Применение шины процесса GE Hard Fiber Process Bus на ПС 110 кВ «Приречная». Шина процесса


Протокол Sampled Values | Цифровая подстанция

Использование протокола МЭК 61850-9-2 (Sampled Values) неразрывно связано с термином «шина процесса» (от англ. «Process Bus»). Шиной процесса по МЭК 61850-1 называется коммуникационная шина данных, к которой подключены устройства полевого уровня подстанции (коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы). В данном случае слово «шина» не следует понимать буквально, речь идёт о целой системе передачи данных между устройствами. Таким образом, в общем случае к шине процесса могут быть подключены не только измерительные преобразователи, но также выключатели, разъединители и другое оборудование. Однако именно передача мгновенных значений от измерительных трансформаторов производит наибольшую нагрузку на информационную сеть «шины процесса».

В традиционной схеме подключения устройств РЗА цепи от измерительных трансформаторов тока и напряжения, находящихся на ОРУ или в КРУЭ, прокладываются до терминалов РЗА, размещенных в ОПУ (см. рис. 1).

SampledvaluesРис. 1а. Традиционная схема подключения устройств РЗА к ТТ.Sampledvalues1Рис 1б. Традиционная схема подключения устройств РЗА к ТН.

Использование концепции шины процесса предполагает, что все сигналы, включая мгновенные значения токов и напряжений, оцифровываются непосредственно в аппарате и передаются устройствам защиты и автоматики в виде цифрового потока данных по информационной сети, называемой шиной процесса (см. рис. 2).

ProcessbusРис. 2. Использование шины процесса для передачи данных.

Как и в случае с остальными протоколами основные концептуальные положения сервиса передачи мгновенных значений описаны главой МЭК 61850-7-2.

Охарактеризуем передачу мгновенных значений тока и напряжения с точки зрения требований, предъявляемых при передаче данных:

  • Требуется передача данных с высокой частотой, что ведёт к появлению больших объёмов информации, передаваемых по сети. Причём, должна быть обеспечена возможность выбора различных частот, наример, меньшая частота в случае использования для целей релейной защиты и большая частота для целей контроля качества электрической энергии;
  • Необходимо обеспечить минимальную задержку при передаче данных по сети шины станции, так как эта задержка в конечном счёте будет влиять на быстродействие устройств РЗА;
  • Измерения, получаемые с различных источников одним приёмником (например, значения тока и напряжения от разных устройств сопряжения), должны быть синхронизированы по времени. В противном случае возможна некорректная работа устройств РЗА;
  • Требуется обеспечить возможность выявления потерь и искажений данных при передаче данных с целью исключения возможных излишних и ложных срабатываний РЗА, а также сигнализации в случае отказа канала связи или устройства сопряжения,
  • Один поток данных может быть востребован различными устройствами (например, данные о напряжении на шинах от устройства сопряжения ТН), поэтому должна быть обеспечена возможность многоадресной передачи данных.
  • Требуется гибкость при формировании кадров данных, поскольку измерения могут поступать как с группы трёхфазных трансформаторов тока или напряжения, так и с комбинированных измерительных преобразователей.

Рассмотрим механизмы с помощью которых решались поставленные задачи.

Обеспечение высокой частоты передаваемых данных на сегодняшний день является обычным требованием к сетям передачи данных, например, при решении задач телефонии или передачи потокового видео. Поэтому, хотя прикладная задача передачи мгновенных значений тока и напряжения и накладывает достаточно высокие требования в части производительности сетевого оборудования, существующее сетевое оборудование в промышленном исполнении вполне способно решать эти задачи.

Отдельно требуется рассмотреть требование по возможности изменения частоты передачи данных. Так, например, при решении задач релейной защиты может потребоваться передавать мгновенные значения с частотой 20 выборок/период, однако для целей контроля качества электрической энергии потребуется существенно более высокая частота. С другой стороны в указанных случаях предъявляются различные требования к быстродействию. Так, в случае передачи данных устройству релейной защиты требуется передать занчения тока и напряжения в темпе реального времени с минимальной задержкой. Тогда как для целей коммерческого учёта и анализа качества допустимо введение задержек при условии точной привязки данных к единому времени.

Исходя из этих условий в стандарте предусмотрено два параметра, которые будут влиять на частоту формирования кадров с выборками мгновенных значений (Sample Rate – SmpRate) и на количество измерений, размещаемых в одном кадре (Number of ASDU – noASDU). Фактическая частота формирования кадре в сеть при этом будет составлять f = SmpRate/noASDU. Так, например, при частоте SmpRate = 80 выборок за период и количестве мгновенных значений в одном кадре noASDU = 1, фактическая частота формирования кадров составит 80 пактов за период или 4 кГц. В случае частоты взятия выборок SmpRate = 256 выборок за период и количестве выборок в кадре noASDU = 8, фактическая частота формирования кадров в сеть составит лишь 1,6 кГц.

Конечно, кадр с 8 выборками будет иметь больший размер, чем с одной выборкой, однако, в силу специфики сетей на базе технологии Ethernet, оптимальная пропускная способность канала передачи данных достигается при максимальной длине кадров. Кроме того, при передаче нескольких выборок в одном кадре используется одна и та же общая часть кадра, что в конечном счёте позволяет повысить эффективность передачи данных  в случаях, когда не требуется высокое быстродействие, то есть скорость передачи каждой отдельной выборки.

Вопрос обеспечения минимальных задержек при передаче данных по протоколу GOOSE был достаточно подробно рассмотрен нами. Протокол МЭК 61850-9-2, также как и GOOSE, маппируется непосредственно на протокол второго уровня, что в сочетании с использованием меток приоритета VLAN-Priority и качества обслуживания QoS позволяет значительно повысить приоритет данных, передаваемых по протоколу МЭК 61850-9-2, по сравнению с остальными данными, передаваемыми по той же сети с использованием других протоколов, тем самым, сводя к минимуму задержки как при обработке данных внутри устройств источников и приёмников данных, так и при обработке их сетевыми коммутаторами.

Устройство релейной защиты может получать измерения от разных устройств шины процесса. Например, на защищаемом присоединении может быть установлен только трансформатор тока, тогда как данные о напряжении получаются от ТН, установленного на шинах и подключенного через отдельное устройство сопряжения. Очевидно, что в такой ситуации отсутствие синхронизации между выборками с двух УСШ может привести к ложным и излишним срабатываниям защиты в случае возникновения различных задержек по сети и неодновременного прихода пакетов.

Отметим, что фактически присвоение метки абсолютного времени каждой выборке не требуется – требуется лишь чтобы выборки, сформированные различными устройствами в один и тот же момент времени имели один и тот же идентификатор. Таким идентификатором является поле smpCnt – счётчик выборок. Счётчик за одну секунду пробегает значения от 0 до (SmpRate*50-1). Номера присваиваются формируемым выборкам одновременно, так что устройство-приёмник данных МЭК 61850-9-2 может легко установить соответствие между получаемыми значениями и производить вычисления на их основе. Для того чтобы все устройства сопряжения формировали данные с одними и теми же номерами используется внешний синхронизирующий импульс. При использовании секундного импульса счётчик smpCnt принимает значение 0 каждый раз при приходе синхроимпульса. Причём выборке с номером «0» соответствует выборка, взятая в момент прихода импульса.

Таким образом достигается синхронизация всех выборок и принимающее устройство может обрабатывать значения токов и напряжений, принятые от разных устройств, компонуя их по номерам выборок (см. рис. 3), причём синхронизация самого принимающего устройства не требуется. С помощью счётчика выборок устройство также может осуществлять контроль целостности принимаемых данных, то есть обнаруживать факты пропажи выборок. Различные устройства по-разному реагируют на пропажу выборок, как правило, это определятся алгоритмами, заложенными в устройство-приёмник и описано в сопроводительной документации.

Processbus1Рис. 3. Синхронизация и присвоение номеров выборкам.

Важной особенностью передачи данных в цифровом формате является возможность передачи сервисной информации – так называемых мета-данных. Сервисная информация передаётся с использованием меток качества в одном кадре с самими выборками. Такая опция позволяет устройству-издателю снабжать передаваемые значения токов и напряжений метками, отражающими достоверность этих данных, включая информацию о том, что измерения производятся в заданном классе точности, измеряемое значение не выходит за границы допустимого диапазона, значение измерено прямым путём, либо получено на основе косвенных вычислений и т.п. Эти данные могут в дальнейшем использоваться алгоритмами принимающего устройства с целью блокировки тех или иных функций в автоматическом режиме и выдачи сигнализации оперативному персоналу.

Аналогично с GOOSE-сообщениями, данные в которых передаются на основе составленного набора данных (DataSet), потоки по протоколу МЭК 61850-9-2 также формируются на основе набора данных, в который включаются атрибуты мгновенных значений тока и напряжения. В общем случае в набор данных, передаваемых по протоколу МЭК 61850-9-2, могут включаться не только эти атрибуты, но и любые атрибуты сигналов, включая дискретные сигналы, при условии, что эти данные необходимо передавать с высокой частотой дискретизации.

Глава МЭК 61850-9-2 описывает коммуникационный профиль протокола передачи мгновенных значений и структуру соответствующих сообщений, однако не описывает ни структуру информационной модели устройств, ни структуру набора передаваемых данных, ни частоты дискретизации измеряемых сигналов, ни способы синхронизации устройств по времени.

За несколько лет существования первой редакции МЭК 61850-9-2 массово не были представлены устройства с его поддержкой, в первую очередь, ввиду большой гибкости которую он давал, хотя принципиально все изложенные в нем положения всем были понятны. Каждый производитель мог определить «свой» набор данных, «свои» частоты дискретизации и реализовать устройства с соответствующими характеристиками, но их решения не были бы совместимы с решениями других производителей, либо для их совместимости потребовался бы охват большого диапазона значений изменяющихся параметров, что сразу реализовать крайне сложно.

