Rozbudowa urządzeń automatyki elektroenergetycznej w celu

Adam Babś, Janusz Gurzyński, Edward Matejek, Jacek Świderski, Marcin Tarasiuk
Instytut Energetyki O/Gdańsk
Rozbudowa urządzeń automatyki elektroenergetycznej
w celu uzyskania zgodności z normą IEC 61850
Streszczenie
W artykule przedstawiono sposób dostosowywania istniejących urządzeń automatyki energetycznej do uzyskania
zgodności z normą IEC 61850: Systemy i sieci telekomunikacyjne w stacjach elektroenergetycznych.
Przedstawiono najistotniejsze z punktu widzenia budowy urządzeń dopasowujących cechy nowego standardu oraz
możliwe rozwiązania układowe tych urządzeń
Szczegółowo omówiono problemy związane z tworzeniem oprogramowania komunikacyjnego i modelu danych.
Jako przykład rozbudowy opisano moduł komunikacyjny dla zabezpieczenia szyn opracowany przez Instytut
Energetyki w Gdańsku spełniający wymagania normy IEC 61850.
Omówiono również zagadnienia związane z konfiguracją i testowaniem urządzeń zgodnych z IEC 61850 w
kontekście wymagań, jakie powinny spełniać te urządzenia w ramach systemu automatyki stacji.
Artykuł zawiera szereg praktycznych zaleceń zarówno dla producentów urządzeń jak i firm energetycznych
zainteresowanych wdrożeniem nowego standardu w swoich obiektach.
Wstęp
Od wielu lat jest obserwowane powszechne
wprowadzanie techniki cyfrowej do
urządzeń
automatyki
stacji
elektroenergetycznych, a także stopniowe
wprowadzanie do tych stacji lokalnych sieci
komputerowych (Local Area Networks LAN). W związku z tym, że urządzenia
automatyki stacji coraz częściej są
wyposażane w interfejsy sieciowe, pojawiła
się możliwość komunikacji sieciowej
pomiędzy tymi urządzeniami, jak również
komunikacji sieciowej tych urządzeń ze
stacyjnymi systemami sterowania i nadzoru
(SSiN). W obliczu różnorodnych rozwiązań
technicznych urządzeń automatyki stacyjnej
oferowanych przez licznych producentów na
całym
świecie,
zaistniała
potrzeba
ujednoliconego
sposobu
komunikacji
wzajemnej pomiędzy tymi urządzeniami, jak
również komunikacji tych urządzeń z
systemami SSiN [2],[3].
Odpowiedzią na tę potrzebę było podjęcie w
końcu lat 90. w ramach IEC TC 57, WG 10
(International Electrotechnical Commission,
Technical
Committee 57,
Working
Group 10) prac związanych z wydaniem
normy
ujednolicającej
rozwiązania
komunikacyjne pomiędzy urządzeniami
stacji. W wyniku tych prac powstała
wieloczęściowa, obszerna norma IEC 61850
zatytułowana "Communication networks
and systems in substations" [1],[4]. W
ostatnim
czasie
norma
ta
została
przetłumaczona na język polski.
Norma IEC 61850 znajduje coraz szersze
zastosowanie w energetyce krajowej
zarówno w stacjach sieci przesyłowej, jak
też w stacjach sieci rozdzielczej. Inwestorzy
wpisują zgodność urządzeń z tym
standardem jako wymaganie przetargowe.
Służby eksploatacji urządzeń automatyki
stacji stają przed problemem odbioru
nowych urządzeń (testowanie) i włączeniem
ich do zakresu nadzoru eksploatacyjnego. Po
zainstalowaniu lokalnej sieci komputerowej
w stacji jej użytkownicy staną także przed
problemem dostosowania eksploatowanych
już cyfrowych urządzeń automatyki stacji do
pracy w sieci i do komunikacji z nimi
zgodnie z normą IEC 61850.
Norma IEC 61850
Podstawowym zadaniem normy IEC 61850
jest unifikacja zasad komunikacji z
urządzeniami automatyki stacyjnej oraz
unifikacja danych wymienianych z tymi
urządzeniami.
Standaryzacja
wymiany
informacji dotyczy zarówno poziomu stacji
(tzw. magistrala stacyjna), poziomu
urządzeń
pierwotnych
(magistrala
procesowa), jak i wymiany pomiędzy
urządzeniami na zasadzie każdy z każdym
(peer-to-peer). Norma określa abstrakcyjny
1
interfejs usług komunikacyjnych oraz jego
odwzorowanie do zalecanego do stosowania
protokołu komunikacyjnego o nazwie MMS
(Manufacturing Message Specification).
Oprócz zunifikowanych mechanizmów
komunikacji, norma precyzyjnie określa
format danych, które są przesyłane. Ściślej
rzecz biorąc norma precyzyjnie definiuje
struktury danych reprezentujące składowe
elementy funkcjonalne urządzeń oraz
określa, w jaki sposób te elementy powinny
być użyte, by utworzyć wynikową strukturę
danych
reprezentującą
określoną
funkcjonalność
danego
urządzenia
automatyki
stacyjnej.
