Релейная защита • МЭК 61850

Продолжаем цикл публикаций «Релейная защита. МЭК 61850», в рамках которого будут рассмотрены все части стандарта и описываемых им протоколов (начало цикла – см. «Новости ЭлектроТехники» № 3(75) 2012).
Члены рабочей группы 10 Технического комитета 57 «Управление электроэнергетическими системами и сопутствующие технологии обмена информацией» МЭК, занимающейся разработкой стандарта, Алексей Олегович Аношин и Александр Васильевич Головин сегодня рассказывают о структуре документа.

Алексей Аношин, исполнительный директор	Александр Головин, технический директор
ООО «ТЕКВЕЛ», г. Москва

СТАНДАРТ МЭК 61850
Структура документа

Основной набор глав стандарта МЭК 61850 первой редакции был опубликован в 2002–2003 гг. В 2003–2005 гг. были опубликованы остальные главы первой редакции. Всего первая редакция насчитывала 14 документов. Позднее часть глав была переработана и дополнена, а также в стандарт были добавлены некоторые документы.
Текущая редакция стандарта состоит уже из 19 документов.

Виды документов МЭК

Прежде всего определим терминологию. В Международной электротехнической комиссии различают следующие виды документов:

• International Standard (IS) – Международный стандарт;
• Technical Specification (TS) – Технические требования;
• Technical Report (TR) – Технический отчет.

Международный стандарт (IS)
Международным стандартом является стандарт, официально принятый Международной организацией по стандартизации и официально опубликованный. Определение, данное во всех документах МЭК, гласит: «Нормативный документ, разработанный в соответствии с процедурами согласования, который был принят членами национальных комитетов МЭК ответственного технического комитета в соответствии с Главой 1 Директив ИСО/МЭК» [1].

Технические требования (TS)
Технические требования приближаются к Международному стандарту в части детализации и полноты и публикуются в тех случаях, когда стандарт находится в разработке или когда для официального принятия международного стандарта не достигнуто необходимое согласие.

Технический отчет (TR)
Технический отчет содержит информацию, отличающуюся от той, что обычно публикуется в международных стандартах. Например, данные, полученные из исследований, проведенных среди национальных комитетов, результаты работы других международных организаций или данные по передовым технологиям, полученные от национальных комитетов и имеющие отношение к предмету стандарта.
TR носят чисто информативный характер и не выступают в качестве нормативных документов.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ ГЛАВЫ СТАНДАРТА МЭК 61850

Рассмотрим содержание глав стандарта по порядку.

IEC/TR 61850-1 ред. 1.0. Введение и общие положения
Эта глава выпущена в виде технического отчета и служит введением в серию стандартов МЭК 61850.

Установлены базовые принципы, положенные в основу системы автоматизации, работающей в соответствии с МЭК 61850.

Определена трехуровневая архитектура системы автоматизации, включающая уровень процесса, уровень присоединения и уровень станции. Изначально стандартом была определена лишь система автоматизации в рамках одного объекта, а связи между несколькими подстанциями (ПС) не были включены в модель. Позднее модель была расширена, и на рис. 1 представлена архитектура системы связи, описанная второй редакцией стандарта, где предусмотрены также связи между ПС. Внутри каждого из уровней, а также между уровнями описана структура информационного обмена.

Рис.1. Уровни и логические интерфейсы на подстанциях

Перечень интерфейсов и их назначение.

1. Обмен сигналами функций защиты между уровнями присоединения и станции.
2. Обмен сигналами функций защиты между уровнем присоединения одного объекта и уровнем присоединения смежного объекта.
3. Обмен данными в рамках уровня присоединения.
4. Передача мгновенных значений тока и напряжения от измерительных преобразователей (уровень процесса) к устройствам уровня присоединения.
5. Обмен сигналами функций управления оборудованием уровня процесса и уровня присоединения.
6. Обмен сигналами функций управления между уровнем присоединения и уровнем станции.
7. Обмен данными между уровнем станции и удаленным рабочим местом инженера.
8. Прямой обмен данными между присоединениями, в частности, для реализации быстродействующих функций, таких как оперативная блокировка.
9. Обмен данными в рамках уровня станции.
10. Обмен сигналами функций управления между уровнем станции и удаленным диспетчерским центром.
11. Обмен сигналами функций управления между уровнями присоединения двух различных объектов, например, дискретными сигналами для реализации оперативной блокировки или другой автоматики.

