Развитие принципов построения и практическая реализация логической части цифровой защиты и автоматики систем электроснабжения промышленных потребителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Лоскутов Антон Алексеевич

• Лоскутов Антон Алексеевич
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Лоскутов Антон Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Анализ проблем при распознавании режимов функционирования систем электроснабжения промышленных потребителей, в том числе с объектами распределенной генерации

1.1 Характеристика систем электроснабжения промышленных потребителей с объектами распределенной генерации

1.1.1 Современное состояние, тенденции и перспективы развития распределенной генерации

1.1.2 Особенности и проблемы распознавания режимов работы систем электроснабжения промышленных потребителей с объектами распределенной генерации

1.1.3 Особенности организации релейной защиты и автоматики систем электроснабжения промышленных предприятий с объектами распределенной генерации32

1.1.4 Анализ опыта функционирования релейной защиты систем электроснабжения промышленных предприятий с объектами распределенной генерации

1.2 Концепция развития интеллектуальных электронных устройств защиты и автоматики для систем электроснабжения промышленных потребителей с объектами распределенной генерации

1.2.1 Этапы развития релейной защиты и автоматики систем электроснабжения промышленных потребителей с объектами распределенной генерации

1.2.2 Методы адаптации защиты и автоматики систем электроснабжения промышленных потребителей к режимам объектов распределенной генерации

1.2.3 Концептуальная структура интеллектуальной системы релейной защиты и автоматики для систем электроснабжения промышленных потребителей с объектами распределенной генерации

1.3 Принципы организации логической части интеллектуальных электронных устройств многопараметрической защиты и автоматики на основе предварительного имитационного моделирования и методах обработки статистических данных

1.3.1 Особенности многопараметрического интеллектуального электронного устройства

1.3.2 Анализ параметров режимов функционирования системы электроснабжения промышленных потребителей, полученных на основе имитационного моделирования

1.3.3 Структура взаимодействия логической части многопараметрического интеллектуального электронного устройства защиты системы электроснабжения промышленных потребителей

1.3.4 Выделение информационных признаков из сигналов, измеренных защитой, в системе электроснабжения промышленных потребителей

1.3.5 Перспективы применения интеллектуальных методов в логической части цифровой защиты и автоматики систем электроснабжения промышленных потребителей

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2 Принципы формирования логической части цифровых устройств многопараметрической защиты с использованием информации от пусковых органов

2.1 Методология использования статистических данных для распознавания аварийных режимов

2.1.1 Особенности применения статистических методов при распознавании аварийных режимов

2.1.2 Определение параметров срабатывания релейной защиты с учетом областей допустимых и аварийных режимов

2.1.3 Использования матрицы ошибок и объектных характеристик при оценке распознаваемости режимов многопараметрической РЗА

2.2 Использование алгебры логики для объединения пусковых органов

2.2.1 Применение схем голосования для объединения пусковых органов защиты

2.2.2 Особенности использования теории автоматов для объединения пусковых органов защиты

2.2.3 Оценка распознаваемости режимов и чувствительности защиты при объединении информации от пусковых органов

2.3 Повышение распознаваемости режимов системы электроснабжения промышленных потребителей на основе объединения информации от пусковых органов методами машинного обучения

2.3.1 Формирование логической части защиты с применением искусственной нейронной сети

2.3.2 Формирование логической части защиты с применением метода дерева решений

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3 Принципы формирования логической части цифровых устройств

многопараметрической защиты с использованием информации от измерительных органов

3.1 Использование методов машинного обучения для формирования логической части защиты с использованием информации от измерительных органов

3.1.1 Дополнительные критерии для оценки эффективности методов распознавания аварийных режимов

3.1.2 Исследование особенностей классификации режимов методом ^-ближайших соседей

3.1.3 Исследование особенностей классификации режимов методом логистической регрессии

3.1.4 Исследование особенностей классификации режимов методом опорных векторов

3.1.5 Повышение технического совершенства устройств релейной защиты и автоматики за счет внедрения обучаемых модулей

3.2 Применение решающих деревьев и ансамблей моделей машинного обучения в задаче распознавания повреждений на ЛЭП с ответвлениями

3.2.1 Разработка и исследование имитационной модели фрагмента системы электроснабжения промышленного потребителя

3.2.2 Применение алгоритма решающего дерева для распознавания режимов электрической сети

3.2.3 Анализ распознавания режимов электрической сети с применением групповых алгоритмов машинного обучения

3.3 Разработка методов уменьшения размерности признакового пространства и формирования обобщенных информационных признаков

3.3.1 Переход к обобщенным признакам срабатывания многопараметрической релейной защиты

3.3.2 Формирование обучающих выборок на основе имитационного моделирования

3.3.3 Реализация алгоритма сжатия данных методом главных компонент

3.3.4 Реализация алгоритма сжатия данных методом линейного дискриминанта Фишера

3.3.5 Анализ эффективности применения обобщенных признаков для защиты дальнего резервирования

3.3.6 Разработка схемных решений сложных пусковых органов релейной защиты с использованием обобщенных признаков

3.4 Разработка методов применения искусственных нейронных сетей в логической части релейной защиты для улучшения распознающей способности

3.4.1 Анализ применения искусственной нейронной сети в задачах релейной защиты

3.4.3 Использование нейронных сетей в алгоритмах распознавания витко

аний в силовом трансформаторе

.5 Выводы по главе

^ВА 4 Применение последовательной процедуры Вальда в автоматике сис абжения промышленных потребителей с объектами распределен]

.1. Статистическая задача последовательного принятия решений при распознава

ного и аварийного режимов

.2 Разработка алгоритма автоматической частотной разгрузки с применен

ры последовательного анализа

.3 Усечение процедуры последовательного анализа

.4 Модифицированный алгоритм принятия решения устройством АЧР с повышен! ействием, не требующий введения специальной процедуры усечения

вдоль ВЛ

5.2.3 Численные методы одномерной оптимизации при определении места повреждения ВЛ

5.2.4 Примеры применения методов поразрядного поиска и дихотомии при ОМП неоднородной ВЛ

5.3 Определение поврежденного участка высоковольтной воздушной линии электропередачи методом последовательного распознавания

5.3.1 Анализ методов распознавания поврежденного участка линии электропередачи

5.3.2 Применение последовательного критерия выбора гипотезы о поврежденном участке из множества участков ЛЭП в пределах зоны ее обхода

5.3.3 Введение показателей распознающей способности алгоритмов последовательного анализа при реализации ОМП ВЛ

5.3.4 Разработка алгоритма многогипотезного последовательного анализа при определении места повреждения воздушной ЛЭП и схемотехнических решений для его реализации

5.3.5 Пример реализации определения места повреждения на воздушной ЛЭП на основе алгоритма Рида многогипотезного последовательного анализа

5.4 Разработка метода определения места повреждения высоковольтных воздушных линий электропередачи при повреждениях в измерительных цепях напряжения

5.4.1 Реализация одностороннего способа определения места повреждения на воздушной ЛЭП при повреждениях в измерительных цепях напряжения

5.4.2 Демонстрация поэтапной реализации расчета параметров токов и напряжений

5.5 Выводы по главе

ГЛАВА 6 Варианты комбинирования волновых методов и методов по параметрам

аварийного режима для улучшения распознавания поврежденных участков ЛЭП в системе электроснабжения промышленных потребителей

6.1 Разработка методов реализации одностороннего волнового определения места повреждения на ЛЭП, основанных на распознавании электромагнитного волнового портрета

6.1.1 Особенности односторонних методов волнового определения места повреждения

6.1.2 Использование методов распознавания образов для решения задачи волнового определения места повреждения

6.2 Комбинированный подход при организации защит и распознавании поврежденного участка

6.2.1 Особенности защит, использующих параметры аварийного режима

6.2.2 Особенности организации волновых защит

6.2.3 Анализ преимущества комбинированной защиты

6.2.4 Разработка структуры построения комбинированных защит

6.2.5 Разработка и анализ вариантов построения логики объединения защит

6.2.6 Практические аспекты повышения эффективности алгоритма волнового ОМП для комбинированной защиты

6.2.7 Реализация алгоритма объединения защит

6.3 Практическая реализация логики комбинирования волновых методов и методов по параметрам аварийного режима

6.3.1 Реализация опытно-промышленного образца комбинированной интеллектуальной защиты

6.3.2 Реализация макетного образца устройства автоматического повторного включения кабельно воздушной линии электропередачи

6.4 Выводы по главе

ГЛАВА 7 Аппаратно-программная реализация киберзащищенных

многопараметрических устройств цифровой защиты с применением компонентов промышленной автоматизации

7.1 Разработка аппаратно-программной платформы для интеллектуальных электронных устройств

7.1.1 Аппаратная составляющая экспериментальных образцов интеллектуальных электронных устройств

7.1.2 Программная составляющая экспериментальных образцов интеллектуальных электронных устройств

7.1.3 Обеспечение кибербезопасности в интеллектуальных электронных устройствах многопараметрической защиты и автоматики

7.2 Разработка киберфизического испытательного стенда для апробирования алгоритмов работы и тестирования интеллектуальных электронных устройств

7.2.1 Разработка состава и структуры киберфизического стенда

7.2.2 Создание базовой имитационной модели системы электроснабжения промышленного потребителя

7.3 Результаты опытно-промышленной эксплуатации разработанных интеллектуальных электронных устройств

7.3.1 Внедрение разработанных модификаций интеллектуальных электронных устройств на электросетевых объектах

7.3.2 Результаты опытно-промышленной эксплуатации интеллектуальных электронных устройств дифференциальной защиты линии с организацией информационного обмена по протоколу БУ (МЭК-61850-9-2)

