Witam, podsyłam jak to dla stacji elektroenergetycznych działa. Podobnie dla instalacji przemysłowych, bo takie jest założenie normy. Pozdrawiam
Standard komunikacyjny
IEC 61850
Standard komunikacyjny IEC 61850
Autor: mgr inŜ Krzysztof Kulski
1. Wprowadzenie
Najlepszą metodą na bezpieczne przesłanie informacji od nadawcy do odbiorcy jest przesłanie jej bez
elementów pośredniczących.
Aktualnie na stacjach energetycznych egzystują obok siebie urządzenia przeróŜnych producentów.
Dzieję się tak, dlatego, Ŝe w porównaniu z Ŝywotnością innych elementów stacji, zabezpieczenia i inne
urządzenia kontrolne podlegają krótszym okresom eksploatacji
Obecność urządzeń róŜnych producentów, pracujących w odmiennych standardach komunikacyjnych
wymusza zastosowanie roŜnego rodzaju komputerów integrujących róŜne protokoły komunikacyjne i
udostępniające dane dla systemów nadrzędnych w oczekiwanym przez nie formacie. W zakresie
systemów sterowania i kontroli stacji elektroenergetycznych, stosowanie takich dodatkowych
urządzeń podnosi niepotrzebnie koszt wykonania systemu, staje się słabym punktem (często
centralnym), który naleŜy przetestować oraz, który moŜe generować usterki w systemie.
Obecność na jednej stacji urządzeń pracujących z róŜnymi protokołami komunikacyjnymi jest często
przeszkodą w wykorzystaniu w pełnym zakresie moŜliwości urządzeń ( np. brak moŜliwości
swobodnego dostępu do parametrów urządzeń) przez system oraz utrudnia modyfikację i rozwój
zabezpieczeń.
Rys.1. Przykład współpracy urządzeń współpracujących w protokole IEC 61850
2. Historia
Na początku lat 90tych w USA Electric Power Ressearch Institute (EPRI) zainicjował projekt
„Utility Communications Architecture” (UCA) z zamiarem stworzenia wspólnego standardu dla
szybkiej komunikacji w branŜy elektroenergetycznej. W tym samym czasie Międzynarodowa Komisja
Elektrotechniczna (IEC) w roku 1995 powołała trzy grupy techniczne TC57 mające na celu stworzenia
ogólnego standardu dla systemów komunikacyjnych i stacji elektroenergetycznych. Wynikiem prac w
USA było przedstawienie w roku 1999 wyników swoich prac jako UCA-2. DostrzeŜono jednak, Ŝe
zarówno EPRI jak i IEC dąŜą do tego samego celu. Postanowiono zjednać wysiłki i stworzyć jeden
standard mający się stać światowym standardem dla stacji i systemów elektroenergetycznych:
IEC 61850.
3. Koncepcja protokołu IEC61850
ZałoŜeniem przyświecającym projektowaniu IEC 61850 było stworzenie nie tylko kolejnego
protokołu komunikacyjnego ale dąŜeniem do standaryzacji całej telemechaniki stacji, począwszy od
dokumentacji a na wizualizacji kończąc.
Drugim waŜnym celem było umoŜliwienie samo adaptacji standardu do nowych technik przesyłu
danych związanych z dynamicznym rozwojem tego sektora energetyki. Standard musiał być zatem
„odporny na przyszłość”.
Udało się to osiągnąć przez oparcie IEC 61850 na komunikacji zorientowanej obiektowo oraz po
przez oddzielenie funkcji aplikacyjnych od funkcji komunikacyjnych.
Ponadto powinien umoŜliwiać Integratorom jasne i łatwe budowanie systemów bez względu na typ
i producenta danych elementów systemów. W tym celu w dokumentacji znalazła się biblioteka
symboli, swoisty język stacji, który jako standard ma umoŜliwiać wzajemne zrozumienie i swobodną
integrację w róŜnych systemach (tzw. „warstwa prywatna”, tak popularna np. w IEC 60870-5-103
powinna przejść do historii.
