Помехоустойчивая система обеспечения единого времени (ПСОЕВ) для энергообъектов: вызовы и решения

Современная электроэнергетика в эпоху цифровизации не мыслима без точной синхронизации времени, обеспечивающей функционирование интеллектуальных сетей и распределенных систем. От слаженной работы устройств — релейной защиты, систем мониторинга, управления и регистрации — зависит устойчивость и эксплуатационная эффективность энергосистемы.

Атнишкин А.Б., ведущий эксперт Департамента комплексной автоматизации ООО «Релематика»

Современная электроэнергетика в эпоху цифровизации [1] немыслима без точной синхронизации времени, обеспечивающей функционирование интеллектуальных сетей и распределенных систем. От слаженной работы устройств — релейной защиты, систем мониторинга, управления и регистрации — зависит устойчивость и эксплуатационная эффективность энергосистемы. Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) ГЛОНАСС, GPS, Beidou, Galileo долгое время служили надежным и доступным источником времени для промышленности, но сегодня их сигналы сталкиваются с новыми угрозами. Еще в 2013 году авторы [2] говорили о рисках зависимости критической инфраструктуры от ГНСС-сигналов. Сегодня эти риски стали реальностью: массовое применение радиоэлектронного подавления привело к участившимся сбоям синхронизации серверов точного времени и контроллеров на энергообъектах. Последствия — от некорректных данных в системах мониторинга до блокировки критических функций защиты. В статье рассмотрена проблематика, угрозы и инновационное решение — помехоустойчивая система обеспечения единого времени (ПСОЕВ).

УГРОЗЫ И ПОСЛЕДСТВИЯ ПОТЕРИ СИНХРОНИЗАЦИИ

Системы мониторинга, защиты и управления современных энергообъектов требуют синхронизации времени с точностью до микросекунд. Например:

• СМПР (система мониторинга переходных режимов) требует синхронизации <1 мкс — погрешность в 1 мкс приводит к угловой ошибке измерений, делая данные непригодными для управления;
• волновые методы ОМП (определение места повреждения ЛЭП) критичны к точности — при погрешности в 1 мкс дают отклонение в 300 м, что затрудняет локализацию аварий;
• РАС (регистратор аварийных событий) и ССПИ (система сбора и передачи данных) теряют достоверность журналов при рассинхронизации, что усложняет анализ событий;
• АИИС КУЭ (автоматизированная информационно-измерительная система коммерческого учета энергоресурсов) — искажение меток времени может приводить к ошибкам в учете энергопотребления и биллинге;
• ВАПС 3 архитектуры (высокоавтоматизированные подстанции) — при отсутствии синхронизации SV-потоков с измерениями существует вероятность блокировки и неправильной работы РЗА [3].

Потеря сигналов ГНСС из-за помех приводит к сбоям, снижая надежность и эксплуатационную эффективность всей энергосистемы.

Основные угрозы для СОЕВ энергообъекта, использующей ГНСС-сигналы, связаны с двумя типами помех:

• маскирующие (джамминг) — создают фоновый шум в рабочем диапазоне частот, ухудшая соотношение сигнал/шум, тем самым маскируют полезные сигналы ГНСС;
• имитационные (спуфинг) — целенаправленная генерация ложных сигналов ГНСС, подменяющих реальные данные.

Наибольший потенциальный ущерб — от имитационных помех. Искажение времени в данных СМПР может спровоцировать неверные управляющие команды, угрожая нарушением устойчивости энергосистемы. Однако имитационные помехи требуют более сложной реализации в отличие от маскирующих, что делает их менее распространенными.

ПРИНЦИПЫ И ВНЕДРЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЙ СОЕВ

В основе решения ПСОЕВ лежит использование помехоустойчивого приемника ГНСС-сигналов на основе цифровой антенной решетки. Несколько антенных элементов формируют «нули» диаграммы направленности в сторону источников помех (рисунок 1), сохраняя связь со спутниками. Такой приемник подавляет помехи в >100 000 раз лучше стандартных ГНСС-антенн за счет пространственно-временной обработки сигналов.

ПСОЕВ превосходит альтернативные подходы, такие как программное отслеживание скачков времени/координат и локальные атомные часы по нескольким ключевым параметрам. В отличие от атомных часов, требующих дорогой интеграции и поверки, ПСОЕВ не имеет ограничений по времени удержания точности в условиях помех. Программные методы лишь фиксируют сбои, и их недостаточно против спуфинг-атак с плавным уводом времени.

Решение ПСОЕВ интегрируется в инфраструктуру энергообъекта двумя путями (рисунок 2):

1. дооснащение существующих шкафов с СОЕВ — замена ГНСС-антенны и установка блока питания в шкаф;
2. поставка новых шкафов АСУ, РЗА с интегрированной ПСОЕВ для строящихся или модернизируемых энергообъектов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ПРОВЕРКА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Испытания подтвердили совместимость решения с серверами времени и контроллерами порядка 10 ведущих производителей, включая ключевые модели, применяемые в электроэнергетической отрасли. Длительные испытания на полигоне цифровой подстанции ООО «Релематика» также подтвердили успешность решения — система демонстрировала стабильную синхронизацию. Эффективность в условиях наличия помех проверена как в лабораторных условиях, так и на реальных энергообъектах (в том числе на одном из последних объектов в Московском регионе, где стандартная антенна не обеспечивала синхронизацию времени по ГНСС-сигналам, а применение помехоустойчивого решения позволило восстановить синхронизацию по спутниковым данным). На текущий момент ПСОЕВ эксплуатируется на более чем 20 энергообъектах и проходит опытно-промышленную эксплуатацию на объектах электроэнергетики с выявленными проблемами синхронизации времени.

Стоит также отметить, что ПСОЕВ применима не только в электроэнергетике, но и в нефтегазовой отрасли, нефтегазохимии для синхронизации систем управления добычей и транспортировкой ресурсов — везде, где требуется защита от ГНСС-помех.

Системы точного времени — основа цифровой энергетики. Рост угроз в отношении сигналов ГНСС диктует необходимость внедрения специализированных помехоустойчивых решений. В этой связи ПСОЕВ демонстрирует универсальную эффективность, обеспечивая совместимость с существующей инфраструктурой. Применение ПСОЕВ способствует повышению киберфизической устойчивости электроэнергетической системы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года (утв. Распоряжением Правительства РФ № 1523–р от 9 июня 2020 года). URL: https:// docs.cntd.ru/document/565068231.
2. Нудельман Г.С., Харисов В.Н., Оганесян А.А. Уязвимость систем синхронизации, основанных на использовании глобальных навигационных спутниковых систем // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2013, № 3(18). С. 60–65.
3. Атнишкин А.Б., Николаев И.Н. Функционирование РЗА при нарушениях синхронизации времени на цифровой подстанции // Релейная защита и автоматизация, 2023, № 3(52). С. 54–59.