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. 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

nien uwzględniać odporność na ataki typu „jamming”, spoofing, i inne. 4. W celu podwyższenia bezpieczeństwa danych infrastruktury krytycznej powinny zostać zastosowane mechanizmy szyfrowania transmisji danych dla warstwy L2(MACSEC) z optymalizacją parametrów dla synchronizacji PTP. 5. Aplikacje typu Sampled Values i PMU generują znaczącą wielkość danych, które wymagają wysokowydajnych przełączników Ethernet. Dlatego rekomendowane są elementy sieciowe przełączające z szybkością 1Gbit/s oraz oferujące połączenia między obiektowe z szybkością 10Gbit/s. Przedstawione wymagania dla nowoczesnych elementów komunikacji i synchronizacji dedykowanych do budowy infrastruktury sieciowej na stacje elektroenergetyczne są zaimplementowane w rozwiązaniach Bitstream

Rozwiązania infrastruktury komunikacyjnej BITSTREAM dla sieci na podstacje elektroenergetyczne z precyzyjną synchronizacją Biorąc pod uwagę opisane wymagania firma Bitstream zaprojektowała szereg produktów w postaci przełączników Ethernetowych oraz zintegrowanych precyzyjnych serwerów czasu i technologii wymienionych powyżej dla celów ochrony i bezpieczeństwa. Rodzina produktów dedykowanych do rozwiązań z dziedziny energetyki nosi nazwę HYPERION, a jednym z jej najbardziej zaawansowanych przedstawicieli jest przełącznik HYPERION-500. Urządzenie może obsługiwać do 8 modułów, cztery na panelu tylnym i cztery na przednim. Na panelu tylnym znajdują się dwa redundantne moduły zasilaczy, które mogą pracować w trybie podziału mocy, tzn. każdy z zasilaczy jest obciążany w 50%. Jest to ważne w przypadku pasywnych konstrukcji chłodzących. Obok zasilaczy znajduje się moduł Central Ethernet switch unit (CU). Jest to w rzeczywistości moduł, na którym znajduje się cały 36-portowy przełącznik Ethernetowy. Taka konstrukcja umożliwia bardzo łatwą wymianę w przypadku zmiany typu przełącznika lub w przypadku awarii. Na tylnym panelu znajduje się jeszcze jeden slot, który bardzo często jest wypełniony modułem serwera czasu. Na panelu przednim znajdują się 4 sloty, do których możemy wstawić moduły pozwalające na stworzenie portów do 32x1 Gbit/s. Maksymalna ilość portów przełącznika to 36, w tym 32x1Gbit/s i cztery porty 10Gbit/s na module CU.

Rys 1. Zestaw protokołów i standardów wykorzystanych w rozwiązaniach cyfrowej infrastruktury stacyjnej

Urządzenie jest przełącznikiem Ethernetowym z obsługą sprzętową L3. Co najważniejsze, obsługuje on wszystkie możliwe protokoły synchronizacji obecne w aplikacjach cyfrowych podstacji. W kategorii synchronizacji widzimy tutaj IEEE1588v.2, Power Profile w dwóch wersjach z 2011 i 2017, Utlility Profile oraz konwersja PTP do NTP. Urządzenie może pracować we wszystkich konfiguracjach węzłów protokołu PTP tj. Master Clock, Boundry Clock, Transparent Clock oraz Slave. To co wyróżnia urządzenia Bitstream to fakt, że obsługują one Synchroniczny Ethernet. Synchroniczny Ethernet to technologia synchronizacji częstotliwości zaimplementowana na warstwie fizycznej. Technika ta jest znana w sieciach SDH i została przeniesiona w naszym rozwiązaniu dla aplikacji Ethernetowych. Połączenie technologii PTP i Synchronicznego Ethernet pozwala na budowę bardzo precyzyjnych sieci synchronizacyjnych. Jak już wspomniano, jest to bardzo ważne w aplikacjach PMU, szczególnie w sieciach dystrybucyjnych i aplikacjach w nich pracujących. Użytkownicy są przekonani do wspólnego korzystania z tych technik, rozumiejąc, że pozwoli im to na wsparcie dzisiejszych i przyszłych bardzo wymagających aplikacji. Serwer czasu, który został zaimplementowany w urządzeniu, pozwala osiągnąć precyzję czasu lepszą niż 40ns. Serwer czasu, poza zapewnieniem synchronizacji poprzez interfejsy i protokoły Ethernet, zapewnia synchronizację poprzez zewnętrzne interfejsy 1 PPS (Pulse per Second), IRIG- -B oraz E1 G.703. Co ważne w module serwera czasu umieszczony jest precyzyjny oscylator OCXO, który zapewnia podtrzymanie czasu i częstotliwości w zależności od typu oscylatora i jego stabilności. Istnieją trzy podstawowe typy oscylatorów o stabilności +/-20ppb, +/-2ppb i 0.2ppb. Dla najlepszego typu oscylatora uzyskujemy podtrzymanie czasu z precyzją +/-1,5us/24h. Urządzenie obsługuje szyfrowanie zgodnie z protokołem IEEE 802.1ae. Szyfrowanie realizuje moduł szyfrujący MACSEC, który może pracować w trybie podwójnego konwertera lub niezależnego przełącznika Ethernet. W trybie podwójnej konwertera dostępne są dwa niezależne konwertery, które konwertują port optyczny na port elektryczny z szyfrowaniem i pełną synchronizacją. Każdy z tych konwerterów posiada dodatkowo oddzielny port zarządzający. W tym trybie konwertery są odcięte od jednostki centralnej głównego przełącznika. W trybie niezależnego przełącznika Ethernet moduł jest połączony z jednostką centralną za pomocą dwóch portów 1Gbit/s dostępnych na wewnętrznym złączu. Moduł może być zarządzany przez system za

