Str. 30 Rynek Energii Nr 1(110) - 2014 WYKORZYSTANIE STEROWNIKÓW PLC, JAKO ŹRÓDŁA INFORMACJI DLA SYSTEMÓW NADZORUJĄCYCH PRACĘ JEDNOSTEK WYTWÓRCZYCH MAŁEJ MOCY Robert Jędrychowski Słowa kluczowe: IEC 61850, systemy SCADA, sterownik PLC, Smart Grid Streszczenie. Celem artykułu jest zaprezentowanie możliwości wykorzystania funkcji oferowanych prze sterowniki PLC w zakresie zarządzania pracą rozproszonych źródeł energii elektrycznej oraz jako źródła danych dla sterowania siecią elektroenergetyczną określaną jako Smart Grid. Wzrost znaczenia generacji rozproszonej w polityce energetycznej pociąga za sobą szereg problemów natury prawnej i technicznej, które należy rozwiązać. Jednym z elementów pozwalających na bezpieczną, przewidywalną i efektywną współpracę źródła oraz sieci jest stworzenie dopasowanego do współczesnych wymogów technicznych systemu sterowania i nadzoru (SSiN) tworzącego środowisko dostarczające informacji o pracy samego źródła, jego otoczenia oraz sieci elektroenergetycznej, do której jest włączone. SSiN może mieć różnorodną strukturę, jednak musi on uwzględniać oczekiwania zarówno operatora sieci, użytkowników i właściciela źródła. Istnienie takich systemów pozwala na budowanie sieci inteligentnych, w których źródło w pełni współpracuje z siecią elektroenergetyczną. W artykule przedstawiono sposób modelowania SSiN w oparciu o rozwiązania techniczne oferowane przez urządzenia telemechaniki i współpracujące z nimi sterowniki PLC. Tworzenie systemu sterowania i nadzoru oparte zostało o standard IEC 61850 i jego rozszerzenie opisujące pracę źródeł rozproszonych, a także o standard CIM. Dzięki takiemu podejściu opisane SSiN są zgodne z zaleceniami zdefiniowanymi dla Smart Grid i pozwalają, na współpracę z innymi elementami tworzącymi system inteligentny. 1. WSTĘP Wzrost znaczenia generacji rozproszonej w polityce energetycznej oraz nacisk na niskoemisyjną generację energii spowodował większe zainteresowanie technologiami określanymi mianem inteligentne. Pozwalają one rozwiązywać problemy natury prawnej i technicznej, pojawiające się na styku: rozproszone źródło energii sieć elektroenergetyczna. Problemy te mają różny wymiar, inaczej przedstawiają się one dla właściciela źródła energii, a inaczej dla operatora sieci elektroenergetycznej, do której zostają włączone [3]. Jednym ze sposobów pozwalających na bezpieczną, przewidywalną i efektywną pracę źródła jest wyposażenie go w zestaw urządzeń kontrolujących jego pracę oraz dopasowany do jego potrzeb system sterowanie i nadzoru (SSiN). SSiN tworzy środowisko dostarczające informacji o pracy źródła oraz jego otoczenia. Istnienie takich systemów pozwala na budowanie sieci inteligentnych, w których źródło w pełni współpracuje z siecią elektroenergetyczną [2]. W artykule przedstawiono sposób tworzenia SSiN z wykorzystaniem właściwości funkcjonalnych i informatycznych sterowników PLC (Na przekładzie sterownika WAGO-I/O-SYSTEM 750-880/025-001) oraz zastosowanych standardów komunikacyjnych wymaganych do zarzadzania siecią elektroenergetyczną. Modelowanie pracy SSiN dla źródeł rozproszonych może być realizowane wielowariantowo, zależnie od sposobu współpracy źródła z siecią. System sterowania źródłem ze względu na bezpieczeństwo i niezawodność pracy ma charakter autonomiczny, co nie oznacza braku współpracy z systemami zewnętrznymi. Choć w praktyce stopień złożoności systemu nadzorującego źródła rozproszone zależy od wielkości źródła, zasadę działania SSiN oparto o standard IEC 61850 [1] i jego rozszerzenia, a także o standard CIM pozwalający modelować strukturę SSiN. Dzięki takiemu podejściu tworzone rozwiązania są zgodne z zaleceniami opisanymi dla Smart Grid i pozwalają, na współpracę z innymi elementami tworzącymi system inteligentny [6]. 2. WSPÓŁPRACA ŹRÓDŁA Z SIECIĄ ELEKTROENERGETYCZNĄ Rozproszone źródła energii w zależności od mocy można podzielić na: małe, średnie i duże. Przedmiotem rozważań są źródła rozproszone o mocy powyżej 500 kw przyłączane do sieci SN i WN [5]. Dla takich źródeł systemy SCADA wymagają transmisji większej ilości danych. O sposobie organizacji SSiN decyduje wiele czynników, jednym z nich jest sposób współpracy źródła z siecią elektroenergetyczną [4]. Rysunek 1 przedstawia przypadek, w którym źródło rozproszone (DER) przyłączone jest bezpośrednio do GPZ. Pole, w którym zainstalowano wymaganą automatykę EAZ, urządzenia pomiarowe, sterownik polowy jest jednym z pól rozdzielnicy SN stacji.