Появилась необходимость в некой договоренности между производителями, заказчиками и другими заинтересованными сторонами. Такой договоренностью стали технические требования «Implemetation Guidelines for Digital Interface to Instrument Transformers using IEC 61850-9-2», получившие сокращенное наименование «МЭК 61850-9-2LE». Эти технические требования не противоречат положениям стандарта МЭК 61850-9-2, а лишь зафиксировали ряд моментов:

  • структуру информационной модели устройства,
  • набор передаваемых данных (4 тока и 4 напряжения),
  • частоты дискретизации измеряемых сигналов (4000 Гц для целей релейной защиты и коммерческого учёта, 12800 Гц для целей контроля качества электроэнергии),
  • способы синхронизации устройств по времени (секундный импульс 1PPS).

Это дало толчок к массовому появлению на рынке как устройств-источников информационных потоков МЭК 61850-9-2LE, так и приемников этих потоков.

Моменты, зафиксированные техническими требованиями МЭК 61850-9-2LE, могут меняться с течением времени (например, может измениться способ синхронизации устройств по времени, структура набора данных и т.д.). И примеры этому уже есть, например, тенденция к использованию протокола PTP для синхронизации устройств по времени вместо описанного в МЭК 61850-9-2 LE синхроимпульса 1PPS, изменение/добавление частот дискретизации измеряемых сигналов и др.

Таким образом, можно отметить что все устройства, которые сейчас появляются на рынке, поддерживают МЭК 61850-9-2, а благодаря техническим требованиям МЭК 61850-9-2LE все производители «приняли» одинаковые решения в тех аспектах, где МЭК 61850-9-2 допускает гибкость.

Первая редакция МЭК 61850-9-2 не предполагала использования протоколов резервирования, в связи с чем формат Ethernet-кадра, описанный первой редакцией не включал соответствующих полей. Впоследствии вопрос применения протоколов резервирования на уровне шины процесса встал достаточно остро в связи с чем, в редакции 2 стандарта в описание формата кадра 9-2 были добавлены поля для протоколов резервирования PRP и HSR.

Протокол синхронизации времени не описан самим стандартом МЭК 61850-9-2 вовсе. Глава МЭК 61850-5 содержит лишь требования к точности синхронизации, однако также не оговаривает каким образом должна достигаться эта точность. Единственным документом, прямо указывающим на использованием синхроимпульса 1PPS являются технические требования МЭК 61850-9-2 LE. Следует отметить, что данная спецификация не предполагала использование протокола синхронизации IEEE 1588 v2, профиль для электроэнергетики которого появился уже после принятия МЭК 61850-9-2LE. Однако уже сегодня появляются устройства, поддерживающие новый протокол синхронизации времени вместе с возможностью синхронизации по сигналу 1PPS.

Рассмотренные изменения ведут к необходимости закрепления новых технических требований, или общих договорённостей взамен действующей редакции 9-2 LE и у многих возникает вопрос, когда будет издана вторая редакция 9-2LE? Однако, вторая редакция 9-2LE издана не будет. На смену этому документу придёт стандарт, описывающий требования к цифровому интерфейсу измерительных трансформаторов – МЭК 61869-9.

На сегодняшний день стандарт МЭК 61869-9 Измерительные трансформаторы — Часть 9. Цифровой интерфейс находится в финальной стадии разработки – он опубликован для голосования и сбора замечаний. Этот документ заменит и расширит технические требования  МЭК 61850-9-2LE, которые определили первый профиль (или спецификацию) МЭК 61850 для измерительных трансформаторов тока и напряжения и устройств сопряжения. Новый стандарт учитывает опыт, накопленный в работе с техническими требованиями, изложенными в 9-2LE.

Отличительными особенностями документа являются:

  • Обратная совместимость с МЭК 61850-9-2LE
  • Использование синхронизации времени согласно стандарту IEC 61588 (2-ая редакция), с сохранением возможности использования 1PPS
  • Обеспечение возможности измерения электрических величины в сетях как переменного, так и постоянного тока
  • Предусмотрено использование Ethernet 100 Мбит/с или 1 Гбит/с
  • Определено использование следующих частот дискретизации измеряемых сигналов в независимости от номинальной частоты сети:
    • для целей учета электроэнергии и РЗА: 4800 Гц;
    • для целей контроля качества электроэнергии: 14400 Гц;
    • для целей учета электроэнергии и РЗА в сетях постоянного тока: 96000 Гц.

digitalsubstation.com

Анализ надёжности шины процесса

Надёжность энергосистемы жизненно важна для сохранения стабильности энергоснабжения потребителей. Обычно инженеры РЗА относятся консервативно к сохранению целостности всех элементов, составляющих систему.  В зависимости от уровня напряжения на подстанции для предотвращения рисков возможных аварий в системе РЗА применяется резервирование [1].

На традиционной подстанции все устройства в релейном зале, например, терминал РЗА и терминал РАС имеет свою собственную систему сбора данных. Все кабели с распределительного устройства, включая токовые цепи и цепи напряжения, напрямую подключаются к аналоговым входам этих устройств. Шина процесса стандарта МЭК 61850 [1] меняет этот подход. Коммуникационная шина рассматривается, как канал передачи данных с распределительного устройства в релейный зал [3]. И подстанции (конечные заказчики), и системные интеграторы понимают преимущества и экономическую целесообразность использования коммуникационной сети Ethernet для организации информационного обмена между интеллектуальными устройствами (IEDs) в релейном зале. Стандарт МЭК 61850 рассматривает этот коммуникационный уровень как шину станции.

В дополнение к шине станции МЭК 61850 рассматривает и другой уровень коммуникаций, а именно шину процесса. Шина процесса заменяет большинство медных кабелей, используемых при традиционном монтаже для подключения к терминалам РЗА первичного оборудования, такого как измерительные трансформаторы, выключатели и т.д., на отправку сообщений в коммуникационной сети на базе оптического кабеля. С этой точки зрения, токи и напряжения оцифровываются и преобразуются в цифровые значения, которые затем передаются по сети в виде стандартизированных сообщений – мгновенных значений, описанных в МЭК 61850-9.2 [4]  и МЭК 61869 [5]. Это преобразование выполняется устройством сопряжения с шиной процесса – УСШ (MU).

Использование шины процесса в энергетике рассматривается как новейшая волна технологической эволюции. Однако, эта технология ещё нешироко распространена. Возможно, в силу того, что специалисты энергетической отрасли не полностью уверены в надёжности использования Ethernet сетей для передачи информации, которая критически важна для безопасного функционирования системы. Различные подходы к конфигурации сети обеспечивают различные уровни надёжности. В данной статье производится расчет надёжности различных вариантов топологии сети с помощью использования методологии создания моделей, базирующихся на надёжности каждого элемента, входящего в общую структуру коммуникационной сети от устройств сопряжения с шиной процесса до терминалов РЗА. Базируясь на оценке MTBF каждого элемента сети, рассчитывается общая надёжность системы, что даёт возможность оценить эффект от применения резервирования.

Согласно широко распространённому определению, надёжность – это вероятность выполнения устройством его функций правильно в течение определенного периода времени и при заданных рабочих условиях [6]. Использование теории вероятности для решения инженерных задач воспринимается со скептицизмом теми, кто привык рассматривать инженерную деятельность как что-то полностью детерминированное. Однако интеграция статистики и вероятности – естественная практика для анализа возможных результатов и оценки возможности наступления различных событий через анализ гипотез. Использование систем резервирования рассматривается в нескольких вариантах. В соответствии с [7] резервирование – это использование более чем одного устройства для выполнения заданной функции. Это положение тесно связано с надёжностью и предполагает заведомое улучшение рассматриваемых систем.

Методология оценки уровня надёжности системы РЗА базируется на создании модели надёжности, основанной на индивидуальной надёжности всех элементов, составляющих систему. Рассматривая эти модели, производится оценка уровня надёжности всей системы. В зависимости от её сложности могут быть применены различные подходы к созданию модели надёжности системы. Несколько методов описано ниже.

Блок-диаграммы

В блок-диаграммах моделей, в соответствии с [8], каждый блок представляет собой отдельное устройство. В последовательной конфигурации работоспособность системы определяется работоспособностью всех ее элементов. Надёжность последовательной системы из m- устройств, включенных последовательно, показана на рисунке 1а. При параллельной конфигурации, как минимум хотя бы одно устройство должно работать правильно, чтобы система нормально функционировала. Надёжность системы из m-элементов, включенных параллельно, показана на рисунке 1b. Смешанные конфигурации рассматриваются, как набор последовательных и параллельных моделей для анализа надёжности.

рис. 1 а, bРис. 1. Блок-диаграммы

RS и RPS – уровень надёжности для последовательных и параллельных моделей соответственно. Ri – это уровень надёжности для i-го устройства диаграммы.

Комплексные методы

Более сложные системы требуют специальных методов для получения модели надёжности. Дерево отказов (fault tree) – это дедуктивный анализ системы, в котором предполагается, что система может отказать определенным образом и делается попытка найти, как система или её компоненты могут способствовать этому сбою [8]. Он представляет собой возникновение события через взаимосвязь наборов объектов, называемых «ворота (gates)», и соотношения булевой алгебры между ними. На рисунке 2 приведён пример диаграммы анализа дерева отказа (Fault Tree Analysis (FTA)).

Рис. 2 надёжностьРис. 2. Базовые логические диаграммы

Другой метод базируется на таблицах булевой логики (Boolean logic tables). Рассматриваются различные сценарии, создается логическая таблица, детерминируются возможные исходы, вероятность реализации этих сценариев вычисляется для определения уровня надёжности системы.

Традиционные системы РЗА с точки зрения взаимосвязей между распределительным устройством (РУ) и терминалами РЗА представляют собой простые структуры, которые состоят из терминала РЗА, установленного в релейном зале, и кабелей, которые соединяют его с отдельными элементами РУ. С точки зрения уровня надёжности, надёжность системы РЗА зависит от схемы соединения измерительных трансформаторов и терминалов РЗА. Для шины процесса МЭК 61850 могут применяться различные топологии коммуникационной сети с конечной цель обеспечения передачи информации от источников к получателям. Для более реалистичного анализа рассматриваются наиболее часто встречающиеся варианты построения шины процесса.

