Pozyskiwanie zielonej energii oraz globalne wymogi w zakresie ochrony środowiska i zasobów naturalnych to główne wyzwania stojące przed przemysłem energetycznym. Stworzenie standardu IEC 61850 oznacza powstanie międzynarodowej normy umożliwiającej jednolite projektowanie sieci i systemów komunikacyjnych dla energetyki, wspierających te kierunki. System Axioline F I/O firmy Phoenix Contact jest w pełni zgodny z nową regulacją. 

Czynniki takie, jak rosnące koszty energii, niedobór ważnych zasobów oraz zwiększająca się emisja CO₂ nabierają coraz większego znaczenia w skali globalnej. Aby zapewnić ludności oraz przedsiębiorstwom dostęp do zrównoważonej i bezpiecznej energii w przyszłości, potrzebne są nowe koncepcje i podejście systemowe. Jednym z rozwijanych rozwiązań są inteligentne sieci elektroenergetyczne, tzw. Smart Grids. Ten rodzaj sieci umożliwia optymalne zsynchronizowanie produkcji energii, jej zużycia i magazynowania, ale wymaga również wdrożenia zaawansowanych technologii – dla zapewnienia elastycznego i niezawodnego dostarczenia energii zgodnie z bieżącym zapotrzebowaniem. Rosnący udział energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych oraz stały wzrost ilości niewielkich, zdecentralizowanych elektrowni sprawia, że posiadanie jednolitego systemu komunikacji staje się koniecznością.

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

Norma IEC 61850 – niezależność producenta i interoperacyjność urządzeń

W tym kontekście międzynarodowa norma IEC 61850 „Systemy i sieci komunikacyjne w automatyce sieci zasilania” odgrywa decydującą rolę. Norma jak i określone przez nią obiektowe transmisje danych po raz pierwszy umożliwiają opisanie złożonych procesów i urządzeń w sposób jednolity dla wszystkich uczestników sieci komunikacyjnej. Dwie główne zasady IEC 61850, to: niezależność od producenta oraz interoperacyjność urządzeń. Znacząco zmniejsza to różnorodność istniejących do tej pory przyłączy. Ponadto, użytkownicy nie muszą już zależeć od jednego tylko 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. Te pliki SCL (Substation Configuration Language – Język Opisu Konfiguracji Stacji) 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, co pozwoli na zapewnienie stabilnego zasilania. Oprócz zwiększonej odporności na zakłócenia elektromagnetyczne, urządzenia muszą charakteryzować się wysoką wytrzymałością przepięciową, sprawdzaną w badaniach ESD (wyładowanie elektrostatyczne) oraz badaniach spraw­dzających wytrzymałość na drgania, wibracje, przeciążenia.

Rys. 2. Parametry systemu Axioline F I/O w pełni odpowiadają wymaganiom technologii energetycznych

Wsparcie dla komunikacji MMS i GOOSE

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

Rys. 3. Parametryzacja stacji I/O w systemie Phoenix Contact jest bardzo prosta przy zastosowaniu interfejsu sieciowego

Elastyczność rozwiązania

Najważniejszą cechą Axioline F jest jednak łatwa obsługa, która jednocześnie nie wpływa na wymaganą niezawodność systemu. Moduły I/O dla cyfrowych wejść oraz wyjść przekaźnikowych przy znamionowym napięciu do 220 V DC, zaprojektowane są specjalnie dla środowiska przemysłowego i 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 ustawienia 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.

Rys. 4. Systemy I/O wspierają m.in. monitorowanie i sterowanie transformatorami

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.

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)

Kamil Wachowicz
Autor jest pracownikiem firmy
Phoenix Contact