Насколько цифровой счетчик ARIS EM?

Сегодня неспешными темпами складывается полная картина цифровой подстанции. Уже много лет внедряются устройства, реализующие модели информационного обмена МЭК 61850 для интеграции в систему АСУ ТП (отчеты, управление, журналы событий и др.) и быстродействующего обмена сигналами между отдельными устройствами «нижнего уровня» (GOOSE) [1]. Доступны также волоконно-оптические преобразователи тока и напряжения (ВОПТН)/устройства сопряжения с шиной (УСШ) процесса с поддержкой модели передачи выборочных значений тока и напряжения (Sampled Values), реализуемой в соответствии с «Implementation guidelines for Digital Interface to Instrument Transformers» (МЭК 61850-9-2LE) [2], и устройства РЗА, способные принимать данные в указанном формате. Сейчас эти решения находятся в опытной эксплуатации на нескольких объектах и проходят проверку корректности функционирования в нормальных режимах/режимах КЗ.

Одним из фрагментов, который препятствует составлению пазла под названием «Цифровая подстанция», является цифровой коммерческий учет электроэнергии.

Одним из фрагментов, который препятствует составлению пазла под названием «Цифровая подстанция», является цифровой коммерческий учет электроэнергии. Этот фрагмент препятствует широкомасштабному внедрению ВОПТН/УСШ процесса МЭК 61850-9-2LE, другими словами, реализации передачи измерений в цифровом формате. Это обусловлено тем, что указанные источники цифровых измерений должны иметь набор документов о соответствии заявляемых метрологических характеристик фактическим. А ведь методики поверки таких устройств с интерфейсом МЭК 61850-9-2LE сегодня не существует. Хотя стоит отметить, что НИОКР на тему «Разработка и изготовление технических средств и метрологической базы для метрологического обеспечения цифровых подстанций» стартовал. Вторая часть этого проблемного фрагмента – наличие счетчиков электрической энергии с цифровым интерфейсом МЭК 61850-9-2LE, причем также метрологически поверенных и имеющих соответствующие документы. По своему опыту можем сказать: таких приборов немного. Редакция журнала «Цифровая подстанция» знает о двух подобных устройствах: ZMQ 802C (Landis+Gyr) и ARIS EM302 (ООО «Прософт-Системы»). Согласно декларациям, второй прибор обладает более богатым функционалом: поддерживает сервер MMS, может принимать нескольких потоков МЭК 61850-9-2LE, в том числе с частотой дискретизации сигнала 256 точек/период. Именно ARIS EM302 нам и удалось протестировать. Несмотря на то, что наш журнал не является организацией, имеющей соответствующее разрешение на проведение испытаний, мы заручились поддержкой авторитетной независимой лаборатории исследований функциональной совместимости компании «ТЕКВЕЛ» и воспользовались ее программными инструментами, чтобы провести ряд испытаний, которые еще никто в России не проводит, по крайней мере, на «законных» основаниях. Это наша непредвзятая оценка устройства. Первое знакомство и первый проект Впервые мы познакомились с многофункциональным счетчиком электрической энергии ARIS EM в 2012 году, когда специалисты «Прософт-Системы» привезли свой прибор на исследовательскую и производственную площадку компании «Профотек» с целью провести испытания на функциональную совместимость в части интерфейса МЭК 61850-9-2LE. Тогда испытания завершились успехом – счетчик принимал данные от электронного блока ВОПТН (поток измерений 80 точек/период) [3]. Измерения, генерируемые ВОПТН, соответствовали отображаемым на дисплее счетчика и были стабильными, ошибки отсутствовали. Такие сценарии испытаний используются и сегодня в рамках проверки на функциональную совместимость по МЭК 61850-9-2LE [4]. Годом позже вновь состоялось тестирование устройства в рамках Первой Открытой сессии по испытанию совместимости оборудования в соответствии с требованиями стандарта МЭК 61850, организованной кафедрой Релейной защиты и автоматизации энергосистем НИУ МЭИ. Тогда, помимо повторных испытаний с оборудованием «Профотек» [5], была успешно подтверждена совместимость с УСШ ENMU производства ИЦ «Энергосервис» [6]. Результаты испытаний были засвидетельствованы независимыми экспертами из компаний «Аналитик-ТС», НПК «Оптолинк», «Новинтех», «РусГидро». Через некоторое время мы встретились со счетчиком еще раз, но это уже был реальный проект – Цифровая автоматизированная система учета электроэнергии ОАО «Сетевая компания». На присоединении 110 кВ ПС Магистральная 220 кВ был установлен комплект ВОПТН с интерфейсом МЭК 61850-9-2LE (рис. 1) с последующей передачей измерений в счетчик ARIS EM (рис. 2). Параллельно «цифровому контуру» был реализован и «аналоговый» (данные от электромагнитных ТТ и ТН поступали на другой счетчик с аналоговым интерфейсом). Цель проекта – проанализировать показания метрологически поверенного комплекса и нового устройства. Оборудование было смонтировано, система введена в эксплуатацию, однако результаты работы комплексов еще не были представлены.

