Релейная защита

В прошлом номере журнала («Новости ЭлектроТехники» № 6(90) 2014) Валентин Александрович Сушко привел сравнительные статистические данные о неправильной работе электромеханических (ЭМ) и микропроцессорных (МП) устройств РЗА при одинаковом их количестве по основным техническим причинам, характерным для самой аппаратуры РЗА. Относительно новые МП-устройства РЗА (75% со сроком эксплуатации до 4-х лет) работали неправильно в 7,8 раза чаще, чем ЭМ РЗА, более 50% которых эксплуатировались свыше 25 лет. При этом все МП РЗА были оснащены устройствами непрерывного контроля и самодиагностики, что для большинства релейщиков априори считается доказательством высокой надежности МП РЗА.
Однако причиной ненадежности работы технического устройства может стать сама система самоконтроля и самодиагностики, если при этом не соблюдаются законы теории надежности. Об этом – в новой части материала.

Валентин Сушко, к.т.н., доцент кафедры ТОЭ и РЗА, Чувашский ГУ, г. Чебоксары

РЗА В РОССИЙСКОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЕ
О надежности микропроцессорных устройств

Парадоксальность ситуации заключается в том, что в настоящее время при разработке МП РЗА в точности повторяются ошибки, допускавшиеся ранее, около 60 лет тому назад при разработке устройств в других областях техники, когда теория надежности еще только зарождалась.

Автор данной публикации получил второе, военное, образование в области радиолокационных средств ПВО и имел возможность соприкоснуться с некоторыми проблемами в этой сфере.

Так, в 50-е годы прошлого века в СССР были созданы зенитные батареи калибра 130 мм для борьбы с высотными (до высоты 22 км) самолетами противника, воплотившие самые передовые идеи в области ПВО.

Огонь зенитных батарей управлялся радиолокационными станциями орудийной наводки (РЛС) типа «СОН-30». Радиолуч, излучаемый параболической антенной, автоматически сопровождал самолет противника. Решающее устройство РЛС, построенное на базе радиоэлектронных ламп, решало задачу «встречи» самолета противника со снарядами батареи, для чего велось упреждающее автоматическое управление стволами зенитных орудий по углу и азимуту с помощью двигательных электроприводов. РЛС «СОН-30» имела систему непрерывного контроля исправности и самодиагностики (на 60 лет раньше МП РЗА), включающую в себя несколько сотен радиоэлектронных ламп, и размещалась в отдельном автоприцепе.

Интенсивность отказов радиоэлектронных ламп была достаточно высокой, поэтому увеличение их количества почти в 2 раза за счет системы контроля и самодиагностики привело к резкому снижению боеготовности РЛС «СОН-30», которая суммарно до нескольких месяцев в году находилась в ремонте и через не очень продолжительное время была снята с вооружения. Таким образом, еще раз была подтверждена истина: вольное или невольное игнорирование законов теории надежности приводит к посрамлению не теории надежности, а допустивших это разработчиков.

Еще одним известным фактом нарушения законов теории надежности был провал в СССР программы высадки человека на Луну с попыткой обогнать в этом американцев. В ракете «Луна-1» для ускоренной реализации программы в качестве двигателей 1-й ступени было принято решение использовать уже имеющиеся двигатели недостаточной мощности, увеличив их количество в разы. Однако при этом в разы увеличилась и вероятность отказа одного из двигателей в виде его взрыва. Обе попытки испытательных запусков ракеты «Луна-1» закончились взрывом одного из двигателей первой ступени с последующим взрывом всего пакета двигателей, после чего программа полета человека на Луну в СССР была закрыта.

Однако исторические примеры неудачной реализации сложных технических систем в результате вольного или невольного игнорирования законов теории надежности, которые привели к полной потере работоспособности или эффективности этих систем, не стали уроком для создателей МП-устройств РЗА в России, хотя несколько первых устройств противоаварийной автоматики (ПА) в СССР создавались с учетом основных положений теории надежности [1]. В России такой подход при создании МП РЗА был полностью утрачен.