Nr 1(110) - 2014 Rynek Energii Str. 31 System Elektroenergetyczny System Elektroenergetyczny WN/SN GPZ Sieć rozdzielcza SN Pola odpływowe DER Rys. 1. Źródło rozproszone (DER) przyłączone bezpośrednio do szyn GPZ WN/SN GPZ Sieć rozdzielcza SN Pola odpływowe Linia SN Rys. 2. Źródło rozproszone (DER) przyłączone do GPZ linią dedykowaną RE DER Rysunek 2 przedstawia przypadek, w którym źródło rozproszone jest przyłączone do GPZ za pośrednictwem linii dedykowanej SN. Wymagana automatyka EAZ, urządzenia pomiarowe, sterownik polowy może być zainstalowana w rozdzielnicy RE. Pole w rozdzielnicy SN stacji wyposażone jest w niezależną automatykę zabezpieczającą linię SN. Przedstawione na rysunkach 1 i 2 przypadki posłużą do przedstawienia sposobu modelowania SSiN z wykorzystaniem urządzeń telemechaniki i sterowników PLC. 3. STANDARDY WYKORZYSTYWANE DO MODELOWANIA SSiN Ponieważ generacja rozproszona jest jednym z elementów mających tworzyć sieci inteligentne, aby zapewnić kompatybilność systemu nadzorującego pracę źródła z SSiN operatora sieci dystrybucyjnej (OSD) rozpatrywane będą standardy zalecane dla nowoczesnych rozwiązań. W dokumentach opisujących proces standaryzacji dla Smart Grid [6] duży nacisk położono na prawidłowe modelowanie struktury sieci oparte na standardzie CIM (IEC 61970), a także na możliwość swobodnej wymiany danych opisanych standardem IEC 61850 [2]. Standard IEC 61850 zawiera rozszerzenia odnoszące się bezpośrednio do źródeł energii, w tym źródeł rozproszonych, są to: IEC 61850 7 420 opisujący elektrownie wodne, IEC 61400 25 1 dedykowany dla elektrowni wiatrowych, IEC 61850 7 410 opisujący pozostałe źródła rozproszone, takie jak elektrownie fotowoltaiczne, silniki Diesla, silniki i turbiny gazowe (w tym biogazowe). Standardy te posługują się abstrakcyjnym modelem hierarchicznym danych opisujących poszczególne elementy systemu sterowania stacją poprzez węzły logiczne (LN) i ich atrybuty, które stosowane są do realizacji funkcji złożonych. Taki opis znajduje odzwierciedlenie w postaci plików XML zawierających informacje o poszczególnych elementach SSiN oraz ich stanie. Posługując się zdefiniowanymi funkcjami, możemy do nich przypisać informacje zawarte w poszczególnych węzłach logicznych (LN) oraz określić sposób komunikowania się LN w obrębie funkcji [1]. 4. ZASTOSOWANIE STEROWNIKÓW PLC DO ZARZĄDZANIA PRACĄ ŹRÓDEŁ ENERGII Tworząc system SSiN oparty na standardzie IEC 61850 korzystamy z urządzeń IED (Intelligent Electronic Device), w których ich możliwości techniczne opisane zostały przez producentów poprzez zdefiniowane węzły logiczne LN. Do urządzeń takich tradycyjnie należą sterowniki stacyjne i polowe, przekaźniki EAZ, konwertery protokołów komunikacyjnych oraz inne urządzenia zgodne ze standardem. Zastosowanie sterownika WAGO-I/O-SYSTEM wynika z możliwości technicznych urządzeń tej rodziny, ich elastyczności oraz łatwości programowania. Wynika również z faktu, że mogą pracować, jako urządzenia IED [7]. Rys. 3. Sterownik PLC WAGO-I/O-SYSTEM serii 750 [7]