rządzania przełącznika głównego lub przez własny system zarządzania dostępny pod oddzielnym adresem IP. W przypadku protokołów redundancji, obsługiwane są wszystkie typowe protokoły, takie jak ERPS, Spanning Tree, Chains, ale także bezstratne protokoły bezstratne, takie jak PRP i HSR. W celu wsparcia bezpośredniej współpracy z SCADA zaimplementowane zostały protokoły DNP3.0, DLMS do odczytu bezpośredniego liczników energii na obiektach. W trakcie implementacji jest wsparcie dla protokołów GOOSE, MMS Server, Control i Logi. Urządzenie jest przeznaczone do pracy w trudnych warunkach, takich jak podstacje i jest zgodne ze standardami takimi jak IEC 61850-3 i IEEE1613. Urządzenie jest chłodzone pasywnie, co jest ważne dla trwałości i niezawodności rozwiązania. Rys.2 przedstawia widok urządzenia wraz modułami (od lewej) serwera czasu, RedBox, UTP i SFP. Gdy wymagane jest umieszczenie przełącznika poza standardowa szafą 19” pojawia się rozwiązanie HYPERION-200, które jest wersją przełącznika HYPERION-500 w konfiguracji do montażu na szynie DIN. Jest to rozwiązanie niemodułowe, ale zawiera wszystkie rozwiązania sprzętowe, które są dostępne w HYPERION 500. W zależności od potrzeb wymagane jest określenie opcji rozbudowy. Dostępne są wersje Serwera Czasu, szyfrowania MACSEC, redundancji PRP i HSR, jak również opcja przełącznika 10Gbit/s z maksymalnie 16 portami UTP lub SFP. W tej wersji urządzenia na portach UTP dostępnejest zasilanie PoE (Power Over Ethernet) o mocy do 500 W. -. Rys. 3 przedstawia wersje urządzenia (od lewej) serwer czasu, wersja x10Gbit/s oraz 8xUTP. oraz 16xUTP. Dla istniejącej już infrastruktury, gdy konieczne jest wyniesienie odbiornika GPS na dużą odległość np. ze względu na zakłócenia , należy skorzystać z urządzenia QUAZAR-100, które jest Grand Master Clockiem do zastosowań zewnętrznych synchronizowanym przez GPS oraz zasilanym poprzez PoE. Urządzenie oferuje jednoczesną funkcjonalność synchronizacji sieci protokołami IEEE 1588v2 Precision Time Protocol (PTP), Synchroniczny Ethernet (SyncE) i Network Time Protocol (NTP), który wykorzystuje precyzyjny odbiornik GNSS do synchronizacji. Zintegrowana konstrukcja serwera wraz z funkcją zasilania za pomocą skrętki w standardzie PoE (IEEE802.3af) eliminuje konieczność stosowania do

Rys 2. Rozwiązanie przełącznika Hyperion 500 dla aplikacji komunikacyjnej podstacji z precyzyjną synchronizacja czasu.

Rys 3. Rozwiązania przełącznika Hyperion 200 dla aplikacji komunikacyjnej podstacji z precyzyjną synchronizacja czasu.

