Wydrukuj tę stronę
poniedziałek, 02 grudzień 2013 08:30

Integracja systemów elektrycznych z systemem automatyki elektrowni przez zastosowanie standardu IEC 61850

Napisane przez  Siemens
Oceń ten artykuł
(5 głosów)

W referacie przedstawiono główne cechy i korzyści zastosowania komunikacji zgodnej z IEC 61850, standardowego rozwiązania oferowanego przez firmę SIEMENS oraz dzisiejszy standard nowoczesności "state-of-the-art".

1. Wstęp

Obecnie w projektowaniu elektrowni występuje dążenie do stosowania integralnych systemów sterowania. Celem takiego podejścia jest zmniejszenie różnorodności systemów i liczby interfejsów. Standard IEC 61850 staje się od kilku lat coraz bardziej rozpowszechniony dla systemów automatyki w elektrowni. Również dostawcy systemów elektrycznych zauważyli zalety jakie oferuje ten standard komunikacji i coraz więcej oferowanych urządzeń zapewnia komunikację przy użyciu standardu IEC 61850.

Architektura systemu automatyki zrealizowana za pomocą protokołu IEC 61850

Rys. 1. Architektura systemu automatyki zrealizowana za pomocą protokołu IEC 61850

2. Metody komunikacji

Systemy elektryczne w elektrowniach już od zawsze komunikowały się z centralnymi systemami automatyki. W pierwszych latach była to dosyć prymitywna, ale mimo wszystko dobrze działająca komunikacja przy użyciu oddzielnych połączeń kablowych dla każdego sygnału (hardwired). Wady czy zalety tego systemu, takie jak: oddzielne kable dla każdego sygnału, utrudniona diagnostyka ze względu na użytą ilość kabli czy utrudnione rozszerzenie komunikacji po uruchomieniu, są wszystkim znane i nie muszą tutaj być przytaczane.

W miarę upływu czasu zaczęto wdrażać różne inne protokoły komunikacji w elektrowniach. Obecnie znanych jest ponad 100 różnych protokołów komunikacji. Do tych najbardziej znanych należą:

  • Profibus DP
  • ModBus
  • DNP
  • IEC 60870-5-104 (głównie w elektrowniach wodnych)

Główną zaletą zastosowania tych protokołów jest fakt, że pomimo realizowania komunikacji przy użyciu tylko jednego kabla, to w porównaniu do komunikacji przy użyciu oddzielnych kabli dla każdego sygnału, komunikacja ta jest bardzo wydajna i umożliwia stosunkowo proste dopasowanie przesyłanych informacji do potrzeb elektrowni czy operatora. Dodatkową zaletą jest, iż znacznie większa liczba informacji jest wymieniana przy użyciu zdecydowanie mniejszej ilości kabli, co wpływa na poprawienie dostępności całego systemu a jednocześnie daje operatorom zwiększone możliwości diagnostyki urządzeń.

Wadą jest fakt, że obecnie komunikacja nie jest jednorodna i realizowana jest przy użyciu różnych protokołów (znanych jest obecnie ponad 100). To właśnie wpływa na fakt, że operatorzy zmuszeni są do używania bardziej skomplikowanych systemów komunikacji oraz oddzielnych systemów automatyki. Związane z tym koszta zakupu oraz eksploatacji muszą być w związku z tym dla każdego systemu liczone oddzielnie.

Przeforsowanie jednego z obecnie znanych standardów wydaje się być niemożliwe. Przyczyną są interesy dostawców sprzętu, przyzwyczajenie operatorów do jednego systemu oraz fakt, że obecnie znane systemy sterowania nie są otwarte na wymagania, jakie będą im stawiane w przyszłości. W związku z tym wprowadzenie nowego standardu, jakim jest IEC 61850, było najlepszym rozwiązaniem.

Wprowadzenie jednorodnego standardu IEC 61850 dla wszystkich urządzeń elektrycznych w elektrowni przyczyni się jednocześnie do poprawy dostępności obiektu oraz do zmniejszenia ilości różnych protokołów komunikacyjnych zastosowanych w elektrowni.