Цель данной статьи проанализировать надёжность системы РЗА для того, чтобы сравнить надёжность различных топологий построения шины процесса и традиционного подхода построения системы РЗА. Для анализа будут оцениваться коммуникационные структуры и устройства, интегрированные в них. В силу того, что длина кабелей от элементов РУ до устройств сопряжения по определению достаточно небольшая, то эти кабели не будут учитываться при проведении анализа. Для упрощения цифровые измерительные трансформаторы также не будут рассматриваться в данном исследовании. Поэтому как в рамках традиционного подхода, так и шины процесса терминалы РЗА будут получать информацию с одних и тех же измерительных трансформаторов (ИТ), и их надёжность не будет являться частью моделей.

Для формирования модели надёжности традиционной архитектуры рассматриваются только медные кабели и терминалы РЗА. Модель надёжности базируется на серии блок-диаграмм, показанных на рисунке 1. В некоторых случаях для улучшения надёжности системы требуется резервирование терминалов РЗА. В этом случае рассматривались два терминала РЗА с независимым подключением кабелей. Модель рассматривает набор последовательных и параллельных блок-диаграмм в (2):

формулы 1,2 надёжность

где RS, RSR, RCC1, RCC2 и RRL – уровни надёжности системы РЗА без и с резервированием, медных кабелей и терминалов РЗА соответственно.

Базируясь на коммуникационной архитектуре каждого сценария, рассчитывается модель надёжности для системы РЗА с использованием шины процесса.

Сценарий 1: Одно УСШ, один терминал РЗА и один коммутатор

Считается, что УСШ установлено в распределительном устройстве в непосредственной близости от первичного оборудования, такого как трансформатор тока (ТТ), и подключенного к терминалу РЗА через коммутатор. Терминал РЗА и УСШ подключены к коммутатору с помощью оптического кабеля. Терминал, коммутатор и кабель, который их соединяет, находится в релейном зале. В то время как MU установлен в соответствующей панели около первичного оборудования, и кабель, соединяющий его с релейным залом, проложен в лотках,  пересекающих подстанцию. Рисунок 3 иллюстрирует такое подключение.

рис. 3 надёжностьРис. 3. Сетевая топология для простой шины процесса

Данная топология представляет собой простейшую архитектуру шины процесса, для её описания используется блок-диаграмма из последовательных элементов. Модель надёжности этого сценария показана в (3):

формула 3 надёжность

где, RSIST, RMU1, RFO1, RF02, RSW1, и RRL1 – уровни надёжности системы РЗА, УСШ, оптических кабелей 1 и 2, коммутатора и терминала РЗА соответственно.

Сценарий 2: Два УСШ с резервированным сбором данных, один терминал РЗА и один коммутатор

Использование УСШ увеличивает вероятность отказа системы РЗА, базирующейся на шине процесса. Альтернативное решение для предотвращения этого риска – использование двух УСШ с одинаковыми сигналами, подключенных параллельно и посылающих данные в сеть, как показано на рисунке 4.

рис. 4 надёжностьРис. 4. Сетевая топология с резервированным сбором

В данных условиях терминал РЗА должен иметь возможность получать и обрабатывать пакеты данных с двух УСШ одновременно. В этом случае не существует резервирования сетевой структуры. Модель для определения надёжности системы РЗА в данной топологии представляется блог-диаграммой, состоящей из последовательных и параллельных элементов. Математическое описание показано в (4).

формула 4 надёжность

где  RSIST,  RMU1,  RMU2,  RFO1,  RF02,  RF03,  RSW1 и RRL1 – уровни надёжности системы РЗА, УСШ1 и УСШ2, оптических кабелей 1 , 2 и 3, коммутатора и терминалами РЗА соответственно.

Сценарий 3: Одно УШС и одно устройство РЗА с резервным Ethernet портом и двумя коммутаторами

В этой топологии добавляется дополнительный уровень резервирования: с использованием резервированного сетевого порта с протоколом PRP (Parallel Redundancy Protocol) [9]. Следовательно, вся структура шины процесса должна быть удвоена, и вся информация, передаваемая от УСШ к принимающему устройству, посылается двумя различными путями. Рисунок 5 иллюстрирует данный сценарий.

рис. 5 надёжностьРис. 5. Шина процесса с резервированием

Модель надёжности в этой конфигурации получается с помощью представления смешанной блок-диаграммы:

формула 5 надёжность

где RSIST,  RMU1,  RFO1,  RF02,  RF03, RF04, RSW1, RSW2 и RRL1 – уровни надёжности системы РЗА, УСШ, оптических кабелей 1,2,3 и 4, коммутаторов 1, 2 и терминала РЗА.

Сценарий 4: Два УСШ (резервированный сбор данных) и один терминал РЗА с резервированными Ethernet портами, два коммутатора

Выполняя интеграцию сценариев 2 и 3, получается система, которая рассматривает резервирование УСШ и коммуникационной структуры. В этом контексте представлена топология, где наиболее уязвимые части системы дублируются для того, чтобы предотвратить риск сбоя. Два УСШ, производящие одни те же измерения, подключены к двум коммутаторам, которые установлены в релейном зале, с использованием резервированной связи. Терминал РЗА с резервированными сетевыми портами и обрабатывающий информацию от двух УСШ подключен к этим коммутаторам. Вышеописанная топология приведена на рисунке 6:

рис. 6 надёжностьРис. 6. Шина процесса с резервированным сбором данных и резервированной сетевой архитектурой

Для моделирования этой системы используется метод дерева отказов, рассматривающий сбой системы РЗА, как последовательность событий. Дерево отказа состоит из нескольких уровней событий, подключенных через логические ворота AND и OR. Результирующая модель получена и проанализирована (УСШ, сетевая структура и терминал РЗА) с помощью логического описания набора вероятностей отказа для всех устройств, входящих в систему РЗА.

После замены логических ворот математическими выражениями, результирующая модель показана в (6). По этой модели становится возможным количественно оценить вероятность сбоя системы РЗА.

формула 6 надёжность

где RSIST,  RMU1, RMU2,  RFO1,  RF02,  RF03, RF04, RSW1, RSW2 и RRL1 – уровни надёжности системы РЗА, УСШ 1 и 2, оптических кабелей 1, 2, 3 и 4, коммутаторов 1, 2 и терминала РЗА.

Сценарий 5: Два УСШ (резервированный сбор данных) и два терминала РЗА (резервирование защит) с резервированными Ethernet портами, два коммутатора

В зависимости от уровня напряжения и защищаемого первичного оборудования, система РЗА должна обязательно работать с двойным измерением тока и напряжения. Соответственно, есть и основная защита, и резервная на случай сбоя основной. [1].

Обычно в традиционной системе два независимых набора кабелей от ТТ и ТН заводятся в релейный зал для подключения каждого терминала РЗА. Эквивалентная топология шины процесса использует два УСШ с резервированными сетевыми портами, подключенными к коммутаторам с помощью оптических кабелей. Терминалы РЗА с резервированными сетевыми портами также подключаются к коммутаторам и выполняют функции основных и резервных защит. Рисунок 7 иллюстрирует такую топологию.

рис. 7 надёжностьРис. 7. Шина процесса с резервированием сбора данных и терминалов РЗА

Итоговое дерево отказов FTA показано на рисунке 8, а результирующая модель в (7):

рис. 8 надёжностьРис. 8. Анализ дерева отказов для сценария 5

формула 7 надёжность

где RSIST,  RMU1, RMU2,  RFO1,  RF02,  RF03,  RF04, RF05, RF06, RSW1, RSW2 и RRL1 – уровни надёжности системы РЗА, УСШ 1 и 2, оптических кабелей  1,  2,  3,  4,  5  и  6, коммутаторов 1 и 2, и терминалов РЗА 1 и 2.

Сценарий 6: Сетевая топология кольца

В предыдущей топологии коммутатор – один из ключевых элементов системы РЗА. Его конфигурация важна для организации эффективного обмена данными по сети, для обеспечения требуемого уровня пропускной способности и продолжительной работоспособности без искажения и потери пакетов данных.

В кольцевой топологии соединение между различными IEDs выполняется с помощью прямых и последовательных связей между устройствами,  что обеспечивает последовательное соединение, объединенное в кольцо. В этой топологии не нужно использовать коммутатор, потому что каждое устройство в кольце имеет два Ethernet порта, эквивалентных коммутатору и передающих пакеты от одного порта в другой так, чтобы данные передавались по кольцу в соответствии с критериями используемого сетевого протокола. Для обеспечения нулевого времени восстановления в случае сбоя в одном из устройств кольца используется протокол HSR (High-availability Seamless Redundancy) [9].

Для изучения надёжности кольцевой топологии анализировалось кольцо из 6-ти устройств, организующих систему РЗА. Эта топология потенциально учитывает защиту более чем одного присоединения или дополнительное подключение нескольких устройств, которые используют данные от РУ. В соответствии с [10], в силу большой загрузки сети трафиком максимальное количество устройств в кольце с пропускной способностью 100 Мб/сек равно 6. В данном случае рассматривается кольцо с тремя УСШ и тремя терминалами РЗА, формирующими систему РЗА трех ячеек, как показано на рисунке 9.

рис. 9 надёжностьРис. 9. Три терминала РЗА и три УСШ в кольцевой топологии

Методология, используемая для определения модели надёжности, состоит из сопоставления сценариев, которые определяют характер поведения системы РЗА в ситуации, когда хотя бы один УСШ может обмениваться информацией с терминалом РЗА. Для изучения этого случая был применен комбинированный анализ элементов, которые составляют систему РЗА. Было проведено сравнение сценариев и возможных гипотез отказов данной системы.

В сценариях, где оборудование и линии связи не повреждены, становится возможным гарантировать целостность системы РЗА. В сценариях, где происходит один единичный сбой, существуют ситуации, когда целостность системы поддерживается.  В сценариях, где происходят два и более сбоя, невозможно полностью гарантировать, что система РЗА будет себя вести, как хотелось бы. Надёжность системы рассчитывается путем добавления сценария вероятности возникновения ситуации работы без сбоев и сценария работы с одним сбоем. Уравнение (8) показывает модель надёжности для кольцевой топологии.

формула 8 надёжность

где RSIST, RMU, RFO, и RRL – уровни надёжности системы РЗА, УСШ, оптических кабелей и терминала РЗА.

Выполняя подобный анализ, рассматривается кольцо из трех элементов (два УСШ и одного терминала РЗА), модель надёжности показана в (9).

