|
Poniższy artykuł ukazał się w miesięczniku "Wiadomości Elektroenergetyczne" nr 9/2008
Automatyzacja stacji energetycznej SN w oparciu o zabezpieczenia wykorzystujące kolizyjną magistralę łączności
Rosnące znaczenie energii elektrycznej, duża ilość urządzeń wrażliwych na jej jakość a szczególnie pewność dostawy, nakłada wysokie wymagania na organizację, a w tym na stopień automatyzacji nawet stosunkowo prostych stacji energetycznych SN. Jednocześnie nadal pozostaje w mocy kontrola kosztów obiektu w zakresie procesu projektowania, kosztów urządzeń, kosztów instalacji oraz o czym się często zapomina kosztów eksploatacji obiektu.
Moduły automatyki zabezpieczeniowej serii Ex-mBEL przeznaczone zasadniczo dla mniejszych stacji SN szczególnie w wersji wyposażonej w główną magistralę łączności CAN lub Ethernet, pozwalają na realizację bardzo zaawansowanych, o wysokim stopniu zautomatyzowania obiektów energetycznych, przy jednoczesnym zachowaniu niskich kosztów.
Z punktu widzenia struktury łączności najczęściej obecnie spotykanym rozwiązaniem jest zastosowanie w każdym polu zabezpieczenia oraz koncentratora dla całego obiektu. Jako medium łączności najczęściej wykorzystuje się magistralę typu RS485 w różnych odmianach, połączenia światłowodowe w układzie pierścienia (czasami wielokrotnego pierścienia) lub światłowodowe połączenia gwiazdowe.
Rys. 1. Pollingowa struktura łączności
W takiej konfiguracji magistralą łączności zarządza koncentrator (master) a każde z zabezpieczeń w polu (slave) odpowiada jedynie na zapytania koncentratora. Podstawowymi zaletami powyższego rozwiązania są jego prostota i niski koszt, ale jest to okupione wieloma wadami. Najpoważniejszą z nich jest stosunkowo długi i niedeterministyczny czas od wystąpienia zdarzenia w polu do momentu dotarcia tego zdarzenia do koncentratora, a tym samym do operatora lokalnego lub zdalnego. Również zbieranie pomiarów z poszczególnych pól jest w sposób przypadkowy rozrzucone w czasie w związku z czym np. bilansowanie na ogół jest obarczone bardzo dużymi błędami. Może występować także istotne opóźnienie w przekazywaniu poleceń sterowniczych spowodowane transmisją dużych bloków pomiarowych. Do powyższych niedoskonałości o charakterze ilościowym dochodzą istotne upośledzenia funkcjonalne spowodowane brakiem możliwości wymiany informacji pomiędzy poszczególnymi modułami bez udziału koncentratora.
W rozwiązaniu zaproponowanym przez firmę Elkomtech opartym na zabezpieczeniach typu Ex-mBEL lub Ex-BEL wyposażonych w magistralę łączności typu CAN udało się pogodzić niskie koszt realizacji uruchomienia i eksploatacji obiektu, z funkcjonalnością usuwającą wymienione powyżej problemy. W przypadku magistrali CAN koszty jej realizacji na obiekcie są takie same ja magistrali RS485 i do jej poprowadzenia wystarcza pojedyncza skrętka w ekranie. Zastosowane moduły komunikacyjne zapewniają pełną izolację galwaniczną pomiędzy wszystkimi urządzeniami z zachowaniem wysokiej wytrzymałości napięciowej i odporności na zakłócenia.
Rys. 2. Rozwiązywanie kolizji na magistrali CAN
Podstawową różnicą w stosunku do innych rodzajów magistral jest możliwość pracy urządzeń dołączonych do CAN zarówno w układzie pollingowym jak i kolizyjnym. Oba te sposoby pracy są w zaproponowanym rozwiązaniu wykorzystywane jednocześnie. W stosunku do innych rodzajów magistral kolizyjnych CAN posiada unikalną cechę gwarantującą dotarcie do adresata komunikatu o wyższym priorytecie, nawet w przypadku kolizji z komunikatem o niższym priorytecie. Właściwość ta ma zasadnicze znaczenie dla niezawodnego i prawidłowego funkcjonowania automatyk na stacji energetycznej. Na rys. 2. pokazane zostało zachowanie się kilku urządzeń żądających jednoczesnego dostępu do magistrali, ale z różnymi priorytetami. Pokazany jest wewnętrzny stan logiczny dla węzłów o numerach 1, 2 i 3. Urządzenia na początku każdej ramki prezentują swoje priorytety a wynik sumowania sygnałów jest pokazany jako stan magistrali. W tym przypadku najniższy priorytet ma węzeł nr 1 który jako pierwszy odłącza się od magistrali, następnie odłącza się węzeł nr 3 o priorytecie wyższym od węzła nr 1 ale niższym od węzła nr 2. Początek ramki węzła nr 2 pojawia się na magistrali mimo kolizji niezakłócony, a ponieważ pozostałe węzły biorące udział w kolizji odłączyły się od magistrali, dalszy ciąg komunikatu z węzła nr 2 będzie wysłany w całości. Kolizje występują tylko w sytuacji, kiedy transmisję na nie zajętej magistrali chcą rozpocząć równocześnie co najmniej dwa moduły. Standardowo wszystkie moduły komunikacyjne nasłuchują ruch na magistrali i transmisja rozpoczyna się dopiero po zakończeniu aktualnie nadawanej ramki.