Ta
wynikowa
struktura danych, wyposażona w określone
przez normę mechanizmy komunikacji,
nazywana jest modelem komunikacyjnym
urządzenia automatyki elektroenergetycznej.
Inaczej mówiąc użytkownik zewnętrzny
komunikuje się z urządzeniem zgodnym z
normą IEC 61850 przy wykorzystaniu usług
określonych przez normę, w efekcie czego
postrzega to urządzenie za pośrednictwem
jego modelu danych.
Norma
IEC 61850
posługuje
się
obiektowym modelem danych, w którym
dane
mają
zdefiniowaną
strukturę
hierarchiczną zorientowaną na schemat
technologiczny (stacja-pole – urządzeniefunkcje – dane). Dane przesyłane są razem z
ich opisem podanym w postaci jawnego
tekstu. Całe urządzenie reprezentowane jest
jako serwer, w którym wyróżnia się przy
najmniej jedno tzw. urządzenie logiczne. Z
kolei każde urządzenie logiczne składa się z
węzłów logicznych. Węzły logiczne
reprezentują struktury danych ściśle
związane
z
określonymi
funkcjami
automatyki (np. zabezpieczenie, sterowanie)
lub odwzorowują fizyczne urządzenia
(wyłącznik, transformator, przekładnik).
Dane wchodzące w skład węzłów mogą być
zarówno danymi ruchowymi (np. pomiary,
stany położeń), jak i danymi stałymi
opisującymi niezmienne cechy urządzenia
(np. nazwa, numer seryjny itp.). Norma
definiuje ponad dziewięćdziesiąt takich
węzłów.
Zgodnie z normą IEC 61850 funkcjonują
dwa podstawowe mechanizmy wymiany
informacji:
2
• klient-serwer,
• wydawca/subskrybent.
Mechanizmy te stanowią podstawę dla
abstrakcyjnego interfejsu komunikacyjnego
(abstract communication service interface ACSI). Usługi komunikacyjne określane w
ramach tego interfejsu są określane jako
abstrakcyjne, gdyż zostały zdefiniowane w
taki sposób, że ich definicje nie są związane
z
żadną
szczególną
infrastrukturą
telekomunikacyjną
zdolną
do
ich
wykonania, a w szczególności z żadnym
konkretnym
stosem
protokołów
komunikacyjnych
należącym
do
tej
infrastruktury. Poszczególne usługi mają
charakter ogólny i w związku z tym mogą
być
stosowane
do
wykonywania
różnorodnych zadań specyficznych dla
modelowanych urządzeń automatyki stacji.
Tym samym można mówić o abstrakcyjnym
interfejsie
komunikacyjnym
serwera
reprezentującego model w ogólności
wielofunkcyjnego urządzenia automatyki
stacji.
Wymiana danych w oparciu o mechanizm
klient-serwer umożliwia świadczenie takich
usług jak:
• przesyłanie raportów,
• przesyłanie rejestracji zdarzeń,
• zmiana banków nastaw,
• sterowanie.
Zgodnie z IEC 61850 system centralny
(komputer komunikacyjny SSiN) nie musi
przepytywać urządzeń w polach w celu
uzyskania informacji o ewentualnej zmianie
wartości określonych danych. Urządzenia te
same informują o zaistniałych zdarzeniach
przesyłając tzw. raporty. Każde urządzenie
automatyki stacji może być jednocześnie
serwerem dla innych urządzeń i klientem.
Taki sposób wymiany informacji jest
typowy dla wielu rozwiązań, np. w
przypadku
komunikacji
komputera
komunikacyjnego
SSiN
(klient)
z
urządzeniem automatyki (serwer).
Mechanizm
wydawca/subskrybent
przewidziany jest do przesyłania krótkich
informacji w formie komunikatów o
zdarzeniach - tzw. komunikatów GOOSE.
Wydawca (urządzenie automatyki, np. panel
polowy) generuje i rozsyła komunikat
GOOSE do subskrybentów (np. inne panele
polowe w tej samej rozdzielni). Transmisja
ta odbywa się w trybie transmisji grupowej
lub
rozgłoszeniowej
z
pominięciem
protokołów warstwy aplikacji, prezentacji,
sesji, transportowej i sieciowej. Zawartość
komunikatu GOOSE jest umieszczana
bezpośrednio w ramce Ethernet. Takie
rozwiązanie jest podyktowane potrzebą
przesyłania komunikatów GOOSE z
opóźnieniem wnoszonym przez sieć nie
przekraczającym 3 ms.
Zalecaną infrastrukturą telekomunikacyjną
jest sieć lokalna stacji typu Ethernet
zbudowana w oparciu o połączenia
światłowodowe (np. 100Base-FX) – rys. 1.
W ramach tej sieci w warstwie sieciowej i
transportowej jest najczęściej stosowany
stos protokołów TCP/IP, natomiast w
warstwie
aplikacji
jest
stosowany
wspomniany już protokół MMS.
