MONITOROWANIE WYMIANY DANYCH W SYSTEMIE AUTOMATYKI STACJI ELEKTROENERGETYCZNEJ

Nr 2(117) - 2015 Rynek Energii Str. 107 MONITOROWANIE WYMIANY DANYCH W SYSTEMIE AUTOMATYKI STACJI ELEKTROENERGETYCZNEJ Robert Jędrychowski Słowa kluczowe: IEC 61850, systemy SCADA, sieci komputerowe, transmisja danych, telemechanika Streszczenie. W artykule przedstawiono zagadnienia związane z budową oraz monitorowaniem infrastruktury komunikacyjnej dedykowanej dla automatyki stacji elektroenergetycznych. Budowa sieci komunikacyjnej zgodnie ze standardem IEC 61850 pociąga za sobą duże zmiany w sposobie wymiany danych pomiędzy poszczególnymi urządzeniami w obrębie rozdzielni i stacji. Oparcie komunikacji na rozwiązaniach technologii szybkiego Ethernetu wprowadza do automatyki stacyjnej i telemechaniki nowe urządzenia oraz bezpośrednio wpływa na konstrukcje i sposób pracy urządzeń już istniejących. Standard IEC 61850 zawiera również szczegółowe wymagania dotyczące topologii sieci komunikacyjnej oraz sposobu wymiany informacji pomiędzy poszczególnymi urządzeniami IED realizującymi zdefiniowane zadania. W nowych stacjach konieczne jest prowadzenie nie tylko prac związanych z kontrolą poprawności działania poszczególnych urządzeń, ale również konieczne jest stałe monitorowanie poprawności pracy sieci komunikacyjnej oraz tworzących ją urządzeń sieciowych. W tym celu służby energetyczne zajmujące się urządzeniami EAZ oraz telemechaniki muszą posiadać narzędzia pozwalające na monitorowanie wymiany danych pomiędzy IED oraz pracy samej sieci LAN. W artykule przedstawiono wymagania zdefiniowane dla sieci komunikacyjnych działających w obrębie stacji zaprojektowanej i zbudowanej zgodnie z IEC 61850. Zaprezentowano wymagania stawiane poszczególnym urządzeniom pracującym w sieci oraz metody i narzędzia do ich monitorowania. 1. WSTĘP Współczesne standardy komunikacji pomiędzy urządzeniami elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej (EAZ), urządzeniami telemechaniki oraz elementami lokalnych systemów sterowania i nadzoru (SSiN) wymuszają stosowanie komunikacji wywodzącej się z technologii szybkiego Ethernetu dedykowanego dla sieci lokalnych. Wprowadzenie sieci LAN do nowych obiektów elektroenergetycznych odbywa się stopniowo, od kilku lat, wraz z rozwojem nowych protokołów komunikacyjnych. Przyczyniły się do tego: wzrost szybkości działania sieci, zastosowanie nowych rozwiązań zwiększających bezpieczeństwo pracy sieci oraz porządkujących wymianę danych pomiędzy urządzeniami. Nowe wymogi techniczne zostały zdefiniowane w standardach komunikacyjnych, a następnie wprowadzone i dokładnie opisane w instrukcjach ruchu operatora sieci przesyłowej [9] oraz operatorów sieci dystrybucyjnej [10]. Stanowią one podstawę do projektowania i realizacji nowych stacji elektroenergetycznych oraz modernizowania już istniejących. Wymogi stawiane sieci komunikacyjnej rozpatrywać można dla trzech warstw: sprzętowej, konfiguracyjnej oraz funkcjonalnej. Aby w pełni ocenić poprawność konfiguracji, a następnie działania sieci komunikacyjnych potrzebne są narzędzia pozwalające na testowanie zarówno pracy sieci jak i poszczególnych urządzeń do niej przyłączonych. Potrzebna jest również wiedza inżynierska pozwalająca ocenić poprawność działania sieci, urządzeń sieciowych, urządzeń telemechaniki oraz EAZ. Tworzą one wspólne środowisko automatyki stacji decydując o poprawnym realizowaniu wszystkich zadań. Artykuł ma na celu zaprezentowanie wymagań stawianych sieci komunikacyjnej i urządzeniom w niej pracujących. Prezentuje także narzędzia konfiguracyjne i diagnostyczne dostępne dla służb zajmujących się automatyką stacji. 