Podstawowe struktury systemów PMU/PDC

Urządzenia PMU mogą kontaktować się z dowolnymi urządzeniami cyfrowymi. W strukturach WAMS przyjęto, że dane z urządzeń PMU, poprzez odpowiednie łącza, przesyłane są do koncentratorów PDC (ang. Phasor Data Concentrator). Wartości fazorów są obliczane w urządzenia PMU zgodnie z przyjętą częstotliwością raporto-wania (ang. raporting rate), która w przypadku częstotliwości nominalnej sieci, rów-nej 50 Hz, może wynosić 10, 25 lub 50 Hz. W normie dopuszcza się również wyższe oraz niższe częstotliwości raportowania takie, jak np. 100 Hz lub 1/s. Obliczone war-tości urządzenie PMU może wysłać łączem szeregowym w formie ramki danych zbu-dowanej zgodnie z określonym protokołem komunikacyjnym. Do wymiany danych najczęściej wykorzystywane są protokoły telekomunikacyjne, takie jak: IEEE 1344 oraz IEEE C37.118. Standard IEEE 1344 został zastąpiony w 2005 r. standardem IEEE C37.118, który w grudniu 2011 r. przybrał nową, znacznie zmienioną, formę standardu o nazwie IEEE C37.118.2-2011. Należy zaznaczyć, że w przypadku wyko-rzystania do przesyłania danych portów typu Ethernet, zwykle możliwe jest urucho-mienie na nich również innych protokołów obsługi, np. IEC61850 umożliwiających przesyłanie do urządzenia PMU poleceń np. w formie wiadomości GOOSE.

Urządzenia PDC realizują następujące zadania:

• odbiór danych w określonych protokołach (ponieważ w ciągu wielu lat rozwoju technologii PMU opracowano wiele wersji wymiany danych – C37.118B, Ma-crodyne 1, MaMa-crodyne2 or PDC Stream itd.),

• przesyłanie danych łączami asynchronicznymi oraz połączeniami sieci Ether-net/IP z wykorzystaniem TCP, UDP oraz adresowaniem unicast, multi-cast, broadcast,

• porządkowanie przesyłanych danych (wybór fazorów przesyłanych do jedno-stek centralnych),

• korekcję danych (ujednolicanie czasu obliczenia wszystkich fazorów przesyła-nych z PDC, skalowanie oraz konwersja daprzesyła-nych),

• odbiór, interpretację i dalsze przesyłanie informacji do innych systemów (zwy-kle może być realizowane z wykorzystaniem kilku protokołów typowych dla SCADA/EMS, np. IEC61850, DNP),

• prowadzenie rejestracji zdarzeń, w tym monitorowanie uszkodzeń (uszkodzeń PMU),

• odbiór, interpretację i dalsze przesyłanie konfiguracji do urządzeń PMU.

Współczesne PDC w zależności od producenta, swojej mocy obliczeniowej, ro-dzaju i liczby fazorów oraz używanego protokołu telekomunikacyjnego są w stanie odebrać dane z około 100 urządzeń PMU (z założeniem określonej liczby fazorów i innych transmitowanych z nich danych, np. 12 fazorów oraz 4 wartości analogowe) oraz przekazać tę informację w postaci kilkunastu/kilkudziesięciu strumieni do urzą-dzeń lub programów pracujących w systemie nadrzędnym. Następnie dane z koncen-tratorów PDC przesyłane są do komputerów systemów KWSD realizujących funkcje SCADA/EMS oraz komputerów realizujących automatyki prewencyjne (AP).

Funkcje AP lokalne/obszarowe

PMU

PMU PMU ...

