Tehničko rješenje primjene GPRS komunikacije za prihvat ...

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNE
ELEKTRODISTRIBUCIJSKE KONFERENCIJE
3. (9.) savjetovanje
Sveti Martin na Muri, 13. – 16. svibnja 2012.
SO3 – 20
Krunoslav Slivarić
HEP – ODS d.o.o., Elektra Zagreb
krunoslav.slivaric@hep.hr
Marko Šporec
HEP – ODS d.o.o., Elektra Zagreb
marko.sporec@hep.hr
Alen Varţić
KONĈAR – Inţenjering za energetiku i transport d.d., Zagreb
alen.varzic@koncar-ket.hr
TEHNIČKO RJEŠENJE PRIMJENE GPRS KOMUNIKACIJE ZA PRIHVAT
INFORMACIJA U SUSTAV DALJINSKOG VOĐENJA (SDV)
SAŽETAK
Sve je veća potreba za ugradnjom opreme u elektroenergetske objekte po dubini mreţe u cilju
brţeg otkrivanja kvara i dobivanja informacija o stanju mreţe, uz koju se nuţno pojavljuje i zahtjev za
prihvat svih informacija s ugraĊene opreme u Sustav daljinskog voĊenja (SDV).
U radu je opisano tehniĉko rješenje primjene GPRS komunikacije za povezivanje u SDV
indikatora kvara, koji se ugraĊuju širom SN mreţe na podruĉju Elektre Zagreb. Definirani su tehniĉki
zahtjevi i potrebna oprema te je uspostavljen pilot projekt tehniĉkog rješenja na postojećem SDV-u
Elektre Zagreb.
U prvoj etapi projekta predviĊeno je povezivanje u SDV oko 100 indikatora kvara ugraĊenih u
kabelskoj i nadzemnoj SN mreţi.
Ključne riječi:
SDV, Indikatori kvara, GPRS komunikacija
TECHNICAL SOLUTION FOR THE IMPLEMENTATION OF GPRS COMMUNICATION
FOR INFORMATION ACQUISITION IN REMOTE CONTROL SYSTEMS (RCS)
SUMMARY
There is a growing need for installation of equipment in the power structures along the power
network depth in order to quickly detect failure and to obtain information about the state of the network.
With that comes also the necessity to accommodate all requested information from the installed
equipment to be available in Remote Control System (RCS).
The paper describes the technical implementation of the GPRS communication solution for
connecting fault indicators, which are installed around the MV network, to the Remote Control System
(RCS) at Elektra Zagreb. As a preamble to the project, technical requirements and the necessary
equipment were defined and a pilot project to existing RCS at Elektra Zagreb was successfully
implemented and tested.
At the first stage of the project it is planned to connect about 100 fault indicators for both cable
and overhead MV network.
Key words:
RCS, Fault indicators, GPRS communication
1

1. UVOD
Obzirom na rastuće zahtjeve korisnika mreţe na kvalitetu isporuĉene elektriĉne energije, izmeĊu
ostalih da trajanja prekida u isporuci elektriĉne energije budu što kraća, nametnula se potreba za
ugradnjom opreme u elektroenergetske objekte po dubini SN mreţe kako bi se udovoljilo traţenom
zahtjevu. Na taj naĉin, kroz skraćivanje vremena odreĊivanja mjesta kvara, u velikoj mjeri se povećava
raspoloţivost SN mreţe, te se postiţe znaĉajno smanjenje trajanja prekida u isporuci elektriĉne energije
radi kvara. Prekidi u snabdijevanju korisnika elektriĉnom energijom u tim uvjetima su višestruko kraći, što
je vrlo bitno u gradskim mreţama iz kojih se napaja veliki broj povlaštenih kupaca, a s druge strane
takoĊer je višestruko povećana sigurnost djelatnika HEP-a.
Kao jedno od rješenja koje se u posljednje vrijeme koristi je ugradnja opreme za indikaciju kvara
u kabelskoj i nadzemnoj srednjenaponskoj mreţi. U kabelskoj mreţi oprema za indikaciju kvara ugraĊuje
se u transformatorske stanice 10(20)/0.4 kV, a u nadzemnoj mreţi na stupove 10(20) kV nadzemnih
vodova. Kako bi se u potpunosti iskoristile funkcije ugraĊene opreme i ostvarili postavljeni zahtjevi, nuţno
je u što većoj mjeri izvesti povezivanje opreme i prihvat informacija u SDV.