Кроме того, в первой главе МЭК 61850 описаны:

• концепция моделирования данных;
• концепция наименования данных с представлением логических узлов, объектов и атрибутов данных;
• набор абстрактных коммуникационных сервисов;
• язык описания конфигурации системы.

Описание стандарта здесь представлено в достаточно сжатом виде и предназначено лишь для ознакомительных целей.

IEC/TS 61850-2 ред. 1.0. Термины и определения
Содержит глоссарий терминов, сокращений и аббревиатур, используемых в контексте автоматизации подстанций в серии стандартов МЭК 61850.

IEC 61850-3 ред. 1.0. Общие требования
Является единственной главой из серии, которая определяет требования к физическому оборудованию. В числе таких требований в первую очередь описаны требования к электромагнитной совместимости устройств, к допустимым условиям работы, надежности и т.п.

Следует отметить, что одним из требований стандарта, например, является декларация производителем математического ожидания наработки до отказа (MTTF), а также описание методики, в соответствии с которой она рассчитана. Знание этого важного параметра позволит производить расчет наработки до отказа системы в целом.

IEC 61850-4 ред. 2.0. Системный инжиниринг и управление проектами
Определяет все субъекты, участвующие в реализации системы автоматизации ПС, и распределение ответственности между ними. Так, установлены следующие участники: заказчик в виде электроэнергетической компании, проектная организация или проектировщик, монтажно-наладочная организация и производитель оборудования и программных инструментов.

Документ также содержит базовые принципы выполнения проекта, наладки и испытаний, дает концепцию распределения различных функций между программными и аппаратными инструментами.

IEC 61850-5 ред. 1.0. Требования к функциям и устройствам в части передачи данных
Детализирует концептуальные принципы разделения системы автоматизации на уровни, описанные в первой главе, а также расшифровывает концепцию использования логических узлов, предлагает их классификацию в соответствии с функциональным назначением. Кроме того, в главе приведены примеры схем взаимодействия различных логических узлов при реализации ряда функций РЗА.

Здесь же упоминаются термины «функциональная совместимость» и «взаимозаменяемость». При этом сделан акцент на том, что стандарт не предполагает обеспечение взаимозаменяемости устройств, его назначение – обеспечить функциональную совместимость устройств. Эти два понятия часто путают при обсуждении стандарта МЭК 61850.

Важной частью данной главы также является описание требований к производительности системы в части допустимых временных задержек.

Стандарт нормирует полное время передачи сигнала, которое складывается из трех составляющих:

• время кодирования поступившего от внутренней функции сигнала коммуникационным интерфейсом;
• время передачи сигнала по сети связи;
• время декодирования поступивших из сети связи данных и их передачи в функцию другого устройства.

Полное время передачи сигнала будет связано с полным временем передачи аналогичных сигналов при помощи аналоговых интерфейсов (например, дискретных входов/выходов реле или аналоговых входов цепей тока и напряжения).

Также нормированы допустимые временные задержки для различных видов сигналов, включая дискретные сигналы, оцифрованные мгновенные значения токов и напряжений, сигналы синхронизации времени и т.п.
Следует отметить, что во второй редакции пятой главы, официальная публикация которой намечена на осень 2012 года, введена новая система классов производительности. Однако фактически требования к допустимым задержкам при передаче сигналов определенных видов не изменились.

