projektowanie przemysłowych układów zasilania i sterowania

projektowanie przemysłowych układów zasilania i sterowania

AUTOMATYKA
ZABEZPIECZENIOWA
komunikacja
Gdańsk 2012
Architektura komunikacji urządzeń wtórnych stacji
Architektura komunikacji urządzeń wtórnych stacji
IEC (PN-EN) 61850
Systemy i sieci telekomunikacyjne w stacjach
elektroenergetycznych
14 części wydanych w latach 2002-2010
•
Zasadniczym celem normy jest zapewnienie kompatybilności urządzeń
pochodzących od różnych producentów.
•
Norma ujednolica zasady wymiany danych pomiędzy urządzeniami systemów
elektroenergetyki.
•
Standard zakłada zastosowanie mikroprocesorowych urządzeń stacyjnych IED
(ang. Intelligent Electronic Device), takich jak zabezpieczenia cyfrowe, sterowniki
polowe i stacyjne, wyposażonych w odpowiednie interfejsy komunikacyjne.
•
Norma przewiduje komunikację opartą na protokole Ethernet i rozdzielenie funkcji
transmisyjnych od głównych funkcji aparatów i urządzeń stacji.
Nowy globalny standard IEC (PN-EN) 61850
Zgodność ze standardem IEC 61850 “Communication and
systems in Substations” - trzy logiczne poziomy
komunikacji:
•
Poziom stacji (ang. Station Level) – komunikacja
pionowa (ang. vertical) stacje operatorskie HMI, drukarki
operatorskie, połączenia z centrami nadzoru, serwery
SCADA i centralne urządzenia synchronizujące czas.
•
Poziom pola (ang. Bay Level) – komunikacja pozioma
(ang. horizontal) wtórna automatyka stacyjna, kontrola,
zabezpieczenia polowe i rejestracja;
•
Poziom procesu (ang. Process Level) – komunikacja
pozioma (ang. horizontal) pierwotne urządzenia
pomiarowe i wykonawcze, jak czujniki, wyłączniki i
przekładniki;
Dla zapewnienia
standard precyzuje:
odpowiedniej
funkcjonalności
zabezpieczeń
cyfrowych
• zasady szybkiej transmisji między-polowej punkt-punkt (ang. “peer-to-peer”)
pomiędzy poszczególnymi urządzeniami IED,
• wymiany informacji statusowych i pomiarowych w postaci komunikatów
GOOSE (ang. Generic Object Oriented Substation Events) i
GSSE (ang. Generic Substation State Events),
np. “Intertripping”, “Blocking”, “Interlocking”.
Ethernet nie zapewnia mechanizmu potwierdzeń otrzymania informacji, więc
komunikaty GOOSE są wysyłane cyklicznie, w cyklu o zmiennym czasie trwania
(od kilku milisekund do kilku sekund). Okres cyklu zmienia się w zależności od
stanu pracy pola.
Definiuje się klasy wydajności komunikacji i przypisuje komunikaty GOOSE, np.
“Trip”, “Close”, “Reclose”, “Start”, Stop”, “Block” do typu 1.
Całkowite opóźnienie transmisji informacji “Trip” (1A “Fast messages”) ≤ 3 ms,
a pozostałych informacji typu 1B “Others” ≤ 20 ms.
Dla typu 2 “Medium speed messages” wymagany jest czas < 100 ms.
Istotne wymagania dotyczą synchronizacji zegarów wewnętrznych urządzeń
IED.
Komunikaty synchronizujące, zaliczane do typu 6, są podzielone na klasy.
Np. dla klasy T1 „Znacznikowanie zdarzeń” dopuszczalny błąd wynosi ± 1 ms,
a dla T2 „Czas przejścia przez zero” - ± 0,1 ms.
Norma precyzyjnie określa format przesyłanych danych – obiektowy model
danych.
Każde urządzenie jest serwerem i zawiera przynajmniej jedno urządzenie
logiczne.
