POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 74 Electrical Engineering 2013 Robert JĘDRYCHOWSKI* Michał WYDRA* ORGANIZACJA WYMIAN DANYCH Z WYKORZYSTANIEM ŁĄCZY LAN W OBIEKTACH ELEKTROENERGETYCZNYCH W referacie przedstawiono rozwiązania techniczne wykorzystywane do organizacji komunikacji pomiędzy urządzeniami technicznymi w obrębie stacji elektroenergetycznej. Praca współczesnych systemów sterowania i nadzoru oparta jest na różnych rozwiązaniach komunikacyjnych, które wykorzystywane były do ich tworzenia. Wzrost wymagań co do ilości danych oraz szybkości przekazywania informacji sprawił, że zaczęto poszukiwać nowych rozwiązań. W artykule zaprezentowane zostaną nowe standardy wymiany danych oparte na sieciach LAN oraz urządzenia, które mogą być zastosowane do tworzenia układów SCADA opartych na tej technologii. Na przykładzie fizycznego modelu komunikacyjnego zaprezentowana zostanie konfiguracja urządzeń tworzących szkielet sieci oraz korzystających z niego elementów telemechaniki. 1. WSTĘP Nowe standardy komunikacji pomiędzy urządzeniami elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej (EAZ), urządzeniami telemechaniki oraz elementami lokalnych systemów sterowania i nadzoru (SSiN) wymuszają zastosowanie komunikacji wywodzącej się z sieci LAN. Wprowadzenie sieci LAN opartych o standard Ethernet do nowych obiektów elektroenergetycznych odbywa się stopniowo od kilku lat. Przyczyniły się do tego wzrost szybkości działania sieci, zastosowanie nowych rozwiązań zwiększających bezpieczeństwo pracy oraz porządkujących wymianę danych pomiędzy urządzeniami. Dodatkowo w protokołach komunikacyjnych zarówno wykorzystywanych dotychczas w elektroenergetyce jak i nowych wprowadzono możliwość takiej komunikacji. Nowe wymogi techniczne zostały wprowadzone i dokładnie opisane w instrukcjach ruchu operatora sieci przesyłowej, a następnie operatorów sieci dystrybucyjnej 0. Stanowią one podstawę do projektowania i realizacji nowych stacji elektroenergetycznych i modernizowania już istniejących. Aby jednak w pełni ocenić możliwości współpracy automatyki z siecią LAN stworzono w Laboratorium Teletechniki Katedry Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń * Politechnika Lubelska.
44 Robert Jędrychowski, Michał Wydra Politechniki Lubelskiej model komunikacyjny łączący różne urządzenia współpracujące ze sobą 0. Model w pełni realizuje wymagania standardu IEC 61850, który stał się punktem odniesienia do oceny poprawności funkcjonowania sieci. Założenia standardu specyfikujące pracę sieci LAN zaprezentowane zostaną w pierwszej części artykułu. W dalszych częściach artykułu, przedstawione zostaną wykorzystane w modelu technologie komunikacyjne. Opisane zostaną połączenia w warstwie sprzętowej oraz komunikacyjnej. Przedstawiony zostanie również przykład konfiguracji urządzeń EAZ oraz telemechaniki współpracujących ze sobą przy wymianie informacji przystosowanych do pracy z siecią LAN. Artykuł ma na celu zaprezentowanie na przykładzie laboratoryjnego modelu komunikacyjnego zmian jakie zachodzą w organizacji obwodów komunikacyjnych w obrębie obiektów elektroenergetycznych różnej skali. 