Подходы к созданию полунатурных моделей электроэнергетических систем

Page 1

Page 2

развитие сетей

Подходы к созданию
полунатурных моделей
электроэнергетических систем

УДК 621.311.001.57

Гвоздев

к.т.н., первый заместитель

генерального директора — главный

инженер ПАО «МОЭСК», доцент

кафедры ЭЭС Института электро-

энергетики ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Архангельский

аспирант кафедры ЭЭС

Института электроэнергетики

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», руководитель

проектов ЗАО «Российская корпорация

средств связи»

Ключевые

слова

киберфизическая модель, симулятор

энергосистем, анализ рисков,

надежность ЭЭС, анализ отказов,

сценарное моделирование

Широкое

внедрение

информационных

технологий

средств

вычислительной

техники

на

объектах

электроэнергетики

остро

ставит

вопрос

обеспечения

ин

формационной

безопасности

автоматизированных

систем

управления

энерго

объектов

Для

исследования

надежности

безопасности

автоматизированных

систем

диспетчерского

управления

(

АСДУ

)

может

быть

применен

метод

сценар

ного

моделирования

который

реализуется

на

модели

электроэнергетической

системы

(

ЭЭС

Для

создания

указанной

модели

предлагается

использовать

ме

тод

моделирования

ЭЭС

реальном

времени

включенным

контур

моделиро

вания

вторичным

оборудованием

терминалами

релейной

защиты

автоматики

(

РЗА

контроллерами

интеллектуальными

устройствами

При

этом

остальная

часть

системы

(

первичное

оборудование

подстанции

)

может

быть

представлена

численной

моделью

Такой

подход

проведению

моделирования

носит

назва

ние

полунатурного

или

аналого

цифрового

моделирования

Моделирование

участка

ЭЭС

включенными

контур

моделирования

устройствами

РЗА

АСУ

ТП

позволит

проводить

оценку

последствий

для

различных

сценариев

наруше

ния

функционирования

сложной

электроэнергетической

системы

ВВЕДЕНИЕ

В результате интенсивной информатизации отрасли

в последние несколько лет в электроэнергетике появля-

ются несвойственные ей до этого вызовы и угрозы. По

результатам проведенных в последние годы исследо-

ваний, уязвимыми для кибератак оказались основные

информационные ресурсы энергообъектов: системы

АСУ ТП подстанции, системы связи, цифровые терми-

налы релейной защиты и автоматики, а также автома-

тизированные системы управления диспетчерских цен-

тров (ОИК и EMS) [1]. Кроме того, возможны кибератаки

и на внешние цифровые каналы связи энергообъекта

(так как зачастую удаленное управление осуществля-

ется через арендованные каналы связи), что приводит

к искажению или подмене диспетчерских команд или

значений телеметрии.

Для разработки новых способов противодействия

кибератакам, а также исследования надежности и без-

опасности АСДУ может быть применен метод сценарно-

го моделирования, который реализуется на модели ЭЭС.

Cоздание и исследование математической модели мно-

госвязной системы представляет собой крайне трудоем-

кую задачу ввиду сложности физических процессов и об-

разуемых связей. В то же время, осуществить проверку

надежности и безопасности ЭЭС на реальном функци-

онирующем силовом оборудовании не представляется

возможным как по организационным, так и по экономиче-

ским причинам. Это означает необходимость поиска но-

вых принципов и подходов, которые позволили бы учесть

все существенные особенности большой системы.

Page 3

ПОЛУНАТУРНОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ

УЧАСТКА

ЭЭС

Одним из подходов, позволяющих создать полно-

функциональную модель сложной системы, яв-

ляется полунатурное моделирование. Концепция

полунатурного моделирования объединяет в себе

преимущества методов как математического, так

и натурного моделирования и позволяет практиче-

ски полностью нивелировать их недостатки. Полу-

натурное моделирование предполагает разбиение

сложной системы на две части: одна часть модели-

руется численным способом, а другая представля-

ется реальным физическим оборудованием [2].

Полунатурное моделирование широко приме-

няется в научных исследованиях в США и странах

Европейского союза. Так, в США функционирует не-

сколько институтов и исследовательских лаборато-

рий, изучающих вопросы возникновения различных

сбоев и нарушений в работе автоматизированных

систем диспетчерского управления (АСДУ), кото-

рые используют технологию полунатурного моде-

лирования для построения испытательных стендов

[3]. К ним относятся, например, национальные ла-

боратории г. Сандия (Sandia National Laboratories),

Аргоннская национальная лаборатория (Argonne

National Laboratory, ANL), национальная лабора-

тория Айдахо (Idaho National Laboratory, INL) и ис-

следовательская лаборатория TCIPG (Trustworthy

Cyber Infrastructure for the Power Grid). Эти науч-

но-исследовательские объединения проводят ис-

следования в области противодействия угрозам

информационной безопасности для интеллекту-

альных энергосистем и обладают значительными

вычислительными и испытательными мощностя-

ми [13, 14].