Rys 3. Rozwiązania zegara Quazar-100 dla aplikacji komunikacyjnej podstacji z precyzyjną synchronizacja czasu.

datkowych zasilaczy i pozwala na wyniesienie i oddalenie do 100m anteny poza budynek o dużych zakłóceniach.

Protokół PTP w sieci równoległej redundancji W nowoczesnych podstacjach konieczna jest implementacja standardu komunikacji IEC 61850 z uwzględnieniem wysokiej dostępność i krótkiego czasu przełączania transmisji Ethernet. Dwie architektury redundancji zdefiniowane w normie IEC 62439-3 to Parallel Redundancy Protocol (PRP) i High-availability Seamless Redundancy (HSR). Konieczne jest również uwzględnienie w cyfrowej podstacji zgodniej z IEC 61850 wymagań odnośnie źródła czasu o wysokiej dokładności. Urządzenia podstacji, które synchronizują się z tym źródłem czasu oczekują, czasu o wysokiej dokładności i tego, że czas dostępny będzie Schemat aplikacji zaprezentowany na Rys - 4 prezentuje proktokół IEEE 1588 działający w sieci z równoległym protokołem redundancji (PRP) wraz z wieloma zegarami. Chcieliśmy również zilustrować wyzwanie, jakim jest zapewnienie zarówno źródła czasu o wysokiej dokładności, jak i redundancji sieciowej niezbędnej do stworzenia solidnej stacji cyfrowej. W aplikacji podłączone są inteligentne urządzenia elektroniczne (IED, IEC),

niezależnie od architektury sieci. dwa przełączniki Ethernet w trybie transparent clock, oraz dwa zegary systemu globalnego pozycjonowania (GPS) skonfigurowane jako zegary główne stanowiące źródło PTP 1588 dla całej architektury, zapewniając jednocześnie protekcję połączenia. Zazwyczaj PRP działa w ten sposób, że IED/IEC wysyła identyczne wiadomości ethernetowe z każdego ze swoich portów PRP. Zegary IED z obsługą PRP wykorzystują następnie metodę duplikatu ramki do określenia, która z otrzymanych wiadomości ma być użyta. Dzięki rozwiązaniom Bitstream, można zapewnić w pełną, bezproblemową redundancję sieci wraz z redundancją synchronizacji czasu w ramach tej samej architektury sieci.

Podsumowanie Cechy, które wyróżniają rozwiązania Bitstream to przede wszystkim zintegrowany z w przełącznikiem Ethernetowym, serwer czasu z bardzo precyzyjnym, stabilnym wewnętrznym generatorem OCXO zapewniającym podtrzymanie czasu po zaniku sygna

łu synchronizacji z precyzją nie gorszą niż +/-1,5 mikrosekundy przez 24 godziny dla najlepszej opcji oscylatora. Przełączniki Hyperion, zapewniają wysoką prędkość transmisji (10Gbit/s), co jest ważne ze względu na dużą ilość danych generowanych w magistrali procesowej, jak również poprzez aplikację PMU. Co ważne z punktu widzenia synchronizacji i jej interoperacyjności, wspierany jest każdy protokół synchronizacji z rozważanych standardów synchronizacji urządzeń inteligentnych. Dokładność synchronizacji PTP zwiększa zaimplementowany protokół Synchronicznego Ethernet. Pozwala on na osiągnięcie znacznie większej dokładności synchronizacji i elastyczne budowanie architektury sieciowej na podstacjach. Rozwinięte przez Bitstream algorytmy redundancji serwerów czasu zwiększają bezpieczeństwo synchronizacji i odporność na ataki typu „jamming”. Rozwiązania Bitstream wdrażają prawie wszystkie wymagane technologie komunikacyjne i synchronizacyjne zdefiniowane dla stacji elektroenergetycznych. Urządzenia zawierają algorytm bezpieczeństwa, który pozwala na wykrycie ataku Man In The Middle, co dodatkowo zwiększa niezawodność i bezpieczeństwo. Modułowa budowa pozwala na lepsze zarządzanie częściami zamiennymi i dopasowanie funkcjonalności do aktualnych wymagań, a tym samym rozłożenie inwestycji

na dłuższy okres czasu. Wbudowane szyfrowanie pozwala na zabezpieczenie interfejsów optycznych przed podsłuchem i atakami na krytyczną infrastrukturę energetyczną. BitStream n