2. CHARAKTERYSTYKA STANDARDU IEC 61850 IEC 61850 opisane pierwotnie zostało w dziesięciu dokumentach, które do dnia dzisiejszego są modyfikowane i rozszerzane, tworząc coraz bardziej rozbudowany i uniwersalny standard. Wykorzystuje on sposób opisu elementów systemu elektroenergetycznego zawarty w standardzie CIM, zastępuje tradycyjne urządzenia automatyki elektroenergetycznej i telemechaniki tzw. urządzeniami inteligentnymi IED, których sposób funkcjonowania określony został poprzez węzły logiczne LN (Logical Node) oraz sposoby wymiany danych pomiędzy nimi. LN reprezentuje zadania wewnętrzne urządzenia i jest określony poprzez dane, przypisane im argumenty oraz metody dostępu do nich. Poszczególne węzły przypisane są do trzech poziomów w obrębie modelowanego obiektu: stacji, pola i procesu. Na bazie opisanych węzłów logicznych definiowane są funkcje realizowane przez system [1]. Modelowanie funkcji realizowanych przez SAS (Substation Automation System) odbywa się na zasadzie

Str. 108 Rynek Energii Nr 2(117) - 2015 dekompozycji. Węzły logiczne (LN) zdefiniowane dla poszczególnych urządzeń fizycznych, określanych jako PD (Physical Devices), tworzą funkcję np. zabezpieczenie odległościowe, wymieniając informacje pomiędzy sobą. W tym celu standard definiuje interfejsy pozwalające na komunikację pomiędzy węzłami oraz opisuje sposób wymiany informacji poprzez PICOM (Pice of Information for COMunication). Funkcja może posiadać następujące cechy [6]: może być reprezentowana przez kilka LN wymieniających dane pomiędzy sobą, może mieć charakter rozproszony, węzły logiczne mogą znajdować się w różnych PD. Takie podejście narzuca wymagania jakościowe na SAS oraz elementy go tworzące. Dodatkowo nakładane są również wymagania środowiskowe oraz funkcjonalne poprzez wskazanie w standardzie istniejących norm i specyfikacji. O sposobie organizacji lokalnego SSiN decyduje wiele czynników, jednym z nich jest sposób współpracy poszczególnych urządzeń pomiędzy sobą [3]. 3. WYMAGANIA KOMUNIKACYJNE Standard IEC 61850 definiując wymagania, co do formatu danych oraz szybkości ich przekazywania, precyzuje również sposób budowy sieci komunikacyjnej oraz technologie, które powinny być w niej stosowane [6]. Sterownik SCADA IED IED IED IED Sterownik SCADA Rys. 1. Uproszczony schemat sieci światłowodowej łączącej urządzenia EAZ i telemechaniki Podstawę fizyczną sieci komunikacyjnej stanowi technologia szybkiego Ethernetu oparta na ach sieciowych. Ze względu na specyfikę stacji elektroenergetycznych przyjmuje się, że szkielet sieci tworzą i połączone w pierścień łączami światłowodowymi. Dla pojedynczych urządzeń możliwe jest również stosowanie połączeń miedzianych. Do portów poszczególnych ów dołączone są urządzenia IED wymieniające dane między sobą. Taki układ połączeń gwarantuje ich redundancję przy IED jednoczesnym zachowaniu wymogów związanych z logicznym przepływem danych w postaci drzewa. Aby spełnić wymagania opisane dla PICOM sieć komunikująca musi spełniać kilka podstawowych kryteriów, do których należą [4]: praca z szybkością 100 Mb/s lub wyższą w trybie full duplex, szybka rekonfiguracja układu, brak pętli logicznych i eliminacja sztormów rozgłoszeniowych, synchronizacja czasu poprzez i i sieć z wykorzystaniem protokołu SNTP lub innych protokołów specjalistycznych, możliwość tworzenia sieci wirtualnych, określenie priorytetów dla poszczególnych rodzajów komunikacji, możliwość stosowania również starszych protokołów komunikacyjnych np. DNP 3,0 dla urządzeń niespełniających wymagań IED. Zależnie od rodzaju informacji przesyłanych pomiędzy urządzeniami IED stosowane są trzy tryby transmisji danych: unicast, multicast i brodcast. PICOM opisuje wymagania jakościowe stawiane procesowi przekazywania informacji pomiędzy poszczególnymi LN tworzącymi funkcje logiczne. Wymagania te dotyczą czasu i opóźnień w przesyle informacji, integralności danych oraz sposobu obliczania wydajności komunikacji [7]. Określenie czasu zdarzenia zależy od jego charakteru. Jeśli zdarzenie jest generowane w