ZAÅ TITA I UPRAVLJANJE, PROTOKOL IEC 61850

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA
ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ
10. savjetovanje HRO CIGRÉ
Cavtat, 6. – 10. studenoga 2011.
B5-18
Ivica Jurčević, dipl.inž.
KONČAR - KET, Zagreb
ivica.jurcevic@koncar-ket.hr
Abdulla Neli, dipl.inž.
OST, Tirana
aneli122@yahoo.com
TS 220/110/35 kV FIER – ZAŠTITA I UPRAVLJANJE,
PROTOKOL IEC 61850 - TEHNIČKO RJEŠENJE SEKUNDARNOG SUSTAVA
SAŽETAK
Končar-ket trenutno ima dva ugovora u Albaniji unutar kojih rekonstruira šest transformatorskih
stanica. U ovom članku obradit ćemo tehničko rješenje sekundarnog sustava upravljanja i zaštite na
postrojenju SS Fier koje se sastoji od osam 220 kV, petnaest 110 kV i šesnaest 35 kV polja. Sve ukupno
u SS Fier biti će 39 polja. Tehničko rješenje zaštite i upravljanja biti će najvećim dijelom realizirano GE
terminalima, a manjim dijelom ABB terminalima i postojećim SIEMENS terminalima starije generacije. Svi
oni biti će povezani na informacijske sabirnice redundantne Ethernet mreže pomoću komunikacijskog
protokola IEC 61850. Prednost navedenog IEC 61850 protokola na razini transformatorske stanice u
odnosu na postojeća dosadašnja rješenja (npr. protokol IEC 103) je međusobna povezivost i proširivost
sustava s proizvodima različitih proizvođača. U tu svrhu izgraditi će se dvije neovisne komunikacijske
Ethernet mreže s TCP/IP protokolom na razini transformatorske stanice za potrebe sustava daljinskog
vođenja i daljinskog pristupa uređajima relejne zaštite iz ureda inženjera zaštite. Budući se radi o
rekonstrukciji, morati ćemo koristiti i neke postojeće releje zaštite starije generacije čije komunikacijske
kartice moraju biti promjenjene da bi mogli komunicirati s ostalim relejima nove generacije i sa staničnim
računalima putem protokola IEC 61850. Da bismo sve to spojili u jednu cijelinu potrebna su različita
znanja iz programiranja, konfiguriranja kao i korištenje dosta različitih programskih alata. U članku ćemo
opisati način spajanja različitih uređaja na sabirnice redundantne Ethernet mreže kao i funkcionalno
ispitivanje istih. Opisati će se razmjenjivanje informacija između uređaja relejne zaštite i upravljanja
putem protokola IEC 61850 kao i njihovu komunikaciju sa staničnim računalom na koje će biti instaliran
Končarev SCADA sustav „Proza Net“. Dalje će se objasniti rješenje izvedbe vremenske sinkronizacije
kompletnog sustava i funkcioniranje sustava u cijelini. Na kraju ćemo dati i informacije o samom procesu,
o prikupljanju i procesuiranju signala mjerenja, stanja aparata, i blokada.
Ključne riječi: tehničko rješenje, IEC 61850, trafostanica, upravljanje i zaštita
SS 220/110/35 kV FIER – CONTROL AND PROTECTION,
PROTOCOL IEC 61850 – SECONDARY SYSTEM TECHNICAL SOLUTION
SUMMARY
This article describes secondary protection and control system technical solution in SS Fier based
on IEC61850 substation communication protocol. The advance of the standardized substation
communication protocol comparing to prior designs is in the extending possibilities with third parties
devices. An overview of SCADA system and programming tools needed for parameterising of terminals
and realization of two independent Ethernet network with TCP/IP protocol on substation level for SCADA
and SMS need will be given.
Key words: technical solution, IEC61850, substation, control and protection
1

1. UVOD
TS 220/110/35 kV Fier je postojeće postrojenje s dvostrukim sustavom sabirnica koje se sastoji
od postrojenja 220 kV (tri vodna polja, tri polja autotransformatora 220/x, jedno spojno polje i mjerno
polje), 110 kV (pet vodnih polja, tri polja autotransformatora 110/x, tri polja transformatora 110/x, dva
polja kompenzacije, jedno spojno polje i jedno mjerno polje) i postrojenja 35 kV.
Postrojenje 220 kV i 110 kV rekonstruira se na način da se mijenja veći dio primarne opreme
(sabirnice, rastavljači, prekidači, mjerni transformatori) dok će jedan manji dio aparata ostati
nepromjenjen. Vanjsko postrojenje 35 kV kompletno se ruši i umjesto njega uvodimo srednjenaponske
blokove u novoizgrađenu zgradu.