7.4 Выводы по главе

Основные результаты диссертационной работы

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Результаты полунатурных испытаний интеллектуальных

электронных устройств на киберфизическом стенде

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Анализ работы оборудования, находящегося в опытно-

промышленной эксплуатации, в аварийном режиме

ПРИЛОЖЕНИЕ В Материалы о внедрении

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие принципов построения и практическая реализация логической части цифровой защиты и автоматики систем электроснабжения промышленных потребителей»

ВВЕДЕНИЕ

Развитие экономики, производства и современных технологий во многих странах мира вызывает резкое увеличение потребляемой электрической энергии и мощности. По экспертным оценкам до 2036 г. стоит ожидать изменений в энергосистеме России, в частности, в системах электроснабжения промышленных потребителей (СЭС 1111), связанных с децентрализацией и цифровизацией. В соответствии с утвержденной 29.11.2024 схемой и программой развития электроэнергетических систем России на 2025-2030 гг. (Приказ Минэнерго России № 2328), а также проектом генеральной схемы размещения объектов электроэнергетики до 2042 г. планируется введение большого объема генерирующего оборудования на базе распределенной генерации (газотурбинные, газопоршневые, дизельные генерирующие установки) и возобновляемых источников (солнечные, ветровые) энергии (ВИЭ): 4,5 ГВт до 2030 г, 14 ГВт до 2036 г., 19 ГВт до 2042 г. По прогнозу агентства IRENA к 2030 г. ежегодный мировой прирост электроэнергетических мощностей, работающих на ВИЭ, будет составлять 1000 ГВт. Причем по данным наблюдений объектами внедрения указанных источников чаще всего являются средние и крупные промышленные предприятия, где требуются новые электрические мощности и обеспечение непрерывного, надежного электроснабжения.

На протяжении десятилетий назревала «Цифровая трансформация электроэнергетики». Она связана с особенностями электроэнергетического производства в России, внедрением цифровых устройств защиты и управления, распространением источников распределенной генерации, в том числе ВИЭ, негативными тенденциями неэффективного развития отечественной электроэнергетической инфраструктуры, приводящими к повышению тарифов и цен на электроэнергию. Сегодня «Цифровая трансформация» в электроэнергетике находится в активной фазе развития и, в основном, связана с решениями в области релейной защиты и автоматики (РЗА), автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), систем интеллектуального управления и мониторинга, регулирования параметров качества электроэнергии (ПКЭ), кибербезопасности и др. Электросетевая инфраструктура существующих и перспективных систем электроснабжения промышленных потребителей представляет собой сложные системы, в которых количество источников питания, накопителей, элементов силовой электроники, преобразовательной техники существенно увеличивается. Кроме того, взрывное развитие информационных технологий и искусственного интеллекта, технологий BigData, Blockchain, широкополосных каналов связи, цифровых двойников открывают революционные возможности для повышения эффективности управления элементами систем промышленного электроснабжения, учета электроэнергии, мониторинга, анализа технологической информации, организации систем защиты и автоматизации на

электросетевых объектах.

Следует отметить, что введение в состав СЭС ПП источников распределенной генерации, систем хранения электроэнергии и силовой электроники вызывает увеличение многообразия возможных схемно-режимных ситуаций и условий, что часто приводит к снижению качества управления режимами и защиты элементов электрической сети. Наблюдаются участившиеся аварии на небольших электростанциях, излишние отключения технологической автоматикой энергетических установок промышленных потребителей, неправильные действия релейной защиты, что влечет за собой ущербы, обусловленные потерей или ограничением питания потребителей. Указанные обстоятельства отражаются и на особенностях эксплуатационных режимов, и негативно влияют на темпы внедрения ВИЭ и других источников распределенной генерации в СЭС ПП.

Существующие и применяемые в настоящее время алгоритмы устройств РЗА уже не всегда удовлетворяют требованиям современных СЭС ПП с внедренными объектами распределенной генерации (ОРГ). Основные алгоритмы устройств РЗА за последние десятилетия принципиально не изменились и, по сути, являются цифровыми аналогами своих электромеханических предшественников. Это приводит к недоиспользованию потенциала и вычислительной способности цифровых устройств РЗА. В ряде схемно-режимных ситуаций традиционные методы распознавания аварий и повреждений для корректного функционирования устройств РЗА становятся неэффективными.

В то же время внедрение современных высокоскоростных каналов связи и протоколов обмена на основе МЭК 61850 предоставляет широкие возможности для модернизации систем РЗА для СЭС ПП. Одним из наиболее перспективных направлений развития интеллектуальной электроэнергетики является проектирование новых устройств автоматики и защиты, принципы которых основаны на многопараметричности использования данных и выявлении наиболее информативных признаков для решения задач классификации режимов, использовании статистических данных, элементов искусственного интеллекта и машинного обучения [4].

В диссертационной работе разрабатываются и исследуются передовые технологии и методы анализа данных, а также возможность их применения для задачи оценки информации (токи, напряжения, сопротивления, мощность и пр.) и принятия решения устройством РЗА в условиях функционирования современной или перспективной СЭС ПП. К основной группе относятся методы распознавания образов и выделения признаков, способствующих улучшению разделения нормальных и аварийных режимов. Такие методы способствуют улучшению распознаваемости режимов, селективности, быстродействия и надежности защиты для элементов СЭС ПП с ОРГ. Предложенные технические решения приобретают особую актуальность в условиях интеграции в СЭС ПП разнородных источников распределенной генерации,

возобновляемых источников, элементов силовой электроники, которые существенно изменяют установившиеся и переходные режимы, инерционный отклик системы электроснабжения, а также влияют на статическую, динамическую устойчивость и показатели качества электрической энергии (ПКЭ). Типовые и стандартные решения в настоящее время отсутствуют в мировой практике.

В частности, указанные методы реализуются в программной части устройств РЗА, которая определяет логику работы устройства. Дальнейшее совершенствование технического уровня и надежности работы устройств РЗА требует перехода от интуитивных методов анализа и синтеза к научным, использующим математический аппарат и формализующим этапы разработки, моделирования и проектирования. Это позволяет значительно расширить возможности и функционал современных устройств РЗА, а также радикально поменять подходы к организации логической части РЗА, улучшая показатели ее технического совершенства.

В диссертации особое внимание уделено развитию методов распознавания аварийных режимов и определения мест повреждений в системах электроснабжения и их схемотехническим решениям, а также применению имитационного моделирования.

Автор благодарит сотрудников кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» за поддержку в подготовке материалов диссертации, помощь в проведении научно-исследовательских работ, натурных и модельных экспериментов.

Степень разработанности темы исследования. Исследованиями в области совершенствования режимного управления, методов и алгоритмов распознавания электрических режимов, многомерного подхода при алгоритмизации работы РЗА занимаются несколько отечественных научных школ: НИУ МЭИ, ЧГУ им. И.Н. Ульянова, ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, ИГЭУ им. В.И. Ленина, КГЭУ, НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Существенный вклад в развитие данной теории и практики внесли российские ученые: Антонов В.И., Вагапов Г.В., Висящев А.Н., Волошин А.А., Дони Н.А., Илюшин П.В., Куликов А.Л., Лачугин В.Ф., Лямец Ю.Я., Мокеев А.Г., Нагай В.И., Нудельман Г.С., Паздерин А.В., Подшивалин А.Н., Федотов А.И., Фишов А.Г., Шарыгин М.В., Шнеерсон Э.М., Шуин В.А., а также зарубежные ученые: Apostolov A., Izykowski J., Kasztenny B., Kezunovic M., Rebizant W., Sakaguchi T., Saha M., Schweitzer E.O., Shahzad U., Thorp J.S., Ziegler G.

Объект исследования. Современные СЭС ПП, включающие объекты распределенной генерации, цифровую защиту и автоматику с высокоскоростными каналами связи.

Предмет исследования. Методы распознавания аварийных режимов и определения мест повреждений в СЭС ПП и их схемотехнические решения.

Цель работы. Разработка и исследование новых методов формирования логической части устройств защиты и автоматики СЭС ПП для повышения чувствительности и быстродействия защиты, надежности распознавания аварийных режимов.

Для достижения поставленной цели решаются задачи:

1. Анализ особенностей работы СЭС 1111 с ОРГ в контексте распознаваемости электрических режимов и функционирования устройств РЗА.

2. Разработка способов организации логической части интеллектуальных электронных устройств многопараметрической защиты и автоматики на основе предварительного многократного имитационного моделирования и методов обработки полученных статистических данных.

3. Разработка новых способов улучшения распознаваемости аварийных режимов работы в СЭС ПП с сетью 6-110 кВ и ОРГ, основанных на обработке массивов данных результатов имитационного моделирования методами машинного обучения и математической статистики.

4. Синтез логической части устройств цифровой защиты и автоматики повышенной надежности с использованием информации от измерительных и пусковых органов для распознавания аварийных режимов.

5. Разработка методов распознавания режимов работы СЭС ПП на основе последовательного анализа Вальда.

6. Разработка эффективных методов определения места повреждения в СЭС ПП на основе анализа данных по концам ЛЭП и распознанных режимов.

7. Исследование вариантов применения киберфизических стендов для накопления информационной базы параметров о СЭС ПП с целью формирования логической части устройств защиты и автоматики.

8. Разработка прототипа интеллектуального электронного устройства многопараметрической защиты и автоматики для современных СЭС ПП напряжением 6-110 кВ.

Научная новизна

1. Предложены новые методы синтеза логической части устройств многопараметрической защиты на основе бинарной информации от пусковых органов, улучшающие распознаваемость аварийных режимов и отличающиеся использованием методов математической статистики, искусственной нейронной сети (ИНС), дерева решений, булевой алгебры.

