Organizacja kanału inżynierskiego w systemach sterowania i nadzoru Robert Jędrychowski Słowa kluczowe: komunikacja, systemy nadzoru, kanał inżynierski Streszczenie. Rozwój sieci inteligentnych wpłynie w pierwszej kolejności na wzrost ilości informacji niezbędnych do prawidłowego zarządzania systemem. Wymusza to ciągłą modernizację Systemów Sterowania i Nadzoru (SSiN) siecią elektroenergetyczną oraz Systemów Pomiarowo Rozliczeniowych. Urządzenia takie jak liczniki, elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa czy urządzenia telemechaniki umożliwiają zdalną zmianę ich konfiguracji zależnie od warunków w jakich pracują. Do tego celu wykorzystywany jest kanał inżynierski dedykowany tylko do kontroli stanu pracy urządzenia oraz dostępu do danych konfiguracyjnych przez odpowiednie służby techniczne. Jest on niezależny od kanału informacyjnego, w którym przekazywane są dane w systemie sterowania i nadzoru. Artykuł ma za zadanie zdefiniowanie modeli komunikacji pomiędzy urządzeniami tworzącymi kanał inżynierski. Prezentuje również urządzenia wykorzystywane w praktyce do przenoszenia danych diagnostycznych i konfiguracyjnych w tym kanale. 1. WSTĘP Rozwój sieci elektroenergetycznych, zmiany w sposobie ich zarządzania oraz zmiany technologiczne sprawiają, że ewolucji ulegają wszystkie elementy systemu elektroenergetycznego w tym również metody transmisji i przetwarzania danych opisujących jego działanie. Pojawienie się sieci inteligentnych wpłynie w pierwszej kolejności na wzrost ilości informacji niezbędnych do prawidłowego zarządzania systemem [1]. Stąd też jednymi z istotnych obszarów podlegających ciągłej modernizacji są Systemy Sterowania i Nadzoru (SSiN) siecią elektroenergetyczną oraz Systemy Pomiarowo Rozliczeniowe. W obu przypadkach wykorzystywane są coraz doskonalsze urządzenia cyfrowe dla których uprawnione jest użycie określenia urządzenia inteligentne. Dostarczają one cennych informacji opisujących stan obiektu, wybrane wielkości pomiarowe lub zdarzenia występujące w sieci. Aby mogły w pełni realizować postawione przed nimi zadania ich konfiguracja musi być dostosowana do aktualnego stanu pracy sieci oraz wymogów użytkownika [5]. Dlatego też urządzenia takie jak liczniki, elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa (EAZ) czy urządzenia telemechaniki pozwalają na zmiany ich konfiguracji stosownie do warunków w jakich pracują. Aby to uzyskać, wykorzystywany jest kanał komunikacyjny dedykowany tylko do kontroli stanu pracy urządzenia przez odpowiednie służby oraz dostępu do danych konfiguracyjnych. Jest on niezależny od kanału informacyjnego, w którym przekazywane są dane w systemie sterowania i nadzoru. W SSiN pojawiły się nowe protokoły komunikacyjne np. IEC61850, dostosowane do nich urządzenia i systemy komunikacyjne [2]. W ich cieniu nastąpiły również istotne zmiany w architekturze kanału inżynierskiego. Dotyczą one zarówno wykorzystywanych łącz, jak i metod komunikacji. Początkowo kanał inżynierski wykorzystywał komunikację modemową lub łącza RS 232 obecnie obok tych metod mamy również do dyspozycji sieci LAN oraz łącza bezprzewodowe. 2. KONFIGURACJA URZĄDZEŃ Współczesne urządzenie techniczne stosowane w pomiarach, automatyce EAZ i kontroli pracy systemu elektroenergetycznego, to wyrafinowane jednostki pomiarowo-obliczeniowe, których działalne opiera się na realizacji złożonych algorytmów obliczeniowych. Podstawą działania tych algorytmów są dane wejściowe dostarczane jako wielkości mierzone lub dane (parametry) przechowywane w pamięci urządzenia. Parametry te mogą decydować o sposobie realizacji takich zadań jak: pomiar wielkości elektrycznych, wyznaczanie wielkości pochodnych, wykrywanie zdarzeń, rejestracja zdarzeń czy sterowanie. urządzenie Rys. 1. Programowanie pojedynczego urządzenia, komunikacja punkt - punkt Dla każdego typu urządzenia mamy charakterystyczny dla niego zestaw parametrów. Inne parametry wykorzystujemy przy konfiguracji liczników, inne dla automatyki zabezpieczeniowej. Ten fakt sprawia, że do konfiguracji każdego urządzenia stosujemy oprogramowanie dedykowane do tego celu, dostarczane przez producenta. Oprogramowanie komunikuje się z urządzeniem za pomocą zdefiniowanego łącza, dokonując modyfikacji danych w pamięci urządzenia.