wyniku obliczeń, alokacja (znakowanie) czasu powinna nastąpić w obrębie rozdzielczości zegara. Jeżeli zdarzenie jest wynikiem zmiany wejścia binarnego należy uwzględnić migotanie styku. Dla zdarzeń określonych jako zmiana wejścia analogowego uwzględniamy proces filtrowania sygnału. Całkowity czas transferu komunikatu liczy się od chwili, kiedy nadawca umieszcza zawartość danych na górze stosu transmisji, aż do chwili, kiedy odbiorca odzyskuje dane ze stosu transmisji. Wymagania zawarte w PICOM określone zostały w dwóch grupach klasy wydajności. Pierwsza dotyczy sterowania i zabezpieczeń, są to klasy P1 P3. Druga przewidziana została dla pomiarów i jakości energii, klasy M1 M3. Wyspecyfikowano siedem typów komunikatów różniących się czasem, który może wynosić od 3 ms dla szybkiego komunikatu P3 do nawet 1000 ms dla transferu plików lub bloków danych [7]. Sieć zbudowana według takich założeń będzie również spełniać wymogi stawiane dla starszych rozwiązań takich jak IEC 60870 czy DNP 3,0.

Nr 2(117) - 2015 Rynek Energii Str. 109 W automatyce stacji mogą pojawić się również inne formy komunikacji, np. sieci bezprzewodowe [5]. Mają one jednak charakter pomocniczy, np. jako kanał diagnostyczny do łączności z pojedynczymi urządzeniami. 4. KONFIGURACJA KOMUNIKACJI W SAS Język konfiguracji opisany w części IEC 61850 6 stanowi istotny element modelowania systemu, co pozwala na precyzyjne definiowanie wszystkich elementów SAS. Do konfiguracji wykorzystano rozszerzalny język znaczników XML, a stworzony język określa się, jako język konfiguracji systemu (SCL). Głównym celem tego formatu wymiany jest zapewnienie możliwości opisu systemu stacji oraz stworzenie narzędzi inżynierii IED zgodnych dla systemów różnych producentów. Języku SCL zawiera informacje związane z opisem komunikacji pomiędzy IED, konfiguracji parametrów IED oraz konfiguracji SAS. Model systemu i komunikacji IED w SCL uwzględnia wymagania zdefiniowane w IEC 61850-5 i IEC 61850-7-x. 2. Część komunikacji: opisuje jak dane są grupowane do wysłania, co powoduje ich wysyłanie i jakie dane są potrzebne z do pobrania z innych IED. 3. Część prezentująca skonkretyzowany typ dla LN; opcjonalne dane i usługi, dla których ustawiono parametry. 4. Ostatnią część stanowią relacje pomiędzy LN. Poprawność komunikacji pomiędzy poszczególnymi IED zależy również od prawidłowo zdefiniowanych relacji w pliku konfiguracyjnym SAS. 5. RODZAJ DANYCH TRANSMITOWANYCH W SAS W standardzie szczegółowo opisane zostały różne rodzaje informacji wymienianych pomiędzy urządzeniami. Przekazywane mogą być dane o różnej strukturze i znaczeniu, należą do nich: zmienne wartości próbkowane z CTs (przekładnik prądowy) i VTs (przekładnik napięciowy), szybka wymiana I/O, dane zabezpieczeń i sterowanie, sygnały sterujące, sygnały regulacji, zarządzanie i konfiguracja, monitorowanie i nadzór, retransmisja danych do centrum, synchronizacja czasu. Rys. 2. Sposób grupowania danych dla zabezpieczenia generatora W drugiej wersji dokumentu IEC 61850 6 opisane zostało sześć różnych typów plików wykorzystywanych w procesie konfiguracji, pliki te różnią się przeznaczeniem oraz szczegółowością zawartych w nich informacji [8]. Zawartość języka SCL w pliku opisującym stację można określić w kilku charakterystycznych punktach: 1. Część opisująca podstawową strukturę systemu opisującą urządzenia i sposób ich podłączenia. Rys. 3. Fragment pliku konfiguracyjnego opisujący parametry komunikacji Wszystkie te dane przechowywane są w odpowiedniej strukturze przedstawianej na rys 2. Wszystkie struktury danych opisuje sekcja Data, a sposób ich przekazywania lub udostępniania innym urządzeniom IED opisują sekcje GOOSE, Buffered i Unbuffered Reports, które wymagają odpowiedniej konfiguracji. Ważna jest również poprawna konfiguracja parametrów komunikacyjnych samego urządzenia IED.