Kompletna sekundarna oprema (zaštita, upravljanje, mjerenje, SCADA, procesna komunikacijska
oprema, telekomunikacije) se mijenja, a novi ormari sekundarne opreme i telekomunikacijska oprema biti
će smješteni u novu zgradu.
Iz navedenog se vidi da je rekonstrukcija transformatorske stanice Fier vrlo složen posao u
kojemu moramo implementirati primarnu opremu različitih proizvođača (Končar, Siemens, ABB, ...) kao i
sekundarnu (GE, Končar, Siemens, ABB, ...). Još jedna otežavajuća okolnost u cijeloj priči je ta da
predmetna rekonstrukcija ide po etapama, što znači da dok jedan dio postrojenja mjenjamo i ispitujemo,
drugi je u pogonu. Iz nevedenoga je jasno da je za planiranje takove rekonstrukcije potrebno puno
različitih znanja.
2. SUSTAV SEKUNDARNE OPREME
Sustav sekundarne opreme sastoji se od numeričkih uređaja relejne zaštite, upravljačkih jedinica
polja, regulatora napona, SCADA sustava, procesne komunikacijske opreme i telekomunikacijske
opreme.
Blok shemu predmetnog sustava sekundarne opreme vidimo na slici 1. iz koje je vidljivo da su
upravljanje poljima i horizontalne blokade između polja izvedene upravljačkim uređajima UR serije.
Iz kontrolne sobe, koja se nalazi u novoj zgradi postrojenja, upravljanje se izvodi putem SCADA
sustava. Za glavnu zaštitu postrojenja odabrani su numerički uređaji relejne zaštite serije SIPROTEC 4,
UR serije i serije 670. Kao pričuvna (backup) zaštita odabrani su uređaji UR serije.
Uređaji relejne zaštite i upravljanja, regulatori napona, stanična računala, uređaj za vremensku
sinkronizaciju i serveri SCADA sustava pretežno su povezani dvostrukom optičkom vezom preko mrežnih
preklopnika RSG2100 u Ethernet mrežu.
Izabrana topologija Ethernet mreže je prstenasta. Kod prstenaste topologije svi preklopnici
povezani su međusobno preko jednog porta.
Prednosti ove topologije su:
a) cijena - manje ožičenja nego u drugim topologijama,
b) redundancija – u slučaju prekida promet se preusmjerava na drugu stranu.
Nedostaci su:
a) kašnjenje – postoji mogućnost kašnjenja na kraju prstena,
b) svi preklopnici moraju biti Managed Switches (zbog preusmjeravanja prometa) što
povećava njihovu kompleksnost.
U slučaju kvara na jednom mrežnom sučelju ili optičkom kabelu koji vodi prema preklopnicima
komunikacija se automatski prebacuje na pričuvni komunikacijski put. U svim spomenutim uređajima
sustava mrežna sučelja obavljaju prijelaz na ispravni kanal bez vidljivog prekida komunikacije i uvijek se
mrežno prikazuju kao jedna IP adresa.
Oba optička kabela uređaja spojena su na različite preklopnike koji su međusobno povezani u
jednostruki komunikacijski prsten. Na taj način je ostvarena dodatna sigurnost jer u slučaju kvara na
preklopniku ili optičkim kabelima koji ih povezuju sustav blokada može i dalje nesmetano funkcionirati
izmjenjivajući GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) poruke među jedinicama polja.
Komunikacija između uređaja u Ethernet mreži odvija se protokolom IEC 61850. Navedeni
protokol rezultat je zahtjeva da automatizacija elektropostrojenja, posebno automatizacija u
trafostanicama, konvergira prema jedinstvenoj komunikacijskoj arhitekturi s ciljem interoperabilnosti
između različitih IED-a (Intelligent Electronic Devices) koje se nalaze u trafostanici.
2

Na ovom projektu se to jako dobro vidi budući da tu međusobno komuniciraju uređaji nekoliko
različitih proizvođača.
Horizontalne blokade između polja ostvarene su upravljačkim jedinicama polja UR serije koje
međusobno komuniciraju GOOSE porukama.
GOOSE poruke su jedan od servisa IEC 61850 komunikacijskog protokola, prema kojem
terminali polja međusobno izmjenjuju informacije potrebne za međublokade na horizontalnoj razini. One
imaju veći prioritet od ostalih tipova telegrama na Ethernet mreži, te zajedno s velikom propusnošću
Ethernet mreže predstavljaju pouzdan alat za izvedbu međublokada.
