Кибербезопасная цифровая подстанция

Page 1

Page 2

Кибербезопасная
цифровая подстанция

работе

сформулированы

требования

кибербезопасной

цифровой

электроподстанции

(

ЦПС

передача

аналоговых

данных

которой

производится

по

каналам

точка

»,

точка

многоточка

соответствии

рекомендациями

МЭК

61850-9-1.

Указаны

ограни

чения

протокола

МЭК

61850-9-2

как

единственного

протокола

определяющего

принципы

организации

сетей

ЦПС

даны

рекомендации

по

устранению

ограничений

Основной

рекомендацией

является

резкое

увеличение

пропускной

способности

шины

процес

са

от

Гбит

до

1–2

Терабит

Это

позволит

наряду

коммуникационными

сетями

Ethernet

использовать

позиционные

линии

передачи

цифровой

информации

обеспечи

вающие

передачу

цифровой

информации

реальном

масштабе

времени

АКТУАЛЬНОСТЬ

РЕШЕНИЙ

настоящее

время

термин

циф

ровая

электроподстанция

(

ЦПС

)

многие

наши

коллеги

энергетики

связывают

внедрением

положе

ний

рекомендаций

МЭК

61850.

Известны

пилотные

проекты

цифровых

подстанций

напряже

ния

35/110/220

кВ

которых

для

передачи

аналоговых

дискрет

ных

данных

используются

про

токолы

МЭК

61850-9-2 (SV),

МЭК

61850-8-1 (GOOSE),

МЭК

61850-

8-1 (MMS).

то

же

время

несмотря

на

при

сутствие

модного

бренда

ЦПС

соответствии

МЭК

61850»,

пока

явно

не

подтверждено

ни

одно

из

эксплуатационных

преимуществ

цифровой

ПС

–

более

надежное

помехо

устойчивое

электроснабжение

потребителей

;

–

меньшее

время

перерыва

элек

троснабжения

при

авариях

;

–

меньшую

или

хотя

бы

ту

же

сто

имость

подстанции

;

–

поэтапную

модернизацию

дей

ствующих

подстанций

направ

лении

цифровой

частности

замену

вторичного

кабельного

хозяйства

на

современное

без

существенной

модернизации

другого

микропроцессорного

силового

оборудования

Более

того

анализ

предлагае

мого

оборудования

для

ЦПС

учи

тывающего

требования

указанных

протоколов

показал

наличие

но

вых

проблем

связанных

первую

очередь

низкими

характеристи

ками

кибербезопасности

помехо

устойчивости

надежности

таких

ЦПС

Проблемы

кибербезопасности

Основным

ограничением

соз

дания

ЦПС

на

базе

протоколов

рекомендуемых

последних

вер

сиях

стандарта

МЭК

61850,

явля

ется

технически

не

обоснованная

необходимость

использования

Ethernet-

каналов

для

пакетной

передачи

оцифрованной

инфор

мации

от

измерительных

транс

форматоров

тока

(

ТТ

)

напряже

ния

(

ТН

)

дискретных

сигналов

от

различных

коммутационных

аппа

ратов

(

КА

При

этом

парадокс

указанной

ситуации

заключается

твердой

уверенности

части

наших

кол

лег

необходимости

широкого

внедрения

сетей

Ethernet

ЦПС

как

перспективного

единствен

ного

будущего

построения

сетей

ЦПС

Желание

внедрить

ЦПС

общепромышленные

красивые

решения

связанные

сетями

Ethernet,

может

привести

круп

ным

аварийным

ситуациям

когда

одна

хакерская

атака

полностью

нарушит

электроснабжение

важ

ных

объектов

Нельзя

предска

зать

темпы

развития

как

самих

сетей

так

средств

преодоле

ния

их

киберзащиты

Послед

ние

могут

развиваться

намного

быстрее

Остается

немного

по

дождать

ситуации

когда

группа

талантливых

школьников

или

мо

лодых

ученых

фонда

Сколково

продемонстрирует

возможности

обычного

айфона

для

управ

ления

какой

нибудь

ЦПС

связи

указанной

пробле

мой

оставаясь

рамках

реко

мендаций

МЭК

61850,

можно

предложить

решения

которые

обеспечивают

100%

кибербезо

пасность

при

передаче

данных

Эмоционально

эти

решения

ос

новываются

на

желании

макси

мально

выделить

ресурсы

под

обработку

передачу

каждого

аналогового

дискретного

сиг

нала

ЦПС

отвечающего

за

без

опасность

электроснабжения

Формально

же

следует

вспом

нить

рекомендации

МЭК

61850-

9-1,

которые

поддерживались

соответствующим

комитетом

бо

лее

лет

которые

заключают

ся

применении

каналов

точ

ка

точка

многоточка

для

передачи

аналоговой

дис

кретной

информации

При

этом

указанные

рекомендации

могут

быть

использованы

учетом

по

следних

достижений

создания

во

локонно

оптических

линий

связи

(

ВОЛС

сетей

передачи

данных

управления

Иначе

говоря

же

лательно

вспомнить

поговорку

Все

новое

—

это

хорошо

забы

тое

старое

».

