Сбор данных уровня подстанции
В этой технической статье рассматривается архитектура сбора данных уровня подстанции и протокол связи, описанный в МЭК 61850. МЭК 61850 является действующим международным стандартом автоматизации подстанций (СА).
Архитектура сбора данных уровня подстанции и протокол связи, описанные в МЭК 61850 (на фото: подстанция TransCo Laoag ночью, кредит: MikeHansZach через Flickr)
В центре внимания МЭК 61850 входит обеспечение совместимого стандарта для оборудования подстанции с несколькими устройствами для связи. На сегодняшний день проприетарный протокол связи нарушил использование эфирной смеси оборудования подстанции.
Описание МЭК 61850 представляет собой систему координат, из которой можно сравнить три предложенные архитектуры сбора данных подстанции.
Здесь архитектура сбора данных уровня подстанции используется для описания физического подключения устройств и потока данных в системе; тогда как протокол связи - это язык, используемый для передачи информации по сети. Обе эти проблемы влияют на общий сбор данных подстанции в отношении точности, латентности и надежности.
Система сбора данных уровня подстанции передает данные из UGPSSM (универсальные GPS-синхронизированные счетчики) в контрольный дом. Эта функциональность может быть выполнена через несколько архитектур.
Три таких архитектуры будут описаны в терминах потока данных на типичной подстанции. Три описанные архитектуры: от точки к точке, в сети и беспроводной сети. В предлагаемой подстанции будущего все собранные данные изначально обрабатываются с помощью универсального глобального спутника (GPS) с синхронизацией по времени (UGPSSM).
Устройство UGPSSM аналогично устройству объединения IEC 61850. Обработка каждого UGPSSM - это выборка, оцифровка и GPS-отметка всех данных подстанции.
В этой статье описывается функциональность и предлагаемое оборудование UGPSSM.
Содержание:
-
- Обзор сбора данных уровня подстанции IEC 61850
- Поток данных
- Протокол связи
- Архитектуры сбора данных уровня подстанции
- Точка-точка
- Сетей
- беспроводной
- Протокол связи
- Общая архитектура сбора данных уровня подстанции
- Универсальные GPS-синхронизаторы
- Обзор сбора данных уровня подстанции IEC 61850
1. Общий обзор сбора данных уровня подстанции IEC 61850
1.1 Поток данных
Концептуальная схема системы сбора данных уровня подстанции, изложенная в стандарте IEC 61850 «Сети связи и системы автоматизации энергоснабжения», показана на рисунке 1a.
Примером технологии, доступной в настоящее время, с использованием этого подхода является технология GE HardFiber.
Рисунок 1 - Система HardFiber на подстанции
На рисунке 2 объединяющие устройства (MU) являются аналого-цифровыми устройствами сбора данных, которые измеряют и оцифровывают электрические величины. Электрические величины представляют собой аналоговые или цифровые сигналы, которые представляют интерес.
Аналоговые величины включают:
- Сигналы напряжения и тока от трансформаторов напряжения (СТ) и трансформаторов тока (ТТ),
- Сигналы температуры трансформатора от датчиков температуры сопротивления (RTD),
- Трансформатор поворачивает отношения от потенциометров,
- и т.п.
Рисунок 2 - Концептуальный дизайн сбора данных уровня стандартной подстанции 61850
Цифровые величины включают вспомогательные контактные выходы и т. Д. MU помещаются физически близко к сигналам, которые они контролируют. Это обвинение минимизирует вероятность повреждения сигнала. В системе GE HardFiber MU называются Bricks.
GE Bricks включают выветриваемую внешность, подходящую для наружных и экстремальных физических условий, общих для подстанций.
На рисунке 2 выше сообщение от каждого MU к шине процесса обеспечивается посредством связи точка-точка. Скорость передачи данных в этой части системы очень высока. Для этого требования требуется точка-точка коммуникационной среды.
В рамках системы GE HardFiber между кирпичами и точками оконечного устройства для волоконно-оптического кабеля подстанции используется панель из сборных волоконных волокон.
Рисунок 3 - Пример системы HardFiber
Панели Cross Connect расположены в контрольном доме подстанции (см. Рис. 3) и используются для подключения кирпичей к реле защиты, счетчикам и любым другим интеллектуальным электронным устройствам (IED).
Панели Cross Connect, как указано в названии, позволяют прокладывать волоконно-оптические кабели между портами с кирпичей подстанции и IED-контроллерами.
Настройка создает выделенный волоконно-оптический канал связи между каждым кирпичом и соответствующим IED.
