CONSTRUCTION OF THE INFORMATIONAL MODEL OF DIGITAL SUBSTATIONS ON THE BASIS OF THE STANDARD IEC 61850

Research article
DOI:
https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.46.180
Issue: № 4 (46), 2016
Published:
2016/04/18
PDF

Abstract

The article describes the principle of construction of the information model of digital substation according to main chapters of IEC 61850. Installed problems of data protection systems at energy facilities, which is caused by the limited condition single standardized framework of information exchange in the substation, as well as lack of unified data protection mechanisms. A model of intelligent digital substation, which allows to solve the problem of process control automation of information exchange at a power plant.

Бойченко О.В. 1, Дячук В.С.2

1ORCID: 0000-0003-3326-1015, Доктор технических наук, профессор, 2ORCID: 0000-0002-0643-8877, Магистр,  Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского

ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ЦИФРОВОЙ ПОДСТАНЦИИ НА ОСНОВЕ СТАНДАРТА МЭК 61850

Аннотация

В статье рассмотрен принцип построения информационной модели цифровой подстанции по основным главам стандарта МЭК 61850.

Установлена проблематика систем защиты данных на объектах электроэнергетики, которая обусловлена ограниченностью состояния единой стандартизированной структуры информационного обмена на подстанции, а также отсутствием унифицированных механизмов защиты информации.

Предложена модель интеллектуальной цифровой подстанции, которая позволяет решать проблемы автоматизации управления процессами информационного обмена на энергообъекте.

Ключевые слова: энергообъект, цифровая подстанция, стандарт МЭК 61850.

 

Boychenko O.V 1Dyachuk V.S.2

1ORCID: 0000-0003-3326-1015,  PhD in Engineering, Professor, 2ORCID: 0000-0002-0643-8877, Master, V.I. Vernadsky Crimean Federal University

CONSTRUCTION OF THE INFORMATIONAL MODEL OF DIGITAL SUBSTATIONS ON THE BASIS OF THE STANDARD IEC 61850

Abstract

The article describes the principle of construction of the information model of digital substation according to main chapters of IEC 61850.

Installed problems of data protection systems at energy facilities, which is caused by the limited condition single standardized framework of information exchange in the substation, as well as lack of unified data protection mechanisms.

A model of intelligent digital substation, which allows to solve the problem of process control automation of information exchange at a power plant.

Keywords: energy object, digital substation, standard IEC 61850.

Значительное место в современном обществе занимает защита объектов электроэнергетики, так как функционирование стратегически важных объектов государства, благополучное и полноправное проживание граждан без обеспечения электроэнергией невозможно.

Свидетельством этому являются недавние события в Республике Крым. При вступлении в силу энергетической блокады полуострова в холодное время года (ноябрь 2015 – январь 2016 гг.) многие семьи оказались без отопления и полноценных условий проживания, учебные заведения прекратили работу, а лечебные учреждения не имели возможности оказывать свои услуги.

Также следует упомянуть первый и единственный в мире подтвержденный случай выведения электрической сети из строя, который произошел на предприятии «Прикарпатьеоблэнерго» 23 декабря 2015 года [1]. Схема работы хакеров была тщательно спланирована в соответствии с функциональной структурой подстанции, что в следствии может привести к повторным атакам в сфере электроэнергетики на схожих объектах, например, подстанциях Республики Крым. Такие события содержат большую угрозу системе национальной безопасности и требуют тщательного и конструктивного анализа всех областей защиты объектов электроэнергетики, а в особенности – информационной безопасности цифровых подстанций.

Достижение максимальной защиты данных на цифровых подстанциях подразумевает переход к инновационным системам автоматизации и управления информационным обменом, основанным на последних стандартах и технологиях. К числу последних Алексей Данилин, Татьяна Горелик, Олег Кириенко и Николай Дони относят следующие:

  1. Группу информационных стандартов МЭК 61850;
  2. Цифровые измерительные устройства;
  3. Аналоговые мультиплексоры;
  4. Выносные модули УСО;
  5. Интеллектуальные электронные устройства[2].