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА ПА

Первые МП-устройства автоматического предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ) создавались в СССР в 80-е годы прошлого века на базе отечественных комплектующих и основывались на теории надежности. Так, в ГУП ВЭИ был разработан МП-комплекс ПА, реализовавший станционный или узловой (противоаварийное управление несколькими электростанциями) иерархический уровень АПНУ. Комплекс состоял из трех однотипных МП-комплектов, работавших по схеме голосования «два из трех» для обеспечения надежности. Его расчетная частота отказов или излишних срабатываний составляла не более 0,01 в год [2].

Также трехканальной была и специализированная ЭВМ для энергетики типа ТА-100, работавшая по аналогичной схеме [2].

Несколько последующих разработок противоаварийной автоматики ЭЭС [2] строились на базе двух комплектов взаимно резервируемых микро-ЭВМ с импортными комплектующими, на которые не гарантировались ни срок службы, ни показатели надежности.

Однако при взаимном резервировании, как известно из [1], параллельное соединение выходов двух комплектов ПА повышает не только ее надежность при необходимости срабатывания, но и вероятность ее ложной работы при выходе из строя элементов схем (например, одного или нескольких из многих сотен транзисторных ключей в схеме МП) или из-за низкой помехоустойчивости МП. Эффективность таких схем резервирования должна подтверждаться расчетами вероятности безотказной работы по признаку ложного срабатывания.

При отсутствии данных об интенсивности отказов конкретных комплектующих, для сравнения вариантов схем в соответствии с теорией надежности расчеты могут проводиться на базе усредненных данных, приводимых отдельными фирмами по комплектующим, близким по назначению и технологии изготовления [1].

Проводились ли соответствующие расчеты для указанных выше устройств ПА, неизвестно.

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА РЗА

Ранее Минэнерго СССР выдвигало требование, в соответствии с которым появившиеся в эксплуатации полупроводниковые (ПП), МЭ- и МП-защиты резервировались защитами на другом принципе – электромеханическом. Это обеспечивало повышение надежности работы РЗА, особенно в случае выхода из строя основной защиты из-за электромагнитных наводок или перенапряжений во входных цепях, или в цепях питания от аккумуляторных батарей. По данным [3], 75% повреждений МП-устройств происходит по причине воздействия перенапряжений.

В настоящее время в России это требование не соблюдается, а основные и резервные защиты строятся на МП элементной базе, что приводит к снижению надежности РЗА.

Низкая надежность МП РЗА отмечается не только в России.

В [3] приводятся данные о соотношении повреждаемости в одной неназванной компании МП-терминалов и ЭМ-реле, которое составляет 50 к 1. Условно принято, что МП-терминал выполняет функции 10 ЭМ-реле. Тогда соотношение повреждаемости МП-устройств и ЭМ-реле составит 5 к 1. Однако в России принято при расчетах [4], что один МП-терминал содержит 3 единицы устройств защиты. С учетом фактического среднего количества функций отдельных реле в МП-терминале можно считать, что соотношение повреждаемости МП-устройств и ЭМ-реле, приведенное выше характерно не только для России, но и для других стран.

Все ведущие производители МП РЗА постоянно наращивают вычислительную мощность и количество МП в терминалах РЗА, количество выполняемых ими функций во имя технического совершенства РЗА, нисколько не заботясь о надежности их работы, ссылаясь на наличие системы контроля и диагностики, которая якобы обеспечивает надежность работы МП-устройств РЗА.

Если в России будет по-прежнему отсутствовать научный подход на базе теории надежности при разработке МП-устройств РЗА, то это неминуемо будет приводить к дальнейшему снижению надежности работы МП РЗА.

Пожалуй, единственным ученым в России, который серьезно занимался вопросами надежности РЗА, был ныне покойный А.И. Шалин [5, 6].

К сожалению, его ценные рекомендации, наиболее важные из которых [6]:

• внедрить в проектных организациях методики оценки надежности РЗА и выбора оптимальных по надежности вариантов защиты;
• разработать и использовать на этапах разработки и эксплуатации методы и средства повышения надежности систем РЗА,

так и не были серьезно восприняты релейным сообществом в России и до сих пор не реализованы.

В то же время некоторые зарубежные фирмы используют методы теории надежности, в частности анализ «дерева неисправностей», для сравнения надежности различных вариантов схем [7] на базе усредненных показателей неготовности отдельных элементов схем, а также неготовности встроенных программ и уставок.