2. Предложены новые методы синтеза логической части устройств многопараметрической защиты на основе информации от измерительных органов, обеспечивающие более высокую распознаваемость коротких замыканий по сравнению с традиционными видами РЗА (токовой и дистанционной), отличающиеся использованием методов ^-ближайших соседей, логистической регрессии, опорных векторов, решающих деревьев и ансамблирования.

3. Разработан новый метод распознавания витковых замыканий в силовом трансформаторе уровнем напряжения 110-220 кВ на ранних этапах развития повреждений с использованием вариантов применения ИНС, повышающих чувствительность дифференциальной защиты трансформатора.

4. Предложено применение методов главных компонент, линейного дискриминанта Фишера для перехода к обобщенному признаку многопараметрической защиты, отличающееся повышением распознаваемости режимов работы СЭС 1111 и упрощающее структуру устройства защиты и автоматики.

5. Исследованы новые и модифицированные методы принятия решений автоматикой СЭС 1111, основанные на применении последовательной процедуры Вальда, отличающиеся повышенным быстродействием и снижением вероятности ложного срабатывания в условиях больших ошибок измерения частоты и отклонений ПКЭ от нормативных значений.

6. Обосновано применение новых методов определения места повреждения на воздушных линиях электропередачи (ЛЭП) в СЭС 1111, отличающихся от традиционных решением оптимизационных задач и повышенной точностью вычисления расстояния до места повреждения.

7. Исследован вариант комбинирования волновых методов и по параметрам аварийного режима, отличающийся повышением надежности и улучшением распознавания поврежденных участков ЛЭЛ в СЭС ЛЛ.

8. Разработаны программно-аппаратные и схемотехнические решения интеллектуальных электронных устройств для распознавания сложных режимов в СЭС 11, отличающиеся использованием отечественных компонентов промышленной автоматизации высокой заводской готовности и киберзащищенным исполнением.

Теоретическая и практическая значимость

1. 1редложенный концептуальный подход по организации структуры ИЭУ защиты и автоматики в современных СЭС И с ОРГ позволяет обеспечить совместимость новых многопараметрических алгоритмов распознавания режимов, принятия решений и традиционных видов РЗА.

2. Развитие принципа предварительного имитационного моделирования всевозможных режимов работы СЭС 11, в том числе с ОРГ и накопителями электрической энергии, позволяет сформировать статистические данные, а также выбрать требуемые методы их обработки для принятия решения ИЭУ РЗА по распознаванию режимов.

3. Разработан ряд имитационных компьютерных моделей фрагментов СЭС 11 с ОРГ для апробации предложенных методов повышения вероятности распознавания аварийных режимов СЭС 11, доказывающий повышение эффективности построения многопараметрической РЗА.

4. Научные принципы организации логической части интеллектуального электронного устройства защиты и распознавания аварийных режимов с использованием обучающего модуля, использующего данные предварительного имитационного моделирования и текущих реальных и ретроспективных измерений, способствуют реализации принципиально нового подхода в оценке сложной схемно-режимной ситуации в СЭС ПП с ОРГ, позволяют выявлять аварии на ранних этапах развития.

5. Новые методы распознавания аварийных режимов, основанные на использовании бинарной информации от пусковых органов и мгновенных значений от измерительных органов, способствуют увеличению распознаваемости сложных повреждений на 14-24% и, соответственно, чувствительности защиты элементов СЭС ПП.

6. Предложены инструменты оценки эффективности алгоритмов выявления аварийных режимов на основе объектных характеристик, матриц ошибок и ^ОС-характеристик.

7. Для технического упрощения многопараметрической защиты и снижения вычислительной нагрузки на ИЭУ предложен переход к «обобщенным признакам». Реализуется выделение из множества анализируемых признаков (токов, напряжений, их производных, сопротивлений, приращений токов, углов между током и напряжением и др.) наиболее информативных за счет применения методов «сжатия данных».

8. Предложены варианты защиты силового трансформатора для распознавания витковых замыканий с использованием искусственной нейронной сети (ИНС). Защита с применением ИНС может лучше распознавать витковые замыкания с малым числом замкнутых витков по сравнению с классической дифференциальной защитой (более, чем в 5 раз). Внедрение разработанной защиты позволит распознавать витковые замыкания на ранних этапах развития повреждений.

9. На математических и имитационных моделях доказаны преимущества разработанных и модифицированных методов последовательного анализа Вальда при принятии решения автоматикой (на примере АЧР) в условиях снижения частоты, переходных процессов, несинусоидальности токов и напряжений, способствующих большим ошибкам оценки их параметров, что обеспечивает выигрыш в быстродействии почти в 2 раза и однозначность принятия решения.

10. Разработанные методы ОМП на воздушных ЛЭП в СЭС ПП с ОРГ обеспечивают высокую точность расчета расстояния до места повреждения в условиях отклонения ПКЭ от нормативных значений. Их реализация возможна в программном обеспечении типовых терминалов РЗА, при этом не требуется модернизация их аппаратного исполнения.

11. Алгоритмы комбинации волновых методов и методов по параметрам аварийных режимов позволяют улучшить распознаваемость поврежденных участков ЛЭ1 в СЭС И с ОРГ в части повышения быстродействия и надежности.

12. Разработанная новая отечественная киберзащищенная аппаратно-программная платформа для реализации ИЭУ защиты и автоматики с поддержкой протокола МЭК 61850 позволяет интегрировать многопараметрические методы, алгоритмы РЗА и ОМИ ЛЭ1 без существенной переработки аппаратной части устройств.

13. Разработанное системное и конфигурационное программное обеспечение для ИЭУ с применением протокола МЭК 61850 является базовым для реализации основных функций многопараметрической РЗА и её логической части.

Методология и методы исследования. Использованы методология системного анализа, методы теории вероятностей, математической статистики, имитационного моделирования, математического анализа, теории цепей, машинного обучения, ИНС, экспертного оценивания, распознавания образов, «сжатия данных», теории множеств, теории обнаружения, теории принятия решений, теории надежности, теории оптимизации, теоретические основы релейной защиты.

Положения, выносимые на защиту

1. Методы формирования логической части устройств многопараметрической защиты и автоматики с использованием бинарной информации от пусковых органов.

2. Методы формирования логической части устройств многопараметрической защиты и автоматики с использованием информации от измерительных органов.

3. Имитационные, компьютерные модели фрагментов СЭС 1111, служащие в качестве информационной базы параметров для алгоритмов обучения цифровой защиты и автоматики при распознавании режимов, а также апробирования разработанных устройств.

4. Новые и модифицированные методы принятия решений автоматикой СЭС 11, основанные на применении последовательной процедуры Вальда.

5. Новые методы определения места повреждения на воздушных ЛЭ1 в СЭС 1111.

6. Способ комбинирования волновых методов и по параметрам аварийного режима для улучшения распознавания поврежденных участков ЛЭ1 в СЭС 1111.

7. 1рограммно-аппаратные и схемотехнические решения интеллектуальных электронных устройств на отечественной элементной базе для распознавания сложных режимов в СЭС 11.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертация соответствует направлениям исследований паспорта научной специальности 2.4.2 «Электротехнические комплексы и системы»:

- п.1. «Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, анализ

системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем, включая электромеханические, электромагнитные преобразователи энергии..., системы электроснабжения и электрооборудования;

- п.2. «Разработка научных основ проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов, систем и их компонентов»;

- п.3. «Разработка, структурный и параметрический синтез, оптимизация электротехнических комплексов, систем и их компонентов, разработка алгоритмов эффективного управления»;

- п.4. «Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов, систем и их компонентов в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях, диагностика электротехнических комплексов».

Реализация результатов работы. Результаты исследований были использованы при выполнении ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», договоров и проектов: ГК № 14.577.21.0124 от 20.10.2014г. «Разработка интеллектуальной релейной защиты с характеристиками, не зависящими от режимов работы активно - адаптивной электрической сети»; ГК № 14.577.21.0244 от 26.09.2017г. «Разработка технических решений программно-аппаратного комплекса цифровой подстанции с использованием отечественной элементной базы и операционных систем в составе устройств уровня присоединения и среднего уровня»; программа «ПРИОРИТЕТ-2030», проект «Разработка универсальной киберзащищенной аппаратно-программной платформы для построения систем управления и защиты распределительных электрических сетей, в том числе с ОРГ, включающей интерфейсы цифровой обработки сигналов, соответствующий стандартам МЭК (ЕС)»; НИР с АНО «Нижегородский НОЦ» № 16-11-2021/50 от 16.11.2021г., проект «Разработка устройств для автоматического повторного включения кабельно-воздушных линий электропередачи 110-500 кВ»; ГЗ в сфере научной деятельности по теме «Технологии повышения эффективности систем электроснабжения промышленных предприятий с источниками распределенной генерации» (FSWE-2025-0001).

Разработка методов и алгоритмов велась в рамках трех грантов, в которых соискатель был научным руководителем: грант Президента РФ 2019-2020гг. «Разработка методов распознавания волновых электромагнитных процессов для решения задач защиты и управления интеллектуальных электрических сетей»; грант Правительства Нижегородской области для молодых ученых в честь 800-летия г. Н. Новгорода (соглашение № 316-06- 16-48а/21 от 10.11.2021г.): «Разработка интеллектуальных алгоритмов функционирования релейной защиты и автоматики электрических сетей с возобновляемыми источниками энергии на основе нейросетевых

технологий»; грант Нижегородской области в сфере науки, технологий и техники (соглашение № 316-06-16-5a/22 от 20.05.2022г.): «Разработка технологии распознавания сложных аварийных режимов в интеллектуальных электрических сетях на основе имитационного моделирования и методов машинного обучения».

