HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ

B5-1810. savjetovanje HRO CIGRÉ Cavtat, 6. – 10. studenoga 2011.

Ivica Jurčević, dipl.inž. Abdulla Neli, dipl.inž. KONČAR - KET, Zagreb OST, Tirana ivica.jurcevic@koncar-ket.hr aneli122@yahoo.com

TS 220/110/35 kV FIER – ZAŠTITA I UPRAVLJANJE, TS 220/110/35 kV FIER – ZAŠTITA I UPRAVLJANJE, PROTOKOL IEC 61850 - TEHNIČKO RJEŠENJE SEKUNDARNOG SUSTAVA PROTOKOL IEC 61850 - TEHNIČKO RJEŠENJE SEKUNDARNOG SUSTAVA

SAŽETAK 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.

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 Ključne riječi: tehničko rješenje, IEC 61850, trafostanica, upravljanje i zaštita

SS 220/110/35 kV FIER – CONTROL AND PROTECTION, SS 220/110/35 kV FIER – CONTROL AND PROTECTION, PROTOCOL IEC 61850 – SECONDARY SYSTEM TECHNICAL SOLUTION PROTOCOL IEC 61850 – SECONDARY SYSTEM TECHNICAL SOLUTION

SUMMARY 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.

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 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

6

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