Цифровизация объектов энергоснабжения промышленных предприятий создает необходимые предпосылки для существенного повышения эффективности энергосистем, при этом значительно снижая уровень их кибербезопасности. В статье представлены основные элементы программно-технического комплекса TOPAZ цифровых подстанций объектов электроэнергетики, разработанного компанией «ПиЭлСи Технолоджи» с использованием принципов кластерной архитектуры. Подробно рассмотрены состав и функционирование автономного регистратора аварийных событий TOPAZ РАС, приведен пример его внедрения на подстанции ПС 110/10/6 кВ «Бирюлево».
Журнал «ИСУП», г. Москва
Обеспечение кибербезопасности в энергетике – задача государственного уровня, поскольку практически все предприятия этой отрасли относятся к критически важным объектам инфраструктуры, нарушение функционирования которых может привести к потере управления всей экономикой субъекта и иметь необратимые отрицательные последствия для всех сторон жизнедеятельности населения.
Классическим примером стала хакерская атака, уничтожившая иранскую атомную программу в 2010 году. Специально разработанный оригинальный компьютерный вирус под названием Stuxnet был внедрен в сеть управления центрифугами на заводе по обогащению урана в Натанзе, защищенном даже от прямых бомбардировок. Результатом вирусной атаки стал выход из строя более 1300 центрифуг без возможности восстановления – по существу, переломный момент в практике цифровых войн, характеризующийся нанесением прямого физического вреда, а именно уничтожением существующего в реальности промышленного оборудования.
Какие меры предпринимаются российскими разработчиками программно-технических комплексов для энергетики, чтобы нивелировать существующие и потенциальные риски?
Что делать?
Российская компания «ПиЭлСи Технолоджи» (Москва), разработчик и производитель оборудования для систем автоматики и телемеханики, предложила клиентам свой подход и практические решения по цифровизации энергоснабжения промышленных предприятий, которые основаны на программном обеспечении и оборудовании, разработанном специалистами компании. Комплексный подход к реализации функциональности вторичных подсистем объектов электроэнергетики на базе программно-технического комплекса (ПТК) TOPAZ дает возможность обеспечить выполнение необходимых требований по кибербезопасности промышленного объекта, а также реализовать экономическую привлекательность применения цифровых технологий в электроснабжении (в том числе на уровне средних напряжений) за счет лаконичности технических решений, требуемого быстродействия, функциональности и простой масштабируемости.
Для реализации цифровых решений оборудование комплекса поддерживает открытые энергетические протоколы международного стандарта МЭК: для обмена дискретными данными в цифровом поле используются устройства с поддержкой протоколов МЭК 61850-8-1, для оцифровки аналоговых величин – протокола МЭК 61850-9-2. Это открывает широкие возможности для интеграции ПТК TOPAZ со смежными подсистемами предприятия, благодаря чему обеспечивается оптимизация процессов эксплуатации и быстрота принятия решений в случае возникновения нештатных и аварийных ситуаций.
При разработке и внедрении ПТК TOPAZ цифровых подстанций (ЦПС) на реальных объектах «ПиЭлСи Технолоджи» использует оптимальную по технико-экономическим показателям кластерную архитектуру, занимающую промежуточное положение между двумя противоположными: децентрализованной и централизованной. Выбранное решение помимо технологических преимуществ позволяет снизить операционные (ОРЕХ) и капитальные (САРЕХ) расходы компании по сравнению с традиционными системами.
Цифровой кластер представляет собой сегмент ЦПС, характеризующийся объединением некоторого набора функций, представленных в виде программно реализованных интеллектуальных электронных устройств (по стандарту МЭК‑61850 «Сети и системы связи на подстанциях» – IED), запуск которых осуществляется на общей аппаратной платформе с необходимой степенью резервирования.
Как делать?
