Apakšstacijas datu iegūšanas arhitektūras un sakaru protokols (IEC 61850)
Apakšstacijas datu iegūšana
Šajā tehniskajā rakstā apskatīts apakšstacijas līmenisdatu iegūšanas arhitektūra un sakaru protokols, kas aprakstīts IEC 61850. IEC 61850 ir pašreizējais starptautiskais standarts apakšstaciju automatizācijai (SA).
Apakšstacijas līmeņa datu iegūšanas arhitektūra un sakaru protokols, kas aprakstīts IEC 61850 (fotogrāfijā: TransCo Laoag apakšstacija naktī; kredīts: MikeHansZach, izmantojot Flickr)
IEC 61850 uzmanības centrā ir nodrošinātsadarbspējīgs standarts, lai sazinātos ar daudzpakāpju apakšstaciju iekārtām. Līdz šim patentētais sakaru protokols ir atdalījis apakšstacijas iekārtu eterogēnu maisījumu izmantošanu.
IEC 61850 apraksts ir atsauces ietvars, no kura var salīdzināt trīs ierosinātās apakšstacijas datu iegūšanas arhitektūras.
Apakšstacijas līmeņa datu iegūšanas sistēmapārsūta datus no UGPSSM (Universal GPS laika sinhronizētajiem skaitītājiem) uz vadības māju. Šo funkcionalitāti var veikt, izmantojot vairākas arhitektūras.
Tiks aprakstītas trīs šādas arhitektūras attiecībā uz datu plūsmu tipiskā apakšstacijā. Trīs aprakstītās arhitektūras ir: no punkta uz punktu, tīklā un bezvadu. Plānotajā nākotnes apakšstacijā visus savāktos datus sākotnēji apstrādā caur universāls globālās pozicionēšanas satelīta (GPS) laika sinhronizētais mērītājs (UGPSSM).
UGPSSM ierīce ir līdzīga IEC 61850 apvienošanas vienībai. Katra UGPSSM apstrāde ir visu apakšstacijas datu paraugu ņemšana, digitalizēšana un GPS laika zīmogs.
Šajā rakstā ir aprakstīts UGPSSM funkcionalitāte un piedāvātā aparatūra.
1. IEC 61850 apakšstacijas līmeņa datu iegūšanas pārskats
1.1. Datu plūsma
Apakšstacijas līmeņa datu iegūšanas sistēmas konceptuālā shēma, kas izklāstīta IEC standarts 61850 “Sakaru tīkli un sistēmas energoefektivitātes automatizācijai” parādīts 1.a attēlā.
Šobrīd pieejamais tehnoloģijas piemērs, izmantojot šo pieeju, ir GE HardFiber tehnoloģija.
1. attēls. Apakšstacijas cieto sistēmu
2. attēlā apvienojošās vienības (MU) ir analogās un digitālās datu vākšanas ierīces kas paraugus un digitalizē elektriskos daudzumus. Elektriskie daudzumi ir interesanti analogie vai digitālie signāli.
Analogie daudzumi ietver:
- Sprieguma un strāvas signāli no potenciālajiem transformatoriem un strāvas transformatoriem (CT), \ t
- Transformatoru temperatūras signāli no pretestības temperatūras detektoriem (RTD), \ t
- Transformatoru apgriezienu attiecība no potenciometriem,
- utt.
2. attēls - 61850 standarta apakšstacijas līmeņa datu iegūšanas konceptuālais projekts
Digitālajos daudzumos ietilpst papildu kontaktsizejas utt. MU tiek ievietoti fiziski tuvu signāliem, ko tie pārrauga. Šis izvietojums samazina signāla korupcijas potenciālu. ES ietvaros GE HardFiber sistēma MU tiek saukti Ķieģeļi.
GE ķieģeļi ietver atmosfēras ārpusi, kas piemērots āra un ekstremāliem fiziskiem apstākļiem, kas bieži sastopami apakšstacijās.
GE HardFiber sistēmā saliekamās optiskās šķiedras kabeļi tiek izmantots starp ķieģeļiem un apakšstaciju stikla šķiedru optikas kabeļa Cross Connect paneļu gala punktiem.
3. attēls - HardFiber sistēmas piemērs
Cross Connect paneļi atrodasapakšstacijas vadības māja (sk. 3. attēlu) un tiek izmantoti, lai savienotu ķieģeļus ar aizsardzības relejiem, skaitītājiem un citām viedajām elektroniskajām ierīcēm (IED).
Šķērssaites paneļi, kā to iesaka nosaukums, ļauj optiskās šķiedras kabeļus ievietot starp apakšstaciju pagalmu ķieģeļiem Ķieģeļi un vadības māja IED.