Проблема

жесткой

временной

синхронизации

Необходимость

решения

за

дачи

передачи

данных

от

измери

тельных

трансформаторов

тока

Левшин

технический

директор

ООО

ЦУП

ЧЭАЗ

Шурдов

председатель

совета

директоров

АО

ЧЭАЗ

ЦИФРОВЫЕ СЕТИ

Page 3

напряжения

реальном

масшта

бе

времени

требует

значительного

ужесточения

(

100

раз

)

требова

ний

системе

синхронизации

ра

боты

устройств

связи

объектами

(

УСО

)

устройств

релейной

за

щиты

автоматики

(

РЗА

) (

тради

ционные

ПС

— 1

мс

цифровых

ПС

— 1–10

мкс

)

из

за

перехода

пакетной

передаче

данных

вре

менной

индексацией

Причем

для

ПС

35/110/220

кВ

синхронизация

должна

быть

ре

ализована

на

достаточно

боль

шой

площади

ЦПС

условиях

уличной

эксплуатации

оборудо

вания

Возможно

именно

поэтому

ПАО

Россети

реализацию

пол

ностью

цифровой

ПС

(

тип

отло

жили

на

более

позднее

время

то

же

время

передача

данных

от

ТТ

терминалу

релейной

за

щиты

по

ВОЛС

может

полностью

снять

ограничения

поскольку

данные

могут

поступать

реаль

ном

масштабе

времени

задан

ной

полосе

частот

без

задержек

на

их

пакетную

обработку

част

ности

выделение

ВОЛС

для

каж

дого

из

сигналов

позволит

прекра

тить

дискуссию

сколько

выборок

на

периоде

промышленной

часто

ты

Гц

необходимо

передавать

для

дальнейшей

обработки

Преимущества

МЭК

61850

Современное

прочтение

стан

дарта

МЭК

61850

имеет

ряд

оче

видных

преимуществ

–

оцифровка

информации

на

ранней

стадии

получения

информации

возможностью

внедрения

цифрового

управ

ления

ПС

;

–

шинная

организация

приема

передачи

информации

воз

можностью

повышения

живу

чести

ПС

;

–

использование

ВОЛС

повы

шением

помехоустойчивости

ПС

Желание

максимально

ис

пользовать

преимущества

МЭК

61850

заставляет

большинство

разработчиков

современных

ПС

предлагать

свои

решения

нахо

дящиеся

по

их

мнению

рамках

цифровой

подстанции

этой

группе

специалистов

причисляют

себя

авторы

данной

статьи

предлагающие

свои

реше

ния

перечисленных

проб

лем

ИННОВАЦИОННОЕ

РЕШЕНИЕ

Одним

из

инновационных

реше

ний

которое

обеспечивает

значитель

ные

преимущества

цифровой

ПС

является

замена

шины

процесса

производительностью

Гбит

(

будущем

до

100

Гбит

ре

ализующей

пакетную

передачу

данных

по

сетям

Ethernet

со

ответствии

со

стандартом

МЭК

61850-9-2 (SV),

на

суперпроизво

дительную

оптическую

шину

про

цесса

пропускной

способностью

более

1000

Гбит

/c (

один

более

Тбит

/c)

соответствии

рекомен

дациями

МЭК

61850-9-1.

Резкое

100

более

раз

уве

личение

пропускной

способности

шины

процесса

позволяет

добить

ся

100%

кибербезопасности

линий

связи

за

счет

использования

вы

деленных

каналов

точка

»,

точка

многоточка

»,

также

при

менить

более

простые

протоко

лы

передачи

данных

избежать

требований

по

жесткой

синхро

низации

передаваемых

данных

(

информация

передается

том

же

темпе

что

по

медным

линиям

связи

Построение

такой

шины

про

цесса

при

современном

развитии

технологии

изготовления

волокон

но

оптических

линий

связи

не

тре

бует

существенных

затрат

может

быть

организовано

следующим

об

разом

–

для

передачи

данных

от

первич

ных

датчиков

тока

напряжения

датчиков

дискретных

сигналов

от

коммутационных

аппаратов

рекомендуется

использовать

позиционные

линии

передачи

цифровой

информации

(«

точ

ка

точка

», «

точка

многоточ

ка

»),

обеспечивающие

пере

дачу

цифровой

информации

реальном

масштабе

времени

помощью

волоконно

оптиче

ских

линий

связи

(

ВОЛС

);

