www.modernitovarna.com
PROSOFT TECHNOLOGY EMEA

IEC 61850: soubor norem pro komunikaci v energetice s velkým potenciálem výhod

Soubor norem IEC 61850 (český ekvivalent je ČSN EN 61850) definuje pravidla pro komunikaci mezi zařízeními v rozvodnách a stanovuje požadavky, které jsou na rozvodny a jejich zařízení z hlediska komunikace kladeny. Neobsahuje jen definice komunikačních protokolů, ale také standardy pro řídicí funkce a inženýrink rozvoden.

Ve světě se pro komunikaci v rozvodnách používá více než padesát různých protokolů, ale jen soubor norem IEC 61850 představuje jednotnou, standardizovanou, na dodavateli nezávislou metodu pro tvorbu komunikační sítě a integraci jednotlivých zařízení rozvodny. Základním cílem při tvorbě tohoto souboru norem totiž bylo umožnit vytváření systémů, v nichž budou komunikovat zařízení od různých výrobců. Tato zařízení, spojená komunikační sítí, se označují zkratkou IED – Intelligent Electronic Devices; česky inteligentní elektronická zařízení, a zajišťují ochranu rozvodny, dohled nad jejím provozem a automatizaci, měření a regulaci v rozvodně.
Pro to, aby bylo možné plně využít všech výhod nového souboru norem, je třeba vědět, co tento soubor obsahuje, v čem je jiný než předchozí komunikační standardy a co může uživatelům přinést.

Možnosti
Všechna zařízení IED, v rozvodnách nebo i jinde v rozvodné síti, komunikují pro to, aby bylo možné sbírat provozní data, nastavovat parametry regulace a jednotlivá zařízení na dálku konfigurovat a ovládat. Skutečnost, že různá IED sdílejí data a řídicí příkazy, umožňuje realizovat nové funkce pro distribuovanou ochranu rozvoden, jejich regulaci a automatizaci provozu. Jednotný komunikační systém nahradí složitou vyhrazenou kabeláž určenou pro zajištění různých funkcí rozvodny i nákladné jednoúčelové komunikační kanály zajišťující komunikaci mezi rozvodnou a dalšími stanicemi elektrizační sítě (elektrárnami, dispečinkem, dalšími rozvodnami).
Soubor norem IEC 61850 zajišťuje vzájemnou součinnost zařízení a systémů v rozvodnách tím, že standardizuje jejich rozhraní, protokoly a datové modely. To umožňuje snížit náklady na integraci zařízení rozvoden. Soubor norem IEC 61850 ale nedefinuje jen protokoly pro komunikaci mezi zařízeními uvnitř rozvodny, ale i mezi rozvodnami a dalšími členy elektrizační sítě (elektrárnami, dispečinkem atd.). Umožňuje přenášet důležité informace z jedné rozvodny do druhé, což je zvláště důležité při výpadku elektrizační sítě, a dovoluje integrovat zařízení a podsystémy v elektrizační síti a vytvořit z nich jednotný a úplný řídicí a komunikační systém – to je žádoucí pro efektivní řízení technických i ekonomických procesů v energetických a rozvodných společnostech.
IEC 61850 také splňuje požadavky energetických podniků na dlouhodobou rozšiřitelnost systémů. Nejenže umožňuje kombinovat v jednom systému zařízení od různých dodavatelů, ale dokonce je i navzájem zaměňovat. To zjednodušuje zásobování náhradními díly.
To všechno vede k úsporám času a nákladů a ke zjednodušení řízení technických i ekonomických procesů v energetických společnostech.

