Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) wykorzystywane w elektroenergetyce

Czym są systemy sterowania i nadzoru (SSiN)?

Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) pozwalają na zarządzanie w czasie rzeczywistym infrastrukturą krytyczną elektroenergetyczną spółek przesyłowych czy dystrybucyjnych, a także przedsiębiorstw wytwórczych i przemysłowych. Ich podstawowym zadaniem jest dostarczenie informacji o aktualnym stanie sieci elektroenergetycznej lub wybranego obiektu, wspieranie dyspozytorów w procesie monitorowania i sterowania oraz dostarczanie niezbędnych danych pozwalających na prowadzenie zadań realizowanych przez operatora w zakresie zarządzania majątkiem, planowania czy inwestycji. Dostarczają również niezbędnych informacji wymaganych do oceny pracy sieci elektroenergetycznej na danym obszarze czy danych niezbędnych dla uczestników rynku energii.

Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) to nie tylko rozwiązania wykorzystywane do zarządzania pracą sieci przesyłowej czy dystrybucyjnej, stosuje się je również w stacjach elektroenergetycznych, biogazowniach, elektrowniach wodnych, farmach fotowoltaicznych oraz innych źródłach rozproszonych (DER). Przeznaczenie tych systemów determinuje ich budowę, funkcjonalność czy podział na współpracujące moduły dostarczające niezbędne informacje dla wybranych działów operatora, który je wykorzystuje.

Architektura SSiN

Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) to zintegrowane platformy operacyjne slużące do zarządzania siecią o znaczeniu krytycznym w czasie rzeczywistym. Zostały zaprojektowane i wykonane tak, aby umożliwić operatorowi wykorzystanie wszystkich dostępnych zasobów w celu niezawodnego oraz wydajnego działania. Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) zapewniają pojedynczy, wspólny interfejs użytkownika dla SCADA (ang. Supervisory Control and Data Acquisition), EMS (ang. Energy Management System), DMS (ang. Distribution Management System), OMS (ang. Outage Management System), DERMS (ang. DER Management System) i inżynierii danych.

Co ważne, architektura SSiN może być opisana warstwowo w wielu wymiarach. W wymiarze interoperacyjności tworzą ją warstwy, takie jak:

• sprzętowa,
• komunikacyjna,
• informacyjna,
• funkcjonalna,
• biznesowa.

W wymiarze obszarów zarządzania można wyróżnić poziomy:

• stacji (dokładnie: procesu, pola, stacji),
• rejonu,
• sieci dystrybucyjnej,
• sieci przesyłowej,
• Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE),
• Europejskiego Systemu Elektroenergetycznego (ENTSO).

W warstwie sprzętowej na poziomie stacji wykorzystywane są sterowniki polowe, sterowniki stacyjne, przekaźniki elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej (EAZ), rejestratory zakłóceń, rejestratory zdarzeń, komputery stacyjne oraz liczniki energii. Wszystkie te urządzenia tworzą lokalny system SCADA pozwalający na monitorowanie i zarządzanie pracą stacji poprzez SMS (ang. Substation Management System) ze stanowiskiem HMI. Elementy krytyczne są dublowane.

W warstwie komunikacyjnej stosowane są natomiast technologie i protokoły komunikacyjne przeznaczone dla danego obszaru, np. IEC 61850 w obrębie stacji oraz DNP3 lub IEC60870-6 do wymiany danych z centrum nadzoru. Obowiązuje tu zasada stosowania połączeń redundantnych.

W warstwie informacyjnej z kolei wykorzystuje się środowisko wieloserwerowe tworzące system czasu rzeczywistego, uzupełnione o rozproszony system baz danych używany do składowania i przetwarzania informacji. Serwery wykorzystują standardowe platformy systemów operacyjnych oraz standardowe systemy baz danych. Dostęp do danych oparty jest na architekturze zorientowanej na usługi (SOA).

