Chytřejší sítě vyžadují chytřejší rozvodny, které by měly být digitální

• Foto

Digitální zpracování signalizací a měření nabízí vynikající spolehlivost a v oblasti energetické infrastruktury se využívá již několik desetiletí. Většina stávajících elektrických sítí využívá digitální optické sítě pro zajištění spolehlivého a efektivního přenosu dat z automatizačních systémů do rozvoden již dnes. Pro přenos signálů je možné dokonce využít i samotné elektrické vedení. Ale až dnes se začínají výhody standardizovaného digitálního přenosu dat uplatňovat i hlouběji v prostředí rozvoden.

STANDARDY IEC61850

Bez standardů bylo využívání digitálního přenosu dat částečné a roztříštěné a díky vzájemné nekompatibilitě existovala vedle sebe řada různých způsobů přenosu zpráv. ABB stálo u zrodu obecně definovaného standardu IEC61850 a zároveň jej mezi prvními aktivně implementovalo do projektů.

„Komunikační sítě a systémy pro automatizaci v energetických společnostech“, jak zní název normy IEC 61850, je komplexním standardem. Rozděluje funkce automatizace rozvodny do komponent, které např. specifikují funkce jednotlivých zařízení v rozvodnách – jak by spolu měla zařízení komunikovat, co by si měla sdělovat a jak rychlá by tato komunikace měla být. To vše je důležité pro tvorbu konceptu skutečně digitální rozvodny.

Na úrovni stanice je již dnes většina zařízení digitální, a to i v relativně starých instalacích. SCADA systémy (neboli systémy dispečerského řízení a sběru dat) obvykle vyžadují digitální informace a ABB využívá páteřní sítě z optických vláken již více než dvě desetiletí. Mezi úrovní stanice a pole rozvodny mohou optická vlákna rovněž přenášet digitální informace – v souladu se standardem IEC 61850. Má-li ale být rozvodna skutečně digitální, musí jít digitalizace mnohem hlouběji.

DIGITALIZACE DO HLOUBKY

V hlubších úrovních, pod úrovní pole, vládne stále převážně analogový svět. Konvenční primární vybavení, jako jsou proudové a napěťové měřicí transformátory jsou připojeny do IED pomocí paralelních měděných vodičů, které přenášejí analogové signály (viz obr. 1). IED potom slouží jako brána do digitálního světa. Analogové signály jsou převedeny do digitální podoby, zpracovány funkcemi IED (např. ochranami) a případně odeslány po komunikační sběrnici do staničního řídicího systému.

Aby se rozvodna mohla nazývat „digitální“, musí dojít k přechodu na digitální platformu již v okamžiku sběru dat (obr. 2) z primární technologie. Využití zařízení pro digitalizaci primárních vstupů snižuje potřebu lidských zásahů a nasazení digitální procesní sběrnice umožňuje přemístění důležitých zařízení do polí rozvodny. Digitální zařízení, které je umístěno v poli, musí být snadno ovladatelné a v každém směru stejně robustní a spolehlivé jako analogové zařízení, které nahrazuje nebo propojuje (viz obrázek 3).

OPTICKÝ PROUDOVÝ SENZOR FOCS

Požadavky na odolnost a spolehlivost platí i pro nové technologie primárních obvodů, jako je optický proudový senzor ABB (FOCS). FOCS může přímo měřit procházející proud ve vysokonapěťových obvodech rozvoden bez nutnosti využití konvenčního proudového transformátoru (CT), převádějícího proud na standardizované hodnoty. Odstranění proudových transformátorů také eliminuje riziko vzniku vysokého napětí, indukovaného při chybné manipulaci - rozpojením obvodu na sekundární straně měničů CT. Znamená tudíž vyšší bezpečnost obsluhy. 

FOCS využívá pro měření proudu tzv. Faradayova jevu, kdy kolmo polarizovaný světelný paprsek v prstencové optické smyčce vykazuje vlivem elektromagnetického pole vzájemný fázový posun. Posun je přímo úměrný velikosti proudu procházejícím prstencem. FOCS může přímo měřit procházející proud ve vysokonapěťových obvodech rozvoden bez nutnosti využití konvenčního proudového transformátoru (CT), převádějícího proud na standardizované hodnoty. Měření je digitalizováno okamžitě u zdroje a přenášeno jako digitální signál pomocí procesní sběrnice do ochranných a řídicích IED stejně jako do fakturačního měřidla.

Optický proudový senzor zabírá mnohem méně místa než jeho analogový ekvivalent. Lze jej dokonce zabudovat do kombinovaného vypínače s odpojovačem (tak jako to ABB provedlo v roce 2013) s cílem kombinovat funkce vypínače, proudového měření a odpojovače do jednoho zařízení, které ve výsledku umožňuje snížit velikost rozvodny na polovinu.

