Уязвимости микропроцессорных реле защиты: проблемы и решения


В. И. ГУРЕВИЧ








        УЯЗВИМОСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ: ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ

Учебно-практическое пособие 3-е издание, переработанное и дополненное









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.316.925(075.8)
ББК 31.27-05
      Г95









     Гуревич, В. И.
Г95 Уязвимости микропроцессорных реле защиты: проблемы и решения : учебно-практическое пособие / В. И. Гуревич. - 3-е изд. перераб. и доп. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 256 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-0916-2

     Подробно рассмотрены проблемы уязвимости микропроцессорных устройств релейной защиты (МУРЗ) к естественным и преднамеренным деструктивным воздействиям, включающим кибернетические и электромагнитные воздействия. Описаны современные технические средства, с помощью которых могут осуществляться преднамеренные дистанционные деструктивные воздействия на МУРЗ. Рассмотрены как традиционные пассивные (экранированные шкафы, фильтры, кабели, специальные материалы и покрытия) средства защиты, так и новые, основанные на схемотехнических и аппаратных методах.
     Для инженеров, занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией релейной защиты, а также для научных работников, преподавателей, аспирантов и студентов соответствующих дисциплин средних и высших учебных заведений.

                                                   УДК 621.316.925(075.8)
                                                   ББК 31.27-05










ISBN 978-5-9729-0916-2

  © Гуревич В. И., 2022
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

          Тех, кто не задумывается о далеких трудностях, поджидают близкие неприятности



КОНФУЦИЙ



            ПРЕДИСЛОВИЕ


   Релейная защита занимает особое место в системе производства, передачи и распределения электроэнергии. Она сама по себе не участвует ни в производстве, ни в передаче, ни в распределении электроэнергии и в нормальных режимах работы энергосистемы себя вообще никак не проявляет. Если ее отключить, то ничего не изменится: генераторы на электростанциях будут по-прежнему вырабатывать электроэнергию, а линии электропередач и распределительные сети будут по-прежнему доставлять произведенную электроэнергию потребителю. Но идиллия эта обманчива: малейшая техническая неисправность в электрооборудовании может привести к коллапсу энергосистемы всей страны, если в дело своевременно не вмешается релейная защита. Все это вещи хорошо известные специалистам и не требующие разъяснений. Но, оказывается, не все так просто. Современные реле защиты - сложнейшие электронные комплексы также подверженные отказам в работе, как и любой другой вид современного электронного оборудования. Что же произойдет при отказе реле защиты во время аварийного режима в энергосистеме? Да, в общем-то, ничего особенного, поскольку реле защиты работает не одно, а в совокупности с множеством других реле защиты. Не сработало вовремя одно реле защиты - сработает какое-то другое. Во всяком случае, все критичные энергетические объекты имеют такую резервную защиту. Но отказ в срабатывании - это не единственный вид неправильных действий реле защиты. Оно может ложно сработать и в нормальном режиме работы. И вот тут-то возникают проблемы намного более серьезные. Дело в том, что излишние срабатывания реле не могут быть "подстрахованы" резервными реле защиты. А что такое излишнее срабатывание реле защиты? Это отключение посредством выключателей тысяч потребителей, линий электропередач, трансформаторов, генераторов и т.п. Далеко не всегда ситуацию может исправить система АПВ или АВР. Возникающие при внезапных отключениях больших мощностей переходные режимы в электрических сетях и в целом в энергосистеме могут привести к последовательному отключению линий и генераторов, то есть к развалу энергосистемы и ее коллапсу. Большинство из известных крупнейших аварий в энергосистемах мира развивались именно по такому сценарию. Получается, что реле

