Funkce pro automatizaci energetické společnosti

Jelikož jsou jak čidla, tak akční členy těchto úkolů realizovány v elektrárnách jako výrobní uzly nebo ve stanicích jako připojovací uzly v napájecí síti, lze na systém pro automatizaci nahlížet jako na front-end všech těchto funkcí a tedy velmi důležitý systém. V následujícím textu je SAS použito jako příklad pro definici komunikačních požadavků pro funkce a modely zařízení.

Přiklad systému pro automatizaci rozvodny

Funkce systému pro automatizaci v rozvodně (SAS) odkazují na úkoly, které musí být provedeny v rozvodně. Jedná se o funkce řízení, sledování a ochrany zařízení rozvodny a jejích napáječů. Kromě toho existují funkce potřebné pro údržbu SAS, tj. pro konfiguraci systému, správu komunikace nebo správu softwaru a velice důležité funkce pro synchronizaci času.

Logické rozložení funkcí a rozhraní

Funkce systému pro automatizaci rozvoden lze logicky rozdělit do třech odlišných úrovní (stanice, pole/jednotka, proces). Tyto úrovně jsou společné s logickými rozhraními 1 až 11 zobrazeny podle logického výkladu na obr. 2.
Funkce na úrovni procesu jsou všechny funkce, které mají rozhraní s procesem. Tyto funkce komunikují s úrovní pole pomocí logických rozhraní 4 a 5.
Funkce na úrovni pole (viz definice pole výše) jsou funkce využívající především data jednoho pole a pracující s primárním zařízením jednoho pole. V rámci úrovně pole tyto funkce komunikují pomocí logického rozhraní 3 a s úrovní procesu pomocí logického rozhraní 4 a 5, tj. s jakýmkoli druhem vzdálených l/O nebo inteligentními čidly a akčními členy. Rozhraní 4 a 5 mohou být pevně propojena, ale tento druh spojení není předmětem souboru IEC 61850.
Existuji dvě třídy funkcí na úrovni stanice:

• Funkce na úrovni stanice vztahující se k procesu jsou funkce, které využívají data z více než jednoho pole nebo celé rozvodny a pracují s primárním zařízením více než jednoho pole nebo celé rozvodny. Tyto funkce komunikují především pomocí logického rozhraní 8.
• Funkce na úrovni stanice vztahující se k rozhraní jsou funkce, které představují rozhraní mezi SAS a místním operátorem stanice (rozhraní člověk stroj - HMI), vzdálenému řídicímu centru (rozhraní vzdáleného řízení - TCI) nebo vzdáleným místem technického sledování a údržby (rozhraní vzdáleného sledování - TMI). Tyto funkce komunikují s polem pomocí logických rozhraní 1 a 6 a s okolím pomocí logických rozhraní 7 a 10.

Význam rozhraní:

• IF1 datová výměna ochran mezi úrovní pole a stanice
• IF2 datová výměna ochran mezi úrovní pole a vzdálenou ochranou (například ochranou vedení)
• IF3 datová výměna v rámci úrovně pole
• IF4 analogová datová výměna mezi úrovní procesu a pole (vzorky z CT a VT) IF5 datová výměna řízení mezi úrovní procesu a pole
• IF6 datová výměna řízení mezi úrovní pole a stanice
• IF7 datová výměna mezi rozvodnou (úrovní) a vzdáleným technickým pracovištěm
• IF8 přímá datová výměna mezi poli týkající se zejména rychlých funkcí jako jsou blokovací podmínky
• IF9 datová výměna v rámci úrovně stanice
• IF10 datová výměna řízení mezi rozvodnou a vzdáleným řídicím centrem (nebo centry)
• IF11 datová výměna řízení mezi rozvodnami. Toto rozhraní odkazuje především na binární data například pro funkce blokovacích podmínek nebo jinou automatiku v rámci rozvodny

Bublina okolo IF2 a IF11 označuje, že zde může být využit také externí komunikační systém, který neodpovídá datovému modelu a službám definovaným v souboru norem IEC 61850.
Zařízeni systému pro automatizaci rozvodny mohou být fyzicky umístěna na různých funkčních úrovních (stanice, pole a proces). Toto odkazuje na fyzickou interpretaci obr. 2:

• a) zařízení na úrovni procesu jsou obvykle rozhraní vzdáleného procesu, jako jsou l/O, inteligentní čidla a akční členy napojené procesní sběrnicí, viz obr. 2;
• b) zařízení na úrovni pole sestávající z řídicích, ochranných nebo sledovacích jednotek pro každé pole;
• c) zařízení na úrovni stanice sestávající ze staničního počítače s databází, pracovištěm operátora, rozhraním pro vzdálenou komunikaci atd.

Fyzické rozložení funkcí a rozhraní

Přes podobnost logických a fyzických úrovní neexistuje jediný způsob mapování struktury logické funkce na strukturu fyzického zařízení. Mapování závisí na dostupnosti a požadavcích na výkon, cenových omezeních, aktuální technologii atd. Zároveň je ovlivňováno provozní filozofií a souhlasem uživatelů tj. energetických společností.
Staniční počítač se může chovat jako klient pouze se základními funkcemi HMI, TCI a TMI. Všechny ostatní funkce na úrovni stanice mohou být distribuovány na zařízení na úrovni pole. V takovém případě je páteří systému rozhraní 8. Na druhou stranu všechny staniční funkce například blokovací podmínky atd. mohou sídlit na staničním počítači chovajícím se tentokrát jako klient nebo server. V tomto případě přebírají kompletní funkce rozhraní 8 rozhraní 1 a 6. Možná jsou mnohá další řešeni.
Funkce na úrovni pole mohou být realizovány ve vyhrazených zařízeních na úrovni pole (ochranné jednotky, řídicí jednotky, s nebo bez zálohy) nebo v kombinovaných ochranných a řídicích jednotkách. Některé lze fyzicky přesunout níž na úroveň procesu podporované volným rozmístěním funkcí.
Pokud neexistují sériová rozhraní 4 a 5 jsou funkce procesní úrovně realizovány v zařízeních na úrovni pole. Realizace sériových rozhraní 4 a 5 může zahrnovat pouze vzdálená l/O zařízení nebo inteligentní čidla a akční členy, které již poskytují některé funkce úrovně pole na procesní úrovni.
Logická rozhraní mohou být realizována jako vyhrazená fyzická rozhraní (plugy). Rovněž lze kombinovat dvě nebo více do jednoho společného fyzického rozhraní. Navíc lze tato rozhraní kombinovat a realizovat do jedné nebo více fyzických LAN. Požadavky na tato fyzická rozhraní záleží na rozložení funkcí na úrovně a zařízení.
Rozhraní ochrany s vazbou 2 může být realizováno jako vyhrazený spoj (přenos po elektrickém vedení, atd.) nebo jako kombinované s ostatními hraničními rozhraními například 7, 10 a 11, fyzicky připojenými do WAN.

Role rozhraní

Ne všechna rozhraní musí být v rozvodně přítomna. Tento flexibilní přístup pokrývá jak dodatečné vybavení existujících rozvoden, tak instalaci v nových rozvodnách v současnosti i budoucnosti.
Číslování rozhraní podle obr. 2 napomáhá určení druhů rozhraní nezbytných v rozvodnách a pro výpočty datového toku.
Čísla rozhraní umožňují snadné definováni dvou důležitých LAN nebo sběrnicových systémů: velmi obecně rozhraní 1, 6, 3, 9, 8 jsou kombinována na informační sběrnici stanice/mezi poli, která spojuje jak úroveň stanice s úrovní pole, tak různá pole navzájem. Rozhraní 4 a 5 jsou kombinována s procesní sběrnicí, která spojuje úroveň pole s procesní úrovní a vzájemně spojuje různá IED procesní úrovně. Velmi často je procesní sběrnice omezena pouze pro jedno pole. Pokud je procesní sběrnice rozšířena pro ostatní pote, může převzít úlohu rozhraní 8, minimálně pro surová data.
Rozhraní 7 je vyhrazeno pro vnější komunikaci se vzdáleným sledovacím centrem. Může být také realizováno pomocí přímého rozhraní na informační sběrnici stanice/mezi poli.
Podle rozložení funkcí mohou být typy zpráv kapitoly 10 založené na požadavcích na výkon komunikace přiřazeny různým rozhraním. Volné rozložení funkcí znamená, že takové uspořádáni nemusí být stejné pro všechny systémy pro automatizaci stanice.