Jako interfejs komunikacyjny najczęściej wykorzystywane są łącza: RS 232, RS 485, USB, łącza optyczne,. Często urządzenia dają możliwość wyboru oferując dwa lub więcej rodzajów wejść [6]. 2. KANAŁ INŻYNIERSKI W systemie sterowania i nadzoru można wyróżnić dwa tory transmisji danych: 1. Kanał podstawowy (telemechaniki) wykorzystywany do komunikacji pomiędzy urządzeniami tworzącymi SSiN, przekazujący informację opisujące stan nadzorowanego systemu elektroenergetycznego oraz polecenia sterownicze. 2. Kanał inżynierski - przeznaczony do diagnostyki i konfiguracji urządzenia oraz kopiowania danych do i z jego pamięci. Kanał inżynierski (niekiedy określany jako diagnostyczny) nie jest pojedynczym urządzeniem ale definiuje zbiór urządzeń przeznaczonych do zorganizowania toru transmisyjnego dla danych konfiguracyjnych. Łącze to nie służy do transmisji danych SSiN, a jedynie ma charakter diagnostyczny, konfiguracyjny. Jest, więc całkowicie odseparowane od łączy podstawowych transmitujących dane SSiN. Bezpośrednie połączenie urządzenia z aplikacją (komputerem) pokazane na rysunku 1 jest najprostszym przykładem kanału inżynierskiego. Jest to jednak rozwiązanie kłopotliwe ze względu na konieczność pracy lokalnej z pojedynczym urządzeniem. Rozwiązaniem tego problemu jest zestawienie połączenia z wykorzystaniem modemów komunikacyjnych pozwalający na zniesienie ograniczenia związanego z odległością. Połączenie takie jest szczególnie przydatne dla urządzeń wykorzystujących łącze RS 232, które jest naturalnym połączeniem pomiędzy komputerem i modemem. na komunikację z wieloma urządzeniami. Odmianą tego rozwiązania (często obecnie stosowaną do komunikacji) jest zastosowanie modemów GSM i wykorzystanie komunikacji bezprzewodowej. Aby wyeliminować konieczność stosowania pojedynczych łączy, w celu wymiany informacji pomiędzy urządzeniami EAZ, telemechaniki, a oprogramowaniem konfiguracyjnym, wykorzystuje się koncentratory portów lub zabezpieczeń [4]. Pozwalają one na podłączenie do jednego łącza komunikacyjnego wielu urządzeń. Eliminują one konieczność bezpośredniego połączenia w trybie punkt-punkt pomiędzy urządzeniem i komputerem osoby konfigurującej, pozwalając na dość swobodne kształtowanie kanału inżynierskiego przeznaczonego do konfiguracji różnych urządzeń. Ze względu na realizowane funkcję oraz sposób działania możemy podzielić koncentratory na dwa rodzaje: nieinteligentne, inteligentne. koncentrator Rys. 3. Kanał inżynierski oparty na koncentratorze, komunikacja jeden do wielu Pierwsze z nich mają za zadanie rozdzielenie sygnału pomiędzy stanowiskiem zarządzającym (rysunek 3), a nadzorowanym urządzeniem. Oprogramowanie zarządzające znajduje się na komputerze, który komunikuje się poprzez koncentrator z urządzeniem konfigurowanym. Jedyną informacją dodatkową wprowadzoną przez koncentrator jest numeracja portów, umożliwia to rozróżnianie przyłączonych do nich urządzeń. modem modem urządzenie Rys. 2. Kanał inżynierski oparty na modemach, komunikacja punkt - punkt W rozwiązaniu przedstawionym na rysunku 2 modem jest urządzeniem zarządzającym kanałem komunikacyjnym, nie ingerującym w dane przesyłane pomiędzy aplikacją i konfigurowanym urządzeniem. Taki sposób tworzenia kanału inżynierskiego opiera się na komunikacji punkt punkt, a więc nie pozwala koncentrator Serwer Rys. 4. Kanał inżynierski oparty na koncentratorze inteligentnym, komunikacja jeden do wielu W drugim przypadku (rysunek 4) koncentrator wyposażony został w oprogramowanie przechowywane w jego pamięci pozwalające na zarządzanie przyłączonymi do niego urządzeniami. Rolę koncen-
