TECHNOLOGIE, PRODUKTY – INFORMACJE FIRMOWE
Precyzyjna synchronizacja czasu dla systemów sterowania i zabezpieczeń w elektroenergetyce Wstęp
Wytwórcy i firmy energetyczne na całym świecie podejmują inicjatywy mające na celu wdrażanie rozwiązań z zakresu energetyki odnawialnej. Wdrożenia odbywają się zarówno w obszarze generacji energii poprzez dotychczas działających wytwórców jak również poprzez zamianę dotychczasowych konsumentów energii w prosumentów. Sytuacja ta powoduje znaczącą dynamizację procesów w sieci elektroenergetycznej zarówno w zakresie generacji jak i dystrybucji co stwarza trudność obserwowalności i stabilizacji systemu poprzez dotychczas stosowane narzędzia. Problemem narastającym będzie również jakość energii generowanej przez wiele niestabilnych źródeł. Dodatkowo, rozwój technologii cyfrowego społeczeństwa postawił wymagania na pewność dostawy energii elektrycznej dla odbiorców i tak już zależnych od cyfrowych usług bankowych, administracji jak również domowych technologii IoT (Internet of Things). Biorąc pod uwagę wymienione trendy nieodzowne staje się zmodernizowanie systemu elektroenergetycznego tak aby sprostać pojawiającym się wymogom w zakresie sterowania, zabezpieczenia oraz szybkiej detekcji i predykcji uszkodzeń. Ponadto kluczowe staje się stałe monitorowanie jakości energii, bieżące jej bilansowanie oraz monitorowanie stabilności systemu. Narzędzia do sprostania przedstawionym wymogom są opracowane i skierowane na wdrożenie rozwiązań cyfrowych technologii z precyzyjną synchronizacją czasu. Każde przedsiębiorstwo tworzy własną ścieżkę rozwoju dla inteligentnej sieci w oparciu powstałe wytyczne i normy oraz założenia biznesowe. Przedmiotem tego artykułu jest przybliżenie zastosowań technologii precyzyjnej synchronizacji czasu w nowoczesnych rozwiązaniach urządzeń inteligentnych dla systemów elektroenergetycznych. Zostały przedstawione przykłady rozwiązań w zakresie precyzyjnej synchronizacji i komunikacji systemów elektroenergetycznych na bazie oferty firmy Bitstream sp. z o.o.
36
Ewolucja technologii komunikacyjnych w systemach elektroenergetycznych
Zwiększone wymagania w aspekcie niezawodności dla systemów elektroenergetycznych w połączeniu z wymaganiami na jakość energii elektrycznej dostarczanej przez system elektroenergetyczny, wymógł wprowadzenie zaawansowanych technologii cyfrowych w zakresie przetwarzania danych, komunikacji na stacjach i synchronizacji czasu. Ponadto, w trakcie analiz i badań dostrzeżono potencjał wynikający z możliwości technologii opartych na korelacji danych pozyskanych sieci elektroenergetycznej z wykorzystaniem precyzyjnej synchronizacji czasu. W rezultacie został opracowany standard komunikacji dla systemów automatyki na stacjach elektroenergetycznych IEC61850 zbierający wymagania na wykorzystywane technologie. IEC 61850 jest zestawem norm i raportów technicznych dotyczących interoperacyjności pomiędzy urządzeniami i systemami w infrastrukturze stacyjnej. Zapewnia on, łatwość konfiguracji (przypisanie funkcji do urządzeń), długoterminową stabilność (konstrukcja warstwowa, oparta na modelu obiektowym) oraz mechanizmy niezawodność. W modelu komunikacyjnym występują protokoły oparte na sieci Ethernet takie jak m.in. Sampled Values (SV), Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) i Manufacturing Message Specification (MMS), które transportują dane i polecenia. Związana z tymi protokołami synchronizacja czasu oparta jest o precyzyjny protokół czasowy (PTP) i prosty sieciowy protokół czasowy (SNTP). Nie obejmuje on jednak szeregu kluczowych technologii rozwijanych przed opracowaniem standardu związanych z aplikacjami synchrofazorowymi PMU (Phasor Measurement Unit) jak również nowych mechanizmów protekcji połączeń. Bezstratne architektury protekcji jak Parallel Redundancy Protocol (PRP) i High-availability Seamless Redundancy (HSR), tworzą odporną na błędy sieć dla aplikacji wrażliwych takich jak np. Sampled Values czy PMU.
Na Rys. 1 przedstawiony został model komunikacyjny z zaznaczonymi technologiami powiązanymi z protokołami precyzyjnej synchronizacji czasu. Uwzględnione zostały również aplikacje oparte na technologii Phasor Measurement Unit (PMU), które nie są specyfikowane w normie IEEE/IEC 61850. Nie mniej jednak technologia synchrofazorowa jest kluczowa dla nowoczesnych rozwiązań w energetyce. Rozważając architekturę komunikacyjną dla zastosowań cyfrowych stacji elektroenergetycznych, uwzględniającą precyzyjną synchronizację, protekcję połączeń i bezpieczeństwo można sformułować następujące założenia: 1. W infrastrukturze komunikacyjnej niezbędny jest element precyzyjnej synchronizacji czasu dla podstacji elektroenergetycznych oparty na protokołach PTP Power Profile, względnie Utility Profile i związana z tym możliwość wykorzystania technik synchrofazorowych PMU (Phasor Measurement Unit), Sampled Values i zrealizowania nowoczesnego monitorowania i sterowania telemechaniką. 2. Z racji migracji technik synchrofazorowych do sieci dystrybucyjnej konieczne jest zwiększanie precyzji dostępnego czasu dla urządzeń PMU, w celu detekcji mniejszych różnic faz i częstotliwości charakterystycznych w ocenie tego rodzaju sieci. Dlatego też rekomendowane instalowanie precyzyjnych serwerów czasu oraz wsparcie dla synchronicznego Ethernetu pozwalające na znaczącą poprawę parametrów synchronizacji PTP. Dla aplikacji magistral procesowych jak i również innych (PMU i GOOSE) powinny znaleźć zastosowanie mechanizmy redundancji PRP oraz w celu zapewnienia bezstratnej protekcji połączeń przy jednoczesnej transparentności dla protokołów synchronizacji. 3. Powinny zostać zaimplementowane mechanizmy zabezpieczenia zapasowych źródeł synchronizacji dla urządzeń pozwalające na przełączanie w wyniku utraty źródła synchronizacji (sygnału GPS). Projekt i algorytmy przełączania źródeł synchronizacji powi-
URZĄDZENIA DLA ENERGETYKI 4/2020
