Немного о резервировании...

по-сути это продолжение темы "Полный текст выступления"

... или что по чем ...

... или так уж хорошо то, в чем нас так упорно убеждают ... (в том числе журнал "Релейщик")

Каждый видит только то, что хочет видеть

по данным

... в 2009 году Японская компания KDDI завершила 9-летний проект по созданию глобальной сети Triple-Play, 3G, Ethernet.

Первоначальное техническое решение было пересмотрено в 2004-2005 годах из-за невозможности обеспечить требуемые надежность и времена переключения на резервные каналы (превышало 250 мс). В итоге более 2000 мультиплексоров были распределены по 200 кольцам (примерно 10 мультиплексоров в кольце) с технологиями 10GE RPR и 1+1 SDH. Результирующее время переключения на резерв: 50 мс. Используемая величина буфера: 5 мс. В целом в сети задействованы следующие технологии:

MPLS (LSP, Fast Re-Route, QoS, PathManager)

10GE, GE

TDM, SONET, SDH

Предлагаемые в настоящее время Ethernet

механизмы резервирования/переключения на резервные пути:

STP (Spanning Tree Protocol) – на Ethernet-сети любой конфигурации, но с ограниченным числом коммутаторов, создает дерево соединений, так что между любыми оконечными устройствами существует только одна активная линия связи. При изменениях структуры сети, инициируется изменение дерева соединений (активируются резервные линии) и между оконечными устройствами восстанавливается нарушенная связь. Время переключения с одной цепи передачи данных на другую, может составлять 10 с.

RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) - усовершенствованная версия протокола STP, устойчиво функционирует при различных топологиях сети обмена данными, но при бОльшем числе коммутаторов. Время переключения с одной цепи передачи данных на другую составляет порядка 1 с. Однако RSTP не гарантирует восстановления сети – это зависит от места, где возникло нарушение, и физической структуры сети. Поэтому сейчас стремятся ограничить его использование кольцевыми системами с предварительно заданными параметрами восстановления. В этом случае можно достичь времени восстановления порядка 100 мс.

Media Redundancy Protocol (MRP) работает исключительно в сетях с кольцевой топологией, и гарантирует определенное время переключения с одной цепи передачи данных на другую: 500 мс, 200 мс или 10 мс, даже если число Ethernet-коммутаторов в сети превышает 50. Принцип работы MRP состоит в том, что один из узлов сети является Media Redundancy Manager (MRM) – устройством наблюдения и контроля за работой сети. Для этого MRM осуществляет передачу пакетов данных через один порт и их получение через другой, и, наоборот, в обратном направлении. Все другие узлы в системе выполняют функцию Media Redundancy Clients (MRC), обрабатывающих получаемые от MRM пакеты данных реконфигурации, и информирующих его об изменения на своих портах. Кроме собственных каждый узел в сети способен идентифицировать нарушение исправности и восстановление соединения у смежного узла.

Принципы действия обоих протоколов PRP (Parallel Redundancy Protocol) и HSR (High Availability Seamless Ring) (МЭК 62439) аналогичны:

В сетях с двумя независимыми линиями связи между любыми двумя двух-портовыми устройствами осуществляется одновременная передача одних и тех же данных. Приемником используется только первый пакет, второй пакет - игнорируется. Если первый/второй пакет не приходит, идентифицируется нарушение соответствующей линии связи.

PRP может использоваться в двух независимых сетях любой топологии, HSR - только в кольцевой сети. Теоретически у обоих протоколов время реконфигурации стремится к нулю (зависит от задержек времени по направлениям передачи). Пока нарушение или неисправность не произойдут одновременно в обоих линиях/сетях/кольцах.

Достоинство PRP - он выполняется в устройствах уровня доступа или абонентских окончаниях, не затрагивая остальное сетевое оборудование. Для подключения одно-портовых устройств к резервной сети используется промежуточное двух-портовое PRP устройство - RB (redundancy box), защищающее все присоединенные к нему одно-портовые устройства.

Протокол HSR является «кольцевой» версией протокола PRP, причем двух-портовые устройства (DAN) подключаются непосредственно друг к другу без использования Ethernet-коммутаторов. Пропускная способность сети при этом делится пополам (два пакета одновременно передаются в двух направлениях). На промежуточных узлах пакеты автоматически ретранслируются и могут быть удалены из сети только отправителем.

Декларируемый вывод: в кольцевой структуре сети повреждение одного из кабелей / направлений передачи не может привести к отказу в обмене информацией между устройствами.

Действительно: если нарушение произойдет на пути основного канала (красная линия) передачи данных от одного устройства (или группы устройств) РЗА к другому (сейфы), то всегда существует обходной маршрут (синяя линия)

Однако есть физические ограничения на размеры кольца для Ethernet свои, для SDH - свои...

---

Ethernet 100 МБит/с - FE

Скорость физического соединения FE – 148809 пакетов/сек (до 1024 узлов в сети).

При размере пакета Np (байт) время передачи пакета 8*Np/10^8.

Типичное для FE время задержки в коммутаторе 5 мкс.

Полное МИНИМАЛЬНОЕ время обхода кольца по резервному пути (синяя кривая)

(8*Np/10^8 + 5*10^-6+L*nov/C)*Nk,

где

Nk – число узлов в кольце,

L - средняя длина ОВ между узлами,

nov – показатель преломления сердцевины ОВ на данной длине волны (1,45-1,55),

С – скорость света в вакууме

Например, при Np=64 (GOOSE 60-64), Nk=100, L=100м и nov=1,5 получим время 1,062 мс, а при L=1000м уже 1,512 мс.

То есть при временной сетке 1 мс в FE сети максимальная размерность кольца при длине соединительных линий 100 метров не может превышать 98 устройств.

Но это, к сожалению, не все: проводной Ethernet страдает от коллизий – искажений информации при одновременной передаче несколькими узлами. То есть, чтобы информация по резервному пути дошла до потребителя все остальные передатчики в системе должны молчать, или информация должна выстраиваться в стек (очередь). Для оптического Ethernet коллизия выражается в возникновении стэка - очереди - сообщений, которые необходимо передать тому или иному сетевому узлу.

Чтобы избежать подобного все абоненты должны входить в один коллизионный домен, диаметр которого определяется как удвоенное время передачи кадра минимальной длины: D=2*[(8*(Np+8)-1)/10^8 + 5*10^-6+L*nov/C] (здесь длина пакета увеличена на 8 байт - минимальную длину защитного интервала между пакетами в Ethernet).

Фактически это означает, что при числе узлов больше двух -трех коллизий не избежать.

Поэтому для сетей без роутеров существуют правила:

• Все конфликты, происходящие в одном коллизионном домене, должны обнаруживаться любым узлом сети при попытке этого узла послать свои данные в сеть

• Правило офисного Ethernet 5-4-3-2-1

5 - не более пяти сегментов, соединенных

4 - не более, чем четырьмя повторителями или свичами

3 - в сети не должно быть более трех сегментов, содержащих компьютеры

2 - оставшиеся два сегмента используются для соединения повторителей или свичей

1 - коллизионный домен (Collision Domain)

При возникновении коллизии повторная передача кадра выполняется через время D*[0.2^(min{10,K}) … 1]*Nk , где К – номер коллизии. Как правило из-за коллизий скорость FE не превышает 37% (тоже получено и на GE).

PS.

В новых коммутаторах/мультиплексорах АББ семейства ФОКС типа АФС6хх, предназначенных для создания внутри- и межстанционных сетей FE/GbE/61850/104 и т.д., используются технологии резервирования RSTP, MRP, E-MRP. При использовании технологии E-MRP и размерах сети до 10 коммутаторов обеспечивается время обнаружения/переключения на резерв менее 10 мс, при 100 коммутаторах в сети - менее 40 мс. На скорости 100 МБит/с джиттер не превышает 2,7 мкс; одновременно работают до 255 VLAN (из 4042); 4 группа жесткости по ЭМС; максимальная рабочая температура до 60 (85) град.Ц., задержка GOOSE сообщений в межстанционной сети менее 3 мс (не уверен, обращайтесь на фирму), ...

SDH STM-1/4

Скорость физического соединения 155/622 МБит/сек.

При размере кадра 271 байт время передачи кадра 8*271/(155*10^6)=13,99 мкс или 8*271/(622*10^6)=3,5 мкс

Типичное время задержки в мультиплексоре Тмукс = 100 - 500/10-40 мкс.