IEC 61850-6 ред. 2.0. Язык описания конфигурации для обмена данными
В главе 6 представлен формат файлов для описания конфигураций устройств, задействованных в обмене данными по МЭК 61850. Главная задача общего формата – обеспечить возможность конфигурирования устройства внешним программным обеспечением.

Указанный формат файлов описания известен как язык конфигурирования подстанций (SCL) и базируется на общепринятом в IT-среде языке разметки XML.

С целью определения четких правил формирования файлов формата SCL, а также простоты проверки правильности их составления была разработана XSD-схема. Первоначальная версия схемы была опубликована вместе с первой редакцией главы 6 в 2007 году. Позднее схема претерпела ряд изменений, связанных, в частности, с исправлением ошибок и рядом дополнений в SCL-файлах, и в 2009 году была опубликована ее новая редакция.

Таким образом, сейчас действуют две редакции схемы: 2007 и 2009 года, обычно именуемые как первая и вторая редакции. Несмотря на существующие между ними различия, предполагается, что устройства, совместимые со второй редакцией, должны иметь обратную совместимость с устройствами первой редакции. На практике это происходит, к сожалению, не всегда. Тем не менее это не мешает реализовать связь между устройствами, задавая каждому конфигурацию при помощи ПО производителя.

IEC 61850-7. Базовая структура коммуникаций
Стандарт МЭК 61850 определяет не только протоколы передачи данных, но и семантику этих данных. Седьмой раздел стандарта определяет подходы к моделированию систем и данных в виде классов. Все части взаимосвязаны между собой, а также с главами 5, 6, 8 и 9.

IEC 61850-7-1 ред. 2.0. Базовая структура коммуникаций – Принципы и модели
Введены базовые методы моделирования систем и данных, представлены принципы организации передачи данных и информационные модели, используемые в других частях МЭК 61850-7.

Описан принцип представления физического устройства со всеми имеющимися в нем функциями в виде набора логических устройств, состоящих в свою очередь из набора логических узлов. Также представлена технология группировки данных в наборы данных с последующим назначением этих данных на коммуникационные сервисы.

В данной главе дано описание принципов передачи данных, осуществляющейся по технологии «клиент–сервер» или «издатель–подписчик». Однако следует отметить, что данная глава, так же как и весь раздел 7, описывает лишь принципы и не описывает назначения сигналов на конкретные протоколы связи.

IEC 61850-7-2 ред. 2.0. Базовая структура коммуникаций – Абстрактный интерфейс коммуникаций (ACSI)
Описывается так называемый «абстрактный коммуникационный интерфейс» для систем автоматизации электроэнергетических объектов.

В главе приводятся схемы классов и сервисов передачи данных. Концептуальная схема связей классов приведена на рис. 2. Подробнее об этой схеме будет рассказано в одной из будущих публикаций в рамках рубрики.

Рис. 2. Базовая модель классов ACSI

В главе рассматриваются свойства каждого из классов, а в разделе сервисов передачи данных представлена связь указанных классов с возможными сервисами, такими как отчеты, журналы событий, чтение/запись данных или файлов, многоадресная рассылка и передача мгновенных значений.

Таким образом, здесь в абстрактном виде подробно определена вся структура коммуникаций, начиная от описания самих данных как класса и заканчивая сервисами для их передачи.

IEC 61850-7-3 ред. 2.0. Основная структура коммуникаций – Общие классы данных
Как видно из рис. 2, каждый класс данных (DATA) включает в себя один или более атрибутов данных (DataAttribute), каждый их которых в свою очередь описан определенным классом. В главе 7-3 описаны все возможные классы данных и классы атрибутов данных.

Классы данных включают несколько групп для:

• описания информации о состоянии;
• описания измеренных значений;
• управляющих сигналов;
• дискретных параметров;
• непрерывных параметров;
• описательных данных.

Эти классы позволяют моделировать всевозможные данные в рамках системы автоматизации ПС с целью дальнейшего обмена этими данными между устройствами и системами.