2. SUSTAV ZA INDIKACIJU KVARA
Oprema za indikaciju kvara koristi se za detekciju i signalizaciju dozemnog i kratkog spoja u
srednjenaponskoj kabelskoj i nadzemnoj mreţi.
Da bi se prilikom pojave kvara osigurala odgovarajuća i pravodobna prorada indikatora kvara
(indikator mora detektirati kvar prije nego što zaštita voda u pojnoj toĉki srednjenaponske mreţe iskljuĉi
vod u kvaru), indikator kvara ima mogućnost podešenja proradnih vrijednosti za struje dozemnog i
kratkog spoja, te podešavanje zatezanja vremena prorade.
Signalizacija prorade indikatora (posebno za kratki spoj, posebno za zemljospoj) je lokalna,
ostvarena LED elementima na indikatoru i daljinska, ostvarena pomoću relejnih izlaza, i trajno je prisutna
dok se ne resetira (postoji mogućnost izbora vremenskog resetiranja ili resetiranja povratom napona, te
ruĉnog resetiranja tipkalom). Prijenos procesnih informacija s indikatora kvara u SDV ostvaruje se preko
GPRS preklopnika. Kriteriji za prijenos procesnih informacija prikazani su u tablici I za indikatore u
kabelskoj mreţi i tablici II za indikatore u nadzemnoj mreţi.
Tablica I. Procesne informacije sustava za indikaciju kvara u kabelskoj mreţi
Vrsta informacije
Signalizacija kvara u srednjenaponskom vodnom
polju u TS (do 4 polja po indikatoru kvara)
Opće signalizacije
Opis signalizacije
Jednostruke signalizacije (2 kom): I>>, Io
Jednostruka signalizacija: Ispravnost indikatora
Jednostruka signalizacija: Stanje napajanja
indikatora
Jednostruka signalizacija: Stanje komunikacije
izmeĊu indikatora i GPRS preklopnika
Jednostruka signalizacija: Stanje komunikacije
izmeĊu Centra voĊenja i GPRS preklopnika
U kabelskoj mreţi, u transformatorskim stanicama 10(20)/0.4 kV, oprema za indikaciju kvara sastoji se
od indikatora kvara, smještenih u posebnom ormaru, povezanih kabelima sa strujnim senzorima koji su
rastavljivi i ugraĊuju se na završecima srednjenaponskih kabela na mjestu gdje kabeli ulaze u
srednjenaponsko postrojenje. Na jedan indikator kvara mogu se povezati strujni senzori za maksimalno 4
srednjenaponska vodna polja. Napajanje indikatora je besprekidno (punjaĉ/ispravljaĉ 230 V AC / 12 V DC).
Tablica II. Procesne informacije sustava za indikaciju kvara u nadzemnoj mreţi
Vrsta informacije
Signalizacija kvara na srednjenaponskom vodu
Opće signalizacije
Opis signalizacije
Jednostruke signalizacije (3 kom): I>>, Io, smjer Io
Jednostruka signalizacija: Ispravnost indikatora
Jednostruka signalizacija: Stanje napajanja indikatora
Jednostruka signalizacija: Stanje komunikacije
izmeĊu Centra voĊenja i GPRS preklopnika
2

HEWLET PACKARD
U nadzemnoj mreţi indikator kvara ugraĊuje se na stupu, oko 4m ispod 10(20) kV nadzemnog
voda. Za detekciju kvara koriste se bezkontaktni senzori magnetskog i elektriĉnog polja i oni su sastavni
dio indikatora. Za besprekidno napajanje indikatora koristi se modul solarnog napajanja koji se sastoji od
solarnog panela, ugraĊenog na stup iznad indikatora, te modula napajanja i akumulatorske baterije koji
su integrirani unutar indikatora. Indikator kvara u nadzemnoj mreţi, osim detekcije dozemnog i kratkog
spoja, ima i mogućnost detekcije smjera kvara u sluĉaju dozemnog spoja.