формула 9 надёжность

Базируясь на предыдущем разделе, различные сетевые топологии  подразумевают различные модели надёжности. Надёжность системы РЗА зависит от надёжности каждого элемента, который ее составляет. Каждый элемент имеет вероятность отказа, который является функцией характеристик элементов и компонентов, из которых он состоит. Чем лучшее качество оборудования, тем меньше вероятность его отказа.

Надёжность устройств тесно связана с показателем MTBF (Mean Time Between Failure). Это значение зависит от количества устройств в анализе и времени, в течение которого устройства в работе. Базируясь на этой информации, становится возможным оценить частоту сбоев для одного устройства в течение заданного периода времени и, следовательно, вероятность отказа или другими словами ее уровень надёжности [7]. Надёжность электронного устройства может быть оценена на основе выражения (10).

формула 10 надёжность

где R, t и MTBF – уровень надёжности оборудования, временной интервал для анализа и MTBF устройства соответственно.

Для сравнения надёжности между различными архитектурами в [11], а также путем опроса производителей оборудования был получен MTBF каждого сетевого элемента. На базе этого уровень надёжности каждого элемента был определён и сведён в таблицу 1.

Таблица 1 – Надёжность каждого элемента системы РЗА

Элемент MTFB (годы) Надёжность
Реле защиты 300 0,9967
УСШ 300 0,9967
Выключатель 100 0,9900
Медные кабели 100 0,9900
Оптоволоконные кабели в релейном зале 100 0,9900
Оптоволоконные кабели на ОРУ 100 0,9900

Рассматривая надёжность каждого элемента системы РЗА и модель топологии, можно рассчитать надёжность всей системы. MTBF у разных производителей может отличаться и, следовательно, уровень надёжности, используемый в анализе, тоже. Используя методологию, представленную в данной статье, можно проверить новый уровень надёжности.

Традиционная система РЗА при рассмотрении её моделей надёжности может обеспечить уровень надёжности, показанный в таблице 2.

Таблица 2 – Уровни надёжности для традиционной системы РЗА

Архитектура Надёжность
Без резервирования 0,9867
Основная и резервная защита 0,9998

Рассматривая подход с использованием шины процесса, базируясь на надёжности каждого элемента сети и модели надёжности для каждой топологии, получаются следующие результаты, приведенные в таблице 3.

Таблица 3 – Уровни надёжности для системы РЗА, использующей шину процесса

Сценарий Топология сети Надёжность
1 Одно УСШ, один терминал РЗА и один коммутатор 0,9639
2 Два УСШ с резервированным сбором данных, один терминал РЗА и один коммутатор 0,9767
3 Одно УШС и одно устройство РЗА с резервным Ethernet потом и двумя коммутаторами 0,9925
 

4

Два УСШ (резервированный сбор данных) и один терминал РЗА с резервированными Ethernet портами, два коммутатора 0,9965
 

5

Два УСШ (резервированный сбор данных) и два терминала РЗА  (резервирование защит) с резервированными Ethernet портами, два коммутатора 0,9999
 

6

Сетевая топология кольца с 6 ИЭУ 0,9911
Сетевая топология кольца с 6 ИЭУ

 

0,9930

По сравнению с шиной процесса традиционные системы РЗА используют меньшее количество элементов, т.е. только терминал РЗА и медные кабели, которые подключают их к первичному оборудованию. Следовательно, их уровень надёжности по определению выше. При рассмотрении схемы с резервированными терминалами РЗА, уровень надёжности ещё выше.

Когда применяется подход с использованием шины процесса, система РЗА в целом становится более зависимой от электронных устройств и их коммуникационных связей. С большим количеством элементов естественно в системе появляется больше точек уязвимости, и уровень надёжности может снижаться по сравнению с традиционными архитектурами. Очевидно, что с использованием различных уровней резервирования в системе, уровень надёжности растёт существенно, и, в конечном счете, превышает уровень надёжности традиционного подхода.

Сценарий 1 демонстрирует наиболее базовую архитектуру шины процесса. Она подходит для простых систем РЗА, где первичное оборудование соединено с одиночным терминалом РЗА с помощью УСШ, коммутатора и оптических кабелей. Так как надёжность определяется всеми элементами, и в системе есть нерезервированные элементы, то для этой архитектуры был получен самый низкий уровень надёжности.

В сценарии 2 рассматривается случай простейшего резервирования. Например, использование двух УСШ и двух независимых оптических кабелей для обеспечения дублирования информации в сети. Следовательно, терминал РЗА будет получать достоверные данные для запуска защитных алгоритмов даже в случае сбоя одного из УСШ. Сетевая структура простая, т. е. пакеты от каждого УСШ передаются через одиночную коммуникационную связь в коммутатор.  Однако, надёжность системы существенно выше по сравнению со сценарием 1 в силу дублирования систем измерения.

В сценарии 3 оба УСШ и терминал РЗА поддерживают протокол резервирования. В силу того, что каждое устройство подключено к двум коммутаторам, существует полностью параллельный путь коммуникации данных между устройствами, что делает структуру сети более надёжной и, следовательно, увеличивает уровень надёжности системы РЗА. Рассматривая второй УСШ, как способ улучшения резервирования системы сбора сигналов, показанный в сценарии 4, в результате уровень надёжности оказывается выше. В обоих случая надёжность системы уже выше, чем при традиционной архитектуре РЗА без резервирования.

В случае, когда требуется максимально высокий уровень надёжности системы РЗА, использование резервирования терминалов РЗА неизбежно. Использование шины процесса с резервированием системы измерения и коммуникационной сети в комбинации с резервированием терминалов РЗА, как показано в сценарии 5, обеспечивает высочайший уровень надёжности, даже превышающий надёжность традиционной архитектуры с основным и резервным комплектами защит. Когда один и тот же сигнал мониторится двумя разными устройствами и путь передачи данных состоит из сетевой структуры с различными комбинациями, иммунитет к сбою системы РЗА увеличивается. Наличие двух терминалов РЗА, способных работать одновременно, делает этот иммунитет даже выше.

Кольцевая топология, показанная в сценарии 6 для трёх и шести устройств, обеспечивает высокий уровень надёжности с использованием нескольких устройств, что обеспечивает реальную альтернативу PRP протоколу. Однако, она упирается в ценовые ограничения количества устройств в сети и может привести к трудностям с точки зрения масштабируемости и, следовательно, больше подходит для небольших приложений. Также важно отметить, что PRP резервирование становится более эффективным с точки зрения стоимости в случае больших систем, где коммутаторы могут, например, быть частью систем измерений для нескольких ячеек.

Оценивая все представленные топологии, установлено, что чем выше уровень резервирования, тем выше надёжность системы. Резервирование сетевой структуры делает систему более надёжной потому, что позволяет организовать несколько путей передачи данных. Резервирование устройств делает систему менее зависимой от целостности единиц оборудования, которые его составляют. Заметно, однако, что частичное резервирование системы РЗА, определяемое архитектурой шины процесса, несмотря на показанный высокий уровень надёжности, всё ещё немного ниже уровня надёжности традиционной системы. Влияние этого различия может быть минимизировано, если будут рассматриваться другие, не поддающиеся количественному анализу аспекты.

В силу использования характеристик стандарта МЭК 61850 использование шины процесса естественным образом позволяет просто и на постоянной основе мониторить статус устройств в сети и качество данных, по ней передающихся. Эта возможность позволяет быстро идентифицировать проблемы и, следовательно, служба эксплуатации может быстро приступить к их решению. К тому же эксплуатация устройств становится проще потому, что используется меньше кабелей для их соединения, что минимизирует трудозатраты в случае их замены. Другой очень важный пункт, который должен учитываться, – это существенное увеличение уровня безопасности, так как только УСШ получает измерения с ТТ. Это значит, что в ОПУ нет вероятности инцидента с эксплуатационным персоналом в силу разрыва токовых цепей.

Также в силу стандартизации характеристик устройств информация, которая передается по сети, может иметь тег «тестовый режим», и в этой ситуации заданные устройства могут игнорировать данные. Этот тэг полезен при периодическом тестировании систем на подстанции, изоляции и, в конечном счете, в сервисном тестировании без необходимости выводить в ремонт всю систему РЗА при тестировании. Гибкость расширения системы – это  ключевая точка. Добавление новых устройств в шину процесса проще, потому что это требует физического места, питания и сетевых кабелей. Следовательно, нет необходимости отключать систему РЗА для выполнения сервисных работ.

В данной статье рассчитывается надёжность различных архитектур шины процесса с помощью методологии, рассматривающей уровни надёжности каждого элемента системы РЗА. Основываясь на MTBF этих элементов, был определён уровень надёжности для традиционной архитектуры и нескольких сценариев построения шины процесса. После сравнения и анализа результатов стало возможным проверить надёжность шины процесса в нескольких топологиях. Учитывая результаты расчёта надёжности и не поддающиеся количественной оценке аспекты шины процесса, её использование является весьма обнадёживающим.

  1. S. Ward, et al, “Redundancy Considerations for Protective Relaying Systems”, IEEE PSRC, WG I 19 (2010)
  2.  “IEC61850-SER ed1.0: Communication networks and systems in substations – ALL PARTS” (2013)
  3. L. Hossenlopp, D. Chatrefou, D. Tholomier, D. P. Bui. “Process bus: Experience and impact on future system architectures”, CIGRE, paper B5-104 (2008).
  4. “IEC 61850-9-2 ed. 2.0: Communication networks and systems for power utility automation – Part 9-2: Specific communication service mapping (SCSM) – Sampled values over ISO/IEC 8802-3” (2011)
  5.  “IEC 61869-1 ed. 1.0: Instrument transformers – Part 1: General requirements” (2007)
  6. R. Billinton, R. N. Allan, “Reliability Evaluation of Engineering Systems: Concepts and Techniques”, Springer (1992)
  7. A. Birolini, “Reliability Engineering, Theory and Practice”, Fifth edition, Springer (2007)
  8. R. Manzini, A. Regattieri, H. Phan, E. Ferrari, “Maintenance for Industrial Systems”, Springer (2010)
  9. “IEC 61439-3 ed2.0: Industrial communication networks – High availability automation networks -Part 3: Parallel Redundancy Protocol (PRP) and High-availability Seamless Redundancy (HSR)” (2012)
  10. “IEC/TR 61850-90-40: ed 1.0: Communication networks and systems for power utility automation– Part 90-4: Network engineering guidelines, Technical Report” (2013)
  11. U.  B.  Anombem,  H.  Li,  P.  Crossley,  R.  Zhang  and  C.  McTaggart,  “Process  bus  architectures  for substation automation with life cycle cost consideration”,  10th IET Int. Conf. on Developments in Power System Protection (DPSP), 2010

Статью перевёл Глеб Соколов – руководитель отдела автоматизации подстанций АО «Альстом Грид».

digitalsubstation.com

Этапы реализации шины процесса в комплексах релейной защиты и автоматики

В преддверии каждого этапа пилотной эксплуатации должны быть определены цели и ожидаемые результаты, чтобы по результатам «пилота» можно было создавать типовые решения и с уверенностью их использовать. Для того, чтобы уменьшить сложность пилотных проектов внедряемые инновации должны касаться исключительно вторичного оборудования. Внедрение шины процесса требует большой осторожности, поэтому, прежде чем использовать комплексы РЗА сложной конфигурации, должны быть апробированы более простые решения. Современные устройства РЗА обладают достаточным уровнем гибкости, позволяют адаптироваться к нуждам конкретного применения и должны помочь в апробации новых решений.

