D2-04_R20130135

1

Hrvoje Korasić Denis Klafurić Darko Majerić HEP-OPS d.o.o. Končar – Inženjering za energetiku i transport d.o.o. [email protected] [email protected] [email protected] Jure Grum Iskrasistemi d.d. [email protected]

PRIMJERI I PRIMJENE IEEE STANDARDA C37.94 ZA POVEZIVANJE TELEKOMUNIKACIJSKE I OPREME ZA PRIJENOS SIGNALA ZAŠTITE

SAŽETAK

IEEE standard C37.94 razvijen je za povezivanje opreme za prijenos signala zaštite i opreme telekomunikacija u slučajevima ugradnje uređaja za prijenos signala zaštite u relejnim kućicama unutar rasklopnog postrojenja, dok je telekomunikacijski uređaj najčešće smješten u kontrolnoj zgradi. Za povezivanje opreme koriste se multimodni svjetlovodni kabeli umjesto bakrenih signalnih kabela čime su postignute bolje perforfanse komunikacije u okruženju s teškim EMC (elektromagnetska kompatibilnost) uvjetima kao i premoštenje većih udaljenosti između objekata s opremom relejne zaštite i telekomunikacija.

U radu će se uz opis standarda C37.94, navesti nekoliko primjera povezivanja opreme telekomunikacija i opreme za prijenos kriterija signala distantne zaštite

Ključne riječi: IEEE standard C37.94, prijenos signala zaštite, multimodni svjetlovodni kabeli,

telekomunikacije EXAMPLES AND APPLICATIONS OF IEEE STANDARD C37.94 FOR INTERCONNECTIONS

OF TELECOMMUNICATIONS AND TELEPROTECTION EQUIPMENT SUMMARY IEEE standard C37.94 was developed to connect teleprotection equipment and

telecommunication equipment in the case of mounting teleprotection devices in relay houses within switchyard, while telecommunications device usually located in the control building. To connect the equipment multimode fiber optic cables are used instead of copper signal cables which have achieved better communication performances in an environment with heavy EMC (electromagnetic compatibility) requirements as well as bridging larger distances between objects with the teleprotection equipment and telecommunications.

Key words: IEEE C37.94 standard, signal transmission protection, multimode fiber optic cables,

telecommunications

11. savjetovanje HRO CIGRÉ Cavtat, 10. – 13. studenoga 2013.

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ

D2-04

mailto:[email protected]




2

1. KOMUNIKACIJE ZA POTREBE PRIJENOSA SIGNALA ZAŠTITE

Oprema za prijenos signala zaštite u trafostanicama više naponske razine (110, 200 i 400 kV) sve se češće ugrađuje u relejne kućice gdje se nalaze i releji zaštite. Prednost takvog smještaja je da se signalni bakreni kabeli ne vode po postrojenju između relejnih kućica i kontrolne zgrade u kojoj se nalazi telekomunikacijska oprema. Umjesto bakrenih kabela uobičajeno se polažu multimodni svjetlovodni kabeli, tako da se kao optimalno rješenje nameće iskoristiti položenu optiku za povezivanje uređaja za prijenos signala zaštite i telekomunikacijske opreme.

Do sada su se koristila rješenja s raznim električno/optičkim pretvaračima. Svaki takav element

dodatno smanjuje sigurnost i pouzdanost te uvodi dodatno kašnjenje pri prijenosu naredbi. Za prijenos zaštite se zahtijeva dostupnost telekomunikacijske mreže razreda 99,999, što je s korištenjem pretvarača praktično nemoguće ostvariti. Uz to se nailazilo na probleme smještaja, napajanja, problema kompatibilnosti s relejima zaštite, kao i opreme telekomunikacija.

Kako bi se izbjegao gore navedeni problem 2003. godine je objavljen telekomunikacijski standard

IEEE C37.94, koji definira optičko sučelje za razmjenu informacija između zaštitne opreme i telekomunikacijske opreme različnih proizvođača na razini stanice. Standard definira strukturni okvir, odgovor u slučaju gubitka komunikacije, frekvenciju prijenosa podataka i optičko sučelje s optičkim vlaknom za vezu. Standard ne postavlja ograničenja na sadržaj prometa među uređajima.

Ovaj standard omogućuje povezivanje opreme različitih proizvođača opreme za prijenos kriterija signala distantne zaštite s opremom različitih proizvođača telekomunikacijske opreme, bez ikakvih ograničenja na sadržaj.