Полное МИНИМАЛЬНОЕ время обхода кольца по резервному пути

(14/3,5мкс + 100/10мкс+L*nov/C)*Nk,

где

Nk – число узлов в кольце,

L - средняя длина ОВ между узлами,

nov – показатель преломления сердцевины ОВ на данной длине волны (1,45-1,55),

С – скорость света в вакууме

Например,

для SDH-1, Nk=10, L=10км и nov=1,5 получим время 1,64 мс, а при L=100км уже 6,14 мс,

а для SDH-4, Nk=10, L=10км и nov=1,5 получим время 0,635 мс, а при L=100км уже 5,135 мс,

то есть время передачи в кольце определяется длинами каналов, соединяющих его узлы.

На графиках показаны зависимости времени прохождения кольца от длины соединяющих узлы каналов (метры) и числа узлов в кольце.

В зависимости от реализации мультиплексоров SDH прямой и обратные пути могут быть как «одинаковыми», так и произвольными (различными). Соответственно, создаваемые каналы имеют или нет асимметрию времен по направлениям передачи.

При работе с системами релейной защиты, например ДЗЛ, важны как время прихода сигналов на терминал Тном, так и его джиттер Тджит, и асимметрия Тасим.

Поскольку джиттер (причем под джиттером здесь лучше понимать разность времен прихода информации по основному и резервным путям/каналам (см.выше при Nk-1)) и асимметрия это различные и независимые свойства канала, то число узлов в сети можно определить как:

Nk=0.5*min{Тджит/Тмукс; (Тном-Тдзл)/Тмукс},

где Тдзл = 2 … 4 мс, а Тасим=Тджит

Например, при допустимом Тджит=5 мс и Тдзл = 3 мс число узлов сети в зависимости от быстродействия мультиплексора лежит в диапазоне 2 … 10 (в общем случае 1 … 15). С учетом задержек сигнала в ОВ Nk вряд ли может быть более 6-8

Однако повреждение самого кольца (ВОК) является довольно тривиальной, хоть и частой, причиной возникновения аварии сети.

В случае повреждения коммутатора / мультиплексора или соединительного кабеля между коммутатором / мультиплексором и абонентом

---

(важно, если они находятся в разных стойках, комнатах, зданиях)

механизмы восстановления кольцевой структуры сети бессильны

На рисунках: сигналу просто некуда больше идти...

Здесь можно, либо каждого абонента оснастить резервным подключением к другому коммутатору той же сети, либо создать «наложенное» на первое второе резервное кольцо (чрезвычайно дорогостоящее решение, но и самое продаваемое).

В первом случае есть проблема как физически проложить ВОК к резервному коммутатору (у него должна быть другая трасса, чем у основного ВОК. Критично при больших размерах объекта). На рисунке ниже показаны все повреждения основного пути, от которых защищает данная схема.

Во втором случае: кольца должны идти по независимым физическим трассам (присоединительные кабели – лучше – тоже), а коммутаторы колец должны располагаться в разных шкафах (соответственно, иметь независимые системы питания). На рисунке ниже показаны все повреждения основного пути, от которых защищает данная схема. В принципе, основное кольцо может быть полностью разрушено

Одновременно встает вопрос: если размеры кольца ограничены по тем или иным причинам, и все объекты на ПС распределены между несколькими кольцами, как в этом случае выполнить резервирование?

Необходимо использовать "операторский" прием перехода с глобальных на городские сети через распределительную сеть: создание двух независимых соединительных путей (синяя и зеленая линии). Сюда часто вводят еще дополнительные перекрестные связи (выделено желтым штрихом), так как связность систем считается высшим благом.

Розовая линия показывает, что особенно важные сервисы (устройства) по прежнему можно подключить сразу к двум кольцам...

На основании сказанного можно представить себе некую идеализированную для некоторых обстоятельств структуру сети

(здесь в качестве устройств показаны только объекты, имеющие отношения к РЗА. Безусловно, всего объектов значительно больше, и присоединяются они ко всем показанным на рисунке узлам)

Время передачи основного и резервного каналов в такой сети зависит от количества устройств в ней, информационной загрузки каналов, количества коммутаторов и некоторых других аспектов (см. ниже).

Надежность сети в данном случае обеспечивается следующими обстоятельствами:

• выход из строя любого из оконечных устройств не отражается на функционировании оставшихся в работе терминалов,

• каждое устройство имеет два независимых Ethernet-порта, при выходе из строя одного из которых (или подключенного к нему кабеля) второй порт продолжает функционировать,


• сетевые устройства (коммутаторы), объединены в два независимых кольца с двумя поперечными связями (три кольца),


• разные порты одного терминала подключаются к разным коммутаторам из разных колец

Строго говоря, сколько и каких каналов приходится на каждый сетевой узел не имеет значения (в кольцевой структуре они все нагружаются одинаково). Важно, что бы в сети не было точек "единичного отказа"

Так в рассматриваемой сети отказ возможен в результате:

• одновременного отказа двух коммутаторов (или их систем питания, например),

• одновременного отказа обоих портов одного устройства (или неверной физической трассировки ВОК, или транспортных потоков).

Можно попытаться убедить себя, что одновременный двойной отказ - событие чрезвычайно редкое. Однако:

Коэффициент готовности резервируемой системы и вероятность отказа резервного канала во время восстановления основного.

По оси Х, слева: время работы устройств/систем по отношению ко времени наработки на отказ MTBF, справа: время работы устройств/систем

Слева: верхние кривые - готовности систем с 0-4-кратным резервированием при одинаковой надежности основной и резервной систем (MTBF 12 лет), нижние кривые (возрастающие слева-направо) - вероятность двойного отказа при временах восстановления основного канала 3 и 90 дней

Справа: верхние кривые - готовности систем с различными наработками на отказ основного и резервного канала, нижние - вероятности двойного отказа при наработках на отказ 5,12 и 60 лет

Очевидно, что вероятность выхода из строя резервного канала слабо зависит от времени восстановления основного канала, и определяется его собственной наработкой на отказ, а так же временем его функционирования. В любом случае необходимо предпринимать меры по "разнесению" сроков начала отсчета времени эксплуатации основного и резервного каналов. А так же избегать использования для резервирования устройств из одной производственной партии, так как более, чем вероятно, что в таких устройствах/системах так же будут использоваться и комплектующие из одной партии, а значит: на всех производственно-эксплуатационных стадиях могут возникнуть ОДНОТИПНЫЕ дефекты (как бывало, например, на объектах российской энергетики с микросхемами памяти или шинными формирователями)

Другими параметрами, влияющими на конфигурацию сети, являются:

времена обнаружения неисправности

и время переключения на резервный канал (обычно мало).

---

Время обнаружения неисправности зависит от многих факторов, в том числе используемых механизмов резервирования.

Так в SDH, поскольку передача сигналов выполняется непрерывно, неисправность может быть обнаружена в пределах одного кадра, или, по крайней мере, в двух следующих друг за другом кадрах (но этого, конечно, не происходит). Типичное значение времени обнаружения неисправности для технологии резервирования SFC равно Тдет = 0,5 … 4,0 мс. Для протокола LTP – 50 мс.

В Ethernet, который является пакетным протоколом, для обнаружения неисправности необходимо выполнять периодическую посылку «проверочных» пакетов. Так делается в GOOSE – в режиме «покоя» пакеты передаются с интервалом 50 мс.

При использовании протокола PRP казалось бы время обнаружения неисправности должно стремиться к нулю. Но реально оно зависит от размеров кольца, или, другими словами, разности длин основного и резервного путей, по которым приходят первый и второй пакеты. То есть реально время обнаружения может составлять и 0 мс, и 5-10-50-100-... мс, ведь устройство не знает, когда должен прийти первый из двух пакетов!

Что касается MPR, то хотя он и допускает время обнаружения неисправности 10 мс, обычно используется 50 мс (чтобы не снижать эффективность сети).

В других кольцевых Ethernet технологиях RPR и RFER времена обнаружения составляют 50 и 30 мс соответственно.

Во всех случаях, если повреждены сразу два направления, то время обнаружения неисправности увеличивается в два раза. Что происходит при одновременных нарушениях на разных участках сети можно только гадать...

Особо необходимо отметить следующее: в промышленных приложениях и внутри объектовых ВОЛС практически не используется мониторинг состояния ОВ, как принято в сетях операторского класса в рамках стратегии оптимального восстановления), поэтому повреждения ОВ остаются слабо диагностируемыми.