Slika 1. Pojednostavljena blok shema sustava sekundarne opreme
SCADA sustav je izveden Proza Net programskim paketom proizvođača Končar, a prema
nadređenom centru NDC Tirana povezana je komunikacijskim protokolom IEC 60870-5-104.
Prema podređenim uređajima relejne zaštite i jedinicama upravljanja povezana komunikacijskim
protokolom IEC 61850. Vremenska sinkronizacija izvedena je GPS sustavom Lantime M300.
2.1. Sustav upravljanja
Upravljanje aparatima polja u TS Fier izvedeno je putem upravljačkih uređaja UR serije, točnije
putem uređaja C90 plus smještenim u ormarima upravljanja u kontrolnoj sobi nove zgrade.
Sustav upravljanja podjeljen je u slijedeće razine:
3

a) upravljanje direktno s aparata u rasklopištu,
b) upravljanje lokalno s ormara upravljanja,
c) upravljanje lokalno putem staničnog računala i
d) upravljanje daljinsko iz NDC Tirana (u budućnosti)
Osnovno upravljanje, u prvoj fazi, biti će lokalno upravljanje putem staničnog računala, a u
budućnosti daljinski iz NDC Tirana. Ostala upravljanja tretiraju se kao pričuvna, odnosno servisna
upravljanja.
Kao što je već spemenuto upravljačka jedinica C90 plus smještena je u ormarima upravljanja koji
se nalaze u kontrolnoj sobi. U istim se ormarima nalaze i „backup“ paneli sa slijepom shemom gdje se
također mogu vidjeti stanja aparata u polju. Vertikalne blokade (odnosno blokade unutar polja) izvedene
su unutar konfiguracije uređaja C90 plus. Horizontalne blokade (blokade između polja) izvedene su
putem GOOSE poruka koje se između upravljačkih jedinica šalju putem Ethernet mreže komunikacijskim
protokolom IEC61850. Lokalna alarmna signalizacija izvodi se putem LCD ekrana upravljačke jedinice.
Kompletan prikaz postrojenja (jednopolna shema) za sve naponske razine prikazan je na
monitorima radnih stanica u kontrolnoj sobi gdje se nalazi i osnovna razina upravljanje. Tu se vide sva
stanja aparata, mjerenja, zapisi događaja i kompletna alarmna signalizacija.
SCADA sustav izveden je u dualnoj konfiguraciji odnosno putem dva servera AVA 65F. Za
vremensku sinkronizaciju uređaja i SCADA sustava koristi se GPS uređaj Lantime M300.
2.2. Uređaji relejne zaštite
Uređaji numeričke relejne zaštite smješteni su u ormarima zaštite u kontrolnoj sobi. Sve su
višefunkcijske i za ispravno djelovanje potpuno neovisne od ostalih dijelova sustava, a svi uređaji imaju
funkcije samonadzora i autodijagnostike.
Za postrojenje SS Fier odabrana je glavna zaštita (MAIN 1) proizvođača SIEMENS (postojeći
numerički releji) i ABB (novi numerički uređaji relejne zaštite). Kako pričuvna zaštita (MAIN 2) koriste se
numerički uređaji proizvođača GENERAL ELECTRIC. Za sabirničku zaštitu i zaštitu od zatajenja
prekidača izabrana je distribuirana zaštita prizvođača ABB što znači da se u svim ormarima polja nalaze
jedinice polja REB500BU. Sve one su zvijezda optičkom vezom spojene s centralnom jedinicom
REB500CU i međusobno komuniciraju internim protokolom dok je centralna jedinica spojena optičkim
sučeljem na Ethernet mrežu putem preklopnika i dalje komunicira putem protokola IEC61850.
Kao glavna relejna zaštita za vodna polja koriste se distantni releji 7SA6, 7SA5 i REL670, a kao
pričuvna distantni releji D60.
Glavna zaštita autotransformatora je izvedena diferencijalnim relejima RET670, a pričuvna putem
nadstrujnih releja F60.
Svi numerički releji spojeni su preko dvostrukog optičkog sučelja (tamo gdje postoji) na mrežne
preklopnike RSG2100 i na taj način se ostvaruje komunikacija prema SCADA sustavu.
Komunikacija distantnih relejnih zaštita voda prema drugom kraju voda ostvaruje se putem
telekomunikacijskog uređaja DZ8.
