Назначение стандарта МЭК 60870.

Традиционная архитектура автоматизированной системы подстанции.

 

 

 

Архитектура автоматизированной системы цифровой подстанции.

Трехуровневая архитектура современной подстанции в соответствии с концепцией стандарта IEC 61850, позволила отделить основные функции используемых в энергосистемах приложений от функций обмена данными и базовых сетевых функций.

Она разделена на три отдельных уровня:

Уровень Подстанции;

Уровень Ячейки;

Уровень Технологического шины.

Архитектура цифровой подстанции

В данной архитектуре представлены три основных типа средств связи в подстанции:

На уровне станционной шины:

· Соединения «Клиент – Сервер» главным образом осуществляющие взаимодействие HMI или других функций подстанции с интеллектуальными электронными устройствами (ИЭУ);

На уровне технологической шины:

· Соединения "Точка-Точка" основанные на GOOSE (Общие объектно-ориентированные события подстанции) сообщениях между ИЭУ, обеспечивающие получение данных о состоянии и передачу команд управления оборудованием;

· Соединения «Измерительные (оптические) трансформаторы - ИЭУ», основанные на передаче выборочных значений, формируемых отдельными или встроенными в оборудование модулями объединения.

 

На уровне «технологической шины» измеренные данные, а также данные о состоянии собираются через дублированный оптоволоконный Ethernet (100Мбит/с) с оптических/электронных трансформаторов напряжения и тока. Пунктами сбора данных являются дублированные Ethernet коммутаторы, которые поддерживают приоритет Ethernet и виртуальную ЛВС Ethernet (VLAN). Виртуальная ЛВС Ethernet позволяет Ethernet коммутаторам передавать наборы данных только на те порты коммутаторов/ ИЭУ, которым необходимы эти данные. IEC 61850 описывает сбор этих данных с использованием двух различных протоколов, а именно, Часть 9.1 определяет однонаправленный многоточечный (типа точка-точка) канал передачи фиксированных данных, а Часть 9.2 определяет «конфигурируемый» набор данных, которые можно передавать многоадресно от одного источника (издателя) к нескольким абонентам.

Проводные сети сбора информации.

 

Основа всего: кабели

Очевидно, чтобы соединять различные устройства в проводной сети, вам необходимы кабели. Естественно, не каждый кабель можно использовать для соединения сетевых устройств. Например, шнур от старого утюга для этих целей лучше не применять (хотя некоторые умельцы, которым жалко денег на витую пару, делали и так). Поэтому во всех сетевых стандартах определены необходимые условия и характеристики используемого кабеля, такие как полоса пропускания, волновое сопротивление (импеданс), удельное затухание сигнала, помехозащищенность и другие.
Существуют два принципиально разных вида сетевых кабелей: медные и оптоволоконные.
Кабели на основе медных проводов, в свою очередь, делятся на коаксиальные и некоаксиальные. Обычно используемая витая пара (RG-45) формально не относится к коаксиальным проводам, но многие характеристики присущие коаксиальным проводам, применимы и к ней. Недавно появился новый способ построения сетей (в основном домашних), основанный на телефонной проводке. Отдельно стоят кабельные модемы, обеспечивающие соединение точка-точка по различным средам, и сеть, использующая электропроводку.
Коаксиальный кабель представляет собой центральный проводник, окруженный слоем диэлектрика (изолятора) и экраном из металлической оплетки, выполняющим также роль второго контакта в кабеле. Для повышения помехоустойчивости иногда поверх металлической оплетки помещают тонкий слой алюминиевой фольги. В лучших коаксиальных кабелях используют для изготовления серебро и даже золото. В локальных сетях применяются кабели с сопротивлением 50 Ом (RG-11, RG-58) и 93 Ом (RG-62). Главный недостаток коаксиальных кабелей их пропускная способность, которая не превышает 10Мбит/с, что в современных сетях считается недостаточным. На самом деле ограничение здесь накладывает не сам коаксиальный кабель (полоса передачи коаксиальных кабелей очень велика, затухание же у хороших кабелей очень низкое), а сам физический протокол. Коаксиальный кабель, возможно, использовали бы и дальше, но есть две проблемы: первая, и самая существенная, точки доступа в такой сети расположены последовательно, и выход из строя одной из них приводит к неработоспособности всей сети, а вторая стоимость хорошего коаксиального кабеля существенно выше стоимости витой пары.