Еще хуже обстоит дело на составных каналах, например, ВОК – кабель – ВОК. Здесь выявить источник проблемы зачастую вообще невозможно. Особенно, если коммутационное оборудование или участки ВОК / кабель принадлежат разным собственникам. Оконечное оборудование в этом случае максимум сообщит о неисправности канала связи в целом. На то, чтобы выделить аварийный участок могут уйти дни и недели.

Другой особенностью (данностью) подобных систем является то, что сетевое оборудование не имеет систем мониторинга, диагностики и сигнализации критичных для передачи технологического трафика и РЗА параметров. Особенно в пакетных сетях…

---

Поэтому не надо тешить себя иллюзиями насчет идеальности, надежности и многоступенчатости резервирования:

до обнаружения приемником дефекта передачи (в среднем 50 мс) весь или частично комплекс РЗА будет неработоспособен. При двух дефектах в сети – 100 мс ! И это время не диагностируемое, то есть об этом просто НИКТО НЕ ЗНАЕТ...

Если учесть, что в энергетике многие аварии с коммутационным и связным оборудования происходят в темпе развития аварий первичного оборудования или ВЛ, то последствия подобного нетрудно предугадать...

---

Таким образом:

• Структура сети и конкретные решения по системе резервирования прежде всего определяются физическим расположением объектов на ПС и возможностями трассировки ВОК. Как бы красиво не выглядел проект на бумаге (или презентации - сейчас при принятии решения все чаще дело заканчивается этим), он окажется совершенно бесполезным при невозможности правильного расположения на объекте сетевых устройств, систем питания и кондиционирования, а так же правильной прокладки кабельных трасс



• Размеры сетевого сегмента (кольца) зависят от заданных временных характеристик системы связи (свойств и функций РЗА), длин ВОК и используемого сетевого оборудования


• Сетевые сегменты должны быть функционально изолированы, например, по присоединениям или типам защит (шин, трансформатора, линии и т.д.), так, чтобы при внутреннем дефекте не влиять на работоспособность других систем РЗА


• Если между сегментами (защитами) должен осуществляться обмен информацией, то либо между сегментами необходимо создавать двойные связи, либо данные из другого сегмента должны влиять только на точность или быстродействие выполняемых функций, но не на ее существо


• Терминалы внутри сегмента должны взаимно синхронизироваться

---

Вполне вероятно, что в ближайшем будущем для снижения общей стоимости проекта, его упрощения и, главное, уменьшения времен передачи производители станут продвигать PON P2P или P2MP решения (как уже предложила, и совершенно правильно, фирма GE).

Главной проблемой таких сетей станет обеспечение резервирования.

(заимствованный рисунок)

Единственное решение в рамках представленной на рисунке концепции PON P2MP является:

• замена полевых устройств на двух портовые (DNA)

• создание второй PON P2MP поверх первой (по другим трассам), но подключенной к дополнительной панели кросс-коммутации,


• которая в свою очередь подключается ко второму/другому ИЭУ


• объединение ИЭУ в кольцо (замыкание существующего на рисунке полукольца)


• дублирование системы питания

... ну а дальше логично посмотреть вот это: ВОЛС против ВЧ - примирение

PS.

Пояснения (спасибо grsl):

данный текст является малой составной частью более обширного материала по "перспективным" для России оптическим технологиям (того, что будет продаваться в энергетике начиная с весны ближайшие 2 года), технологиям построения сетей, их структурам и возможностям резервирования (в свете потребностей РЗА), технологиям скоростной передачи данных, особенно SDH & Ethernet в свете 61850, и т.д., и т.п.

Главной задачей было: рассказать об оптике и др., а не о РЗА с ней - дать базис для самостоятельной оценки предлагаемых решений (без указания имен и названий, без оценок существующих и будущих проектов)

Данный текст - это 30 минут из 8-ми часового выступления

В других 7:30 - содержится, в частности, обоснованное доказательство того, что современные оптические технологии для РЗА ничем не лучше электрики (просто о современных возможностях проводных технологий мало кто знает, и уж, тем более, мало кто говорит), а так же, что в 10-летней перспективе оптические решения на уровне объекта/ПС останутся в лучшем случае в 4 раза более дорогостоящими, чем проводные; и, если уж говорить об одинаковой стоимости проектов, то надо понимать, что оптические решения на порядок уступают проводным по функциональности

Tы очень скромно сказал о проблемах резервирования.

был чрезвычайно ограничен по времени :-))

2. При выходе из строя одного полевого устойства, по любой причине, присоединение остаётся без защит и управления.

согласен, но я об этом и не должен был говорить :-)) - цели такой не было - меня интересовали каналы и сети, но ... наверное, ты прав: надо хоть парой фраз дополнить текст указаниями на сами устройства РЗА, и соответствующие проблемы (время бы найти!)

3. Таким образом не два порта, не два питания, не раздельные трассы оптики не помогут.

опять же: для функционирования сети и каналов - помогут, а системе РЗА - нет

4. Резервирование обязано быть на уровне самих полевых устройств.

абсолютно согласен, еще раз повторю: в данном тексте рассматриваются ТОЛЬКО вопросы каналов и систем связи, но никак не систем РЗА. А для систем РЗА законы построения ОБЯЗАНЫ остаться прежними:

5. ... неужели кто то подразумевает что будет нарушен сам принцип резервирования защит по ТТ и ТН и все защиты будут повешены на один керн с передачей даных по одному каналу на все защиты: Основные, резервные, АУВ/смотри УРОВ и ДЗШ.
6. Кроме того будет нарушен принцип рез3ервирования по двум катушкам ЭО.
7. Каким образом будет решаться задача АУСКЭ, никогда не будет перекрещения сигналов для таких двух систем.
9. При всей на сегодняшний день зявленой устойчивости даных полевых устройств по температурному/влажности режиму, они тестированы как обычные реле защиты, т.о надо менять конструкцию полевых шкафов.

9-й пункт - это чистая пропаганда не очень честных продавцов. Полевые оптические устройства стоят баснословных денег (в 10-20 раз дороже обычных)... а в общем: на эту тему надо еще одни курсы организовывать :-)), да к то ж даст - кому из управленцев это нужно?

Одно достоинство таких систем на сегодняшний день, это организация станционых блокировок и передача индикаций в АУВ ...
...есть же границы разумного.

ну, наверное, ты уже понял, что при 61850 и оптике все очень далеко за этими границами :-)

Я не против оптики и не против подобных решений, ... я за полевые устройства, но не на общую шину, какой бы она не была, а за, одно реле к одному полевому устройству, т.е. точка -точка и никаких игрушек. Только некоторые сигналы можно к шине ...

Когда мы с тобой говорим об 61850 проектах, ты должен понимать, что даже если рухнет всё 61850, система будет продолжать работать, игрушек нет, хоть все IP поменяй, кроме того я делаю их пока малых размеров.

так и я с самого начала говорю: 61850 - АСУ ТП не больше (но затакие деньги???) - и размеры уровня небольшого холла/офиса

---

PS.

Ссылки по теме (от самых разных компаний, разной давности, всего 7.7 МБ):

“Zero-Packet-Loss” - Marzio P. Pozzuoli, RuggedCom Inc. - Electric Energy Online.pdf

andes_substations.pdf

Ethernet_Smart_Grid_WP.pdf

GER-3994.pdf

GUODIAN NANJING AUTOMATION CO.,LTD..pdf

Moxa Application - Communication System for Xingtai Power Substation.pdf

Network redundancy in substation applications_Siemens_Hoga .pdf

PAC World magazine _ Standard Network Redundancy Using IEC 62439.pdf

Paper Dawidczak_Englert_RZA2010.pdf

rapid_spanning_tree_in_the_substation.pdf

redundancy_autumn08.pdf

Redundancy in Substation LANs.pdf

RUGGEDCOM WHITE PAPER - Ethernet in Substation Automation Applications - Issues and Requirements.pdf

SubstationAutomationLeaflet.pdf

white_paper_c11_603566.pdf

www.moxa.com_Zones_Industrial_Ethernet_pa_images_applications_app_PT-7828.jpg.pdf

PS

Со времени написания последней заметки произошло немало важных событий, и обсуждалось множество интересных тем. Однако различные обстоятельства не позволяют мне принять участие в общественной жизни. 
И продлится это еще не менее полугода.
Прошу прощения

13.09.2009

Полный текст выступления 09.09.09 на Международной научно-технической конференции "Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем" 7-10 сентября 2009, Москва

Восстанавливается по блокнотным записям 7-9 сентября 2009 года (1.3 MB)

Зеленым выделено то, на что "хватило" времени выступления (произнесенное)

Не смотря на то, что меня просили рассказать о новых тенденциях в связи в энергетике, начать хочется с замечания, касающегося внедрения новых технологий в энергетике в целом.

