Axioline F I/O firmy Phoenix Contact to rozwiązanie zgodne z IEC 61850 przeznaczone dla systemów zaopatrzenia w energię. Produkt został przygotowany w konstrukcji modułowej do wbudowania w szafy sterownicze, oferuje szybki czas reakcji oraz instalacji. Axioline F cechuje się niezawodną mechaniką, dobrymi właściwościami EMC oraz łatwością użytkowania. Zastosowanie technologii szybkiego podłączania push-in oraz wyjmowanych złączy wtykowych umożliwia szybkie i bezbłędne podłączenie. 

System Axioline F bardzo dobrze nadaje się do wykonywania wymagających zadań w zakresie automatyki w trudnych warunkach środowiskowych, gdzie wymagane są niezawodne komponenty z intuicyjną obsługą. Szeroki asortyment produktu obejmuje funkcje cyfrowe i analogowe w różnych układach oraz funkcje specjalne, takie jak moduły temperaturowe.

Rys. 1. Dywersyfikacja źródeł energii (OZE) oraz wzrost ilości niewielkich, zdecentralizowanych elektrowni sprawia, że dla systemów elektroenergetycznych konieczne jest m.in. zapewnienie jednolitego, sprawnego systemu komunikacji

Sieci elektroenergetyczne Smart Grid

Czynniki takie jak rosnące koszty energii, niedobór ważnych zasobów oraz zwię­kszająca się emisja CO₂ są coraz bardziej odczuwalne w skali globalnej. Aby zapewnić ludziom oraz przedsiębiorstwom dostęp do zrównoważonej i bezpiecznej energii, powstają nowe koncepcje i podejścia systemowe. Jednym z wdrażanych rozwią­zań jest inteligentna sieć elektroenergetyczna, tzw. Smart Grid. Ten rodzaj sieci umożliwia optymalne zsynchronizowanie produkcji energii, jej zużycia i magazynowania, ale wymaga jednocześnie zastosowania najnowszych technologii – dla zapewnienia elastycznych i niezawodnych dostaw energii zgodnie z bieżącym zapotrzebowaniem. Dywersyfikacja źródeł energii, w tym rosnący udział źródeł odnawialnych, oraz stały wzrost ilości niewielkich, zdecentralizowanych elektrowni sprawia, że dla elektroenergetycznych systemów Smart konieczne jest m.in. zapewnienie jednolitego, sprawnego systemu komunikacji.

Rys. 2. System Axioline F I/O bardzo dobrze nadaje się dla technologii energetycznych

Regulacja IEC 61850 – niezależności producenta i interoperacyjność

W tym kontekście znaczną rolę odgrywa międzynarodowa norma IEC 61850 Systemy i sieci komunikacyjne w stacjach elektroenergetycznych. Standard IEC 61850 pozwala na jednolite projektowanie sieci i systemów komunikacyjnych, w tym także systemu Axioline F I/O firmy Phoenix Contact. Norma, jak i określone przez nią obiektowe transmisje danych, po raz pier­wszy umożliwia opisanie złożonych procesów i urządzeń w sposób jednolity dla wszystkich uczestników sieci komunikacyjnej. Dwie główne zasady IEC 61850 to niezależność producenta oraz interoperacyjność urządzeń. Znacząco zmniejsza to różnorodność istniejących do tej pory przyłączy. Ponadto, użytkownicy nie muszą już zależeć od tylko jednego producenta i zastrzeżonych rozwiązań automatyki sieci.
Interoperacyjność nie ogranicza się tylko do wymiany danych w oparciu o standardową technologię Ethernetu. Także proces technologiczny został jasno określony. Użytkownik ma dostęp do wstępnie określonych jednostek funkcyjnych, które w hierarchicznym modelu danych są opisane jako czytelny plik tekstowy SCL (Substation Configuration Language – Język Opisu Konfiguracji Stacji). Pliki te tworzą podstawę dla wydajnej inżynierii systemów. IEC 61850 określa też wymagania dla urządzeń. Komponenty używane w systemach energetycznych muszą być w stanie spełniać warunki środowiskowe panujące na danych obszarach oraz być stale dostępne, ponieważ tylko w ten sposób będzie możliwe zapewnienie stabilnego zasilania. Oprócz zwiększonej odporności na zakłócenia, urządzenia muszą charakteryzować się również wysoką wytrzymałością przepięciową, sprawdzaną w badaniach ESD (wyładowanie elektrostatyczne), badaniach na rozerwanie i przepięcie.

Rys. 3. Parametryzacja stacji I/O jest bardzo prosta przy zastosowaniu interfejsu sieciowego

Rola systemów I/O

Jeżeli zapewnienie komunikacji odbywa się zgodnie z IEC 61850, to systemy I/O mają do odegrania ważną rolę. Jeszcze przed planowaniem systemu należy rozważyć to, w jaki sposób sygnały będą rejestrowane oraz w prosty i wydajny sposób przesyłane. Ponadto, musi być jasne, jak korzyści wynikające z obiektowego charakteru standardu mogą zostać zintegrowane w inżynieryjny projekt całej stacji. Phoenix Contact rozwiązuje ten problem poprzez system Axioline F I/O zaprojektowany do komunikacji zgodnej z IEC 61850. Moduł I/O został opracowany specjalnie dla tego rodzaju zastosowań (rys. 2). System I/O Phoenix Contact charakteryzuje się szybką transmisją danych, niezawodnością działania oraz łatwością obsługi podczas budowy i uruchomienia.