Przy opracowywaniu koncepcji standardu IEC 61850 prace były ukierunkowane nie tylko na
urządzenia IED (Inteligent Elektronic Device), czyli wszystkie te które posiadają interfejs
komunikacyjny, ale wprowadzono do standardu równieŜ takie urządzenia na przekładniki prądowe i
napięciowe. Na rynku juŜ pojawiają się gotowe rozwiązania przekładników prądowych gdzie dzięki
zastosowaniu innowacyjnej techniki optycznej i specjalnego interfejsu komunikacyjnego, pomiary
światłowodami są transmitowane bezpośrednio do zabezpieczeń elektroenergetycznych – zgodnie z
standardem IEC 61850-9.
Komunikacja obiektowa
Komunikacja zorientowana obiektowo jest aktualnym trendem w rozwoju oprogramowania i sprzętu.
KaŜdy obiekt jest funkcją lub stanowi część większej funkcji, równieŜ usługa komunikacyjna
wymieniająca informacje między obiektami jest funkcją, która moŜe zostać wywołana.
Wykorzystując właśnie tą filozofię moŜemy stworzyć prawdziwie rozproszoną telemechanikę. A
szybka wymiana informacji (funkcja GOOSE) która z czasem poniŜej 4ms (urządzenie – urządzenie)
jest wstanie przesłać rozkaz sprawia Ŝe IEC 61850 będzie „szybszy” niŜ standardowe metody
wykorzystujące na stacjach masę przewodów, obwodów okręŜnych, fizycznych wejść i wyjść
urządzeń.
Do tego dochodzi „czystość” struktury komunikacyjnej na stacji. Zamiast km przewodów mamy tylko
połączenia do zasilaczy urządzeń oraz połączenia światłowodowe!
Rewolucja w projektowaniu stacji
MoŜna sobie teŜ wyobrazić jak będzie wyglądał projekt – tutaj jest największa zmiana. Jeśli cała stacja
zostanie oparta na IEC 61850 to nie będą to tomy dokumentacji gdzie większą część stanowiły
schematy połączeń, listwy połączeniowe, i tylko kilka stron opisu. W tej chwili wszystko leŜy w
rękach inŜynierów dokonujących konfiguracji sieci i urządzeń. Projektant musi jednak napisać jak
powinno to działać, dać instrukcje inŜynierom jak wykonać konfigurację – ale tym razem opisową nie
rysunkową. A taką robi się szybciej i łatwiej.
Łatwo ją równieŜ zmienić – np. jeśli trzeba zmodyfikować stację, rozszerzyć obszar objęty blokadami
międzypolowymi, zrzutem obciąŜenia, lokalną rezerwą wyłącznikową, itd.
Przyszłość jest zagadką
Automatyka stacji jest oparta na technologii komputerowej, częściowo równieŜ na technologii
komunikacyjnej. Podczas gdy prędkości procesorów czy teŜ pojemności pamięci podwajają się co
dwa, trzy lata, a co za tym idzie rosną prędkości transmisji to funkcje zabezpieczeniowe nie zmieniają
się prawie wcale.
Dla przykładu, od pół wieku niezmiennie funkcja zabezpieczenia nadprądowego musi otrzymać
informacje o wartości prądu (jako dana wejściowa) oraz na tej podstawie wygenerować sygnał
wyłączenia (dana wyjściowa).
Dlatego właśnie automatyka stacji moŜe być odporna na zmiany. W standardzie IEC 61850 dane są
zawarte oddzielnej części normy niŜ metody komunikacyjne.
W fazie projektowania standardu IEC61850 największą rolę spełniały klarowne zdefiniowanie
obszarów wzajemnych oddziaływań poszczególnych partii systemów. Obszary te obejmowały funkcje
oraz odpowiadające im dane. W IEC 61850 nazwy danych podlegają ścisłej standaryzacji.
