Referentna arhitektura za napredne elektroenergetske sustave

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA
ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ
10. savjetovanje HRO CIGRÉ
Cavtat, 6. – 10. studenoga 2011.
D2-02
Stjepan Sučić
Končar-KET d.d.
stjepan.sucic@koncar-ket.hr
Božo Kopić
Končar-KET d.d.
bozo.kopic@koncar-ket.hr
Hrvoje Keserica
Končar - KET d.d.
hrvoje.keserica@koncar-ket.hr
Ante Martinić
Končar - KET d.d.
ante.martinic@koncar-ket.hr
REFERENTNA ARHITEKTURA ZA NAPREDENE ELEKTROENERGETSKE
SUSTAVE
SAŽETAK
Uspješan i ubrzan razvoj naprednih elektroenergetskih sustava (eng. Smart Grids) uvelike je
povezan sa standardizacijskim aktivnostima međunarodnih tehničkih odbora. IEC (eng. International
Electrotechnical Commission) svoju viziju budućih naprednih elektroenergetskih sustava predstavlja kroz
referentnu arhitekturu koja se temelji na IEC standardima proizašlim iz rada tehničkog odbora TC57 i
njegovih radnih grupa. Analizom dosadašnjih rezultata na području standardizacije automatizacijskih
sustava u elektroenergetskom sustavu (EES) ustanovljeno je kako postoji niz slučajeva u kojima se
danas značajno prihvaćeni industrijski standardi uvelike preklapaju i na taj način stvaraju moguće
probleme za integratore sustava. Preklapanje područja definicije određenih standarda uzrokovano je
međusobno neovisnim radom TC57 radnih grupa. Najočitiji primjer navedenog problema očituje se u
postojanju dvaju informacijskih modela predstavljenih standardima IEC 61970 i IEC 61850. Informacijski
model u standardu IEC 61870 (eng. CIM – Common Information Model) temelji se na objektno
orijentiranom topološkom modelu EES-a, dok se u standardu IEC 61850 informacijski model temelji na
funkcionalnom modelu uređaja na razini postrojenja. Zbog ovog i sličnih razloga došlo je do razvoja IEC
preporuka u obliku referentne arhitektura kojom bi bili određeni međusobni odnosi standarda.
U ovom članku dan je pregled standarda IEC 62357 čijom objavom će se odrediti načini
zajedničke primjene IEC standarda namijenjenih automatizaciji EES-a. Ovaj standard omogućuje
olakšanu integraciju i automatizaciju u elektroenergetskoj mreži, usklađenost sa postojećim tehničkim
rješenjima te predstavlja temelj za buduću arhitekturu naprednih elektroenergetskih sustava.
Ključne riječi: referentna arhitektura, napredni elektroenergetski sustav, IEC 62357
REFERENCE ARCHITECTURE FOR THE SMART GRIDS
SUMMARY
Successful and rapid Smart Grids evolution is directly related to international standardization
activities. International Electrotechnical Commission (IEC) promotes its Smart Grids vision by
representing reference architecture based on IEC standards created by TC57 technical committee and its
working groups. By analyzing ongoing standardization efforts regarding power systems automation it is
concluded that there are number of cases in which definitions overlap in current globally accepted
industrial standards. This is causing potential pitfalls for system integrators. Overlapping is mainly caused
by lack of communication between TC57 working groups. Most obvious example of aforementioned
problem is creation of two information models for power systems. Common Information Model (CIM)
introduced by IEC 61970 represents power system topology and IEC 61850 information models are
1
based on device-oriented semantics. For this and similar reasons TC57 has developed IEC
recommendations in a form of referent architecture which defines relationships among TC57 standards.
This article provides an overview of IEC 62357 which defines guidelines for applying IEC
standards related to power system automation. This standard enables seamless and facilitated
integration and automation in power systems, harmonization of available technical solutions and
represents groundwork for future Smart Grids.
Key words: reference architecture, Smart Grids, IEC 62357
1.
NAČELA REFERENTNE ARHITEKTURE U ELEKTROENERGETSKOM SUSTAVU
Razvoj standarda u domeni automatizacije elektroenergetskog sustava (EES) donio je niz
prednosti i poboljšanja za sustave upravljanja, nadzora i zaštite EES-a. Najveća prednost se očituje u
jednostavnosti i brzini integracije novih sustava pri čemu su značajno umanjeni problemi uzrokovani
komunikacijskom i funkcijskom nekompatibilnošću opreme.
