AUTOMATYKA

ZABEZPIECZENIOWA

komunikacja

Gdańsk 2012

Architektura komunikacji urządzeń wtórnych stacji

Architektura komunikacji urządzeń wtórnych stacji

• 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.

IEC (PN-EN) 61850

Systemy i sieci telekomunikacyjne w stacjach

elektroenergetycznych

14 części wydanych w latach 2002-2010

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;

Nowy globalny standard IEC (PN-EN) 61850

Dla zapewnienia odpowiedniej funkcjonalności zabezpieczeń cyfrowych

standard precyzuje:

• 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 komunikaty GOOSE umieszczanie

bezpośrednio w ramce Ethernet)

Zalecana infrastruktura telekomunikacyjna – LAN stacji

Światłowodowy Ethernet (np. 100Base-FX)

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

SCADA rejestrator drukarka

Network Control Center

GPS dodatkowy

RedBox

Poziom pola

Główny GPS

IED IED IED IED

Ethernet

full duplex

Poziom stacji (Nastawnia)

IED

IED

IED

IED IED IED

IED

IED IED

Pierścień sieci stacyjnej: wszystkie węzły są przełącznikami Wymagana rekonfiguracja sieci – protokół RSTP (ang. Rapid Spanning Tree Protocol)

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)

IEC-61850-based Substation Automation System

Complete Substation-specific Functionalities of IEC 61850-3 Ethernet

Switches

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

odbiorcy

węzeł węzeł węzeł węzeł węzeł

nadawca

Ramka „A“

HSR

Ramka „B“

HSR

Ramka „C“

standardowa Ramka „D“

standardowa

odbiorcy

IED

IED

IED

IED

IED IED IED IED

IED

Przyłączanie urządzeń spoza pierścienia HSR poprzez RedBox

Przełącznik

RedBox

Węzły podłączone pojedynczo

odbiorcy

Nadawca

Ramka „A“

HSR

Ramka „B“

HSR

Odbiorca

Ramka „C“ Ramka „D“

IED IED

IED

IED IED IED

IED IED

IED IED

Sprzęgnięcie dwóch pierścieni HSR za pośrednictwem urządzeń

QuadBox

węzeł

A

B

QuadBox A

QuadBox B

2. Pierścień

Ramka „A“

Ramka „B“

1. Pierścień

węzeł

węzeł węzeł

węzeł węzeł węzeł

węzeł węzeł węzeł IED

IED IED IED

IED

IED

IED IED IED

Topologia pierścieni

i protokół komunikacji HSR

Porty - HSR

Porty - standardowy Ethernet

quadbox

GPS Drukarka

1. Poziom - 1. pierścień

2. Poziom - 1. pierścień 2. Poziom - 2. pierścień 2. Poziom - 3. pierścień

3. Poziom - 1. pierścień