Rys. 1 Sieć LAN na stacji
Przystosowanie urządzeń cyfrowych do
wymiany informacji zgodnie z normą
IEC 61850
Wprowadzenie na stację nowych rozwiązań
komunikacyjnych zgodnych z normą
IEC 61850 wiąże się z:
• instalacją sieci LAN stacji spełniającą
określone wymagania techniczne i
funkcjonalne;
• instalacją stacyjnego systemu SSiN
przystosowanego
w
części
komunikacyjnej do współpracy z
urządzeniami zgodnymi z normą
IEC 61850
(możliwa
jest
także
rozbudowa funkcjonalności wcześniej
stosowanego SSiN);
• instalacją urządzeń automatyki stacyjnej
zgodnych w zakresie komunikacji z
normą IEC 61850;
• przystosowaniem już zainstalowanych
urządzeń automatyki do wymiany
informacji zgodnie z normą IEC 61850.
Ostatni z wymienionych punktów wymaga
szerszego wyjaśnienia. Istnieje bowiem
szereg rozwiązań technicznych, które
umożliwiają przystosowanie klasycznych
urządzeń automatyki cyfrowej do wymogów
normy IEC 61850.
3
Pierwsze z możliwych rozwiązań polega na
zastosowaniu modułu komunikacyjnego
jako odrębnego urządzenia pośredniczącego
pomiędzy urządzeniem automatyki a siecią
LAN stacji. Moduł komunikacyjny wraz z
zasilaczem jest z reguły instalowany w
pobliżu urządzenia automatyki (np. na
szynie TS35). Moduł ten autonomicznie
komunikuje się z urządzeniem przy
wykorzystaniu dostępnego interfejsu (np.
RS 485,
RS 232)
i
protokołu
komunikacyjnego, w jaki wyposażone jest
urządzenie. W ten sposób moduł
komunikacyjny odczytuje niezbędne dane z
urządzenia
(np.
pomiary,
nastawy,
informacje dwustanowe), a także wysyła
dane do urządzenia (np. sygnały sterowania,
zmienione nastawy). Z drugiej strony moduł
włączony jest do sieci LAN stacji bezpośrednio w trybie pełnego dupleksu do
portu przełącznika sieciowego. Od strony
sieci LAN moduł komunikacyjny jest
postrzegany jako serwer zgodny z normą
IEC
61850.
Tak
więc
komputer
komunikacyjny SSiN zamiast komunikować
się bezpośrednio z urządzeniem automatyki,
komunikuje się z nim przy wykorzystaniu
modułu pośredniczącego.
Drugie z możliwych rozwiązań polega na
wyposażeniu danego urządzenia automatyki
stacyjnej w urządzenie pełniące opisaną
wyżej funkcję modułu komunikacyjnego.
Różnica polega na tym, że w omawianym
przypadku moduł komunikacyjny zostaje
wbudowany w urządzenie, wykorzystując
jego obudowę (np. kasetę) oraz dostępne w
urządzeniu napięcia zasilające. Łączność
modułu z urządzeniem jest utrzymywana
przy wykorzystaniu dostępnego interfejsu i
protokołu komunikacyjnego.
Trzecie rozwiązanie polega na jeszcze
bliższej integracji modułu komunikacyjnego
z urządzeniem automatyki. W tym wypadku
moduł komunikacyjny jest już integralną
częścią
urządzenia
automatyki.
Komunikacja pomiędzy urządzeniem a jego
modułem komunikacyjnym odbywa się albo
przy wykorzystaniu wewnętrznej magistrali
zastosowanego
systemu
mikroprocesorowego,
albo
poprzez
wydzielony obszar pamięci wspólnej, albo
4
przy wykorzystaniu szybkiego sprzęgu (np.
SPI, CAN). Zatem rozwiązanie to polega w
istocie na rekonstrukcji układowej i
programowej urządzenia automatyki.
Dwa pierwsze z wymienionych rozwiązań
charakteryzują się tym, że pozyskiwanie
informacji przez moduł komunikacyjny
związane jest z opóźnieniem znacząco
przekraczającym
dopuszczalne
trzy
milisekundowe
opóźnienia
w
przekazywaniu
komunikatów
GOOSE
pomiędzy urządzeniami zainstalowanymi w
różnych
polach
rozdzielni.
Trzecie
rozwiązanie jest rozwiązaniem znacznie
szybszym, gdyż unika się w nim przesyłania
informacji poprzez dostępny interfejs i
protokół komunikacyjny. Jednakże wymaga
ono znacznie większej ingerencji w
konstrukcję układową i oprogramowania
urządzenia automatyki.