2. WYMAGANIA TECHNICZNE STAWIANE NOWYM SSIN Podstawą zarządzania siecią elektroenergetyczną przy generacji rozproszonej jest stworzenie systemu sterowania i nadzoru (SSiN) zdolnego do akwizycji danych opisujących stan sieci i pozwalający na sterowanie jej pracą oraz kontrolę pracy jednostek wytwórczych. W poszczególnych obiektach elektroenergetycznych rozmieszczone są jego elementy współpracujące ze sobą. Strukturę SSiN można opisać na trzech poziomach: pola, stacji i ośrodka nadrzędnego, dla każdego z nich instrukcje ruchu określają niezbędne elementy 0, 0. Na poziomie pola wymagane są: sterownik pola zapewniający akwizycję sygnałów w obrębie pola, panel sterowniczy będący interfejsem pozwalającym na prezentację danych lokalnych i wykonywanie sterowań. Na poziomie stacji wymagane są następujące elementy: sterownik stacji zapewniający akwizycję i wymianę sygnałów w obrębie stacji za pomocą odpowiednich łączy, sterownik może być uzupełniony o panel sterowniczy, komputer stacyjny - pracując w układzie redundantnym, realizuje niemal wszystkie zadania związane z centralnym przetwarzaniem danych i organizacją aplikacji dostępnych dla osób zarządzających, stanowisko HMI, stanowisko dyspozytorskie do sterowania całym obiektem, sterownik komunikacyjny lub koncentrator dla zabezpieczeń, urządzenia te pojawiają się jeżeli zachodzi potrzeba przyłączenia urządzeń o niekompatybilnych standardach komunikacyjnych, rejestrator stacyjny, automatyka stacyjna,
Organizacja wymian danych z wykorzystaniem łączy LAN... 45 serwer WEB - realizacja funkcji serwera WEB pozwala na zdalny dostęp do schematów i danych, Router - urządzenie sieci informatyczne organizujące dostęp do sieci WAN, organizując i wyznaczając trasę przesyłania informacji protokół IP, moduły komunikacyjne, umożliwiają komunikację pomiędzy elementami SSiN, a dodatkowo z ośrodkiem nadrzędnym. Ośrodek nadrzędny wyposażony jest w stanowiska dyspozytorskie pozwalające na zdalny nadzór nad wybranymi obiektami, komputer Centrum Nadzoru (CN) dostarczające szczegółowe analizy i raporty oraz moduły komunikacyjne umożliwiające przekazywanie danych z CN do obiektów podrzędnych. Pomiędzy urządzeniami zainstalowanymi na każdym poziomie oraz pomiędzy poziomami wymagane jest zapewnienie komunikacji. W obrębie stacji elektroenergetycznej dla nowych obiektów preferowane są połączenia oparte na szybkich odmianach technologii Ethernet wykorzystujących łącza światłowodowe. 3. TECHNOLOGIE SIECI ETHERNET Podstawą tworzenia struktury komunikacyjnej w nowych stacjach elektroenergetycznych są wymagania standardu IEC 61850, przewiduje on możliwość przesyłania pomiędzy urządzeniami inteligentnymi IED 0. Do podstawowych usług komunikacyjnych oraz zdefiniowanych w standardzie danych należą: zapis i odczyt danych z urządzeń IDE, przesyłanie raportów, przesyłanie rejestrów (logs), przesyłanie zdarzeń (komunikatów) krytycznych GSE (Generic Substation Event) za pomocą komunikatów GOOSE (Generic Object Oriented Station Event) oraz GSSE (Generic Station State Event), przesyłanie wielkości pomiarowych w postaci sygnału próbkowanego. Wymagają one różnych zastosowania różnych mechanizmów komunikacyjnych zdefiniowanych dla technologii sieci LAN i protokołów TCP/IP. Standard IEC 61850 wymusza zastosowanie, co najmniej standardu IEEE 802.3u (Fast Ethernet) oraz użycie przełączników, jako podstawowego urządzenia