Для успешного внедрения технологии шины процесса требуется накопление опыта ее применения в комплексах различного масштаба. Для получения этого опыта следует реализовывать пилотные проекты, в которых последовательно следует увеличивать объем использования новой технологии и производить анализ результатов работы по каждому из этапов. Далее описаны возможные этапы внедрения новой технологии.

Этап 1: Реализация защиты присоединения традиционным и новым способами одновременно

На первом этапе технология шины процесса может использоваться для реализации защиты одного присоединения. Современные устройства защиты, такие как устройства серии SIPROTEC 5 от SIEMENS [3], обладают модульной конструкцией, что позволяет масштабировать возможности устройства. Например, существующее устройство токовой ступенчатой защиты SIPROTEC 7SJ85 [4] может оснащаться цифровым интерфейсом для получения информации в формате протокола МЭК 61850-9-2 (рис.1).

сименс 1Рис. 1. Этап 1 – Реализация защиты одного присоединения с использованием технологии шины процесса.

Другой отличительной особенностью современных устройств РЗА является возможность реализации защиты более чем одного элемента энергообъекта. Например, одно устройство РЗА SIPROTEC 7SJ85 может использоваться для реализации защиты до 7 присоединений [3].

Учитывая две указанные возможности, современные устройства позволяют реализовать защиты одного присоединения двумя способами – традиционным – с подключением к электромагнитному ТТ и новым – с передачей измерений в формате протокола Sampled Values – и все это в одном устройстве. Таким образом, одно устройство будет осуществлять измерение тока присоединения двумя способами – при получении аналогового сигнала от ТТ на свои аналоговые входы и при получении данных в цифровом формате от устройства сопряжения с шиной процесса, устанавливаемого на присоединении. При этом, в устройстве защиты активируются два экземпляра функции токовой защиты, получающие измерения от двух разных источников. Таким образом можно осуществить сравнение двух способов.

Поскольку устройство РЗА при реализации алгоритма токовой защиты опирается на обработку измерений одного присоединения, то в этой конфигурации не требуется выполнение временной синхронизации устройства сопряжения  с шиной процесса. И это является еще одним достоинством данной схемы, поскольку снижается ее сложность.

Этап 2: Реализация коммуникационной сети

Следующим шагом для масштабного внедрения технологии шины процесса является установка нескольких устройств сопряжения с шиной процесса, осуществляющих измерение токов на двух разных присоединениях, и создание локальной вычислительной сети, по которой осуществляется передача данных в формате протокола Sampled Values (рис. 2).

сименс 2Рис. 2.Применение шины процесса для реализации защиты двух присоединений с организацией локальной вычислительной сети.

Поскольку, как уже было отмечено выше, современные устройства РЗА обеспечивают возможность реализации защиты нескольких присоединений одновременно, то концепция, применимая для этапа 1, может быть спроецирована и на случай с двумя присоединениями. На этом этапе основное внимание должно уделяться пилотной эксплуатации современных коммуникационных технологий. В частности, интерес представляют протоколы резервирования такие как PRP (Parallel Redundancy Protocol) и HSR (High Availability Seamless Redundancy Protocol) [4, 5], которые обеспечивают непрерывную передачу данных при возникновении единичных отказов в сети. С использованием данных протоколов резервирования становится возможным обеспечивать высокую надежность передачи мгновенных значений тока (напряжения) по сети Ethernet. В рамках этапа 2 может быть выполнена проверка конфигураций, использующих как протокол PRP, так и протокол HSR. Необходимо отметить, что в случае применения протокола резервирования HSR затраты на настройку системы оказываются незначительными. Указанное обусловлено тем, что конфигурация с использованием протокола HSR не требует применения внешних коммутаторов (помимо коммутаторов, интегрированных в устройства РЗА).

На этапе 2, как и на этапе 1, не требуется выполнять синхронизацию устройств сопряжения с шиной процесса по времени, поскольку ни одна из реализуемых функций не использует измерения с нескольких присоединений в своем алгоритме

Основные аспекты применения протоколов PRP и HSR

Протоколы PRP и HSR обеспечивают параллельное резервирование – то есть для передачи данных предусматривается два коммуникационных маршрута. В случае нарушения исправности одного из них, приемник получает данные по второму маршруту. При этом ошибки в передаче данных отсутствуют, а значит приемник и реализуемые в нем прикладные функции функционируют без сбоев [7]. Сети Ethernet традиционно строятся по тому принципу, что каждый элемент сети обладает возможностью получения одного и того же пакета данных по единственному коммуникационному маршруту. Указанное обеспечивалось протоколом RSTP, который логически блокирует все альтернативные маршруты передачи данных, исключая таким образом зацикливание коммуникаций и возникновение широковещательного шторма.

При использовании протоколов PRP и HSR к устройству всегда подключены два активных коммуникационных маршрута, по которым производится передача данных, однако протоколы обеспечивают возможность исключения дубликатов на приемнике [6]. В случае если оба коммуникационных маршрута исправны, тогда два пакета, содержащие одинаковые данные, поступают на одно и то же устройство дважды. Прежде чем данные из этих пакетов будут переданы на прикладной уровень, производится анализ наличия дубликатов и их исключение. Дополнительные поля протоколов PRP и HSR, добавляемые в кадр Ethernet, как раз и предоставляют приемнику все необходимые данные для решения этой задачи.

сименс 3Рис. 3. Топология ЛВС при использовании протокола PRP.

Устройства, реализующие поддержку протоколов PRP и HSR называют устройствами с дублированными интерфейсами подключения. В английском языке принято два сокращения: DANP (dual attached node PRP) – устройство с дублированными портами подключения с поддержкой протокола PRP; DANH (dual attached node HSR) – устройство с дублированными портами подключения с поддержкой протокола HSR. Устройства, которые не поддерживают ни PRP, ни HSR, обозначают англоязычным термином SAN (single attached note), что означает устройство с одним портом подключения. Такие устройства могут приобретать все качества устройств с двумя портами подключения при использовании специальных устройств, называемых RedBox (Redundancy Box). С одной стороны конечное устройство подключается к RedBox посредством одного коммуникационного порта, однако во внешнюю сеть передача данных производится уже по двум активным маршрутам с использованием указанных коммуникационных протоколов.

Протокол PRP опирается на использование двух полностью независимых локальных вычислительных сетей. Таким образом, сети под управлением протокола PRP основываются на топологии двойной звезды, представленной на рис. 3. При реализации сетей Ethernet большое внимание уделяется задержкам передачи данных и пропускной способности. Временная задержка определяется задержкой в передаче данных от передающего узла принимающему. Она в значительной степени зависит от числа узлов сети, через которое должно пройти каждое сообщение. Пропускная способность определяет максимальный объем данных, который может быть передан по сети. При использовании PRP временные задержки в передаче сообщений малы в виду малого числа узлов, через которые должно пройти сообщение. На достаточно высоком уровне также находится и пропускная способность. При этом требуется создавать полностью дублированную инфраструктуру сети Ethernet, что требует значительных затрат. Требование того, что две сети должны быть абсолютно независимы друг от друга, требует большой осторожности при проектировании и наладке. При случайном соединении двух локальных сетей между собой происходит нарушение условий функционирования всей системы. Однако, если система реализована корректно и введена в эксплуатацию, то нарушение ее устойчивого функционирования маловероятно. В случае когда в двух изолированных друг от друга сетях отсутствуют повреждения, приемники получают два экземпляра данных и отбрасывают дубликаты. Если в одной из сетей возникает повреждение, то данные все равно поступают на приемник через вторую сеть. Таким образом, работа прикладных функций не нарушается.

Одним из недостатков системы, функционирующей под управлением протокола PRP, являются значительные затраты на ее реализацию. Однако данный недостаток не характерен для другого протокола резервирования – HSR. Конфигурация сети под управлением протокола HSR представлена на рис. 4.

сименс 4Рис. 4. Конфигурация сети под управлением протокола HSR.

В то время, как протокол PRP опирается на получение каждого пакета дважды и на исключение дубликатов, узлы c поддержкой HSR обеспечивают ретрансляцию данных другим элементам кольцевой сети, которая для протокола HSR является обязательной. Кольцевая топология исключает необходимость дублирования соединений, однако при этом сохраняется резервирование по принципу n-1, также характерное для систем, функционирующих под управлением протокола PRP. Реализация кольцевой топологии относительно проста. Все устройства соединяются последовательно до тех пор, пока первое и последнее устройство сети не соединятся между собой, образуя кольцо. Для соединения колец под управлением протокола HSR между собой используются устройства, которые в англоязычной литературе получили название Quadbox. Для того, чтобы резервировать соединение кольцевых сегментов между собой, эти устройства также должны дублироваться. В таком случае при отказе одного обмен данными между устройствами разных кольцевых сегментов нарушаться не будет.

Этап 3: Обеспечения синхронизация устройств шины процесса по времени

При реализации распределенных функций РЗА требуется обработка измерений от устройств сопряжения с шиной процесса, подключенных к измерительным преобразователям различных присоединений. Для обеспечения возможности сопоставления данных измерений требуется синхронизация устройств сопряжения по времени.