К сожалению в последние годы нашей компании вместо развития техники связи приходится все силы тратить на исправление ошибок возникающих при внедрении новой техники, и, благодаря усилиям CIGRE, распространяющихся по всему миру.

В качестве примера приведу лишь два случая (две технологии) уже упоминавшиеся на этой Конференции.

В докладе о «Фазовращающем устройстве» FACTS установленном на ВЛ 500кВ Житикара-Ульке рассказывалось об удачных опытах регулирования и построения системы РЗА данного устройства. Однако не упоминалось о том, что ?следствием? этого стали повышения линейного напряжения выше 600 кВ, приводящие к пробою изоляторов, лавинообразому росту шумов и неработоспособности каналов защиты ВЛ.

Второй пример касается использования ДЗЛ защит.

Несколько лет назад один из самых крупных ВОЛС проектов в Российской энергетике (около 300 узлов) был ориентирован на использование командных (контактных) способов передачи информации для РЗА. Что было понятно и естественно: в стране уже был опыт реализации подобных сетей, командные способы передачи информации имеют давнюю историю и отработанные технологии передачи и резервирования, не требующие для функционирования единой системы точного времени.

Однако в связи с выходом 57-го приказа руководством заказчика было принято решение изменить проект и установить на объектах ДЗЛ. Привело это к тому, что:

• в настоящее время все работы выполняются без проработанной проектной документации – с листа;
• из-за обнаруженной не способности защит работать по мультиплексируемым каналам свободной конфигурации, перетрассировать уже имеющиеся связи между объектами;
• из-за длительной выдержки защит в обнаружении дефектных каналов и разности времен передачи по основным и резервным каналам устанавливать на объектах систему точного времени/синхронизации GPS;
• из-за невозможности защитами диагностировать выход из строя составных каналов связи (например, ВОЛС-медь-ВОЛС) перейти на резервирование по ВЧ каналам и дистанционным защитам, ранее проектом не предусмотренным;
• увеличились времена срабатывания защит;
• стоимость проекта существенно возросла;
• сроки выполнения сдвинулись на неопределенный срок: ввод каждой новой защиты для обеспечения требуемых джиттера и ассиметрии вынуждает выполнять перетрассировку многих имеющихся связей, что раньше значения не имело

Уже эти два примера показывают, что к внедрению новых техник и технологий надо подходить обдуманно, без слепой веры в заявления фирм-поставщиков. Реально: жизненно необходимо восстановить институты внутри-отраслевой экспертизы проектных решений и оценки применимости новых технологий в Российской энергетике. Быть испытательным полигоном для зарубежных компаний и организаций становится слишком накладно.

-------------------------------------------------

Теперь непосредственно по теме Конференции.

Меня чрезвычайно беспокоит лавинообразно нарастающая зависимость функциональности и функционирования РЗА систем от сторонних технологий, прежде всего систем питания, связи и точного времени / синхронизации (GPS), а, соответственно, от квалификации и ответственности чуждых энергетике специалистов и компаний.

Можно произвести достаточно условную, но очень показательную оценку эффективности внедрения новых техник и технологий:

Если принять, что существующая многолетняя статистика отказов равна: 50% случаев отказов – человеческий фактор, 15% - отказы оборудования и 35% случаев - по невыясненным причинам, то, вероятно, можно записать

Кг.ст.сис. = Кч.ст.сис.*Коб.ст.сис.*Кнев.ст.сис., где

Кг.ст.сис. – коэффициент готовности существующей системы РЗА

Кч.ст.сис. – «коэффициент готовности» ошибок персонала в существующей системе РЗА

Коб.ст.сис. - коэффициент готовности оборудования в существующей системе РЗА

Кнев.ст.сис. – «коэффициент готовности необъяснимого» в существующей системе РЗА

Причем при известном и заданном коэффициенте готовности оборудования Коб.ст.сис.

кнг = (1- Коб.ст.сис.)/(15*0.03)

Кч.ст.сис. = 1-50*0.03*кнг

Кнев.ст.сис. = 1-35*0.03*кнг

При Коб.ст.сис = 0.95 получаем Кг.ст.сис. = 0.699, Кч.ст.сис. = 0.833 и Кнев.ст.сис. = 0.883

При Коб.ст.сис = 0.9992 получаем Кг.ст.сис. = 0.995, Кч.ст.сис. = 0.997 и Кнев.ст.сис. = 0.998

Можно и по средней статистике отказов найти коэффициенты готовности отдельных компонентов оборудования, например, при Кг.ст.сис. = 0.967 получим Коб.ст.сис. = 0.995, Кч.ст.сис. = 0.983 и Кнев.ст.сис. = 0.988

При введении в систему РЗА новых подсистем связи и GPS можно записать

Кг.н. = Кг.ст.сис.*Кgps*Кг.с, где

при использовании простейших не требующих конфигурации подсистем GPS Кgps равен Кgps.об. оборудования. Однако сюда необходимо включить коэффициент готовности самой глобальной системы позиционирования GPS и вероятность ее отключения в США

Кgps = Кgps.об.* Кgps.США

Для коэффициента готовности подсистемы связи, функционирование которой в отличие от старых систем связи зависит от ошибок конфигурации, и вследствии своей сложности имеет необъяснимые отказы, можно записать

Кг.с. = Кч.с.*Коб.с.*Кнев.с.

Тогда, приравнивая значения аналогичных коэффициентов готовности в старой и новой системах РЗА, получим полный коэффициент готовности новой системы РЗА

Кг.н. = Кг.ст.сис.* Кgps.об.*Кgps.США * Кч.с.*Коб.с.*Кнев.с. =

= 0.967*0.995*0.983*0.995*0.988*0.983 = 0.915 <<>

или

Кг.н. = 0.699*0.95*0.833*0.95*0.833*0.883 = 0.387 <<>

Это значит, что ставя новые более совершенные системы РЗА мы прогнозируемо увеличиваем число отказов! А чтобы хотя бы сохранить надежность новых систем на старом уровне необходимо повышать надежности компонентов (требования и нормы на них), качество обслуживания и проектирования в разы!

Не этим ли объясняется при всем кажущемся совершенстве принимаемых технических решений не прекращающийся во всем мире рост аварийности?

Не исключено, что в конечном итоге нам прийдется перейти к построению двухуровневых систем РЗА:

• первый уровень - полнофункциональные быстродействующие и «красивые» защиты новых поколений и принципов, и
• второй уровень - зашиты, построенные по принципу обеспечения необходимых надежности, безопасности, а главное - живучести.

Кстати, мне до сих пор не довелось увидеть ни одного полного технико-экономического обоснования преимущества новых технологий РЗА перед старыми – лозунги и декларации производителей не в счет.

Что касается самих дополнительных систем, то:

Зависимость функционирования систем РЗА и АСУ ТП России от подсистемы другого государства с точки зрения безопасности и живучести вообще недопустима!

Именно поэтому в Концепции безопасности РЖД использование GPS запрещено. А те, кто так активно предлагают нам системы РЗА, работа которых невозможна без GPS, создают собственную систему GALLILEO (предполагается, что в последующие годы предлагаемые нам системы РЗА не смогут работать без GALLILEO?).

Кроме того, наше неумение в обращении с технологией приводит к установке на объектах электроэнергетики до 8-12 независимых систем GPS!

Из всего этого можно сделать вывод: прежде, чем пускаться в игры с современными технологиями РЗА необходимо создать собственную систему точного времени/синхронизации энергетики.

Соответствующие технологии есть. Если ориентироваться только на высокоскоростные оптические каналы связи, то существуют российские серийные разработки (можно воспользоваться опытом РЖД). Если брать всю энергетику в целом, то есть импортные системы (которые без труда копируются) способные создать единую сетку времени на всех объектах электроэнергетики по любым каналам связи со скоростью 5,6-6 кБит, включая ВЧ каналы и радио.

Хотя, повторюсь, с точки зрения живучести любую систему РЗА, требующую для своей работы системы синхронизации или точного времени можно считать негодной. Основные функции обязаны выполняться без них!

В отношении систем связи все много проще, но не так однозначно.