Результаты исследований внедрены в опытно-промышленных и промышленных образцах устройств РЗА, разработанных в рамках научно-исследовательских работ с индустриальными партнерами ЗАО «МПОТК «ТЕХНОКОМПЛЕКТ» (г. Дубна), ООО «ЭКСИТОН» (Н. Новгород), ООО «АЛИМП» (Н. Новгород), установленных на электросетевых объектах «Нижновэнерго», ОАО «РЖД», ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова». Заключены лицензионные договоры о предоставлении прав использования на 10 изобретений.

Материалы исследований внедрены в учебный процесс НГТУ им. Р.Е. Алексеева, НИУ «МЭИ» и используются в учебных курсах «Автоматизация систем электроснабжения», «Компьютерное моделирование систем электроснабжения», «Средства автоматизированного анализа и управления», «Применение ЭВМ в электроэнергетике», «Современная релейная защита», «Цифровая обработка сигналов», в дипломном проектировании, в новых курсах Передовой инженерной школы НГТУ им. Р.Е. Алексеева по направлению «Кибербезопасность электроэнергетических систем».

Степень достоверности результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью по критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных и прикладных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента, а также с результатами исследований других авторов.

Апробация результатов. Результаты диссертации представлены на девяти международных научных семинарах им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надёжности больших систем энергетики», Ташкент (2019 г.), Казань (2020 г.), Волжский (2021 г.), Алушта (2022 г.), Байкал (2023 г.), Архангельск (2024 г.); межд. науч. конф. «Far East Con», Владивосток (2018-2019 гг.), межд. науч.-техн. конф. молодых ученых «Энергия», Иваново (2018-2020гг.), Всерос. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы электроэнергетики», Н.Новгород (2018-2024гг.), межд. науч.-техн. конф. «Пром-Инжиниринг», Сочи (2019 г.), межд. науч.-техн. конф. UralCon, Челябинск (2019г.), национальной выставке «ВУЗПРОМЭКСПО» (2019-2020гг.), межд. науч.-практ. конф. «Электротехнические комплексы и системы» (International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems), Уфа (2021г.), межд. науч.-техн. конф. «Электроэнергетика глазами молодежи», Н. Новгород (2022г.), заседании Научно-технического совета НП «НТС ЕЭС», секции «Активные системы распределения электроэнергии и распределенные энергетические ресурсы» НП «НТС ЕЭС» и секции по проблемам НТП в

энергетике Научного совета РАН по системным исследованиям в энергетике, Москва (2022г.), межд. 49-й Сессии СИГРЭ, Париж, (2022г.), IX межд. науч.-техн. конф. «Развитие и повышение надежности распределительных электрических сетей», Москва (2024г.), межд. 50-й Сессии СИГРЭ, Париж, (2024г.).

Личный вклад автора. Состоит в теоретической и практической разработке и обосновании основных идей и положений работы, предложенных методов и моделей; организации, разработки и проведении имитационного моделирования, экспериментальных работ и расчетов; создании программ для ЭВМ. Полученные в диссертации результаты являются частью инициативных исследований автора, проведенных им лично, или с его участием.

В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат: постановка задачи исследования, обоснование основных идей и положений, планирование расчетов, имитационное моделирования, анализ режимов и результатов, предложения по модификации алгоритмов работы ИЭУ защиты и автоматики, подготовка обобщений и выводов. Авторские права на изобретения, программы для ЭВМ распределены между авторами поровну.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Лоскутов Антон Алексеевич, 2025 год

Источник питания <

Коммутатор D-LINK

Плата высокочастотной обработки сигналов

Вычислительный модуль блока высокочастотной обработки сигналов

OPS антенна

Рисунок 6.25 - Структурная схема полукомплекта разработанного опытно-промышленного образца комбинированной интеллектуальной защиты (с волновым модулем) [408]

Внешний вид двух полукомплектов комбинированной защиты представлен на рис. 6.26.

Рисунок 6.26 - Фотография двух собранных опытно-промышленных образцов (полукомплектов) комбинированной защиты [408]

Функциональная проверка полукомплектов проводилась по подготовленной программе и методике испытаний в лабораторных условиях. Каждая составная часть опытно-промышленных образцов комбинированной защиты соответствует всем требованиям, предъявляемым к микропроцессорным устройствам релейной защиты [412].

6.3.2 Реализация макетного образца устройства автоматического повторного включения кабельно воздушной линии электропередачи

В рамках грантовой поддержки [410] разработан макетный образец устройства, необходимого для осуществления функции автоматического повторного включения кабельно-воздушных линий (АПВ КВЛ) электропередачи 110 кВ в составе комбинированного ИЭУ защиты.

В макетном образце происходит формирование «волнового портрета» линии путем цифровой фильтрации аварийных переходных высокочастотных составляющих тока и напряжения и обработке этого «портрета» цифровыми методами, позволяющими распознать поврежденный участок. Также в макете реализуются разработанные алгоритмы оценки места повреждения, поврежденного участка и алгоритм принятия решения о запрете АПВ в случае распознавания повреждения на кабельном участке, демонстрируется физическая реализуемость разработанных алгоритмов.

При анализе вариантов схемного исполнения и структуры взаимодействия узлов макетного образца устройства АПВ КВЛ была принята следующая программно-аппаратная структура (рис. 6.27). Макетный образец устройство АПВ КВЛ состоит из:

- плата аналого-цифрового преобразования (АЦП) и цифровой обработки сигнала (ЦОС) на базе ПЛИС фирмы Altera (Плата обработки высокочастотного (ВЧ) сигнала);

- одноплатный компьютер (Raspberry Pi 3 model B+);

- стандартный промышленный блок питания;

- интерфейсы, кабели и шлейфы для соединения основных узлов;

- стандартный промышленный корпус алюминиевый для радиоэлектронной аппаратуры, обработанный с целью создания технологических отверстий.

Конфигурация ПЛИС ^—^ Сервисное ПО Рисунок 6.27 - Программно-аппаратная структура макетного образца устройства АПВ КВЛ

Произведена отладка алгоритмов с учетом особенностей аппаратной реализации. При проведении исследовательских испытаний макетного образца устройства АПВ КВЛ, с помощью генератора ВЧ сигнала производилась подача тестовых сигналов на макетные устройства. Показания осциллографа подтверждают соответствие выдаваемых сигналов заданным. На рис. 6.28 и рис. 6.29 показано соответствие сигнала, полученного на имитационной модели, и сигнала, зарегистрированного осциллографом. На рис. 6.30 показан аналогичный сигнал, зарегистрированный макетными устройствами АПВ КВЛ и отображаемый в абсолютных значениях по модулю.

Рисунок 6.28 - Сигнал, полученный на имитационной модели

Рисунок 6.29 - Сигнал, зарегистрированный осциллографом

Сигналы лот» МЭК-61850

Ч. X" 157.Э6 У= -0.22406

/\\ II \\_

| \

\ //X

160 240 320 400 480

Ф Подключение устройства 192.168.224.65.. Ф Устройство 192.168.224.65 подключено Ф Подключение устройства 192.168.224.66..

Ф Устройство 192.168.224.66 подключено

Рисунок 6.30 - Сигнал, зарегистрированный макетными образцами устройств АПВ КВЛ

(отображается модуль сигнала)

Таким образом, созданный, работающий образец макетного устройства АПВ КВЛ демонстрирует физическую реализуемость разработанных алгоритмов, а также возможность разработки полноценного опытно-промышленного образца ИЭУ с комбинированными защитами и функцией АПВ КВЛ на основе волновых методов.

Далее представлены фотографии оборудования лабораторного стенда для исследовательских испытаний макетного образца устройства АПВ КВЛ.

б)

Рисунок 6.31 - Фотография оборудования лабораторного стенда: а) 2 макетных устройства, генератор ВЧ сигнала, осциллограф; б) генератор ВЧ сигнала, осциллограф, 2 резистивных

делителя с ВЧ кабелями

6.4 Выводы по главе 6

1. Проанализированы существующие способы одностороннего ВОМП, а также предложен новый метод на основе распознавания волновых портретов. Результаты имитационного моделирования показали высокую точность разработанного алгоритма ВОМП, а также его применимость при различных видах повреждений в СЭС ПП.

2. Для реализации разработанного одностороннего ВОМП целесообразно использование нормированной корреляционной функции для исключения «промахов» расчетного алгоритма.

3. Проанализированы методы объединения волновых и традиционных защит, отмечены преимущества по расширению зоны защиты и повышения быстродействия, которые при этом достигаются. На основе проведенных исследований на имитационных моделях обосновано применение нового разработанного способ интеграции защит.

4. Продемонстрирована реализация принципов комбинирования волновых методов и методов по параметрам аварийного режима в опытно-промышленных и макетных образцах ИЭУ защиты.

ГЛАВА 7 Аппаратно-программная реализация киберзащищенных многопараметрических устройств цифровой защиты с применением компонентов промышленной автоматизации

В соответствии с концепцией «Цифровая подстанция» и «Цифровая трансформация», [413] получившей статус национального проекта в 2018г., требуется создание прорывных решений для управления и защиты цифровых «интеллектуальных» сетей, особенно для сетей и СЭС ПП с ОРГ, которые могли бы быть масштабируемыми и обеспечивали необходимые требования информационной безопасности, что особо актуально в нынешних реалиях. Необходимо создание технологической, нормативной, аппаратной, программной и производственной базы, с целью массового внедрения в энергетическую отрасль инновационного высокоэффективного продукта - необслуживаемых модульных самодиагностируемых электрических подстанций и станций («цифровых подстанций»), в том числе с применением централизованных, децентрализованных и гибридных принципов построения систем защиты и автоматики.