Cechy szczególne SSiN

Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) dostarczane przez różnych producentów charakteryzuje kilka wspólnych cech. Należą do nich m.in.:

• modułowa budowa – urządzenia fizyczne i oprogramowanie tworzą moduły konfigurowane do aplikacji użytkownika,
• skalowalność – dzięki modułowej budowie systemy sterowania i nadzoru (SSiN) są skalowalne stosownie do potrzeb zarówno dla małych, jak i dużych projektów, co zapewnia możliwość optymalnego dostosowania ich do wymagań wybranej sieci lub obiektu,
• uniwersalność – moduły SSiN bazują na sprawdzonych rozwiązaniach technicznych z zakresu systemów informatycznych i przetwarzania danych,
• standaryzacja – budowę poszczególnych modułów i wymianę informacji pomiędzy nim oparto na międzynarodowych standardach,
• otwartość – standaryzacja umożliwia współpracę poszczególnych elementów systemu z aplikacjami i urządzeniami dostarczanymi przez różnych producentów,
• integracja – możliwość udostępniania zgromadzonych informacji oraz ich pobieranie z innych platform wykorzystywanych w elektroenergetyce, np. Rynek Energii,
• niezawodność – zapewniona jest przez stosowanie rozproszonej architektury SSiN, wykorzystywanie połączeń redundantnych, prowadzenie procedur autotestowania zarówno po stronie modułów aplikacji, jak i urządzeń, procesów komunikacji czy stosowanych algorytmów przetwarzania danych,
• dostępność – informacje gromadzone w czasie rzeczywistym oraz retrospektywne, dostępne są dla użytkowników zgodnie z ich potrzebami i uprawnieniami, a do ich prezentacji wykorzystuje się różne formy graficzne i edycyjne,
• bezpieczeństwo – jest gwarantowane przez konieczność autoryzacji dostępu, rejestrację każdej aktywności, bezpieczeństwo systemów informatycznych oraz wymiany informacji pomiędzy współpracującymi urządzeniami.

Zapewnienie wspomnianych cech sprawia, że systemy sterowania i nadzoru (SSiN) gwarantują niezawodną i efektywną pracę nawet w przypadku zmian zachodzących w systemach elektroenergetycznych oraz w regulacjach prawnych.

Standaryzacja SSiN

Budowa systemów sterowania i nadzoru (SSiN) opiera się na wielu międzynarodowych standardach wykorzystywanych przez wszystkich producentów. Opisują one strukturę przetwarzanych informacji, metody dostępu do nich, sposoby wymiany danych pomiędzy urządzeniami czy zasady bezpieczeństwa komunikacji. Dzięki temu systemy sterowania i nadzoru (SSiN) opracowane przez różnych producentów, zaimplementowane na odmiennych poziomach w sieci elektroenergetycznej lub działających u różnych operatorów, umożliwiają wzajemną współpracę. Jednocześnie standardy te pozwalają producentom na pewną swobodę w modelowaniu tworzonych systemów, przy jednoczesnym zachowaniu wymogu kompatybilności.

Do najważniejszych należy m.in. standard opisujący model informacji CIM (ang. Common Information Model). Jest to model abstrakcyjny, który reprezentuje wszystkie główne obiekty w przedsiębiorstwie elektroenergetycznym wykorzystane w jego operacjach. Stworzono tu znormalizowany sposób przedstawiania zasobów systemu elektroenergetycznego, jako klas obiektów i atrybutów wraz z ich związkami, w tym celu wykorzystano strukturę języka XML. CIM opisuje informacje, takie jak topologia sieci, parametry elementów sieci, powiązania elementów czy pomiary. Precyzuje sposób prezentacji danych i ich wymiany. Do jego najważniejszych części należą:

• IEC 61970 – grupa standardów, która koncentruje się na potrzebach przesyłu energii elektrycznej, gdzie opisane zastosowania to system zarządzania energią, SCADA oraz planowanie i optymalizacja,
• IEC 61968 – grupa standardów, która rozszerza model CIM tak, aby odpowiadał potrzebom dystrybucji energii elektrycznej, gdzie odnośne zastosowanie to system zarządzania siecią dystrybucyjną, system zarządzania włączeniami, planowanie, pomiar, organizacja pracy, system informacji geograficznej, zarządzanie aktywami, system informacji o klientach oraz planowanie zasobów przedsiębiorstwa

Istnieją również standardy komunikacyjne wykorzystywane w automatyce systemu i stacji. Ze względu na dużą liczbę różnych rozwiązań komunikacji przewodowej i bezprzewodowej stosowanej w zarządzaniu siecią elektroenergetyczną wymieniono poniżej jedynie kilka przykładów:

• IEC 60870 – 5 – grupa standardów opisująca metody wymiany danych pomiędzy urządzeniami automatyki stacyjnej oraz pomiędzy stacjami i centrum nadzoru, IEC 60870-5-101 definiuje komunikację dla telemechaniki rozproszonej wykorzystującej łącza asynchroniczne, a standard IEC 60870-5-104 komunikację w TCP/IP,
• IEC 60870 – 6 (TASE.2) – standard komunikacyjny wykorzystywany do transmisji danych pomiędzy centrami nadzoru operatorów współpracujących ze sobą systemów,
• IEEE Std 1815 (DNP3) – protokół komunikacyjny sieci dystrybucyjnej, wykorzystywany przez dostawców energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych i wielu innych krajach na świecie, w tym również w Polsce, który pozwala na użycie łącz szeregowych oraz sieci komputerowych opartych na TCP/IP,
• IEC 61850 – standard zawierający 10 dokumentów podstawowych oraz kilkadziesiąt dokumentów rozszerzających, jest obecnie podstawą do budowy systemów SCADA tworzących automatykę stacji oraz sieci elektroenergetycznej,
• IEEE 1547 – standard proponowany Smart Grid, ustanawia kryteria i wymagania dotyczące wzajemnych połączeń rozproszonych zasobów energii (DER) z systemami elektroenergetycznymi oraz powiązanymi interfejsami, zawiera wymagania dotyczące wzajemnych połączeń i interoperacyjności, działania, testowania, bezpieczeństwa, konserwacji i ochrony.

Obowiązują także standardy zarządzania bezpieczeństwem w zakresie komunikacji, dostępu do danych oraz manipulowania danymi. Jako przykład można podać IEC 62351 zawarty w kilkunastu dokumentach, który opisuje metody gwarantujące bezpieczeństwo wymiany danych na poziomie komunikacji oraz aplikacji, a także IEC 27001 opisujący proces autoryzacji dostępu oraz rejestrację zmian dokonywanych przy manipulacji danymi.

Ponadto należy mieć na uwadze kodeksy sieciowe, Instrukcje Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej oraz Instrukcje Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej, które zawierają bieżące wytyczne dotyczące wymagań (stawianych przez operatorów wynikające z przepisów Prawa Energetycznego czy przyjętych regulacji międzynarodowych), jakie mają spełniać systemy sterowania i nadzoru (SSiN).

Budowa i funkcjonalności systemów sterowania i nadzoru (SSiN)

Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) mają budowę modułową, która pozwala na dostosowanie architektury w warstwie funkcjonalnej do potrzeb i wymagań operatora. Dlatego nie istnieją z góry ustalone architektury, a poszczególne rozwiązania mogą różnić się między sobą listą wykorzystanych modułów funkcjonalnych oraz ich wzajemnym usytuowaniem względem siebie.

Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) typu SCADA

SCADA (ang. Supervisory Control and Data Acquisition to system oparty na urządzeniach EAZ i telemechaniki realizujących archiwizację danych, sterowanie, obsługę dzienników zdarzeń, rejestrację zakłóceń czy pomiarów wybranych wielkości elektrycznych oraz innych. Umożliwia wizualizację stanu obwodów pierwotnych i wtórnych stacji, prezentacje topologii danego obszaru sieci czy monitorowanie stanu wybranych urządzeń, np. transformatorów. Podstawowym standardem wykorzystywanym w nowych projektach jest IEC 61850, a opcjonalnie dopuszcza się stosowanie starszych.

Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) typu NMS

NMS (ang. Network Management System) to oprogramowanie działające w czasie rzeczywistym, wykorzystujące dane dostarczone przez SCADA udostępniające funkcje i mechanizmy wspierające dyspozytora nadzorującego pracę sieci elektroenergetycznej. Analizuje dane obiektowe w celu identyfikacji oraz oceny zdarzeń, obserwacji zmiany stanów, a także poprawności działania aparatury łączeniowej i zabezpieczającej. Nowoczesny interfejs HMI (ang. Human Machine Interface) zwiększa świadomość sytuacyjną operatora oraz zapewnia ulepszone wsparcie decyzyjne, skracając czas reakcji. Oferuje również możliwość zastosowania innych modułów i funkcjonalności, takich jak obsługa wyłączeń, ocena jakości energii czy przekazywanie danych dla Rynku Energii.

Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) typu EMS

EMS (ang. Energy Management System) to moduły umożliwiające zarządzanie generacją i przepływem energii. W oparciu o dane pomiarowe dostarczone przez NMS pozwalają na bilansowanie systemu, prognozowanie obciążeń oraz optymalne zarządzanie zasobami energii.

Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) typu GMS

GMS (ang. Generation Management System) to moduły odpowiadające za zarządzanie generacją w systemie. Czasami traktowane są jako element EMS. Można je podzielić ze względu na dodatkowe funkcjonalności opisane jako:

• AGC (ang. Automatic Generation Control) – kontrola generacji, planowanie wymiany międzynarodowej, kontrola wymiany międzynarodowej,
• ECD (ang. Economic Cost Dispatch) – ekonomiczny rozdział obciążeń, kontrola kosztów wytwarzania,
• RM (ang. Reserve Monitoring) – zarządzanie bezpieczeństwem systemu, rezerwa mocy.

Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) typu NA

NA (ang. Network Analysis) to moduły oferujące operatorowi wsparcie w zakresie podejmowania decyzji zarówno w pracy bieżącej, jak i planowanych operacjach łączeniowych. Zawierają wiele różnych aplikacji obliczeniowych do których należą m.in. analiza stanu sieci, estymacja stanu, planowanie obciążeń węzłów, rozdział obciążeń, obliczenia zwarciowe, obliczanie przekroczeń, optymalizacja rozpływów, 0ptymalizacja poziomów napięć i minimalizacja strat w sieci, analiza stabilności czy planowanie i zarządzanie włączeniami. Dostępność poszczególnych aplikacji jest zależna od zadań realizowanych przez danego operatora.

Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) typu DMS

DMS (ang. Distribution Management System) to moduły oferujące wsparcie na poziomie sieci dystrybucyjnej – pracy służb energetycznych, gospodarki zasobami, planowania remontów oraz innych prac ruchowych. Umożliwiają ewidencję prowadzonych działań, protokołów badań, oględzin, pomiarów, nastaw zabezpieczeń itp.

Moduły typu OMS

OMS (ang. Outage Management System) to moduły analizujące zmiany sieci energetycznej, identyfikujące zdarzenia (wyłączenia) powodujących utratę zasilania wybranych fragmentów. Podstawowym ich zadaniem jest analiza przerw w zasilaniu fragmentów sieci i odbiorców oraz rejestracja awarii. Z danych tych mogą korzystać moduły zarządzające awariami i ich usuwaniem oraz wyliczające współczynniki jakościowe.

Moduły typu SMS

SMS (ang. Substation Management System) to moduły umożliwiające monitorowanie i sterowanie lokalnym systemem SCADA w obrębie stacji elektroenergetycznej. Oferuje część funkcji NMS, ograniczonych do rozpatrywanego obiektu, które mogą być uzupełnione o dodatkowe informacje procesowe.

Moduły typu HIS

HIS (ang. Historical Information System) to moduły zarządzania danymi retrospektywnymi zgromadzonymi w bazach danych, odpowiadające za ich przechowywanie, kompresję oraz monitorowanie zmian. Tworzą również interfejs dostępu dla użytkowników.

Moduły typu TS

TS (ang. Training Simulator) to moduły pracujące w trybie off-line, w którym na rzeczywistym modelu sieci można szkolić operatorów oraz testować i analizować konsekwencję podejmowanych działań.

Zakres wykorzystania poszczególnych funkcjonalności zależy od potrzeb operatora, co jest determinowane rodzajem sieci lub obiektu, którym zarządza. Systemy sterowania i nadzoru (SSiN) zawierają czasem również aplikacje rozszerzające działanie poszczególnych modułów wychodzących naprzeciw oczekiwaniom i potrzebom operatorów. Poszczególni producenci mogą ponadto stosować własne nazwy modułów funkcyjnych lub tworzyć z nich odrębne systemy.

Należy zauważyć, że rozwój technologii wykorzystywanych w sieciach elektroenergetycznych w obszarach pomiarów, komunikacji czy generacji prowadzi do powstania nowych funkcjonalności, które w przyszłości mogą pojawiać się w Systemy sterowania i nadzoru (SSiN). Przykładem jest m.in. WAMS (ang. Wide Area Monitoring Systems) wykorzystujący pomiary synchrofazorowe.