  защиты само по себе может спровоцировать коллапс в нормально функционирующей энергосистеме.
     В последние годы это стали хорошо понимать и те, кто планирует стратегию возможных будущих военных операций.
     Современные сценарии силового противодействия между странами все меньше основываются на использовании традиционных средств поражения живой силы и техники противника и все больше на средствах, способных поразить инфраструктуру противника и исключить человеческие жертвы. Разрушение инфраструктуры современного постиндустриального общества оказывается намного более эффективным средством противодействия, чем ведение обычных боевых действий. Электронизация и зависимость инфраструктуры любого высокоразвитого государства от компьютеров существенно облегчает задачу разрушения инфраструктуры, поскольку такое разрушение может быть не физическое, а виртуальное. Некий парадокс заключается в том, что чем более развита инфраструктура страны, тем больше она пострадает при таком виртуальном воздействии.
     Какое место в инфраструктуре государства занимает релейная защита энергосистем? Совершенно особое, поскольку именно через реле защиты, управляющих положением выключателей, можно получить доступ к дистанционному изменению конфигурации электрических сетей и нормально функционирующую энергосистему искусственно ввести в состояние коллапса. Сегодня это уже стало хорошо понятно организациям, занимающимся планированием стратегии возможных противостояний. Выполнением заказов этих организаций, направленных на создание специальных видов техники, поражающих высокочувствительную электронную аппаратуру современной электроэнергетики заняты десятки крупнейших корпораций во всех развитых странах мира. Микропроцессорные реле защиты, ввиду их особого положения, являются далеко не последней целью для первоочередного поражения. Сегодня известны два вида дистанционного деструктивного воздействия на микропроцессорные системы: кибернетические атаки и преднамеренные деструктивные электромагнитные воздействия.
     Современные тенденции развития релейной защиты, такие как повсеместный переход на микропроцессорные реле; постоянное усложнение аппаратной и программной части этих реле; увеличение количества выполняемых ими функций (в том числе таких, которые не имеют прямого отношения к релейной защите); переход с оптоволоконных на менее защищенные каналы связи (Ethernet, Wi-Fi); продолжающаяся миниатюризация в области электроники; расширяющееся применение элементов флэш-памяти, основанных на изменении и регистрации очень слабого электрического заряда в изолированной области транзистора; рост количества транзисторов в микропроцессорах и снижение их рабочих напряжений - все это и многое другое существенно облегчает задачу дистанционного деструктивного воздействия. С одной стороны, про

  исходит постоянный рост уязвимости релейной защиты, а с другой - постоянное совершенствование методов дистанционного деструктивного воздействия. В результате, эти два опаснейших вектора развития стремительно движутся навстречу друг другу. Как тут не вспомнить знаменитое изречение великого Уинстона Черчилля: "Каменный век может вернуться на сияющих крыльях науки".
    Ситуация усугубляется еще и тем, что доступ к современным средствам поражения компьютерных и микропроцессорных систем имеют и террористические и криминальные структуры. А это делает вероятность встречи этих двух векторов неминуемой. Именно поэтому необходимо хорошо понимать существующие опасности и заранее предпринимать меры защиты от них.
    В данной книге автор поставил перед собой цель убедить читателя в реальности существующих опасностей и показать пути решения проблемы.

    Автор выражает искреннюю благодарность главному специалисту ОЭС ЗАО "Самарский Электропроект" Тюрину Дмитрию Юрьевичу за участие в плодотворных дискуссиях по теме и ценные замечания, учтенные при написании книги, а также всем другим специалистам, принимавшим участие в обсуждении вопросов, освещенных в книге.


Отзывы на книгу просьба направлять автору по адресу:
vladimir.gurevich@gmail.com


Автор

1. ВОПРОСЫ ФИЛОСОФИИ В РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ


1.1. Влияет ли релейная защита на производство, передачу и распределение электроэнергии?


      Философия (греч.) - дословно «любовь мудрости», изучает наиболее общие принципы реальности. Википедия определяет философию, как науку, изучающую все. Логика и критический анализ являются столпами философского мышления. Почему бы не применить эти атрибуты философии к анализу ситуации в релейной защите? Оказалось, что такой анализ может привести к парадоксальным выводам.