tratora może pełnić serwer. Oprogramowanie to, oprócz komunikowania się ze stacją zarządzającą, samoczynnie może wykonywać zadania, które zostały zaprogramowane. Rola odległej stacji zarządzającej ograniczona zostaje do nawiązania komunikacji z odpowiednią aplikacją i poprzez jej funkcje zarządzanie urządzeniami. Dodatkową zaletą tego typu koncentratorów jest możliwość przechowywania danych, co pozwala na zdalny dostęp do nich, jak również możliwość ich kopiowania. Rozwiązanie takie może być szczególnie przydatne w przypadku komunikacji z urządzeniami różnych producentów lub gdy oprogramowanie nie radzi sobie ze zdalną komunikacją. W obu przypadkach rozszerzony został również zestaw technologii pozwalający na komunikację z koncentratorem, wyróżnić można następujące rozwiązania: 1. Komunikacja koncentratora z urządzeniem zarządzanym wykorzystująca; RS 232, RS 485, USB, (protokół IP), łącza optyczne, sieci bezprzewodowe (lokalne). 2. Komunikacja koncentratora z aplikacją zarządzającą wykorzystująca; komunikację szeregową (modem), sieci komputerowe LAN/WAN, sieci bezprzewodowe trunkingowe, sieci bezprzewodowe GSM/GPRS. 3. Określenie poziomów uprawnień grup użytkowników, dzięki czemu uzyskuję się rozdzielenie i delegowanie zadań dla poszczególnych pracowników. 4. Uwierzytelnianie i zarządzanie bezpieczeństwem komunikacji ograniczające możliwość nieuprawnionego dostępu do danych, co jest szczególnie istotne w sieciach posługujących się protokołem IP. 5. Zastosowanie protokołu IP, sprawia że kanał inżynierski może wykorzystywać rozwiązania i urządzenia stosowane w sieciach komputerowych. jak i inżynierskim oraz stosowania podobnych lub wręcz identycznych protokołów komunikacyjnych (np. protokół IP jako transportowy dla IEC 61850) kanały te pozostają rozdzielone. 3. PRZYKŁADY PRAKTYCZNYCH ROZWIĄZAŃ STOSOWANYCH W KANALE INŻYNIERSKIM W rozwiązaniach praktycznych znaleźć można wiele sposobów organizacji kanału inżynierskiego będących przykładami odpowiadającymi modelom opisanym w poprzednim akapicie lub rozmazaniami hybrydowymi. Ich konstrukcja zależy od rozwiązań preferowanych przez daną firmę, rodzaju urządzeń które obsługują czy miejsca zainstalowania. Pierwszym przykładem może być moduł dostępowy Ex-BGx (rysunek 5) mogący pracować zarówno w kanale danych jaki i kanale inżynierskim. Architektura połączeń urządzeń przyłączonych tworzy układ Star Coupler umożliwiający łączenie kanałów diagnostycznych różnych urządzeń, a następnie przesłanie informacji pojedynczym łączem [7]. Poszczególne kanały mogą być chronione hasłem, a urządzenia nie muszą posiadać przypisanego identyfikatora sieciowego. Jako łącze od strony urządzeń może być stosowane połączenie zrealizowane światłowodem szklanym HFBR-0400/ST, SMA, SC, FC lub światłowodem plastikowym HFBR-0500. Od strony aplikacji może być wykorzystane łącze szeregowe (modemowe) lub. Moduł ten jest stosowany w obrębie wielopolowych rozdzielni SN i WN pozwalając na połączenie w kanale inżynierskim urządzeń tam zainstalowanych. Łącze światłowodowe zapewnia pełną izolację urządzeń oraz separację od zakłóceń. Podobne rozwiązania można znaleźć w ofercie firmy ABB czy Mikronika. Rys. 6. Koncentrator portów NPort 5600-8-DT firmy Moxa [8] Rys. 5. Moduł dostępowy Ex-BGx firmy Elkomtech [7] Warto zaznaczyć, że pomimo stosowania podobnych rozwiązań technicznych w kanale podstawowym Przykładem rozwiązań opartych na łączach RS są koncentratory firmy MOXA występujące pod nazwą NPort [8]. Jest to rodzina koncentratorów o różnym stopniu złożoności i funkcjonalności. Ponieważ
większość urządzeń umożliwia stworzenie kanału inżynierskiego w oparciu o te porty jest to interesujące rozwiązanie. Pozwala ono na bardzo elastyczne zarządzanie poszczególnymi połączeniami. Komunikacja pomiędzy urządzeniem, a koncentratorem może być zrealizowana jako w pełni parametryzowane połączenie RS 232, RS 422 lub RS 485. Parametryzacji podlega budowa słowa, szybkość transmisji, jak i sterowanie transmisją. Aplikacja komunikuje się z koncentratorem poprzez sieć IP, wykorzystując łącza światłowodowe lub miedziane. W zależności od konfiguracji urządzenie może pracować jako serwer lub klient. Przy odpowiednim doborze sterowników