Rys. 3. Schemat połączeń komunikacyjnych z magistralą kolizyjną CAN.
Dysponując zasobem w postaci priorytetowej magistrali kolizyjnej, można zorganizować przepływ dany w zupełnie inny sposób niż w przypadku magistrali pollingowej. Wszystkie moduły mogą być skonfigurowane na spontaniczne (unsolicited) wysyłanie zdarzeń, co radykalnie przyspiesza dotarcie zdarzenia do koncentratora i centrum oraz redukuje wielokrotnie zajętość magistrali z tytułu tego serwisu. Warunkiem koniecznym jest oczywiście dostępność takiej funkcji we wszystkich modułach. W przypadku pomiarów również powinna być dostępna usługa spontanicznej transmisji pomiarów, przy czym sposób jej implementacji ma zasadniczy wpływ na jakość funkcjonowania systemu pomiarowego jako całości. Spontaniczne zdarzenia i pomiary powodują, że ruch na magistrali w sytuacji braku zaburzeń zajmuje pojedyncze procenty dostępnego pasma magistrali. Aby zachować spójność systemu w sytuacji włączania poszczególnych urządzeń lub całego systemu łączności (np. uruchomienie koncentratora), koncentrator odpytuje z niewielką częstotliwością wszystkie urządzenia o ich stan oraz o pomiary. Wszystkie powyższe usługi są dostępne zarówno w zabezpieczeniach Ex-mBEL i Ex-BEL oraz we wszystkich koncentratorach opartych na systemie operacyjnym Wx.
W celu przetestowania wyżej wymienionych rozwiązań został wykonany zestaw testowy odpowiadający dwuszynowej rozdzielni SN składającej się z dwóch pól zasilających, dwóch pól pomiaru napięcia, pola sprzęgła oraz czterech pól odpływowych. W zestawie zostało również zabudowane źródło zasilania dla obwodów pierwotnych dołączone do zwykłej sieci zasilającej nn. Dzięki temu w testowanym systemie następowały spontaniczne zmiany napięcia (prądów) oraz częstotliwości. Wszystkie pola odpływowe były wyposażone w obciążenia robocze oraz zwarciowe. Jako moduły zabezpieczeniowe zostały wykorzystane zabezpieczenia Ex-mBEL, a jako koncentrator Ex-micro2c. Dodatkowo do systemu został dołączony rejestrator zakłóceń (również w technologii Ex-mBEL) także dołączony do magistrali CAN. Rejestrator został stykowo dołączony do wszystkich obwodów sterujących wyłącznikami, do wyłączników oraz odłączników szynowych. Obwód prądowy rejestratora został włączony w główny obwód zasilający całe stanowisko testowe, co umożliwiło wyzwalanie go zwarciami lub przeciążeniami występującymi w dolnym miejscu struktury. Koncentrator został podłączony poprzez łącze Ethernet do odpowiednio skonfigurowanego systemu SCADA (WindEx). W stanowisku został wykorzystany również kanał inżynierski do wszystkich urządzeń z uruchomią funkcją zdalnego dostępu z Centrum Nadzoru Inżynierskiego.
Rys. 4. Schemat synoptyczny testowej konfiguracji bez aktywnych pobudzeń.
Symboliczny schemat powiązań pomiędzy urządzeniami został pokazany na rys. 3. a jego wizualizacja jako obiekt energetyczny został pokazana na rys. 4, (zrzut z ekranu systemu WindEx). Pokazany schemat odpowiada normalnej pracy stacji bez pobudzeń, alarmów i zadziałań, ale z aktywnym systemem telemechaniki (sygnalizacje, pomiary, telesterowania). Rozdzielnia jest zorganizowana w układzie dwóch sekcji dwuszynowych połączonych sprzęgłem. Wszystkie widoczne łączniki są sterowane. W każdym polu liniowym jest możliwość wywołania przepływu prądu zwarciowego. Każde pole dostarcza kompletu odpowiednich pomiarów. Pola 5 i 6 obsługiwane są przez jedno urządzenie oznaczane dalej jako P5&6. Na schemacie przy każdym polu są umieszczone odpowiednie wirtualne wskaźniki pobudzeń z możliwością zdalnego kasowania; kolor zielony – brak pobudzenia, czerwony – zadziałanie, żółty – pobudzenie trwałe skwitowane. System Ex-WindEx automatycznie znakuje stan linii i szyn; zielone – pod napięciem, szare – bez napięcia, białe – uziemione.