–

для

передачи

информации

по

позиционным

линиям

рекомен

дуется

использовать

синхрон

ные

периферийные

(

прибор

ные

)

интерфейсы

микросхем

которые

уже

встроены

блок

(

микросхему

)

АЦП

не

требуют

дополнительных

аппаратных

затрат

на

реализацию

протоко

ла

частности

протоколы

SPI;

–

при

оцифровке

информации

наряду

аналого

цифровым

преобразованием

рекоменду

ется

оценивать

векторные

пара

метры

аналоговых

процессов

(

синхронные

вектора

) [1],

огра

ниченное

число

которых

описы

вает

совокупность

значимых

для

аварийных

режимов

признаков

;

вектора

передавать

помощью

синхронных

периферийных

(

приборных

)

интерфейсов

При

необходимости

уменьше

ния

числа

оптических

линий

реко

мендуется

использовать

частотное

уплотнение

каналов

не

пакетное

Внедрение

синхронных

прото

колов

позволяет

использовать

бо

лее

дешевую

элементную

базу

по

низить

требования

технологиям

изготовления

эксплуатации

соот

ветствующих

микропроцессорных

блоков

тем

самым

совокупно

сти

резко

сократить

общую

стои

мость

системы

цифрового

управ

ления

подстанции

не

изменяя

при

этом

ее

сущности

приблизив

ее

стоимость

стоимости

традицион

ной

микропроцессорной

системы

действующих

подстанций

Внедрение

синхронных

прото

колов

приводит

созданию

ряда

практических

приложений

среди

которых

можно

выделить

распре

деленный

терминал

цифрового

микропроцессорного

устройства

релейной

защиты

автомати

ки

распределенное

устройство

связи

объектом

котором

шина

процесса

(

МЭК

61850-9-2,

МЭК

61850-8-1 GOOSE)

формируется

модуле

находящемся

непо

средственной

близости

циф

ровым

терминалом

Последнее

особенно

важно

поскольку

реали

зация

жестких

требований

стан

дартов

МЭК

61850,

МЭК

611588,

МЭК

62439,

МЭК

62351

ряда

других

стандартов

комфортных

условиях

щита

управления

(

опе

ративного

пункта

управления

—

ОПУ

на

ограниченной

площади

3–4

может

быть

обеспечена

на

существующей

аппаратуре

не

требует

вложений

новые

разра

ботки

для

уличных

условий

эксплу

атации

Комбинирование

выносных

блоков

центральной

частью

микропроцессорного

терминала

релейной

защиты

автоматики

позволяет

сохранить

все

преиму

щества

стандарта

МЭК

61850,

не

изменяя

классических

требований

терминалам

микропроцессорных

№

4 (49) 2018

Page 4

защит

части

требования

вход

ным

аналоговым

дискретным

сигналам

За

счет

выносных

бло

ков

приема

передачи

сигналов

распределенный

терминал

имеет

стандартные

уровни

входных

ана

логовых

сигналов

(0–5

0–100

)

стандартные

уровни

дискретных

сигналов

не

требует

сложных

си

стем

синхронизации

за

счет

использования

ВОЛС

может

обе

спечить

поэтапную

замену

медных

кабелей

устаревшего

кабельного

хозяйства

Внедрение

такого

типа

терминалов

на

модернизируемых

действующих

подстанциях

позво

ляет

перейти

поэтапному

созда

нию

полностью

цифрового

управ

ления

подстанцией

со

всеми

ее

преимуществами

Одним

из

значительных

пре

имуществ

такого

построения

ЦПС

для

ПС

35/110/220

кВ

является

воз

можность

реализации

полной

галь

ванической

изоляции

оборудова

ния

открытого

распредустройства

(

ОРУ

размещаемого

на

улице

на

территории

ПС

от

оборудования

ОПУ

Размещение

рядом

измери

тельными

ТТ

ТН

КА

минимально

го

объема

оборудования

выполня

ющего

АЦП

модуляцию

светового

потока

для

передачи

по

ВОЛС

обе

спечивает

снижение

требований

терминалам

РЗА

поскольку

из

их

состава

можно

исключить

АЦП

Использование

ВОЛС

для

передачи

данных

гальваноизо

ляция

оборудования

управления

ПС

размещением

его

ОПУ

обе

спечивает

значительную

гибкость

проектантам

ПС

как

части

раз

мещения

этого

оборудования

так

Внешний

вид

выносного

блока

приема

сигналов

от

измерительных

трансформаторов

тока

канала

При

этом

основные

функци

ональные

требования

являются

стандартными

как

для

терминалов

со

встроенными

цепями

приема

аналоговых

дискретных

сигна

лов

так

для

терминалов

вы

носными

блоками

Терминал

индексом

РТРЗА

со

стоит

из

–

центрального

блока

который

является

таким

же

как

для

стандартного

терминала

;