stacja robocza widzi urządzenie końcowe jak gdyby pracowało na porcie lokalnym. Ponieważ urządzenie jest w pełni konfigurowalnym urządzeniem sieciowym wykorzystującym szereg protokołów sieciowych takich jak; ICMP, IP, TCP, UDP, DHCP, BOOTP, Telnet, DNS, SNMP V1, HTTP, SMTP, SNTP, ARP, PPP, SLIP, RTelnet, RFC2217 dostęp do niego oraz zarządzanie może odbywać za pomocą różnych narzędzi. Producent zdefiniował trzy metody konfiguracji: konsolę Web, konsolę Telnet oraz narzędzia działające w systemie Windows i Linux. Zakładając, że do jednego koncentratora można przyłączyć 16 urządzeń, możliwe jest posługując się takimi urządzeniami skonstruowanie kanału obsługującego różne urządzenia w zarządzanym obiekcie elektroenergetycznym. Modyfikacją lub rozszerzeniem tego rozwiązania może być zastosowanie komunikacji bezprzewodowej do tworzenia kanału inżynierskiego. Takie rozwiązanie ma szczególne znaczenie dla rozproszonych systemów pomiarowych i nadzoru, dla których realizacja innego rodzaju łącza napotyka na trudności organizacyjne lub techniczne. Szczególnie dynamicznie rozwija się w ostatnich latach grupa urządzeń wykorzystujących do transmisji danych sieci GSM. Decyduje o tym kilka czynników, do których można zaliczyć: pokrycie sygnałem GSM niemal całej powierzchni kraju, możliwość wykorzystania komunikacji pakietowej GPRS lub nowszych rozwiązań i zastosowanie w komunikacji protokołu IP, możliwość stworzenia własnego APN, możliwość buforowania i gromadzenia danych w modułach komunikacyjnych, możliwość zastosowania różnych trybów komunikacji. Ciekawe zastosowanie ma komunikacja bezprzewodowa oparta na GPRS w systemach pomiarowych, realizujących zdalny odczyt liczników. W tym przypadku urządzenia komunikacyjne wykorzystywane są zarówno jako kanał podstawowy jak również kanał inżynierski. W kanale podstawowym transmitowane są cyklicznie dane pomiarowe zbierane z grupy liczników. Kanał inżynierski umożliwia konfigurację licznika w trybie przezroczystym lub koncentratora danych jeśli jest taki elementem układu. Komunikacja bezprzewodowa wykorzystywana bardzo elastycznie przy tworzeniu połączeń pomiędzy licznikami i centrum akwizycji danych. W przypadku zastosowania koncentratora łącze GPS może znajdować się: pomiędzy licznikami a koncentratorem, pomiędzy koncentratorem a centrum akwizycji danych. Komunikacja bezprzewodowa jest również doskonałym środkiem technicznym pozwalającym zorganizować dostęp do urządzeń mobilnych lub przenośnych wykorzystywanych do czasowych pomiarów realizowanych w różnych punktach systemu elektroenergetycznego (rysunek 7). Przykładem takiego zastosowania może być utworzenie bezprzewodowego kanału inżynierskiego do kontroli pracy rejestratora jakości energii. Rejestrator Fluke 1760 jest urządzeniem przenośnym montowanym w wybranym polu rozdzielni niskiego lub średniego napięcia na czas wykonywania pomiaru. Pomiar realizowany jest w ściśle określonym czasie, charakterystycznym dla wybranego kontrolowanego obiektu. Wyniki pomiarów przechowywane są w pamięci rejestratora. Kanał inżynierski wykorzystywany jest jedynie do kontroli stanu pracy urządzenia, obserwacji on-line aktualnych wartości wielkości mierzonych i zmiany wybranych parametrów pracy urządzenia. Może być zrealizowany za pomocą łącza RS 232 lub. Fluke 1760 RS 232 GPRS Rys. 7. Kanał inżynierski Jako urządzenie komunikacyjne można zastosować Moxa OnCell G3150 [9]. Jest to urządzenie bezprzewodowe pełniące funkcję modemu lub routera GPRS. Zastosowanie komunikacyjne zależy od konfiguracji urządzenia. Trzy interfejsy pozwalają na elastyczną konfigurację. Do interfejsów tych należą: RS 232/RS 485 w pełni parametryzowany port komunikacyjny pozwalający na zrealizowanie połączenia asynchronicznego RJ45/ umożliwia zrealizowanie połączenia LAN o szybkości 100 Mb/s, GSM możliwość zrealizowania połączenia GSM (900/1800) lub GPRS, jeśli urządzenie pracuje w APN.