В России в настоящее время также формиру-

ются подходы к созданию подобных моделей и ла-

бораторных комплексов [4, 5, 17, 18], в связи с чем

задача построения лаборатории полунатурного

моделирования для исследования кибербезопас-

ности становится особенно значимой. Очевидно,

что архитектура разрабатываемого симулятора

сложной киберфизической системы должна мак-

симально точно повторять архитектуру исходной

системы. Поэтому в качестве целевой модели

принята цифровая подстанция, построенная по

стандарту МЭК 61850 с возможностью дистанци-

онного управления первичным оборудованием из

EMS-системы диспетчерского центра (рисунок 1).

Кроме того, для полноценного моделирования

распределенных систем (например, системы син-

хронизированных векторных измерений) в модели

Рис

. 1.

Принципиальная

схема

цифровой

подстанции

(

целевая

модель

)

Центр управления

сетями

ПС 220–750 кВ

Сервер ОИК/EMS

Маршрутизатор

Видеостена

АРМ диспетчера

Сервер точного

времени

Сервер SCADA

61850-8.1

Контроллеры

присоединения

Контроллер

присоединения

Терминал

РЗА

Терминал

РЗА

Терминал

РЗА

Стационарный

контроллер

61850-8.1

Коммутатор

NTP, PTP

МЭК-104

Сервер ОИК/EMS

№

1 (52) 2019

Page 4

также представлены смежные подстанции и дис-

петчерский центр.

Для создания такой модели необходимо решить

несколько основных научных и технических задач:

1) разработать математическую модель энергосис-

темы;

2) провести натурное моделирование автоматизи-

рованных систем управления и релейной защи-

ты, а также систем связи;

3) обеспечить взаимодействие между математиче-

ской и физической частями модели.

Рассмотрим данные задачи и возможные спосо-

бы их решения более подробно.

РАЗРАБОТКА

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ

ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

Существующие

подходы

Существует два принципиальных подхода к ма-

тематическому моделированию ЭЭС в рамках

концепции полунатурных моделей: проведение

вычислений без привязки к реальному времени

и расчет в реальном времени.

В первом случае продолжительность вычис-

ления каждого временного интервала превышает

время, необходимое для протекания рассматрива-

емого процесса в реальной системе; таким обра-

зом, моделирование кратковременных процессов

может занимать несколько секунд или даже минут.

Такого рода моделирование осуществляется в ав-

тономном режиме и называется, соответственно,

автономным или независимым моделированием.

Результаты моделирования обычно сохраняются

в специализированных файлах и отображаются

графически в виде временных диаграмм.

Указанные файлы могут быть использованы

для последующего анализа протекающих в си-

стеме процессов и передачи сигналов с помощью

аналоговых усилителей непосредственно на фи-

зическое оборудование (например, терминалы

РЗА), что обеспечивает связь между математиче-

ской и физической частями модели.

Одним из основных преимуществ таких си-

стем моделирования является фактическое от-

сутствие ограничений на размеры моделируемой

энергосистемы. Поскольку моделируемые про-

цессы не привязаны к реальному времени, вре-

мя расчета определяется производительностью

аппаратных средств, на которых установлено ПО

моделирования. Кроме того, подобные системы

обладают широкими возможностями анализа про-

текающих в ЭЭС процессов, а также средствами

визуализации различных состояний элементов

сети и средств управления (например, управля-

ющих ключей или силовых выключателей). При-

мером программного комплекса для моделиро-

вания в так называемом «автономном режиме»

может служить ПО PSCAD, разработанное ком-

панией Manitoba HVDC Research Centre. Данный

программный комплекс позволяет производить

моделирование работы энергосистем при их про-

ектировании и анализе, а также строить много-

слойные модели ЭЭС.

Однако применение комплексов моделирова-

ния, не предполагающих привязку к реальному

времени протекания процессов, не позволяет соз-

дать «замкнутый контур», в котором существует

непосредственная обратная связь с физическим

оборудованием. В таких комплексах организация

связи между физической частью модели (напри-

мер, терминалами релейной защиты) и математи-

ческой частью модели осуществляется в несколько

этапов: формирование в математической модели

COMTRADE-файла, загрузка этого файла в спе-

циализированное устройство для тестирования

РЗА (например, РЕТОМ или OMICRON) и воспро-

изведение этого файла. Проверочные устройства,

в свою очередь, подают соответствующие анало-

говые сигналы токов и напряжения на реальные

терминалы релейной защиты и автоматики, после

чего может быть произведена проверка срабаты-

вания терминала РЗА. Данный формат вполне

подходит для определенных научно-исследова-

тельских задач, как правило, связанных с тестиро-

ванием и проверкой в различных режимах терми-

налов РЗА.

Однако подобная методика не подходит для

создания моделей функционирования киберфизи-

ческих систем, где требуется постоянная обратная

связь между оборудованием и математической

моделью: изменение состояния устройств РЗА

должно вызывать срабатывание управляемого

элемента (например, силового выключателя) в мо-

дели ЭЭС и наоборот — изменение (возмущение)

в математической модели (например, короткое за-

мыкание на шинах подстанции) должно приводить

к срабатыванию соответствующей защиты, реали-

зованной в физическом терминале РЗА.