Витая пара представляет собой несколько (обычно 8) пар скрученных проводников. Скручивание применяется для уменьшения помех как самой пары, так и внешних, влияющих на нее. У скрученной определенным образом пары появляется такая характеристика, как волновое сопротивление. Витая пара бывает нескольких типов: неэкранированная витая пара UTP (Unscreened Twisted Pair), фольгированная FTP (foiled), фольгированная экранированная FBTP (foiled braided) и защищенная STP (shielded).Защищенная пара отличается от остальных наличием индивидуального экрана для каждой пары. Витые пары делятся на категории по частотным свойствам. Не будем вдаваться в подробности, отметим только, что на сегодня наиболее желательной является витая пара категории 5 (полоса частот до 100 МГц). Существуют также категории 5е и 6, но о них мы расскажем в следующем номере.
В зависимости от того, где вы прокладываете провод и как вы его будете использовать, вам следует выбирать одножильную или многожильную витую пару. Одножильная пара дешевле, но она менее гибкая и может сломаться при периодическом сгибании и разгибании провода, поэтому так называемые патч-корды необходимо делать только из многожильных кабелей
Теперь про оптоволокно. Оптоволоконный кабель состоит из одного или нескольких волокон, заключенных в оболочки, и бывает двух типов: одномодовый и многомодовый. Их различие в том, как свет распространяется в волокне в одномодовом кабеле все лучи (посланные в один момент времени) проходят одинаковое расстояние и достигают приемника одновременно, а в многомодовом сигнал может размазаться. Зато они намного дешевле одномодовых.
Плюсы оптоволоконного кабеля относительно медного это нечувствительность первого к электромагнитным помехам, огромная скорость передачи данных за счет гораздо большей полосы пропускания (оптические частоты гораздо выше, чем частоты электромагнитных волн в проводнике) и сложность в перехвате информации. Проще перехватить электромагнитное излучение, чем оптическое, хотя и оптика не является панацеей. Но с другой стороны, по этой же причине вы можете легко соединять и монтировать медные провода (если длины кабелей не близки к критическим), а для монтажа оптоволоконного кабеля необходимо специальное оборудование, так как необходимо точное совмещение осей светопроводящего материала волокон и коннекторов.

Проводные линии связи

Проводные (воздушные) линии связи используются для передачи телефонных и телеграфных сигналом, а также для передачи компьютерных данных. Эти линии связи применяются в качестве магистральных линий связи.

По проводным линиям связи могут быть организованы аналоговые и цифровые каналы передачи данных. Скорость передачи по проводным линиям "простой старой телефонной линии" (POST - Primitive Old Telephone System) является очень низкой. Кроме того, к недостаткам этих линий относятся помехозащищенность и возможность простого несанкционированного подключения к сети.

Оптоволоконный кабель

Отличительная особенность оптоволоконных систем – высокая стоимость как самого кабеля (по сравнению с медным), так и специализированных установочных элементов (розеток, разъемов, соединителей и т. п.). Правда, главный вклад в стоимость сети вносит цена активного сетевого оборудования для оптоволоконных сетей.

Оптоволоконные сети применяются для горизонтальных высокоскоростных каналов, а также все чаще стали применяться для вертикальных каналов связи (межэтажных соединений).

Оптоволоконный кабель (Fiber Optic Cable) обеспечивает высокую скорость передачи данных на большом расстоянии. Они также невосприимчивы к интерференции и подслушиванию. В оптоволоконном кабеле для передачи сигналов используется свет. Волокно, применяемое в качестве световода, позволяет передачу сигналов на большие расстояния с огромной скоростью, но оно дорого, и с ним трудно работать.

Для установки разъемов, создания ответвлений, поиска неисправностей в оптоволоконном кабеленеобходимы специальные приспособления и высокая квалификация. Оптоволоконный кабель состоит из центральной стеклянной нити толщиной в несколько микрон, покрытой сплошной стеклянной оболочкой. Все это, в свою очередь, спрятано во внешнюю защитную оболочку.

Оптоволоконные линии очень чувствительны к плохим соединениям в разъемах. В качестве источника света в таких кабелях применяются светодиоды, а информация кодируется путем изменения интенсивности света. На приемном конце кабеля детектор преобразует световые импульсы в электрические сигналы.

Существуют два типа оптоволоконных кабелей – одномодовые и многомодовые. Одномодовые кабели имеют меньший диаметр, большую стоимость и позволяют передачу информации на большие расстояния. Поскольку световые импульсы могут двигаться в одном направлении, системы на базе оптоволоконных кабелей должны иметь входящий кабель и исходящий кабель для каждого сегмента. Оптоволоконный кабель требует специальных коннекторов и высококвалифицированной установки.

 

Назначение стандарта МЭК 60870.

 

Стандарт IEC 60870-5 определяет набор протоколов для контроля и управления с использованием постоянного соединения. Стандарт разработан рабочей группой 3 технического комитета 57 МЭК.

Существует идентичный ему российский стандарт ГОСТ Р МЭК 60870-5 «УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕХАНИКИ. Часть 5. Протоколы передачи.».

Изначально вся группа стандартов именовалась IEC 870. Позже к нему добавили префикс 60 и получился IEC 60870. Часть документов ГОСТ также имеет старый индекс ГОСТ Р МЭК 870.