3. SUSTAV SCADA/DMS
Za potrebe sustava daljinskog voĊenja (SDV) na razini centra upravljanja, u DC DP Elektra Zagreb
implementiran je programski sustav SCADA/DMS „Network Manager“. Osnovne komponente sustava su
SCADA posluţitelji i posluţitelji povijesne baze podataka u dualnoj konfiguraciji. Uz njih se nalazi i posluţitelj
za „offline“ unos podataka i modeliranje mreţe (Data Engineering posluţitelj s Oracle bazom podataka), radne
stanice dispeĉera s WS500 aplikacijom, koja omogućava operaterima na sustavu korištenje osnovnih i
naprednih funkcija u svakodnevnom voĊenju elektrodistribucijske mreţe, te WEB posluţitelj (IS500) koji se
koristi za pregled sadrţaja real-time sustava na Intranetu/Internetu. Prikaz slika na web posluţitelju ne
omogućava upravljanje i prvenstveno je namijenjen korisnicima izvan domene dispeĉerskog centra.
Komunikacija s ureĊajima i sustavima daljinskog upravljanja u nadziranim objektima, odvija se
ovisno o generaciji ureĊaja po ADLP 80 protokolu, IEC 60870-5-101 te u posljednje vrijeme prioritetno po
IEC 60870-5-104 protokolu.
Za svaki ureĊaj koji sa SCADA sustavom komunicira po IEC 60870-5-104 protokolu potrebno je
kreirati posebnu komunikacijsku liniju koja sadrţi jednu linijsku jedinicu. Linijska jedinica sastoji se od
dvije linije (A i B), od kojih svaka pripada jednom SCADA posluţitelju. U bilo kojem trenutku jedna linija (A
ili B) je vodeća, dok je druga prateća.
Radne stanice dispeĉera u DC Elektre Zagreb ukljuĉene su u sustav direktno preko procesnog
LAN-a, a u udaljenim Centrima upravljanja Pogona (CUP) povezane su u SDV putem HEP IP mreţe uz
korištenje standardnog IEC 60870-5-104 komunikacijskog protokola.
Unutar zajedniĉke komunikacijske IP mreţne infrastrukture HEP-a d.d. pristupilo se logiĉkom
izdvajanju prometa procesne informatike i jedini kontakt s poslovnom mreţom je preko vatrozida gdje se
na jednom mjestu implementira sigurnosna politika procesnog sustava.
Blok shema sustava prikazana je na slici 1.
GPS
antena
SCADA 1 UDW 1 DE server
SCADA 2 UDW 2 WEB server
MATRIX C/B
RF
Serial 232
GPS
prijemnik
RS 232
ETHERNET
adapter
RS 422
Time server
DCF
RS 232
LASER JET C/B
LASER (BOJA)
Digitalni
zaslon
STALL A
ETHERNET
adapter
Switch 1
LAN 1
LAN 2
Switch 2
ETHERNET
adapter
ICCP
Firewall
Ruter 1
Ruter 2
STALL B
Poslovna mreţa HEP-a
Operator A Operator B Operator C
Operator D
Operator E
Operator F
S/COM 1 S/COM 2
PLOTER A0
TS Podsused TS Vrbovec CUP Zaprešić CUP Dugo Selo CUP Velika Gorica
Slika 1. Blok shema SCADA/DMS sustava u Elektri Zagreb
3

Za komunikaciju SCADA/DMS sustava prema udaljenim lokacijama koristi se programski modul
Remote Communication Posluţitelj (RCS) koji je distribuiran na SCADA posluţiteljima. RCS je rezidentna
aplikacija na SCADA posluţiteljima. Nastavno na RCS modul nalazi se programski modul Proces
Communication Unit (PCU) koji u stvari predstavlja proces koji je zaduţen za komunikaciju s ureĊajima
po komunikacijskom protokolu IEC 60870-5-104.
4. OPIS TEHNIČKOG RJEŠENJA
Lokacije na kojima se vrši ugradnja opreme po dubini mreţe što vrijedi i za indikatore kvara, u
pravilu nisu ukljuĉene u telekomunikacijsku mreţu, pa je kao jedno od mogućih rješenja za povezivanje u
SDV korištenje usluge mobilnih operatera - GPRS komunikacije.