Так, в ходе «встреч» со счетчиком нам никак не удавалось ознакомиться с ним более подробно, мы не могли настраивать его самостоятельно и испытывать в разных режимах. Однако сейчас такая возможность предоставилась. Компоновка устройства и конфигуратор Многофункциональный счетчик электрической энергии ARIS EM302 внешне похож на контроллер присоединения ARIS C303 [7] и выполнен с ним на одной платформе. Отличаются устройства только габаритными размерами. Все остальное – элементы лицевой панели, дисплей, структура меню – идентично. В ARIS EM302 также принята модульная архитектура. Тестированное устройство оснащено модулем источника питания (PS220), а также двумя процессорными модулями (MBSO, MBSL). MBSL отвечает за прием и обработку информационных потоков МЭК 61850-9-2LE: устройство способно принимать до 4 потоков 80/256 точек/период. MBSO отвечает за вычислительные операции, относящиеся к учету электроэнергии. Как и в случае с ARIS C303, процессорный модуль отвечает за синхронизацию времени (через встроенный модуль GPS/GLONASS, NTP, PTP или внешний модуль точного времени, подключаемый через порт RS-485). Веб-интерфейс конфигурирования устройства тоже совпадает с контроллером ARIS C303. Поработал с ARIS C303 и сразу же легко ориентируешься при настройке счетчика ARIS EM302. Да здравствует унификация! В устройстве отсутствовали аналоговые интерфейсы тока и напряжения, а значит и аналоговые фильтры (если таковые применялись) и тракт аналого-цифрового преобразования. Фактически, счетчик превратился в интеллектуальный калькулятор, и его основной задачей становится корректная обработка последовательности входных данных. Программа тест-драйва Мы протестируем устройство по двум критериям:

1. Прием и обработка информационных потоков МЭК 61850-9-2LE 80 и 256 точек/период от эмулятора Volcano («ТЕКВЕЛ»). В этом тесте мы будем контролировать соответствие токов и напряжений, генерируемых эмулятором, данным, отображаемым на дисплее устройства. Одновременно будем использовать Omicron SVScout для кросс-проверки.
2. Проверка соответствия реализации коммуникационных сервисов (клиент-сервер) требованиям стандарта МЭК 61850 с использованием специализированного программного комплекса iTest.

Одновременно будем оценивать удобство настройки устройства.

Прием измерений по протоколу МЭК 61850-9-2LE

Настройка счетчика на прием измерений по протоколу МЭК 61850-9-2LE выполняется достаточно просто. Для этого необходимо выбрать пункт меню Трансляция - Прием данных и добавить модуль ARIS приема измерений в формате МЭК 61850-9-2LE.

Далее требуется перейти в пункт Система - Настройка модулей (рис. 4) и выбрать модуль 9-2. Появится окно с предложением просканировать сеть на наличие информационных потоков МЭК 61850-9-2LE. В других устройствах с интерфейсом 9-2, которые мы испытывали, требовалось вводить параметры потока вручную. Здесь все удобнее. Нашел нужный поток, выбрал из списка, применил его параметры, и они «подхватились» автоматически.

При тестировании генерировались потоки с использованием эмулятора Volcano. Он формирует поток как на 80 точек/период, так и 256 точек/период, который как раз поддерживает ARIS EM302. Идентификатор потока и его MAC-адрес назначения были выставлены в соответствии с рис. 5. Перед сканированием сети был запущен поток (действующие значения фазного тока – 1000 А, фазного напряжения – 63,5 кВ, рис. 6).