РЗА СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В отличие от большой электроэнергетики, РЗА судовых электроэнергетических систем с 60-х годов прошлого века развивалась на базе теории надежности в соответствии с отраслевым стандартом Минсудпрома СССР, а в настоящее время разрабатывается в соответствии с руководящим документом Минсудпрома РФ «Судовые электроэнергетические системы. Методы расчета структурной надежности. РД 5Р.6125-95», который устанавливает порядок проведения расчетов надежности при проектировании электроэнергетических систем кораблей, судов и плавсредств и содержит методы аналитических расчетов и статистического моделирования на ЭВМ.

Начиная с 60-х годов прошлого века, по заданиям ВМФ ВНИИР проводил и проводит разработки систем и устройств РЗА для ЭЭС всех классов надводных кораблей (НК) и подводных лодок (ПЛ) – в дальнейшем кораблей. Работы велись с участием 1 ЦНИИ МО, ОАО «ЧЭАЗ», ряда проектно-конструкторских ГУП, ФГУП ЦНИИ СЭТ Минсудпрома, ОАО «Электросила» и других организаций [8].

Были внедрены и поставлялись на корабли ВМФ системы быстродействующих селективных защит переменного тока частотой 50 и 400 Гц, напряжением 400 В, и постоянного тока напряжением 175–320 В. Защиты показали свою высокую эффективность [8, 9] и включают в себя 17 комплектных устройств защиты, 16 типов и типоисполнений реле защиты и автоматики, а также трансформаторные датчики переменного тока частотой 50 Гц на номинальные токи от 50 до 6000 А, постоянного тока на номинальные токи от 250 до 3200 А.

Устройства РЗА корабельных ЭЭС разрабатывались на базе отечественных полупроводниковых (ПП), МЭ- и МП-комплектующих повышенной надежности и долговечности и показали высокую эксплуатационную надежность [9]. При проверках перед постановкой кораблей на заводской или капитальный ремонт, устройства РЗА были полностью работоспособны и все уставки находились в допустимых пределах (при фактической наработке около 100 тысяч часов).

В процессе разработки устройств РЗА велись вариантные расчеты надежности в соответствии с указанным выше РД 5Р.6125-95 с целью обеспечения заданных показателей расчетной вероятности безотказной работы в течение автономного похода, составляющего несколько тысяч часов, по признакам «ложное срабатывание» и «несрабатывание». Отказом по признаку «несрабатывание» считается несрабатывание устройства при превышении входных параметров уставок срабатывания. За «ложное срабатывание» принимается произвольное срабатывание устройства при входных параметрах ниже уставок срабатывания.

ЦИФРОВЫЕ ПОДСТАНЦИИ И SMART GRID

Никак не решив вопросы надежности работы МП РЗА в России, релейщики начали активно разрабатывать устройства РЗА на базе стандарта МЭК 61850 для цифровых подстанций (ЦПС) и интеллектуальных сетей (Smart Grid), надежность которых значительно ниже существующих подстанций с пассивными кабельными связями и устройствами вторичной коммутации.

На фоне многочисленных статей, рекламирующих достоинства стандарта МЭК 61850, ЦПС и Smart Grid, все же появляются отдельные публикации, авторы которых пытаются аргументированно разобраться в ситуации, например [10]. Отмечается системное противоречие при построении ЦПС на основе стандарта МЭК 61850, когда упрощается аппаратная часть ЦПС за счет принципиального усложнения алгоритмической и программной частей.

Количество выполняемых операций в коммуникационном оборудовании на много порядков превышает функциональную сложность пассивных устройств вторичной коммутации, что стало причиной ослабления кибербезопасности. Так, вредоносный код, приводящий к переполнению в типовом микрокоде, реализующем стек протоколов ТСР/IP, может одной атакой парализовать все ЦПС страны, оснащенные оборудованием одного производителя.

КИБЕРБЕЗОПАСНОСТЬ РОССИИ

Первые сообщения в СМИ о создании в США информационно-диверсионных подразделений появились около 12 лет тому назад. Сообщалось также, что около 50% финансирования этих структур предназначено для информационных диверсий через Internet. С той поры это направление в США получило опережающее развитие. Но на начальном этапе еще не использовалась вторая глобальная информационная система, принадлежащая США, а именно система глобального позиционирования GPS. Уже затем был разработан стандарт МЭК 61850, основанный на использовании системы GPS и заложивший основы информационного обеспечения ЦПС. С точки зрения теории надежности, ЦПС на базе стандарта МЭК 61850 не выдерживают никакой критики, но представляют широчайшие возможности для кибертерроризма и усиленно навязываются другим странам.