Oprogramowanie
Oprogramowanie modułu komunikacyjnego
w każdym z wyżej opisanych rozwiązań,
wymaga
utworzenia
modelu
komunikacyjnego urządzenia automatyki
zgodnego
z
wymaganiami
normy
IEC 61850. Utworzenie tego modelu polega
na opracowaniu stosownej struktury danych
i zastosowaniu wymaganych funkcji
komunikacyjnych. Warunkiem utworzenia
modelu jest szczegółowa znajomość normy
IEC 61850 w zakresie części 7-1, 7-3 i 7-4
[1]. Część IEC 61850-7-1 można traktować
jako opisowe wprowadzenie do techniki
modelowania urządzeń automatyki stacji. Z
kolei część IEC 61850-7-4 definiuje ponad
90 węzłów logicznych służących do
budowania modelu. Węzły logiczne
pogrupowane są funkcjonalnie (funkcje
pomiarowe, zabezpieczające, sterowania,
łączeniowe, transformatorowe itp.) i
obejmują większość typowych funkcji
wykonywanych
przez
urządzenia
automatyki stacji. Każdy węzeł logiczny jest
w istocie kontenerem obiektów danych wraz
z ich atrybutami, przy czym klasy (typy)
obiektów danych są zdefiniowane w
części IEC 61850-7-3. W efekcie, w części
IEC 61850-7-3, dla ponad 500 obiektów
danych wchodzących w skład węzłów
logicznych zdefiniowano kilkadziesiąt klas
obiektów danych oraz zdefiniowano
semantykę dla kilkuset atrybutów. Wybór
odpowiednich węzłów logicznych, a w
szczególności określenie, jakie atrybuty tych
węzłów powinny w nich występować i jak
wiązać te atrybuty z obiektami danych
występującymi w części oprogramowania
urządzenia automatyki realizującego funkcje
wykonywane przez to urządzenie, nie jest
zadaniem łatwym i wymaga dużego nakładu
pracy
ze
strony
konstruktorów
adaptera/modułu komunikacyjnego. Węzły
logiczne stanowią elementy składowe
urządzeń
logicznych
reprezentujących
wyodrębnione
funkcjonalnie
elementy
urządzeń automatyki stacji. W ogólności
kilka urządzeń logicznych może należeć do
jednego
serwera
reprezentującego
rzeczywiście funkcjonujące urządzenie.
Istotnym elementem tworzonego modelu
urządzenia jest interfejs komunikacyjny, w
ramach którego jest zdefiniowanych szereg
abstrakcyjnych usług komunikacyjnych.
Szczegółowa definicja usług tego interfejsu
jest przedmiotem części 7-2 normy
IEC61850 [1].
Warto jeszcze wspomnieć o potrzebie
znajomości części 61850-8-1 [1], w której
przestawiono powiązanie struktur danych i
funkcji komunikacyjnych opisywanych w
normie IEC 61850 na struktury danych i
usługi wspominanego wcześniej protokołu
MMS. Protokół ten stanowi główny
mechanizm wymiany danych pomiędzy
urządzeniami zgodnymi z normą IEC 61850.
Funkcjonowanie tego protokołu wymaga
tworzenia w warstwie aplikacji połączeń
logicznych pomiędzy komunikującymi się
urządzeniami stacji. Za tworzenie tych
połączeń odpowiedzialny jest protokół
ACSE (Association Control Service
Element).
Tworzenie
modelu
komunikacyjnego
urządzenia
automatyki
w
ramach
adaptera/modułu komunikacyjnego wiąże
się
z
potrzebą
zastosowania
zaawansowanego
oprogramowania
narzędziowego przeznaczonego do tego
właśnie celu. Korzystanie z takiego
oprogramowania wymaga praktyki i
umiejętności najczęściej zdobywanych na
specjalistycznych szkoleniach oferowanych
łącznie z zakupem takiego oprogramowania.
Wymagane
jest
także
zastosowanie
środowiska programistycznego C++, w
którym
ostatecznie
powstaje
oprogramowanie projektowanego serwera.
W praktyce niezbędne jest również
wykorzystanie zestawu uruchomieniowego
wyposażonego w zasoby pamięci oraz w
urządzenia peryferyjne takie jak klawiatura,
monitor ekranowy, mysz, port sieciowy, port
drukarki.
Jednym
z
podstawowych
założeń
projektowych
jest
wybór
platformy
sprzętowej i systemu operacyjnego, w
środowisku
którego
ma
pracować
projektowany
serwer
zgodny
z
wymaganiami
normy
IEC 61850.
Najczęściej wybór będzie dotyczyć jednego
z
systemów
mikroprocesorowych
dostępnych na rynku tzw. systemów
wbudowanych oraz systemu operacyjnego
MS Windows Embedded lub Linux. W obu
przypadkach
zastosowane
systemy
operacyjne wymagają wzbogacenia jądra
systemu tylko o te funkcje, które będą
wykorzystywane
w
projektowanym
urządzeniu. Wymaga to znajomości budowy
wymienionych systemów operacyjnych i
umiejętności ich konfiguracji w celu
uzyskania jak najmniejszej zajętości z
reguły ograniczonych zasobów pamięci
systemów mikroprocesorowych, w oparciu o
które są konstruowane adaptery/moduły
komunikacyjne.
W celu uruchomienia oprogramowania
serwera zgodnego z normą IEC 61850
należy
wykorzystać
odpowiednio
zaprojektowane
i
wykonane
oprogramowanie tzw. klienta zgodnego z
IEC 61850. Można też do tego celu
wykorzystywać dostępne na rynku tzw.
przeglądarki MMS ukierunkowane na
prezentację struktur danych zgodnych z
IEC 61850. Z drugiej strony, przed
sprzężeniem
konstruowanego
adaptera/modułu
komunikacyjnego
z
urządzeniem automatyki, należy stworzyć
możliwość
symulacji
przyjętego
w
założeniach
projektowych
interfejsu
5
komunikacyjnego.