Сначала ПО Volcano работало под управлением ОС Windows, и интервал следования пакетов 9-2LE сильно варьировался. Значения, отображаемые на дисплее счетчика, отличались от заданных в эмуляторе. Это связано с тем, что алгоритм расчета действующих значений в ARIS EM302 опирается на таймер, который отсчитывается в устройстве, а не на параметр smpCnt, который есть в каждом пакете. Нам показалось это не очень правильным, так как если УСШ работает корректно и без джиттера, то временная ошибка в счетчике может привести к ошибке в измерениях. С другой стороны, если опираться на отсчет секунды по smpCnt, то этого эффекта наблюдаться не будет. SVScout отображал значения в полном соответствии с генерируемыми эмулятором. Далее ПО Volcano было запущено на ноутбуке Apple. В этом случае стабильность интервала следования пакетов высока. В результате опыта мы наблюдали полное соответствие данных, отображаемых на дисплее устройства, генерируемым эмулятором. Значения и фазы токов и напряжений, отображаемые в SVScout, им соответствовали.

Проверка соответствия МЭК 61850

В этом блоке представим вашему вниманию результат тестирования счетчика на соответствие требованиям стандарта МЭК 61850. При испытаниях использовалось ПО iTest, которое также применялось в ходе первых проверок соответствия в НТЦ ФСК [8]. Данное ПО проводит испытания в соответствии со сценариями, описанными в Conformance Test Procedures for Server Devices with IEC 61850-8-1 interface [9]. Этим документом руководствуются все лаборатории, аккредитованные международной организацией UCA (Utility Communications Architecture) на проверку соответствия МЭК 61850 (TUV SUD, KEMA и др.). Мы будем проводить испытания коммуникационных сервисов МЭК 61850. Проверки по этому критерию подразделены на 19 блоков. Мы проведем испытания по первому из них – BasicExchange. Этот блок определяет, насколько корректно реализованы базовые сервисы информационного обмена (Associate, Abort, Release, GetServerDirectory, GetLogicalDeviceDirectory, GetLogicalNodeDirectory, GetDataValues, GetDataDirectory, GetDataDefinition). Прежде чем перейти к самим тестам, подготовим объектную модель сервера. Для этого требуется перейти в пункт меню Трансляция - Передача данных и создать сервер МЭК 61850-8-1 (рис. 7).

Далее выбираем его, добавляем в объектную модель новые логические узлы с объектами данных и выполняем привязку объектов данных к внутренним тегам устройства (рис. 8 и 9). По удобству процедуры настройки вопросов не возникает.

Далее переходим к самим испытаниям. Чтобы начать тестирование по блоку Basic Exchange, достаточно запустить iTest, загрузить модель испытуемого устройства и выбрать типы испытаний. Результаты обозначены в Таблице 1. Таблица 1. Результаты испытаний на соответствие МЭК 61850 по блоку Basic Exchange.

Сценарий	Краткое описание	Результат (причина)
Ass1	Проверка правильности установки и завершения соединения	Не пройден (сокет закрывается раньше, чем сессия ACSE)
Ass2	Проверка правильности установки и завершения соединения	Пройден
Ass3	Проверка установки и завершение соединения с максимально допустимым числом клиентов	Не пройден (последствие ошибки, выявленной в опыте Ass1)
AssN2	Проверка установки соединения с правильными параметрами аутентификации, проверка невозможности установки соединения с контролируемыми сервером неправильно заданными параметрами аутентификации	Не пройден (последствие ошибки, выявленной в опыте Ass1)
AssN3	Проверка одновременного установления связи с максимальным числом клиентов (для max+1 должен формироваться отрицательный ответ на запрос установления связи)	Пройден
AssN4	Проверка того, что устройство обнаруживает обрыв связи (между двумя коммутаторами в схеме) и формирует отрицательный ответ на запрос GetDataValues после восстановления связи	Не пройден (последствие ошибки, выявленной в опыте Ass1)
AssN5	Проверка возможности повторной установки связи после перерыва и восстановления оперативного питания	Пройден
Srv1	Формирование запроса GetServerDirectory и контроль правильности ответа сервера	Пройден
Srv2	Формирование запроса GetLogicalDeviceDirectory и контроль правильности ответов	Пройден
Srv3	Формирование запроса GetLogicalNodeDirectory и контроль правильности ответов	Пройден
Srv4	Формирование запросов GetDataDirectory, GetDataDefinition и GetDataValues и контроль правильности ответов	Пройден
Srv5	Формирование запроса GetDataValues для нескольких объектов данных, формирование запроса GetDataValues по функциональному ограничению (LLN0$ST, LLN0$ST$Mod, LLN0$ST$Mod$stVal), контроль правильности ответов	Пройден
SrvN1abcd	Формирование запросов GetLogicalDeviceDirectory, GetLogicalNodeDirectory, GetDataDirectory, GetDataDefinition, GetDataValues, SetDataValues, GetAllDataValues с некорректными параметрами (неизвестный объект, логическое устройство, логический узел), контроль правильности ответов	Не пройден (не формируется корректный ответ - accessobject-non-existent).
SrvN4	Запрос изменения значения для объекта данных со свойством «только чтение» (LLN0$ST$Mod$stVal)	Не пройден (формируется положительный ответ DataWriteSuccess вместо object-access-denied).