Характерным примером внедрения элементов ЦПС с кластерной архитектурой является подстанция ПС 110/10/6 кВ «Бирюлево» (ПАО «Московская объединенная электросетевая компания»), структурная схема которой показана на рис. 1. В ее составе – 28 комплектов преобразователей аналоговых (ПАС) и дискретных (ПДС) сигналов полевого уровня. Каждый из цифровых кластеров представляет собой интеллектуальный программно-аппаратный комплекс TOPAZ iSAS® (от англ. Intelligent Substation Automation System – интеллектуальная система автоматизации подстанций), являющийся универсальным вычислительным модулем, его задача – обеспечение автоматизации и защиты с помощью специализированного ПО. На рис. 2 показана структурная схема такого цифрового кластера, исполняющего разработанные специалистами компании «ПиЭлСи Технолоджи» в виде программных приложений алгоритмы защиты и управления подстанцией, линейка которых постоянно совершенствуется и расширяется. Алгоритмы обеспечивают выполнение следующих функций:
- релейная защита подстанционного оборудования 6–35 кВ (РЗА);
- измерение электрических параметров (МИП);
- регистрация аварийных событий (РАС);
- автоматическое включение резервного питания (АВР);
- измерение, регистрация, контроль показателей качества электроэнергии (ПКЭ);
- учет электроэнергии;
- управление присоединением 6–220 кВ и др.
Рис. 1. Структурная схема ПС 110/10/6 кВ «Бирюлево» (увеличить изображение)
Рис. 2. Структурная схема цифрового кластера на базе TOPAZ iSAS®
Все алгоритмы защиты и управления реализованы в ПАК TOPAZ iSAS® на аппаратной платформе TOPAZ IEC DAS MX683. Кроме того, в распределительном пункте (РП) установлен контроллер телемеханики для обмена данными между цифровой системой защиты и управления и диспетчерским пунктом по каналу стандарта беспроводной высокоскоростной передачи данных LTE.
Пример реализации: регистратор аварийных событий
Как пример реализации одной из функций рассмотрим состав и работу автономного регистратора аварийных событий TOPAZ РАС. В его задачи входит запись, обработка, хранение и передача файлов с осциллограммами аналоговых и дискретных сигналов предаварийного и аварийного режимов работы электрической сети. Логические элементы системы и все информационные связи между ними соответствуют требованиям стандарта МЭК 61850 «Сети и системы связи на подстанциях». Структурная схема регистратора представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема регистратора аварийных событий TOPAZ РАС
Все звенья комплекса TOPAZ РАС могут как располагаться в одном шкафу, так и быть рассредоточенными в разных местах. Например, преобразователи аналоговых сигналов TOPAZ MU, а также модули дискретного ввода могут устанавливаться в ячейках закрытого распределительного устройства (ЗРУ) или на панелях и в шкафах вторичной коммутации подстанции. В качестве источников аналоговых сигналов могут использоваться и цифровые измерительные трансформаторы тока и напряжения, поддерживающие сервис Sampled Values по стандарту МЭК 61850-9-2.
В качестве серверной платформы для TOPAZ РАС на ПС 110/10/6 кВ «Бирюлево» используется промышленный сервер TOPAZ IEC DAS MX820. Вместе со специализированным программным компонентом TOPAZ RAS он образует основу всего программно-технического комплекса – электронное интеллектуальное устройство (ИЭУ) TOPAZ iSAS® РАС.
Для ввода аналоговых сигналов токов и напряжений в составе ПТК имеются устройства сопряжения с шиной процесса TOPAZ MU, которые через фиксированные промежутки времени передают в сеть Ethernet мгновенные значения токов и напряжений в формате Sampled Values (МЭК 61850-9-2). Ввод дискретных сигналов осуществляется с помощью модулей дискретного ввода TOPAZ DIN16/32C-Pr, способных передавать состояния дискретных входов в соответствии с протоколами GOOSE (МЭК 61850-8-1), МЭК 60870-5-101 и МЭК 60870-5-104. Потоки Sampled Values и передаваемые по интерфейсу Ethernet телесигналы о состоянии дискретных входов поступают в ИЭУ iSAS с помощью управляемого сетевого коммутатора TOPAZ SW для дальнейшей обработки.
Важным элементом регистратора TOPAZ РАС является устройство синхронизации времени TOPAZ PTS, обеспечивающее присвоение аналоговым и дискретным событиям точных меток астрономического времени UTC, а также синхронизацию устройств MU в соответствии с протоколом PTPv2. При этом TOPAZ PTS может одновременно использоваться и как сервер точного времени для СОЕВ АСУ ТП подстанции.