Nazwy w sposób jednoznaczny określają procesy na tych danych. Dla przykładu: nazwa napięcia rms
fazy L1 w polu zasilającym składa się z dwóch części: część tej nazwy jest związana z informacją o
rms napięcia fazy L1 i jest określona w standardzie, natomiast cześć nazwy odpowiadająca źródłu
tego napięcia (pole zasilające) jest
defined in IEC
defined in IEC
w gestii uŜytkownika.
61850-7-3
61860-7-4
configurable
Rys.1. Podział sposobu nadawania
nazw: od urządzenia logicznego (LD),
po przez węzeł logiczny (LN) do
atrybutu danej.
LDName
LNName
LN Prefix
Part 1
LN class
Part 2
DataName
DataAttributeName
LN Instance no
Part 3
Part 4
Analogiczna zasada obejmuje
sygnały o zadziałaniu, pobudzeniu, etc. Normalizacja nazw pozwala na uniknięcie dwuznaczności lub
niejasności w identyfikacji danych, gdy są one wykorzystywane przy tworzeniu modeli danych. Dane
zawarte w modelach obejmują urządzenia IED, schematy jedno kreskowe stacji, dane z urządzeń jak
wyłączniki, odłączniki, itd.
4. Korzyści wypływające z stosowania standardu IEC 61850
Podstawowe korzyści:
• jeden protokół dla wszystkich elementów stacji;
• pełna funkcjonalność pod względem automatyzacji stacji: sterowania, zabezpieczenia
i monitoring;
• architektura „odporna na przyszłość”
• światowy standard, w który są zaangaŜowane największe koncerny produkujące urządzenia
elektroenergetyczne;
• zdefiniowane wymagania jakościowe co do kompatybilności, funkcji systemu, integralności
danych, bezpieczeństwa, wymagań środowiskowych oraz usług zewnętrznych;
• zdefiniowany proces konfiguracyjny, narzędzia oraz eksploatacja podczas pracy systemu;
• sprecyzowany proces testowania i uzyskania świadectwa kompatybilności;
• elastyczność protokołu pozwalająca na gradację rozwiązań na nim opartych;
•
oparty na istniejącej technologii Ethernet oraz ogólnie dostępnych elementów sieciowych;
W porównaniu z standardowymi protokołami komunikacyjnymi jak IEC 60870-5-103, DNP3,
standard IEC 61850 oferuje wiele więcej moŜliwości, szczególnie dla branŜy elektroenergetycznej.
Niektóre moŜliwości są widoczne gołym okiem a inne potrzebują czasu i są zaleŜne od następujących
czynników:
Zaakceptowanie zmiany architektonicznej zasady komunikacji ze standardu MASTER-SLAVE na
koncepcję KLIENT – SERVER;
Stosowanie na stacjach jak największej ilości urządzeń IED z zaimplementowanym standardem
IEC61850;
( róŜnie standardy komunikacyjne urządzeń IED mogą uniemoŜliwić pełne wykorzystanie funkcji
IEC 61850)
Brak oporów ze strony obsługi stacji odnośnie nowej technologii;
Nie wszystkie korzyści są rozpoznane i wykorzystane na starcie nowego systemu
5. Opis standardu
Główną cechą standardu IEC 61850 jest jego wszechstronność. Dla przykładu: moŜliwa jest
bezpośrednia wymiana informacji na stacji między urządzeniami IED (zabezpieczenia, centra
pomiarowe, etc) tego samego lub róŜnych producentów, oraz uŜycie tych informacji w celu realizacji
automatyk, blokad, etc.
W standardzie IEC61850 sprowadza się to do podzielenia funkcji na moŜliwie najmniejsze elementy
zwane dalej logicznymi węzłami, które komunikują się między sobą.