GPRS usluga mobilnog operatera omogućava prijenos podataka komutacijom paketa kroz GSM
mreţu i omogućava virtualno dvosmjerno povezivanje raĉunala u intranet mreţi HEP-ODS-a ili internet
mreţi sa svakim udaljenim indikatorom kvara u sustavu. GPRS distribuira pakete podataka od nekoliko
razliĉitih terminala u sustavu preko više kanala, što omogućava efikasniju upotrebu propusnog opsega. U
teoriji, istovremenom upotrebom svih osam GSM kanala GPRS veza moţe postići brzinu prijenosa
podataka od 56 do114 Kbps.
Obzirom da se radi o prvom projektu u kojem bi se povezivanje opreme u sustav daljinskog voĊenja
vršilo putem javne mobilne mreţe provedena je pilot instalacija koja je puštena u probni rad i temeljem koje je
razmotreno i definirano tehniĉko rješenje za prihvat informacija sa sustava indikatora kvara.
Povezivanje sustava SCADA/DMS u centru voĊenja s udaljenim lokacijama indikatora kvara, odnosno
GPRS preklopnicima, ostvaruje se preko Lokalnog koncetratora podataka (LKP), koji preko zaštićenog
komunikacijskog puta povezuje lokalnu mreţu HEP ODS-a s internetom i GPRS mreţom. U sustavu prijenosa
podataka primijenjeno je odgovarajuće kriptiranje pomoću VPN tehnologije i vatrozida, radi osiguravanja
visokog stupnja zaštite podataka. Tehniĉko rješenje sustava prikazano je blok shemom na slici 2.
GPRS modem
HW za projekt uvoĎenja IK u
SCADA sustav
GPRS
PRIVATNI
APN
PRIVATNI
APN
Centralni računalni sustav
(koncentrator u dualnoj
konfiguraciji)
IK-10 (1)
IK-10 Indikator kvara
- lokalno prikupljanje informacija
o kvarovima
- GPRS komunikacija s
koncetratorom u centru
PROCESNI LAN
LAN Prospojnici
IEC104
Network Manager
WS 500
DE server
DE posluţitelj za
administracija SCADA podataka
SCADA server 1 SCADA server 2
SCADA, Aplikacijski posluţitelji u
Redundantnoj konfiguraciji
Operatersko radno mjesto
Slika 2. Blok shema izvedenog stanja sustava
4

5. KOMUNIKACIJA
Komunikacija se inicira na dva naĉina: LKP na zahtjev iz DC-a ili GPRS preklopnik (u sluĉaju da
postoji promjena stanja). Kako bi se osigurala dvosmjerna komunikacija koja je pogodna za GPRS naĉin
prijenosa podataka i smanjenje troškova razmjene podataka putem mobilne mreţe, komunikacija se
odvija prema standardu IEC 60870-5-104.
Konverzija MODBUS protokola koji koriste indikatori kvara za potrebe komunikacije na IEC
60870-5-104 odvija se na lokaciji indikatora kvara, tj. funkcija je GPRS preklopnika.
GPRS preklopnik vrši vremensku sinkronizaciju i dodavanje oznaka toĉnog vremena uz poruke
prema SCADA sustavu, radi korištenja standardne kronološke obrade dogaĊaja u DC-u.
Parametriranje komunikacije odvija se na LKP-u, a moguće je i putem direktnog povezivanja na
konzolu GPRS preklopnika (Telnet). U okviru parametriranja mogu se podesiti postavke mreţnih suĉelja,
dodavati i konfigurirati udaljene ureĊaje, izmijeniti postavke protokola IEC 60870-5-104, te postaviti
parametre dinamiĉkog DNS posluţitelja.
Ukupan promet podataka koji se ostvaruje preko GPRS veze po jednoj lokaciji indikatora kvara,
odnosno po jednoj kartici operatera uvjetovan je uĉestalošću provjere stanja komunikacije, odnosno
ureĊaja i prorade samog indikatora kvara.