Najczęściej
rolę
symulatora pełni zewnętrzny komputer
wyposażony w odpowiednio przygotowane
oprogramowanie umożliwiające symulację
tych zmiennych i funkcji urządzenia
automatyki, które mają ścisły związek z
informacjami przesyłanymi przez ustalony
styk
pomiędzy
adapterem/modułem
komunikacyjnym
a
urządzeniem
automatyki.
Przykład modułu komunikacyjnego IEC
61850 dla zabezpieczenia szyn zbiorczych
Opisaną powyżej technikę tworzenia
modułu komunikacyjnego wykorzystano dla
rozbudowy zabezpieczenia szyn zbiorczych
TSL-6 [5] w celu uzyskania zgodności
z normą IEC 61850. Moduł komunikacyjny
– urządzenie typu Embedded PC-104 stanowi w sensie normy IEC 61850 serwer,
w którym zastosowano następujące węzły
logiczne:
•
LPHD - opisuje fizyczne cechy
urządzenia (1),
• LLN0 - opisuje cechy urządzenia
logicznego, zawiera m.in. zbiory
danych (1),
• PDIF - węzeł zabezpieczenia
różnicowego modelujący
funkcjonalność zabezpieczenia szyn
zbiorczych (7),
• RBRF - węzeł rezerwy wyłącznikowej modeluje układ rezerwy wyłącznikowej
(32),
• PTRC - węzeł modelujący impuls
wyłączający (38),
• XCBR - węzeł wyłącznika (32),
• XSWI - węzeł odłącznika (96),
• GGIO - węzeł umożliwiający
umieszczenie w modelu dodatkowych
informacji binarnych (40).
Liczby w nawiasach oznaczają liczby
wykorzystanych węzłów danego typu.
Do wymiany informacji zastosowano
mechanizm raportów niebuforowanych.
Raporty te są wysyłane przez moduł
komunikacyjny
zabezpieczenia
TSL-6
(pełniący funkcję serwera) do urządzenia
stacji
pełniącego
funkcję
klienta
(urządzeniem tym może być komputer
6
komunikacyjny stacji stanowiący element
SSiN). Treść raportów stanowią elementy
pięciu zestawów danych (Data Sets)
zdefiniowanych
w
ramach
modelu
urządzenia. Jeden ze zdefiniowanych
zestawów danych zawiera m.in. dane
dotyczące ostrzeżeń, np. przekroczenie
zakresu temperatur pracy urządzenia, zanik
określonego napięcia zasilania, itp. W
kolejnym zestawie danych zawarte są
informacje
dotyczące
funkcjonowania
zabezpieczenia szyn zbiorczych ZSZ. Dane
związane z funkcjonowaniem układu
rezerwy wyłącznikowej URW zawarte są w
odrębnych trzech zestawach danych.
Zdarzenia
rejestrowane
przez
zabezpieczenie
TSL-6
mogą
być
odczytywane w ramach pliku, którego
odczyt z serwera należy do zestawu funkcji
komunikacyjnych zgodnych z normą IEC
61850.
Ponadto zastosowano wymianę informacji
za pomocą mechanizmu GOOSE, który
może być wykorzystany np. do blokowania
działania zabezpieczeń w sąsiednich polach.
Przy pomocy tego sposobu wymiany
informacji generowane są dwa typy
komunikatów:
• zadziałanie zabezpieczenie szyn ZSZ,
• sygnalizacja zadziałania rezerwy
wyłącznikowej URW.
Konfiguracja
Wszystkie dostarczone do użytkownika
urządzenia zgodne z normą IEC 61850
muszą mieć możliwość konfigurowania ich
styku komunikacyjnego zarówno w zakresie
funkcjonalności tego styku, jak też w
zakresie współpracy z innymi urządzeniami
instalowanymi w stacji. Tym samym
wymagane jest, by moduły komunikacyjne
miały
możliwość
konfiguracji
w
wymienionym zakresie.
Konfiguracja jest zagadnieniem złożonym i
odbywa
się
przy
wykorzystaniu
odpowiedniego
oprogramowania
dostarczanego przez producenta (np. pakiet
programowy DIGSI firmy Siemens lub
PCM 600 firmy ABB) lub dostarczanego
przez firmę trzecią [6]. Norma IEC 61850
wymaga,
by
każdemu
urządzeniu
fizycznemu zgodnemu z tą normą
towarzyszył plik ICD (IED Capability
Description).
Plik
ten
zawiera
sformalizowany
opis
możliwości
funkcjonalnych
urządzenia
odzwierciedlonych
w
modelu
tego
urządzenia - czyli w serwerze zgodnym z
normą IEC 61850. Ten sformalizowany opis
jest wyrażony przy wykorzystaniu języka
opisu konfiguracji stacji SCL (Substation
Configuration Description Language). Opis
tego języka jest zawarty w części szóstej
normy IEC 61850-6 [1].