Термин «Цифровая подстанция» сегодня определённо ассоциируется с информационным стандартом МЭК 61850. Свою уникальность данный комплекс стандартов, в отличие от предшествующих, представляет и в регламентации процессов информационного обмена между устройствами, и в схематизации самой структуры подстанции, её уровней и свойств. В стандарте также предусмотрено использование цифровых измерительных устройств на смену аналоговым.

Рассмотрим модель цифровой подстанции (далее – ЦП) по МЭК 61850. Согласно стандарту система автоматизации информационного обмена на энергообъекте по схеме ЦП должна состоять из трех уровней: процесса, присоединения и станции. В свою очередь каждый уровень выполняет соответствующие ему функции, за которые отвечают определенные типы устройств: измерительные для уровня процесса, наблюдения и реагирования для уровня присоединения и диспетчерский центр для уровня станции (Рис.1).

image002

Рис.1. Архитектура системы автоматизации ЦП

Такая схема автоматизации ЦП представлена в первой главе первой редакции стандарта МЭК 61850. Во второй редакции архитектура ЦП была расширена и приведена в соответствии с функциями между каждым из уровней, а также рассмотрен вопрос взаимодействия нескольких ЦП (Рис.2).

image004

Рис.2. Архитектура системы связей в модели ЦП

Датчики сбора информации на уровне процесса передают данные о значениях тока и напряжения на уровень присоединения, где их обрабатывают устройства мониторинга. По результатам проверки значений при обнаружении ошибки подается сигнал в устройства релейной защиты и автоматики, при помощи функции защиты отправляются данные на уровень станции. Через функции управления АРМ сообщает на уровень присоединения в устройства управления и далее на уровень процесса команду, например, «выключить коммутационные аппараты».

Вышеперечисленные функции детально указаны в технических рекомендациях МЭК 61850-5 первой редакции. Пятая глава стандарта регламентирует требования к производительности системы в разрезе временных характеристик процессов.

Таким образом, обязательно должны быть учтены такие составляющие полного времени передачи сигнала по сети как:

  • время кодирования поступившего сигнала от уровня процесса;
  • время передачи сигнала по сети связи;
  • время декодирования полученных данных и их передачи в другие устройства [3].

Впервые структура коммуникаций на уровнях ЦП представлена в седьмой главе стандарта МЭК 61850, основу которой составляют Логические узлы (Logical Node) – наименьшие элементы, способные обмениваться данными. В части проектирования модели ЦП логические узлы разделены на классы, которые имеют либо собственные, либо общие атрибуты. Не все атрибуты, присущие какому-либо классу, обязательны.

Имя класса логического узла состоит из четырех символов: первый – наименование группы логического узла, остальные три – аббревиатура от названия конкретной сети связи, относящейся к данной группе. Всего стандарт регламентирует 19 групп логических узлов [4].

Таким образом, можно представить модель ЦП с присвоением каждому из устройств имени основного логического узла (Рис.3).

image006

Рис.3. Архитектура логических узлов в модели ЦП

Восьмая и девятая главы стандарта регламентируют применение протоколов передачи данных между устройствами, а также уровнями ЦП. Следует указать тот факт, что все протоколы были усовершенствованы согласно новой модели подстанции. Так, например, по протоколу GOOSE в части семиуровневой модели OSI данные назначаются с прикладного непосредственно на канальный уровень, минуя при этом представительский, сеансовый, транспортный и сетевой. Следовательно, сокращается полное время передачи данных по сети.

Всего в стандарте МЭК 61850-8-1 предусмотрено два варианта коммуникационных профиля, по которым действуют протоколы: MMS и Non-MMS. Профиль Non-MMS является горизонтальным и предусматривает информационный обмен между устройствами одного уровня, к нему и относится протокол GOOSE. Передача мгновенных значений тока и напряжения от измерительных устройств в устройства РЗА по протоколу Sampled Values (SV) является вертикальным профилем, как и сам MMS, по которому поступают сигналы защиты в диспетчерский центр на АРМ.

Таким образом, полномасштабная функциональная модель цифровой подстанции будет иметь следующий вид (Рис.4):

image008

Рис.4. Информационная модель цифровой подстанции по МЭК 61850

Таким образом, стандарт МЭК 61850 направлен на минимизацию количества воздействующих факторов на информационные системы подстанций за счет снижения числа задействованных элементов системы и приведения их на более новый уровень с применением цифровых интеллектуальных устройств.