Rys.2. Wizualizacja struktury informacji w standardzie
IEC 61850
KaŜdy węzeł logiczny ma swój zbiór danych. Dane te podlegają wymianie z innymi węzłami zgodnie
z procedurą zwaną dalej usługą. Dane oraz usługi z nimi związane są mapowane w stosach,
indywidualnych dla kaŜdego producenta, zwanych MMS (Manufacturing Message Specyfication),
TCP/IP (Transmision Control Protocol/Internet Protocol), czy teŜ Ethernet.
Dane konfiguracyjne oraz dane operacyjne są transportowane zgodnie z zasadą klient – serwer.
Jednak informacje transportowane w TCP/IP czy teŜ MMS róŜnią się pod względem przydzielonych
im priorytetów. Dane operacyjne, wszelkiego rodzaju sygnalizacje zmiany stanów czy komendy są
traktowane priorytetowo. Zmiana nastaw, transfer plików zakłóceń, zdarzeń są oznaczone niŜszym
priorytetem.
W obrębie danej stacji (lokalnie) następuje kolejny podział na dwa róŜne typy informacji.
Informacje takie jak stany połoŜenia łączników, informacje o zadziałaniu zabezpieczeń, blokady
między polowe czy teŜ wymiana informacji między urządzeniami IED mogą być wykorzystane jako
GOOSE (Generic Object-Oriented Substation Event).
System
Ethernet
Intranet
GOOSE/GSSE Źródło
IED1
GOOSE/GSSEWiadomość
192.168.205.1
IED2
192.168.205.13
GOOSE/GSSE
Przeznaczenie
Rys.3. Przykład zasięgu funkcji GOOSE – np. blokady międzypolowe
System kaŜdorazowego mapowania logicznego węzła do stosu daje moŜliwość niezaleŜnego
polepszania urządzeń bez wpływu na część aplikacyjną.
Właściwość ta czyni standard IEC 61850 przygotowanym na przyszłość.
IEC 61850 definiuje równieŜ zasady przeprowadzenia testów urządzeń, tak aby ich integralność ze
standardem mogła zostać sprawdzona, zapewniając pewność działania między urządzeniami róŜnych
dostawców.
6. Model danych
Aktualnie niemal kaŜda praca programistyczna (konfiguracyjna) oparta jest na utworzonych bądź
opisanych modelach danych. Generalnie modele zawierają informację opisujące dane urządzenia lub
proces na nim oparty. Dla przykładu model transformatora opisany jego mocą, napięciem po stronie
wysokiej i niskiej jest przedstawieniem sposobu, w jaki transformator będzie pracował. Z drugiej
strony skrzynia na 3m długa, 2m szeroka i 3m wysoka moŜe być równieŜ modelem, ale
wykorzystanym dla innych celów.
W komunikacji model, w którym opisane dane wejściowe i wyjściowe np. transformatora będzie
nazywany modelem danych.
Standard IEC 61850 oparty jest na modelach danych odmiennych dla kaŜdej funkcji.
KaŜdy element danych posiada swoją własną nazwę, która składa się z trzech sprecyzowanych w
standardzie części:
-
węzła logicznego;
obiektu danych;
atrybutów;
PowyŜszy podział zilustrowany jest na przykładzie modelu wyłącznika.
Stan połoŜenia wyłącznika będzie miał nazwę:
XCBR.Pos.StVal
XCBR jest nazwą węzła logicznego. Pos jest obiektem danych, stVal jest atrybutem obiektu danych.
PowyŜsze elementy poukładane są w hierarchiczną strukturę podobnie jak to jest w Ekploratorze
Windows.
Rys.4. Przykład hierarchii danych w modelu wyłącznika.
Nazwa wyłącznika XCBR nie moŜe być zmieniona, jest ona sprecyzowana w standardzie, ale
moŜemy dodać do niej własną część nazwy tak, aby jasno identyfikować wyłącznik w naszej
konfiguracji.