Uz postavljen uvjet za kriterij dohvata podataka i provjeru stanja komunikacije jednom na sat kod
koje bi se izvršila cijela sekvenca Generalnog poziva (tzv. General Interogation - GIT) ukupni promet za
jedan GIT iznosi cca 0,25 kB, odnosno dnevni promet 6kB, a mjeseĉni oko 186kB.
Pri pojavi kvara generira se promet koji je nešto manji od prometa pri GIT-u. Prema tome, ukupan
mjeseĉni promet koji ĉine periodiĉke provjere veze koje bi se vršile jednom na sat, uz dodatne uĉestale
prorade indikacije kvara, moţe se procijeniti na manje od 200kB.
6. KARAKTERISTIKE I TEHNIČKI ZAHTJEVI NA OPREMU
6.1. Lokalni koncentrator podataka sustava indikatora kvara
Uloga lokalnog koncentratora podataka je komunikacijsko povezivanje svih indikatora kvara s jedne i
SCADA/DMS sustava s druge strane. Ugradnjom LKP ujedno se smanjuje broj i licenciranje potrebnih
komunikacijskih linija u SCADA sustavu. Kako bi se povećala pouzdanost i raspoloţivost sustava LKP je
izveden u dualnoj konfiguraciji (Online – Standby), kao modularni sustav koji se temelji na arhitekturi klijentposluţitelj
i kao zaseban sustav u odnosu na postojeći SCADA/DMS sustav u centru voĊenja.
LKP se ugraĊuje u centru voĊenja s dva mreţna suĉelja. Prvo suĉelje spaja se na Ethernet i
omogućuje povezivanje s GPRS preklopnicima putem fiksnih IP adresa u privatnom APN-u i osigurava
dvosmjernu komunikaciju izmeĊu dispeĉerskog centra i indikatora kvara. Drugo suĉelje spaja se na
procesnu mreţu (dualni procesni LAN) SDV-a u dispeĉerskom centru (DC) putem standardnog protokola
IEC 60870-5-104. LKP i GPRS preklopnici se povezuju na privatni APN s fiksnim IP adresama.
Lokalni koncentrator podataka omogućuje i daljinsku sinkronizaciju vremena sa centralnim
raĉunalnim ureĊajima. Podaci dobiveni iz lokalnih ureĊaja prenose se s vremenskom oznakom u centralni
sustav, odnosno SCADU.
Lokalni koncentrator podataka je izveden kao modularni sustav u dualnoj konfiguraciji koji se
temelji na arhitekturi klijent-posluţitelj i podrţava sljedeće funkcije:
Komunikacijski servis – namijenjen razmjeni podataka protokolom IEC 60870-5-104
Servis real-time podataka – sadrţava „Real-Time“ bazu podataka
Servis lista dogaĊaja – pohranjuje dogaĊaje u bazu lista dogaĊaja (dio Baze kronoloških i
povijesnih podataka)
Servis povijesnih podataka – pohranjuje podatke u bazu povijesnih podataka (dio Baze
kronoloških i povijesnih podataka)
UgraĊeni inţenjering/monitoring alati u stvarnom vremenu obuhvaćaju sljedeće:
Administriranje komunikacijskog servisa
Administriranje servisa real-time podataka
5

Definiranje jedinstvenog korisniĉkog suĉelja
Grafiĉki editor prikaza - namijenjen kreiranju vizualnog modela, tj. stabla prikaza i samih
prikaza
Razmjena podataka izmeĊu pojedinih modula odvija se u stvarnom vremenu, a programska
konfiguracija LKP-a prikazana je na slici 3.
ProcModDB
ArchiveDB
Komunikacija
FepManager
wa
Aplikacija za
konfiguriranje FEP
Master/Slave-a
ProcessModel ws
Osnovna
Servis real-time
komponenta
(mora biti prisutna u
podataka
svakom raĉunalu)
Archive
ws
Filtriraju se dogaĊaji iz
procesnog modela i
arhiviraju u bazu
arhiva
ArchiveClient
wa
Apikacija za praćenje
ţivih podataka koje idu
u arhivu ili samih
arhiva
EventServer
ws
Komponenta koja iz
procesnog modela
evidentira dogaĊaje
(Alarmi i sliĉno)
EventClient
wa
EventsDB
Aplikacija za
nadgledanje dogaĊaja
Slika 3. Programska konfiguracija LKP-a
6.2. GPRS preklopnik
Osnovni element sustava na lokaciji indikatora kvara je GPRS preklopnik koji sluţi za povezivanje
opreme indikatora kvara u SDV putem GPRS veze. Preko GPRS preklopnika vrši se direktno povezivanje
indikatora kvara preko serijskog RS232/RS485 suĉelja po MODBUS protokolu, a prema centru voĊenja
GPRS mreţom po IEC 60870-5-104 protokolu.