Oprogramowanie konfiguracyjne stacji
pobiera jako dane wejściowe informacje
zawarte w plikach
ICD urządzeń
przewidzianych do instalacji w stacji.
Uzupełnieniem
tych
informacji
jest
wprowadzenie schematu jednokreskowego
stacji i opis przewidzianego do zastosowania
systemu
sterowania
SSD
(System
Specification Description). Oba wymienione
rodzaje informacji wejściowych nie są
objęte normą IEC 61850. W efekcie
oprogramowanie konfiguracyjne generuje
plik SCD (Substation Configuration
Description), który opisuje konfigurację
stacji w sensie zbiorczej konfiguracji
poszczególnych urządzeń stacji zgodnych z
normą
IEC 61850
oraz
powiązań
komunikacyjnych
pomiędzy
tymi
urządzeniami. Opis ten wyrażony jest w
języku SCL. Wygenerowanie pliku SCD jest
wymagane przez normę IEC 61850 i jest
traktowane jako pośredni etap finalnej
konfiguracji poszczególnych urządzeń.
Wymagane jest bowiem oprogramowanie,
które na podstawie pliku SCD jest zdolne do
ostatecznego
skonfigurowania
poszczególnych
urządzeń
automatyki
instalowanych w stacji. Norma IEC 61850
dopuszcza, lecz nie wymaga, by ostateczna
konfiguracja dla każdego z tych urządzeń
była zapisana w postaci plików CID
(Configured IED Description). Proces
konfiguracji urządzenia automatyki stacji
(IED) zgodnego z normą IEC 61850
ilustruje rys. 2.
narzędzie programowe konfigurator stacji
SSD - plik opisujący
system sterowania
SCD - plik opisujący
konfigurację stacji
SSD
SCD
CID - pliki opisujące
konfigurację urządzenia
ICD - pliki opisujące
możliwości urządzeń
ICD
CID
IED przed konfiguracją
(wstępnie skonfigurowane)
Rys. 2. Proces konfiguracji urządzenia automatyki IED
7
Testowanie i certyfikacja
Zagadnieniu testowania urządzeń automatyki
zgodnych z normą IEC 61850 poświęcona
jest część dziesiąta normy IEC 61850 [1]. W
części IEC 61850-10 określono standardowe
techniki testowania zgodności implementacji
z normą IEC 61850, a także techniki
pomiarowe służące do oceny wydajności
urządzeń.
Testowanie
zgodności
nie
zastępuje testów urządzeń w ramach
konkretnego projektu takich jak fabryczne
testy zdawczo-odbiorcze (FAT) i testy
odbiorcze
w
miejscu
zainstalowania
urządzeń (SAT).
Testy zgodności obejmują badanie reakcji na
wymuszenia dozwolone oraz na wymuszenia
niedozwolone i obejmują:
•
inspekcję dokumentacji i sprawdzenie
wersji urządzenia (IEC 61850-4);
• test pliku konfiguracji ICD pod
względem standardowej składni (618506);
• test pliku konfiguracji ICD ze względu
na modelu urządzenia (61850-7-4,
61850-7-3);
• test implementacji stosu protokołów
komunikacyjnych (61850-8-1, -9-1, -9-2);
• test
wykorzystywanych
funkcji
komunikacyjnych (61850-7-2);
• test rozszerzeń specyficznych dla
urządzenia.
Testowanie zgodności jest dostosowywane
do każdego testowanego urządzenia. Zakres
testowania jest określany na podstawie jego
charakterystyki
podanej
w
trzech
dokumentach
(dostarczanych
przez
producenta urządzenia):
• MICS
(model
implementation
conformance statement) - dokument
zgodności implementacji modelu dokument ten zawiera szczegółowe dane
elementów modelu (serwera);
• PICS
(protocol
implementation
conformance statement) - dokument
zawierający
opis
możliwości
komunikacyjnych urządzenia (serwera);
• PIXIT (protocol implementation extra
information for testing) - dokument
zawierający
opis
dodatkowych
możliwości komunikacyjnych urządzenia
nie objętych normą IEC 61850.
W przypadku, gdy w urządzeniu nie są
stosowane
rozwiązania
komunikacyjne
niezgodne z normą IEC 61850, dokument
PIXIT nie jest dostarczany. Oprócz
wymienionych dokumentów jest wymagane
także dostarczenie dokumentacji urządzenia
zawierającej szczegółowy opis jego instalacji
i obsługi.
W
części
61850-10
przedstawiono
znormalizowane testy zgodności. Norma
zawiera tabele określające zakres testów
reakcji na dozwolone i niedozwolone
wymuszenia. O tym, jakie testy będą
przeprowadzone w ramach testowania
zgodności decyduje zawartość dokumentu
PICS, który powinien zostać opracowany
zgodnie z załącznikiem A do części
IEC 61850-7-2 [1].