Неоднозначно, потому что связь в РЗА используется уже давно и успешно. Есть разные типы защит и разные предназначенные для них типы связи, характеризуемые минимальным набором параметров, есть устройства связи принадлежащие и доступные РЗА, формирующие параметры связи/канала, необходимые для функционирования РЗА и под контролем РЗА; есть однозначное понимание того, что нужно делать, чтобы связать между собой устройства РЗА на ПС и между ПС.

Неоднозначно, потому что похоже в головах адептов "современных" решений РЗА все перепуталось и сложилось в одну кучу, или, что хуже, это делается сознательно для оправдания предлагаемых технических решений. Например, в материалах Конференции можно прочитать:

• системы РЗА должны подстраиваться под системы связи
• выбор схемы и типа защиты зависит от используемого для передачи информации протокола
• на выбор схемы и типа РЗА влияют протоколы и накладные расходы передачи информации, системы обнаружения и исправления ошибок, адресуемость, синхронизация, джиттер, асимметрия и т.д.

причем понять о какой именно связи - между устройствами РЗА, внутриобъектовой или между различными объектами энергетики - идет речь невозможно.

Если быть более последовательным, то необходимо рассматривать каналы/соединительные линии в порядке приоритетов:

• для передачи командной/исполнительной информации и информации, необходимой для принятия решения;
• для обмена информации между устройствами, необходимой для повышения функциональности или точности работы, но непосредственного участия в принятии решения не имеющей;
• для обмена информацией, необходимой для работы вспомогательных сервисов и контроля функционирования или диагностики;
• для обмена информации для отображения, конфигурации и ведения процесса

и

• внутриобъектовые соединения точка-точка (устройство-устройство)
• внутриобъектовые соединения точка-многоточка
• внутриобъектовые соединения многоточка-многоточка
• межобъектовые соединения точка-точка (устройство-устройство)
• межобъектовые соединения точка-многоточка

Здесь первая группа приоритетов определяет требования по надежности, безопасности и живучести создаваемых каналов/соединений, а вторая по их физической реализации.

Конечно в коротком выступлении невозможно рассмотреть все возможные комбинации требований и реализаций.

Тем более невозможно полимизировать на предмет допустимости их единственной/единой реализации на основе Ethernet технологии. Это предмет отдельной конференции. (Справедливости ради надо признать, что на пути адаптации этой в принципе негодной технологии для нужд РЗА сделаны значительные успехи - ценой невероятного увеличения стоимости).

Остановлюсь на межобъектовых соединениях/каналах, и прозвучавших по этому поводу на Конференции тезисах:

1. Довольно странное утверждение, что SDH/PDH не могут обеспечить одинаковые времена по направлениям приема и передачи, а следовательно в таких каналах присутствуют джиттер и асимметрия, и использование систем GPS обязательно. И это про синхронные по-определению каналы с размещенными через каждые 8-15 узлов системы синхронизации около атомной точности!
2. Новые последовательные цифровые соединения более быстродействующие, чем проводные и ВЧ, так как те реализованы на контактных способах передачи. Еще одна подтасовка, так как в проводных соединениях давно используются твердотельные выходные устройства с быстродействием 0.1 ... 0.5 мс, да и старый G.703 чем не "быстродействующий" цифровой стык? Почему не упоминается о том, что в последовательных соединениях/каналах сообщения выстраиваются в стек, и существует проблема одиночного отказа - нарушается цепочка, приводящая к каскадному отказу? А при резервировании из-за джиттера и асимметрии происходит запаздывание информации (выравнивающая буферизация), заставляющее вводить координирующую выдержку времени и увеличивающее системное время ликвидации аварии?
3. Для компенсации джиттера и асимметрии необходимо использование системы GPS. А почему не любой другой системы точного времени? Почему вообще не ограничиться взаимной синхронизацией терминалов РЗА? А для привязки к системному времени не использовать РАС? Для работы РЗА этого более, чем достаточно, тем более, что существование независимого РАС на объекте обязательно?
4. Приводимые "измеренные" быстродействия каналов не отличаются точностью и объективностью, характеризуя новые связные решения как наилучшие: ВЧ - 16 ... 32 мс, ВОЛС - 6 мс, ВОЛС Ethernet - 4 ... 20 мс, ДЗЛ - 2 ... 4 мс, GOOSE - 1 ... 2 мс, проводные - 6 мс (наверное так будет точнее: ВЧ - 2 ... 100 мс, ВОЛС - 0.5 ... 4 мс, ДЗЛ - 2 ... 10 мс, GOOSE - 1 ... 10 мс, проводные - 0.1 ... 8 мс).

При этом упускается из вида, что во многих случаях характеристики каналов, а значит и быстродействия РЗА систем, зависят от метода тестирования и включенных в системе надстройках.

Так измерения в технологиях основанных на сетевой структуре канала (любых не точка-точка физически), особенно при последовательной передаче данных необходимо проводить в наихудших условиях: по основным и резервным путям в boorst режиме, когда все входящие в структуру сети устройства одновременно генерируют сообщения высших приоритетов. Как правило, получаемые при этом для двух любых устройств в системе результаты не предсказуемы. Это одна из причин, почему КЕМА требует сертифицировать любую систему РЗА, работающую в рамках стандарта МЭК 61850, и подвергать ее обязательной повторной сертификации при ЛЮБОМ изменении в структуре системы (например, установке нового устройства) (понятно, что гигантские расходы на сертификацию при представлении проекта заказчику скрываются или о ее необходимости умалчивается - мол, это дело заказчика).

В последовательных каналах при проведении измерений обязательно должны быть включены механизмы обнаружения и коррекции ошибок, если имеются. Связано это с тем, что блоковые методы коррекции ориентированные на исправление пакетов ошибок (наиболее характерных для энергетики) имеют большие (до 10 ... 20 мс) времена замедления.

В последовательных каналах, особенно в их ВОЛС реализации, есть проблемы с разветвлением сигналов, когда информацию от одного источника необходимо передать нескольким приемникам. Решения, конечно, есть, но все они затратные: установка мультиплексоров, маршрутизаторов, свичей, разветвителей, посылка сообщений по общему адресу (в рамках одного домена), использование нескольких волокон для создания звездообразной/древовидной структуры сети и т.д., стоимость которых еще более возрастает при решении проблемы резервирования.

Отдельных слов заслуживает вопрос резервирования. Использование технологий RSTP, MPR, MDP, RPR, PRP (DNA/SNA), HSR и некоторых других позволяет значительно повысить надежность каналов/сетей. Однако не решает ключевой проблемы: обеспечения адекватных свойств системы связи для реализации систем РЗА.

Поясню свои слова. Рассмотрим представленый на Конференции доклад о новой ДЗЛ РЗА фирмы ЭКРА. Это следует сделать хотя бы потому, что здесь реализован принцип взаимной синхронизации терминалов, позволяющий компенсировать канальные джиттер/асимметрию Тджит = 5 мс. Системы других производителей имеют аналогичные свойства: 3 ... 6 мс, что при средней величине задержки на транзит Ттранз = 0.5 мс дает разницу длины основного и резервоного путей 6 ... 12 узлов. Поскольку джиттер и асимметрия это разные и независимые свойства канала, то реальная разница длин путей не должна превышать 3 ... 6 узлов. А для того, чтобы обеспечить нормированное время доставки Тнорм = 5 мс число промежуточных узлов придется сократить до 1 ... 2.

N = 0.5*min[Тджит/Ттранз; (Тнорм-Тдзл)/Ттранз], где Тдзл = 2 ... 4 мс

При Ттранз = 0.1 мс разница путей не должна превышать N = 5 ... 15 узлов

Что накладывает очень жесткие требования на размеры сетевого сегмента / кольца, используемое связное оборудование и аппаратуру РЗА.

С другой стороны, существующие устройства РЗА и системы связи данного класса имеют еще один характерный параметр: время обнаружения неисправности канала или время переключения на резервный канал 50 ... 250 мс. Фактически с учетом того, что оптические не операторского класса и внутриобъектовые ВОЛС являются слабодиагностируемыми, а оптическое оборудование не имеет систем мониторинга, диагностики и сигнализации критичных для РЗА параметров, можно утверждать, что в течение этого времени ВЕСЬ комплекс РЗА будет неработоспособен! Причем об этом никто не будет знать...

Некоторые полагают, что такие технологии как PRP (DNA), HSR решают эту проблему поскольку передача ведется одновременно по двум полностью независимым направлениям. Но не учитывают времени обнаружения дефектного канала приемником. Типичное для отрасли значение Тдет СЕЙЧАС составляет 50 мс (в том числе для GOOSE тоже. Кстати, если повреждены сразу два направления, то время обнаружения неисправности увеличивается до 100 ... 500 мс). Хотя такие технологии как MPR могут иметь Тдет = 10 мс, RFER = 30 мс (не говоря о SDH с мажоритарным приемником 0.5 ... 5 мс).