Str. 32 Rynek Energii Nr 1(110) - 2014 Dzięki swej budowie sterowniki WAGO-I/O- SYSTEM serii 750 oraz WAGO-I/O-IPC-C6 pozwalają na rozszerzenie możliwości oferowanych przez klasyczne urządzenia telemechaniki. Ich modułowa budowa pozwala na dostosowanie listy sygnałów wejściowych i wyjściowych oraz portów komunikacyjnych zależnie od potrzeb systemu, który nadzorują. Moduły te można podzielić na następujące grupy: podstawowe, niezbędne do kontroli pracy źródła, można do nich zaliczyć: moduły wejść i wyjść analogowych oraz moduły wejść i wyjść binarnych, pomiarowe dla sygnałów przemiennych jednofazowych, pomiarowe dla sygnałów przemiennych trójfazowych, komunikacyjne, interfejs HMI zrealizowany poprzez wbudowany serwer WWW i mający możliwość komunikacji z dowolnym urządzeniem zewnętrznym. Oprócz elementów sprzętowych właściwości sterownika można rozbudowywać i modyfikować poprzez zastosowanie odpowiednio dobranego oprogramowania w postaci bibliotek definiujących funkcję sterownika. Do zarządzania źródłem wykorzystuje się sterowniki tworzące układ autonomiczny, którego zadaniem jest zapewnienie niezawodnej pracy źródła. Każde źródło posiada własny sterownik (kontroler). Dla zbudowania SSiN wykorzystuje się niekiedy dodatkowy sterownik integrujący pracę pojedynczych kontrolerów i zapewniający dodatkowe funkcje wymagane od SSiN. Sterownik taki może również współpracować z innymi SSiN retransmitując do nich dane. 5. STEROWNIK WAGO-I/O-SYSTEM ZGODNY ZE STANDARDEM IEC 61850 Wprowadzenie standardu IEC61850 przez firmę WAGO do swych sterowników pozwoliło na zastosowanie tych urządzeń do projektu stacji opisanego jako plik SCD. Plik ten zawiera informację o wszystkich urządzeniach IED realizujących określone funkcje w obrębie stacji elektroenergetycznej. Aby móc wprowadzić sterownik PLC do projektu, jako urządzenia IED należy przygotować plik ICD zawierający opis urządzenia oraz węzły logiczne LN. Konfiguracji tej można dokonać w środowisku WAGO-I/O-PRO lub nowych wersjach programu CoDeSys służącego do programowania sterowników. Przykładową konfigurację sterownika zaprezentowano na rysunku 4. Rys. 4. Sterownik PLC WAGO-I/O-SYSTEM serii 750 (widok z programu IEDScud) Konfiguracja taka może zawierać następujące elementy: 1. Węzły logiczne, do których należą: a. LNN0 oraz LPHD, wymagane dla każdego urządzenia IED, b. LN opisane w IEC 61850-5, c. LN opisane w IEC 61850-7-410, IEC 61850-7- 420 oraz 61400 25 1. 2. Raporty i logi, 3. Zbiory danych, 4. Dodatkowo w konfiguracji sterowników mogą pojawić się komunikaty GOOSE. Opisana konfiguracja sterownika może zostać importowana poprzez pliki ICD lub IID (wersja 2 standardu) do projektu stacji. Przykład fragmentu projektu realizowanego w edytorze firmy Elkomtech zamieszczono na rysunku 5. Możliwość swobodnego dodawania węzłów logicznych dla danego sterownika pozwala na elastyczne konfigurowanie urządzenia. Sterowniki firmy WAGO nie obsługują wszystkich rodzajów węzłów LN zdefiniowanych w standardzie, a tylko te, które mają zastosowanie w procesie kontroli pracy źródeł. W przypadku konieczności wprowadzenia wartości niestandardowych można posłużyć się węzłem GGIO, którego opis ma charakter ogólny i nie jest przypisany do żadnego urządzenia. Węzeł GGIO może być dodawany wielokrotnie, przez co lista wprowadzanych wartości jest dowolna. Daje to możliwość wprowadzania do SSiN niestandardowych wielkości wykraczających poza opis standardu.