Također, uz ovaj standard postižu se potrebne performanse komunikacije u okruženju s teškim EMC (elektromagnetska kompatibilnost) uvjetima kao i premoštenje većih udaljenosti (do 4 km). Sučelje se može koristiti uz sve najnovije tehnologije okosnica mreže (SDH, Carrier Ethernet, IP / MPLS).

Sučelje je opremljeno ST konektorima s posebnim odašiljačem i prijemnikom veze, što zahtijeva

zasebna svjetlovodna vlakna za odašiljanje i primanje komunikacijskog signala. Linijsko sučelje C37.94 za potrebe predaje regenerira takt iz prijemnog signala. Tako digitalna telekomunikacijska mreža na koju je sučelje spojeno postaje izvor takta signala. Na sučelju nije potrebno postavljanje sinkronizacijskih parametara.

Proizvođači koji se odluče podržati komunikacijsko sučelje u skladu s tim standardom moraju predvidjeti robusnost strojne opreme u skladu sa zahtjevima IEC 61850. Potrebno je računati na teške EMC (elektromagnetska kompatibilnost) uvjete, koje susrećemo na razini stanice (oštećenja, kratkotrajne prijelazne pojave, zahtjevi za dielektričnu čvrstoću, zračenje, prenapon…). Sučelje je prvo bilo namijenjeno za rad preko PDH/SDH mrežne okosnice. Zbog njegove uporabne vrijednosti danas se ovo sučelje također koristi u prijenosnim mrežama, zasnovane na paketnim tehnologijama (IP/MPLS, carrier Ethernet…). Standard je 2013. godine usvojen od strane međunarodnog elektrotehničkoga odbora pod oznakom IEC 62843-2013.

Mnogi proizvođači odlučili su podržati IEEE C37.94 sučelje na svojim uređajima za prijenos

signala zaštite, između ostalih i tvrtka Iskra Sistemi na svojem uređaju tipa DZ9 s kojim su izvedena ispitivanja za potrebe ovog referata.

2. OSNOVNE ZNAČAJKE STANDARDA IEEE C37.94 2.1 Struktura okvira

Standard sumira važeće preporuke ITU s pozicije strukture okvira i brzine prijenosa podataka. Brzina prijenosa signala je N x 64 kilobita po sekundi, gdje je N parametar s vrijednostima između 1 i 12.

Podatkovni okvir je dug 256 bitova i sastoji se od glavnog, općeg i podatkovnog djela. Glava okvira služi za sinkronizaciju na podatkovni okvir i detekciju alarma udaljenog uređaja (RDI). Opći dio okvira služi za razmjenu informacija između daljinskog uređaja i multipleksora. Između ostalog razmjenjuju informacije o broju N, koji pruža brzinu prijenosa i tako utječe na broj upotrebljenih bitova za prijenos korisne informacije unutar podatkovnog djela okvira. Opći dio okvira sadrži korisne informacije, koje dva uređaja za prijenos signala zaštite izmjenjuju između sebe. Sadržaj ovog dijela okvira nije određen standardom već ovisi o proizvođaču uređaja za prijenos signala zaštite.U slučaju uređaja DZ9,

3

unutar podatkovnog dijela okvira prenose se naredbe za prijenos signala zaštite, zaštita poruka i podaci potrebni za rad koda za ispravljanje pogrešaka (FEC BCH).

Slika 1. Struktura IEEE C37.94 okvira 2.2 Scenarij u slučaju gubitka komunikacije

LOS (Loss of signal) – alarm je signalizacije u skladu s preporukama standarda ITU G.775. Prijamnik uređaja mora javiti LOS alarm 1 ms nakon što se otkriju dvije greške u osam uzastopnih okvira. Alarm će se isključiti nakon osam uzastopnih okvira bez pogreške.

RDI (Remote defect indication) – alarm je signalizaciju u skladu s preporukama standarda ITU

G.775. Unutar IEEE standarda je alarm nazvan »path Yelow« (far end alarm). Alarm se aktivira kada je u primljenom okviru RDI bit (ili Yelow bit) postavljen na logično »1« i isključuje kada je taj bit u propisanom roku postavljen na logično »0«. RDI bit može postaviti udaljeni uređaj za prijenos signala zaštite ili multiplekser na osnovi primljenog signala.

U nastavku su dane slike koje prikazuju moguće situacije.