Рисунок 4 - Перекрестное соединение кирпичей и СВУ
На рисунке 2 блок шины процесса представляет собой взаимосвязь канала данных MU с отдельными IED подстанциями. Подстанция IED использует цифровые данные, предоставленные MU для генерации дополнительных данных.
В рамках системы HardFiber сборные волоконно-оптические патч-корды используются на панелях Cross Connect для создания непрерывного волоконно-оптического канала между кирпичами и СВУ.
На рисунке 2 каждый реле и PMU предоставляют дополнительные данные для шины станции, включая величину напряжения и тока, квадрат корня и т. Д., Основанный на данных из MU. Эти дополнительные данные требуют множественной выборки данных - например, вычисление величины из выборочных данных требует полного периода выборки.
Таким образом, шина станции передает данные значительно медленнее, чем шина процесса. Это позволяет использовать сетевую архитектуру на шине станции.
На рисунке 2 выше станция-шина облегчает передачу данных между всеми ИЭУ подстанции, компьютерами подстанции и оборудованием GATE. Это позволяет обмен сообщениями между IED, взаимодействие с человеческими машинами и общение с внешними заинтересованными сторонами.
К основным преимуществам системы HardFiber относятся:
- Стандартизованная волоконно-оптическая кабельная система;
- Изготовлен из компонентов полки;
- При проектировании, установке, вводе в эксплуатацию и эксплуатации используются существующие наборы навыков;
- Реле GE UR-серии и другие совместимые с 61850 СВУ могут использоваться; а также
- Различные ИЭУ могут записывать выборочные данные с независимой частотой дискретизации.
IEC 61850 позволяет использовать устаревшее оборудование на одной и той же подстанции с новым оборудованием. Это показано на рисунке 2, где реле A и PMU A контролируют напряжения и токи через аналоговые измерительные каналы.
Вернуться к содержанию ↑
1.2 Протокол связи
IEC 61850 является более чем типичным протоколом связи. IEC 61850 содержит спецификации по передаче данных. Он также указывает, какие данные должны передаваться объектно-ориентированным образом.
Основной целью создателей МЭК 61850 является создание коммуникационного протокола, который обеспечивает совместимую работу между всеми поставщиками оборудования подстанции.
Вернуться к содержанию ↑
2. Архитектуры сбора данных уровня подстанции
Во всех подстанциях данные используются локально, а данные отправляются внешним заинтересованным сторонам. Архитектура, используемая для сбора локальных данных, значительно варьируется от одной подстанции к следующей.
Ниже описаны три возможные архитектуры сбора данных для подстанции будущего.
2.1 Точка к точке
Концептуальный дизайн архитектуры точка-точка показан на рисунке 5.
Рисунок 5 - Концептуальный дизайн архитектуры сбора данных между точками
На рисунке 5 UGPSSMs обмениваются данными по линии передачи данных по волоконно-оптической или медной линии. Периодические данные предоставляются из каждого UGPSSM.
К преимуществам связи точка-точка относятся: максимальная пропускная способность
К недостаткам связи точка-точка относятся:
- Требует наибольшего количества сырья для каналов связи
- Требует наибольшую инфраструктуру для связи
Второй способ, используемый для сбора данных подстанции, - это сетевая архитектура, описанная ниже.
Вернуться к содержанию ↑
2.2 Сетевые
Концептуальный дизайн сетевой архитектуры показан на рисунке 6.
Рисунок 6 - Концептуальный дизайн архитектуры сбора данных в сети
На рисунке 6 вывод каждого UGPSSM маршрутизируется через маршрутизатор в дом управления. Использование коммутируемой связи минимизирует количество материала сетевого соединения.
Однако для этого типа сетевой связи требуется дополнительный компонент, влияющий на надежность системы связи.
Кроме того, коммутационная связь увеличивает задержку потока данных.
Сетевая архитектура имеет значительную долю рынка промышленной и коммерческой коммуникационной инфраструктуры.
Использование сетевой инфраструктуры связи в среде подстанции ограничено. Надежность и латентность этой формы связи подвергаются сомнению для жестких систем реального времени, используемых в автоматизации энергосистемы.
Преимущества сетевой архитектуры включают в себя:
- Более низкое требование к материалу канала связи,
- Более низкие требования к инфраструктуре связи.
К недостаткам сетевых коммуникаций относятся: Коммуникационные столкновения вызывают задержки.
Третий метод, используемый для сбора данных подстанции, - это сетевая архитектура, описанная ниже.
Вернуться к содержанию ↑
2.3 Беспроводная связь
Концептуальный вид беспроводной архитектуры показан на рисунке 7.