      Жизнь современного человека тесно связана с использованием сложных и разветвленных систем, таких как сотовая связь, телевидение, радио, электрические системы и т.д. Все эти системы можно представить в виде так называемой «потребительской цепи», состоящей из последовательно соединенных звеньев. Конечным звеном этих цепей, то есть тем звеном, с которым приходится иметь дело потребителю, является некий аппарат (терминал): телефонный аппарат, телевизор, радиоприемник, холодильник, стиральная машина и т.д. Стремление улучшить это последнее звено (только с которым, собственно говоря, и имеет дело конечный потребитель), то есть сделать это звено «золотым», даже если все остальные звенья этой цепи по своему качеству весьма далеки от золота, вполне понятно и вполне оправдано. Особый дизайн телевизора, удобство пользования им, особые функции (например, способность записывать и воспроизводить передачи по расписанию; проигрывать компакт-диски; виртуальное разделение экрана на основной и небольшие вспомогательные, на которых можно отслеживать события на нескольких каналах одновременно и т.д.) придают такому телевизору самостоятельную ценность в глазах потребителя, несмотря на то, что

6

1. Вопросы философии в релейной защите

  он является всего лишь конечным звеном в длинной цепи, называемой телевидением. Совсем не факт, что остальные звенья этой цепи, например, качество самих телевизионных передач или качество трансляции такие же качественные (золотые), как конечное звено. Однако, это не мешает состоятельному потребителю вкладывать средства в приобретение дорогого (золотого) последнего звена и не лишает желания и стимулов приобретения такого золотого звена у менее состоятельного потребителя. Таким образом, оконечное звено в самых распространенных потребительских цепях обладает особым статусом и к нему предъявляются особые требования и особое внимание, как со стороны потребителей, так и со стороны производителей. С другой стороны, каким бы качественным и «золотым» не было это последнее звено, оно не в состоянии повлиять ни на качество, ни на надежность цепи в целом. Действительно, даже выход из строя телевизора в одной из комнат потребителя никак не влияет на работу телевизора в другой комнате того же потребителя или на телевизоры его соседей.
      Еще одной характерной особенностью оконечного звена рассмотренных выше потребительских цепей является превалирование требований потребителя к функциональности и дизайну над требованиями к надежности и долговечности. Это обусловлено современными тенденциями, при которых замена одного оконечного звена другим происходит не столько по причине его отказа и выхода из строя, сколько по причине морального старения и появления на рынке новых изделий с расширенными функциями и улучшенным дизайном.
      Сравним теперь эту ситуацию с той, что имеет место в релейной защите (РЗ), являющейся важнейшим компонентом потребительской цепи электроснабжения, состоящей из последовательных звеньев, называемых: производство, передача, распределение электроэнергии. Но, где же место звена в этой цепи, называемого релейной защитой? Оказывается, такого последовательного звена в этой цепи просто нет! Действительно, ведь в нормальном режиме работы потребительской цепи электроснабжения релейная защита никакого участия не принимает и на работу этой цепи никак не влияет. РЗ не влияет на количество произведенной электроэнергии, ни на пропускную способность линии электропередач, ни на процесс распреде


7

Уязвимости микропроцессорных реле защиты

   ления электроэнергии. Реле защиты можно даже физически отсоединить от этой цепи электроснабжения и это никак не повлияет на нормальную работу цепи. Что же такое релейная защита и где же ее место в потребительской цепи электроснабжения? В такой цепи чисто визуально можно представить РЗ в виде отдельных вспомогательных звеньев, подвешенных в местах соединения между собой основных звеньев цепи электроснабжения: производства, передачи, распределения электроэнергии, рис. 1.1.


Рис. 1.1. Условное представление потребительской цепи электроснабжения, снабженной релейной защитой (РЗ)

      Функционально, эти места соединения образованы высоковольтными выключателями, состояние которых определяется релейной защитой. То есть, не являясь последовательным звеном в цепи электроснабжения, РЗ, тем не менее, воздействуя на соединительные элементы между звеньями (выключатели), может разорвать связи между всеми звеньями этой цепи. Это фундаментальное отличие РЗ от остальных звеньев в потребительских цепях.
      Но, если РЗ никак не влияет на работу цепи электроснабжения в ее нормальном режиме работы, то, может быть влияет на работу в аварийном режиме работы? Широко распространено убеждение о том, что это влияние заключается в предотвращении аварийных режимов в цепи электроснабжения. Но так ли это? Для ответа на это вопрос нужно сначала понять, что же такое релейная защита и каковы ее функции.