В большом количестве публикаций предлагаются различные меры по повышению кибербезопасности ЦПС, но авторы этих статей часто вынуждены признать, что их предложения не могут обеспечить кибербезопасность ЦПС. «Такие меры не способны принести положительный результат, если атаки будут вестись спецподразделениями армий ряда стран, созданными для ведения кибернетических войн, и компьютерная сеть Smart Grid будет целью номер один для таких подразделений», – считает Владимир Гуревич [3].

В настоящее время в США ведется широкомасштабная подготовка к ведению кибервойн, о чем свидетельствуют многочисленные данные, приводимые в [3]. Немаловажная роль возлагается, судя по всему, на нанесение массированного информационно-диверсионного удара с использованием прежде всего глобальных информационных систем, подконтрольных США, а именно Internet и GPS. Причем информационно-диверсионный удар по российской электроэнергетике с использованием системы GPS будет тем эффективнее, чем шире в России будут внедрены ЦПС на базе стандарта МЭК 61850 и Smart Grid.

ВЫВОДЫ

1. При разработке МП РЗА в России в настоящее время специалисты не руководствуются теорией надежности и не проводят соответствующих вариантных расчетов, а считают в подавляющем большинстве, что наличие систем самоконтроля и самодиагностики обеспечивает надежность работы МП РЗА. Такой подход является ошибочным и противоречит теории надежности, а история техники подтверждает, что еще много лет назад неучет законов теории надежности приводил к тому, что сама система контроля и самодиагностики становилась причиной ненадежной работы создаваемого технического устройства.
2. Военная стратегия ряда западных стран и в первую очередь США в отношении России в последнее время изменилась коренным образом. Вместо массированного ракетно-ядерного наземного и воздушного удара по наземным ядерным силам, военным объектам и городам предполагается, во-первых, нанесение неядерного удара во избежание радиоактивного заражения территории России и ради возможности быстрого освоения ее природных ресурсов. Во-вторых, не исключается использование кибероружия против любого вида цифровых устройств, работающих на базе стандарта МЭК 61850, а также интеллектуальных сетей, эффект от применения которого сравним с эффектом применения оружия массового уничтожения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сотсков Б.С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. М.: Изд-во «Высшая школа», 1970.
2. Овчаренко Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем: учебник для вузов / Под ред. А.Ф. Дьякова. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2000.
3. Гуревич В.И. Уязвимость микропроцессорных реле защиты: проблемы и решения. М.: Инфра-Инженерия, 2014.
4. Кузьмичев В.А., Коновалова Е.В., Захаренков А.Ю. и др. Анализ работы микропроцессорных устройств РЗА в ЕНЭС России // Релейная защита и автоматизация. 2014. № 2(15).
5. Шалин А.И. Надежность и диагностика релейной защиты энергосистем. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002.
6. Шалин А.И., Трофимов А.С. Эффективность и надежность систем РЗА // Сборник докладов Международной конференции и выставки «Релейная защита и автоматика современных энергосистем». Чебоксары, 2007.
7. Б. Морис, Р. Моксли, К. Кунг (США). Раньше и теперь: сравнение сложности полносхемных защит // Сборник докладов Международной конференции и выставки «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». М., 2009.
8. Волков С.Н., Кладовщиков С.Б., Чугунов В.И. ВНИИР и военно-морской флот // Материалы научно-технической конференции, посвященной 40-летию ОАО «ВНИИР»: «Релейная защита, низковольтная аппаратура управления, регулируемый электропривод». Чебоксары, 2001.
9. Каталог продукции «ВНИИР – Прогресс. Электрооборудование для военной техники». АБС Холдинг, 2008.
10. Осак А.Б., Панасецкий Д.А., Бузина Е.Я. Кибербезопасность объектов электроэнергетики. Угрозы и возможные последствия // Сборник докладов XXII конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем». М., 2014.