Синхронизация устройств по времени должна удовлетворять определенным требованиям. В частности, погрешность источника синхроимпульсов не должна превышать ±1 мкс. Существует два способа реализации синхронизации устройств сопряжения с шиной процесса по времени. Поскольку передача данных производиться по сети Ethernet, то предпочтительным вариантом, конечно, является использование этой же среды для распространения сигналов временной синхронизации. Соответственно, одним из возможных вариантов является использование протокола PTP в соответствии со стандартом IEEE 1588. Данный стандарт описывает механизм временной синхронизации с чрезвычайно высокой точностью, однако при этом существуют различные профили протокола PTP для применения в различных областях промышленности. В настоящее время отсутствует профиль PTP, который обеспечивает требуемый для шины процесса уровень надежности, точности и функциональной совместимости.

До тех пор, пока не будет создан профиль PTP, удовлетворяющий всем требованиям, более логичным является использование иной среды для передачи сигнала синхронизации. Данное решение не требует создание отдельной инфраструктуры, при этом метод уже достаточно хорошо апробирован, надежен и прост в реализации. Различные способы временной синхронизации применяются и хорошо зарекомендовали в себя других областях автоматизации энергообъектов, например, при реализации дифференциальной защиты линий и систем мониторинга переходных режимов. Так, устройства регистрации переходных режимов требуют получения сигнала точного времени. Обычно это реализуется с использованием IRIG-B. При реализации дифференциальной защиты линии также возможно использование нескольких способов временной синхронизации. Если задержка в распространении данных между комплектами дифференциальных защиты постоянна и одинакова в обоих направлениях, устройства могут быть синхронизированы напрямую. Если данное условие не выполняется, тогда должна осуществляться внешняя синхронизация по времени. Поскольку для дифференциальной защиты достаточно относительной временной синхронизации (абсолютное значение метки времени не используется), то, помимо IRIG-B, можно использовать синхронизацию по 1PPS. Устройства регистрации переходных режимов могут также поддерживать данные интерфейсы синхронизации времени, а могут и оснащаться интегрированными приемниками GPS для решения данной задачи.

Как и для реализации дифференциальной защиты, для шины процесса и, в частности, для устройств сопряжения с шиной процесса также требуется только относительная временная синхронизация. Таким образом, все упомянутые выше варианты (PPS, IRIG-B, GPS) могут быть использованы. Ниже мы обратим внимание на простейший способ синхронизации времени  –  1PPS. Данный способ синхронизации времени рекомендуется использовать согласно техническим требованиям по реализации цифрового интерфейса для измерительных преобразователей тока и напряжения (см. МЭК 61850-9-2LE [1, 6]).

Один из сценариев, где требуется синхронизация устройств сопряжения с шиной процесса по времени, – реализация дифференциальной защиты двухобмоточного силового трансформатора, когда устройство дифференциальной защиты получает измерения от двух устройств сопряжения с шиной процесса (рис.5).

сименс 5Рис. 5. Реализация схемы дифференциальной защиты силового двухобмоточного трансформатора с использованием шины процесса.

По сравнению с продольной дифференциальной токовой защиты линии, данная защита реализуется в одном физического устройстве (при реализации дифференциальной защиты двухконцевой линии требуется два полукомплекта).

Сервер времени отвечает за формирование импульсов 1PPS. Передача данного импульса осуществляется всем устройствам сопряжения с шиной процесса по выделенным линиям связи. Этим обеспечивается возможность сопоставления измерений, гарантия взятия отсчетов в один и тот же момент времени. Также рекомендуется осуществлять передачу импульса синхронизации на устройство РЗА с целью проверки им корректности входящих данных. К примеру, может выполняться проверка допустимости временных задержек поступления данных на устройство РЗА.

Как только пилотная эксплуатация по данному этапу завершена успешно, может быть продолжено широкомасштабное внедрение технологии шины процесса. В ходе каждого из обозначенных этапов была выполнена проверка основных аспектов ее реализации.

  1. IEC 61850, Part 9-2: Communication networks and systems for power utility automation – Specific Communication Service Mapping (SCSM) – sampled values over ISO/IEC 8802-3. iec.ch
  2. Heine, H.: Der Prozessbus wird Wirklichkeit. [The Process Bus Becomes a Reality] ew Jg. 113 (2014), H. 8, p. 37 – 39.
  3. Сайт energy.siemens.com/hq/en/automatisierung/stromuebertragung- verteilung/schutz/siprotec5/
  4. IEC 62439-3: Industrial communication networks: High availability automation networks – part 3: Parallel Redundancy Protocol (PRP) and High Availability Seamless Redundancy (HSR). iec.ch.
  5. Kirrmann, H.;Kleineberg O. et al.: HSR: Zero recovery time and low-cost redundancy for Industrial Ethernet. 14th IEEE conference on emerging technologies and factory automation, 2009. ETFA 2009, 22 to 26 September 2009, Palma de Mallorca/Spain.
  6. UCA International Users Group: Implementation guideline for digital interface to instrument transformers using IEC 61850-9-2. iec61850.ucaiug.org.
  7. Heine, O. Kleineberg; “The High-Availibility Seamless redundancy protocol (HSR): Robust fault tolerant networking and loop prevention through duplicate discard”, WFCS 2012, Lemgo, Germany.

digitalsubstation.com

Применение шины процесса GE Hard Fiber Process Bus

ОРУ 110 кВ ПС – 110 кВ «Приречная» выполнено по схеме «двойная система шин с обходной». К шинам 110 кВ подключены: две ВЛ 110 кВ, два трансформатора 110/10/10 кВ с расщеплёнными обмотками низшего напряжения и один трансформатор 110/6 кВ. Защита каждого присоединения выполнена двумя одинаковыми терминалами (для ВЛ – D60, для трансформатора – T-60), выполняющими также функции автоматики выключателя. В качестве защиты сборных шин 110 кВ применены два взаимно резервирующих устройства B95Plus.

Основное отличие технологии Hard Fiber Process Bus от традиционной, на мой взгляд, состоит в том, что модули ввода аналоговых величин и дискретных сигналов из терминала защиты вынесены в наружный блок УСО (устройства связи с объектом), который в описываемой системе назван «Brick», связанный с защитой оптическим кабелем по протоколу МЭК 61850 (рис. 1).

внутренняя структура brickРис. 1 Внутренняя структура BrickЭлементы BrickЭлементы Brick

Несмотря на использование МЭК 61850, Hard Fiber Process Bus остаётся закрытой системой, т.е. в ней нельзя использовать МП терминалы защит и УСО других производителей. Причина этого хорошо раскрыта в статье, опубликованной на сайте «Цифровая подстанция», «…если обратиться к руководству по эксплуатации на эту систему, то можно увидеть, что в этой системе устройства РЗА управляют процессом взятия выборок на Brick. Это управление осуществляется посредством передачи ими на Brick GOOSE-сообщений. Каждый Brick берет выборку, соответствующую 100 мкс назад по отношению к моменту фиксации окончания кадра Ethernet «командного» GOOSE-сообщения, и упаковывает эти данные в кадр 9-2. Точнее упаковывает 8 групп этих данных, соответствующих различным моментам времени. Помимо четырех токов и четырех напряжений (или еще дополнительно 4 токов), каждая группа данных дополнительно включает низковольтные сигналы постоянного тока (от различных датчиков, например, температуры) и дискретные сигналы на входных/выходных интерфейсах Brick, соответствующие определенному моменту времени. Все эти сигналы представляют собой один набор данных. Другой набор данных передается в этом же сообщении 9-2 и включает в себя служебную информацию. Устройство РЗА может вводить различные частоты дискретизации, требовать взятия отсчетов с переменным шагом. Существующие сегодня на рынке устройства сопряжения других фирм-производителей производят взятие выборок относительно внешнего сигнала синхронизации, получаемого от сервера времени, а не по команде устройств РЗА. Они передают стандартный набор данных в соответствии со спецификацией МЭК 61850-9-2LE. Соответствуя этой спецификации, устройства различных фирм-производителей оказываются функционально совместимы между собой, в отличие от решения General Electric».

АРМ диспетчераАРМ диспетчераКросс панельКросс панель

На рисунке 2 представлена схема подстанции и распределение устройств Brick и терминалов защит по кернам трансформаторов тока и напряжения.

В каждом Brick имеется 4 независимых цифровых ядра и, таким образом, к одному Brick можно подключить до 4-х устройств защиты по схеме «точка – точка».

Схема ПС-110 «Приречная» и распределение Brick по кернам ТТРис.2 Схема ПС-110 «Приречная» и распределение Brick по кернам ТТ

Передача команд между устройствами РЗА (пуск УРОВ, запрет АПВ, внешнее отключении, различные блокировки) организована путём обмена командами между ядрами Brick, подключёнными к разным терминалам защиты.

При построении системы РЗА на ПС-110 кВ «Приречная» мы руководствовались двумя основными, взаимно противоречивыми, принципами:

  1. Надёжность – применено полное аппаратное дублирование всех устройств;
  2. Экономичность – максимальное использование всех возможностей каждого устройства для уменьшения числа используемых модулей и соединительных кабелей.
DSCF3527Шкаф зажимов выключателя

На каждом присоединении 110 кВ установлено по два модуля ввода/вывода (Brick), подключенных к разным кернам ТТ. Также на них заведены вторичные цепи ТН 1С.Ш. 110 кВ и ТН 2С.Ш. 110 кВ. Переключение с одного ТН на другой производится вручную испытательными блоками в зависимости от фиксации присоединения по системам шин. Оба устройства защиты каждого присоединения подключены к обоим Brick присоединениям, и в случае неисправности одного из Brick, автоматически переключаются на второй. Оба Brick каждого присоединения действуют на оба соленоида отключения своего выключателя. Кроме того, выполнено прямое действие ключа управления со щита управления на один из соленоидов отключения по медному кабелю.