2.3. SCADA sustav PROZA NET
Na transformatorskoj stanici Fier za nadzor i upravljanje postrojenjem u stvarnom vremenu
instalirana je SCADA Prozanet, višekorisnički distribuirani sustav za nadzor i upravljanje radom EES-a.
Sustav podržava osnovne i napredne SCADA funkcije. Sustavom se nadzire rad EES-a u stvarnom
vremenu (SCADA funkcije), a moguće je i analizirati stanja EE mreže (on-line ili off-line na temelju
zadnjeg ili arhiviranog stanja).
Prozanet SCADA je modularne arhitekture koja je u skladu sa zahtjevom za visoku kvalitetu
sustava i visoki stupanj integracije s vanjskim sustavima, a osnovne su mu prednosti visoka pouzdanost,
fleksibilnost i skalabilnost. Može se koristiti za različite razine nadzora i upravljanja od staničnog računala
pa do velikih upravljačkih centara.
Ovisno o tome moguće je i implementirati različite sklopovske konfiguracije. Na slici 2 prikazan je
primjer moguće konfiguracije sustava.
Zbog povećane pouzdanosti instalacija je izvedena industrijskim računalima AVA 65F i na dvije
radne stanice operatera AVA 7220.
Za možebitne buduće potrebe sustav podržava i mogućnost instalacije dodatnih programskih
modula kojima se omogućuju i napredne funkcije kao što su to EMS (Energy Management System), DMS
(Distribution Management System) i GMS (Generation Management System).
4

Slika 2. Primjer konfiguracije Prozanet SCADA sustava
Instalirani sustav je modularne arhitekture, visokih performansi i pouzdanosti, a može se koristiti
za dvije razine nadzora i upravljanja. Prva razina je razina staničnog računala, a druga razina je budući
NDC u Tirani.
Instalirana konfiguracija SCADA poslužitelja je dualna, što znači da u svakom trenutku postoji
vruća pričuva za nadzor i upravljanje postrojenjem.
Poslužitelji imaju tvrde diskove u RAID konfiguraciji s dovoljnim kapacitetom za eventualna
buduća proširenja. Na njima se nalaze i komunikacijski moduli za protokol IEC 60870-5-104 za
komunikaciju prema budućem NDC-u u Tirani.
SCADA poslužitelj također je povezan na poslužitelj za sinkronizaciju vremena opremljen s GPS
antenom i prijamnikom (Lantime M300).
U SCADA sustavu također su instalirane, za potrebe operatera, dvije radne stanice sa po dva
ekrana. One su namjenjene za instalaciju klijenata Prozanet sustava, za unos i konfiguriranje baze
podataka i za crtanje procesnih slike (slika 3).
Instalirani sustav Prozanet komunicira sa slijedećim uređajima i sustavima:
- s nadređenim SCADA centrom u NCD Tirana putem IEC 60870-5-104 protokola i
- s podređenim numeričkim jedinicama putem Ethernet mreže po IEC61850
protokolu.
Osim gore navedenih, podržan je i veći broj drugih protokola za komunikaciju prema uređajima,
kao što su:
a) IEC 60870-5-103,
b) IEC 60870-5-101,
c) MODBUS Serial,
d) MODBUS TCP/IP,
e) LON i
f) DNP3
5

Slika 3. Aplikacija Prozanet klijenta namjenjena operaterima
3. ZAKLJUČAK
Postojenje SS Fier projektirano je da u bližoj budućnosti bude u pogonu bez pogonskog osoblja,
a postrojenjem će se upravljati iz budućeg nacionalnog dispečerskog centra u Tirani. Jedan od osnovnih
preduvjeta za uspješnu realizaciju ovakvog projekta su siguran nadzor i daljinsko upravljanje, te
pouzdana zaštita postrojenja. Stoga su u fazi projektiranja sekundarnog sustava odabrani uređaji koji se
odlikuju kvalitetom i visokim performansama. U tu je svrhu u Konačar KET-u razvijena SCADA najnovije
generacije koja zadovoljava najstrožije kriterije za nadzor i upravljanje suvremenim EES-om.
4. LITERATURA
[1] Pozzuoli, "Ethernet in Substation Automation Applications - Issues and
Requirements“,RuggedCom Inc. – Industrial Strength Networks, Woodbridge,
Ontario,Canada, 2006.
[2] IEC 61850-3 Communication networks and systems in substations – part 3 General
requirements, siječanj 2002.
[3] Proza Net SCADA – Tehnički opis sustava, Končar-ket
6