Nové vlastnosti
IEC 61580 je jediný standard, který vyhovuje všem požadavkům energetických a rozvodných společností na celém světě na kompatibilitu instalovaného souboru regulačních a řídicích zařízení od různých výrobců.
Protože protokoly IEC 61580 vycházejí z Ethernetu, je možné využít mnoho již důvěrně známých nástrojů a zařízení komunikační infrastruktury, používaných v systémech podnikového řízení energetických závodů. Každý uzel sítě podle IEC 61580 připojený jako klient může řídit provoz na síti a komunikovat se všemi servery i podřízenými zařízeními. Protože podřízená zařízení jsou zpravidla zařízení IED, která ovládají např. transformátory nebo spínače v rozvodnách, může klient sbírat množství provozních dat, která mu jednotlivá IED poskytují ke čtení.
Na rozdíl od mnoha jiných protokolů, které neumožňují vytvářet a přenášet soubory aktuálních a historických dat o provozu zařízení, protokoly IEC 61580 umožňují přenášet z IED do systémů SCADA soubory dat s informacemi o jejich aktivitách. Co je ještě důležitější, je možné vytvářet grafy časových průběhů provozních veličin, a to v režimu off-line. Zatímco u režimu on-line je doba obnovy dat až v jednotkách sekund, v režimu off-line mohou být data sbírána s periodou vzorkování v milisekundách, ukládána v zařízení a najednou přenesena do systému SCADA, kde potom mohou být použita k analýze událostí.
K definování datových modelů serverů, které poskytují data do komunikační sítě, dává IEC 61580 přednost objektově orientovanému programování před programováním konvenčním. Vzhledem k tomu, že objektově orientované programování klade důraz na data, a ne na procedury, jsou modifikace takto vytvořeného systému snadné a uživatel jej může bez velkého úsilí a nákladů přizpůsobit novým požadavkům. Programy a data jsou spojeny v „objektech“, takže se veškeré informace a informační funkce nacházejí na jednom místě. Zařízení s funkcí publisher posílá zprávy všem účastníkům (režim multicasting), ale čtou je jen registrovaní zájemci (subscribers).

Přínosy pro uživatele
Soubor norem IEC 61850 umožňuje uživateli zjistit a předpovídat, jak budou data přenášena mezi klienty a službami zařízení různých výrobců a jak jimi budou přenesená data identifikována. Tato předvídatelnost zjednodušuje integraci zařízení v systému.
Architektura komunikačního systému podle IEC 61850 je sice typu klient-server, ale odstraňuje nevýhody klasické architektury klient-server tím, že umožňuje i klientským stanicím, aby řídily přenos dat. To dovoluje přesunout řídicí a komunikační funkce blíže provozním procesům a přináší do sítí s architekturou klient-server velkou komunikační flexibilitu.
Protokoly podle IEC 61850 umožňují rychlý přenos časově kritických informací. Díky tomu komunikace splňuje požadavky na přenos dat bezpečnostních funkcí v automatizovaných rozvodnách.
Vzhledem k tomu, že implementace souboru norem IEC 61850 v projektech rozvoden, elektrizačních soustav i rozvodných soustav průmyslových podniků má velký vliv na investiční i provozní náklady, zákazníci stejně jako dodavatelé přikládají normám IEC 61850 velký význam. Při implementaci souboru norem IEC 61850 je ovšem nezbytné vybírat takové dodavatele, kteří mohou nabídnout velké technické znalosti i zkušenosti z realizovaných projektů. Technicky zdatní dodavatelé jsou podmínkou k dosažení optimálního výsledku. Podpora ze strany dodavatelů zajišťuje bezproblémovou konfiguraci systému a jeho uvedení do provozu, šetří čas, zvyšuje efektivitu inženýrských prací, zkracuje dobu návratnosti investic a umožňuje uživatelům využít skutečně plného potenciálu výhod, které IEC 61850 přináší.

