Automatyka zabezpieczeniowa z użyciem GOOSE w IEC 61850 dla rozdzielni SN na przykładzie RS Grzybowa

Siemens od lat jest firmą przodującą we wdrażaniu najnowszych rozwiązań w dziedzinie automatyki zabezpieczeniowej oraz telemechaniki. Podobnie jest w przypadku projektów zrealizowanych w oparciu o standard IEC 61850, w którego tworzeniu aktywny udział brała nasza firma. Pierwsza na świecie stacja z IEC 61850 została uruchomiona przez firmę Siemens zaledwie 6 miesięcy od wdrożenia nowego standardu (stacja 16 kV Winznauschachen w Szwajcarii – listopad 2004 r.). Z kolei największą instalacją liczącą 134 pola była uruchomiona w kwietniu 2005 r. – dla kopalni odkrywkowej – stacja w RWE Power – Garzweiler.

W Polsce natomiast jako pierwsza z IEC 61850 została oddana do użytku stacja 220/110 kV Łośnice (maj 2006 r.), a do dziś zrealizowano już dziesięć kolejnych obiektów WN. Standard IEC 61850 na różnych stacjach w Polsce był stosowany do tej pory głównie w telemechanice stacyjnej oraz w realizacji blokad międzypolowych, nie wykorzystując w pełni wszystkich możliwości, jakie daje ten standard. Vattenfall Distribution Poland jako pierwszy zdecydował się wykorzystać możliwości, jakie niesie ze sobą IEC 61850 i zlecił nam realizację automatyk zabezpieczeniowych z wykorzystaniem funkcjonalności GOOSE w standardzie IEC 61850 na stacji RS Grzybowa w Rybniku.

Opis zastosowanych urządzeń oraz schemat komunikacji

Na stacji zastosowano wielofunkcyjne zabezpieczenia 7SJ64 oraz 7VE61 z serii SIPROTEC4 firmy Siemens, dzięki którym zrealizowano wszystkie automatyki zabezpieczeniowe. Zabezpieczenia w polach zasilających, odpływowych, sprzęgła oraz pomiaru napięcia mają funkcje odpowiednio dobrane dla tych pól. Każdy przekaźnik został wyposażony w pracujący w standardzie IEC 61850 interfejs komunikacyjny z podwójnym portem optycznym 100 Mbit/s Ethernet (interfejs ten zachowuje się w sieci jak switch), dzięki czemu możliwe było stworzenie dwóch pierścieni komunikacyjnych (ring) – po jednym na każdą sekcję rozdzielni. Takie rozwiązanie uczyniło układ redundantnym oraz bardzo odpornym na zakłócenia.

Oba pierścienie zamykają się na przełączniku sieciowym (switch) RS8000H firmy Ruggedcom,  wspierającym funkcjonalność GOOSE oraz protokół RSTP (protokół stosowany przy tworzeniu pierścieni w sieci Ethernet). Połączenia pomiędzy wszystkimi urządzeniami w pierścieniach komunikacyjnych zrealizowano przy użyciu wielomodowych światłowodów 62,5/125. Wspomniany wyżej przełącznik sieciowy, oprócz wykorzystanych do tworzenia pierścieni, czterech par interfejsów optycznych, jest wyposażony także w cztery wejścia LAN, do których podłączone są: koncentrator telemechaniki SICAM PAS Station Unit firmy Siemens, serwer portów 4xRS232/LAN firmy MOXA, zegar GPS 6842 SlimLine firmy Hopf oraz switch firmy CISCO.

Koncentrator SICAM PAS, na którym opiera się cała telemechanika stacyjna, obsługuje następujące
protokoły komunikacji:

• IEC 61850 – komunikacja z zabezpieczeniami,
• IEC 103 – komunikacja z urządzeniami na rozdzielni potrzeb własnych,
• DNP3 – komunikacja z systemem nadrzędnym (ZDR).

Serwer portów firmy MOXA jest traktowany jako rozszerzenie portów komunikacyjnych koncentratora SICAM PAS i wykorzystany do komunikacji z urządzeniami po protokole IEC 103 oraz z systemem nadrzędnym po protokole DNP3. Synchronizacja czasu na stacji jest dokonywana przez zegar GPS firmy
Hopf, który jest zarazem serwerem czasu dla wszystkich urządzeń w sieci. W celu wprowadzenia
sygnalizacji stykowej oraz realizacji dodatkowych sterowań na rozdzielni potrzeb własnych, w szafie telemechaniki zainstalowano sterownik polowy 6MD61, który podobnie do zabezpieczeń, ma optyczny interfejs komunikacyjny IEC 61850, dzięki któremu włączony został do jednego z pierścieni komunikacyjnych stacji. Poprzez przełącznik sieciowy CISCO, obsługa  stacji, która ma odpowiednie uprawnienia, może mieć zdalny dostęp do urządzeń na stacji. Schemat komunikacyjny przedstawiono na rysunku 1.

Automatyki zabezpieczeniowe

Na stacji RS Grzybowa, oprócz blokad międzypolowych, korzystając z technologii GOOSE zostały zrealizowane następujące automatyki zabezpieczeniowe:

• zabezpieczenie szyn zbiorczych ZS,
• lokalna rezerwa wyłącznikowa LRW,
• samoczynne częstotliwościowe odciążenie SCO wraz SPZ po SCO,
• samoczynne załączenie rezerwy SZR.

Zabezpieczenie szyn zbiorczych ZS

Zabezpieczenie szyn zbiorczych zostało zrealizowane drogą cyfrową przy użyciu technologii GOOSE w standardzie IEC 61850. Program działania ZS stworzono, korzystając z logiki programowalnej CFC i zaimplementowano w zabezpieczeniach 7SJ64, zainstalowanych w polach zasilających oraz sprzęgła. Automatykę ZS można załączyć/wyłączyć lokalnie wybierając odpowiednią opcję na panelu sterowniczym zabezpieczenia oraz zdalnie z systemu SSiN. Zwarcie na szynach zbiorczych jest wyłączane z krótkim czasem stopnia nadprądowego ZS. Sygnalizacja pobudzenia stopnia nadprądowego przeciążeniowego z pól odpływowych danej sekcji oraz z pola sprzęgła trafia telegramem GOOSE do danego pola zasilającego, gdzie powoduje blokowanie stopnia nadprądowego ZS. Do zabezpieczenia 7SJ64 w polu sprzęgła doprowadzona jest sygnalizacja pobudzenia stopnia przeciążeniowego ze wszystkich pól odpływowych.

Zgodnie z wytycznymi klienta stworzono dodatkowo rezerwowy tor działania zabezpieczenia szyn oparty na obwodach okrężnych ZS (tradycyjne rozwiązanie). Zanik napięcia sterowniczego ZS oraz równoczesna sygnalizacja błędnego statusu telegramu GOOSE powoduje blokadę zabezpieczenia szyn. Odblokowanie ZS następuje wtedy, gdy jeden z torów działania zabezpieczenia wróci do poprawnej pracy.