Slika 1. Pogreška u komunikaciji između multipleksera i KDZ uređaja

0 125us 500us

Time

250us 375us

256 bit frame

16 bit header

48 bit overhead

192 bit channel data

header1 FEC1command, guard or

service mesage1header2 FEC2

command, guard or

service mesage2

IEEE C37.94

frame structure

DZ9 frame

structure for

digital interfaces48 bit + complement 48 bit + complement

Teleprotection Multiplexer Multiplexer Teleprotection

Nx 64kbps

comm. link

High order

comm. link

Nx 64kbps

comm. link

Valid data

with errors

Yellow alarm & valid data

(Cloclk slips occur in receiver)

4

Slika 2. Pogreška u komunikaciji između KDZ uređaja i multipleksera

Slika 3. Pogreška u višoj razini komunikacije

2.3 Optički pretvarač

Prosječna razina emitiranog signala za 50 μm vlakna > –23.0 dBm in < –11.0 dBm Prosječna razina emitiranog signala za 62.5 μm vlakna > –19.0 dBm in < –11.0 dBm Valna duljina 830 ±40 nm Optički konektor ST (BFOC/2.5 bayonet style) Osjetljivost prijamnika (BER <1E –9) –32 dBm do –11 dBm Tip vlakna 50 ili 62.5 multimodno

3. TEST KOMPATIBILNOSTI IZMEĐU RAZLIČITIH PROIZVOĐAČA TELEKOMUNIKACIJSKE

OPREME

Sučelje na uređaju DZ9 testirano je s primarnim multipleksorom proizvođača Loop Telecom tip AM3440 s ugrađenom pristupnom jedinicom C37.94. Na taj način je potvrđena pravilnost strukture okvira, ispitani scenariji u slučaju gubitka komunikacije i performanse fizičkog optičkog sučelja.

Nadalje napravljena su dva tipa testova kompatibilnosti: • kompatibilnost uređaja DZ9 i multipleksora od različitih proizvođača. • Kompatibilnost multipleksora različitih proizvođa. Kompatibilnost uređaja DZ9 s primarnim multipleksorima testirana je s opremom proizvođača

Loop Telecom tip O9500 i ECI tip BG-30. Oba uređaja su imala ugrađenu pristupnu karticu C37.94. Pri uređaju BG-30 se pokazalo da je nivo prijenosnog signala lasera previsok i ne odgovara zahtjevima standarda. Da ne dođe do preopterećenosti optičkog prijemnika DZ9, signal se mora atenuirati. O problemu je obaviješten proizvođač koji će prijenosnu razinu prikladno korigirati u sljedećoj reviziji hardvera. Kod proizvođača Loop Telecom nije bilo problema s kompatibilnošću.

U nastavku su bili izvedeni testovi kompatibilnosti C37.94 sučelja s multipleksorima od različitih proizvođača, koji djeluju preko SDH prijenosne mreže. Također za ovaj test su korišteni multipleksori proizvođača Loop Telecom i ECI. Zahtjev standarda za interoperabilnost između različitih proizvođača je potvrđena. Kod povezivanja telekomunikacijskih uređaja različitih proizvođača nije bilo problema. Važno je napomenuti da proizvođači koriste različite filozofije postavljanja brzine prijenosa, koja je definirana s parametrom N x 64 kbps. Loop Telecom nudi mogućnost ručnoga postavljanja predajne i prijemne brzine ili automatsku detekciju brzine prijenosa na osnovi podataka koji se razmjenjuju s priključenim KDZ uređajem. Proizvođač ECI omogućava automatsku detekciju na osnovi podataka. Za pravilno funkcioniranje veze potrebno je pravilno mapirati upotrebljene vremenske okvire (time slot) koji putuju kroz prijenosnu mrežu.


Nx 64kbps

comm. link

Yellow alarm & valid data

High order

comm. link

Nx 64kbps

comm. link

All onesAll ones


Nx 64kbps

comm. link

High order

comm. link

Nx 64kbps

comm. link

All ones

5

DZ9 Digital

Teleprotection

LoopTelecom

O9500LoopTelecom

O9500

ECI

BG-30

ECI

BG-30

DZ9 Digital

TeleprotectionSDH

C37.94 STM1 E1 C37.94

Slika 5. Konfiguracija za test kompatibilnosti C37.94 sučelja različitih proizvođača 4. PARALELNI RAD E1 I C37.94

Uređaj DZ9 pruža zaštitu na razini linijskog sučelja, takozvane 1+1 card protection. U uređaj je moguće ugraditi dvije neovisne linije sučelja koja rade paralelno. Naredbe se istodobno prenose preko oba sučelja. Otkazivanje jednog sučelja ili kvar jednog komunikacijskog kanala ne znači gubitak veze za prijenos signala zaštite. Komunikacija se i dalje odvija preko rezervnog sučelja .

