени «Эльбрус», применемая в терминале РЗА, сертифицирована Гостехкомиссией РФ на отсутствие недокументированных возможностей. Кроме того, разработанные в России универсальные микропроцессоры с архитектурой «Эльбрус» (рис. 4) обеспечивают эффективные средства защищенного исполнения программ на базе аппаратных тегов и контекстной межмодульной защиты данных, что позволяет создать полную и эффективную модульную защиту от вредоносного программного кода и преднамеренных кибератак на технологические сети объектов электроэнергетики РФ и системы РЗА в частности.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЗА ОАО «НИПОМ»
Один из важнейших элементов микропроцессорных релейных защит – программное обеспечение как непосредственно ядра самого терминала, так и средства его конфигурирования, управления, контроля состояния и проверки работоспособности. Эволюционируя вместе с усложнением аппаратной части, которое связано с выбором технического исполнения собственных алгоритмов реализации отдельных функций защиты различными производителями и отсутствием стандартизации, оно унаследовало ряд проблем. Зачастую для разных модификаций терминалов даже одного производителя приходилось использовать разные программы, для подключения к терминалам с персонального компьютера или ноутбука – разные драйверы, причем подключение к терминалу было возможно только через локальный последовательный низкоскоростной интерфейс (RS-232). С появлением поддержки МЭК 61850 появились утилиты конфигурации протоколов этого стандарта, различные программы-конверторы файлов одних форматов в другие и т.д. Это многообразие программного обеспечения со своими особенностями работы существенно усложняло выполнение повседневных обязанностей оперативным персоналом объектов электроэнергетики и специалистов по релейной защите. А если на объекте установлены цифровые защиты разных производителей, то количество сервисного программного обеспечения, необходимого для работы, увеличивалось как минимум вдвое. В конечном счете, вероятность совершения ошибки в настройках релейной защиты при работе с таким многообразием программ со стороны персонала возрастала, а цена этой ошибки могла быть высокой.
Реализация концепции ЦПС как еди ницы технологического управления в интеллектуальной электрической сети заставила ОАО «НИПОМ» пересмотреть архитектуру специализированного ПО для релейной защиты с учетом перспективы, связав ее в логическую цепочку «проектирование – производство – эксплуатация», оно соответствует стандарту МЭК 61850 и по функциональному назначению разделено на три уровня (рис. 5):
  • уровень управления подсистемой релейной защиты объекта (ЦПС); „
  • уровень проектирования логики и моделирования работы отдельного терминала защиты объекта;
  • „ уровень оперативного взаимодействия с терминалом защиты и контроля состояния терминалов защиты объекта.
Такое разделение функций между программным обеспечением наиболее точно отражает для каких категорий персонала оно предназначено, но в то же время позволяет им совместно оперировать в терминах единой семантической модели предметной области РЗА и стандарта МЭК 61850.
Уровень управления подсистемой релейной защиты объекта (ЦПС) представлен программным комплексом «Конфигуратор цифровой подстанции ОАО «НИПОМ» » (рис. 6). Это программное обеспечение разработано в соответствии со стандартом МЭК 61850 и предназначено для сопровождения всего жизненного цикла интеллектуального оборудования ЦПС (и релейной защиты в частности) объекта в рамках единого проекта, включая первичную настройку интеллектуального оборудования ЦПС, его параметрирование, сервисное обслуживание, контроль состояния и т.д. В настоящее время конфигуратор поддерживает работу со всеми модификациями терминалов РЗА ЛЭП 110–220 кВ ОАО «НИПОМ» и обеспечивает частичную поддержку терминалов РЗА сторонних производителей (из-за ограничений конкретной реализации МЭК 61850 этими производителями). В дальнейшем перечень совместимого с конфигуратором оборудования ЦПС будет расширяться, и эти изменения ОАО «НИПОМ» своевременно будет доводить до своих заказчиков.
Уровень проектирования логики и моделирования работы отдельного терминала защиты объекта представлен программным комплексом «Кодогенератор логических схем РЗА» (рис. 7). Он предназначен для разработки логических схем терминала релейной защиты, тестирования их работы с использованием в качестве входной информации Comtrade- файлов и генерации исходных кодов на языке C++ для последующей компиляции ПО ядра терминала релейной защиты с заданными функциями и пользовательским интерфейсом.
ПО «Кодогенератор логических схем РЗА» – внутренний инструмент производителя релейной защиты ОАО «НИПОМ», терминалы РЗА предоставляются заказчику предварительно сконфигурированными, с типовым набором уставок. В ходе проектирования системы релейной защиты конкретного объекта логические схемы терминалов могут быть уточнены и оперативно изменены производителем ОАО «НИПОМ».
Программное обеспечение уровня оперативного взаимодействия с терминалом защиты и контроля состояния терминалов защиты объекта разделено на две части: программу-сервис операционной системы терминала РЗА и программу-клиент, работающую с программой-сервисом. Программа- сервис терминала РЗА не имеет пользовательского интерфейса и непосредственно реализует функции терминала защиты, предварительно скомпилированные из программного кода, полученного на этапе разработки логической схемы защиты в «Кодогенераторе логических схем РЗА».