Do zarządzania urządzeniem można wykorzystać identyczne protokoły jak w przypadku wcześniej opisanego NPort-u. Samo urządzenie może pracować w wielu trybach, które konfigurację kanału czynią elastycznym. Do trybów tych należą Real COM, Reverse Real COM, TCP Server, TCP Client, UDP, RFC2217, Modem, SMS Tunnel. Pokazują one bogate możliwości konfiguracyjne urządzenia. 4. PODSUMOWANIE Projektowanie układów pomiarowych oraz systemów sterowania i nadzoru składających się z dużej liczby urządzeń określanych często jako inteligentne wymusza również rozwiązanie problemu ich zdalnej kontroli i diagnostyki. Ewolucja sieci elektroenergetycznej w kierunku smart grid spowoduje wzrost liczby urządzeń, wymagających adaptacyjnej konfiguracji oraz zdalnego nadzoru. Przy takim założeniu trudno wyobrazić sobie indywidualną, lokalną konfigurację poszczególnych urządzeń. Przedstawione w artykule modele komunikacji w kanale inżynierskim pokazują jak może zostać on zrealizowany. Zaprezentowane urządzenia przybliżają ich ogromne możliwości konfiguracyjne. Taka różnorodność pozwala na elastyczne projektowanie kanału inżynierskiego z wykorzystaniem komunikacji asynchronicznej, sieci LAN/WAN lub sieci bezprzewodowych GSM. LITERATURA [1] Bahramiazar A.: Automated Meter Reading Using RF Technology. IEEE ISGT, Gothenburg 2010 [2] Jędrychowski R.: Zalety standaryzacji systemów nadzoru i zabezpieczeń dla generacji rozproszonej, Rynek Energii nr 21(81) - 2009, str. 46-51. [3] Kacejko P.: Generacja rozproszona w systemie elektroenergetycznym. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2004 [4] Kowalik R. : Teletechnika. Podstawy dla elektroenergetyków. Wydawnictwo PW. Warszawa 1999. [5] Momoh James A.: Electric Power distribution, automation, protection and control. CRC Press, New York 2008. [6] Dokumentacja: SIPROTEC 4 7UM611/612 Multifunction Generator Protection Relay. Siemens [7] Dokumentacja: Ex-BG2x Moduły dostępowe do kanału telemechaniki i kanału inżynierskiego. Elkomtech S.A. [8] Dokumentacja: NPort 5600 Series User s Manual. Moxa. [9] Dokumentacja: OnCell G3150 Series User s Manual. Moxa. ORGANIZATION OF ENGINEERING CHANNEL IN CONTROL AND SUPERVISION SYSTEM Key words: communication, engineering channel, supervisory systems Summary. The most immediate effect of the development of intelligent networks is an increase of information that is indispensable for correct management system. It induces continuous modernization of Control and Supervision System for power grids as well as of system for metering and billing. Such devices as meters, power system protection or remote control equipment make possible to remotely change their configuration according to their operating conditions. For that purpose an engineering channel is used, which is exclusively dedicated for the control of the equipment operating conditions as well as for the access to configuration data via services. It is independent of an information channel, which is mean for the presented paper is to define models of communication among devices that form an engineer channel. It also presents a device that is real-time used for the transmission of diagnostic and configuration data via that channel. Autor: Robert Jędrychowski, jest adiunktem w Katedrze Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń Politechniki Lubelskiej, email: r.jedrychowski@pollub.pl