Smart Grid je nový pojem používaný v energetickém průmyslu pro digitální technologie použité k vyšší úrovni efektivity a přehlednosti dodávky elektrické energie od výrobce k zákazníkům. Vestavné řídicí systémy a komunikační zařízení doplňující inteligenci do stávajících rozvodných sítí jsou základním kamenem pro tuto transformaci. Mimo komunikační standard IEC 61850 je důležité taky splnění řady norem IEC 61850-3, definujících mechanickou a klimatickou odolnost síťových zařízení používaných v prostředí rozvodných stanic.
Norma IEC 61850 definuje ethernetový protokol používaný v rozvodnách pro datovou komunikaci. V rozvodnách je implementována řada řídicích systémů používaných pro různé účely, jako jsou ochrany, měření, detekce poruch, alarmy a sledování. Práce systémových integrátorů je často zpomalena faktem, že řídicí systémy různých výrobců jsou vzájemně nekompatibilní, protože nepodporují stejné komunikační protokoly. Problémy spojené s touto nekompatibilitou mohou být natolik vážné, že způsobují zvýšené náklady na implementaci protokolu a údržbu systému.
Norma IEC 61850 definuje nový protokol umožňující vzájemnou komunikaci přístrojů a zařízení v rozvodnách. Mnoho renomovaných výrobců jako například ABB nebo Siemens používá u svých zařízení protokol IEC 61850 pro jejich zapojení do otevřené a univerzální komunikační sítě k automatizaci rozvoden. Mnoho nových rozvoden v Evropě a Severní Americe požaduje, aby všechna použitá zařízení byla certifikována podle IEC 61850.
Základní struktura rozvoden
Elektrické rozvodné stanice hrají rozhodující úlohu při přepravě elektřiny z elektráren do domácností, podniků a továren. Typická rozvodná síť je složená ze stovek rozvoden, které je potřeba sledovat a ovládat. Díky rychlému vývoji výpočetní a komunikační techniky se rozvodny stále více spoléhají na inteligentní prvky pro bezobslužné sledování a řízení.
Rychlá a spolehlivá síťová řešení jsou klíčovým faktorem k vytvoření funkčního systému pro automatizaci rozvodny. Vestavné počítače jsou spolehlivým a úsporným inteligentním prvkem takovýchto sítí.
Automatizační systémy pro elektrické rozvodné stanice jsou složeny ze tří fyzických vrstev:
- Přístrojová vrstva
- Komunikační vrstva
- Vrstva rozvoden
Přístrojová vrstva se skládá z jednotek ochran a řídicích jednotek a bývá založena na sběrnici RS-485.
Komunikační vrstva je jádrem celého vzdáleně monitorovaného systému. Nejen, že shromažďuje data z jednotek ochran a zasílá je do nadřazeného řídicího centra, ale také přenáší povely z řídicího centra do řídicích jednotek, např. zapínání a vypínání různých zařízení v systému.
Vrstva rozvoden zajišťuje 100Mbps ethernetové připojení k nadřazeným serverům a zabezpečení pracovních stanic před vlivy nesprávně navržené elektrické izolace a jističů.
Obecně řečeno, zařízení v přístrojové vrstvě sbírají data v reálném čase a předávají je do komunikační vrstvy, která je dále posílá do vrstvy rozvoden. Komunikační vrstva v podstatě funguje jako přenosové centrum, které přijímá data od přístrojové vrstvy i vrstvy rozvoden a proto její výkonnost a spolehlivost zajišťuje spolehlivé fungování celého systému.
Tradiční IPC versus nové vestavěné technologie
V porovnání s tradičními IPC (průmyslové počítače) mají nové technologie vestavných počítačů značný vliv na strukturu řídicích systémů. RISC architektura a náhrada mechanických disků pamětmi flash nebo DOM (disk on module) přináší uživatelům výhody spolehlivého bezventilátorového provozu s nízkou spotřebou energie. Vestavné technologie odstraňují nevýhody tradičních IPC, jejichž důsledkem je nízká životnost. Je to například nutnost instalace přídavných karet pro rozšíření funkce. Tato konstrukce ale obtížně splňuje přísné nároky na odolnost proti vibracím a rázům v nepříznivých průmyslových podmínkách.
K dosažení těchto požadavků používají vestavné systémy vysoce integrovaný design, který zahrnuje řadu potřebných rozhraní, mezi které patří sériové linky, Ethernet a digitální I/O. Tato konstrukce výrazně zvyšuje spolehlivost systému a provozní stabilitu. Kromě toho jsou vestavné počítače dodávány s předinstalovaným operačním systémem (typicky Windows nebo Linux), který představuje ověřenou platformu pro provoz real-time průmyslových aplikací a zajišťuje nízké náklady na provoz a údržbu systému.
V reakci na trend nasazování vestavných systémů při automatizaci rozvoden stále více výrobců (včetně tradičních výrobců IPC) vyrábí počítače pro použití na tomto rostoucím trhu. Nicméně řada těchto výrobců přistupuje k potřebným úpravám jednoduše cestou zmenšování rozměrů svých počítačů, aniž by provedli významné konstrukční změny a softwarové úpravy. Tato strategie není schopna uspokojit požadavky systémových integrátorů na vestavné systémy s podporou sériové a ethernetové komunikace a možností programových úprav.