Iestatīšana rada īpašu šķiedru optisko sakaru kanālu starp katru ķieģeli un atbilstošo IED.
4. attēls - Ķieģeļu un IED šķērssavienojums
2. attēlā procesa kopnes bloks pārstāvMU datu ceļa savienojums ar atsevišķām apakšstacijām IED. Apakšstacijas IED izmanto digitālos datus, ko sniedz MU, lai radītu papildu datus.
HardFiber sistēmā Cross Connect paneļos tiek izmantoti saliekamie optisko šķiedru plāksteru auklas, lai izveidotu nepārtrauktu šķiedru optisko kanālu starp ķieģeļiem un IED.
Tādējādi staciju autobuss pārraida datus ievērojami lēnāk nekā procesa autobuss. Tas ļauj tīklā veidotai arhitektūrai staciju autobusā.
2. attēlā virs stacijas autobuss atvieglodatu plūsma starp visām apakšstacijām IED, apakšstaciju vadības datoriem un GATE aparatūru. Tas ļauj veikt IED ziņojumapmaiņu, cilvēku mašīnu saskarni un saziņu ar ārējām ieinteresētajām personām.
HardFiber sistēmas galvenās priekšrocības ir:
- Standartizētas optiskās šķiedras kabeļi;
- Saliekamie plauktu komponenti;
- Inženiertehniskie darbi, uzstādīšana, nodošana ekspluatācijā un ekspluatācijā esošu prasmju kopu izmantošana;
- Var izmantot GE UR sērijas relejus un citus 61850 saderīgus IED; un
- Dažādi IED var ierakstīt atlasītos datus ar neatkarīgiem paraugu ņemšanas ātrumiem.
IEC 61850 ļauj mantojuma iekārtām darboties vienā apakšstacijā ar jaunāku aprīkojumu. Tas parādīts 2. attēlā kur A un PMU A pārrauga spriegumus un strāvas, izmantojot analogus instrumenta kanālus.
1.2 Sakaru protokols
IEC 61850 ir vairāk nekā tipisks sakaru protokols. IEC 61850 ietver specifikācijas, kā to izdarīt datus. Tajā arī norādīts, kādi dati jādara zināmi objektorientētā veidā.
IEC 61850 radītāju galvenais mērķis ir izveidot sakaru protokolu kas nodrošina savstarpēju savietojamību starp visām apakšstaciju iekārtu piegādātājiem.
2. Apakšstacijas līmeņa datu iegūšanas arhitektūra
Visās apakšstacijās dati tiek izmantoti lokāli, un dati tiek nosūtīti ārējām ieinteresētajām personām. Vietējo datu vākšanai izmantotā arhitektūra dažādās apakšstacijās ievērojami atšķiras.
Turpmāk ir aprakstītas trīs nākotnes apakšstacijas datu vākšanas arhitektūras.
2.1
Konceptuāls punkts-punkta arhitektūras projekts ir parādīts 5. attēlā.
5. attēls. Datu vākšanas arhitektūras konceptuālais plānojums
5. attēlā UGPSSM sazinās caur optisko šķiedru vai vara datu savienojumu. Periodiski dati tiek sniegti no katras UGPSSM.
Punkta līdz punktam komunikācijas priekšrocības ietver: Visaugstākais ātrums
Punktu un punktu sakaru trūkumi ietver:
- Pieprasa visvairāk izejvielu komunikācijas kanāliem
- Pieprasa vislielāko infrastruktūru komunikācijas ceļam
Otrā metode, ko izmanto apakšstaciju datu savākšanai, ir tīkla arhitektūra, kas aprakstīta turpmāk.
2.2 Tīkls
Tīkla arhitektūras konceptuālais dizains parādīts 6. attēlā.
6. attēls - Tīkla datu vākšanas arhitektūras konceptuālais plānojums
6. attēlā katra UGPSSM izeja tiek novirzīta caur maršrutētāju uz kontroles māju. Pārslēgtās komunikācijas izmantošana samazina tīkla saites materiāla apjomu.
Turklāt komutācijas komunikācija palielina datu plūsmas latentumu.
Tīkla arhitektūra ir ievērojama rūpniecības un komerciālās komunikācijas infrastruktūras tirgus daļa.
Tīkla sakaru infrastruktūras izmantošanaapakšstacijas vidē ir ierobežota. Šāda veida komunikācijas uzticamība un latentums tiek apšaubīts par cieto reālā laika sistēmām, ko izmanto energosistēmas automatizācijā.
Tīkla arhitektūras priekšrocības ietver:
- Zemākas prasības sakaru kanālu materiālam,
- Zemāka prasība par sakaru infrastruktūru.