Принцип работы программно-аппаратного комплекса заключается в следующем: сервер TOPAZ iSAS® РАС через коммутатор получает потоки выборочных значений (Sampled Values, SV) по протоколу МЭК 61850-9-2 от преобразователей аналоговых сигналов. При выполнении заданных условий начала записи полученные выборки токов и напряжений записываются в осциллограмму, а полученные от устройств ПАС дискретные сигналы регистрируются в виде GOOSE-сообщений. Кроме того, сервер TOPAZ iSAS® РАС осуществляет расчет необходимых параметров на основе обработки потока SV и сравнительную оценку результатов вычисления с заданными значениями, что обеспечивает выполнение необходимых условий автоматического пуска.
В процессе работы ПАК TOPAZ iSAS® РАС выполняется запись аналоговых и дискретных сигналов в формате COMTRADE 2013 и хранение файлов осциллограмм, а также передача файлов осциллограмм в АСУ ТП, в диспетчерский пункт, автоматическая отправка информации о событиях и файлов осциллограмм посредством FAT-технологии (по заданным адресам рассылаются специализированные электронные сообщения) и автоматическая запись файлов осциллограмм на внешний USB-накопитель.
Еще одной функцией ПАК TOPAZ iSAS® РАС является автоматический пуск регистратора по изменению состояния дискретного входа (срабатывание/возврат) или по факту выхода аналогового параметра за предел измеренного или расчетного значения определенного параметра. Среди таких показателей действующие значения:
- тока фаз A, В, С (измеренное);
- тока нулевой последовательности (измеренное);
- тока прямой, обратной и нулевой последовательности (расчетное);
- напряжения фаз A, В, С (измеренное);
- напряжения нулевой последовательности (измеренное);
- напряжения прямой, обратной и нулевой последовательности (расчетное).
Для каждого присоединения в комплексе реализован отдельный программный компонент автоматического пуска. Вместе с тем при пуске регистратора все аналоговые и дискретные сигналы, заведенные в шкаф регистратора, пишутся в единую осциллограмму.
При внедрении цифрового регистратора аварийных событий на подстанции ПС 110/10/6 кВ «Бирюлево» количество аналоговых сигналов составило 160, количество дискретных сигналов – 64. Все элементы комплекса размещены в одном шкафу с возможностью двустороннего обслуживания (рис. 4).
Рис. 4. Пример расположения элементов комплекса TOPAZ РАС на ПС 110/10/6 кВ «Бирюлево»
Что важно
Одним из существенных преимуществ представленной компанией «ПиЭлСи Технолоджи» концепции ЦПС стала возможность расширения качественного и количественного состава функций системы защиты и управления не посредством увеличения номенклатуры и объема оборудования, а благодаря расширению программного обеспечения без существенного изменения его состава.
В целом разработанные цифровые системы позволяют добиться значительного экономического эффекта за счет совмещения в рамках ЦПС нескольких функций: АСУ ТП, РЗА, МИП, РАС, АВР, ПКЭ и др. Опыт реализации проекта показал, что выбор кластерной структуры при разработке и внедрении ЦПС обладает достаточной эффективностью в распределительных сетях 6–35 кВ.
Следует отметить, что ООО «ПиЭлСи Технолоджи», как разработчик и поставщик комплексных технических решений для систем АСУ ТП и телемеханики в энергетической отрасли, предлагает полный комплект собственного оборудования, необходимого для реализации проекта ЦПС «под ключ», не прибегая к помощи сторонних разработчиков, изготовителей и поставщиков. При этом все элементы системы и связи между ними полностью соответствуют требованиям российских и международных стандартов, что обеспечивает абсолютную информационную совместимость с оборудованием других производителей. Реализация информационного обмена согласно МЭК 61850 в поставляемых компанией устройствах TOPAZ прошла испытания в международной лаборатории DNV GL (бывшая DNV KEMA, Нидерланды) и имеет сертификат UCA Level A.
Опубликовано в журнале ИСУП № 2(92)_2021
Редакция журнала «ИСУП», г. Москва
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")