3. Historia

Standard IEC 61850 jest uznawany na całym świecie od około 2004 roku. Określa zasady tworzenia połączeń i komunikacji między urządzeniami polowymi oraz między nimi a systemem sterowania przy użyciu sieci Ethernet. Ponadto jest to pierwsza norma definiująca procesy zachodzące na wszystkich poziomach stacji.

W roku 2004 wydana została pierwsza edycja standardu IEC 61850. Pierwsza edycja zawierała 92 węzły logiczne, opisane w części 5 standardu. Edycja ta została dopracowana, zmieniona oraz rozszerzona w latach od 2008 do 2009, kiedy to wydano drugą edycję. Edycja ta zawierała już 143 węzły logiczne.

Dwie pierwsze edycje koncentrowały się głównie na podstacjach elektrycznych, dystrybucji energii, jakości energii i urządzeniach mechanicznych. Obecnie standard rozszerzany jest o komunikację w elektrowniach wiatrowych oraz wodnych, komunikację pomiędzy elektrowniami oraz komunikację w zdecentralizowanym wytwarzaniu energii elektrycznej.

Obecnie liczba obiektów z IEC 61850 jest z roku na rok coraz wyższa. Firma Siemens wykonała do tej pory 350 kompletnych instalacji (ponad 15.000 urządzeń polowych), na których został zastosowany zintegrowany system sterowania w oparciu o normę EIC 61850, a liczba ta będzie w momencie drukowania tego artykułu już nieaktualna. Obecnie również coraz więcej nowych obiektów korzysta ze standardu IEC 61850 jako metody komunikacji.

4. Opis rozwiązania technicznego

W przypadku IEC 61850 urządzenia polowe (server) komunikują się z automatyką obiektu (client) przy użyciu protokołu TCP/IP. Czyli przy użyciu standardowych urządzeń bazujących na Ethernet, co jest kolejną zaletą tej formy komunikacji.

Dodatkowo wprowadzone są dwa protokoły typu Peer-to-Peer.

Pierwszy z nich nosi nazwę GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events) i realizuje on, co dotychczas nie było możliwe, bezpośrednią komunikację między obiektami polowymi. Jest to kolejna zaleta protokołu IEC 61850 – nawet w przypadku, kiedy automatyka obiektu nie działa, urządzenia polowe mogą wymieniać informacje między sobą. Są to również np. sygnały krytyczne, które muszą być wymieniane bez najmniejszego opóźnienia czasowego. Protokół GOOSE opisany jest w IEC 61850-8-1.

Drugim dodatkowym protokołem jest przesyłanie wielkości szybkozmiennych w celu ich rejestracji. Protokół ten ma duże znaczenie w przypadku, kiedy jest konieczna analiza stanu elektrowni. Protokół ten opisany jest w IEC 61850-9-1.
Komunikacja IEC 61850 bazuje na modelu danych. Jako identyfikacja używana jest zawsze nazwa obiektu jako tekst a struktura obiektu jest przesyłana z samym obiektem. W ten sposób protokół ten jest otwarty na wszelkie zmiany jakie mogą być niezbędne w przyszłości oraz dla wszelkiego typu urządzeń, w tym oczywiście również elektrycznych.

Ogólna architektura komunikacji przy użyciu IEC 61850 pokazana jest na Rys. 1.

Jak widać z powyższego rysunku, obrazującego ogólną architekturę komunikacji przy użyciu IEC 61850, zasada połączenia IEC 61850 nie odbiega zasadniczo od obecnie znanych układów automatyki w elektrowni. Główną zaletą jest jednak użycie sieci Ethernet jako medium komunikacyjnego. Otwiera to dodatkowe pole zastosowania dla tego protokołu oraz ułatwia w znacznym stopniu jego implementacje dla różnych urządzeń polowych.

Ze względu na powyższe zalety tego systemu oraz prostoty jego realizacji, coraz więcej urządzeń komunikuje się z systemem automatyki oraz z innymi urządzeniami właśnie przy użyciu tego standardu. Bardzo wysoki poziomu abstrakcji opisów zawartych w normie pozwala producentom na własne realizacje ustalonych wymagań. Na rysunku 2 poniżej przedstawiono typowe, obecnie dostępne połączenia komunikacji IEC 61850 z urządzeniami polowymi.