Шкаф преобразователей Brick, вынесенный на ОРУШкаф преобразователей Brick, вынесенный на ОРУ

Особенности, с которыми мы столкнулись при проектировании, монтаже и наладке системы РЗА подстанции:

  1. Ввод/вывод действия защит и автоматики на выключатели производится не разрывом цепи включения/отключения, а воздействием на дискретный вход терминала защит.
  2. В терминалах ДЗШ 110 кВ B95plus отсутствуют дискретные входы и выходы. В связи с этим любое оперативное воздействие на терминал (ввод/вывод защиты, ввод/вывод защиты на конкретное присоединение, ввод запрета АПВ при работе ДЗШ и т.д.) пришлось выполнять посредством воздействия на терминалы РЗА присоединений 110 кВ и передачи этих команд через Brick в терминал ДЗШ, что, во-первых, значительно усложнило проектирование и наладку защит; во-вторых, снизило надёжность всей системы; и в-третьих, заняло львиную долю команд обмена между ядрами Brick. В дальнейшем, если производитель не выпустит новый терминал ДЗШ с дискретными входами и выходами, придётся в шкаф ДЗШ устанавливать терминал контроллера (например С60), на который будут подаваться оперативные команды и связывать его с терминалом ДЗШ по МЭК 61850.
  3. В поставку Hard Fiber Process Bus производитель включил также оптические кабели определённой длины (определяется на стадии проектирования) с наконечниками, причём в кабелях для ОРУ проходят две медные жилы для питания Brick. В связи с высокой стоимостью этих кабелей на подстанции применены обычные оптические кабели и отдельно медные кабели для питания Brick. Это вызвало некоторые трудности при монтаже.
  4. Проверка защит может осуществляться двояко:
  • Наладка защит осуществлялась подачей токов и напряжений от испытательного устройства в Brick, расположенные на ОРУ – 110 кВ. При этом токи и напряжения в цифровом виде подаются во все устройства РЗА, подключенные к этим Brick (оба комплекса защиты присоединения и ДЗШ). Поэтому, в отличии от защит присоединений, терминалы ДЗШ подключены только к конкретному Brick каждого присоединения. Это сделано для возможности поочерёдного вывода из работы и проверки ДЗШ без отключения первичного оборудования.
  • С помощью резервного Brick, подключаемого в ОПУ к терминалу защиты присоединения переключением оптического патч-корда. При этом токи и напряжения подаются только в проверяемую защиту.

На фотографиях показаны ШЗВ (шкаф зажимов выключателя) с установленными Brick, вверху шкафа коробочка, в которой распаяна оптика, и подключение Omicron для проверки защит.

Выводы:

  1. К недостаткам системы я бы отнёс:
  • отсутствие дискретных входов и выходов терминала ДЗШ типа B95plus;
  • недостаточное количество выходных контактов Brick, что не позволило выполнить на них оперативную блокировку разъединителей.
  1. К несомненным достоинствам относится исключение (в идеале) связей по меди, в связи с чем невозможны ошибки в монтаже при наладке и плановых проверках защит. Очевидное повышение надёжности работы системы РЗА.
  2. Если сравнивать со стандартными решениями на базе МЭК 61850, то Hard Fiber Process Bus можно рассматривать как промежуточное решение, не требующее серьёзной переподготовки персонала.
  3. Назрела необходимость как серьёзного обучения персонала служб РЗА новым подходам, так и включения в состав служб специалистов по информационным технологиям.

digitalsubstation.com

Tekvel — Передача Sampled Values: «точка-точка» или «шина процесса»?

Шину процесса всегда называют шиной. Наверно, можно смело утверждать, что прошло уже время, когда под «шиной» понимали некие мифические сервера и ещё Бог знает что, теперь «шина» — это для всех более-менее понятная ЛВС, через которую IEDы общаются между собой. Но вот вопрос в том, должна ли это быть «полноценная» ЛВС, где под «полноценной» мы будем понимать ЛВС, построенную на базе коммутаторов, или же это должна быть сеть «точка-точка» — вот этот вопрос, по нашим наблюдениям, до сих пор будоражит умы технической общественности.

29 августа 2016 г. 13:00 | 88

Рассмотреть этот вопрос комплексно со всех сторон непросто, поэтому в первую очередь мы взглянем на него с позиций надёжности, к которой, традиционно, у апологетов другого («не цифрового», то есть) пути больше всего вопросов. Надо сразу отметить, что приведённые ниже рассуждения не являются плодом гениальной мысли сотрудников компании Теквел и не претендуют на научную новизну, а представляю собой лишь попытку взглянуть на проблему путём более-менее обоснованного численного анализа.

Кроме того, авторы данного поста прекрасно себе отдают отчёт в том, что он наверняка вызовет холивар оживлённую дискуссию у технической общественности, ради чего, собственно, этот пост и пишется, ведь в чатах спорах рождается истина.

Итак, для конкретности возьмём примитивную схему присоединения. Мы понимаем, что в чистом виде таких схем на объектах, где кому-то может прийти в голову применять Sampled Values, не так уж и много (если не сказать, что вообще нет), но в настоящий момент рассмотрение конкретной схемы мостика или 3/2, или прямоугольника – это излишняя детализация. Итак, мы примем, что у нас просто есть одно присоединение РУ, собранного по схеме одиночной [секционированной] шины.

Для начала мы рассмотрим классическую схему РЗА, где есть два комплекта, каждый из которых подключен к своему керну ТТ своими цепями переменного тока. Схематично это показано на первом рисунке.

Предположим, что на нашей цифровой подстанции будут установлены не оптические трансформаторы, а обычные объединяющие устройства отдельностоящие (то есть, SAMU, которые мы дальше для простоты будем называть MU). Мы сделаем это просто для конкретности, чтобы не рассматривать варианты на все случаи жизни. Аналогичные рассуждения легко экстраполировать на любое оборудование, с которого принимается SV.

В первом случае мы сделаем всё «в лоб», то есть мы просто возьмём, и поставим MU, подключив к нему РЗА по схеме «точка-точка». Здесь мы опустим вопросы «а куда подключить ДЗШ, ДЗТ и проч.».

Во втором случае мы сделаем два небольших дополнения к схеме «точка-точка»:

  • Положим, что MU и РЗА поддерживают какой-либо из протоколов кольцевого резервирования
  • Положим, что каждое устройство РЗА настроено таким образом, что оно принимает потоки SV от обоих MU, в качестве базового использует один из них, но если базовый пропадает, то переключается на использование второго.

В принципе, все рассмотренные допущения, на наш взгляд, не являются невыполнимыми и даже (опять же, НА НАШ ВЗГЛЯД) не должны повлечь существенного увеличения стоимости указанного оборудования.

Так вот, с учётом всего изложенного, схему можно представить так, как показано на третьем рисунке.

Разницу между представленными вариантами легко показать в схематичном виде. Для первого варианта («Точка-Точка») мы имеем две независимые цепочки, в каждой из которых отказ одного элемента ведёт к отказу цепочки. Во втором варианте (Шина процесса) мы имеем перекрестное соединение на прикладном уровне.

Посмотрим количественно, что даёт такое соединение. В рассматриваемых схемах присутствуют следующие элементы:

  • Трансформаторы тока и цепи переменного тока
  • MU
  • ЛВС (представленные отрезками линий связи)
  • Устройства РЗА

Для конкретности примем для всех коэффициент готовности , то есть каждый элемент на представленной схеме имеет такой коэффициент готовности.

Здесь под коэффициентом готовности мы понимаем средний коэффициент готовности на заданном интервале (например, на интервале между техобслуживанием, либо на сроке службы) согласно ГОСТ Р 27.002— 2009. Конкретное уточнение интервала в данном случае не имеет смысла, поскольку вне зависимости от этого интервала, расчёт в обоих случаях ведётся для одного и того же значения.

Перейдём к расчёту. Рассчитывать мы будем коэффициент готовности всей системы РЗА. Проще говоря – вероятность того, что на рассматриваемом интервале времени система будет готова к отключению КЗ.

Для первого случая точка-точка расчётная формула составляется элементарно, поскольку поперечных связей между устройствами нет. То есть сначала можно просто взять одну цепочку и перемножить коэффициенты готовности для неё.

Потом по правилам расчёта вероятности исправного состояния для параллельных цепочек имеем:

Как видно, надёжность «не ахти». До «трёх девяток» не дотягивает. Но это, конечно, не серьезно, так как мы задавались совершенно абстрактным коэффициентом готовности и в конечном счёте нас будет интересовать сравнение полученных величин, а не их абсолютные значения.

Рассмотрим следующий – второй – случай с шиной процесса. Благодаря наличию перекрестных связей между MU и РЗА схема в отношении расчёта надёжности меняется. Теперь схему в смысле надёжности можно представить как цепочку последовательно соединенных эквивалентированных элементов:

  • ТТ, цепи переменного тока и MU
  • ЛВС
  • Устройства РЗА

Здесь мы делаем одно довольно грубое (и, вообще говоря, не совсем корректное) допущение: отказ ЛВС определяется только отказами связей, хотя на самом деле отказ MU или РЗА может быть выражен отказом в нём функционала коммутатора. Однако очевидно, что не все отказы MU и РЗА будут сопровождаться отказом функционала коммутатора, а в связи с этим, данный вид отказа требует более детального рассмотрения.

Результирующий коэффициент готовности будет рассчитывается по стандартной формуле для цепочки последовательных элементов:

Таким образом, можем видеть, что результирующий коэффициент готовности приблизительно на 7% выше, чем в случае с топологией «точка-точка». Как уже отмечалось в примечаниях выше, приведённые расчёты не учитывают некоторых дополнительных возможностей отказа, в частности, наложение отказов функции коммутатора в MU или РЗА в сочетании с отказом ЛВС. Однако, вероятность указанных событий будет в среднем на порядок меньше, чем рассмотренных выше, в связи с чем, они не внесут существенный вклад в результирующую величину коэффициента готовности.

Вывод

На примере рассмотренных случаев можно составить таблицу преимуществ и недостатков рассмотренных топологий.