Для решения данной задачи применяются ком-

плексы, позволяющие производить расчет в реаль-

ном времени. В данном случае время вычисления

равно или меньше каждого временного шага в мо-

делируемом процессе. Таким образом, результат

расчета каждого временного шага доступен в опе-

ративном режиме в реальном времени, как если бы

процесс протекал в реальной энергосистеме. При

этом результат расчета также можно при необходи-

мости экспортировать в файл (в том числе, в фор-

мате COMTRADE) и просмотреть позднее в гра-

фическом виде или воспроизвести различными

способами. Основным преимуществом моделиро-

вания в реальном времени является возможность

объединения в «замкнутый контур» различного

оборудования и математической модели ЭЭС [6, 7].

Благодаря наличию обратных связей, включенное

в контур моделирования оборудование получает

информацию о параметрах электрического режи-

ма и выдает управляющие воздействия, которые,

в свою очередь, приводят к изменению тополо-

гии схемы и/или различных параметров в матема-

тической модели. Это позволяет смоделировать

функционирование первичного и вторичного обо-

РАЗВИТИЕ

СЕТЕЙ

Page 5

рудования, как если бы данное оборудование было

установлено непосредственно на подстанции в ре-

альной энергосистеме [15, 16].

Выбор

АПК

для

математического

моделирования

ЭЭС

В настоящее время для создания моделей в ре-

альном времени применяются программно-аппа-

ратные комплексы eMEGAsim (HYPERSIM) и RTDS

(Real Time Digital Simulator) [8, 9]. Подобные симу-

ляторы способны производить расчеты с шагом до

нескольких микросекунд, что является достаточ-

ным для корректного описания электромагнитных

и электромеханических переходных процессов.

Создание и изменение параметров цифровой

модели, управление процессом моделирования осу-

ществляются с использованием специализирован-

ного программного обеспечения. При использовании

комплексов eMEGAsim и HYPERSIM производства

компании OPAL-RT применяется программное обе-

спечение MatLab/Simulink, для работы с симуля-

тором RTDS используется программный комплекс

RSCAD.

За счет надежности, корректности расчетов

и удобства разработки математических моделей

ЭЭС цифровые симуляторы RTDS де-факто яв-

ляются стандартом в электроэнергетической от-

расли и применяются по всему миру для реше-

ния задач моделирования в реальном времени.

Данные комплексы используются крупнейшими

производителями оборудования (в том числе,

Siemens, ABB, Alstom, General Electric, Toshiba,

SEL, Schneider Electric) более чем в 30 странах

[10], а также применяются ведущими научными

лабораториями и институтами (SCADA National

Lab; Technical University of Denmark, DTU; University

of South Wales; Durban University of Technology;

Florida State University).

В связи с этим в качестве основы для проведе-

ния моделирования сложной кибер-физической

системы был выбран программно-аппаратный ком-

плекс RTDS.

Моделирование

первичного

оборудования

ЭЭС

Моделируемая на вычислительном комплексе

реального времени инфраструктура элек тричес-

ких сетей включает

в себя численные мо-

дели линий электро-

передачи и первич-

ного

оборудования

электрических

под-

станций. С помощью

ПО RSCAD также

может быть смоде-

лировано вторичное

оборудование ПС (на-

пример,

терминал

релейной защиты) —

в случае, когда нет

возможности исполь-

зовать реальный тер-

минал РЗА. Полный

перечень оборудова-

ния, моделируемого

в рамках построения

лаборатории полуна-

турного моделирова-

ния, приведен в таб -

лице 1.

Как видно из табли-

цы, практически все

вторичное оборудова-

ние подстанций в рам-

ках представленной

концепции моделиру-

ется натурно, то есть

с использованием ап-

паратных и программ-

ных средств РЗА и АСУ

ТП. Рассмотрим прак-

тическую реализацию

данных моделей бо-

лее подробно.

Табл. 1. Перечень моделируемого оборудования

№

Объект моделирования

Моделирова-

ние в RTDS

и ПО RSCAD

Физическое

оборудо-

вание

1. Первичное оборудование подстанции

1.1

Силовые трансформаторы, автотрансформаторы

Да

Нет

1.2

Вводные конструкции для воздушных и кабельных

линий электропередачи

Да

1.3

Открытые (ОРУ) и закрытые (ЗРУ) распредели-

тельные устройства, включая:

Да

1.3.1 системы и секции шин

Да

1.3.2 силовые выключатели

Да

1.3.3 разъединители

Да

1.3.4

измерительное оборудование (измерительные

трансформаторы тока и напряжения, измеритель-

ные приборы)

Да

Нет

1.3.5 оборудование ВЧ-связи между подстанциями (кон-

денсаторы связи, фильтры присоединения)

Нет

1.3.6 токоограничивающие, регулирующие устройства

(конденсаторы, реакторы, и пр.)