Str. 110 Rynek Energii Nr 2(117) - 2015 Parametry te opisane są w sekcji Communication (rys. 3) i uwzględniają: konfiguracje IP urządzeń, strukturę logiczną sieci oraz transmisje danych multicastowych i rozgłoszeniowych. Informacje zawarte w tej sekcji rzutują na poprawność komunikacji oraz są niezbędne do późniejszego testowania działania urządzeń. 6. MONITOROWANIE PRACY URZĄDZEŃ SIECIOWYCH Skomplikowana struktura konfiguracji SAS wymaga nadzorowania pracy poszczególnych elementów tworzących zarówno fizyczną strukturę sieci LAN oraz logiczną wymianę danych dla poszczególnych asocjacji pomiędzy urządzeniami. Ponieważ standard IEC 61850 bardzo precyzyjnie określa swoje wymagania, konieczna jest kontrola pracy poszczególnych urządzeń sieciowych w celu eliminacji ewentualnych błędów w ich pracy. Kontrola pracy sieci LAN obejmuje następujące elementy konfiguracji sieci: poprawność wykonanych połączeń fizycznych (w tym połączeń redundantnych), pomiędzy przetwornikami, urządzeniem IED oraz ami. konfigurację pierścienia komunikacyjnego (lub innych połączeń) oraz połączeń pomiędzy pierścieniami, konfigurację parametrów transmisji dla poszczególnych relacji, realizację podziału na sieci wirtualne oraz przydział priorytetów, poprawność funkcji redystrybucji komunikatów synchronizacji czasu, kontrolę zabezpieczeń przed sztormem rozgłoszeniowym, konfigurację zabezpieczeń gwarantujących bezpieczeństwo systemu. W celu zweryfikowania poprawności wykonania sieci LAN oraz przebiegu komunikacji można wykorzystać standardowe urządzenia i programy stosowane w informatyce, takie jak testery okablowania czy aplikacje podsłuchujące ruch sieciowy. Można skorzystać również z rozwiązań oferowanych przez producentów ów, sterowników stacyjnych oraz oprogramowania dedykowanego dla urządzeń IED. Jako przykład posłużyć mogą i MOXA [12] pozwalające na kilka sposobów kontrolować przebieg komunikacji. Pierwszym sposobem jest konfiguracja portu diagnostycznego tak, aby możliwe było podglądanie ruchu na pozostałych portach a. Drugim sposobem jest wykorzystanie możliwości kontroli zdarzeń takich jak: utrata zasilania podstawowego lub rezerwowego, przerwanie pierścienia światłowodowego, utrata połączenia (link) dla portu oraz przeciążenia na poszczególnych portach a. Trzeci sposób, to kontrola ruchu na poszczególnych połączeniach, ta opcja dostępna jest również na poziomie całego a. Przełącznik zlicza pakiety wysłane, odebrane i utracone osobno dla połączeń unicast, brodcast oraz multicast. Do wszystkich tych danych można uzyskać dostęp poprzez protokół SNMP. Wymagane jest jednak posiadanie narzędzi informatycznych korzystających z usług tego protokołu. Dodatkowe możliwości kontrolowania działania sieci w obrębie stacji dają urządzenia telemechaniki. Każdy producent wyposaża je w narzędzia pozwalające na prowadzenie działań diagnostycznych oraz autotestowania połączeń komunikacyjnych pomiędzy poszczególnymi urządzeniami IED [11]. Polecenia te pozwalają na monitorowanie wymiany poszczególnych rodzajów danych w różnych protokołach komunikacyjnych. 7. MONITOROWANIE WYMIANY DANYCH Monitorowanie poprawności działania sieci LAN nie gwarantuje jeszcze braku błędów w transmisji poszczególnych typów danych. Posługiwanie się typowymi aplikacjami informatycznymi śledzącymi ruch pakietów pomiędzy wybranymi urządzeniami nie daje możliwości oceny, czy poszczególne informacje są odbierane lub transmitowane poprawnie. Rys. 4. Węzeł logiczny MMUX oraz wartości jego atrybutów