Рисунок 7 - Концептуальный дизайн беспроводной архитектуры сбора данных
Беспроводная архитектура имеет сходства и отличия от двух последних архитектур сбора данных подстанции. На сегодняшний день методология сбора данных на уровне подстанций на основе беспроводной связи не используется. Беспроводная передача данных используется в других приложениях для операций с энергосистемой и во многих других технических областях.
На рисунке 7 беспроводные модемы используются для отправки данных UGPSSM в дом управления.
Безопасность беспроводной связи имеет первостепенное значение. Мы предлагаем использовать направленную антенну; так что доступность передаваемого сигнала вне подстанции невозможна.
Беспроводная связь требует, чтобы в каждом месте измерения размещались только модемы. Таким образом, требуются ограниченные инвестиции в инфраструктуру. Расстояния типичных передач данных подстанций позволяют осуществлять высоконадежную передачу данных по точкам.
Использование беспроводных модемов приводит к измеримой надежности, которая может непрерывно контролироваться посредством существования передаваемых данных.
Преимущества беспроводной архитектуры включают в себя:
- Самое низкое требование к материалу канала связи,
- Самое низкое требование к инфраструктуре связи.
К недостаткам беспроводной связи относятся:
- Проблемы с кибербезопасностью,
- Скорость (это не является недостатком для новых систем)
Вернуться к содержанию ↑
2.4 Протокол связи
Существует несколько протоколов связи, которые применимы к сбору данных на уровне подстанции.
Ниже представлен неполный список существующих стандартов.
- DNP3
- MODBUS
- IEC 60890-5-103
- IEEE C37.118
- Протокол быстрого сообщения SEL
Задача подстанции будущего предполагает необходимость высокоскоростной и надежной цифровой связи в сложной среде высоковольтных подстанций.
Вернуться к содержанию ↑
3. Общая архитектура сбора данных уровня подстанции
Из трех рассмотренных систем сбора данных подстанции (точка-точка, сеть и беспроводная связь) преимущества беспроводной архитектуры значительны.
Вернуться к содержанию ↑
4. Универсальные GPS-синхронизаторы времени
UGPSSM обеспечивают общий интерфейс для всех входных и выходных данных, между оборудованием коммутатора и оборудованием контрольного дома, в предлагаемой структуре автоматизации подстанции.
В общем, UGPSSM похож на блок объединения IEC 61850. UGPSSM обрабатывают все аналоговые измерения, цифровые измерения и управляющие сигналы. Эта обработка для аналоговых измерений включает в себя выборку, оцифровку и синхронизацию времени GPS. Эта обработка для цифровых измерений включает в себя соответствующую компрессию / повышающую дискретизацию частоты дискретизации и временное тиснение GPS.
Блок-схема аналогового измерительного канала в предлагаемом аппарате UGPSSM показана на рисунке 8.
Цифровые измерительные каналы включают в себя оптическую изоляцию, микропроцессор (μP), цикл фазовой блокировки (PLL) и тактовый сигнал GPS. Каналы управления включают оптическую изоляцию и только μP.
Рисунок 8 - Блок-схема аналогового входного канала в предлагаемом UGPSSM
Блоки на рисунке 8 обеспечивают работу UGPSSM. Оцифровка (A / D) обеспечивается 16-разрядным аналого-цифровым преобразователем с сигмой / дельта-модулем. Для каждого измерения с помощью сигнала синхронизации GPS добавляется время отклика GPS. UGPSSM также обеспечивают оптическую изоляцию между всеми низковольтными аппаратными средствами и оборудованием переключения.
В общем, UGPSSM помещены физически близко к оборудованию коммутатора, которое они контролируют, чтобы свести к минимуму любое повреждение аналогового сигнала с низким энергопотреблением.
Сигнал обратной связи SuperCalibrator на рисунке 8 используется для автоматической калибровки измерительных каналов, что приводит к самокорректируемому каналу измерения в рамках предлагаемой структуры автоматизации подстанции.
Суперкалибратор обеспечивает количественную оценку ошибки канала измерения, контроль дисперсии измерительных каналов приводит к количественной оценке работоспособности измерительных каналов. Эта количественная оценка может использоваться для получения сигнала обратной связи для автоматического повышения точности всех измерительных каналов.
Благодаря повышению точности измерительных каналов обеспечивается более высокая точность локальной обработки в подстанции.
Вернуться к содержанию ↑
Рекомендации //
- Подстанция будущего: технико-экономическое обоснование (окончательный отчет проекта) Исследовательским центром энергетических систем
- Руководство по системной шине Ge Multilin для жестких дисков GE Multilin