По сравнению с первой редакцией, во второй были учтены корректировки в соответствии с Tissues [2]. Кроме того, были добавлены новые классы данных и атрибутов, потребовавшиеся в новых информационных моделях, построенных в соответствии с требованиями стандарта и использующихся за рамками систем автоматизации ПС.

IEC 61850-7-4 ред. 2.0. Основная структура коммуникаций – Классы логических узлов и объектов данных
Описывает информационную модель устройств и функций, относящихся к ПС. В частности, она определяет имена логических узлов и данных для передачи данных между устройствами, а также взаимосвязь логических узлов и данных.

Имена, определенные в документе, используются для построения иерархических ссылок на объекты с целью дальнейшего обращения к данным при коммуникациях. Здесь также применяются правила формирования имен, определенные главой 7-2.

Все классы логических узлов имеют наименования, состоящие из четырех букв, причем первая буква в названии класса логического узла указывает на группу, к которой он относится (табл. 1).

Табл. 1. Перечень групп логических узлов

a: Логические узлы этих групп существуют в выделенных ИЭУ при условии что используется шина процесса. Если шина процесса не используется, то указанные логические узлы соответствуют модулям ввода/вывода и расположены в ИЭУ, подключенном медными связями к оборудованию и расположенном уровнем выше (например, на уровне присоединения) и представляют внешнее устройство по его входам и выходам (проекция процесса).

IEC 61850-7-410, -420 и -510
Стандарты МЭК 61850-7-410 и -420 являются расширениями главы 7-2 и содержат описания классов логических узлов и данных для гидроэлектростанций и малой генерации.

Технический отчет IEC/TR 61850-7-510 дает пояснения к использованию логических узлов, определенных в главе 7-410, а также в других документах серии МЭК 61850, для моделирования комплексных функций управления на электрических станциях, включая гидроаккумулирующие станции с изменяемой скоростью.

IEC 61850-8-1 ред. 2.0. Назначение на определенный коммуникационный сервис – Назначение на MMS и IEC 8802-3
Как отмечалось выше, раздел 7 стандарта описывает только принципиальные механизмы передачи данных. Глава 8-1 в свою очередь описывает методы обмена информацией по локальным сетям путем назначения абстрактных коммуникационных сервисов (ACSI) на протокол MMS и кадры ISO/IEC 8802-3, протоколы для обмена как данными, для которых критична временная задержка, так и данными, где задержка не критична.

Сервисы и протокол MMS работают на полной модели OSI поверх стека TCP, за счет чего передача данных по этому протоколу осуществляется с относительно большими временными задержками, поэтому использование протокола MMS позволяет решать задачи по передаче данных, для которых не критична задержка. Например, этот протокол может использоваться для передачи команд телеуправления, сбора данных телеизмерений и телесигнализации, а также для отправки отчетов и журналов с удаленных устройств.

В этой главе, помимо протокола MMS, рассматривается назначение данных, требующих быстрой передачи. Семантика этого протокола определена в МЭК 61850-7-2.

Также в документе описывается синтаксис протокола, определяется назначение в кадры данных и процедуры, относящиеся к использованию ИСО/МЭК 8802-3. Указанный протокол известен специалистам как протокол GOOSE. За счет того, что данные в этом протоколе назначаются непосредственно в кадр Ethernet, минуя модель OSI и в обход стека TCP, передача данных в нем осуществляется с заметно меньшими задержками по сравнению с MMS. Благодаря этому GOOSE может использоваться для передачи команд отключения выключателя от защиты и аналогичных быстрых сигналов.

IEC 61850-9-2 ред. 2.0. Назначение на определенный коммуникационный сервис – Передача мгновенных значений по интерфейсу IEC 8802-3
Рассматривает методы передачи мгновенных значений от ТТ и ТН по интерфейсу IEC 8802-3, то есть определяется назначение класса сервиса передачи мгновенных значений от измерительных ТТ и ТН МЭК 61850-7-2 на протокол ISO/IEC 8802-3.