Да

Нет

1.3.7 преобразователи частоты, рода тока (выпрямители)

Нет

2. Вторичное оборудование подстанции

2.1

Устройства РЗА и ПА для силовых линий, транс-

форматоров, шин

Нет

Да

2.2

Автоматическая система управления

Нет

Да

2.3

Система телемеханического управления

Нет

Да

2.4

Система технического и коммерческого учета

электроэнергии

Нет

2.5

Система технологической связи энергосистемы

Нет

Да

2.6

Система внутренней связи подстанции

Нет

Да

№

1 (52) 2019

Page 6

RTDS

GOOSE-сообщения

и SV-сигналы

(МЭК 61850)

Устройство

сопряжения

с объектом

(УСО, MU)

Дискретные сигналы

Усилительная

система

Низкоуровневые

аналоговые

сигналы

Токи

Напряжения

Рабочая станция

(АРМ моделирования)

Модель ЭЭС в RSCAD

Реальные

устройства

Терминал РЗА

Система

управления

Канал

передачи

данных

(Ethernet)

Рис

. 3.

Структурная

схема

подключения

устройств

РЗА

симулятору

RTDS

через

УСО

НАТУРНОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ

РЗА

АСУ

ТП

Для моделирования современных цифровых под-

станций предлагается сформировать шину про-

цесса на базе специализированных управляемых

коммутаторов. Терминалы РЗА на моделируемых

подстанциях получают информацию об измеренных

токах, напряжениях, а также о положении коммута-

ционной аппаратуры по шине процесса от симуля-

тора RTDS по протоколам SV и GOOSE (рисунок 2).

Для формирования шины процесса предлагается

использовать специализированные коммутато-

ры с поддержкой протокола PTP (IEEE1588v.2) ос-

новных мировых производителей: General Electric

Company, Siemens AG и Hirschman.

В настоящее время в электрических сетях России

происходит постепенный переход к целевой схеме

цифровой подстанции (ЦПС) [11]. Поскольку одно-

моментный переход к новым

технологиям

построения

ЦПС невозможен, многие

модернизируемые объекты

характеризуются

частич-

ным внедрением технологий

цифровой подстанции. Для

моделирования таких объ-

ектов и формирования циф-

рового потока данных об из-

мерениях тока и напряжения

с линейных трансформато-

ров тока и напряжения (SV-

поток) и данных о положении

коммутационных аппаратов

(GOOSE-сообщения)

ис-

пользуется устройство со-

пряжения с объектом (УСО,

Merging Unit, MU). Аналого-

вые сигналы токов и напря-

жения, подаваемые на вход

УСО, формируются из низ-

коуровневых сигналов с платы цифро-аналогового

преобразователя (ЦАП) RTDS с помощью специали-

зированной усилительной системы. Таким образом,

входные сигналы усиливаются до уровня, требуемого

для нормальной работы терминалов РЗА (рисунок 3).

Решения

по

РЗА

автоматике

управления

выключателями

Функционал защиты, управления и автоматики вы-

ключателей (функции АУВ, АПВ, УРОВ, ЗНФ, ЗНФР)

реализуется в терминалах защиты линий (ДЗЛ и КСЗ).

Для выключателей автотрансформаторов функции

АУВ и УРОВ реализуются в терминалах защиты ав-

тотрансформаторов (ДЗТ). Кроме того, с целью обе-

спечения корректной работы основных подсистем

управления и релейной защиты на моделируемых

подстанциях необходимо сформировать систему точ-

ного времени. Для этого в лаборатории полунатурного

RTDS

GOOSE-сообщения и SV-сигналы

(МЭК 61850)

Канал

передачи

данных

(Ethernet)

Рабочая станция

(АРМ моделирования)

Модель ЭЭС в RSCAD

Реальные

устройства

Терминал РЗА

Система

управления

Рис

. 2.

Структурная

схема

подключе

ния

устройств

РЗА

симу

лятору

RTDS

РАЗВИТИЕ

СЕТЕЙ

Page 7

моделирования предусматривается установка серве-

ров точного времени.

Для мониторинга параметров режима и переход-

ных процессов в узлах моделируемой электросети

предлагается установка УСВИ (PMU). К установке

предлагаются устройства, поддерживающие функ-

ции, описанные в профильных стандартах (IEEE

C37.118v2, IEC61850-90-5, IEEE 1588v2, IEC61850-

9-2, IEC61850-8-1). Измеренная информация от этих

устройств в соответствии с IEEE C37.118v2 по сети

связи будет передаваться в диспетчерский центр, где

будет приниматься программным устройством PDC

(Phasor Data Concentrator) и передаваться в сис те му

EMS для использования в алгоритмах оценки устой-

чивости сети, создания архива и в качестве дополни-

тельной информации для верификации измерений,

полученных по протоколу IEC60870-5-104 с модели-

руемых подстанций.