Dla przykładu wyłącznik w polu A moŜe mieć poniŜszą nazwę:
PoleA/XCBR.Pos.stVal
W standardzie IEC 61850 jest wyspecyfikowanych około 90 typów węzłów logicznych.
Innym przykładem węzła logicznego moŜe być PTOC – jako przedstawienie funkcji zabezpieczenia
nadprądowego.
7. Konfiguracja
KaŜdy integrator systemu opartego na standardzie IEC 61850 oczekuje od producentów
poszczególnych typów urządzeń pewnych danych wejściowych, umoŜliwiających wykonanie
konfiguracji systemu.
Podczas integrowania w system urządzeń opartych na protokołach IEC 101, DNP3, Modbus,
informacje zawarte były w dokumentacji i zdarzało się, Ŝe był do nich utrudniony dostęp – zwłaszcza
do części prywatnej specyficznej dla kaŜdego producenta.
Zgodnie ze standardem IEC 61850, kaŜde urządzenie zawiera plik konfiguracyjny nazywany ICD
(IED Capability Description).
Zawartość powyŜszego pliku moŜe być odczytana za pomocą kaŜdego narzędzia obsługującego
protokół IEC 61850.
Integrator systemu, ma zatem dostęp do takich informacji jak typ urządzenia, zawartość funkcji
zabezpieczeniowych, automatyk, metod komunikacyjnych, etc.
Za pomocą narzędzia konfiguracyjnego i plików ICD moŜliwe jest zaciągnięcie informacji o kaŜdym
urządzeniu podpiętym do sieci IEC 61850 oraz:
- przyporządkowania funkcji automatyk do konkretnych urządzeń;
- dokonanie powiązania źródła i miejsca przeznaczenia poszczególnych informacji z
poszczególnych urządzeń (elementów) systemu;
Narzędzie konfiguracyjne jako wynik swojej pracy generuje plik SCD (Substation Configuration
Description).
Informacje z tego pliku są wgrywane powrotnie do wszystkich elementów systemu.
]
Rys.5. Elementy konfiguracji protokołu IEC 61850
8. Testowanie i kompatybilność
Urządzenie kaŜdego producenta, które przeznaczone jest do pracy w standardzie IEC 61850 musi
przejść szereg testów potwierdzających jego kompatybilność ze standardem.
Testy kompatybilności zawierają:
•
•
•
•
•
sprawdzenie dokumentacji
sprawdzenie konfiguracji;
sprawdzenie usług;
sprawdzenie zawartych modeli danych;
sprawdzenie mapowania danych i usług;
PowyŜsze testy zgodności mogą być przeprowadzone w kaŜdym laboratorium akredytowanym przez
UCA International User Group
Ponadto przed wdroŜeniem standardu na obiekcie urządzenia poddawane są testom przy udziale
klienta FAT (Factory Acceptance Test) oraz testowanie na obiekcie klienta - SAT (Site Acceptance
Test).
9. Podsumowanie
Aktualnie standard IEC 61850 jest gotowy. Energetyka zawodowa jak równieŜ producenci urządzeń,
którzy aktywnie uczestniczyli w pracach standaryzacji protokołu uruchamiają pierwsze aplikacje z
protokołem IEC 61850.
Podczas światowych targów CIGRE w 2004 roku zademonstrowane zostało w pełni działające stanowisko
standardu IEC 61850, gdzie urządzenia firm: ABB, SIEMENS oraz AREVA testowane było za pomocą testera
OMICRON z modułem IEC 61850.
Rys.6. Przykład działającej aplikacji demonstracyjnej na targach CIGRE w ParyŜu w 2004r
Schneider Electric Energy Poland Sp. z o.o.
Zakład Automatyki i Systemów Elektroenergetycznych
58-160 Świebodzice, ul. Strzegomska 23/27
Tel. +48 (74) 854 84 10, Fax +48 (74) 854 86 98
www.schneider-electric.com
www.schneider-electric.pl