IEC 61850-3 je standard vytvořený podle požadavků energetiky
Standard IEC 61850 použitý jako jednotný komunikační protokol v rozvodnách poskytuje výhody, které projektantům usnadňují sestavení kompletního ethernetového komunikačního systému. Mezi tyto výhody patří:
Integrovaný protokol: Náklady spojené se zřízením monitorovacího systému v rozvodně, která používá různé komunikační protokoly (např. DNP3.0, UCA, IEC 870-5 …), může být nerealizovatelné. Protokol IEC 61850 je preferovaný, protože programátorům stačí při vývoji monitorovacích aplikací pouze implementace jednoho protokolu.
Údržba a realizace: Projektanti mají snadný výběr komponent a řídicích systémů splňujících požadavky IEC 61850 protokolu a je tak usnadněna implementace a údržba systému.
Time-to-Market: Skutečnost, že přední výrobci jako jsou ABB, Siemens nebo Areva vyrábějí produkty s integrovanou podporou ICE-61850 umožňuje návrh systémů tvořených produkty z běžné nabídky.
Náročné požadavky pro certifikaci podle normy IEC 61850-3
ČSN IEC 61850-3 je identické znění normy EN 61850-3 specifikující požadavky na hardwarovou konstrukci IEC 61850 zařízení používaných v elektrických rozvodných stanicích . Certifikovaná zařízení musí splňovat tři hlavní požadavky zaměřené na EMI, široký rozsah provozních teplot a odolnost proti rázům a vibracím.
Náročné požadavky na ochranu proti EMI: EMC (elektromagnetická kompatibilita), je důležitým faktorem, protože špatně chráněná zařízení mohou být snadno poškozena nebo zničena při působení vysoké hladiny EMI (elektromagnetické rušení). Dosažení potřebné ochrany je pro hardwarové vývoj náročnou fází, protože je nutné použít drahé komponenty odolávající elektromagnetickému rušení. Mimo výběr správných komponent musí být při vývoji vyhrazen dostatek času pro testování skutečné odolnosti.
Rozsah provozních teplot -40°C až +75°C: Široký teplotní rozsah je důležitým požadavkem, neboť v prostředí rozvoden se mohou vyskytovat jak vysoké teploty až do 75°C tak i nízké do -40°C. Požadavky na velký rozsah pracovních teplot mohou být dosaženy efektivním rozptylem tepla při extrémně vysokých teplotách a inteligentním systémem pro vlastní vyhřívání při poklesu na velmi nízké teploty.
Odolnost proti vibracím a rázům: Zařízení certifikovaná podle IEC 61850 musí splňovat náročné limity odolnosti proti rázům a vibracím pro zajištění trvalého provozu i při vypadnutí z úchytů v rozvaděčové skříni. Klíčem ke splnění těchto požadavků je použití ochranných prvků, které tlumí náraz při pádu zařízení.
Jak probíhal vývoj počítače Moxa řady DA, který se stal prvním vestavným počítačem na světě s certifikací IEC-61850-3
Vývojáři byli při návrhu a vývoji vestavného počítače Moxa DA-681-I-DPP-T postaveni před řadu výzev, jejichž překonání bylo odměněno tím, že se tento počítač stal prvním vestavným počítačem na světě s certifikací IEC-61850-3.
EMC: Největší výzvou při návrhu zařízení s velkou EMI odolností je správná volba napěťových regulátorů a omezovacích odporů. Po řadě neúspěšných pokusů se ukázala jako nejvhodnější kombinace dvou napěťových regulátorů a jednoho omezovacího odporu.
Špičkové napětí je nejdříve omezeno prvním regulátorem na úroveň 75V. Dále je omezovacím odporem provedeno oddělení vysokého napětí a proudu a následně druhý napěťový regulátor snižuje napětí na 12V. Tento účinný EMC návrh chrání počítač a jeho komponenty před poškozením účinky napětí a proudu z elektromagnetického rušení.
Široký teplotní rozsah: Počítače Moxa splňující požadavky IEC 61850-3 jsou vybaveny kombinací chladičů a inteligentního vytápění pro provoz při nízkých i vysokých teplotách. Moxa používá patentovaný "L-type" chladič, který je schopen udržet vnitřní teplotu počítače v potřebných mezích i při okolní teplotě +75°C.
"L-type" chladič je tvořen kovovou deskou, která je umístěna uvnitř vestavného počítače a je přiložena k hlavním zdrojům tepla. "L-type" je velmi efektivní, protože účinně pohlcuje uvnitř vyprodukované teplo a předává jej vnější části, která toto teplo rozptyluje do okolí. Kromě toho vestavný počítač používá inteligentní vytápění, které automaticky zvyšuje vnitřní teplotu, pokud je počítač používán v extrémně chladném prostředí.
Odolnost proti vibracím a rázům: Počítač Moxa DA-681-I-DPP-T splňuje požadavky pro odolnost proti rázům a vibracím podle normy IEC 61850-3. Počítače byly rovněž podrobeny pádovému testu z výšky 25cm při běžném provozu pro ujištění, že je dostatečně chráněn i při použití v pohybujících se objektech a při zemětřesení.
Vestavný počítač Moxa DA-681 je speciálně vyvinut pro splnění norem IEC a poskytuje systémovým integrátorům víceportové ethernetové řešení pro automatizaci elektrických rozvodných stanic. DA-681 je použitelný pro celou řadu průmyslových automatizačních úloh včetně sběru a zpracování dat a přímého řízení.
Na následujících stránkách najdete více informací o počítači DA-681 s IEC 61850-3 certifikaci:
www.moxa.com/Event/Sys/2009/IEC_61850-3/index.htm
|