Nr 1(110) - 2014 Rynek Energii Str. 33 Rys. 5. Fragment konfiguracji automatyki stacji zawierający zaimportowany sterownik W pierwszym przypadku opisanym w punkcie 2 artykułu (rys.1) pole, do którego przyłączono DER stanowi integralną część rozdzielni SN. Stąd też SSiN stacji obejmuje również wszystkie urządzenia zainstalowane w polu. Wykorzystany do modelowania sterownik WAGO-I/O-SYSTEM 750-880/025-001 oprócz nadzorowania pracy źródła współpracuje z EAZ oraz innymi urządzeniami telemechaniki w danym polu. Może być również wykorzystany do realizacji automatyk polowych jak i stacyjnych. Wszystkie urządzenia współpracujące ze sobą wykorzystują standaed IEC 61850. Skompilowany fragment kodu pliku SCD, zawierający opis stacji, pokazujący pracujące w polu generatora DER zabezpieczenie Ex-BEL_WT firmy Elkomtech oraz sterownik 750-880/025-001 zaprezentowane zostało na rysunku 6. Pokazano na nim węzły logiczne wykorzystywane przez sterownik (oznaczony jako WAGO_WNT) oraz część LN zabezpieczenia (WT2). 6. MODELOWANIE SSIN Opisane w punkcie drugim dwa przypadki współpracy źródła rozproszonego z siecią elektroenergetyczną wymagają odmiennego podejścia do modelowania SSiN. W pierwszym przypadku pole, do którego włączono źródło jest częścią stacji WN/SN. W drugim przypadku źródło podłączone jest w głębi sieci SN i posiada własną rozdzielnie RE (rys. 2). Model opisujący topologie i pracę stacji oraz sieci elektroenergetycznej wraz ze wszystkimi elementami w tym także przyłączonym do niego źródłem opiera się na standardach IEC 61968 oraz IEC 61970. Dzięki tym standardom otrzymujemy precyzyjny i spójny opis elementów tworzących system elektroenergetyczny. Wykorzystanie standardu CIM pozwala na pozyskiwanie danych pochodzących z różnych systemów oraz wykorzystywanych w różnych aplikacjach. Niezależnie od formy prezentacji graficznej w poszczególnych systemach dane opisujące np. pole stacji posiadają określoną strukturę i atrybuty. Dzięki temu mogą być przetwarzane w różnych aplikacjach. Wymagania stawiane wyposażeniu pól w rozdzielniach SN, do których przyłączono źródła opisane są w prawie energetycznym i instrukcjach ruchu, na podstawie, których OSD wydaje warunki przyłączenia. Opisana jest w nich wymagana automatyka zabezpieczeniowa. Jej opis i konfiguracja zawarte są w projekcie stacji oraz zewnętrznych bazach danych [3]. Należy założyć, że automatyka EAZ oraz urządzenia telemechaniki należą do IED. Rys. 6. Fragment konfiguracji automatyki w polu źródła; WAGO_TNW - element opisujący sterownik WAGO-I/O-SYSTEM 750-880/025-001. WT2 zabezpieczenie Ex-BEL_WT W drugim przypadku przedstawionym na rysunku 2 rozdzielnia RE stanowi odrębny element systemu. Rozdzielnia RE wyposażona jest w niezbędną automatykę EAZ oraz sterownik tworzący lokalny system sterowania. Zakładając, że pomiędzy GPZ i RE jest prowadzona wymiana danych można rozważyć dwa przypadki: 1. Automatyka GPZ oraz wyposażenie rozdzielni spełniają wymagania IEC 61850; sposób wymiany danych będzie zależał od zastosowanego łącza komunikacyjnego, fizycznej odległości oraz ustalonego zakresu danych, 2. Tylko jedna rozdzielnia odwzorowana jest, jako zgodna ze standardem IEC 61850, a konieczne jest
Str. 34 Rynek Energii Nr 1(110) - 2014 wiec zastosowanie urządzenia będącego konwerterem protokołów pomiędzy rozdzielniami. W obu przypadkach sterownik PLC może pełnić funkcję modułu komunikacyjnego wykorzystując porty LAN oraz RS 232/485. Można również założyć się możliwość wykorzystania do celów retransmisji danych starszych standardów komunikacyjnych takich jak IEC 60870-5-104 obsługiwanych przez sterownik WAGO-I/O-SYSTEM 750-880/025-001. Końcowy efekt w postaci systemu SSiN odwzorowany został w systemie WindEx, który jest jednym z częściej używanych systemów w polskiej elektroenergetyce. 