IEC 61850 a transmisja danych – jak działa standard w automatyce energetycznej?

Standard IEC 61850 rewolucjonizuje automatykę stacji elektroenergetycznych. Definiuje zasady projektowania, komunikacji i modelowania danych. Zapewnia interoperacyjność i niezawodność systemów. Dowiedz się, jak działa i dlaczego zyskuje na znaczeniu.

Wprowadzenie do standardu IEC 61850

Standard IEC 61850 to międzynarodowa norma. Dotyczy ona projektowania automatyki dla stacji energetycznych. Jest częścią architektury systemów energetycznych. Stworzył ją Komitet Techniczny 57 (TC 57) Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC). Standard jest nowatorski i wyjątkowy. Powstał od podstaw z użyciem nowoczesnych standardów transmisji danych. Definiuje protokoły komunikacyjne. Zapewniają one komunikację między urządzeniami w stacji. Standard zyskuje na popularności. Jest coraz częściej wymagany na nowych i modernizowanych stacjach wysokich napięć. Został uznany za normę europejską (EN). W konsekwencji stał się też Polską Normą (PN-EN).

Dokument standardu IEC 61850 ma prawie 1400 stron. Wprowadza nowe typy danych i usługi komunikacyjne. Przykładem są GOOSE i SV. Standard definiuje zasady projektowania systemów. Określa także komunikację i modelowanie danych. Stawia na zwiększenie niezawodności. Minimalizuje przestoje i usterki systemów elektroenergetycznych.

Wymagania środowiskowe i niezawodność

Stacje elektroenergetyczne pracują w trudnych warunkach. Są narażone na zakłócenia elektromagnetyczne (EMC). Muszą funkcjonować w skrajnych warunkach środowiskowych. Obiekty podstacji energetycznych stawiają wysokie wymagania urządzeniom elektronicznym. Występują tam wysokie poziomy zakłóceń EMC. Przekazywane są krytyczne dane w sieci transmisyjnej.

Standard IEC 61850-3 oraz IEEE 1613 określają wymagania środowiskowe. Urządzenia muszą działać niezawodnie. Zakres temperatur pracy wynosi od -40 do +75 stopni Celsjusza. Standard klasyfikuje urządzenia. Klasa 1 dopuszcza chwilową utratę łączności. Wymaga powrotu do pełnej sprawności. Klasa 2 wymaga łączności bezbłędnej i bezprzerwowej.

Komunikacja danych w IEC 61850

Standard IEC 61850 wykorzystuje technologię Ethernet do przesyłu informacji. Protokoły pracują w sieciach opartych na TCP/IP. Mogą działać w lokalnych stacyjnych sieciach Ethernet. Normalizacja definiuje protokoły komunikacyjne. Zapewniają one sprawną wymianę danych. W energetyce istniały aplikacje oparte na kilku protokołach. Były to IEC 60870-5-103, DNP3, IEC 60870-5-104, IEC 60870-5-101. IEC 61850 rozwiązuje problem kompatybilności. Stworzono go dzięki współpracy wiodących producentów urządzeń IED.

Kluczowe protokoły w IEC 61850 to MMS, GOOSE i SV. MMS (Manufacturing Message Specification) służy do zarządzania. GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) przesyła szybkie zdarzenia. SV (Sampled Values) transmituje próbkowane wartości pomiarowe. Obecnie mapowanie obejmuje MMS, GOOSE, SMV. Dotyczy także WebServices, DNP3 i IEC60870-5-104. Czas odpowiedzi dla funkcji zabezpieczeniowych wynosi poniżej 4 ms. Niedokładność czasu w sieci musi być poniżej ±1 µs. Synchronizacja czasu w IEC 61850 wykorzystuje PTP (Precision Time Protocol).

Nowy model danych w standardzie opisuje urządzenia. Określa zawartość funkcji i rodzaj komunikacji. Przyporządkowuje funkcje do urządzeń. Przejrzystość komunikacji jest wysoka. Standard umożliwia integrację informacji z urządzeń w systemie SCADA. Zastosowanie PRP (Parallel Redundancy Protocol) zwiększa niezawodność transmisji.

Korzyści z wdrożenia IEC 61850

Wdrożenie standardu IEC 61850 na stacji elektroenergetycznej przynosi wiele korzyści. Standard zapewnia interoperacyjność. Umożliwia współpracę urządzeń różnych producentów. Integracja nowego urządzenia nie wymaga rekonfiguracji całej sieci. Konfiguracja na poziomie sieci staje się łatwiejsza. Niższe są koszty utrzymania i eksploatacji. Można uzyskać oszczędności na instalacji. Szacuje się je na do 40%. Światłowód jest tańszy od typowego kabla miedzianego.

Cena kilkudziesięciu metrów kabla może nie robić różnicy, ale przy kilometrach cena za metr ma duże znaczenie.

Transmisja danych jest niezawodna. Standard zwiększa kontrolę i bezpieczeństwo. Rozbudowa sieci jest łatwiejsza i tańsza. Przewody są bardziej odporne. Standard ułatwia monitorowanie i zarządzanie. Częstotliwość raportowania do SCADA wynosi co 4 sekundy. Częstotliwość pomiarów PMU sięga do 60 pomiarów na sekundę. Dokładność lokalizacji awarii wzrasta. Może wynosić do 10 metrów. Zastosowanie standardu pozwala ograniczyć koszty aplikacji. Daje większą swobodę w ich tworzeniu. Brak ograniczeń do jednego dostawcy to duża zaleta. Redukcja urządzeń pośredniczących upraszcza system.