Эта глава распространяется на измерительные трансформаторы тока и напряжения с цифровым интерфейсом, устройства сопряжения с шиной процесса и интеллектуальные электронные устройства (ИЭУ) с возможностью приема данных от ТТ и ТН в цифровом виде.

Фактически данная глава описывает формат кадра Ethernet в зависимости от того, какие данные на него назначены, то есть определяет его взаимосвязь с классом данных согласно МЭК 61850-7-2 и описанием согласно МЭК 61850-6.

Первой редакцией главы 9-2 не были предусмотрены такие важные моменты, как обеспечение резервирования. Во второй редакции были учтены эти недостатки, в связи с чем формат кадра 9-2 был дополнен полями для меток протоколов резервирования PRP или HSR.

Спецификация IEC 61850-9-2LE
Первая редакция стандарта МЭК 61850-9-2 была опубликована в 2004 году, однако отсутствие в ней четко прописанных требований по частотам выборок мгновенных значений и составу передаваемого пакета могло привести к потенциальной несовместимости решений разных производителей. Для того чтобы способствовать развитию совместимых решений на базе протокола МЭК 61850-9-2 группой пользователей UCA в дополнение к стандарту была также разработана спецификация [3], получившая наименование 9-2LE, которая конкретизировала состав передаваемого пакета данных, определила две стандартные частоты: 80 и 256 выборок за период промышленной частоты, то есть фактически установила стандартные требования к интерфейсу МЭК 61850-9-2 для всех устройств.

Появление этой спецификации вместе с документом в значительной степени повлияло на интенсивность проникновения протокола в оборудование. Однако следует понимать, что данный документ сам по себе не является стандартом, а лишь конкретизирует требования МЭК 61850-9-2.

IEC 61850-10 ред. 1.0. Проверка соответствия
Определяет процедуры испытаний на соответствие устройств и программного обеспечения требованиям стандарта и спецификаций, в частности, методику проверки соответствия фактических задержек при формировании и обработке пакетов сообщений заявленным параметрам и требованиям стандарта.

IEC/TS 61850-80-1 ред. 1.0. Руководство по передаче информации из модели общих классов данных с использованием МЭК 60870-5-101 или МЭК 60870-5-104
Потребность в данной главе определена необходимостью интеграции систем на базе МЭК 61850 с системами, работающими по МЭК 61850-5-101 и -104.

Документ описывает назначение общих классов данных МЭК 61850 на протоколы МЭК 60870-5-101 и -104.

IEC/TR 61850-90-1 ред. 1.0. Использование МЭК 61850 для организации связи между подстанциями
Изначально стандарт МЭК 61850 был рассчитан на обеспечение передачи данных между устройствами лишь в рамках ПС. Впоследствии предложенная концепция нашла применение и в других системах в электроэнергетике. Таким образом, стандарт МЭК 61850 может стать основой для глобальной стандартизации сетей передачи данных.

Существующие и разрабатываемые функции защиты и автоматики требуют наличия возможности передачи данных не только в рамках, но и между ПС, в связи с чем требуется расширение области действия стандарта на обмен данными между ПС.

Стандарт МЭК 61850 представляет базовые инструменты, однако для стандартизации протоколов передачи между объектами требуется ряд изменений. Технический отчет 90-1 содержит обзор различных аспектов, которые должны быть приняты во внимание при использовании МЭК 61850 для обмена данными между ПС. Области, в которых требуется расширение существующих документов, позднее будут включены в актуальные версии глав стандарта.

Одним из примеров необходимого расширения может служить передача GOOSE-сообщений между объектами. На сегодняшний день GOOSE-сообщения могут передаваться только в режиме широковещательной рассылки всем устройствам, включенным в локальную сеть, однако они не могут проходить через сетевые шлюзы.
В главе 90-1 описаны принципы организации туннелей для передачи GOOSE-сообщений между разными локальными сетями объектов.