Co obsahuje soubor norem IEC 61850?
Soubor norem IEC 61850 má několik částí, z nichž některé jsou několikadílné. Dostupné jsou u organizace IEC – www.iec.ch, v české verzi potom na stránkách Úřadu pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví – http://csnonline.unmz.cz. Normy byly publikovány pod soubornými názvy Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích a Komunikační sítě a systémy pro automatizaci v energetických společnostech (v anglickém originále Communication networks and systems in substations a Communication networks and systems for automation of power utility).
První čtyři části souboru norem IEC 61850 popisují a specifikují prostředí, terminologii, požadavky na zařízení atd. První z nich, IEC/TR 61850-1, je v české soustavě norem zavedena jako ČSN 33 4850-1 Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 1: Úvod a přehled a druhá, IEC/TS 61850-2, jako ČSN IEC/TS 61850-2 Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 2: Výklad zvláštních výrazů. Co normy obsahují, je zřejmé z jejich názvů. Třetí část IEC 61850-3 je v ČR zavedena jako ČSN EN 61850-3 Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 3: Všeobecné požadavky a stanovuje základní požadavky na komunikaci mezi IED v rozvodně a požadavky systémy, které jsou na rozvodnu vázané. IEC 61850-4, resp. ČSN EN 61850-4 nese název Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 4: Systémové a projektové řízení a soustředí se na požadavky na správu systémů, řízení projektů a na speciální podpůrné nástroje pro inženýrské práce a systém zkoušek rozvoden.
Řada pokračuje částmi 5 až 9, které se teprve zabývají vlastní komunikací.
Pátá část je IEC 61850-5, resp. ČSN EN 61850-5 Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 5: Požadavky na komunikaci pro funkce a modely zařízení. Standardizuje komunikaci mezi IED, jako jsou ochrany, odpojovače, nebo transformátory, a systémem rozvodny.
IEC 61850-6, resp. resp. ČSN EN 61850-6 Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 6: Konfigurační popisový jazyk pro komunikaci v elektrických stanicích týkající se IED specifikuje formáty souborů pro popis konfigurace jednotlivých IED a souborů parametrů spojených s komunikací a konfigurací komunikačního systému. Zajišťuje, společně s částmi 5 a 7, kompatibilitu inženýrských nástrojů od různých dodavatelů.
Sedmá část popisuje základní komunikační strukturu systémů rozvoden a napájecích zařízení. Má několik dílů. IEC 61850-7-1, resp. ČSN EN 61850-7-1 Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 7-1: Základní komunikační struktura pro podřízené stanice a napájecí zařízení – Zásady a modely poskytuje přehled o architektuře komunikačních systémů a interakcích mezi zařízeními rozvoden. Současně obsahuje popis vztahů mezi ostatními částmi IEC 61850-7 a stanovuje, jak dosáhnout interoperability zařízení. IEC 61850-7-2, resp. ČSN EN 61850-7-2 má název Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 7-2: Základní komunikační struktura pro podřízené stanice a napájecí zařízení – Abstraktní rozhraní pro komunikační služby (ACSI). Popisuje dvě rozhraní: první pro komunikaci mezi klientem a vzdáleným serverem a druhé pro rychlé a spolehlivé šíření informací o časově kritických událostech v rámci celého systému rozvodny a pro přenos souborů vzorkovaných hodnot. Dále přichází na řadu IEC 61850-7-3, resp. ČSN EN 61850-7-3 Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 7-3: Základní komunikační struktura pro podřízené stanice a napájecí zařízení – Obecné třídy dat. Tato část specifikuje třídy dat pro informace o stavu zařízení, vzorkovaných veličinách, informace spojené s řízením stavu zařízení, informace o analogových žádaných veličinách v regulačních smyčkách a o konfiguraci zařízení. Pro obecné třídy dat definuje tento díl normy obecné typy atributů vázaných na použití v rozvodnách. Normu je možné použít pro popis modelů zařízení a pro popis funkcí pro výměnu informací v rozvodnách a napájecích zařízeních.
Čtvrtý díl sedmé části IEC 61850-7-4, resp. ČSN EN 61850-7-4 Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 7-4: Základní komunikační struktura pro podřízené stanice a napájecí zařízení – Třídy kompatibilních logických uzlů a třídy dat stanovuje názvy kompatibilních logických uzlů a názvy dat pro komunikaci mezi programovatelnými elektronickými zařízeními, včetně vztahu mezi logickými uzly a daty.
Sedmá část normy má ještě další dva doplňkové díly: IEC 61850-7-410, resp. ČSN EN 61850-7-410 Komunikační sítě a systémy pro automatizaci v energetických společnostech – Část 7-410: Vodní elektrárny – Komunikace pro sledování a řízení, jenž definuje doplňkové obecné třídy dat, logické uzly a datové objekty speciálně pro vodní elektrárny, a IEC 61850-7-420, resp. ČSN EN 61850-7-420 Komunikační sítě a systémy pro automatizaci v energetických společnostech – Část 7-420: Základní komunikační struktura – Logické uzly pro decentralizované zdroje elektrické energie (tento díl byl do češtiny přeložen zcela nedávno, v únoru 2010), který definuje informační modely pro výměnu informací v sítích s decentralizovanými zdroji elektrické energie a akumulačními stanicemi (agregáty s pístovými motory, palivové články, mikroturbíny, fotovoltaika, kombinovaná výroba tepla a elektrické energie a zařízení pro akumulaci elektrické energie). Tam, kde je to možné, využívá logické uzly stanovené již v IEC 61850-7-4, a tam, kde je to potřebné, definuje další logické uzly.
Osmá část má jediný díl, IEC 61850-8-1, resp. ČSN EN 61850-8-1 Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 8-1: Mapování specifických komunikačních služeb (SCSM) – Mapování na MMS (ISO 9506-1 a ISO 9506-2) a na ISO/IEC 8802-3 . Krátce řečeno, tento díl specifikuje metody pro výměnu časově kritických i nekritických dat po místních sítích pomocí mapování na MMS a na ethernetové rámce z ISO/IEC 8802-3 (IEEE 802.3). Protokoly a služby MMS umožňují podporu systémů s centralizovanou i decentralizovanou architekturou. Díl specifikuje výměnu dat v reálném čase, řídicí činnosti a sdělování zpráv.
Také devátá část se zabývá SCSM. Ve své prvním dílu IEC 61850-9-1, resp. ČSN EN 61850-9-1 Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 9-1: Mapování specifických komunikačních služeb (SCSM) – Přenos vzorkovaných hodnot po sériovém jednosměrném (neorientovaném) vícebodovém spoji bod-bod definuje mapování specifických komunikačních služeb pro komunikaci na úrovni pole rozvodny – proces pro přístroje podle IEC 60044-8 (ČSN EN 60044-8 Přístrojové transformátory – Část 8: Elektronické transformátory proudu). Norma platí pro elektronické transformátory proudu s digitálním výstupem přes slučovací jednotku, používané v elektronických měřicích přístrojích a zařízeních ochran jako součást automatizovaných systémů rozvodnách. V druhém dílu, IEC 61850-9-2, resp. ČSN EN 61850-9-2 Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 9-2: Mapování specifických komunikačních služeb (SCSM) – Vzorkované hodnoty z ISO/IEC 8802-3 je stanoveno mapování SCSM pro přenos vzorkovaných hodnot v souladu s abstraktní specifikací podle IEC 61850-7-2. Je zde kombinován přímý přístup na sdílená přenosová média s metodou řízení přístupu CSMA/CD (ISO/IEC 8802-3) a mapování podle IEC 61850-8-1.