Tīkla komunikāciju trūkumi ietver: Sakaru sadursmes izraisa kavēšanos.
Trešā metode, ko izmanto apakšstaciju datu savākšanai, ir tīkla arhitektūra, kas aprakstīta turpmāk.
2.3 Bezvadu savienojums
Bezvadu arhitektūras konceptuālais skatījums parādīts 7. attēlā.
7. attēls. Bezvadu datu vākšanas arhitektūras konceptuālais dizains
Bezvadu arhitektūrai ir līdzības unatšķirības no pēdējām divām apakšstaciju līmeņa datu ieguves arhitektūrām. Līdz šim nav izmantota bezvadu tīkla apakšstaciju datu iegūšanas metodika. Bezvadu datu pārraide tiek izmantota citās elektroenerģijas sistēmas operācijās un daudzās citās tehniskās jomās.
7. attēlā bezvadu modemi izmanto, lai nosūtītu UGPSSM datus uz kontroles māju.
Bezvadu sakariem ir nepieciešami tikai modemikatrā mērīšanas vietā. Tādējādi ir nepieciešami ierobežoti ieguldījumi infrastruktūrā. Tipisko apakšstaciju datu pārraides attālumi nodrošina ļoti uzticamu datu pārsūtīšanu uz punktu.
Bezvadu modemu izmantošana rada mērāmu uzticamības problēmu, ko var pastāvīgi uzraudzīt, izmantojot pārraidītos datus.
Bezvadu arhitektūras priekšrocības ietver:
- Zemākā prasība attiecībā uz sakaru kanālu materiālu,
- Zemākā prasība par sakaru infrastruktūru.
Bezvadu sakaru trūkumi ietver:
- Kiberdrošības problēmas,
- Ātrums (tas nav trūkums ar jaunām sistēmām)
2.4 Sakaru protokols
Pastāv vairāku sakaru protokols, kas ir piemērojams apakšstacijas līmeņa datu iegūšanai.
Turpmāk sniegts daļējs esošo standartu saraksts.
- DNP3
- MODBUS
- IEC 60890-5-103
- IEEE C37.118
- SEL Ātrā ziņojuma protokols
Nākotnes apakšstacijas izaicinājums ir saistīts ar nepieciešamību liela ātruma un uzticamības digitālie sakari augstsprieguma apakšstaciju prasīgajā vidē.
3. Apakšstacijas līmeņa datu iegūšanas arhitektūras pārskats
No trim pārskatītajām apakšstaciju līmeņa datu ieguves sistēmām (no punkta uz punktu, tīklā un bezvadu) bezvadu arhitektūras priekšrocības ir ievērojamas.
4. Universālie GPS laika sinhronizētie mērītāji
UGPSSM nodrošina kopēju saskarni visiem ievades un izejas datiem, starp slēdža pagalma aprīkojumu un vadības ēkas aprīkojumu, paredzētajā apakšstacijas automatizācijas struktūrā.
Analogā mērījuma kanāla blokshēma piedāvātajā UGPSSM aparatūrā ir parādīta 8. attēlā.
Digitālie mērīšanas kanāli ietver optiskā izolācija, mikroprocesors (µP), fāzes bloķēšanas cilpa (PLL) un GPS pulksteņa signāls. Vadības kanāli ietver optisko izolāciju un tikai µP.
8. attēls. Analogā ievades kanāla blokshēma piedāvātajā UGPSSM
8. attēla bloki nodrošina darbībasUGPSSM. Digitizāciju (A / D) nodrošina 16 bitu sigma / delta modulēts analogais ciparu pārveidotājs. GPS laika zīmogs tiek pievienots katram mērījumam, izmantojot GPS pulksteņa signālu. UGPSSM arī nodrošina optisko izolāciju starp visām zemsprieguma ierīcēm un sadales iekārtu aprīkojumu.
Kopumā UGPSSM ir novietoti fiziski tuvu slēdža pagalma iekārtai, ko tie uzrauga, lai samazinātu zemas enerģijas analogo signālu korupciju.
Superkalibratora atgriezeniskās saites signāls 8. attēlā lai automātiski kalibrētu mērījumu kanālus - noved pie pašregulējošā mērīšanas kanāla ierosinātajā apakšstacijas automatizācijas struktūrā.
Palielinot mērījumu kanālu precizitāti, apakšstacijas iekšienē notiek vietējā apstrāde.
Atsauces //
- Nākotnes apakšstacija: Energosistēmu inženierijas pētniecības centra priekšizpēte (projekta gala ziņojums)
- GE Multilin HardFiber procesa autobusu sistēmas lietošanas instrukcija