Это в свою очередь накладывет ограничения на размеры сетевого сегмента: он должен быть функционально изолирован, чтобы при внутреннем дефекте не влиять на работоспособность других систем РЗА. То есть кольца должны быть маленькими и специфицированными по типам защит, например: защита шин, трансформатора, линии и т.д...

Если между защитами должен осуществляться обмен информацией, то либо между кольцами необходимо создавать двойные связи, либо данные из другого сегмента должны влиять только на точность или быстродействие выполняемой функции, но не на ее существо, либо/или каждое РЗА устройство должно содержать функциональность 2 ... 3 систем.

------------------------------------------

Резюмируя сказанное можно утверждать, что ни Российская энергетика - аппаратно, профессионально и культурологически - ни сами новые технологии еще не готовы к их массовому внедрению, а если более жестко - к тому, чтобы покинуть стены лабораторий и полигонов производителей. Мягче - их можно испытывать на уровне АСУ ТП, но при долевом финансовом участии производителей новых техник и заказчиков, предоставляющих производителям испытательные площадки и специалистов.

Спасибо за возможность выступить на столь представительном форуме...

----------------------------------------------

22.09.2009

для интересующихся вопросом

Сети обмена данными с высокой готовностью функционирования PDF (581kB) rus

Тестирование систем на основе стандарта МЭК 61850 – последние достижения и новые возможности PDF (630kB) rus

Передача дискретных сигналов между УРЗА по цифровым каналам связи PDF (485kB) rus

“Zero-Packet-Loss” in the Substation PDF (273kB)

Ethernet in Substation Automation Applications – Issues and Requirements PDF (354kB)

Integrating UCA at the TVA/Tiptonville Switching Station for SCADA and Relay Protection Applications PDF (642kB)

Integrating UCA at the TVA/Tiptonville Switching Station for SCADA and Relay Protection Applications PDF (31kB)

двухлетней давности + еще документы по 61850

----------------------------------------------------

по-моему, из доклада GE (одного из прародителей UCA/61850) видно, что компания сильно изменила концепцию построения станционных сетей ... PDF (1244kB) rus.

Замечательный доклад из разряда "это должен знать каждый", кто собирается связаться с 61850.

Описанная архитектура близка к идеальной: устраняет многие очевидные недостатки 61850.

Но одновременно демонстрирует: бесплатный сыр бывает только в мышеловке - устранение "недостатков" 61850 выливается в такие сложности и затраты, что возникает вопрос: а оно нам надо?

Вот посмотрите сколько стоит КАЖДЫЙ подобный описываемому в докладе оптический соединитель http://1-cable.ru/cat/108#110 , HDTV Гибридные Кабельные разъемы серии 1053, Fischer (описанный на самом деле стоит еще раза в полтора дороже)

По сделанным во время доклада записям выходило, что GE декларирует 25-ти процентное снижение затрат на создание станционной системы связи. Но как оказалось (из ответа на дополнительный вопрос) они считали только разовые затраты на материалы! - без аппаратно-проектных работ, надежности, резервирования, обязательной аттестации, обязательной сертификации, модернизации, обслуживания и эксплуатации, и т.д.

-----------------------------------------------

Комментарии и ответы:

"кнг = (1- Коб.ст.сис.)/(15*0.03)" -- что означает\откуда берётся коэф-т 0.03 в ф-ле?

если Вы посмотрите 2 и 3 страницы блокнотных записей, то увидите, что сидя на Конференции я просто не нашел другого быстрого способа:

связать между собой обычно не связываемые статистические данные о процентном отношении отказов по разным причинам и готовности оборудования или чего-либо еще;

при этом исходил из того, что "вещи" имеющие равные готовности в долговременной статистике должны давать равный процент отказов, то есть 100/3 или, наоборот, 3/100=0.03 (3 проскольку я рассматриваю три компонента: оборудование, чел.фактор и необъясниме отказы)

эти "вычисления" достаточно условны и дают большой "запас" по новым технологиям, поскольку чем новее, непонятней и сложнее система, тем выше вероятность ошибки из-за человеческого фактора (а она дает наибольший вклад в отказы) и число непонятных отказов. Но я решил их не менять (50% и 35%) поскольку новое оборудование теоритически должно быть более надежным, чем старое, и более умным (уметь исправлять некоторые человеческие ошибки).

Да и конечные результаты были бы слишком удручающими...

--------------------------------------------

28.09.2009

о GPS ... kt.djvu (203kB) (кому лень читать: смотрите самую последнюю колонку)

Эксплуатация - ОЧП и УПАСК

(приятней читать здесь: http://romvchvlcomm.pbworks.com/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F+-+%D0%9E%D0%A7%D0%9F+%D0%B8+%D0%A3%D0%9F%D0%90%D0%A1%D0%9A+I )

Не совсем точно представляю себе целевую аудиторию данных материалов: проектировщики, разработчики, эксплуатация? Первоначально хотелось помочь эксплуатации разобраться с некоторыми «необъяснимыми», и, как мне кажется, происходящими все чаще и чаще, случаями ложного или излишнего срабатывания УПАСК. Причина которых, на мой взгляд, кроется в не совсем четком понимании особенностей построения и функционирования современных систем передачи сигналов команд, а, следовательно, в пренебрежении очевидными, но мало известными или редко учитываемыми проектными и эксплуатационными факторами среди которых есть факторы, зависящие только от принципов построения УПАСК или только от свойств ВЧ каналов, от технических характеристик (реализации) УПАСК или его настроек, и т.д. Попробуем не открывая америк рассмотреть хотя бы некоторые из них.

Одночастотная помеха (ОЧП)

Не берусь утверждать, что в недавнем прошлом такой проблемы не существовало. Скорее в современном мире ВЧ связи появилось больше источников таких помех, например, ЦВЧ каналы, или возникли условия их проявления – из-за возрастающей плотности ВЧ каналов, роста мощности УПАСК и ВЧ аппаратуры в целом, по указанным выше причинам падения уровней проектирования и эксплуатации.

Принципиальное отличие ОЧП от широкополосных и импульсных помех типа шума короны заключается в том, что против них практически бессильны фильтровые методы обработки. И сколь угодно устойчивая к импульсным помехам ВЧ аппаратура может быть уязвима к действию малых по амплитуде (по сравнению с привычными видами шумов и помех) ОЧП – гармонических сигналов (на самом деле не только одночастотных, но и многочастотных).

Действие ОЧП:
В УПАСК с одночастотной передачей сигналов команд ОЧП, совпадающая с частотой сигнала команды, при соответсвующей ее амплитуде вызывает ложное срабатывание.

До недавнего времени вся ВЧ аппаратура УПАСК строилась именно по такому принципу передачи не зависимо от способа приема сигналов. Единственными способами защиты от ОЧП являлись "оконная" функция - выключение приемника при отсутствии сигнала контрольной, и амплитудная селекция - установка порога чувствительности выше уровня возможных помех. Оба способа мало помогают при возникновении ОЧП в период выдержки "оконной" функции, или значительных по амплитуде, например, коммутационных или разрядов молний помех.

В УАПСК с двухчастотной параллельной передачей команд ОЧП, совпадающая с частотой сигнала команды, вызвать ложное срабатывание не может. Однако при соответсвующей ее амплитуде может вызвать замедление передачи, или трансформацию передаваемых команд (передаем одно, принимаем другое).

Техническая возможность реализации подобного метода передачи появилась не так давно, хотя его теория была разработана более 45 лет назад. В силу двухчастотности передачи ОЧП не может вызвать ложного срабатывания. Однако действие ОЧП стандартно проявляется в другом: появлении замедления приема команд или их трансформации, когда на входе приемника кроме двух положенных частот действует еще и ОЧП, и какой из сигналов приемник примет за истинный - вопрос вероятностей. Традиционными способами защиты от ОЧП являются "оконная" функция - выключение приемника при отсутствии сигнала контрольной, и амплитудная селекция - установка порога чувствительности выше уровня возможных помех. Оба способа мало помогают при возникновении ОЧП в период выдержки "оконной" функции, или значительных по амплитуде, например, коммутационных или разрядов молний помех. Кроме того, при работе приемника без фиксированного порога чувствительности - по отношению сигнал/шум - динамический диапазон действия ОЧП значительно расширяется - до предела чувствительности приемника как такового.
Тем не менее при данном способе передачи возможны варианты реализации: если с замедлением приема сигналов команд бороться трудно, то методы приема/передачи исключающие трансформацию команд известны.
К сожалению от многочастотных помех данный способ передачи не защищает.
Теоритически необходимо требовать от производителей УПАСК данные измерений устойчивости аппаратуры к подобным помехам и ошибкам приема.