Для этого нужно создание комплексных научно-технических решений для управления и защиты «цифровых» активно-адаптивных электрических сетей в условиях «цифровой экономики» на основе стандарта МЭК 61850. Решения должны обладать универсальностью и масштабируемостью для энергетических объектов различных классов напряжения [413-417].

7.1 Разработка аппаратно-программной платформы для интеллектуальных

электронных устройств

В рамках государственных контрактов, хоздоговоров и грантов [408-411] в течение 10 лет при непосредственном участии авторов создана новая отечественная аппаратно-программная платформа для реализации устройств РЗА и ИЭУ для электроэнергетики.

Изменение геополитической обстановки в мире, начиная с февраля 2022 года, перераспределение товарных и денежных потоков привело к переориентации рынков товаров для электроники и электроэнергетики. Возникший дефицит некоторых комплектующих потребовал использования преимущественно отечественных компонентов в составе ИЭУ для электроэнергетики. На этом был сделан особый акцент при проработке аппаратно-программной платформы.

Внедрение технических решений для киберзащищенной аппаратно-программной платформы для построения систем управления и защиты электрических сетей с использованием

отечественной элементной базы позволит существенно снизить долю импортной продукции в электрических сетях, обеспечить улучшенную ремонтопригодность, снизить время проведения аварийно-восстановительных работ, повысить надежность и кибербезопасность энергосистем [418].

Разработаны комплексные технические решения киберзащищенной аппаратно-программной платформы для построения систем управления и защиты электрических сетей с использованием отечественной элементной базы и операционных систем. Положительный эффект внедрения будет заключаться в развитии отечественного производства, возможности выхода с конкурентной продукцией на мировые рынки, развитии смежных отраслей промышленности (например, микропроцессоров и радиоэлектроники).

7.1.1 Аппаратная составляющая экспериментальных образцов интеллектуальных электронных устройств

Технология построения аппаратной части основана на применении компонентов промышленной автоматизации высокой заводской готовности. Аппаратная часть выполнена преимущественно на отечественной элементной базе и масштабируются под конкретный энергетический объект.

В ходе исследований разработано несколько архитектур построения аппаратной части в зависимости от функционального состава устройства, требований надежности, резервирования, кибербезопасности. Также разрабатывались централизованные и децентрализованные решения организации устройств РЗА. Данные разработки отражены в [408,409].

Рассмотрим один из предпочтительных вариантов организации экспериментального образца терминала РЗА для энергорайона (или СЭС ПП) с несколькими источниками, в том числе ОРГ. В этом случае, как было отмечено в главе 1, целесообразно делать двухуровневую РЗА в составе двух полукомплектов защиты.

Для каждой зоны защиты (защищаемого участка сети):

- на первом уровне применяется быстродействующая защита абсолютной селективности: дифференциальная защита или дифференциально-логическая защита с использованием каналов связи и сети по МЭК 61850;

- на втором уровне применяются многопараметрические защиты и автоматика, основанные только на локальных измерениях в месте установки ИЭУ и на алгоритмах, рассмотренных в главах 2-6. Данный уровень защиты имеет обучающий модуль, на котором защита предварительно обучается, тестируется и формирует параметры срабатывания, основанные на статистических данных имитационного моделирования всевозможных режимов работы (см. рис. 7.1).

Опытно промышленные образцы реализации защиты первого уровня: ДЗЛ с организацией информационного обмена по протоколу SV (МЭК-61850-9-2) представлены в п. 7.5.

Разработка экспериментального образца терминала многопараметрической РЗА включает в себя разработку, проектирование и изготовление отдельных составных частей, таких как корпус, экран, платы различного назначения, а также их последующую сборку в единое интеллектуальное электронное устройство.

В состав аппаратного обеспечения одного полукомплекта устройства защиты должны входить следующие элементы:

1. Материнская плата с процессором Эльбрус 8C или Байкал-М - количество 1;

2. Блок питания Foxconn 300W Flex PSU, APFC, 40FAN, 24 pin, 4 Pin (12V), 3*Sata, 1*4PIN Molex - количество 1;

3. Сенсорный LCD Монитор 12'' (моноблок)- количество 1;

4. Коммутатор Optimus UG1-8 12V - количество 1;

5. Модуль памяти 120 ГБ 2.5" SATA накопитель WD Green - количество 1;

6. Медиаконвертер 10/100Base-T в 100Base-FX, Tx:850 нм, расстояние 500 м, MMF, SC, внешний б/п 5В - количество 1;

7. Оперативная память AMD Radeon R7 Performance Series [R744G2133U1S-U] 4 ГБ -количество 1;

8. Кросс-плата - CR-STM2 - количество 1;

9. Плата дискретных входов-выходов - DGIO-RJ-D - количество 2;

10. Плата аналоговых входов (5 напряжений, 5 токов) - TI5U5ID - количество 1;

11. Плата аналоговых входов (10 токов) - TI10I - количество 1;

12. Комплект панелей для плат: CR-STM2, DGIO-RJ-D, TI5U5ID, TI10I - количество 1;

13. Специализированный корпус 6U- количество 1;

14. Материалы и комплектующие: диодный мост, конденсаторы, разъемы, резисторы, светодиоды, клеммы, кабели, адаптеры.

15. Обучающий модуль в составе:

15.1. Одноплатный микрокомпьютер: NVIDIA Jetson Orin Nano 8Gb, Шестиядерный процессор Arm Cortex-A78AE v8.2 - количество 1;

15.2. Модуль памяти: твердотельный накопитель Samsung 1 ТБ M.2 MZ-V8V1T0BW.

Устройство функционирует в паре с вторым полукомплектом, поэтому требуется

удвоенное количество указанных компонентов.

Структурная схема возможного экспериментального образца устройства релейной защиты для энергорайона или СЭС ПП с ОРГ представлена на рис. 7.1.

Каждая составная часть экспериментального образца соответствует всем требованиям, предъявляемым к микропроцессорным устройствам релейной защиты, имеет показатели надежности не ниже требуемых.

Модуль измерительных каналов

«Неисправность»

USB

УББ

~/=220В

Ethernet 3TX

Рисунок 7.1 - Структурная схема одной из модификаций экспериментального образца

терминала многопараметрической РЗА

Архитектура построения аппаратной части устройства многопараметрической РЗА на стандартизованных компонентах АСУ ТП позволяет использовать несколько модулей аналоговых измерений и дискретных входов/выходов, что, в свою очередь, позволяет реализовать различные виды релейной защиты на базе одного устройства. Один терминал допускает установку до 30 аналоговых каналов, 66 дискретных входов и 60 дискретных выходов.

Важной составляющей в модульной конструкции экспериментального образца терминала многопараметрической РЗА являются печатные платы различного назначения:

- CR-STM2 - кросс-плата;

- DGIO-RJ-D - плата дискретных входов-выходов;

- TI5U5ID - плата аналоговых входов (5 напряжений, 5 токов);

- TI10I - плата аналоговых входов (10 токов).

Специализированные платы изготовлены в соответствии с эскизной конструкторской документацией на экспериментальный образец устройства релейной защиты [419].

К каждой плате были разработаны Gerber-файлы, представляющие собой способ описания проекта печатной платы для изготовления фотошаблонов на разнообразном оборудовании, Drill-файлы - файлы сверления необходимы для получения отверстий в печатной плате, габаритные чертежи с компоновкой элементов на платах, BOM-файлы (англ. - Bill Of Materials) -спецификация компонентов, необходимых для установки на печатной плате.

Кросс-плата (СЯ-8ТМ2)

Кросс-плата является универсальной и обеспечивает согласование кабельной части плат аналоговых входов и дискретных входов/выходных реле с платами ввода/вывода разных производителей, имеющими разные конструктивные разъёмы.

а)

б)

Рисунок 7.2 - Кросс-плата (CR-STM2): a - габаритный чертеж; б - фото собранного модуля кросс-платы

Плата дискретных входов-выходов (DGIO-RJ-D)

Плата дискретных входов-выходов необходима для выдачи и принятия сигналов, являющихся с точки зрения программы логическим нулем или единицей. Такой сигнал способен замкнуть или разомкнуть управляющую или питающую цепь подключенного устройства, тем самым выполнив необходимый алгоритм работы.

а) б)

Рисунок 7.3 - Плата дискретных входов-выходов (DGЮ-RJ-D): a - габаритный чертеж; б - фото собранного модуля дискретной платы

Плата аналоговых входов (TI5U5ID)

Данная плата аналоговых входов необходима для ввода непрерывного сигнала с первичных измерительных преобразователей, датчиков и других внешних устройств. В данной плате реализовано 10 аналоговых каналов (5 каналов для измерения напряжений и 5 каналов для измерения токов). Характеристики аналоговых входов платы Т!5и5ГО представлены в [419].

вид спереди:

а) б)

Рисунок 7.4 - Плата аналоговых входов (Т15и5ГО):

a - габаритный чертеж; б - фото собранного модуля аналоговой платы

Плата аналоговых входов (TI10I)

Данная плата аналоговых входов необходима для ввода непрерывного сигнала с первичных измерительных преобразователей, датчиков и других внешних устройств. В данной плате реализовано 10 аналоговых каналов (10 каналов для измерения токов).

ЧЛЛ1ЧИ1 1ШШШ

Рисунок 7.5 - Фото собранного модуля аналоговой платы TI10L

Вид собранного одного полукомплекта экспериментального образца терминала многопараметрической РЗА с поддержкой протокола МЭК 61850 представлен на рис.7.6.