Из 14 испытаний не пройдено 6. В 4 случаях все произошло из-за одной и той же ошибки: сервером некорректно завершается соединение. Вместо штатного закрытия происходит аварийное завершение сессии. К серьезным последствиям это вряд ли приведет, но ошибки на стороне клиента могут записываться в лог и назойливо беспокоить персонал. Что касается двух других ошибок, они более серьезные. В первом случае формируется неверный ответ на изначально некорректный ответ сервера, что может привести к «зацикливанию» информационного обмена. Во втором случае сервер положительно отвечает на запрос записи значения переменной категории «только чтение». Резюме Счетчик электрической энергии ARIS EM302 обладает богатым функционалом. Не только с точки зрения выполнения прикладных задач, но и с точки зрения МЭК 61850. Реализована поддержка и МЭК 61850-8-1 (MMS, GOOSE), и МЭК 61850-9-2LE. Пожалуй, это уникальный счетчик на рынке, так как схожего по функционалу нет. Однако, как показали результаты тестов в части МЭК 61850, недочеты у него есть. На самом деле наличие ошибок в реализации МЭК 61850 характерно для всех отечественных производителей (а, поверьте, в наших тестах участвовали многие из них). Главное – это признать ошибки и исправить их. Тогда на выходе будет уникальный и качественный продукт не только для отечественного, но и зарубежного рынка.

http://digitalsubstation.com/wp-content/uploads/2014/09/IED.png

Девиз нашей компании – «100% успешное внедрение оборудования на объектах заказчика». Мы всегда внимательно относимся к выявленным и потенциальным проблемам с нашим оборудованием и своевременно производим необходимые исправления в ПО. Проблемы, выявленные при испытании счетчика ARISEM в части протокола МЭК 61850-8-1, уже устранены и проходят стадию тестирования.

Список литературы

1. МЭК 61850-7-2. Edition 2.0. Communication networks and systems for power utility automation – Part 7-2: Basic information and communication structure – Abstract communication service interface (ACSI).
2. Implementation Guideline For Digital Interface To Instrument Transformers Using IEC 61850-9-2. UCA International Users Group. Modification index R2-1, 2004.
3. Протокол на подтверждение функциональной совместимости между прибором коммерческого учета электроэнергии ARIS EM производства ООО «Прософт-Системы» и электронно-оптическим блоком преобразования ВОПТ/ВОПН производства ЗАО «Профотек» по условиям протокола МЭК 61850-9-2 (спецификация МЭК 61850-9-2LE)». Фрязино, 2012 г. http://equipment.digitalsubstation.ru/components/com_mk61850/assets/pdf/prototests/iec-a31645894.pdf.
4. 2013 IEC 61850 Interoperability test (Munich, Germany; October 27 - November 1, 2013). Final report.
5. Протокол тестирования совместимости устройств по условиям стандарта МЭК 61850 в части передачи данных по протоколу МЭК 61850-9-2 (ВОПТН - ARIS EM). Москва, 2013. http://equipment.digitalsubstation.ru/components/com_mk61850/assets/pdf/prototests/iec-cbe94f74d.pdf.
6. Протокол тестирования совместимости устройств по условиям стандарта МЭК 61850 в части передачи данных по протоколу МЭК 61850-9-2 (ENMU - ARIS EM). Москва, 2013. http://equipment.digitalsubstation.ru/components/com_mk61850/assets/pdf/prototests/iec-21289267b.pdf.
7. Тест-драйв ARIS C303. Электронный журнал «Цифровая подстанция», 2013. /article/test-drajjv-aris-c303?lang=ru.
8. В НТЦ ФСК ЕЭС прошли первые испытания на соответствие МЭК 61850. Цифровая подстанция, Апрель 2014, стр. 3.
9. Conformance Test Procedures for Server Devices with IEC 61850-8-1 interface. UCA International Users Group.