В УАПСК с двухчастотной последовательной передачей команд ОЧП, совпадающая с частотой сигнала команды, вызвать ложное срабатывание не может. Однако в зависимости от реализации УПАСК при соответсвующей ее амплитуде может вызвать замедление передачи, или трансформацию передаваемых команд (передаем одно, принимаем другое).

Техническая реализация подобного метода передачи появилась уже в этом веке, как результат стремления увеличения числа передаваемых команд при ограниченном числе частот передачи. Первая частотная посылка определяет номер банка из которого извлекаются номера команд соответствующие частотам второй посылки. Это неизбежно влечет за собой увеличение времени передачи команд. Но самое главное абсолютно не влияет на устойчивость системы к ОЧП - здесь действуют те же и так же механизмы, как и при одночастотной передаче. Хотя при определенном выборе частот ОЧП может и не приводить к ложным срабатываниям (но я о таких реализациях не слышал)

Техническая возможность реализации подобного метода передачи появилась в конце прошлого века, хотя возможность его существования была описана более 45 лет назад, а теория была разработана в начале 90-х. В силу двухчастотности передачи и дополнительного временного кодирования ОЧП не может вызвать ложного срабатывания. Однако действие ОЧП проявляется в другом: появлении замедления приема команд или их трансформации, когда на входе приемника кроме двух положенных частот действует еще и ОЧП, и какой из сигналов приемник примет за истинный - вопрос вероятностей. Традиционными способами защиты от ОЧП являются "оконная" функция - выключение приемника при отсутствии сигнала контрольной, и амплитудная селекция - установка порога чувствительности выше уровня возможных помех. Оба способа мало помогают при возникновении ОЧП в период выдержки "оконной" функции, или значительных по амплитуде, например, коммутационных или разрядов молний помех. Кроме того, при работе приемника без фиксированного порога чувствительности - по отношению сигнал/шум - динамический диапазон действия ОЧП значительно расширяется - до предела чувствительности приемника как такового.
Тем не менее при данном способе передачи возможны варианты реализации: если с замедлением приема сигналов команд бороться трудно, то методы приема/передачи исключающие трансформацию команд известны.
Такой способ передачи защищает и от многочастотных помех.
Единственной канальной причиной ложного срабатывания здесь может быть только полная имитация сигнала команды на входе приемника как по частотам, так и временной кодовой комбинации - случаи появления таких сигналов будут рассмотрены позднее.
Теоритически необходимо требовать от производителей УПАСК данные измерений устойчивости аппаратуры к подобным помехам и ошибкам приема.

В традиционной практике проектирования ОЧП учитывается только при расчете переходных помех для определения возможности повторения частот ВЧ каналов на различных ВЛ. Это не правильно. Есть, как минимум, еще три причины возникновения ОЧП: ближние и дальние переходные затухания, а так же переходные затухания передатчик/приемник внутри ВЧ аппаратуры или УПАСК.

Рассмотрим обобщенный бюджет (по мощности, сверху - вниз) функционирования УПАСК в России (необходимо для понимания дальнейшего изложения).

Кстати, сразу прошу прощения за некоторую вольность формулировок - здесь большего и не требуется.
Рлин. - выходная мощность УПАСК (более точно необходимо рассматривать мощность сигнала в линии). До недавнего времени это 40-43 дБм, сейчас 45-46-49 дБм, объявлено о 47-50 дБм
Атр. - затухание ВЧ тракта, дБ. Из моего опыта выполнения проектов/расчетов: 15-45 дБ. Бывает меньше (до 5 дБ), но "испортить" всегда можно. Больше - практической ценности не имеет. Должно включать в себя все коммутационные состояния ВЛ.
Агол. - дополнительное затухание, обусловленное климатическими факторами (чаще всего: гололед). Меньше 9 дБ быть не может (по проектным нормам) по температуре-давлению-влажности-высотности, погрешности определения уровня шумов. Больше 15 дБ для РЗА по ограничению на допустимые рабочие частоты быть не должно, хотя встречались случаи и 25-30 дБ приростов затуханий.
Перечисленные параметры формируют Рпрм.норм. - мощность сигнала на входе приемника УПАСК в нормальном режиме (на самом деле я предпочитаю использовать значение мощности на входе системы ВЧ обработки и присоединения, так как при нормально выполненном проекте имеено здесь "фиксируется" отношение сигнал/шум)
Атреб. - дополнительный прирост затухания, обусловленый аварийными режимами работы ВЛ/УПАСК. Конечно, можно было бы использовать значения для ДФЗ, ВЧ блокировки и т.д., но в данный момент меня интересуют максимальные значения, а это - 22 дБ. Ошибочно полагать, что это прирост затухания на КЗ. Формально сюда входят любые причины, способные вызвать уменьшение сигнала на входе приемника, например, просадка опертока и соответствующее снижение выходной мощности УПАСК. Что же касается КЗ, то прирост затухания по этой причине может быть и нулевым и бесконечным в зависимости от конструкции ВЛ, места КЗ, структуры ВЧ тракта и еще ряда обстоятельств.
Фактически на данном этапе формируется минимально возможный уровень сигнала на входе УПАСК.
СШтреб. - отношение сигнал/шум, требуемое для функционирования приемника УПАСК. Для приемников на основе системы ШОУ (90% присутствующей на рынке ВЧ аппаратуры) должно составлять 4 дБ. В более общем случае может составлять 0-9 дБ. Кстати эта цифра является предметом манипуляций среди производителей УПАСК, так как не существует общепринятой методики определения параметра. Если считать относительно пиковой мощности сигнала команды получится одна цифра, если относительно среднеквадратичной - другая, если относительно сигнала контрольной - третья, если относительно одной частоты при двухчастотной передаче - четвертая, и т.д. Однако для систем ШОУ 4 дБ при заданных безопасности и надежности передачи можно считать фундаментальным параметром, вариации которого допустимы только при изменении ширины У - узкополосного приемника. К чему это приводит будет показано позднее...
Полученное в результате значения уровня сигнала есть ничто иное, как максимально допустимый уровень шума ВЛ.
Последний параметр - 1част.помеха - допустимый относительный уровня шума ВЛ уровень одночастотной гармонической помехи, а результирующее значение Ур.ОЧП - максимально допустимый абсолютный уровень ОЧП.

Почему 10 дБ? С точки зрения приемника большинства УПАСК (ШОУ) гармоническая помеха ОЧП ничем не отличается от сигнала команды. Следовательно, единственным маскирующим фактором для нее является уровень "естественного" шума, например, короны в полосе У - узкополосного приемника. Так пересчитанное из шумовой полосы 4 кГц (для РЗА систем именно в этой полосе вычисляется ОСШ - отношение сигнал/шум) в шумовую полосу У-фильтра 160 Гц допустимое значение уровня шума уменьшается на 10*log(4000/160) = 14 дБ. Минус требуемое СШтреб. = 4 дБ, получаем 1част.помеха = 10 дБ.
Из этого следует простой вывод: уменьшение СШтреб. с помощью уменьшения полосы У-фильтра (популярное в России решение) влечет за собой:
как правило, увеличение времени передачи (уменьшение полосы У-фильтра приводит к увеличению длительности переходных процессов в приемнике - "звону", требующих дополнительного времени на обработку)
увеличение чувствительности УПАСК к ОЧП. Вот почему некоторые УПАСК так реагируют на изменения коммутационных состояний ВЛ или работу первичного оборудования. И чем уже полоса У-фильтра, тем хуже... И никакие интеграторы и т.п. здесь не помогут... разве что время передачи команды будет превышать длительность ОЧП, а это не 20-30 мс.

Для примера на рисунке приведена диаграмма бюджета (по мощности) ВЛ 500 кВ (зеленое). Правда вычисления велись от уровня шума ВЛ 500 кВ к Атр.доп. - допустимому затуханию ВЧ тракта (очень приближенно).

С помощью указанной диаграммы можно определить требования к величине мешающих сигналов в полосе приема сигнала команд, а так же требования к УПАСК.