АСУ

ТП

EMS

В реальных электроэнергетических системах

с помощью систем управления сетью (EMS) опера-

тивно-диспетчерский персонал центров управле-

ния может получать информацию о состоянии сети

в реальном времени и осуществлять управление

режимом энергосистемы, в том числе осущест-

влять переключения на подстанциях. Информация,

переданная системами автоматизации подстанций

через системы телеуправления, собирается и обра-

батывается в едином диспетчерском центре.

Как было отмечено в начале настоящей статьи,

автоматизированные системы управления являют-

ся одними из наиболее критичных, поскольку нару-

шение функционирования EMS или SCADA может

вызвать несанкционированное отключение первич-

ного оборудования. Это, в свою очередь, может по-

служить триггером развития аварийной ситуации

и привести к прекращению подачи электроэнергии

потребителю. Соответственно, для анализа воз-

можных сценариев возникновения отказов и нару-

шения функционирования АСДУ данные системы

необходимо смоделировать в рамках киберфизи-

ческой модели.

Для моделирования диспетчерского центра верх-

него уровня предлагается применить модульную си-

стему EMS, обладающую функционалом телеуправ-

ления. Для моделирования автоматизированных

систем объектового уровня в рамках лабораторного

комплекса предлагается использовать программно-

аппаратные комплексы автоматизированных систем

управления основных мировых производителей.

Развернутые в рамках лаборатории системы АСУ ТП

и EMS обладают полной функциональностью в части

управления первичным оборудованием объекта, то

есть управление может осуществляться как из систе-

мы EMS (с уровня диспетчерского центра), так и из

SCADA-системы подстанции. Наличие автоматизи-

рованных сис тем управления позволяет не только

расширить возможные сценарии, моделируемые на

стенде, включив в них действия оперативно-дис-

петчерского персонала энергообъектов, но и рас-

смотреть последствия возможных отказов термина-

лов РЗА, систем связи, средств отображения и т.д.,

а также оценить результаты возможных кибератак,

связанных с подменой информации в SCADA.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ЧИСЛЕННОЙ

ФИЗИЧЕСКОЙ

МОДЕЛЕЙ

Одной из особенностей симулятора RTDS является

возможность организовать взаимный обмен сигна-

лами и данными между математической моделью

и устройствами РЗА и АСУ ТП. В работе моделиру-

емой энергосистемы учитывается реакция внешних

устройств, взаимодействие с которыми осуществля-

ет комплекс RTDS. Сигналы токов и напряжений на

реальные устройства релейной защиты и автоматики

выдаются в аналоговом (посредством усилительной

системы) или в цифровом (SV — МЭК 61850) виде.

Для организации каналов цифровой связи приме-

няются специализированные интерфейсные платы:

GTNET, GTAO и GTDO. Плата GTNET обеспечива-

ет связь комплекса RTDS с внешним оборудовани-

ем при помощи цифровых интерфейсов связи. Для

платы GTNET разработаны различные программные

прошивки, каждая из которых предназначена для со-

ответствующих задач связи:

– GSE/GOOSE (МЭК 61850);

– SV (МЭК 61850-9-2 sampled values);

– DNP (IEEE 1815);

– MMS;

– IEC 60870-5-104.

Плата GTAO предназначена для передачи ана-

логовых сигналов (токов и напряжений, получаемых

в процессе решения уравнений моделируемой си-

стемы) от комплекса RTDS к внешним устройствам.

Прием и передача дискретных сигналов осущест-

вляется с использованием панели дискретного вво-

да-вывода и высоковольтной интерфейсной панели

RTDS. Для выдачи и приема дискретных сигналов

также могут быть использованы входные и выходные

каналы плат GTDI и GTDO.

АРХИТЕКТУРА

КИБЕРФИЗИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ

Таким образом, можно выделить следующие основ-

ные составные части предлагаемой киберфизиче-

ской модели (рисунок 4):

1. Вычислительный комплекс RTDS для проведения

расчета «в темпе процесса», то есть так называе-

мых вычислений «в реальном времени».

2. Автоматизированное рабочее место (АРМ) опе-

ратора с установленным программным обеспе-

чением RSCAD для моделирования участка ЭЭС

и первичного оборудования электрических под-

станций.

3. Шкафы с исследуемым оборудованием РЗА, АСУ

ТП и другими интеллектуальными устройствами

«полевого» уровня (например, датчиками).

4. Шкафы усилителей, предназначенные для усиле-

ния аналоговых сигналов с платы цифро-анало-

гового преобразователя симулятора RTDS. Каж-

дый шкаф усилителей содержит различный набор

блоков усиления, используемых для формирова-

ния входных сигналов тока и напряжения для ис-

№

1 (52) 2019

Page 8

следуемых терминалов РЗА. Входные сигналы

усиливаются до уровня, требуемого для нормаль-

ной работы терминалов РЗА.

ВЫВОДЫ

В настоящей публикации предложены основные

технические решения для создания лабораторно-

го комплекса полунатурного моделирования ЭЭС.