Программа-клиент (рис. 8) эмулирует привычные для цифровых защит предыдущего поколения физические органы управления и сигнализации и может выполняться как локально на терминале, так и удаленно на компьютерах технологического персонала, подключенных к вычислительной сети терминалов РЗА объекта и имеющих определенные полномочия (права доступа).
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИНАЛОВ РЗА ОАО «НИПОМ»
Терминалы РЗА ЛЭП 110–220 кВ ОАО «НИПОМ» выполнены в соответствии с СТО 56947007-33.040.20.022- 2009 «Устройства РЗА присоединений 110–220 кВ. Типовые технические требования» ОАО «ФСК ЕЭС». Программное обеспечение терминалов РЗА ЛЭП 110–220 кВ ОАО «НИПОМ» соответствует МЭК 61850, что подтверждается международной сертификацией DNV GL (КЕМА) пройденной ОАО «НИПОМ» в феврале 2016 года (рис. 9). Процесс обязательной сертификации изделия в настоящее время продолжается: получен сертификат соответствия требованиям ТР ТС 004/2011 «О безопасности низко- вольтного оборудования», пройдены испытания и задекларировано соответствие требованиям ТР ТС 020/2011 «Электромагнитная совместимость технических средств».
Кроме обязательных требований РЗА производства ОАО «НИПОМ» имеет ряд отличительных особенностей, которые позволяют удовлетворить как сегодняшние, так и перспективные требования потенциальных заказчиков. Перечислим наиболее существенные из них: „
  • использование стандартных процессоров практически не ограничивает производительность терминала, что позволяет применять ресурсоемкие алгоритмы, дающие более высокую точность измерений при уменьшении времени обработки сигнала;
  • независимость исполнения терминала РЗА от конкретной аппаратной платформы, сокращение времени производства терминала РЗА за счет использования стандартизованных компонентов для промышленной автоматизации, быстрый переход на новую компонентную базу АСУ ТП, применяемую при производстве изделия;
  • кроссплатформенность программного обеспечения терминала РЗА. Рис. 7. Внешний вид экрана ПО «Кодогенератор логических схем РЗА» № 1 – 2016 15 ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ Возможна реализация на любой ОС, имеющий режим реального времени (например: QNX, Linux, Windows);
  • использование 256 отчетов на период промышленной частоты как для функции осциллографирования, так и для проведения измерений (рекомендации МЭК 61850 – 256 и 80 соответственно);
  • универсальность терминала для реализации всех функций защит ЛЭП 110–220 кВ, определенных требованиями заказчика;
  • полное разделение логики терминала от его аппаратного исполнения, что позволило предоставить широкие возможности для свободно конфигурируемой логики схем защиты;
  • возможность моделирования системы релейной защиты объекта и проверки корректности ее работы на математической модели с использованием современных средств моделирования (например, PSCAD) без физического наличия терминалов РЗА;
  • полное соответствие стандарту МЭК 61850 первой редакции;
  • реализация функций передачи сигналов ДЗЛ с использованием протокола SV (МЭК 61850);
  • возможность киберзащищенного варианта исполнения терминала на отечественной аппаратно-программной платформе «ЭЛЬБРУС» удовлетворяющего требованиям по импортозамещению;
  • возможность исполнения терминала без экрана с управлением по вычисли- тельной сети;
  • программное обеспечение для конфигурирования терминала РЗА (Конфигуратор ЦПС) в составе цифровой подстанции поддерживает работу с оборудованием сторонних производителей при условии их соответствия стандарту МЭК 61850;
  • информативный и развитый человеко-машинный интерфейс терминала с возможностью адаптации под требования конкретного заказчика.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время ОАО «НИПОМ» продолжает совершенствовать РЗА ЛЭП 110–220 кВ на основании результатов продолжающейся опытно-промышленной эксплуатации изделия. Тем не менее можно сделать следующие выводы:
выбранная модульная архитектура построения универсального терминала РЗА ЛЭП 110–220кВ является оптимальной для организации производства изделия и удобна в эксплуатации, обслуживании и ремонте;
  • использование стандартизованных программных сред и стандартных компонентов промышленной автоматизации при производстве РЗА, в том числе и на отечественной платформе, позволяет в кратчайшие сроки реализовать киберзащищенные решения в критически важных элементах систем РЗА объектов высоковольтных электрических сетей для повышения надежности и соответствия требованиям федеральной службы по техническому и экспортному контролю (ФСТЭК);
  • тенденция к снижению стоимости компонентов промышленной автоматизации и сокращение сроков производства для реализации экономичных решений РЗА является одним из основных факторов в условиях сдерживания роста тарифов на электрическую энергию.
В рамках выставки РЗА-2016, которая будет проходить в Москве с 25 по 27 мая 2016 года на ВДНХ в выставочном павильоне «Электрификация», ОАО «НИПОМ» приглашает посетить свой стенд (номер стенда B15), где будет представлена реализация РЗА ЛЭП 110–220 кВ на отечественной программно-аппаратной платформе «ЭЛЬБРУС».

подписаться на рассылку

Подпишитесь на рассылку, чтобы быть в курсе актуальных новостей, анонсов мероприятий и полезной информации, касающихся компании "НИПОМ" и ее продукции