Wyniki testów są przedstawiane w raporcie
badania zgodności. Raport ten powinien
zawierać następujące informacje:
• listę
wszystkich
dokumentów
specyfikujących przeprowadzone testy
(normy międzynarodowe i krajowe,
standardowe
procedury
obsługi
i
testowania;
• wykaz
sprzętu
badawczego
i
oprogramowania wykorzystywanego w
procesie testowania;
• nazwę i adres dostawcy urządzenia;
• nazwę i adres wykonawcy testu
zgodności;
• nazwę testowanego urządzenia;
• określenie
wersji
sprzętowej
i
oprogramowania testowanego urządzenia;
• nazwę i adres laboratorium, w którym
dokonano testowania;
• datę wydania raportu;
• nazwisko i podpis osoby wykonującej
testowanie;
• unikatowy numer raportu;
• wykaz przeprowadzonych testów;
• komentarze i napotkane problemy.
Dla każdego testu raport powinien
specyfikować:
• opis testu wraz z celem tego testu,
procedurę testu i oczekiwany wynik;
• odwołanie do określonej części normy
IEC 61850 (rozdział, podrozdział);
• unikatowy identyfikator testu;
• wynik testu: pozytywny, negatywny,
nierozstrzygnięty, nie dotyczy;
• porównanie wyniku testu z wynikiem
oczekiwanym.
Przed
wprowadzeniem
urządzenia
automatyki na rynek, powinno ono uzyskać
certyfikat zgodności z normą IEC 61850.
Certyfikat
wydawany
jest
po
przeprowadzeniu testów zgodności przez
określoną instytucję certyfikującą. Testy
powinny być przeprowadzone zgodnie z
częścią IEC 61850-6, a ich wynik powinien
być zawarty w raporcie badania zgodności.
Instytucja certyfikująca powinna posiadać
wdrożony system jakości zgodny ze
standardem ISO 9001.
Oprócz testów zgodności są także
przeprowadzane testy wydajności urządzeń
w odniesieniu do wskaźników określonych w
części IEC 61850-5 [1]. Szczególnie
istotnym wskaźnikiem wydajności (jakości)
jest opóźnienie komunikacji złożone z trzech
składników:
• opóźnienie wyjścia - opóźnienie w
urządzeniu wysyłającym informację - jest
to czas od chwili wygenerowania
informacji do chwili, w której rozpoczyna
się wysyłanie tej informacji na zewnątrz
urządzenia,
• opóźnienie transmisji wprowadzane przez
sieć komunikacyjną (LAN);
• opóźnienie wejścia - opóźnienie w
urządzeniu odbierającym informację - jest
to czas od chwili odbioru informacji do
chwili jej dostarczenia do stosownego
elementu oprogramowania (procesu), dla
którego
odebrana
informacja
jest
przeznaczona
Opóźnienie wejścia (wyjścia) nie powinno
przekraczać 40% łącznego czasu opóźnienia
komunikacji określonego w IEC 61850-5.
Wynika stąd, że opóźnienie transmisji nie
powinno przekraczać 20% tego czasu. Na
przykład, dla szybkich komunikatów
GOOSE (komunikacja międzypolowa) w
większości zastosowań wymaga się, by
opóźnienie komunikacji nie przekraczało
3 ms. Oznacza to, że czas opóźnienia
transmisji przez sieć LAN stacji nie powinien
przekraczać 0.6 ms. Wymaganie to w istotny
sposób wpływa na rozwiązania techniczne
przyjmowane w sieci LAN stacji.
Współpraca między urządzeniami
Istotny konflikt we współpracy dwóch
urządzeń zgodnych z normą IEC 61850
dostarczonych od różnych producentów
może wystąpić w przypadku, gdy jedno z
urządzeń wykorzystuje informacje, które nie
są dostępne w innym urządzeniu. Oba
urządzenia będą zgodne ze normą, ale ich
współpraca w zakresie związanym z
realizacją określonej funkcji (np. automatyki
międzypolowej) będzie niemożliwa. Sytuację
taką można zdiagnozować na etapie
konfigurowania urządzeń automatyki, co
wcześniej zostało opisane. Należy przy tym
odróżniać dwa pojęcia:
• Współpraca urządzeń (interoperability)
rozumiana jako zdolność dwu lub więcej
urządzeń tego samego lub różnych
producentów do wymiany informacji i
wykorzystywania tych informacji do
poprawnej realizacji określonych funkcji.
• Wymienialność
urządzeń
(interchangeability)
rozumiana
jako
zdolność do zastąpienia urządzenia
jednego producenta przez urządzenie
innego producenta bez konieczności
zmian w innych elementach systemu.
Wymienialność znajduje się poza
zakresem
normy
IEC 61850.
Wymienialność urządzeń wymaga, oprócz
zdolności do współpracy zgodnie z
IEC 61850, również znormalizowanej
funkcjonalności.
Podsumowanie
Producenci urządzeń automatyki, oraz firmy
eksploatujące urządzenia automatyki, które
nie są zgodne z wymaganiami normy
IEC 61850, stoją obecnie przed niełatwym
zadaniem. Z jednej strony producenci
podlegają presji konkurencji na rynku, na
którym coraz liczniej pojawiają się już
urządzenia zgodne z nową normą. Ponadto w
zapytaniach ofertowych związanych z
modernizacją automatyki stacji coraz
częściej pojawiają się wymagania zgodności
urządzeń automatyki stacyjnej z IEC 61850.