IEC/TR 61850-90-5 ред. 1.0. Использование МЭК 61850 для передачи данных от устройств синхронизированных векторных измерений в соответствии с IEEE C37.118
Основная цель этого TR состояла в том, чтобы предложить метод передачи синхронизированных векторных измерений между PMU и системой СМПР. Данные, описанные стандартом IEEE C37.118-2005, передаются в соответствии с технологиями, предусмотренными МЭК 61850.

Однако помимо изначально поставленных задач, данный отчет также представляет профили для маршрутизации пакетов GOOSE (МЭК 61850-8-1) и SV (МЭК 61850-9-2).

РАЗРАБАТЫВАЕМЫЕ ДОКУМЕНТЫ МЭК 61850

В настоящее время разрабатывается еще 21 документ, которые войдут в состав серии стандартов МЭК 61850. Большая их часть будет опубликована в форме технических отчетов:

• IEC/TR 61850-7-5. Использование информационных моделей систем автоматизации подстанций.
• IEC/TR 61850-7-500. Использование логических узлов для моделирования функций систем автоматизации подстанций.
• IEC/TR 61850-7-520. Использование логических узлов объектов малой генерации.
• IEC/TR 61850-8-2. Назначение на веб-сервисы.
• IEC/TR 61850-10-2. Испытания на функциональную совместимость оборудования гидроэлектростанций.
• IEC/TR 61850-90-2. Использование стандарта МЭК 61850 для организации связи между подстанциями и центрами управления.
• IEC/TR 61850-90-3. Использование МЭК 61850 в системах мониторинга состояния оборудования.
• IEC/TR 61850-90-4. Руководящие указания по инжинирингу систем связи на подстанциях.
• IEC/TR 61850-90-6. Использование МЭК 61850 для автоматизации распределительных сетей.
• IEC/TR 61850-90-7. Объектные модели для электростанций на базе фотоэлементов, аккумуляторов и других объектов с использованием инверторов.
• IEC/TR 61850-90-8. Объектные модели для электромобилей.
• IEC/TR 61850-90-9. Объектные модели для батарей.
• IEC/TR 61850-90-10. Объектные модели для систем планирования режимов работы объектов малой генерации.
• IEC/TR 61850-90-11. Моделирование свободно программируемой логики.
• IEC/TR 61850-90-12. Руководящие указания по инжинирингу распределенных сетей связи.
• IEC/TR 61850-90-13. Расширение состава логических узлов и объектов данных для моделирования оборудования газотурбинных и паротурбинных установок.
• IEC/TR 61850-90-14. Использование стандарта МЭК 61850 для моделирования оборудования FACTS.
• IEC/TR 61850-90-15. Иерархическая модель объектов малой генерации.
• IEC/TR 61850-100-1. Функциональное тестирование систем, работающих по условиям стандарта МЭК 61850.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Стандарт МЭК 61850, изначально разработанный для применения в рамках систем автоматизации ПС, постепенно начинает распространяться и на системы автоматизации других объектов энергосистемы, о чем свидетельствует ряд недавно изданных и еще больший ряд готовящихся к публикации документов.
Новая техника и технологии сопровождаются их описанием в контексте стандарта МЭК 61850, в то время как разработка/модернизация других схожих по назначению стандартов не производится. Указанное позволяет сделать смелое предположение о том, что с каждым годом этот стандарт будет иметь всё большее практическое распространение.

ЛИТЕРАТУРА

1. http://www.iec.ch/members_experts/refdocs/governing.htm
2. http://tissue.iec61850.com
3. Implementation Guideline for Digital Interface to Instrument Transformers Using IEC 61850-9-2. UCA International Users Group. Modification Index R2-1. http://iec61850.ucaiug.org/implementation%20guidelines/digif_spec_9-2le_r2-1_040707-cb.pdf