Здесь:

голубым выделено - Апб. - ближние переходные, величина зависящая от конструкции ВЛ, режима ее работы, а так же конструкции ОРУ. Позволяет определить максимально допустимую величину внеполосных излучений параллельно работающей ВЧ аппаратуры Авп. 40-93 дБ. Речь идет об аппаратуре на параллельном ВЧ присоединении. Если рассматривать одно и тоже ВЧ присоединение, то Апб. надо брать равным нулю (тоже иногда происходит и при вычислении переходных с соседней ВЛ). При этом Авп может составлять 45-113 дБ - цифры совсем не тривиальные....

зеленым выделено - Атр.меш. - дальние переходные, которые в принципе могут включать в себя не только мешающие сигналы от ВЧ аппаратуры данной ВЛ, но и сигналы с параллельных ВЛ (настоятельно рекомендую изучить данные материалы от falcon).
Механизм возникновения таких помех очень прост: сигнал по ВЛ распространяется не так, как мы ему "назначаем" по присоединениям, а так, как "удобней" ему - по пути наименьшего сопротивления. В результате, если для РЗА выделяется ВЧ присоединение фаза-земля Б-Б, то на входе приемника УПАСК будут действовать сигналы со всех, установленных на противоположном конце ВЛ (и на параллельных ВЛ) передатчиков.

В таблице ниже показаны затухания (первых попавшихся) ВЧ каналов на ВЛ 110 и 330 кВ.
110кВ, треугольник, 50 км, АС-240/39 (учет влияния опор)

http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/110_tr_wide_50_main.png, http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/110_tr_wide_50_all-to-B.png, http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/110_tr_wide_50_C-to-all.png
110 кВ, бочка, 50 км, АС-240/39

http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/110_bochka_wide_50_main.png, http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/110_bochka_wide_50_all-to-B.png, http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/110_bochka_wide_50_all-to-A.png
110 кВ, бочка, 100 км, АС-240/39

http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/110_bochka_wide_100_main.png, http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/110_bochka_wide_100_all-to-B.png, http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/110_bochka_wide_100_all-to-A.png
330 кВ, горизонт., транспон., 150 км, 2*АС-330/43

http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/330_hor_tr_wide_150_main.png, http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/330_hor_tr_wide_150_ALL-TO-B.png, http://romvchvlcomm.pbworks.com/f/330_hor_tr_wide_150_ALL-TO-a.png

На приведенных графиках можно найти максимум -3 дБ затухание мешающего сигнала, но мне встречались случаи, когда оно составляло -15 дБ!

красным выделено Адифф. - переходное затухание между собственными приемником и передатчиком. Особенно критично для аппаратуры, чей производитель заявляет о допустимости функционирования на совмещенных диапазонах частот. Более подробно об этом можно прочитать здесь или здесь (Частотное планирование). Для традиционного построения ВЧ тракта с использованием диффсистем Адифф. не должно быть меньше 15-20 дБ. Для современных "оптимизированных" и "дешевых" ВЧ аппаратов или аппаратов с электронной компенсацией может составлять 0-5 дБ. Соответственно требования по величине внеполосных, а особенно интермодуляционных искажений для них могут превышать 110 дБ.

Если перейти к табличной форме представления результатов, получим

Понятно, что полученные значения допустимых внеполосных излучений ВЧ передатчиков (УПАСК и сторонней аппаратуры) 94-99 дБ - это предельные значения для аппаратуры допущенной к эксплуатации НА ВСЕХ ЛЭП и присоединениях.

Если выполнить дифференциацию по классам напряжений и типам ЛЭП, получим

Методика вычислений в данной таблице изменена:
За исходные приняты уровень шумов ВЛ данного класса в полосе 4 кГц, и уровнь собственных шумов приемника УПАСК -43 дБм.
Вычисляемым параметром является допустимое собственное затухание РЗА ВЧ тракта (затухание ВЛ). А так же величины допустимых ОЧП и внеполосных излучений передатчиков.

Изучение таблицы обнаруживает ряд интересных обстоятельств:
для высоковольтных сетей 110 кВ и выше допустимые внеполосные излучения передатчиков составляют 85 дБ. Для распределительных и кабельных ЛЭП - 90 дБ. То есть то, что для низких напряжений нужна более простая и менее совершенная технически аппаратура - заблуждение.
наоборот, чем выше напряжение ВЛ, тем менее жесткие требования предъявляются к аппаратуре, по крайней мере с точки зрения ОЧП
предельное собственное затухание ВЛ ограничено как уровнем шумов ВЛ, так и параметрами используемой ВЧ аппаратуры. Например, для ВЛ 110 кВ при уровне собственных шумов приемника -20 дБм и внеполосных излучениях передатчика 65-68 дБ предельные с точки зрения ОЧП собственные затухания ВЛ составляют всего 13-19 дБ, что соизмеримо с затуханиями ВЛ 500 кВ!!! То обстоятельство, что многие ВЛ 110 кВ короткие и имеют малые затухания в данном случае значения не имеет: у них и затухания ВЧ обработки и присоединения больше, и источников ОЧП много больше, а часто из-за проблем с заземлением и величина ОЧП значительно выше.
Кстати, в таблице есть колонка 500 кВ оптим.(-изировано), в которой показано, что предельные затухания могут быть существенно увеличины за счет оптимизации ВЧ обработки и присоединения, а так же схемы ВЧ тракта.

Интересен следующий график:

зависимости предельного собственного затухания ВЛ 110 (сплошные линии) и 500 (пунктирные линии) кВ, а так же величины внеполосных излучений передатчика от уровня собственных шумов приемника УПАСК (ось Х).

На втором графике

показано отношение допустимой величины внеполосных излучений передатчика к предельному собственному затуханию ВЛ от уровня собственных шумов приемника УПАСК (ось Х).
Нижние кривые - ВЛ 110 кВ, верхние - 500 кВ.

Собственно из обоих графиков следует одно:
для достижения максимальных допустимых затуханий ВЧ трактов уровень собственных шумов приемника УПАСК должен быть на 10-12 дБ меньше уровня шумов ВЛ.
Отсюда и взялось значение собственных шумов приемника УПАСК в выше приведенной таблице -32 (шум ВЛ 110 кВ) - 11 дБ = -43 дБм.
Кстати, только в этом случае соблюдается правило для 1част.пом. = 10 дБ.
И что более важно: верны классические расчеты запасов по перекрываемому затуханию для РЗА каналов (например, в РУК 3).

При несоблюдении данного правила все вычисленные запасы по перекрываемому затуханию не верны (по-крайней мере с точки зрения ОЧП), и РЗА ВЧ каналы проектируются на повышенную чувствительность к ОЧП.

На рисунке для ВЛ 110 кВ с собственным затуханием 25 дБ: зеленая линия - проектный уровень ОЧП, фиксируемый, например, порогом чувствительности УПАСК; голубая - уровень ОЧП, определяемый реальными уровнями шумов ВЛ и приведенными к ВЛ уровнями собственных шумов приемника УПАСК (ось Х).

На этом рисунке: тоже для ВЛ 500 кВ с собственным затуханием 20 дБ.

Поскольку проектный уровень шумов ВЛ это уровень с 50% вероятностью превышения по всем условиям эксплуатации, то в хорошую погоду, когда он может понизиться на 9-20 дБ, чувствительность УПАСК к ОЧП будет очень высока (для ВЛ 500 кВ обе линии сместятся вниз примерно до уровней предыдущего графика ВЛ 110 кВ, а уровень реальных ОЧП 500 кВ останется прежним).

Бесспорно, здесь могла бы помочь фиксация порога чувствительности УПАСК. Но сразу возникает вопрос: когда его устанавливать? По расчетному проектному значению? В хорошую погоду, или, может быть, в плохую (напомню, что динамический диапазон изменения уровня шумов ВЛ по всем климатическим условиям составляет 18-40 дБ) ? Или периодически подстраивать?
Здесь все дружно начинают завидовать релейщикам "сидящим" на ВЛ с задуханиями 10-15 дБ, где порог чувствительности можно установить единожды и больше "не париться"

Примечание:
у меня регулярно возникают разговоры с сотрудниками РДУ на тему фиксации порога чувствительности в ЕТЛ. Слова о том, что можно зафиксировать уровень, когда гарантированно не будут восприниматься ни шумы, ни помехи, ни ОЧП (и не будет возникать соответствующая сигнализация), ни ... команды ... :-)) неизменно приводят их в ужас...

Конец 2-й части...

Полный текст (все 1-2-3 части) смотрите на оригинальной странице...