Топология Точка-точка Шина процесса
Преимущества Простая структура и меньшие требования к устройствам Более высокий коэффициент готовности при схожих затратах на реализацию
Недостатки Меньший коэффициент готовности Требование к возможности работы в резервированных топологиях ЛВС; Требование к устройство РЗА по приёму двукратного количества потоков SV

Следует отметить, что получившаяся разница в 7%, конечно же, не может считаться существенной. Вместе с тем уже можно отметить, что наличие такой разницы на столь примитивной топологии может вырасти в ещё большую разницу при условии рассмотрения более сложных систем, где одновременно принимаются измерения с нескольких MU (в том числе, для измерений напряжения). С другой стороны, обосновать применение более сложной (и наверняка более дорогой) топологии единственным аргументом – разницей в надёжности в размере 7% – нам кажется довольно сложным. Так что вопрос ещё требует дополнительного рассмотрения.

new.tekvel.com

Передача Sampled Values IEC 61850

Рассмотреть этот вопрос комплексно со всех сторон непросто, поэтому в первую очередь мы взглянем на него с позиций надёжности, к которой, традиционно, у апологетов другого («не цифрового», то есть) пути больше всего вопросов. Надо сразу отметить, что приведённые ниже рассуждения не являются плодом гениальной мысли сотрудников компании Теквел и не претендуют на научную новизну, а представляю собой лишь попытку взглянуть на проблему путём более-менее обоснованного численного анализа.

Кроме того, авторы данного поста прекрасно себе отдают отчёт в том, что он наверняка вызовет холивар оживлённую дискуссию у технической общественности, ради чего, собственно, этот пост и пишется, ведь в чатах спорах рождается истина.

Итак, для конкретности возьмём примитивную схему присоединения. Мы понимаем, что в чистом виде таких схем на объектах, где кому-то может прийти в голову применять Sampled Values, не так уж и много (если не сказать, что вообще нет), но в настоящий момент рассмотрение конкретной схемы мостика или 3/2, или прямоугольника – это излишняя детализация. Итак, мы примем, что у нас просто есть одно присоединение РУ, собранного по схеме одиночной [секционированной] шины.

Для начала мы рассмотрим классическую схему РЗА, где есть два комплекта, каждый из которых подключен к своему керну ТТ своими цепями переменного тока. Схематично это показано на первом рисунке.

ProcessBus_1

 

Предположим, что на нашей цифровой подстанции будут установлены не оптические трансформаторы, а обычные объединяющие устройства отдельностоящие (то есть, SAMU, которые мы дальше для простоты будем называть MU). Мы сделаем это просто для конкретности, чтобы не рассматривать варианты на все случаи жизни. Аналогичные рассуждения легко экстраполировать на любое оборудование, с которого принимается SV.

В первом случае мы сделаем всё «в лоб», то есть мы просто возьмём, и поставим MU, подключив к нему РЗА по схеме «точка-точка». Здесь мы опустим вопросы «а куда подключить ДЗШ, ДЗТ и проч.».

ProcessBus_2

Во втором случае мы сделаем два небольших дополнения к схеме «точка-точка»:

  • Положим, что MU и РЗА поддерживают какой-либо из протоколов кольцевого резервирования
  • Положим, что каждое устройство РЗА настроено таким образом, что оно принимает потоки SV от обоих MU, в качестве базового использует один из них, но если базовый пропадает, то переключается на использование второго.

В принципе, все рассмотренные допущения, на наш взгляд, не являются невыполнимыми и даже (опять же, НА НАШ ВЗГЛЯД) не должны повлечь существенного увеличения стоимости указанного оборудования.

Так вот, с учётом всего изложенного, схему можно представить так, как показано на третьем рисунке.

ProcessBus_3

Разницу между представленными вариантами легко показать в схематичном виде. Для первого варианта («Точка-Точка») мы имеем две независимые цепочки, в каждой из которых отказ одного элемента ведёт к отказу цепочки. Во втором варианте (Шина процесса) мы имеем перекрестное соединение на прикладном уровне.

ProcessBus_4

Посмотрим количественно, что даёт такое соединение. В рассматриваемых схемах присутствуют следующие элементы:

  • Трансформаторы тока и цепи переменного тока
  • MU
  • ЛВС (представленные отрезками линий связи)
  • Устройства РЗА

Для конкретности примем для всех коэффициент готовности p = 0,9, то есть каждый элемент на представленной схеме имеет такой коэффициент готовности.

Здесь под коэффициентом готовности мы понимаем средний коэффициент готовности на заданном интервале (например, на интервале между техобслуживанием, либо на сроке службы) согласно ГОСТ Р 27.002— 2009. Конкретное уточнение интервала в данном случае не имеет смысла, поскольку вне зависимости от этого интервала, расчёт в обоих случаях ведётся для одного и того же значения.

Перейдём к расчёту. Рассчитывать мы будем коэффициент готовности всей системы РЗА. Проще говоря – вероятность того, что на рассматриваемом интервале времени система будет готова к отключению КЗ.

Для первого случая точка-точка расчётная формула составляется элементарно, поскольку поперечных связей между устройствами нет. То есть сначала можно просто взять одну цепочку и перемножить коэффициенты готовности для неё.

ProcessBus_equation_1

Потом по правилам расчёта вероятности исправного состояния для параллельных цепочек имеем:

ProcessBus_equation_2

Как видно, надёжность «не ахти». До «трёх девяток» не дотягивает. Но это, конечно, не серьезно, так как мы задавались совершенно абстрактным коэффициентом готовности и в конечном счёте нас будет интересовать сравнение полученных величин, а не их абсолютные значения.

Рассмотрим следующий – второй – случай с шиной процесса. Благодаря наличию перекрестных связей между MU и РЗА схема в отношении расчёта надёжности меняется. Теперь схему в смысле надёжности можно представить как цепочку последовательно соединенных эквивалентированных элементов:

  • ТТ, цепи переменного тока и MU
  • ЛВС
  • Устройства РЗА

Здесь мы делаем одно довольно грубое (и, вообще говоря, не совсем корректное) допущение: отказ ЛВС определяется только отказами связей, хотя на самом деле отказ MU или РЗА может быть выражен отказом в нём функционала коммутатора. Однако очевидно, что не все отказы MU и РЗА будут сопровождаться отказом функционала коммутатора, а в связи с этим, данный вид отказа требует более детального рассмотрения.

ProcessBus_equation_3

Результирующий коэффициент готовности будет рассчитывается по стандартной формуле для цепочки последовательных элементов:

ProcessBus_equation_4

Таким образом, можем видеть, что результирующий коэффициент готовности приблизительно на 7% выше, чем в случае с топологией «точка-точка». Как уже отмечалось в примечаниях выше, приведённые расчёты не учитывают некоторых дополнительных возможностей отказа, в частности, наложение отказов функции коммутатора в MU или РЗА в сочетании с отказом ЛВС. Однако, вероятность указанных событий будет в среднем на порядок меньше, чем рассмотренных выше, в связи с чем, они не внесут существенный вклад в результирующую величину коэффициента готовности.

Вывод

На примере рассмотренных случаев можно составить таблицу преимуществ и недостатков рассмотренных топологий.

Топология Точка-точка Шина процесса
Преимущества
  • Простая структура и меньшие требования к устройствам
  • Более высокий коэффициент готовности при схожих затратах на реализацию
Недостатки
  • Меньший коэффициент готовности
  • Требование к возможности работы в резервированных топологиях ЛВС
  • Требование к устройство РЗА по приёму двукратного количества потоков SV

Следует отметить, что получившаяся разница в 7%, конечно же, не может считаться существенной. Вместе с тем уже можно отметить, что наличие такой разницы на столь примитивной топологии может вырасти в ещё большую разницу при условии рассмотрения более сложных систем, где одновременно принимаются измерения с нескольких MU (в том числе, для измерений напряжения). С другой стороны, обосновать применение более сложной (и наверняка более дорогой) топологии единственным аргументом – разницей в надёжности в размере 7% – нам кажется довольно сложным. Так что вопрос ещё требует дополнительного рассмотрения.

А как вы думаете? Выскажитесь!

digitalsubstation.com

Процесс производства шин / Nokian Tyres

Сырьевые компонентыГлавные сырьевые составляющие шины – натуральный и синтетический каучук, сажа и масло. Доля резиновых смесей в шине составляет более 80%. Оставшаяся часть – это компоненты, усиливающие конструкцию покрышки. Примерно половину каучука в отрасли получают от каучуковых деревьев, которые выращивают в странах с тропическим климатом, таких как Малайзия и Индонезия. Большую часть синтетической резины, производимой из нефти, мы получаем от европейских изготовителей. Приблизительно треть резиновых смесей – наполнители. Самый важный их них – сажа, благодаря которой шина имеет черный цвет. Второй важный наполнитель – нефть. Она играет роль смягчителя резиновой смеси. Кроме того, при производстве резиновых смесей используются ингредиенты для вулканизации резины, а также другие химические вещества.

Изготовление резиновых смесейНа стадии резиносмешения сырье смешивается и нагревается примерно до 120°C.Состав резиновых смесей, используемый в различных частях шины, различается в зависимости от функций и модели шины. Так, состав резиновых смесей, используемый для летних шин легкового автомобиля, отличается от состава зимней шины. Усовершенствование рецептуры и технологии приготовления смесей – кропотливый труд, играющий важную роль в разработке шин.

Изготовление компонентовРезиновые смеси используются и для обрезинивания таких компонентов, как бортовые кольца, текстильный корд и стальной брекер. Для производства шины используется от 10 до 30 компонентов, большинство из которых играют роль усилителей конструкции шины.

Сборка шиныИз этих компонентов оператор изготавливает так называемую «сырую шину» или заготовку шины на сборочном станке.На одном барабане собирается каркас шины, а на другом – брекерный пакет. После того как каркас шины будет собран, и ему будет придана форма профиля шины, при помощи перемещающего устройства на него переносится собранный брекерный пакет шины.Затем каркас и брекерный пакет прижимаются друг к другу, в результате чего получается «сырая шина», готовая к вулканизации.

ВулканизацияЗаготовки шин пропускают через вулканизатор.Диафрагма вулканизатора раздувается при помощи пара под давлением и прижимает «сырую шину» к металлической пресс-форме – на шине отображается рисунок протектора, и она приобретает окончательный внешний вид.

Проверка качестваВсе шины для легковых автомобилей проходят визуальный контроль и проверку на специальном оборудовании.На визуальном контроле выявляются возможные внешние дефекты. На станке замеряется форма шины, ее радиальное биение и неоднородность.После проверки шину еще раз тестируют, маркируют и отправляют на склад готовой продукции.

www.nokiantyres.ru