tworzącego strukturę sieci. Duża szybkość działania sieci (co najmniej 100 Mb/s), pracy w trybie Full Duplex oraz zastosowanie przełączników ma wyeliminować możliwość występowania kolizji 0. Szczególnie ważne jest to dla komunikatów GOOSE przesyłanych pomiędzy urządzeniami EAZ, dla których opóźnienie nie może przekraczać 0,4 ms 0. Aby zapewnić tak restrykcyjne wymagania standardu IEC 61850 konieczne jest zastosowanie wielu dodatkowych technologii zdefiniowanych dla sieci Ethernet 0. Do rozwiązań takich należą:
46 Robert Jędrychowski, Michał Wydra 1. Mechanizm autonegocjacji. Pojawił się wraz z koniecznością obsługi połączeń pracujących z różną prędkością, schematami sygnalizacji i w różnym trybie komunikacji. Urządzenia wymieniając pomiędzy sobą komunikat FLP ustalają najlepszy możliwy sposób komunikacji. 2. Sterowanie przepływem (Flow Control) połączenie sieci pracujących z różnymi prędkościami, a co za tym idzie mogące w tym samym czasie przesyłać różne ilości danych sprawiło, że konieczne stało się rozwiązanie problemu sterowania przekazywaniem danych z sieci szybszej do wolniejszej. Opisane standardem IEEE 802.3x rozwiązanie pozwala dla komunikacji punktpunkt sterować przepływem danych za pomocą specjalnej ramki sterującej o nazwie PAUSE. 3. Wirtualne sieci lokalne zastosowanie przełączników zarządzanych dało możliwość tworzenia podsieci wirtualnych i zarządzanie nimi. Idea sieci wirtualnych sprowadza się do logicznego zgrupowania urządzeń, które fizycznie pracują w tej samej sieci. Tworzyć sieci wirtualne można w oparciu o porty przełącznika, adresy fizyczne lub podsieci IP. W celu zapewnienia możliwości realizacji sieci wirtualnych w sieciach których szkielet tworzy wiele przełączników wykorzystuje się dodatkowo dwa standardy; pierwszy odpowiadający za przekazywanie informacji o VLAN-ach pomiędzy przełącznikami IEEE 802.1Q (VLAN Tagging), drugi IEEE 802.1p (Class of Service) wprowadzający priorytety. W wyniku ich stosowania modyfikowana jest ramka danych. Za adresem źródłowym wstawiono 32-bitowe pole, w którym umieszczono informacje o identyfikatorze (Tagu), priorytecie czy identyfikatorze podsieci. 4. Mechanizm Spanning Tree IEEE 802.1D oraz jego nowe odmiany 802.1w (Rapid STP) - mają przeciwdziałać tzw. sztormom rozgłoszeniowym w sieci. Ma to miejsce w sieci o złożonej strukturze, w której występują połączenia alternatywne pomiędzy przełącznikami. 5. Zarządzanie bezpieczeństwem sieci (Authentication) celu zwiększenia bezpieczeństwa sieci wprowadzono mechanizm pozwalający na uwierzytelnianie danych przesyłanych pomiędzy urządzeniami (IEEE 802.1X). Ma to na celu uniemożliwienie ingerowaniu w pracę sieci danych od niezidentyfikowanych nadawców (urządzeń). 6. Agregacja połączeń standard IEEE 802.3ad pozwala na zwiększenie szybkości połączeń pomiędzy przełącznikami poprzez transmisję danych na więcej niż jednym porcie. Standard zarządza transmisją równoważąc obciążenia poszczególnych portów oraz zarządzając rekonfiguracją w przypadku awarii jednego z połączeń. 7. Synchronizacja czasu jest to niezbędny element zapewniający możliwość identyfikacji zdarzeń z cechą czasu. Wykorzystywany jest do tego celu protokół NTP z rodziny TCP/IP oaz specjalistyczne protokoły opisane standardem IEC 1588.
