Standard IEC 61850 a transmisja danych – część 1

Celem poniższego wpisu jest wyjaśnienie idei powstania oraz funkcjonowania standardu IEC 61850 oraz wyzwań jakie niesie on w obszarze transmisji danych.

Jednym z pojęć które coraz częściej pojawia się w dyskusjach na temat nowoczesnych systemów energetycznych jest standard IEC 61850. Aby dobrze zrozumieć czym tak naprawdę jest ten standard, w pierwszej kolejności trzeba sobie uświadomić cel w jakim norma została i jest wciąż opracowywana. Założeniem przyświecającym projektowaniu IEC 61850 było stworzenie nie tylko kolejnego protokołu komunikacyjnego ale dążenie do standaryzacji całej telemechaniki stacji, począwszy od dokumentacji a na wizualizacji kończąc. Na obiektach typu stacje energetyczne zachodzi konieczność wzajemnej współpracy urządzeń pochodzących od przeróżnych producentów, wykorzystujących wiele różnych modeli komunikacji jak i protokołów. Z punktu widzenia obsługi i utrzymania takich systemów jest to zjawisko zdecydowanie nie korzystne.

Odpowiedzią na tego typu problemy jest właśnie powstanie oraz ciągły rozwój standardu określanego jako IEC 61850. Norma ta wskazuje wymagania dotyczące projektowania całych systemów automatyki na stacjach energetycznych celem standaryzacji całego systemu telemechanik. Jednym z kluczowych elementów jest tu przyjęcie modelu komunikacji zorientowanej obiektowej, gdzie każdy obiekt jest funkcją lub stanowi część większej funkcji, a relacje między nimi są bliskie architekturze klient-serwer. Wprowadzone zostało również pojęcie tzw. IED (Intelligent Electronic Device) odnoszące się urządzeń mikroprocesorowych posiadających zdolność komunikacji oraz odbioru i rozsyłania poleceń. Standard wprowadza również nowe typy danych i modele komunikacji jak np. GOOSE czy SMV, o których zostanie szerzej wspomniane w dalszej części. Pomimo że norma nie precyzuje dokładnie sposobu transmisji danych, nakłada jednak wymagania na sieć informatyczną. Wymiana informacji pomiędzy urządzeniami stacji powinna odbywać się z wykorzystaniem sieć LAN, a więc naturalnym wyborem medium komunikacji jest tu zdobywający coraz większą popularność w przemyśle standard Ethernet oraz przełączniki sieciowe realizuje proces wymiany danych oparty o Ethernet. Sam standard składa się z wielu części, z których każda odnosi się do konkretnego zakresu. Zostały one wymienione poniżej, natomiast w dalszej części zostaną omówione głównie aspekty standardu blisko związane z zagadnieniami transmisji danych, która jest kluczowa dla funkcjonowania całego obiektu z racji na przyjęty model wymiany danych.

Patrząc na zbiór wszystkich części normy pierwszym punktem na który należy zwrócić uwagę jest część trzecia, IEC 61850-3, która precyzyjnie określa wymagania środowiskowe jakie powinny spełniać urządzenia pracujące na obiektach energetycznych. Mowa tu o takich parametrach jak:

• odporność EMC
• temperatura pracy w zakresie od -40 do 85^oC
• wykonanie bezwentylatorowe
• wymagania anty-wibracyjne (50g) i anty-wstrząsowe (5-500 MHz)

Kolejnym standardem na który również warto zwrócić uwagę jest IEEE 1613. Norma ta bardzo dokładnie precyzuje wymagania środowiskowe dla EMC oraz procedury testowania dla urządzeń komunikacyjnych użytkowanych na podstacjach energetycznych. W ramach standardu zdefiniowano dwie klasy urządzeń:

• Klasa 1 – Urządzenia te pozwalają doświadczyć błędy, straty i opóźnienia danych gdy wystawione są na zakłócenia elektromagnetyczne.
• Klasa 2 – Urządzenia te muszą dostarczyć bezbłędne operacje (bez strat, opóźnień lub utraty danych) gdy wystawione są na zakłócenia elektromagnetyczne

Obie klasy urządzeń zapewniają brak trwałych uszkodzeń podczas wystawienia na zakłócenia elektromagnetyczne, a w prostych słowach dają gwarancję że w podczas pracy w takich warunkach przełączniki sieciowy zapewni wymaganą jakość transmisji nie tylko poprzez swoją bezawaryjną pracę, ale również poprzez poprawną transmisją i brak utraty ramek danych.

Jasnym jest że z uwagi na swoją specyfikę, urządzenia pracujące na stacjach narażone są na działanie silnych impulsów elektromagnetycznych. Konieczne jest więc aby urządzenia te posiadały wysoki stopień odporności na te czynniki zgodny z powyższymi wymaganiami oraz odporność ta powinna być potwierdzona niezależnymi badaniami przeprowadzanymi przez certyfikowane laboratoria. Uznaje się powszechnie iż sama deklaracja producenta w zakresie spełnienia tych wymagań jest nie wystarczająca i koniecznym jest przedstawienie badań oraz przedstawienie raportów pochodzących z niezależnych jednostek. Gwarancją jakości i spełnienia wszystkich restrykcyjnych wymagań dla użytkownika jest tu posiadanie badań w wyżej wymienionych obszarach przeprowadzonych przez holenderskie laboratorium KEMA, specjalizujące się w kompleksowym testowaniu i certyfikacją wyrobów na rynek energetyki. Poza testami pod kątem odporności na wpływ czynników środowiskowych laboratorium przeprowadza również testy funkcjonalne dla urządzeń transmisji danych.

Biorąc pod uwagę przytoczone normy oraz opisane czynniki mające wpływ na jakość i możliwość realizacji procesu transmisji danych na takim obiekcie jak stacja energetyczna, jasnym jest iż w obszarze realizacji automatyki stacyjnej, gdzie oczekuje się najwyższej niezawodności, maksymalnie niskich opóźnień transmisji zastosowanie standardowych rozwiązań sieciowych, nawet klasy przemysłowej będzie nierozsądne. Sieć Ethernet poprzez swoją niestabilną pracę może zaburzyć prace całego układu automatyki stacyjnej. Aby maksymalnie minimalizować ryzyko z tym związane uzasadnionym jest stosowanie przełączników dostosowanych do pracy w takich warunkach, spełniających wszystkie przedstawione normy i posiadających potwierdzenie tego niezależnymi badanami. Jednym słowem mowa tu o stosowaniu rozwiązań dedykowanych. Przykładem takiego rozwiązania są przełączniki firmy Moxa z serii PT  – Power Trans. Spełniają one wszystkie przytoczone przez normy parametry, czyli m.in. odporność EMC, temperatura pracy -40 do 85^oC,  czy też  konstrukcja w pełni bezwentylatorowa.

Ponadto zostały również przebadane pod kątem poprawności transmisji specyficznych typów danych jakie spotykamy w automatykach IEC 61850. Poza obligatoryjnymi parametrami Moxa zapewnia również szereg funkcjonalności dodatkowych, których zadaniem jest usprawnienie całego procesu transmisji danych oraz uczynienie go jeszcze bardziej niezawodnym. Jednocześnie szeroki wachlarz modeli pozwala na łatwy wybór konkretnego przełącznika dostosowanego do potrzeb danej instalacji.

Więcej informacji na temat modelu samej komunikacji, możliwości optymalizacji procesu transmisji czy też mechanizmów redundancji funkcjonujących w ramach standardu IEC 61850 już wkrótce w kolejnych wpisach na blogu.