в) г)

Рисунок 7.6 - Аппаратное исполнение экспериментального образца терминала

многопараметрической РЗА

а - каркас корпуса с установленными модулями плат (вид спереди); б - каркас корпуса с установленными модулями плат (вид сзади); в - мини ПК Байкал с блоком питания; г -

собранный терминал.

Модульная конструкция аппаратной части позволяет конфигурировать различные конструктивные варианты ИЭУ, как децентрализованном (рис. 7.7-7.13), так и в централизованном исполнении (рис. 7.14-7.15). С тыльной стороны устройства осуществляется монтаж специализированных печатных плат ввода-вывода и служебных плат. На фронтальной стороне устройства установлены ЖК-панель оператора, клавиши оперативного управления, ключ переключения режимов, ШВ-интерфейс. Технология позволяет масштабировать набор печатных плат, процессорных блоков, модулей памяти в зависимости от решаемых задач, от назначения, функционала ИЭУ и зон защиты.

Рисунок 7.7 - Модификация терминала резервных защит 110-220 кВ

Рисунок 7.8 - Модификация полукомплекта защиты абсолютной селективности 110-220 кВ с волновым блоком

Рисунок 7.9 - Модификация терминала Рисунок 7.10 - Модификация №1

защит ЛЭП 110-220 кВ универсального терминала защиты 6-35 кВ

Рисунок 7.11 - Модификация №2 терминала защиты присоединения 6-35 кВ

Рисунок 7.12 - Модификация №3 терминала защиты присоединения 6-35 кВ в работе

Рисунок 7.13 - ИЭУ 6-35 установленные в отдельные шкафы перед установкой в опытно-промышленную эксплуатацию

Рисунок 7.14 -Модификация ИЭУ в централизованном исполнении для защит 6-220 кВ

Среди разработанных вариантов модификаций ИЭУ наиболее перспективным является централизованная защита участка электрической сети. Возможность её создания появилась с появлением высокопроизводительных промышленных компьютеров и стремительному развитию коммуникационных технологий, реализующих широкомасштабный обмен информацией. Централизованная защита участка сети с применением новых алгоритмов реализуется на основе измерений от несколько информационных точек, способна обеспечить быстрое, надежное и точное обнаружение повреждений, за счет синхронизированного обмена SV-потоками в соответствии с протоколом протокол PTPv2 (IEEE 1588v2). На рис. 7.14 представлено аппаратное ИЭУ с интеграцией защиты линии, трансформатора, генератора и батареи статических конденсаторов.

На рис. 7.15 представлен вариант интегрированного программно-аппаратного

Устройства нижнего уровня ЦПС

г

» 1

шшшпгтттииншшмиишшттшипшшштшшш'

\\ • (

Рисунок 7.15 - Кластер взаиморезервируемых ИЭУ в интегрированном исполнении для защиты ЦПС 110/10 кВ

комплекса (ПАК) для цифровой подстанции (ЦПС), построенного по принципу виртуализации физических терминалов РЗА. Структура ПАК изображена на рис. 7.16.

- к другим ПС, Средства связи

к РДУ, ЦУС ^

<->

Устройство управления верхнего уровня (серверы)

связи с резервированием

Устройства управления

среднего уровня | «■»» -П Г-Н — —1 ... п п. 1

(специализированные вычислительные устройства)

связи с резервированием

связи с резервированием

Устройства управления нижнего уровня (Контроллеры присоединения)

Силовое

оборудование ПС и другие объекты управления

Коммутационная

аппаратура и прочие объекты управления в силовой части ПС

Измерительные трансформаторы (традиционные и оптическими выходами)

Цифровые устройства управления предыдущих поколений, не поддерживающие МЭК 61850

В

(ЮПп

□ п

и

» I I г^ч ► I I

-еекЗОО

Рисунок 7.16 - Структура программно-технического комплекса цифровой подстанции с

применением МЭК 61850 [409]

Основой структуры интегрированного ПАК является выделение устройств управления нижнего уровня и среднего уровня, объединенных единой шиной процесса (устройства среднего уровня объединены также шиной подстанции). Данные уровни являются необходимой и неотъемлемой частью системы управления ЦПС (рис. 7.16).

Устройства управления верхнего уровня: ПТК АСУ ТП, сервер ТМ, ПТК ССПТИ, связь с центром управления и т.д. - не являются необходимым элементом структуры ПАК и могут отсутствовать (например, на малоответственных подстанциях 110 кВ и ниже).

Централизация РЗА и управления ЦПС осуществляется на среднем уровне (и/или на верхнем уровне при его наличии).

Контроллеры нижнего уровня (присоединения) реализуют функционал устройств измерения, устройств сопряжения (MU) и, частично, интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ) с полной поддержкой протоколов связи МЭК 61850:

- аналого-цифровое преобразование и формирование потоков SV,

- обмен сообщениями по МЭК 61850 по шине процесса,

- дискретные выходы,

- дискретные входы,

- функции измерения и учета электроэнергии, сигнализации, регистрации, функции резервных РЗА присоединения и функции управления выключателем (для резервирования устройств среднего и верхнего уровня при их отказе или отказе системы связи по МЭК 61850).

Контроллеры среднего уровня структурно представляют собой специализированные вычислительные устройства с цифровыми интерфейсами связи Ethernet, DVI/HDMI, USB и полной поддержкой протоколов связи по стандарту МЭК 61850. Функционально контроллеры среднего уровня будут реализовывать централизованную систему РЗА и управления ЦПС (функции с максимальной производительностью и эффективностью управления), а также связь контроллеров нижнего уровня с верхним уровнем управления.

7.1.2 Программная составляющая экспериментальных образцов интеллектуальных электронных устройств

Технология организации программной части построения ИЭУ с многопараметрической РЗА с применением протокола МЭК 61850 предусматривает две части [408,409]:

- базовое системное программное обеспечение;

- конфигурационное программное обеспечение.

Программное обеспечение ИЭУ, включая базовое системное программное обеспечение и конфигурационное, предназначено для работы под управлением ОС «Эльбрус» и процессорах «Эльбрус- 1С+» и выше.

7.1.2.1 Базовое системное программное обеспечение

Базовое системное программное обеспечение предназначено для обеспечения работы ИЭУ с многопараметрической РЗА, реализации основных функций управления и защиты, включая работу со специализированными платами ввода и платами вывода.

Перечень функций, реализуемых базовым системным программным обеспечением для работы ИЭУ с многопараметрической РЗА:

- визуализация мнемосхем ИЭУ с многопараметрической РЗА и реализация человеко-машинного интерфейса (ЧМИ);

- управление уставками и режимами работы ИЭУ с многопараметрической РЗА;

- реализация алгоритмов управления и защиты, разработанных пользователем с помощью программного обеспечения DsEditor на языке FBD;

- контроль срабатываний различных типов алгоритмов защит;

- запись осциллограмм в формате Comtrade по событиям;

- контроль работы и самодиагностика ИЭУ с многопараметрической РЗА.

Базовое системное программное обеспечение для ИЭУ с многопараметрической РЗА реализуется двумя основными приложениями: Программное обеспечение «Visi» и Программное обеспечение «Runtime».

Программное обеспечение «Visi» - специализированное системное программное обеспечение для визуализации мнемосхем на ИЭУ с многопараметрической РЗА, а также реализации человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) и оперативного управление устройством.

Программное обеспечение «Visi» представляет собой набор исполняемых файлов, которые предназначены для запуска под управлением ОС «Эльбрус».

Экранные формы программного обеспечения «Visi» приведены на рис. 7.17 - 7.20.

Рисунок 7.17 - Возможная мнемосхема устройства (основной экран) на примере ВЛ 220 кВ Сергеевская - Городецкая 2 с выделенным блоком индикации и срабатываний

Рисунок 7.18 - Возможная мнемосхема устройства (основной экран) на примере ВЛ 220 кВ Городецкая - Чкаловская 2 с возможностью задания уставок по защитам

Рисунок 7.19 - Возможная мнемосхема устройства на примере АТ-4 125 МВа с возможностью

задания уставок

Рисунок 7.20 - Возможная мнемосхема устройства на примере ВЛ 220 кВ Сергеевская -Городецкая 1 с возможностью задания уставок

Программное обеспечение «Runtime» - специализированное системное программное обеспечение, предназначенное для обеспечения работы оборудования ИЭУ с многопараметрической РЗА, включая работу со специализированными платами ввода и платами вывода, а также для обеспечения работы ИЭУ с многопараметрической РЗА как сервера МЭК 61850.

Функциональность Runtime обеспечивает:

1) измерение сигналов с аналоговых каналов для измерения напряжений и токов, накопление данных в буфере заданной длины (16 - 256 отсчетов);

2) вычисление комплексных значений входных напряжений и токов, комплексных сопротивлений и реализация пусковых органов в соответствии используемым алгоритмом управления ИЭУ с многопараметрической РЗА;

3) прием входных дискретных сигналов (до 66 входов, объединенных в группы по 11);

4) программная реализация заданных пользователем алгоритмов управления с помощью языка функциональных блоков (FBD);

5) управление выходными реле с контролем статуса каждого из них (до 60 выходных реле, объединенных в группы по 10);

Программное обеспечение «Runtime» взаимодействует с ПО «Visi» через сетевой интерфейс с использованием протокола MMS стэка МЭК 61850. Возможны две конфигурации:

1) приложения работают на раздельных вычислительных машинах, связанных локальной вычислительной сетью (ЛВС).

2) оба приложения работают локально на вычислительной машине ИЭУ с многопараметрической РЗА.

Задание уставок, параметров, временных задержек и управление логикой работы ИЭУ с многопараметрической РЗА пользователь может осуществлять с помощью локального интерфейса пользователя на экране, а также с помощью взаимодействия по сети с помощью MMS.