Organizacja wymian danych z wykorzystaniem łączy LAN... 47 Wszystkie te elementy dają podstawy do traktowania sieci Fast Ethernet i Gigabit Ethernet jako sieci przewidywalnej i sterowalnej, działającej z dużymi prędkościami. Dodatkowo w przełącznikach stosowane są rozwiązania zwiększające niezawodność pracy łączy oraz samych przełączników. 4. MODEL KOMUNIKACYJNY Obserwując wyzwania, jakie stawia przed współczesną elektroenergetyką generacja rozproszona w Katedrze Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń Politechniki Lubelskiej zrealizowany został projekt zatytułowany Układ optymalnej regulacji mocy farm wiatrowych w warunkach ograniczonych możliwości przesyłowych sieci elektroenergetycznych. Rys. 1. Model komunikacyjny dla symulatora generacji rozproszonej Tworząc układ regulacji przyjęto założenie, że będzie on wykorzystywany w wybranym fragmencie rzeczywistego systemu elektroenergetycznego. Budując SSiN wykorzystano urządzenia telemechaniki stosowane w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE). SSiN składa się z trzech zasadniczych elementów, należą do nich: sieć komunikacyjna, koncentrator komunikacyjny, system dyspozytorski czasu rzeczywistego. Sieć komunikacyjna oparta na łączach światłowodowych stworzona została na bazie przełączników firmy MOXA spełniających surowe wymagania standardu IEC 61850 oraz wymogi kompatybilności elektromagnetycznej wymaganej od urządzeń stosowanych na stacjach elektroenergetycznych 0. Sieć ta tworzy szkielet komunikacyjny, oparty na technologii światłowodowego pierścienia, łączący wszystkie elementy układu regulacji, dający możliwość jego dalszej rozbudowy
48 Robert Jędrychowski, Michał Wydra (rysunek 1). Dzięki realizacji wielu wymaganych przez standard IEC 61850 funkcji, możliwe jest zarządzanie pracą sieci, zapewnienie jej dużej niezawodności, bezpieczeństwa i wydajności 0. Sieć ta jest w pełni skalowalna, umożliwia dalszą rozbudowę układu oraz przyłączanie urządzeń zgodnych ze standardem Ethernet 100 Mb/s i wyższym, komunikujących się z wykorzystaniem protokołów TCP/IP. Sieć zrealizowana na potrzeby projektu charakteryzowała się prostą strukturą wynikającą z braku surowych wymagań czasowych nakładanych na komunikację pomiędzy poszczególnymi elementami modelu. Strukturę sieci przedstawia rysunek 1. Rys. 2. Informacje przekazywane pomiędzy urządzeniami oraz sterownikiem Ex-EST2 i systemem WindEx Ruch pomiędzy poszczególnymi elementami wykorzystuje komunikację z protokołem IP, jedynie pomiędzy systemem WindEx, a sterownikiem Ex-MST2 stosowany jest dodatkowo protokół DNP 3,0. W celu zapewnienia niezawodności i szybkości transmisji danych, pomiędzy przełącznikami zastosowano mechanizm agregacji połączeń. Stworzony układ komunikacyjny stał się punktem wyjściowym do dalszej jego rozbudowy. Aby tego dokonać pogrupowano urządzenia telemechaniki i EAZ ze względu na rodzaj informacji, jakie pomiędzy sobą wymieniają (rysunek 2). Jednym z kryteriów były wykorzystywane przez nie protokoły komunikacyjne. Stworzono trzy VLAN pozwalające na rozdzielenie urządzeń posługujących się różnymi protokołami stosowanymi w elektroenergetyce. Głównym urządzeniem w układzie jest sterownik Ex-MST2 0. Dzięki zainstalowaniu w nim trzech w pełni niezależnych interfejsów Ethernet możliwa jest komunikacja z nim w trzech niezależnych grupach urządzeń elektroenergetycznych oraz urządzeń dodatkowych. Urządzenia elektroenergetyczne podzielono ze względu na stosowane przez nie protokoły wymiany danych, należą do nich urządzenia wykorzystujące: IEC 61850,