PDC

Rys. 6.13. Struktura gwiazdowa systemu PMU/WAMS

Analizując rozwój systemów PMU/WAMS, można wyróżnić następujące ich struktury:

• Strukturę gwiazdową (rys. 6.13), jest to najprostsza struktura, w której wszyst-kie urządzenia PMU przesyłają do jednego koncentratora PDC. Po obróbce da-ne te przekazywada-ne są do komputerów systemu KWSD. Taka struktura ma jed-nak duże ograniczenia, szczególnie podczas realizacji funkcji automatyki przeciwawaryjnej (mała szybkość działania),

• Struktura hierarchiczna, warstwowa (rys. 6.14) eliminuje wady struktury gwiaz-dowej. Wyróżnia się tutaj koncentratory lokalne obsługujące urządzenia PMU. Kolejna warstwa koncentratorów PDC obsługuje koncentratory należące do jed-nego obszaru (rejonu). Koncentrator centralny obsługuje koncentratory obszaro-we. W tej strukturze można rozdzielić zadania, powierzając funkcje automatyki przeciwawaryjnej komputerom lokalnym i obszarowym. Wadą tej struktury jest brak kontaktu między urządzeniami obszarowymi, co może utrudniać realizację automatyk prewencyjnych. AP centralna ... PMU PMU PMU PDC ... PMU PMU PMU PDC ... ... PMU PMU PMU PDC PDC PDC ... System KWSD – SCADA/EMS; funkcje specjalne ... AP obszarowa AP lokalna PDC AP obszarowa

Rys. 6. 14. Struktura hierarchiczna, warstwowa systemu PMU/WAMS

• Struktura oparta na sieciach lokalnych LAN i rozległych WAN (rys. 6.15). Jest to zapewne w tej chwili najbardziej elastyczna platforma komunikacyj-na. Umożliwia tworzenie dowolnych automatyk prewencyjnych lokalnych, obszarowych i centralnych, dostarczanie dowolnych danych dla systemów KWSD. Sieci LAN obsługują stacje elektroenergetyczne – urządzenia auto-matyki (ZZ–zespoły zabezpieczeniowe, PDC – koncentrator), pomiarów, w tym urządzenia PMU. Łącząca sieci LAN sieć rozległa WAN tworzy plat-formę komunikacyjną. Urządzenia automatyki mogą komunikować się za-tem w dowolny sposób.

AP obszarowa AP obszarowa AP centralna

stacja elektroenergetyczna stacja elektroenergetyczna stacja elektroenergetyczna stacja elektroenergetyczna stacja

elektroenergetyczna ^{obszarowe centrum sterowania} PMU ROUTER ZZ ^PDC ROUTER PMU ROUTER ZZ PMU ROUTER PMU ROUTER ZZ ZZ ZZ PMU ROUTER

Rys. 6.15. Przykładowa struktura systemu WAMS oparta na sieci LAN i WAN (dla obszarowego centrum sterowania)

Należy podkreślić, że określone typy koncentratorów są w stanie odebrać i wła-ściwie zinterpretować dane pochodzące z określonych typów urządzeń PMU oraz przesłać je po odpowiedniej obróbce do określonych systemów nadrzędnych. Obecnie najbardziej znanym standardem wymiany danych jest C37.118. Znanych jest wiele wersji tego standardu (C37.118 2005, C37.118B, C37.118 Draft 3.2 oraz najnowsza wersja z 12.2011 r.) wykorzystywanych w wielu typach urządzeń rozmaitych produ-centów. Należy zaznaczyć, że standard IEEE C37.118.2-2012 to dwa dokumenty, z których jeden określa cechy urządzeń PMU, natomiast drugi opisuje wymianę da-nych. W standardzie C37.118 zdefiniowano 4 grupy ramek umożliwiające wykony-wanie określonych zadań:

• Data – dane mierzone przez urządzenie PMU,

• Configuration – konfiguracja urządzenia zawierająca wiele parametrów takich, jak między innymi typ przesyłanych danych, współczynniki kalibracji kanałów itd.,

• Header – opis czytelny dla człowieka przesyłany z urządzenia PMU lub PDC w postaci znaków ASCII,

• Command – polecenia wysyłane do urządzenia PMU lub PDC w celu wykona-nia konfiguracji lub sterowawykona-nia.