• Wdrożenie standardu IEC 61850 jest korzystne. Dotyczy to nowych i modernizowanych stacji.
• Zastosowanie aplikacji klienckich wspomaga wdrożenie. Ułatwia też utrzymanie sieci.

Wyzwania i perspektywy

Wdrożenie i utrzymanie systemów opartych na IEC 61850 stawia nowe wyzwania. Konieczne jest stworzenie zasad dokumentacji systemów komunikacji. Problemy z dokumentacją mogą wynikać z braku pełnych, czytelnych opisów konfiguracji protokołów. Wymagana jest znajomość informatyki dla projektantów elektrycznych. Zwiększona automatyzacja i cyfryzacja w energetyce rośnie. Rosnące wymagania dla komunikacji w stacjach energetycznych są faktem. Zwiększone znaczenie ma cyberbezpieczeństwo w scyfryzowanych systemach.

Na rynku brakuje specjalistów. Ludzie dobrze znający protokół IEC 61850 są potrzebni. Konieczne jest przeszkolenie specjalistów w zakresie IEC 61850. Skuteczne szkolenia personelu są kluczowe. Innowacje w testowaniu przekaźników ochronnych są ważne. Pomagają sprostać wyzwaniom cyfryzacji. Globalny nacisk na zrównoważony rozwój wpływa na energetykę. Polityka zerowej emisji promuje nowoczesne rozwiązania. Prognoza wzrostu rynku podstacji cyfrowych wynosi 7,3% od 2022 do 2028 roku. Ciągły rozwój standardu i ogrom benefitów powodują, że jego obligatoryjność jest tylko kwestią czasu.

• Konieczność stworzenia zasad dokumentacji systemów komunikacji.
• Wymóg znajomości informatyki dla projektantów elektrycznych.
• Konieczność przeszkolenia specjalistów w zakresie IEC 61850.

Brak ludzi dobrze znających protokół IEC 61850 stanowi wyzwanie dla branży.

Zastosowanie i przykłady

Standard IEC 61850 znajduje szerokie zastosowanie. Wykorzystuje się go przy uruchomieniu zabezpieczeń cyfrowych. Dotyczy to średnich i wysokich napięć. Moduły IED (Intelligent Electronic Device) działają w oparciu o ten standard. W normie zdefiniowano protokoły komunikacyjne dla IED. Działają one w cyfrowych podstacjach. Jedna cyfrowa stacja w Polsce została zrealizowana w oparciu o system ABB. Firma Phoenix Contact jest wiodącym producentem rozwiązań dla energetyki. Zastosowała swoje rozwiązanie w Elektrowni Kozienice przy budowie bloku 11. Firma Westermo oferuje urządzenia zgodne ze standardem. Są to modemy GSM/LTE oraz przełączniki sieciowe (np. Lynx, RedFox-5728). Firma COPA-DATA oferuje oprogramowanie zenon. Moduł zenon Energy Edition umożliwia inteligentne podstacje. Pozwala na wzajemne połączenie urządzeń. Może być wykorzystywany w zastosowaniach o dowolnej skali. Dzięki alternatywnemu sterownikowi, wartości mogą być kierowane do urządzenia zastępczego. Zenon Energy Edition posiada certyfikację IEC 61850 MMS Client. Potwierdza to zgodność z wydaniem Edition 2.

Dokumentacja standardu IEC 61850

Standard IEC 61850 składa się z wielu części. Każda część opisuje inny aspekt. Poniżej znajduje się lista wybranych dokumentów standardu:

• IEC TR 61850-1:2013 – Wprowadzenie i przegląd
• IEC TS 61850-2:2003 – Słownik
• IEC 61850-3:2013 – Wymagania ogólne
• IEC 61850-4:2011 – Zarządzanie systemem i projektem
• IEC 61850-5:2013 – Wymagania komunikacyjne dla funkcji i modeli urządzeń
• IEC 61850-6:2009 – Język opisu konfiguracji dla komunikacji (SCL)
• IEC 61850-7-1:2011 – Podstawowa struktura komunikacji – Zasady i modele
• IEC 61850-7-2:2010 – Abstrakcyjny interfejs usług komunikacyjnych (ACSI)
• IEC 61850-7-3:2010 – Wspólne klasy danych
• IEC 61850-7-4:2010 – Kompatybilne klasy węzłów logicznych i obiektów danych
• IEC 61850-7-410:2012+AMD1:2015 – Elektrownie wodne
• IEC 61850-7-420:2009 – Rozproszone zasoby energii
• IEC/IEEE 61850-9-3:2016 – Profil PTP dla automatyki energetycznej
• IEC 61850-10:2012 – Testowanie zgodności

To tylko część obszernych dokumentów. Pełna dokumentacja standardu ma prawie 1400 stron. Definiuje ona szczegółowe wymagania i modele. Dotyczą one wszystkich elementów w sieci, nie tylko urządzeń sieciowych.

• Skontaktuj się z nami w razie pytań dotyczących standardu IEC 61850.

Zobacz także:

• ISO 15118 – standard komunikacji dla pojazdów elektrycznych
• Standardy Techniczne Linii Elektroenergetycznych: Kluczowe Wymagania i Bezpieczeństwo
• Budowa stacji ładowania samochodów elektrycznych – przyszłość e-mobilności w Polsce
• ISO 9141 – Komunikacja diagnostyczna w samochodach
• ISO 5211 – standard dotyczący interfejsu wałka napędowego zaworu