Każde urządzenie logiczne składa się z węzłów logicznych, np.
zabezpieczenie, wyłącznik, transformator (zdefiniowano ok. 100 węzłów
logicznych)
Dane opisujące węzły mogą być zmiennymi (np. stany, położenia, pomiary)
oraz niezmiennymi cechami urządzenia. Przykłady:
LPHD – fizyczne cechy urządzenia
LLNO - cechy urządzenia logicznego, w tym zbiory danych
PDIF – węzeł zabezpieczenia różnicowego szyn zbiorczych
RBRF – węzeł rezerwy wyłącznikowej
PTRC – węzeł modelujący impuls wyłączający
XCBR – węzeł wyłącznika
XSWI – węzeł odłącznika
Dwa podstawowe mechanizmy wymiany informacji (abstrakcyjny interfejs
komunikacyjny ang. ACSI) :
• klient – serwer (przesyłanie raportów i rejestracji zdarzeń, zmiana pakietów
nastaw, sterowanie), każde urządzenie może być jednocześnie klientem
i serwerem
• wydawca – subskrybent (krótkie
bezpośrednio w ramce Ethernet)
komunikaty
Zalecana infrastruktura telekomunikacyjna – LAN stacji
Światłowodowy Ethernet (np. 100Base-FX)
GOOSE
umieszczanie
Każdemu urządzeniu musi towarzyszyć plik ICD (IED Capability Description) –
opis możliwości funkcjonalnych przy pomocy języka opisu konfiguracji SCL
(Substation Configuration Language)
Schemat jednokreskowy stacji i opis systemu sterowania – SSD (System
Specification Description) – generuje pliki SCD (Substation Configuration
Decription)
Norma dopuszcza zapis
ostatecznej
konfiguracji
urządzeń w postaci plików
CID
(Configured
IED
Description)
Wymagany czas rekonfiguracji komunikacji (po awarii elementu automatyki):
•
dla połączenia SCADA do IED "klient-serwer", poziom stacji - 100 ms;
•
dla połączenia IED do IED "peer-to-peer" (interlocking, intertripping, blocking),
poziom stacji - 4 ms;
•
dla zabezpieczenia szyn, poziom stacji - 0 ms;
•
dla przesyłu próbek pomiarowych, poziom procesu - 0 ms.
Architektura gwiazdy – brak redundancji komunikacji
Pierścień sieci stacyjnej: wszystkie węzły są przełącznikami
Wymagana rekonfiguracja sieci – protokół RSTP (ang. Rapid Spanning Tree Protocol)
Główny GPS
SCADA
GPS dodatkowy
Network Control Center
drukarka
rejestrator
Ethernet
full duplex
RedBox
Poziom stacji (Nastawnia)
IED
IED
IED
IED
IED
IED
IED
Poziom pola
IED
IED
IED
IED
IED
IEC-61850-based Substation Automation System
Complete Substation-specific Functionalities of IEC 61850-3 Ethernet
Switches
Zero packet loss under harsh EMI
stress
IEEE 1588 v2 based technology to
synchronize sampled values on the
process bus
Fast ring recovery time (20 ms with
250 switches)
Isolated redundant power inputs at
24/48 VDC or 110/220 VDC/VAC
-40 to 85°C operating temperatures
(no fans)
IEC 61850-3 and IEEE 1613 Class 2
compliant (KEMA tested)
Przykład aplikacji IEC 61850 w stacji 380kV
Protokół komunikacji HSR (ang. High-availability Samples Redundancy) jako
odmiana PRP (ang. Parallel Redundancy Protocol)
Zasada dystrybucji Multicast w protokole HSR
nadawca
Ramka „C“
standardowa
IED
IED
Ramka „A“
HSR
węzeł
IED
odbiorcy
Ramka „D“
standardowa
IED
IED
Ramka „B“
HSR
węzeł
IED
węzeł
IED
odbiorcy
węzeł
IED
węzeł
IED
Przyłączanie urządzeń spoza pierścienia HSR poprzez RedBox
Węzły podłączone pojedynczo
Odbiorca
Nadawca
Przełącznik
Ramka „C“
Ramka „D“
IED
IED
IED
Ramka „A“
HSR
IED
RedBox
Ramka „B“
HSR
IED
IED
IED
odbiorcy
IED
IED
IED
Sprzęgnięcie dwóch pierścieni HSR za pośrednictwem urządzeń
QuadBox
węzeł
węzeł
IED
węzeł
węzeł
IED
IED
IED
QuadBox A
Ramka „A“
1. Pierścień
2. Pierścień
A
Ramka „B“
węzeł
B
węzeł
IED
węzeł
IED
QuadBox B
węzeł
IED
węzeł
IED
węzeł
IED
Topologia pierścieni
i protokół komunikacji HSR
Porty - HSR
Drukarka
GPS
Porty - standardowy Ethernet
1. Poziom - 1. pierścień
quadbox
2. Poziom - 1. pierścień
2. Poziom - 2. pierścień
3. Poziom - 1. pierścień
2. Poziom - 3. pierścień