Стандарт состоит из ряда документов, разбитых на две группы. Первая группа документов именуется базовыми стандартами и определяет набор протоколов. Вторая группа называется обобщающими стандартами (англ. companion standard) и проясняет взаимоотношения между базовыми стандартами при построении конкретного протокола для конкретной сферы применения.

Передача данных между объектом и диспетчерским центром производится в цифровом формате. Для таких целей часто используют протоколы МЭК 60870-101/104.

МЭК 60870-5-101 – протокол ТМ, предназначен для передачи сигналов телемеханики в АСТУ. Осуществлен по принципу «клиент–сервер» и предназначен для передачи информации по последовательным линиям связи RS-485/232.

Протокол МЭК 60870-5-104 также является дополнением протокола 101 и устанавливает правила использования сетевого доступа по протоколу TCP/IP. Стандарты МЭК 60870-5-101/104 не рассматривают наличие семантической модели данных.

Протокол МЭК 60870-5-103 предназначается для обеспечения возможности объединения в систему управления энергообъекта устройств релейной защиты и автоматики. В отличие от протоколов МЭК 60870-5-101/104, он определяет семантику для фиксированного набора информации, формируемых устройствами релейной защиты и автоматики. Основной недостаток протокола МЭК 60870-5-103 относительно невысокая скорость передачи информации.

Протоколы МЭК 60870-5-101/103/104 имеют достаточно высокую функциональность при реализации задач телеуправления, телеизмерений и телесигнализации, объединения данных устройств в системы управления. По сравнению с протаколом Mоdbus, они позволяют также осуществлять спорадическую передачу информации с устройств.

Основа данных протоколов, обмен таблицами сигналов, при этом типы данных, которыми осуществляется обмен, жестко фиксированы.

В общем протоколы хорошо подходят для решения задач описанных выше, однако имеют ряд недостатков:

- передача информации осуществляется в два этапа

- назначение индексированных коммуникационных объектов на прикладные объекты;

- назначение прикладных объектов на переменные в прикладной базе данных или программе.

Подводя итог, отсутствует семантическая связь (полностью или частично) между передаваемой информацией и объектами данных прикладных функций.

Протоколы не учитывают возможность передачи сигналов в реальном времени. Под сигналами реального времени воспринимаются данные, которые должны передаваться с минимально возможными выдержками времени, к примеру, команда отключения, передача мгновенных значений напряжений и токов от измерительных трансформаторов. При передаче подобных сигналов задержки в канале связи должны отсутствовать. Напомним, что этот пункт не как не связан с возможностью синхронизации устройств с единым сервером времени, а лишь рассматривает вопросы скорости передачи данных между устройствами..

 

51. Назначение стандарта МЭК 61850.

 

МЭК 61850 – это глобальный коммуникационный стандарт, сфера действия которого, согласно планам Международной электротехнической комиссии, будет расширена за рамки электроэнергетики. Стандарт МЭК 61850 «Коммуникационные сети и системы для систем автоматизации в электроэнергетике» имеет целый ряд глав, в которых описываются 3 протокола передачи данных, а также требования к информационной модели, которая должна быть реализована в устройствах, к языку конфигурирования и процессу инжиниринга систем.

Четкое описание информационной модели устройств является одной из важных особенностей стандарта МЭК 61850, отличающей его от других стандартов информационного обмена в электроэнергетике. В соответствии с требованиями каждое физическое устройство должно содержать в себе логический сервер, в рамках которого заложена иерархическая модель, включающая одно или несколько логических устройств, в которых содержатся логические узлы. Каждый логический узел в свою очередь включает в себя элементы и атрибуты данных.

Логические узлы – это стандартизованное описание коммуникационного интерфейса различных функций устройств. Например, функции МТЗ в релейной защите (РЗА) соответствует логический узел PTOC. В логическом узле содержатся различные элементы данных, например элемент str, обеспечивающий сигнализацию пуска защиты. Атрибутами элемента str будут являться такие поля, как general (общий пуск), phsA (пуск по фазе А) и другие.

Как уже было сказано, стандарт МЭК 61850 предлагает использование трех протоколов передачи данных:

- MMS (Manufacturing Message Specification – стандарт ISO/IEC 9506) – протокол передачи данных реального времени и команд диспетчерского управления между сетевыми устройствами и/или программными приложениями;

- GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event – стандарт МЭК 61850-8-1) – протокол передачи данных о событиях на подстанции. Фактически данный протокол служит для замены медных кабельных связей, предназначенных для передачи дискретных сигналов между устройствами;

- SV (Sampled Values – стандарт МЭК 61850-9-2) – протокол передачи оцифрованных мгновенных значений от измерительных трансформаторов тока и напряжения (ТТ и ТН). Данный протокол позволяет заменить цепи переменного тока, соединяющие устройства РЗА с ТТ и ТН.