8

1. Вопросы философии в релейной защите

1.2.      Философские игры с релейной защитой, или Может ли релейная защита быть « упреждающего действия»

      В последнее время в релейной защите (РЗ) возникло множество новомодных тенденций [1.1, 1.2], связанных с возможностями, которые открылись с появлением мощных микропроцессоров и переходом РЗ на микропроцессорную технику. В технической литературе и в докладах на научных конференциях по релейной защите обсуждаются вопросы использования недетерминированной логики в РЗ; релейной защиты упреждающего действия; систем мониторинга электрооборудования, встроенных в микропроцессорные реле защиты и т.д. При этом, рассуждения апологетов этих новомодных тенденций сводятся к тому, что если производительность микропроцессоров современных устройств РЗ возрастает, что позволяет загружать их дополнительными функциями, то эти функции необходимо реализовывать. Более того, из этой необходимости вытекает и якобы и неизбежность дальнейшего развития микропроцессорной РЗ в направлении ее все большего функционального усложнения. Однако, даже с чисто философской точки зрения такие рассуждения в корне ошибочны. В соответствии с [1.3] «необходимость» может быть понята, по крайней мере, двояко:

      а)    Положение вещей необходимо, когда его невозможно избежать.
      б)    Положение вещей необходимо, когда его невозможно заменить другим положением вещей, поставить на его место другое положение вещей.

      Совершенно очевидно, что в рассматриваемом случае никакой «необходимости» в таких тенденциях развития РЗ на самом деле не существует. А восприятие неизбежности как природной необходимости (детерминированности) является «следствием неправильного понимания пространства бифуркации как пространства случайных фактов, тогда как на самом деле это пространство виртуальных событий» [1.3].
      Применительно к ситуации с релейной защитой речь идет не о каких-то чисто философских или теоретических рассуждениях, а о вполне конкретных разработках специалистов, финансируемых из госбюджета или различных фондов развития науки. Проблемы со-


9

  Уязвимости микропроцессорных реле защиты вершенствования релейной защиты всегда являлись важными и актуальными. Однако, отсутствие в настоящее время четкого, безупречного с технической стороны и логически выверенного определения понятию «реле защиты» приводит к возникновению опасных и непредсказуемых тенденций в ее развитии.
      Так, например, в сенсационной статье [1.4] авторы приписывают релейной защите совершенно новое, просто фантастическое свойство:

      «возможность запоминать информацию и использовать ее... для формирования аргументированного заключения. о будущем состоянии контролируемого объекта».

      В статье отмечается, что традиционная релейная защита, существующая сегодня, никуда не годится, так как она: «приводит к необходимости выполнения экстренных операций по локализации повреждений, что неизбежно создает нежелательные возмущения для энергосистемы». Еще одна сенсация: оказывается, прямое предназначение релейной за -щиты: защищать от аварийных режимов энергосистему путем «выполнения экстренных операций» - это есть «нежелательное воздействие на энергосистему».
      Но если «выполнения экстренных операций» при возникновении аварийного режима - это нежелательное действие релейной защиты, то каково же тогда, по мнению авторов, желательное действие? Оказывается, речь идет о предлагаемой авторами «концепции создания средств релейной защиты, обладающих упреждающими функциями». Что означает выражение «упреждающие функции» применительно к релейной защите? Вариант ответа на этот вопрос только один, а именно, что она, релейная защита, будет срабатывать до наступления аварийного режима для того, чтобы не создавать «нежелательного воздействия на энергосистему». Иными словами, релейная защита в соответствии с философией авторов должна теперь реагировать не на сам аварийный режим, а лишь на опасность возникновения этого аварийного режима, предсказанного самой релейной защитой!
      Приведенное далее объяснение показывает, что авторы имеют в виду постоянный мониторинг состояния электрооборудова-


10