7.1.2.2 Конфигурационное программное обеспечение

Конфигурационное программное обеспечение предназначено для обеспечения работы ИЭУ с многопараметрической РЗА, реализации основных функций и разработки алгоритмов работы ИЭУ различного назначения и функционала с использованием специализированного языка функциональных блоков (FBD).

Специализированное конфигурационное ПО позволяет пользователю строить комплексные процедуры, состоящие из различных функциональных библиотечных блоков. Пользовательские алгоритмы должны загружаться в ИЭУ с помощью конфигурационного ПО в виде специализированных файлов.

Конфигурационное программное обеспечение для управления ИЭУ является специализированным программным обеспечением. Интерфейс пользователя данного ПО включает оконный режим работы, графический редактор, библиотеки стандартных алгоритмов. Наличие отладчика позволяет имитировать работу алгоритма, просматривать состояние переменных, ход исполнения.

Конфигурационное программное обеспечение разработано для выполнения на всех версиях операционной системы Linux и ОС «Эльбрус» и позволяет выполнять следующие операции:

- разработку логических схем для реализации требуемой логики работы ИЭУ с использованием блоков функциональных диаграмм (FBD);

- генерация исходного кода для системного программного обеспечения ИЭУ с применением протоколов стандарта МЭК 61850 - ПО Runtime и Visi;

- тестирование разработанной логики, используя внутренние средства DS Editor и в качестве входной информации файлов в формате Comtrade и данных, задаваемых пользователем системы.

ИЭУ позволяет осциллографировать аналоговые сигналы прямого ввода с ТТ / ТН и дискретные сигналы, реализуя функционал регистратора аварийных событий. Записанные осциллограммы сохраняются в формате COMTRADE и загружаемы с устройства с помощью конфигурационного программного обеспечения, позволяют осуществлять передачу на верхний уровень АСУ (SCADA) с использованием протоколов стека МЭК 61850.

Конфигурационное программное обеспечение для ИЭУ имеет название DS Schema Editor или, сокращенно, DS Editor. Оно представляет собой программу в виде визуального отображения исходных кодов, которые транслируются в язык машинных команд с возможностью их последовательно-параллельного выполнения. Использование визуального восприятия программиста (оператора), приводит к ускорению процесса идентификации и логического ассоциирования программных связей.

Аппаратные и программные требования к основному автоматизированному рабочему месту (АРМ) для программного обеспечения «DS Schema Editor» приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1 - Аппаратные требования к АРМ

п/п Компонент Требование

1 Процессор Intel Pentium 4 частотой 2.8 ГГц или выше

2 Оперативная память не менее 8 Гб

3 HDD - накопитель не менее 80 Гб

4 Версия ОС ОС семейства Linux (например, Linux Mint), ОС «Эльбрус»

Полный комплект необходимого программного обеспечения для ИЭУ состоит из трех основных компонентов:

1) Runtime - среда исполнения и работа с аппаратной платформой ИЭУ;

2) Visi - человеко-машинный интерфейс ИЭУ;

3) DS Schema Editor - конфигурационное ПО.

Конфигурационное ПО из этого набора - единственное ПО, которое предназначено для запуска вне ИЭУ. Конфигурационное ПО должно быть запущено на автоматизированном рабочем месте (АРМ) пользователя.

В комплекте с конфигурационным программным обеспечением находятся все необходимые установочные файлы. После запуска установочного файла и установки конфигуратора на рабочем столе ОС Linux доступен ярлык запуска приложения.

После успешного запуска приложения пользователю предоставляется интерфейс конфигурационного программного обеспечения. Дальнейшая работа по конфигурации устройства и разработке алгоритмов функционирования устройства ведется здесь.

При создании логической схемы в приложении «DS Schema Editor» пользователю доступен следующий набор элементов:

- входной 16-битовый регистр;

- промежуточный 16-битовый регистр;

- конфигурационные переключатели;

- элементы задержки;

- входной 16-битовый регистр логических состояний пусковых органов;

- выходной 16-битовый регистр индикации;

- выходной 16-битовый регистр управления реле;

- логический элемент "or";

- логический элемент "and";

- RS-триггер.

Полная логическая схема в редакторе может быть разбита на определяемое пользователем количество подмодулей, каждый из которых может содержать произвольный набор перечисленных ранее элементов из набора логики FBD.

Разрабатываемая пользователем логика ИЭУ может содержать неограниченное число входных регистров, промежуточных регистров и выходных регистров. Схемы логики могут содержать неограниченное число конфигурационных переключателей и задержек, которые требуемым образом группируются в группы по 16 элементов.

Логические сигналы внутри схемы редактора FBD распространяются от контактов входных регистров до элементов функциональных блоков. Выходные и входные логические сигналы разных функциональных модулей соединяются с помощью контактов промежуточных регистров. Выходные сигналы функциональных модулей поступают на контакты выходных регистров.

Результатом разработки и конфигурации ИЭУ в конфигурационном программном обеспечении является набор исходных файлов (на языке C++, позволяющим разрабатывать кроссплатформенные приложения для различных операционных систем, например, Linux и ОС «Эльбрус»), предназначенных для сборки базового системного программного обеспечения ИЭУ - ПО Runtime и Visi. В связи с этим имеются специализированные требования к именованию при разработке схем ИЭУ на FBD:

- использование исключительно английского языка;

- именование закладок функциональных блоков на английском языке и без пробелов (в дальнейшем данные имена транслируются в имена функций C++);

- именование входных, выходных и промежуточных регистров на английском языке;

- в пользовательских комментариях допускается использование русского языка.

Конфигурационное программное обеспечение предназначено для запуска и работы под ОС семейства Linux, например, Linux Mint.

Рисунок 7.21 - Внешний вид пользовательского интерфейса DS Schema Editor [409]

Базовый интерфейс пользователя конфигурационного программного обеспечения (приложения) состоит из основных составных частей (рис. 7.21):

- дерево объектов проекта (конфигурируемого ИЭУ);

- основная область - редактор логики FBD;

- панель инструментов;

- панель закладок. В режиме разработки логики - это графические поля с функциональными блоками разрабатываемой логики, в режиме просмотра исходных кодов базового системного программного обеспечения - закладки с исходными текстами, в режиме моделирования - графические поля с временными рядами аналоговых или логических сигналов.

После прорисовки логической схемы ИЭУ для создания исходных кодов требуется выбрать пункт «code» на панели инструментов.

» D5 Schema Editor ver. 17.12.1 - P0201 [ДЗШ.ДЗШ (вх.сигналы)] _ + X

^ Schema -j Model fU Settings J @ Code <0 Agents

ЕВ Ф С

Save.. Push.. History..

QLogicSim.cpp QLogicSim.h P0201.cid 1С D Tree include "QLoglcSlm.h" -Include "Application,h"

QLoglcSlm::QLogicSlm(QObject■ parent) : QOBjectfparent)

С

RzaApplication app [RzaApplication'JqApp ndio - app -dlo; ■imp app imp;

delay_count = 37; swltch_count = fil; counter_count - 9;

agentcount - 1; lnter_comt = IS; leds_count = 2; relay_count = л ; src_count = 30;

src_buffer = new qulntia[src_count];

}

QLoglcSlm:: -QLoglcSlm[) ' t

delete src_t>utrer;

void QLoglcSim; ;init() t

RzaApplication app (RzaApplication JqApp

n_ppp app-^global- n_dval[LINEPPP]

BEraseLeds - 0;

pInput s iDZBl.

pAgent iAgentl:

pLed iLed2:

pRelay - ¿Realyl;

plnter - filnterl;

pLogic - -ХВЭ1.

pDelay - А0ТЭ1,

OTOl.init(I, 0.0ЭО, m_ppp);

DTe2.1nlt(S. 6.080, m_ppp);

OTW.imtci, e.ese, m_ppp);

DT04.lnlt(0r eue, m_ppp);

DT05.1nlt(0. В ©40, m_ppp);

DTee.mit(0, 6,030, m_ppp);

OT07.lnlt(e, 0,080, m ppp);

DT08.1nlt(e, В.130, m ppp};

DT09.1nlt(0. 0,640, m ppp);

DS Schema Editor ver.17.1Z1-P0321 [БК,ДЗ,ДЗЛ,МТЗ,Местная сигнализация,ТНЗНП,Токовая отсечкагУРОВ,ТЕСТ]

ît, Schema (-J Model Semngs © Cade | ^ Agents

¡2 Ф С

Save.. Push.. History..