Разработанный лабораторный комплекс позволит

проводить так называемое «сценарное моделиро-

вание», то есть рассматривать различные сценарии

отказов, нарушений и т.д. для сложных многосвязных

систем, а также производить оценку последствий

на основе результатов моделирования. Примене-

ние разработанной киберфизической модели по-

зволит качественно повысить уровень проводимых

для сложных многосвязных систем исследований за

счет имитации действий оперативно-диспетчерского

персонала (при включении в контур моделирования

SCADA-систем), моделирования индивидуальных

особенностей реальных электрических сетей и энер-

гообъектов, а также возможности учесть при по-

строении модели инфраструктурную избыточность,

резервирование, работу систем противоаварийной

автоматики, релейной защиты, различных вспомога-

тельных и измерительных систем и т.д.

Возможности предлагаемой киберфизической мо-

дели не ограничиваются сценарным моделировани-

ем. Приведем еще несколько перспективных направ-

лений исследований [12]:

Проверка

корректности

работы

устройств

АСУ

ТП

РЗА

рамках

проведения

оценки

надежно

сти

безопасности

ЭЭС

Симулятор реального

времени формирует сигналы, близкие к реальным

сигналам ЭЭС; наличие обратных связей обеспе-

чивает взаимодействие проверяемых устройств

АСУ ТП или терминалов релейной защиты с мо-

делируемой ЭЭС, имеется возможность подключе-

ния нескольких устройств РЗА для исследования

их взаимодействия между собой (например, одно-

временное включение в контур моделирования

SCADA-сервера и нескольких терминалов РЗА).

Проверка

корректности

функционирования

си

стем

управления

оценка

рисков

потери

управ

ляемости

для

АСДУ

В рамках данного направ-

ления проводятся исследования корректности

функционирования автоматизированных систем

управления в различных условиях (в том числе

при деградации части функций системы в ре-

зультате информационных воздействий извне).

При рассмотрении подобных сценариев помимо

коммутационного оборудования подстанций (вы-

ключателей, разъединителей и заземляющих но-

жей) к объектам управления могут быть отнесены

и специализированные устройства — например,

устройства управления для высоковольтных сис-

тем постоянного тока (HVDC), управляемые ста-

тические компенсаторы реактивной мощности

(SVC), управляемые через тиристоры последова-

тельно включенные конденсаторы (TCSC) и ста-

тические синхронные компенсаторы (STATCOM).

Испытания

устройств

систем

синхронизи

рованных

векторных

измерений

(

УСВИ

ССВИ

)

реальном

времени

В рамках разработанной мо-

дели могут проводиться испытания корректности

функционирования систем векторных измерений

(WAMS) при нарушении целостности или доступ-

ности информации, получаемой от интеллектуаль-

ных устройств. Кроме того, в разработанной ки-

берфизической модели существует возможность

создания тестовых сигналов, синхронизированных

по GPS, для проверки УСВИ на соответствие про-

токолу IEEE C37-118, а также отработки новых кон-

цепций применения систем векторных измерений:

например, формирование на базе УСВИ системы

WAPS (wide-area protection system).

4. Исследования функционирования систем управ-

ления в рамках концепций «интеллектуальных

Рис

. 4.

Лабораторный

комплекс

полунатурного

моделирования

RTDS

Усилитель

сигналов

АРМ

RSCAD

SCADA/EMS

Шкафы РЗА

Шкафы АСУ ТП

Ethernet-коммутатор

Ethernet LAN соединение

Проводное (hard-wired) соединение

РАЗВИТИЕ

СЕТЕЙ

Page 9

сетей» и «распределенной генерации». В рам-

ках данного направления проводится исследо-

вание вопросов безопасности взаимодействия

с ЭЭС интеллектуальных устройств, внедряе-

мых в рамках реализации концепций интеллек-

туальных сетей, распределенной генерации

и промышленного интернета вещей. Для про-

ведения подобных исследований в симуляторе

ЭЭС предусмотрена поддержка высокоуровне-

вых протоколов передачи данных: МЭК 61850,

DNP3, IEEE 37.118 т.д.

Основным отличием созданного комплекса от

имеющихся аналогов является моделирование сразу

нескольких подсистем (в то время как существующие

российские аналоги предназначены для модели-

рования и проверки функционирования какой-либо

Уровень HMI

автоматизированных

систем управления

HMI

SCADA

Сервер SCADA

Уровень вторичного

оборудования

(РЗА и контроллеров)

Контроллер

Специализированное ПО

Терминалы

РЗА

Уровень первичного

оборудования ЭЭС

Симулятор ЭЭС

Рис

. 5.

Трехуровневая

модель

кибер

физи

ческой

системы

одной подсистемы). В разработанном лабораторном

комплексе удалось смоделировать одновременно

три взаимодействующих между собой уровня ки-

берфизической системы: первичное оборудование

энергообъекта моделируется программно, а обору-

дование РЗА, АСУ ТП и системы отображения и ви-

зуализации моделируются натурно (рисунок 5).

Необходимо отметить, что предложенная концеп-

ция была применена на практике при создании лабо-

раторного комплекса для ЗАО «Российская корпора-

ция средств связи» (рисунок 6).