Nr 2(117) - 2015 Rynek Energii Str. 111 Dlatego też konieczne jest stosowanie narzędzi posiadających zdolność do analizowania struktury i zawartości transmitowanych danych zgodnych z architekturą standardu IEC 61850. Narzędzia te posiadają różne funkcjonalności. Najprostsze pozwalają na przeglądanie zawartości plików konfiguracyjnych dla poszczególnych urządzeń IED oraz ich ocenę pod względem zgodności ze standardem. Programy zaawansowane pozwalają nie tylko na ocenę plików SCL, ale przede wszystkim na śledzenie pracy poszczególnych urządzeń w czasie rzeczywistym. Specjalistyczne programy diagnostyczne umożliwiają śledzenie ruchu wybranych danych dla aktualnej konfiguracji urządzenia. Używają do tego celu różnych metod. Na przykładzie aplikacji IEDScut firmy Omicron można określić te metody, jako: 1. Analiza danych bieżących realizowana poprzez odpytywanie (polling) dla: obiektów danych, atrybutów danych, raportów, obiektów DataSets, obiektów GOOSE. 2. Generowanie komunikatów wymuszonych (np. GOOSE). 3. Zastosowanie modułu przechwytywania Sniffer w celu: monitorowania przepływu komunikatów w czasie rzeczywistym, monitorowania komunikatów GOOSE, filtrowania obserwowanych komunikatów, analizowania zawartości komunikatów, wyszukiwania błędów w przebieg komunikacji. Przedstawione na rys. 4 dane dla węzła logicznego MMUX odpowiadającego za pomiar wielkości elektrycznych uzyskano poprzez zastosowanie metody odpytywania. Uzyskane dane mogą być analizowane na poziomie LN lub poszczególnych atrybutów. Możliwe jest również wymuszanie zmiany wartości dla poszczególnych atrybutów. Rysunek 5 prezentuje dane przechwycone przy zmianie wartości atrybutów dla tego samego węzła. Szczegółowo zaprezentowane zostały ścieżki do odpytanych atrybutów oraz odpowiedź wygenerowana w wyniku zapytania. Oba komunikaty opatrzone zostały cechą czasu, co również daje możliwość oceny przebiegu komunikacji. Podobne informacje można uzyskać dla innych danych przesyłanych na zasadzie klient-serwer. Rys. 5. Widok okna śledzenia danych pomiarowych opisanych atrybutami węzła logicznego MMXU Zaprezentowane przykłady pokazują sposoby analizy poprawności wymiany informacji dla SAS zbudowanego w oparciu o standard IEC 61850. Nie wyklucza to również stosowania takich metod dla starszych protokołów komunikacyjnych. 8. PODSUMOWANIE Budowa nowoczesnych obiektów elektroenergetycznych wymusza stosowanie wyrafinowanych urządzeń oraz towarzyszącej im infrastruktury technicznej. Wzrasta ilość informacji przechowywanych w pamięci poszczególnych urządzeń. Współczesne SSiN wymagają przesyłania coraz większej ilości informacji pomiędzy urządzeniami przy zachowaniu surowych wymagań funkcjonalnych. Aby temu sprostać konieczne jest stałe monitorowanie działania poszczególnych elementów tworzących SAS. Szczególnie ważna staje się więc prawidłowa konfiguracja sieci LAN i poprawne działanie elementów ją tworzących. Posiadając odpowiednie narzędzia można zweryfikować działanie sieci w warstwie sprzętowej oraz funkcjonalnej. Mając pewność, co do poprawnego działania sieci komunikacyjnej można weryfikować współpracę IED przy wymianie informacji. W tym celu niezbędna jest znajomość konfiguracji SAS, co przekłada się bezpośrednio na wiedzę o poszczególnych urządzeniach i ich plikach SCL. Aby analizować układ automatyki EAZ oraz urządzenia telemechaniki wykorzystujące standard IEC 61850 niezbędne jest posiadanie narzędzi diagno-