Organizacja wymian danych z wykorzystaniem łączy LAN... 49 IEC 60870 5 oraz DNP 3,0. Wszystkie one obsługiwane są przez Ex-MST2, dzięki czemu pełni on funkcję translatora protokołów, umożliwiając wymianę danych pomiędzy poszczególnymi grupami urządzeń. Dzięki wprowadzeniu do niego poprzez łącze GPS sygnału czasu, stał się on wzorcem czasu dla pozostałych urządzeń. Rys. 3. Sieć komunikacyjna z wydzielonymi VLAN-ami dla różnych grup urządzeń telemechaniki Aby podnieść niezawodność transmisji danych i umożliwić dołączanie do światłowodowego szkieletu sieci kolejnych przełączników zastosowano technologię Turbo Ring oferowaną przez przełączniki firmy Moxa 0. Tworzy ona redundantny układ połączeń, o bardzo krótkim czasie rekonfiguracji, co jest jednym z wymogów wobec urządzeń komunikacyjnych w krajowej elektroenergetyce. W celu ograniczeni rywalizacji o łącze wprowadzono w poszczególnych VLAN-ach priorytety dla ruchu pakietów. Dzięki temu urządzenia komunikujące się w standardzie IEC 61850 posiadają najwyższy priorytet, a przez to krótki czas dostarczania informacji. Stworzona sieć (rysunek 3) pozwala na dołączanie nowych urządzeń telemechaniki poprzez światłowodowe łącza LAN, dając możliwość analizowania ich współpracy. Pozwala na wykorzystanie wspólnego szkieletu przy jednoczesnym odseparowaniu ruchu pomiędzy poszczególnymi grupami. Spełniając surowe wymagania standardu IEC 61850 stworzono rozwiązanie odzwierciedlające układ komunikacyjny w najnowszych stacjach elektroenergetycznych.
50 Robert Jędrychowski, Michał Wydra 5. PODSUMOWANIE Zastosowanie sieci LAN w obrębie obiektów elektroenergetycznych do wymiany danych pomiędzy urządzeniami tam zainstalowanymi zasadniczo zmieniło sposób modelowania komunikacji. Wykorzystanie dostępnych i dobrze znanych technologii, takich jak Ethernet i komunikacja TCP/IP, przy jednoczesnym zdefiniowaniu precyzyjnych i restrykcyjnych wymagań stwarza wiele problemów. Aby móc je rozwiązywać oraz oceniać ich wpływ na przebieg wymiany danych należy dysponować rzeczywistym modelem komunikacyjnym. Zaprezentowany zestaw urządzeń pozwala na odwzorowanie działania nowoczesnych systemów sterowania obiektami elektroenergetycznymi. Pozwala również na testowanie nowych urządzeń przyłączanych do systemu. LITERATURA [1] Breyer R., Rileyi S.: Switched, Fast i Gigabit Ethernet. Helion, Gliwice 2000 r. [2] Jędrychowski R., Zalety standaryzacji systemów nadzoru i zabezpieczeń dla generacji rozproszonej. Rynek Energii Nr 2 (81) 2009 r. s. 46-5. [3] Kacejko P.: Inżynieria elektryczna i technologie informatyczne w nowoczesnych technologiach energetycznych. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN vol. 82, Lublin 2011. [4] IEC 61850, Communication Networks and Systems in Substations [5] Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej PGE Dystrybucja S.A. [6] PSE-Operator. Standardowa specyfikacja funkcjonalna dla sieci LAN stacji. 2006 r. [7] Dokumentacja: Sterownik Ex-MST2. Elkomtech S.A. [8] Dokumentacja: Przełącznik MOXA PT 7710. DATA ORGANIZATION WITH THE APPLICATION OF LAN CONNECTIONS IN POWER INDUSTRY FACILITIES The paper discusses technological solutions that are applied to organize communication among technical devices in an electrical substation. Design and operation of presently used supervision and control systems are based on various communication solutions. Ever growing standards concerning the required quantity of data and their transmission rate induce a search for new solutions. The paper presents new concepts of LAN-based data exchange and an equipment that can be applied to develop SCADA systems using that technology. An example of a physical communication model has been used to present a configuration of devices that form a frame of the network and remote control elements that use it.