до

полнительно

центральный

блок

имеет

ряд

оптических

коннекторов

для

соединения

выносными

блоками

либо

выходы

ВОЛС

при

сварном

соединении

выносными

бло

ками

;

–

выносной

блок

приема

сигналов

от

измерительных

трансформа

торов

тока

(

БВ

ТТ

-01);

–

выносной

блок

приема

сигналов

от

измерительных

трансформа

торов

напряжения

(

БВ

ТН

-01);

–

выносной

блок

приема

передачи

дискретных

сигналов

(

БВ

УС

-01)

Выносные

блоки

для

приема

сигналов

от

измерительных

транс

форматоров

напряжений

прие

ма

передачи

дискретных

сигналов

имеют

аналогичный

вид

Конструк

ция

блоков

унифицирована

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ

ограничений

протоко

ла

МЭК

61850-9-2

позволил

пред

ложить

ряд

инновационных

ре

шений

обеспечивающих

вне

дрение

эффективных

цифровых

методов

защиты

управления

электроподстанций

напряжени

ем

35/110/220

кВ

основанных

на

рекомендациях

МЭК

61850-9-1.

Предложенные

статье

иннова

ционные

решения

обеспечивают

создание

кибербезопасной

циф

ровой

подстанции

заключаются

том

что

ЦПС

организуется

су

перпроизводительная

оптическая

шина

процесса

электроподстанции

пропускной

способностью

более

1000

Гбит

/c (

один

более

Тбит

сек

базовом

варианте

)

по

сравнению

шиной

процесса

пропускной

способностью

10,0

Гбит

/c,

исполь

зуемой

настоящее

время

для

реализации

требований

протокола

МЭК

61850-9-2,

которая

переда

ет

данные

от

ТТ

ТН

также

от

различных

коммутационных

аппа

ратов

по

ВОЛС

вида

точка

многоточка

».

части

условий

эксплуатации

также

методов

проектирования

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ

ТЕРМИНАЛЫ

РЗА

ВЫНОСНЫМИ

БЛОКАМИ

Аппаратная

реализация

предло

женного

инновационного

решения

заключается

во

внедрении

на

ЦПС

микропроцессорных

терминалов

выносными

блоками

которые

обеспечивают

прием

сигналов

от

измерительных

трансформаторов

тока

напряжения

также

от

ком

мутационных

аппаратов

При

этом

микропроцессорный

терминал

фактически

представ

ляет

собой

классическую

цен

тральную

часть

выносной

блок

аналого

цифровых

преобразо

вателей

соединенный

централь

ным

блоком

системой

ВОЛС

целом

рамках

подстанции

использование

таких

терминалов

позволяет

резко

на

2–3

порядка

увеличить

пропускную

способность

шины

процесса

ЦПС

от

Гбит

до

1–2

Тбит

свою

очередь

получить

ряд

преимуществ

по

срав

нению

как

традиционным

постро

ением

ПС

так

использованием

протокола

МЭК

61850-9-2.

качестве

примера

такого

терминала

можно

привести

базо

вую

серию

терминала

индексом

РТРЗА

(

распределенный

терминал

РЗА

Терминалы

этой

серии

выпу

скаются

соответствии

требова

ниями

стандартного

ТУ

коррек

тировкой

которую

была

введена

такая

конструктивная

особенность

терминала

как

выносные

блоки

соответствующим

обозначением

ЦИФРОВЫЕ СЕТИ

Оригинал статьи: Кибербезопасная цифровая подстанция

Читать онлайн

В работе сформулированы требования к кибербезопасной цифровой электроподстанции (ЦПС), передача аналоговых данных в которой производится по каналам «точка-точка», «точка-многоточка» в соответствии с рекомендациями МЭК 61850-9-1. Указаны ограничения протокола МЭК 61850-9-2 как единственного протокола, определяющего принципы организации сетей ЦПС, даны рекомендации по устранению ограничений. Основной рекомендацией является резкое увеличение пропускной способности шины процесса от 10 Гбит/с до 1–2 Терабит/с. Это позволит наряду с коммуникационными сетями Ethernet использовать позиционные линии передачи цифровой информации, обеспечивающие передачу цифровой информации в реальном масштабе времени.