Str. 112 Rynek Energii Nr 2(117) - 2015 stycznych zgodnych z tym standardem. Narzędzia te mogą być dostarczane przez producentów sprzętu lub niezależnych producentów. Kontrolując pracę automatyki stacji niezbędna jest wiedza nie tylko z zakresu elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, ale również z takich dziedzin jak sieci komputerowe, systemy transmisji danych oraz innych dziedzin pokrewnych. LITERATURA [1] Jędrychowski R.: Zalety standaryzacji systemów nadzoru i zabezpieczeń dla generacji rozproszonej. Rynek Energii nr 21(81) - 2009, str. 46-51. [2] Jędrychowski R., Wydra M.: Modeling of control systems dedicated to dispersed energy sources. Przegląd Elektrotechniczny - 2014, nr 3, vol. 90, s. 247-250 [3] Jędrychowski R., Wydra M.: LAN interconnections applied to transmit data between remote control devices in power industry installations. Computer Applications in Electrical Engineering, Poznan University of Technology, Institute of Electrical Engineering and Electronics, Poznań 2013, ISBN 978-83-7775-322-4, ss. 293-303. [4] Kacejko P.: Inżynieria elektryczna i technologie informatyczne w nowoczesnych technologiach energetycznych. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN vol. 82, Lublin 2011. [5] Kiedrowski P.: Cztery sposoby zwiększenia wydajności telemetrycznych systemów komunikacyjnych ostatniej mili. Rynek Energii nr 1(110) - 02/2014, str. 24-29. [6] Pluta S., Tarczyński W.: Transmisja sygnałów telemechaniki w systemach elektroenergetycznych. PAK vol 56, nr 1/2010. [7] IEC 61850-5: Communication networks and systems in substations - Part 5: Communication requirements for functions and device models. [8] IEC 61850-6: Communication networks and systems for power utility automation - Part 6: Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs [9] PSE-Operator. Standardowa specyfikacja funkcjonalna dla sieci LAN stacji. 2006 r. [10] Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej PGE Dystrybucja S.A. [11] Dokumentacja: Sterownik Ex-MST2. Elkomtech S.A. [12] Dokumentacja: Przełącznik MOXA serii PT 7xxx MONITORING OF DATA EXCHANGE WITHIN THE ELECTRICAL SUBSTATION AUTOMATION SYSTEM Key words: IEC 61850, SCADA systems, computers network, data transmission, telemechanics Summary. The paper presents questions related to the development and monitoring of a dedicated communication infrastructure for the electrical substation automation system. The development of a communication network conforming with the IEC 61850 standard necessitates considerable changes in the method for the data exchange between individual devices of a switching station and a substation. The communication is based on the fast Ethernet technology solutions, which involves introduction of new devices to the automation and remote control systems of a substation and directly affects the design and operation modes of the already used equipment. The IEC 61850 standard also contains detailed specifications concerning the communication network topology and methods for the information exchange between IED devices that realize the defined tasks. In new substations, aside with checking for correct operation of individual devices, constant monitoring of the operation of a communication network and its component devices is also necessary. For that purpose, operational power services responsible for the surveillance of the system protection and remote control devices have to be equipped with tools to monitor the exchange of data between the IED s and the LAN operation. The paper discusses requirements defined in the IEC 61850 for communication networks in electrical substations. Specifications for individual devices operating within the networks as well as methods and tools for their monitoring are also presented. Robert Jędrychowski, dr inż., adiunkt, Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń, email: r.jedrychowski@pollub.pl