Svako sučelje može djelovati preko drugog tipa komunikacijskog kanala. Uređaj DZ9 podržava sljedeća komunikacijska sučelja: E1 2 Mbps, G.703 64kbps, Analog 4w E&M, DFO i novorazvijeno sučelje C37.94. U elektroenergetskim mrežama gdje se koristi DZ9 najčešće se za prijenos signala zaštite koristi E1 kanal preko SDH prijenosnog sučelja.

Funkcija 1+1 card protection omogućuje paralelni rad E1 i C37.94 sučelja. Testna veza je bila instalirana na relaciji RTP Kleče - RTP Beričevo, Slovenija. U sklopu rekonstrukcije objekta RTP Kleče uređaji za prijenos signala zaštite su preseljeni iz TK prostora u relejne kućice smještene u rasklopištu. Uređaj DZ9 imao je ugrađeno električno E1 i optičko C37.94 linijsko sučelje . Oba su bila spojena na STM-1 multiplekser tipa O9500 proizvođača Loop Telecom. Multiplekseri instalirani u pojedinim relejnim kućicama povezani su sa STM-1 prstenom na razini stanice. Prsten je izvana spojen na postojeću SDH mrežu, čime je završena veza između stanica, potrebna za prijenos signala zaštite.

Slika 6. Paralelni rad C37.94 i E1 sučelja

Uređaj DZ9 je tijekom pokusnog rada povezan s relejem zaštite koji je u normalnom radu. Preko veze su se odašiljale stvarne naredbe. Testni rad je trajao 8 mjeseci. Tijekom tog razdoblja sve su naredbe prenesene ispravno. Također nije došlo do lažnih naredbi. Vrijeme prijenosa kod postavljenog parametra N = 12 isto je kao kod E1 2 Mbps. Kašnjenje signala je manje od 1 ms ako se ne uračunava vrijeme izvršnog kontakta.

Na razini linijskih sučelja su se u trenutku testnog rada bilježili sljedeći dijagnostički podaci: LOS (Loss of signal), LOF (Loss of frame) i RDI (Remote defect identication). Tijekom istog razdoblja na razini E1 linijskoga sučelja četiri puta su se pojavili alarmi LOS i LOF. Na C37.94 sučelju tih alarma nije bilo. Zaključujemo da su uzrok za te kratkotrajne alarme na E1 sučelju elektromagnetske smetnje ko jima su podvrgnute komunikacije preko bakrenih vodiča.

5. ZAKLJUČAK

U slučajevima kad su uređaji za prijenos signala zaštite udaljeni od telekomunikacijskih uređaja na koje se priključuju za potrebe prijenosa signala, uputno ih je povezati sučeljem prema IEEE standardu C37.94. Ispitivanja su pokazala da kod takvih povezivanja nema pojava smetnji koje su redovite kod uporabe bakrenih kabela ili oklopljenih koaksijalnih kabela kada su položeni unutar elektroenergetskog postrojenja. Upravo je za prijenos signala zaštite važno da se takve smetnje svedu na najmanju moguću mjeru, naročito kod načina prijenosa komande zaštite s direktnim isključenjem.

STM-1

ring

DZ9 Digital

Teleprotection

LoopTelecom

O9500C37.94

Releay house

RTP Kleče RTP Beričevo

Telecommunication room

E1

ECI

BG-30

ECI

BG-30

DZ9 Digital

Teleprotection

LoopTelecom

O9500

E1

E1 C37.94

E1

SDH

6

6. LITERATURA

[1] IEEE Std C37.94, IEEE Standard for N Times 64 Kilobit Per Second Optical Fiber Interfaces

Between Teleprotection and Multiplexer Equipment, 2002.

[2] ECI Telekom tehnical note, The SM_10E Card’s, C37.94 Module, 2009.

[3] ISKRA SISTEMI, DZ9, Aplikacija za prenos zaščitnih komand, TEHNIČNI OPIS

Documents

D2-04_R20130135