Urządzenia w elektrowni kompatybilne ze standardem IEC 61850

Rys. 2. Urządzenia w elektrowni kompatybilne ze standardem IEC 61850

5. Korzyści z zastosowania

Do głównych zalet standardu IEC 61850 należą:

  • Ujednolicone sterowanie procesami technologicznymi i częścią elektryczną elektrowni – IEC 61850 zwiększa przejrzystość instalacji i tym samym podnosi jakość sterowania przez operatora;
  • Większa dyspozycyjność elektrowni. Tylko jedno archiwum rejestracji zdarzeń z wysoką rozdzielczością czasową i synchronizacją zapewnia sprawniejsze wykrywanie i usuwanie zakłóceń;
  • Niższe koszty zakupu i eksploatacji. Eksploatacja pojedynczego systemu sterowania zmniejsza koszty jego zakupu, oraz związane z nim koszty szkolenia, administracji, konserwacji i utrzymywania magazynu części zamiennych;
  • Łatwiejsze projektowanie dzięki zintegrowanym danym konfiguracyjnym;
  • Nowoczesność. Systemy sterowania zgodne z IEC 61850 mają ustaloną renomę na rynku i stanowią najnowocześniejsze rozwiązanie state of the art;
  • System otwarty na przyszłe rozszerzenia. Poprzez zastosowanie standardowego i rozpowszechnionego standardu urządzeń (Ethernet) protokół IEC 61850 jest otwarty na rozszerzenia, które będą wprowadzone w przyszłości bez konieczności zmiany oprzyrządowania.

Zalety zastosowania IEC 61850

Rys. 3. Zalety zastosowania IEC 61850

Rozwiązanie oparte na standardzie IEC 61850 łączy zalety klasycznej integracji poprzez We/Wy stosowanej dotychczas z atutami autonomicznego systemu sterowania i nadzoru, co pokazuje poniższa tabela.

Porównanie metod komunikacji

Tabela 1. Porównanie metod komunikacji

Wykorzystanie IEC 61850 pozwala systemowi SPPA-T3000 firmy Siemens łączyć wszystkie aplikacje i zadania w jednym systemie sterowania i nadzoru. Zapewnia to podstawę do jednolitego nadzorowania procesów technologicznych i elektrycznych potrzeb własnych elektrowni. W efekcie SPPA-T3000 zwiększa kontrolę nad systemami i podnosi jakość prowadzenia ruchu elektrowni.

SPPA-T3000 - jedna architektura integrująca wszystkie zastosowania i zadania

Rys. 4. SPPA-T3000 - jedna architektura integrująca wszystkie zastosowania i zadania

6. Podsumowanie

Niemalże wszystkie nowe urządzenia wprowadzane na rynek przez renomowanych producentów oferują komunikację przy użyciu standardu zgodnego z IEC 61850, co jeszcze przyśpieszy rozpowszechnianie tego standardu. Wyzwaniem w przyszłości będą jednak projekty modernizacyjne, gdzie system automatyki zrealizowany będzie w oparciu o standard IEC 61850 a część urządzeń polowych, które nie ulegną wymianie, nie będą oferowały tej funkcji. Problem ten jest jednak znany już dzisiaj i firma SIEMENS posiada odpowiednie doświadczenie w takich projektach.

Standard IEC 61850 stał się szeroko rozpowszechnionym standardem w świecie automatyki w elektrowniach oraz w świecie elektroenergetyki i wszystko wskazuje na to, że stanie się on prawdziwym standardem zarówno dla nowych budowanych elektrowni jak i dla planowanych modernizacji.

dr inż. Rafał Kawecki
SIEMENS AG
mgr inż. Kamil Łukowski
SIEMENS Sp. z o.o.

XV Seminarium Energotestu

Czytany 11465 razy Ostatnio zmieniany poniedziałek, 02 grudzień 2013 09:52

Zaloguj się aby zobaczyć komentarze.

Nie masz u nas konta? Zarejestruj się!

Logowanie