GPRS preklopnik omogućuje dvosmjernu komunikaciju kroz GSM mreţu i posjeduje funkcije
automatske provjere GPRS veze i automatskog ponovnog pokretanja („reset“) preklopnika u sluĉaju
praznog hoda, što osigurava visoku pouzdanost samog GPRS preklopnika.
Osnovne karakteristike instaliranih ureĊaja su sljedeće:
Serijski ulaz:
broj ulaza 2
vrsta ulaza
RS485
protokol MODBUS RTU, IEC 60870-5-101
RF izlaz:
tip izlaza
GPRS
protokol IEC 60870-5-104
Signalizacija:
prijem, predaja (Tx, Rx) LED
status modema
LED
napon napajanja LED
Napajanje:
12 - 48VDC, 230V AC
Potrošnja:
maksimalno 5VA
Temperaturni opseg: od -20 do +60 °C
6

7. ZAKLJUČAK
Brzo otkrivanje i lociranje kvarova u distribucijskoj mreţi su temeljne funkcije u poboljšanju
kvalitete isporuke elektriĉne energije. Kako bi se zadovoljile rastuće potrebe za koliĉinom elektriĉne
energije, uz naglasak na sve veću eneregetsku pouzdanost, suvremene distribucije moraju kontinuirano
raditi na poboljšanju kvalitete svoje distribucijske mreţe.
Jedan od smjerova automatizacije kako u kabelskoj, tako u nadzemnoj SN distribucijskoj mreţi je i
implementacija indikatora kvara koji prema nekim studijama omogućavaju smanjenje vremena neophodnog za
pronalaţenje kvarova i za više od 50%. Njihova primjena u kombinaciji s GPRS tehnologijom omogućava
sigurno povezivanje u sustav daljinskog voĊenja opreme po dubini elektrodistribucijske mreţe, koja u velikoj
mjeri nije povezana u TK sustav putem vlastite ili iznajmljene ţiĉane ili optiĉke veze. Ugradnjom sustava za
indikaciju kvara i njegovim povezivanjem sa sustavom daljinskog voĊenja Elektre Zagreb postiţe se znaĉajan
doprinos kako u automatizaciji srednjenaponske mreţe, tako i u izgradnji pametne mreţe (smart grid). S jedne
strane, brzim lociranjem kvarova i obnavljanjem napajanja potrošaĉa ostvaruje se ekonomska korist i
zadovoljstvo za kupce, koji se oĉituju kraćim prekidima u isporuci elektriĉne energije, a s druge strane, Elektra
Zagreb će smanjiti gubitke radi neisporuĉene elektriĉne energije, te smanjiti potrebu za angaţiranjem radne
snage na lociranju mjesta kvara.
LITERATURA
[1] B.Njavro, A.Varţić, T. Slokar.: „SUSTAV ZA OBRADU ISPADA I PLANIRANIH RADOVA“,
HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNE ELEKTRODISTRIBUCIJSKE KONFERENCIJE – HO
CIRED, 1. Savjetovanje Šibenik, 2008.
[2] B.Njavro, A. Varţić, S.Sekulić, T.Slokar: „POVEĆANJE POUZDANOSTI NADZORA I
UPRAVLJANJA EES-a KORIŠTENJEM JAVNE MOBILNE MREŢE (SLOVENIJA)“- 10.
savjetovanje HRO CIGRÉ, Cavtat, 6. – 10. studenoga 2011.
[3] IEL: Tehniĉka dokumentacija - SUSTAV ZA INDIKACIJU KVARA SIK-10, SIK-30, Zagreb
[4] IEL: Tehniĉka dokumentacija - GPRS MODEM GGM-20, Zagreb
7