Информационная модель цифровой подстанции по стандарту МЭК 61850 является первым шагом к переходу на новый уровень организации подстанций и служит базисом для исследования угроз и уязвимостей её составляющих, а также выявления особенностей внедрения на энергообъектах как Республики Крым, так и Российской Федерации.

Разработанная модель позволяет решать проблемы совместимости механизмов автоматизации управления процессами информационного обмена на энергообъекте, что приводит к повышению эффективности контроля бесперебойной поставки электроэнергии в условиях энергодефицита и массовых случаев несанкционированного потребления электроэнергии (по данным Крымэнерго за 2015 год похищено около 235 млн. КВт электроэнергии, что составляет ущерб в 500 млн. руб. [5]).

 

Литература

  1. Ализар А. Подробности о беспрецедентном взломе электрической сети Украины / А. Ализар // [Электронный ресурс]. – URL: https://geektimes.ru/ (дата обращения 21.03.2016).
  2. Данилин А. Цифровая подстанция. Подходы к реализации / А. Данилин, Т. Горелик, О. Кириенко, Н. Дони // Журнал "ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение" №3. – 2012 // [Электронный ресурс]. – URL: http://eepr.ru/article/Cifrovaya_podstanciya_Podxody_k_realizacii/ (дата обращения 20.03.2016).
  3. Головин А. Структура стандарта МЭК 61850 / А. Головин, А. .Аношин  // [Электронный ресурс]. – URL: http://digitalsubstation.ru/blog/2012/10/18/struktura-standarta-me-k-61850/ (дата обращения 21.03.2016).
  4. ГОСТ Р МЭК 61850-7-3-2009. Сети и системы связи на подстанциях. Часть 7. Базовая структура связи для подстанций и линейного оборудования. Раздел 3. Классы общих данных // [Электронный ресурс]. – URL: http://docs.cntd.ru/document/gost-r-mek-61850-7-3-2009 (дата обращения 20.03.2016).
  5. Новости Крыма. В Крыму назвали ущерб от хищения электроэнергии // Новости Крыма. Крымская служба новостей // [Электронный ресурс]. – URL: http://news.allcrimea.net/news/2015/12/10/v-krymu-nazvali-usherb-ot-hisheniya-elektroenergii-50391/ (дата обращения 23.03.2016).

References

  1. Alizar A. Podrobnosti o besprecedentnom vzlome ehlektricheskoj seti Ukrainy / A. Alizar // [EHlektronnyj resurs]. – URL: https://geektimes.ru/ (data obrashcheniya 21.03.2016).
  2. Danilin A. Cifrovaya podstanciya. Podhody k realizacii / A. Danilin, T. Gorelik, O. Kirienko, N. Doni // ZHurnal "EHLEKTROEHNERGIYA. Peredacha i raspredelenie" №3. – 2012 // [EHlektronnyj resurs]. – URL: http://eepr.ru/article/Cifrovaya_podstanciya_Podxody_k_realizacii/ (data obrashcheniya 20.03.2016).
  3. Golovin A. Struktura standarta MEHK 61850 / A. Golovin, A. .Anoshin // [EHlektronnyj resurs]. – URL: http://digitalsubstation.ru/blog/2012/10/18/struktura-standarta-me-k-61850/ (data obrashcheniya 21.03.2016).
  4. GOST R MEHK 61850-7-3-2009. Seti i sistemy svyazi na podstanciyah. CHast' 7. Bazovaya struktura svyazi dlya podstancij i linejnogo oborudovaniya. Razdel 3. Klassy obshchih dannyh // [EHlektronnyj resurs]. – URL: http://docs.cntd.ru/document/gost-r-mek-61850-7-3-2009 (data obrashcheniya 20.03.2016).
  5. Novosti Kryma. V Krymu nazvali ushcherb ot hishcheniya ehlektroehnergii // Novosti Kryma. Krymskaya sluzhba novostej // [EHlektronnyj resurs]. – URL: http://news.allcrimea.net/news/2015/12/10/v-krymu-nazvali-usherb-ot-hisheniya-elektroenergii-50391/ (data obrashcheniya 23.03.2016).