В настоящий момент на лабораторном стенде

установлены устройства РЗА с подключением к ком-

плексу RTDS через УСО, а также реализована АСУ

ТП, включая SCADA верхнего уровня. Производится

модернизация лабораторного комплекса для обе-

спечения моделирования циф-

ровых подстанций, внедряются

цифровые терминалы РЗА и си-

стема управления EMS. Кроме

того, в целях повышения про-

изводительности

симулятора

RTDS для исследования более

крупных объектов электриче-

ских сетей планируется допол-

нить существующий симулятор

RTDS модулем NovaCor. Дан-

ное решение обладает гиб-

кой архитектурой, поэтому при

дальнейшем расширении мо-

делируемой системы возмож-

на установка дополнительных

модулей NovaCor. При наличии

нескольких модулей в составе

симулятора RTDS их можно ис-

пользовать независимо друг от

друга для решения на каждом

своей задачи либо объединять

их вычислительные мощности

для симуляции одной большой

модели ЭЭС.

Рис

. 6.

Реализация

проекта

—

лаборатория

ЗАО

РКСС

№

1 (52) 2019

Page 10

ЛИТЕРАТУРА

1. Ландшафт угроз для систем про-

мышленной автоматизации, второе

полугодие 2017. URL: https://ics-

cert.kaspersky.ru/re ports/2018/03/

26/threat-land scape-for-in dustrial-

auto mation-systems-in-h2-2017/#_

Toc508825243.

2. Мережин Н.И. Полунатурное мо-

делирование энергосистем // Из-

вестия ЮФУ. Технические науки,

2010, № 1. С. 256–259.

3. Dondossola G., De coninck G., Gar-

rone F., Beitollahi H. Testbeds for

assessing critical scenarios in power

control systems / Critical Information

Infrastructure Security, Third Inter-

national Workshop, CRITIS 2008,

Rome, Italy, October 13–15, 2008,

pp. 223–234.

4. Испытательная лаборатория iGrids.

URL: https://igrids.ru/lab/lab.

5. Наша киберфизическая модель на

конференции Кибербезопасность

АСУ ТП 2016. URL: https://ennlab.ru/

news/nasha-kiberﬁ zicheskaja-model-

na-konferencii-kiber bez opas nost-

asu-tp-2016.

6. Wan Y., Cao J., Zhang S., Tu G., Lu C.,

Xu X., Li K. An Integrated Cyber-

Physical Simulation Environment for

Smart Grid Applications. Tsinghua

Science and Technology, Special

Sec tion on Smart Grid, 2014,

no. 19(2), pp. 133–143.

7. Khaitan S.K., McCalley J.D., Liu C.C.

(Eds.) Cyber Physical Systems

Approach to Smart Electric Power

Grid, 2015, 391 p.

8. Hardware – in – the – loop simulation:

OPAL – RT. URL: https://www.opal-rt.

com/hardware-in-the-loop.

9. Control systems hardware – in – the –

loop testing: RTDS. URL: https://

www.rtds.com/applications/control-

systems-testing.

10. Программно-аппаратный

ком-

плекс RTDS для моделирования

энергосистем в режиме реально-

го времени. URL: https://ennlab.ru/

products/prezentacija-programmno-

apparatnogo-kompleksa-rtds-dlja-

modelirovanija-jenergosistem-v-

rezhi me-realnogo-vremeni.

11. Ливинский П.А., Гвоздев Д.Б. Инно-

вационная энергосистема России

в 2050 году // Энергетическая поли-

тика, 2017, № 6. С. 16–21.

12. Архангельский О.Д., Волошин А.А.,

Иванов Ф.А. О киберфизической

модели для исследований инфор-

мационной безопасности в элек-

троэнергетике / Материалы CIGRE

D2 PS2-13, 2017.

13. RTDS at Trustworthy cyber infra-

structure for the power grid and

Illinois center for smarter grid, 2016.

14. Kuipers D. Idaho National Laboratory

National SCADA Test Bed, 2010.

15. Anurag K. Srivastava. Modeling,

Simulation and Analysis of Cyber-

Power System, 2014.

16. Центр «Опытный полигон Цифро-

вая подстанция» / АО «НТЦ ФСК

ЕЭС». URL: http://www.ntc-power.

ru/field_of_activity/research_and_

development/center_ex pe rien ced_a_

polygon_digital_substation.

17. Ввод в работу программно-аппа-

ратного комплекса RTDS в КНИТУ-

КАИ. URL: https://ennlab.ru/news/

vvod-v-rabotu-programmno-appa-

rat nogo-kompleksa-rtds-v-knitu-kai

(дата обращения: 05.12.2018).

18. Центр моделирования электро-

энергетических

систем

ОАО

«ВНИИР». URL: http://www.vniir.ru/

simcenter.

REFERENCES
1.

Landshaft ugroz dlya sistem pro-
mysh lennoy avtomatizatsii, vtoroye
polugodiye 2017

(The landscape

of threats to industrial automation

systems for the second half of 2017).

