Energetyka - sekrety IEC 61850

Podstawowym założeniem twórców IEC 61850 było zwiększenie kompatybilności poszczególnych systemów elektroenergetycznych, dzięki czemu możliwe by było ich elastyczne łączenie w duże, zdalnie zarządzane zespoły.

Jednocześnie strategia ta powinna ograniczyć czas potrzebny na instalacje i wdrożenie wszystkich kolejnych systemów działających w oparciu o omawiany protokół, co prowadziłoby do ogólnego zmniejszenia kosztów początkowych tego typu inwestycji.

Wysoki stopień automatyzacji wraz ze scentralizowanym, uniwersalnym systemem nadzoru powinien też skutkować ograniczeniem liczby występujących błędów w działaniu podstacji energetycznych, przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów obsługi infrastruktury.

Jak ważne jest bezpieczeństwo?

Wymienione cele dobrze wpisują się w ogólną tendencję panującą obecnie niemalże we wszystkich dziedzinach przemysłu. Wydawać by się więc mogło, że wystarczy skorzystać z opracowanych już standardów i protokołów komunikacji lub organizacji danych, jakie stosuje się w innych gałęziach przemysłu.

Jednakże energetyka stanowi kluczowy sektor przemysłu praktycznie we wszystkich krajach świata, gdyż jej sprawne działanie decyduje o możliwości funkcjonowania wszelkich innych sektorów przemysłu. Z tego względu konieczne było opracowanie takich protokołów, które koncentrowały by się na zapewnieniu ciągłości działania, nawet kosztem dużych dodatkowych nakładów finansowych.

Aby osiągnąć ustalone założenia architekci IEC 61850 wprowadzili samoidentyfikujące się urządzenia, sformalizowali konwencję ich nazewnictwa oraz ujednolicili język opisu konfiguracji, co skutkowało pewnego rodzaju zestandaryzowaniem samej budowy urządzeń i ich modeli działania. Ponadto, zastosowano nowoczesne systemy wymiany danych.

Koncepcja IEC 61850

Rys.1. Sposób projektowania podstacji zgodnych z IEC 61850

Opracowany standard definiuje obiektowe modele budowy urządzeń oraz zasady ich zachowania w środowisku sieciowym. Nazwy atrybutów modelu zostały określone tak, aby były czytelne i zrozumiałe dla człowieka. Modele te mogą być następnie przystosowywane do poszczególnych grup produktów, czyli różnego rodzaju urządzeń stosowanych w podstacjach energetycznych.

W zależności od tego czy są to urządzenia kontroli dostępu, interfejsy baz danych, systemy informowania o błędach, czy też interfejsy różnego rodzaju przetworników. Co więcej, wszystkie te modele są niezależne od protokołów komunikacji takich jak np. Ethernet, dzięki czemu mogą być przystosowane do wszelkich obecnych i przyszłych magistral wymiany danych – o ile tylko zapewnią one wystarczająco wysokie parametry.

Modele zakładają, że każde urządzenie podłączane do systemu musi pozwalać na odczyt informacji na swój temat oraz na pobieranie danych konfiguracyjnych z sieci. Opis parametrów odbywa się za pomocą języka SCL – Substation Configuration Language, który zapisywany jest w plikach XML (Extensible Markup Language). Zapytania o poszczególne dane wykorzystują z góry zdefiniowane nazewnictwo, co sprawia że systemy te mogą się automatycznie konfigurować.

Jednym z wymogów stawianych nowym produktom przez IEC 61850 jest obsługa danych i funkcji udostępnianych przez urządzenia starsze. Dzięki temu wszystkie one mogą współistnieć w tej samej instalacji, co pozwala na stopniową modernizację systemów podstacji elektrycznej.

Pomysły wykorzystane w standardzie IEC 61850 dotyczą bardzo wielu obszarów działania podstacji elektroenergetycznych ale wcale nie definiują szczegółów operacji. Są tą jedynie wytyczne określające sposób postępowania przy projektowaniu urządzeń i systemów, a więc stanowią pewnego rodzaju koncepcję, nad której praktyczną realizacją czuwać mają producenci sprzętu i oprogramowania.

Komunikacja w IEC 61850

Rys.2. Koncepcje komunikacyjne stosowane w podstacjach elektroenergetycznych

Standard umożliwia tworzenie lokalnych baz danych, w których przechowywane są informacje pochodzące z poszczególnych urządzeń podstacji. Jest to preferowana metoda wymiany danych, gdyż pozwala znacząco ograniczyć liczbę połączeń kablowych pomiędzy zainstalowanymi urządzeniami. Ułatwia to też rozbudowę struktury podstacji. W przypadku modernizacji wystarczy podłączyć nowe urządzenia do baz zbiorczych, zamiast wykonywać oddzielne połączenia pomiędzy wszystkimi systemami, z którymi komunikować ma się nowy sprzęt.

Model zgodny z IEC 61850 zakłada możliwość rozbicia systemów na dopuszczalnie niewielkie elementy, które w różny sposób mogą być łączone np. z wykorzystaniem technologii Ethernet. Dla nowego modelu systemu stacyjnego szybkość i przepustowość interfejsów szeregowych takich jak RS-232/422/485 jest zdecydowanie niewystarczająca.

Warto też zaznaczyć, że jeszcze kilka lat temu technologia sieci Ethernet nie spełniałaby wymagań standardu IEC 61850, gdyż nie była wystarczająco rozwinięta. O ile oferowała wystarczająco duże przepustowości, urządzenia ją wykorzystujące nie były w stanie zapewnić odpowiednio krótkich opóźnień, które konieczne są do szybkich reakcji na ewentualne usterki lub zmiany w sieci elektrycznej.

Rys.3. Przykład wymiany danych pomiędzy urządzeniami logicznymi IEC 61850

Wymaganie dużej przepustowości wynika po części z założeń modelu, które polegają na preferowaniu prostych urządzeń jako elementów systemu podstacji. Stanowią one tylko pojedyncze końcówki sieciowe, które wykonują podstawowe operacje, na podstawie rozkazów otrzymywanych przez sieć.

Z jednej strony komplikuje to najprostsze zadania, które w dotychczas stosowanych modelach były wykonywane w ramach pojedynczego, bardziej złożonego urządzenia. Z drugiej jednak, umożliwia wykorzystywanie tych samych prostych podzespołów przez inne elementy sieci – o ile zostaną one odpowiednio skonfigurowane. Zapytania przesyłane pomiędzy poszczególnymi elementami systemu generują wspomniany dosyć duży ruch w sieci komunikacyjnej.

Integrator, który tworzy system podstacji energetycznej zgodny z IEC 61850 ma znacznie większą swobodę działania niż w przypadku dawniej tworzonych sieci komunikacyjnych w elektroenergetyce. Może on w sposób dowolny korzystać z różnorodnej oferty wielu producentów i w ten sposób unikać ograniczeń wynikających z założeń przyjętych przez jednego dostawcę sprzętu.

Co więcej, małe bloki funkcjonalne, jakie stanowią poszczególne urządzenia opracowane zgodnie z IEC 61850 pozwalają w praktyce na tworzenie autorskich rozwiązań, w pewnym sensie opartych na własnych funkcjach i przyrządach, których do tej pory nikt wcześniej nie zaprojektował. Operowanie na pojedynczych funkcjach umożliwia tworzenie wirtualnych urządzeń. Koncepcja ta staje się coraz bardziej popularna w automatyce, czego przykładem jest oprogramowanie LabView firmy National Instruments.