A nakonec desátá část, IEC 61850-10, resp. ČSN EN 61850-10, má název Komunikační sítě a systémy v podřízených stanicích – Část 10: Zkoušky shody a definuje metody a abstraktní případy zkoušek pro zkoušení shody zařízení používaných v automatizovaných systémech rozvoden.
Navíc jsou tu ještě další tři mezinárodní normy, které mají vztah k souboru norem IEC 61850. První z nich, IEC 62271-3, resp. ČSN EN 62271-3 Vysokonapěťová spínací a řídicí zařízení – Část 3: Digitální rozhraní podle IEC 61850, zajišťuje shodu stávajících spínacích a řídicích zařízení a rozváděčů s normami souboru IEC 61850 a specifikuje zařízení pro digitální komunikaci s dalšími částmi rozvodny (včetně dopadů na zkoušení rozvoden).
Druhá je technická specifikace IEC/TS 62351-1 Power systems management and associated information exchange – Data and communications security – Part 1: Communication network and system security – Introduction to security issues (dosud není přeložena do českého jazyka a nebyla převzata do systému českých norem). Jde o úvodní část série norem, které se budou zabývat zabezpečením dat a komunikace v distribučních energetických sítích a souvisejících komunikačních systémech. Přebírá již vyvinuté standardy zabezpečení podle IEC 60870-5, IEC 60870-6, IEC 61850, IEC 61970 (rozhraní aplikačních programů pro systémy řízení výroby a distribuce elektrické energie) a IEC 61968 (rozhraní systémů v distribučních sítích energetických společností).
Třetí z nich je IEC/TS 62351-6 Power systems management and associated information exchange – Data and communications security – Part 6: Security for IEC 61850 (ani tato technická specifikace zatím není přeložena do češtiny ani zavedena v systému českých norem). Tato technická specifikace definuje zprávy, procedury a algoritmy pro zabezpečení činnosti všech protokolů založených na IEC 61850 nebo z této normy odvozených (vztahuje se na protokoly podle IEC 61850-8-1, IEC 61850-9-2, IEC 61850-6 a další).