QLogicSim.cpp QLogicSim. h P0321.cid ICD Tree

lnput_l st append( [DIC 02] Гуси УРОВ от ДЗШ");

st appendf [DIC S3] Пуск УРОВ от внешних защит");

st.appendf [DIC 04] Вывод УРОВ");

lnput_l st append! [DIC 05] Гуси УРОВ от внешнего сигнала");

st.appendf [DIC 06] Вывод ДЗЛ");

st.append! [DIC 07] Вывод I ст, НТЗ1');

lnput_l st append! [DIC 08] Вывод дз");

st.append! [DIC 09] Вывод II ст. МТЗ");

st.append( [DIC 10] Внешний УРОВ");

input_l st.appendf [DIC 11] Внешний запрет АПВ");

st.append! [DID 01] Ввод ОУ ТНЗНГГ);

st.appendf [DID 02] Ввод ОУ ДЗ");

input_l st.append| [DID 03] Вывод ДЗ"):

st.appendf [DID 04] Вывод 1з ступени ДЗ");

st.appendf [DID 0Ь] Резерв");

st.appendf [DID 06] Резерв");

lnput_l St append! [DID 07] Резерв");

st. appendf [DID 08] Выход ВчТО К1 от внешнего устройс

st. append! [DID 09] ВЧТО 1*1");

lnput_l st append! [DID 10] ВЧТО »2");

input_l st.append! 111. 11] ВЧТО КЗ");

st.append! PT УРОВ А)");

agent_l st append! PT У РОВ B)"); C)");

st.append! PT УРОВ

st.append! Сброс индикации");

agent_l st append!

st. append!

st.appendf

st.appendf

st.appendf

st.appendf

st.appendf

agent_l St append!

st.appendf

st.append!

agent_l st append!

st.append!

st.append! дзл ОСИ фаза А)");

agent.l st.append! дзл оси фаза В)");

st.append! дзл оси фаза С)");

st.appendf дзл доп фаза А)");

agent_l st .append! дзл доп фаза В)");

st.appendf дзл доп фаза С)") :

st.appendf дто А>">;

St.append! дто фаза В)");

st.appendf дто фаз

st.appendf дзл отв фаза А)») С~П.П В',"')

ÎSÎÏÏ"} st append! дзл отв •

Рисунок 7.22 - Пример генерации исходных кодов

В основном окне после генерации соответствующего кода пользователю будут доступны исходные коды базового системного программного обеспечения Runtime, предназначенные для сборки под процессор и ОС «Эльбрус». Также будут доступны файлы генерации пользовательского интерфейса для Visi и SCL-файл описания ИЭУ. Каждая закладка представляет собой текстовый редактор с простым набором средств редактирования и подсветкой синтаксиса. Пользователю доступна возможность сохранения данных исходников (кнопка "Save").

При разработке логики работы ИЭУ у пользователя есть возможность провести моделирование его работы с использованием в качестве исходных данных информации о токах, напряжениях и входных бинарных сигналов из файлов в формате Comtrade. Для перехода в режим моделирования требуется выбрать закладку model на панели инструментов.

DSSchema Editor ver. 17.12.1 - Р0240 [АПВ,ДУВ,ЗНФ и ЗНФР, Местная еигнализация,УРОВ,ТЕСТ] + X

гъ Schema © Model Settings @ Code © Agents

о» a Open.. Add * I- Run

Name Description Signals 1 X

▼ :. Comtrade Data <a e © <a ,-, ,-, time (sec) Zoom In Zoom Out 1:1 =1 '-' '-'

Diagram PC ДЗ - omp phase

ж Binary

И Канал 1 [у Канал 2 Канал 3 * Processing Data Not Used 438 976 1464 1953 2441 2929 3417

Not Used Not Used Аналоговый канал ШААШАААЛАШШУШ ШШШААААЛЩШШШ

► *><, Agent ► -f- Inter ► f- Led * â Relay ШШШШШШШп I I mWWWWWWWm

Рисунок 7.23 - Моделирование работы ИЭУ (задание аналоговых и дискретных сигналов)

В качестве основной библиотеки МЭК 61850 конфигурационное программное обеспечение использует библиотеку libiec61850 (http://libiec61850.com/libiec61850/)/

Данная библиотека полностью поддерживает стандарт МЭК 61850 (Edition 1 и Edition 2) и позволяет интегрировать его в разрабатываемые приложения. Написана библиотека с использованием C++, что позволяет встроить ее в конфигурационное и системное программное обеспечение ИЭУ и использовать на ОС семейства Linux и программно-аппаратных комплексах Эльбрус.

7.1.3 Обеспечение кибербезопасности в интеллектуальных электронных устройствах многопараметрической защиты и автоматики

На настоящем этапе развития электроэнергетической отрасли новые компьютерные технологии контроля, управления, мониторинга, измерений и передачи данных, используемые управления ими, имеют целый ряд преимуществ перед традиционными технологиями, но и увеличивают их уязвимость при компьютерных атаках извне как на отдельные элементы электроэнергетической сети и СЭС 1111, так и на единую национальную электрическую сеть в целом. Поэтому внедрение новых технологий должно производиться с учётом требований

защиты информации и самой информационной системы от несанкционированных внешних воздействий [420-424].

Компьютерные атаки направлены в основном на срыв технологических операций в ЭЭС и могут привести к разрушению системной инфраструктуры, травмам и гибели людей, нанести ущерб производствам промышленной и сельскохозяйственной продукции, транспорта, ЖКХ, окружающей среде, вызвать экономические и финансовые сбои и др.

Объектом технологического управления является центр питания - цифровая подстанция (ЦПС) напряжением 6 - 750 кВ с использованием МЭК 61850. Компоненты системы информационной безопасности (ИБ) таких объектов должны быть интегрированы автоматизированную систему технологического управления.

В соответствии с критериями значимости, определёнными Постановлением Правительства РФ № 127 [421], электроподстанции относятся к значимым объектам критической информационной инфраструктуры (ЗОКИИ). Фактически системы технологического управления этих объектов построены с использованием технологий зарубежных производителей, многие из которых прекратили свою деятельность и техническую поддержку заказчиков в РФ в 2022 году, например, SIEMENS, ABB, GE, ALSTOM, SPRECON, INTEL, DELL, HP, MICROSOFT. Технологические риски и риски ИБ для электроэнергетики РФ при продолжении эксплуатации решений этих зарубежных компаний возрастают и становятся неуправляемыми. Именно поэтому государство с 01.01.2025 года вводит запрет на применение систем технологического управления, систем ИБ и оборудования зарубежных производителей в составе ЗОКИИ РФ [425].

Выход Указов Президента № 166 от 30.03.2022г. и № 250 от 01.05.2022г. [422,424,425] конкретизировал сроки, в которые на объектах КИИ РФ должен произойти отказ от иностранного ПО и оборудования, а связанное с ними Постановление Правительства РФ № 1478 от 22.08.2022г. [426]. определило соответствующие требования: с 1 января 2025 г. госорганам запрещается использовать иностранное программное обеспечение (ПО) на объектах критической информационной инфраструктуры (КИИ).

Обеспечение кибербезопасности ИЭУ и ПАК - это задача, требующая комплексного подхода в ее решении. Для каждого физического интеллектуального электронного устройства (далее ФИЭУ), в составе которого могут работать сразу несколько виртуальных ИЭУ (далее ВИЭУ) устанавливается локальный периметр безопасности [409]. В соответствии утвержденными стандартами в ПАО «Россети» приказом №64 от 29 марта 2019, к каждому ИЭУ и элементу ПАК должны применяться комплексные технические и организационные мероприятия по обеспечению информационной безопасности [427,428].

Основными компонентами локального периметра безопасности ИЭУ и ПАК являются

- доверенная аппаратная платформа, выполненная с учетом требований по кибербезопасности преимущественно на отечественной элементной базе;

- доверенная программная платформа в виде программного обеспечения уровня взаимодействия с аппаратной частью (например, операционные системы);

- защита информации в подсистемах ЦПС (контроль доступа к конечным устройствам, защита каналов передачи данных верхнего уровня, проверка целостности данных на нижнем уровне информационной модели и др.);

- экспертные системы мониторинга киберугроз в информационном пространстве ЦПС (контроль трафика на верхнем уровне, выявление несанкционированных и запрещенных операций с оборудованием, прогнозирование ненормального поведения устройств в условиях информационного обмена и др.).

7.1.3.1 Общие принципы построения киберзащищенного информационного пространства

В первую очередь необходимо разделить подходы по обеспечению безопасности обмена данными на ЦПС и локальными мерами обеспечения безопасного функционирования ИЭУ цифровой релейной защиты и автоматики (ЦРЗА) и АСУТП. Дополнительно для оценки целостности политик кибербезопасности на ЦПС необходима реализация методик развернутого контроля состояния технологических подсистем (рис. 7.39).

Элементы подсистемы кибербезопасности ЦПС обеспечивают, прежде всего, защиту обмена критическими данными между ИЭУ. Минимизация угроз осуществляется путем сегментирования локальной вычислительной сети (ЛВС) ЦПС с обязательным разделением корпоративных и технологических сетей, внедрением систем контроля сетевого трафика и др. Указанные мероприятия являются необходимыми, но не достаточными для поддержания полной информационной безопасности технологических подсистем ЦПС.

Создание локальных периметров безопасности ИЭУ ЦРЗА и АСУТП направлено на ликвидацию индивидуальных угроз для ЦПС. Основными источниками уязвимостей в данном случае являются: импортные аппаратно-программные модули в силу закрытости применяемых технологий, прикладное программное обеспечение, отсутствие встроенных средств защиты информации. Комплексным решением проблемы кибербезопасности является использование отечественных доверенных аппаратно-программных платформ и реализация полноценных функций безопасности в программном обеспечении ИЭУ РЗА. Для повышения уровня защищенности доступа к устройствам ЦПС целесообразно разворачивание системы хранения ключей и электронных сертификатов, обеспечивающих двухфакторную аутентификацию на ИЭУ ЦРЗА и АСУТП. Таким образом, аппаратно-программная часть ИЭУ строго типизируется. Это позволяет повысить надёжность элементов критических подсистем, а также обеспечить

решение задачи кибербезопасности с привлечением отечественных производителей вычислительной техники и программного обеспечения различного назначения [429].

Ещё одним важным компонентом комплексной системы кибербезопасности ЦПС (рис. 7.24) является экспертная система контроля угроз и уязвимостей. Функционирование такой системы обеспечивает решение следующих основных задач: мониторинг всех уровней информационного обмена; поиск угроз несанкционированного вмешательства на основании распознавания аномалий в режимах электрической сети и в операциях управления оборудованием подстанции; расширенная диагностика оборудования программно-аппаратного комплекса ЦПС и др.

/ л

Комплексная

подсистема

кибербезопасности

цифровой

подстанции /

/П