Ewentualna
modernizacja
stacji
i
wprowadzenie do niech zasad komunikacji
zgodnych z normą IEC 61850 powoduje, że
obok nowych urządzeń (np. sterowników
polowych)
pozostaje
część urządzeń
9
cyfrowych niezgodnych z nową normą.
Przed służbami odpowiedzialnymi za
eksploatację urządzeń automatyki stacyjnej
pojawia się wówczas pytanie czy możliwe
jest dostosowanie tych w pełni sprawnych
urządzeń do wymagań normy, tak aby
uniknąć kosztownej ich wymiany.
Z drugiej strony, co wynika z niniejszego
artykułu, proces dostosowania obecnych
konstrukcji urządzeń automatyki jest
skomplikowany, gdyż wymaga dogłębnej
znajomości bardzo obszernej normy (dziesięć
części),
wykorzystania
nowych
i
kosztownych narzędzi programistycznych,
przeprowadzenia
niełatwego
procesu
uruchomienia komunikacji zgodnie z
zasadami opisanymi w normie, utworzenia
wymaganych
plików
i
dokumentów
stowarzyszonych
z
urządzeniem,
konfiguracji urządzeń, a w końcu
przeprowadzenie
testów
zgodności
i
uzyskanie wymaganej certyfikacji. Innym
zagadnieniem jest merytoryczna ocena
oferowanych rozwiązań komunikacyjnych
zgodnych z IEC 61850, a w końcowej fazie
przeprowadzenie testów odbiorczych SAT.
Bez znajomości normy IEC 61850 i
wynikających z niej wymagań odnośnie
osprzętu sieciowego stacji, wykonanie
wymienionych zadań nie jest możliwe.
Wydaje się, że w powyższej sytuacji
rozsądnym i uzasadnionym ekonomicznie
rozwiązaniem jest zlecenie wykonania
wymienionych prac jednostce do tego
merytorycznie i praktycznie przygotowanej.
Sugerowana
w
artykule
budowa
adapterów/modułów
komunikacyjnych
wymaga jedynie wspólnego uzgodnienia
rozwiązania technicznego styku wymiany
informacji, zakresu wymienianych informacji
i sposobu (np. protokołu) tej wymiany.
Reszta prac wymienionych w artykule,
począwszy
od
opracowania
modelu
komunikacyjnego urządzenia, a skończywszy
na testowaniu zastosowanego rozwiązania
komunikacyjnego pod względem zgodności z
normą,
wykonywana
jest
przez
zleceniobiorcę.
Posiłkowanie się specjalistami zewnętrznymi
w przypadku potrzeby oceny merytorycznej
oferowanych rozwiązań komunikacyjnych
zgodnych z IEC 61850 oraz ich udział w
10
testach SAT jest również jak najbardziej
sugerowane.
We wszystkich wymienionych sytuacjach
trudno jest sobie wyobrazić brak choćby
zgrubnej znajomości nowej normy przez
służby nadzoru i eksploatacji urządzeń i
systemów automatyki stacji, w których
wdrażana
jest
norma
IEC 61850.
Sugerowanym rozwiązaniem jest udział
personelu tych służb w krajowych
szkoleniach poświęconych nowej normie. Jej
znaczna objętość, a w szczególności rozległe
skutki techniczne z niej wynikające, nie
muszą w praktyce być nieprzekraczalną
barierą
rozwoju
automatyzacji
stacji
elektroenergetycznych.
Instytut Energetyki Oddział w Gdańsku
dzięki wieloletniemu zaangażowaniu w prace
wdrożeniowe i dogłębnej praktycznej
znajomości zagadnień związanych z nowym
standardem IEC 61850 może być partnerem
dla producentów urządzeń automatyki
oferując
przystosowanie
istniejących
urządzeń do standardu IEC 61850 oraz
testowanie ich zgodności prowadzące do
wydania certyfikatu.
Firmy
które
zamierzają
zastosować
rozwiązania zgodne z IEC 61850 mogą
liczyć na pomoc w specyfikacji wymagań,
udział w testach odbiorczych oraz pomoc w
wyszkoleniu
kadry
specjalistów
dla
prowadzenia eksploatacji tych urządzeń.
Literatura
[1] IEC 61850-1: 2003 Communication
networks
and systems in substations. Części od 1 do 10.
[2] Babś A., Świderski J.: Is there a need for
standardized communications in utilities?,
DistribuTECH Europe 2000, Vienna, 10-12
October 2000
[3] Babś A., Świderski J.: Nowe standardy wymiany
informacji
w
energetyce,
Przegląd
Telekomunikacyjny, nr 2, 2002, str. 119-124.
[4] Babś A., Problemy wdrożenia nowego standardu
komunikacyjnego
IEC 61850,
Automatyka
elektroenergetyczna, nr 1, 2006
[5] Babś A., Głowocz B., Mańczak J.: Fast and
Simple Busbar Protection for HV Substation
Multiple Busbar Arrangements, Colloquium of
CIGRÉ Study Committee B5, Madryt,
październik 2007
[6] http://www.helinks.com/