Rys. 5. Długoterminowa rejestracja pomiarów spontanicznych U i F w systemie SCADA.
Rys. 6. Rejestracja U i F bezpośrednio w urządzeniu przez rejestrator przebiegów wolnozmiennych.
Skuteczność transportu zdarzeń spontanicznych została potwierdzona w postaci natychmiastowego odzwierciedlania zmian stanu na schemacie systemu SCADA. Do oceny skuteczności pomiarów w trybie zdarzeniowym wykorzystano porównanie rejestracji pomiarów w systemie SCADA z rejestratorem przebiegów wolnozmiennych wyzwolonym w polu pomiaru napięcia (Pole 2) i polu odpływowym (Pole 4). System WindEx z zasady rejestruje wszystkie dostępne dla niego pomiary w układzie czas - wartość, przy czym rejestracja jest uaktywniana przy każdej zmianie wartości pomiaru. Taki sposób rejestracji doskonale współgra ze zdarzeniowym mechanizmem wysyłania pomiarów. Rejestracja w polu pomiarowym z okres 12 godzin jest pokazana na rys. 5. Na rys. 6. pokazany jest ten sam zestaw pomiarów oraz okres rejestracji, ale z wewnętrznego rejestratora przebiegów wolnozmiennych uaktywnionego w polu pomiaru napięcia Ex-mBEL_P. Rejestrator zapisuje przebiegi w cyklu 10s (jako chwilowe wartości kryterialne U i F), co pozwala na bardzo dokładne odwzorowanie kształtu przebiegu. Porównanie obu rejestracji pokazuje bardzo dużą zgodność obu przebiegów, co świadczy o ich wysokiej jakości, niezależnie od wybranej metody zapisu. Potwierdza to także, że mechanizm pomiarów spontanicznych daje bardzo wiarygodne wyniki.
Należy dodać, że stosowanie systemu zdarzeniowego dla sygnalizacji i pomiarów nie jest warunkiem koniecznym wymiany danych; w tym przypadku wykorzystano właściwości magistrali kolizyjnej do polepszenia serwisu telemechaniki. Dostępność magistrali kolizyjnej jest natomiast niezbędna do realizacji funkcji wymagających bezpośredniej wymiany danych pomiędzy dowolnymi węzłami sieci bez udziału koncentratora.
Zasadniczym celem testowej instalacji było wykazanie, że możliwa jest istotna redukcja liczby wejść i wyjść stykowych z jednoczesnym zachowaniem jakości serwisu. W pierwszej kolejności zostały wdrożone Lokalna Rezerwa Wyłącznikowa (LRW) oraz blokada zabezpieczenia szyn. Zabezpieczenia w polach P3, P4, P7 i P8 zostały skonfigurowane tak, aby w przypadku uszkodzenia wyłącznika w polu i wystąpienia zwarcia by generowały żądanie rezerwy (prądowe i/lub wyłącznikowe). W zabezpieczeniu przekładane jest ono na komunikat typu rozgłoszeniowego, zawierający informację o rodzaju wymaganego serwisu i jego źródle. Na rys. 7. pokazany jest odpowiedni fragment konfiguracji pola zasilającego, w której moduł logiczny URW (rbrf(1)) wywołuje odpowiednią usługę transmisyjną. Jest ona realizowana z najwyższym priorytetem, co w praktyce oznacza, że moduł komunikacyjny w najgorszym przypadku wysyła ją w kilka ms po jej zgłoszeniu.
Rys. 7. Deklaracja pobudzeń URW w polu odpływowym.
Komunikat jest odbierany przez wszystkie moduły znajdujące się we wspólnej grupie, a moduły „zainteresowane” jego treścią modyfikują odpowiednie zmienne w swojej bazie danych.
Odpowiedni fragment konfiguracji w polu P1 realizującym rezerwę jest pokazany na rys. 8. W tym przypadku moduł odpowiedzialny za realizację rezerwy aul(1) jest pobudzany przez sumę logiczną z bitów pochodzących z pól P3 i P4 oraz z P5&6. Analogicznie jest dystrybuowana informacja o blokadzie zabezpieczenia szyn. Efekt działania URW po nie wyłączonym zwarciu w P4, jest pokazany na schemacie z Ex-WindEx na rys. 9. Zapis tej sytuacji z zewnętrznego rejestratora zakłóceń pokazany jest na rys. 10. Na rys. 11 pokazany odpowiedni fragment dziennika zdarzeń. Porównanie dziennika zdarzeń z systemu z zapisem rejestratora zakłóceń, pokazuje bardzo dobrą zgodność obu niezależnych zapisów. Należy przy tym dodać, że również synchronizacja czasu w zabezpieczeniach i rejestratorze zakłóceń jest realizowana poprzez magistralę CAN.