7. PODSUMOWANIE Tworząc systemy sterowania i nadzoru dla nowych obiektów elektroenergetycznych wykorzystywany jest standard IEC 61850. Oferuje on również możliwości zarzadzania pracą rozproszonych źródeł energii. Nie dziwi więc fakt, że w ofercie wielu producentów pojawiają się urządzenia IED dedykowane dla źródeł rozproszonych. Sterowniki PLC stanowią doskonałe uzupełnienie dla urządzeń telemechaniki i EAZ. Dzięki swojej elastyczności, możliwości swobodnego programowania są źródłem dodatkowych informacji, które mogą być wprowadzone do systemu. Sterownik 750-880/025-001 firmy WAGO może pełnić funkcję autonomicznego kontrolera źródła, koncentratora lub konwertera danych, czy lokalnego SSiN. Dzięki wyposażeniu go w biblioteki programowe zapewniające zgodność ze standardem IEC 61850 może być on również urządzeniem IED wkomponowanym w projekty automatyki stacyjnej dla dużych obiektów elektroenergetycznych. Zastosowanie sterownika PLC do zarządzania źródłami rozproszonymi jest jednym z możliwych zastosowań w ramach standardu. LITERATURA [1] Jędrychowski R.: Zalety standaryzacji systemów nadzoru i zabezpieczeń dla generacji rozproszonej. Rynek Energii nr 21(81) - 2009, str. 46-51. [2] Kacejko P.: Inżynieria elektryczna i technologie informatyczne w nowoczesnych technologiach energetycznych. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN vol. 82, Lublin 2011. [3] Kacejko P, Wancerz M, Miller P.: Internetowe bazy danych perspektywa zastosowania w EAZ. Automatyka Elektroenergetyczna, Nr 4, str. 5 10, 2005. [4] Kacejko P., Adamek S., Wydra M.: Optimal Voltage Control in Distribution Networks with Dispersed Generation. Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe (ISGT Europe), 2010 IEEE PES. [5] Paska J.: Wytwarzanie rozproszone energii elektrycznej i ciepła. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010 r. [6] IEC Smart Grid Standardization Roadmap. Prepared by SMB Smart Grid Strategic Group (SG3), June 2010; Edition 1.0. [7] Dokumentacja WAGO: www.wago.pl PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLERS USED AS INFORMATION SOURCES FOR SYSTEMS TO SUPERVISE OPERATION OF SMALL-SCALE GENERATION SOURCES Key words: IEC 61850, SCADA systems, Programmable Logic Controller (PLC), Smart Grid Summary. The paper discusses applicability of PLC functions for managing the operation of distributed electrical power sources and as a data source for the control of a power network system referred to as Smart Grid. Increasing significance of distributed generation within the electricity policy gives rise to a number of problems of legal and technological nature, which have to be solved. One of the elements that can make the source-network cooperation secure, expectable and efficient is an adequate system of supervision and control (SCADA) that meets requirements of modern technology. It makes an environment that supplies information about the source operation, its environment and the network system, whereto the source is connected. There can be various SCADA structures, but the system has to meet expectations and needs of the network operator, the source owner and the consumers. Such systems make possible to develop intelligent networks, where the source fully cooperates with the network system. The paper presents a method for SCADA modeling based on technological solutions offered by remote control devices and PLC s cooperating with them. The supervision and control system has been developed based on the IEC 61850 standard and its extension that describes the operation of distributed sources as well as of the CIM standard. Owing to such an approach the discussed SCADA s meet the recommendations that are defined for Smart Grid s and enable cooperation with other elements that compose an intelligent system. Robert Jędrychowski, dr inż., adiunkt, Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń, email: r.jedrychowski@pollub.pl