Zwykle urządzenia PMU i PDC mogą prowadzić wymianę danych z wieloma urządzeniami w „tym samym czasie”. W przypadku wysyłania wielu strumieni danych możliwe jest zwykle ustawienie rozmaitej ich zawartości, prędkości transmisji oraz formatu. W przypadku wystąpienia błędu w transmisji (spowodowanego np.

niewła-ściwym adresem IDCODE, sumą kontrolną CRC) ramka jest odrzucana bez przesyła-nia jakiejkolwiek zwrotnej informacji o wystąpieniu błędu. W normalnym stanie pracy urządzenie PMU jedynie wysyła ramki danych w standardzie C37.118, jednak zwłasz-cza jeżeli jest to urządzenie wielofunkcyjne, wykorzystujące port Ethernet/IP, zwykle możliwa jest wymiana danych również w innych protokołach, np. IEC61850, w tym także przesyłanie czy odbiór GOOSE. Ramka danych w formacie IEEE C37.118 ma strukturę pokazaną na rysunku 7.17.

first transmitted

MSB LSB

SYNC FRAMESIZE IDCODE SOC FRACSEC

2 2 2 4 4

DATA 1 DATA 2 … DATA n CHK

2 last transmitted

Rys. 6.16. Struktura ramki wymiany danych w formacie IEEE C37.118

Słowo SYNC zapewnia synchronizację oraz identyfikację ramki danych. Bity 6-4 – oznacza typ ramki: Data frame, Header frame, Configuration frame 1..3, Command frame Bity 3-0 – numer wersji ramki: Ver. 1 – Std. C37.118-2005, Ver. 2 – Std. C37.118.2-2012.

Słowo FRAMESIZE informuje o liczbie bajtów w ramce (do 65535).

Słowo IDCODE – numer strumienia danych nadawany przez użytkownika (0 oraz 65535 zastrzeżone).

Słowo SOC – numer sekundy od północy 01.01.1970 (do 2106).

Słowo FRACSEC: Bity 31-24 – informacja nt. jakości znacznika czasu ramki (zdefiniowanej w rozdz. 6.2.2 normy) Bity 23-00 – czas ramki – wartość w tym polu podzielona przez wartość w polu TIME_BASE (z config frame) – > TIME=SOC + FRACSEC/TIME_BASE.

CHK – suma kontrolna CRC-CCITT (wielomian generacyjny: X16+ X12+X5+1). Przedstawione wcześniej (rys. 6.16) struktury ramek wykorzystywane w przeka-zywaniu informacji między kluczowymi urządzeniami systemu WAMS zostały usta-lone w formie standardu C37.118.2 w 12.2011. Ten standard powstał jako konieczne rozwinięcie poprzedniego, który dla wielu zastosowań, tak jak i jego poprzednik, oka-zał się niedostatecznie precyzyjny i elastyczny. Brak właściwej i wspólnej dla wszyst-kich urządzeń PMU struktury danych i co za tym idzie interpretacji danych przesyła-nych z/do urządzeń PMU powodował/powoduje trudności w integracji urządzeń i programów produkowanych przez rozmaitych producentów. Między innymi wspo-mniane trudności w tworzeniu systemu WAMS na początku XXI w. spowodowały, że w 2002 r. opracowano w Chinach dwa typy urządzeń PMU, które są tam instalowane [229]. Usankcjonowaniem tego stanu rzeczy w 2005 r. było opracowanie i

zatwier-dzenie do stosowania przez departament dyspozycji mocy Chin standardu PMU. Pro-blemy z kompatybilnością urządzeń oraz chęć rozpowszechnienia i rozwijania tech-nologii WAMS spowodowały również utworzenie w USA niezależnego otwartego forum wymiany informacji i rozwiązań technicznych związanych z technologią prze-syłania danych WAMS znanego pod nazwą projektu open PDC. Projekt ten rozpo-częła w 2004 r. agencja rządowa TVA (ang. Tennessee Valley Authority). Jego celem było zwiększenie zaawansowania realizacji projektu fazorów we wschodniej części USA (ang. Eastern Interconnection Phasor Project – EIPP). Dzięki tej inicjatywie system fazorów został rozszerzony na całe USA i jest obecnie pod nadzorem NERC (ang. The North American Electric Reliability Corporation) jako NASPI (ang. North American Synchrophasor Initiative) [https://www.naspi.org/].