Rys. 8. Funkcje pobudzające URW i Blokadę ZSZ w polu zasilającym
Cały proces budowy powiązań odbywa się poprzez umieszczanie odpowiednich deklaracji w pliku konfiguracyjnym obejmującym cały obiekt. W zasadzie jest to analogiczne działanie jak dołączanie do obwodów okrężnych poszczególnych zabezpieczeń, ale realizowane innymi środkami.
Rys. 9. Schemat synoptyczny z uwidocznionymi skutkami działania URW.
W analogiczny sposób mogą być transportowane pozostałe stany i /lub pomiary w przestrzeni globalnych zmiennych obiektu. Należą do nich położenia wszystkich łączników, pomiary napięć, zadziałania stopni SCO itp. Wszystkie te zmienne analogowe i binarne mogą być uwzględniane w różnych rodzajach automatyk, sekwencji i blokad. Blokady i automatyki mogą obejmować nie tylko obszar jednego pola, ale w ich równaniach można uwzględniać uprzednio zadeklarowane zmienne pochodzące z dowolnego urządzenia dołączonego do magistrali. Umożliwia to budowanie efektywnych blokad ruchowych (np. zabezpieczających przed załączeniem na szynę uziemioną w innym polu). Realizacja takiej automatyki nie jest zależna od operatywności koncentratora lub pól nie wpływających na jej funkcjonowanie (np. niektóre pola mogą być wyłączone. Automatyki i blokady mogą być budowane bez ponoszenia kosztów w postaci dodatkowych wejść i wyjść stykowych, połączeń, przekaźników itp. Niezbędne jest natomiast poświęcenie odpowiedniej uwagi na przemyślenie i zaprojektowanie całej konfiguracji.
Rys. 10. Rejestracja zakłócenia w polu 4 z rezerwą realizowaną przez P1 i P5&6.
Ważnym elementem jest ocena niezawodności systemu, szczególnie w porównaniu z rozwiązaniem zbudowanym w oparciu o obwody okrężne w technologii stykowo-przewodowej. W zaproponowanym rozwiązaniu zastosowano podobny mechanizm propagacji zmiennych jak w stosowany w standardach budowy stacji zgodnych z normą IEC61850. Każde zdarzenie dostarczone do modułu komunikacyjnego jest transmitowane natychmiast, a następnie powtarzane z malejącą częstotliwością aż do maksymalnego zadeklarowanego okresu, np. 1s. Odpowiada to sytuacji trwałego wymuszenia pożądanego stanu na linii okrężnej i zabezpiecza np. przed zawsze możliwym zakłóceniem krytycznego komunikatu lub sytuacją polegającą na przejściowej nieoperatywności któregoś z modułów. W odróżnieniu od obwodów okrężnych magistrala CAN jest cały czas w stanie aktywnej wymiany danych pomiędzy koncentratorem i wszystkimi modułami. Jakiekolwiek uszkodzenie fizyczne magistrali lub modłów sterujących jest natychmiast wykrywane przez koncentrator i sygnalizowane oraz rejestrowane w systemie centralnym. Uszkodzenie w typowym obwodzie okrężnym polegające np. na jego przerwaniu jest wykrywane dopiero w trakcie próby jego użycia, co może prowadzić do poważniejszych awarii. Widać więc, że rozwiązanie z magistralą CAN może skutkować zwiększeniem niezawodności i bezpieczeństwa całego obiektu.
Zaproponowane i przetestowane rozwiązanie zostało zrealizowane w oparciu o moduły automatyki zabezpieczeniowej Ex-mBEL. Poza zademonstrowaną powyżej funkcjonalnością charakteryzują się one małymi wymiarami (110x112x108 mm), małym poborem mocy (poniżej 5W) oraz niewielkimi kosztami. Rys. 12. pokazujący schemat przyłączeniowy pola odpływowego z dołączonym dwubitowo wyłącznikiem, dwoma sterowanymi łącznikami (synoptyka dwubitowa) oraz wyprowadzonym sygnałem stykowym „Alarm”. Dla innych funkcji stykowych pozostaje jeszcze 6 wejść sygnalizacyjnych.
Rys. 12. Schemat przyłączeniowy pola odpływowego z Ex-mBEL. | 
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