Komunikacja MMS i Goose
Krótkie czasy reakcji są jednym z podstawowych warunków stabilnego zaopatrzenia w energię. Z tego powodu Axioline F obsługuje zarówno komunikację z systemem sterowania MMS (Manu­fac­tu­ring Message Specification), jak i szybki, inicjowany przez zdarzenia protokół Goose (szybka międzypolowa wymiana danych – Generic Object Oriented System Event) dla bezpośredniej wymiany danych pomiędzy urządzeniami końcowymi (serwerami). Oznacza to, że sygnały o wysokim priorytecie są przesyłane bezpośrednio przez system sterowania do wszystkich uczestników, tak szybko jak to możliwe.

Elastyczność rozwiązania

Najważniejszą cechą Axioline F jest jednak łatwa obsługa, która jednocześnie nie wpływa na wymaganą niezawodność systemu. Moduły I/O dla cyfrowego wejścia oraz wyjść przekaźnikowych przy znamionowym napięciu do 220 V DC, zaprojektowane specjalnie dla środowiska przemysłowego, posiadają wytrzymałość przepię­ciową 5 kV. Co istotne, moduły te mogą być organizowane zgodnie z potrzebami w ramach stacji I/O bez konieczności budowy specjalnych segmentów, takich jak płyty rozdzielające. Cechy te zapewniają elastyczność budowy stacji i możliwość dowolnego ustawienie modułów sterowania, sygnalizacji i analogowych.
Rozmieszczenie terminali w IEC 61850 także jest elastyczne – czy to przez interfejs sieciowy, czy też, jak w przypadku innych plików konfiguracyjnych, za pomocą prostego pliku tekstowego. Dla stworzenia kompletnej stacji I/O (rys. 3) nie są wymagane żadne specjalne narzędzia. Cała parametryzacja odbywa się poprzez wymianę plików konfiguracyjnych IEC 61850. W tym celu można też stosować interfejs sieciowy. Oznacza to, że użytkownik nie musi kupować, ani też dokonywać żadnego dodatkowego programowania.
Certyfikat zgodności z normą komunikacyjną zapewnia bezpieczeństwo korzystania z poszczególnych urządzeń lub systemów. Dla Axioline F zgodność tę udokumentowało centrum certyfikacji badań KEMA. Dzięki temu użytkownik uzyskuje potwierdzenie, że system Axioline F posiada 100-procentową interoperacyjność zgodnie z normą IEC 61850.

Rys. 4. Systemy I/O pomagają m.in. przy monitorowaniu i sterowaniu transformatorami

Zastosowanie w obszarach produkcji energii

IEC 61850 znajduje zastosowanie na wszystkich poziomach dostarczania energii elektrycznej. Obejmuje to również wytwarzanie energii – bez względu na to czy energia elektryczna pochodzi z dużych konwencjonalnych elektrowni czy też ze źródeł odnawialnych, takich jak systemy wiatrowe czy fotowoltaiczne. Wykorzystanie cyfrowej technologii ochrony zapewnia możliwość przesyłania informacji o zdarzeniu oraz czasie jego powstania za pomocą komunikacji w ramach IEC 61850 do głównego systemu I&C oraz zastosowania analizy błędów dającej dokładne wyniki w ciągu milisekund. Jest to bardzo ważne, ponieważ w ten sposób źródło zakłóceń może być szybko i dokładnie określone. W przypadku niskonapięciowych urządzeń rozdzielczych rozwiązanie oferuje szeroki zakres sygnałów do sterowania szynami. Ponadto, jest także wiele możliwości zastosowań Axioline F w sieciach przesyłowych i dystrybucyjnych. Możliwy jest monitoring transformatorów w celu planowania konserwacji, ostrzeżeń procesowych lub raportów o błędach (rys. 4). Lokalne stacje zasilające mają m.in. za zadanie dostarczać do sieci energię elektryczną produkowaną przez zdecentralizowane elektrownie korzystające ze źródeł odnawianych. Transformator lokalnej sieci zasilania z możliwością jego sterowania zapewnia, że napięcie utrzymywane jest w zakresie ±10%. Urządzenie także może być sterowane poprzez system I/O certyfikowany zgodnie z IEC 61850.

Rys. 5. System Axioline F I/O, opracowany dla komunikacji zgodnej z normą IEC 61850,
jest wyposażony w odpowiednie komponenty infrastrukturalne

Podsumowanie

IEC 61850 stworzyło międzynarodową normę dla wszystkich poziomów dostarczania energii elektrycznej. Szybki i łatwy w obsłudze system Axioline F firmy Phoenix Contact oferuje zgodne z normą rejestrowanie i przesyłanie odpowiednich danych do centrum sterowania. Stanowi to ważny element tworzenia stabilnej sieci elektrycznej o wysokiej dostępności (rys. 5).

inż. dypl. (FH) Harald Grewe
Autor pracuje jako menadżer systemów I/O
w firmie Phoenix Contact Electronics w Bad Pyrmont (Niemcy)
mgr inż. Kamil Wachowicz
Autor pracuje jako menadżer produktu – Automatyka
w firmie Phoenix Contact