Oblast použití
Soubor norem IEC 61850 je určen výhradně pro použití v energetice. Jde o významný soubor norem, s nímž by se měli seznámit všichni, kdo v oblasti řízení elektrizačních soustav podnikají. Výhody implementace tohoto souboru norem v praxi jsou totiž zřejmé, a tak požadavek, aby zařízení a systémy byly s touto normou kompatibilní, je stále častější.

***text do rámečku

GOOSE a GSSE
Se souborem norem IEC 61850 jsou v literatuře spojeny dvě zkratky, GOOSE a GSSE. Podívejme se, co znamenají.
GOOSE je Generic Object Oriented Substation Events, generická, objektově orientovaná událost rozvodny. Stavová data a hodnoty proměnných jsou tu seskupeny do jednoho datového objektu a přenášeny v daném časovém intervalu. Účelem je nahradit konvenční zařízení pro logické řízení, potřebná pro koordinování vnitřní komunikace po sběrnici rozvodny. Když je detekována událost, zařízení IDE použijí přenos typu multicast, aby o ní informovala zařízení, která jsou registrována pro odběr jejich dat. Na komunikaci jsou kladeny přísné požadavky: od vzniku události do odeslání zprávy nesmí uplynout více než 4 ms.
GSSE je naproti Generic Substation State Events, generická stavová událost rozvodny. Prostřednictvím GSSE se přenášejí pouze stavová data. Využívá se přitom stavový seznam, což je v podstatě řetězec bitů, nikoliv datový objekt. Zprávy GSSE jsou přenášeny prostřednictvím MMS. Ve srovnání s GOOSE trvá jejich zpracování a přenos déle.
***konec rámečku

Bruno Forgue, ProSoft Technology (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.),
Pavel Vladyka, ControlTech (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

IED Intelligent Electronic Devices
SCADA Supervisory Control and Data Acquisition
MMS Manufacturing Message Specification
GOOSE Generic Object Oriented Substation Events
GSSE Generic Substation State Events
IEC International Electrotechnical Commission
SCSM Specific Communication Service Mapping
CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

***anotace
Soubor norem IEC 61850 definuje nové metody komunikace a komunikační protokoly pro oblast energetiky a elektrizačních soustav. Na rozdíl od dřívějších komunikačních metod a protokolů lze podle IEC 61850 vytvářet flexibilní komunikační systémy, které vyhovují současným požadavkům energetického průmyslu, ale stejně dobře budou schopny vyhovět i požadavkům budoucím. IEC 61850 se stává mezinárodně uznávaným standardem pro řízení rozvoden (podřízených stanic) elektrizačních sítí. O souboru norem IEC 61850 se hovoří stále častěji, ale ne každý ví, co je jeho obsahem. Právě na to odpoví tento článek.
***konec anotace

  Vyžádejte si více informací…

LinkedIn
Pinterest

Připojte se k více než 155 000 sledujícím IMP