FOCS je jeden z řady nekonvenčních přístrojových transformátorů (NCIT), které jsou schopny zajistit stoprocentní digitalizaci rozvodny. NCIT musí být stejně spolehlivé jako zařízení, která jsou jím nahrazována - a takové také jsou. ABB během posledních deseti let dodala více než 300 NCIT (kombinované proudové a napěťové senzory zabudované do plynem izolovaného rozvaděče) pro energetickou společnost v australském Queenslandu. Tato společnost dosud nezaznamenala jediný výpadek primárního senzoru.

Díky použití NCIT jsou rozvodny jednodušší, menší a efektivnější.

Ne vše ale může být digitální – výstupy z konvenčních proudových a napěťových transformátorů budou analogové i nadále. Není ani důvod nahrazovat měřicí transformátory. Přechod na digitální platformu může zajišťovat nezávislá slučovací jednotka umístěná hned vedle stávajícího přístrojového transformátoru. Optická vlákna pak mohou nahradit měděné kabely spojující primární zařízení s ochrannými a řídicími IED.

PROCESNÍ SBĚRNICE

Jako vodič je každý kus mědi v rozvodné síti potenciálním rizikem, například pokud jsou obvody nesprávně odpojeny (jako se to může stát u sekundárního proudového transformátoru). Lehce potom dojde k dotyku osoby s částí obvodu pod napětím nebo ke vzniku elektrického oblouku. Méně mědi přináší větší bezpečnost pro pracovníky i zařízení. Digitální rozvodna snižuje množství mědi tím, že využívá digitální procesní sběrnici, v níž jsou využita optická vlákna nebo bezdrátovou síť (jako např. ABB technologie Tropos). Pouhé odstranění mědi může za určitých okolností zdůvodnit přechod na digitální platformu. Přechod k digitální formě může snížit spotřebu mědi v rozvodně až o 80%. To znamená podstatné úspory peněz a, což je mnohem důležitější, významné zvýšení bezpečnosti.

Procesní sběrnice rovněž zvyšuje flexibilitu – digitální zařízení spolu mohou komunikovat napřímo (viz obr. 4). Pro tyto účely IEC 61850 definuje protokol GOOSE (generická objektově orientovaná událost v rozvodně) pro rychlý přenos binárních dat. Část 9-2 uvedeného standardu popisuje přenos hodnot zařazených do vzorku pomocí Ethernetu. Tyto principy zajišťují včasné dodání dat s vysokou prioritou pomocí jinak nepředvídatelného ethernetového spojení. Portfolio ethernetových switchů AFS od ABB plně podporuje tento kritický aspekt přenosu zpráv v rámci rozvodny.

INSTALACE

První komerční instalace ABB podle IEC 61850-9-2 proběhla v roce 2011 v rozvodně Loganlea společnosti Powerlink Queensland. Využití slučovacích jednotek a IED v souladu s IEC 61850-9-2 a nekonvenčních měničů udělalo z této instalace významný krok v evoluci koncepce rozvoden.

Projekt byl součástí modernizace stávající rozvodny tak, aby splňovala normu IEC 61850 a přechodem na digitalizaci byla efektivně připravena na budoucí požadavky a nároky. ABB navrhlo na základě specifikací společnosti Powerlink řešení ve formě retrofitu, které lze v případě potřeby využít i pro dalších pět rozvoden společnosti.

Dvě z těchto rozvoden, Millmerran a Bulli Creek prošly modernizací již v roce 2013 a 2014. Obě jsou nyní vybaveny systémem MicroSCADA Pro SYS600 a komunikační gateway RTU560, které komunikují s ochranami Relion 670, s řídicími IED a s ochranou přípojnic REB500. Všechna tato zařízení komunikují pomocí IEC 61850-9-2 se slučovacími jednotkami měření proudu a pomocí protokolu IEC 61850 se zařízeními na úrovni rozvodny.

V porovnání s analogovou je plně digitální stanice menší, spolehlivější a také náklady na celý životní cyklus jsou nižší. Rovněž její údržba je jednoduší, stejně jako případné rozšíření. V neposlední řadě nabízí vyšší bezpečnost a efektivitu.

Ne každá rozvodna ale musí být katapultována do digitálního světa – vždy záleží na konkrétní velikosti a typu a na tom, zda se jedná o novou stanici nebo retrofit sekundárního systému. Je proto možné využít různé přístupy a řešení.

Rozsáhlé zkušenosti ABB s IEC 61850 stejně jako portfolio nekonvenčních přístrojových transformátorů (NCIT), chránicích a řídicích IED, stejně jako řešení automatizace rozvoden usnadňuje energetickým společnostem vstup do digitálního světa. Flexibilní řešení pak umožňují energetickým společnostem určovat si vlastní rychlost přerodu směrem k digitálním rozvodnám.

Smarter networks require smarter substations—and they should be digital
The concept of the digital substation has long been seen as a sidelight—an ideal vision of an "omnipotent" substation connected to a "smart" network. But now the concept has become feasible in practice, and it has become possible to discuss the specific factors that make a substation "digital", and why this is desirable. The article describes the need to create digital substation standards and the depth of data collection; the FOCS optical current sensor is detailed, and the first ABB commercial installation conforming to IEC standards is described, at the Loganlea substation of Powerlink Queensland in 2011.

Autor

• Andrejčák Michal