URL: https://ics-cert.kaspersky.ru/re-

ports/2018/03/26/threat-land scape-

for-in dustrial-auto mation-systems-

in-h2-2017/#_Toc508825243.

2. Merezhin N.I. In-line simulation of

power systems.

Izvestiya YUFU.

Tekh nicheskiye nauki

[SFEDU news.

Technical sciences], 2010, no. 1,

pp. 256–259. (in Russian)

3. Dondossola G., De coninck G., Gar-

rone F., Beitollahi H. Testbeds for

assessing critical scenarios in power

control systems / Critical Information

Infrastructure Security, Third Inter-

national Workshop, CRITIS 2008,

Rome, Italy, October 13–15, 2008,

pp. 223–234.

Ispytatelnaya laboratoriya iGrids

(IGrids testing laboratory). Available

at: https://igrids.ru/lab/lab (accessed

November 05, 2018).

Nasha kiber

ﬁ

zicheskaya model na

konferentsii Kiberbezopasnost ASU
TP 2016

(Our cyber-physical model

at APCS Cybersecurity conference in

2016). Available at: http://ennlab.ru/

rus/news/92.

6. Wan Y., Cao J., Zhang S., Tu G.,

Lu C., Xu X., Li K. An Integrated

Cyber-Physical Simulation Environ-

ment for Smart Grid Applications.

Tsinghua Science and Technology,

Special Sec tion on Smart Grid, 2014,

no. 19(2), pp. 133–143.

7. Khaitan S.K., McCalley J.D., Liu C.C.

(Eds.) Cyber Physical Systems Ap-

proach to Smart Electric Power Grid,

2015, 391 p.

8. Hardware – in – the – loop simulation:

OPAL – RT. URL: https://www.opal-rt.

com/hardware-in-the-loop.

9. Control systems hardware – in – the –

loop testing: RTDS. URL: https://

www.rtds.com/applications/control-

systems-testing (accessed Novem-

ber 05, 2018).

10. RTDS software and hardware sys-

tem for real-time power system

modeling. URL: https://ennlab.ru/pro-

ducts/prezentacija-programmno-

apparatnogo-kompleksa-rtds-dlja-

modelirovanija-jenergosistem-v-re-

zhi me-realnogo-vremeni (accessed

November 05, 2018).

11. Livinsky P.A., Gvozdev D.B. Innova-

tive power system of Russia in 2050.

Energeticheskaya politika

[Energy

Policy], 2017, no. 6. pp. 16-19. (in

Russian).

12. Arkhangelskiy O.D., Voloshin A.A.,

Ivanov F.A. On the cyber-physical

model for research of information se-

curity in the power industry.

Materialy

CIGRE D2 PS2-13, 2017

[Proc. CI-

GRE D2 PS2-13]. Moscow, 2017. (in

Russian).

13. RTDS at Trustworthy cyber infra-

structure for the power grid and Illi-

nois center for smarter grid, 2016.

14. Kuipers D. Idaho National Laboratory

National SCADA Test Bed, 2010.

15. Anurag K. Srivastava. Modeling, Si-

mulation and Analysis of Cyber-Pow-

er System, 2014.

16. Digital Substation Testing Field Cen-

ter. Moscow, "R&D Center FGC

UES", JSC Publ. URL: http://www.

ntc-power.ru/field_of_activity/re-

search_and_development/center_

ex pe rien ced_a_polygon_digital_sub-

station (in Russian).

17. RTDS software and hardware com-

plex сommissioning at KNRTU-KAI.

URL: https://ennlab.ru/news/vvod-v-

rabotu-programmno-appa rat nogo-

kompleksa-rtds-v-knitu-kai (accessed

December 05, 2018).

18. 18. JSC "VNIIR" center for model-

ing electric power systems. URL:

http://www.vniir.ru/simcenter

(ac-

cessed December 05, 2018).

РАЗВИТИЕ

СЕТЕЙ

Оригинал статьи: Подходы к созданию полунатурных моделей электроэнергетических систем

Ключевые слова: киберфизическая модель, симулятор энергосистем, анализ рисков, надежность ЭЭС, анализ отказов, сценарное моделирование

Читать онлайн

Широкое внедрение информационных технологий и средств вычислительной техники на объектах электроэнергетики остро ставит вопрос обеспечения информационной безопасности автоматизированных систем управления энергообъектов. Для исследования надежности и безопасности автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) может быть применен метод сценарного моделирования, который реализуется на модели электроэнергетической системы (ЭЭС). Для создания указанной модели предлагается использовать метод моделирования ЭЭС в реальном времени с включенным в контур моделирования вторичным оборудованием: терминалами релейной защиты и автоматики (РЗА), контроллерами и интеллектуальными устройствами. При этом остальная часть системы (первичное оборудование подстанции) может быть представлена численной моделью. Такой подход к проведению моделирования носит название полунатурного или аналого-цифрового моделирования. Моделирование участка ЭЭС с включенными в контур моделирования устройствами РЗА и АСУ ТП позволит проводить оценку последствий для различных сценариев нарушения функционирования сложной электроэнергетической системы.