Ostatní příklady aplikací

Rozvodna - rozvodna
Komunikace mezi rozvodnami odkazující na rozhraní 2 a 11 je také uvedena na obr. 2. Požadavky jsou stejné jako v rámci rozvodny. Binární hodnoty (blokování, uvolňování atd. pro distanční ochranu a automatiku) a analogové hodnoty (vzorky proudu pro proudovou rozdílovou ochranu) musí být vyměňovány v závislosti na použitých funkcích. Rozdíly jsou delší komunikační vzdálenost a transparentní využití externího komunikačního systému s vyšší nebo nižší šířkou pásma, což může způsobovat nárůst přenosového zpoždění.

Rozvodna - Řízení sítě
Komunikace mezi rozvodnou a řídicím centrem sítě odkazující na rozhraní 10 je taktéž uvedena na obr. 2. Požadavky platí stejné jako uvnitř rozvodny pro spojení mezi úrovní pole a stanice. Binární hodnoty (stavové informace, události, alarmy, povely atd. pro dálkové řízení) a analogové hodnoty (vypočtené hodnoty například pro tok energie) musí být vyměňovány v závislosti na použitých funkcích. Rozdíly jsou delší komunikační vzdálenost a transparentní využití externího komunikačního systému s vyšší nebo nižší šířkou pásma, což může způsobovat nárůst přenosového zpoždění.

Větrné zdroje
Základní aplikace jako sběr binárních a analogových dat a vydávání povelů jsou stejné jako u rozvoden. Specifické požadavky se týkají modelování části výroby elektrické energie z větrné energie (větrná turbína jako primární pohon a připojený generátor) a podmínek okolního prostředí například síly a směru větru. Automatizační systém větrné elektrárny má také rozhraní na řízení síťového systému podobný rozhraní 10 v rozvodnách.

Vodní zdroje
Základní aplikace jako sběr binárních a analogových dat a vydávání povelů jsou stejné jako u rozvoden. Specifické požadavky se týkají modelování části výroby elektrické energie z vodní energie (vodní turbína jako primární pohon a připojený generátor) a podmínek okolního prostředí například úrovně hladiny a průtoku. Automatizační systém vodní elektrárny má také rozhraní na správu síťového systému podobný rozhraní 10 v rozvodnách.

Rozptýlené zdroje
Rozptýlené zdroje (DER) odkazují na jakýkoli druh výroby elektrické energie s výjimkou elektrické energie pocházející z tepelných, nukleárních, větrných a vodních zdrojů. Typickými představiteli jsou dieselgenerátory a solární systémy. To znamená buď rotující výrobní část (například dieselový motor jako primární část a připojený generátor) nebo solární kolektory. Systém pro automatizaci rozptýlených zdrojů může mít rozhraní na nějakou vyšší úroveň řídicího systému výkonu podobné jako je rozhraní 10 v rozvodnách.

Použité zkratky

• HMI    Rozhraní člověk stroj (Human Machine Interface)
• I/O     Vstupní a výstupní kontakty nebo kanály (podle souvislosti) (Input and Output contacts or channels)
• IED    Inteligentní elektronické zařízení (Inteligent Electronic Device)
• IF    Rozhraní (sériové) ((Serial) Interface)
• LAN    Místní síť (Local Area Network)
• SAS    Automatizační systém stanice (Substation Automation System)
• TCI    Rozhraní dálkového řízení (například na NCC) (Telecontrol Interface (for exam ple, to NCC))
• TMI    Rozhraní vzdáleného sledování (například na pracovišti techniků) (Telemonitoríng Interface (for example engineers workplace))
• WAN    Oblastní síť (Wide Area Network)