IEC TC57 je odgovoran za razvoj ključnih standarda kojima su određena pravila i načela
automatizacije EES-a. Unatoč činjenici da su standardi proizašli iz TC57 radnih grupa načelno neobvezni
dokumenti, zbog svoje značajne industrijske primjene, oni su postali globalno prihvaćena pravila rada
današnjih automatiziranih EES-ova. Osnovne namjene referentne TC57 arhitekture predstavljane IEC
62357 standardom su:
uskladiti primjenu postojećih standardiziranih rješenja,
odrediti područja preklapanja određenih rješenja i dati nacrte usklađivanja,
odrediti buduće smjerove razvoja referentne arhitekture.
1.1.
Pristupi i metodologije prilikom opisivanja referentne arhitekture
Kako bi se uskladili odnosi među različitim standardima koji se primjenjuju za ostvarivanje
referentne arhitekture, IEC 63357 [1] predlaže korištenje integracije temeljene na modelima (eng. Model
Driven Integration - MDI) [2], što bi bio temelj za ostvarivanje arhitekture temeljene na modelima (eng.
Model Driven Architecture – MDA) [3]. MDA i MDI principi omogućavaju stvaranje apstraktnih
funkcionalnih modela koji su neovisni o implementacijskoj tehnologiji. Na taj način moguće je jednostavno
unaprijediti već postojeća rješenja primjenom novih tehnologija bez izmjene osnovnih funkcionalnosti.
Najočitiji takav primjer je primjena Web Servisa kao aplikacijskog protokola za ostvarivanje komunikacije,
prilikom čega su omogućene prednosti korištenja Servisno Orijentirane Arhitekture (SOA) [4].
Primjena MDA i MDI principa za opis referentne arhitekture uvjetovana je ograničenjima trenutno
postojećih IEC TC57 standarda koji su nastali kao rezultat nezavisnih radnih grupa (eng. Working Group WG). Također, različiti standardi su razvijani za posebne funkcionalnosti sustava i nisu uzimani u obzir
rubni slučajevi integracije koji bi omogućili jednostavno usklađivanje funkcionalnosti.
2.
IEC TC57 STANDARDI I RADNE GRUPE UKLJUČENI U REFERENTNU ARHITEKTURU
U ovom poglavlju ukratko su opisani TC57 standardi uključeni u referentnu arhitekturu kao i
njihova osnovna obilježja.
2.1
IEC 60870-5
Ovim skupom standarda opisani su pouzdani komunikacijski protokoli namijenjeni daljinskom
nadzoru i upravljanju automatiziranim postrojenjima u EES-u [5]. Komunikacijski profil prvotno je definiran
za korištenje serijske [6] a kasnije i TCP/IP veze [7]. Opisani podatkovni modeli ne uključuju semantiku
procesnih informacija već samo daju informaciju o tipu podatka. Prvenstveno se koriste sa razmjenu
podataka između daljinski upravljivih jedinica (eng. Remote Terminal Unit - RTU) i SCADA (eng.
Supervisory Control and Data Acquisition) sustava. Za razvoj i održavanje odgovorna je radna
grupa WG3.
2
2.2
IEC 60870-6
Skup standarda za opisivanje aplikacijske i komunikacijske arhitekture za razmjenu podatka u
stvarnom vremenu (eng. real-time data) između upravljačkih centara [8]. Poznatiji je pod nazivom TASE.2
(eng. Telecontrol Application Service Element.2) ili ICCP (eng. Inter-Control Center Communication
Protocol). Unatoč tome što postoji mogućnost integracije semantike u procesne podatke, zbog korištenja
MMS (eng. Manufacturing Message Specification) aplikacijskog protokola [9], razmjena podatka se
temelji na određivanju popisa signala u bilateralnim tablicama u kojima nije standardno opisano njihovo
značenje. Za razvoj i održavanje odgovorna je radna grupa WG7.
2.3
IEC 61334
Ovim standardom opisani su detalji razmjene informacija među upravljačkim uređajima
korištenjem distribucijskih vodova [10]. Standardom je određena posebna referentna arhitektura
temeljena na objektno orijentiranom modelu podatka i klijent-server aplikacijskoj arhitekturi. Najznačajnija
primjena ovog skupa standarda je u daljinskom očitanju brojila. Za razvoj i održavanje odgovorna je radna
grupa WG9.
2.4
IEC 61850
Trenutno najvažniji skup TC57 standarda namijenjenih određivanju aplikacijske i komunikacijske
arhitekture na razini podsustava EES-a [11]. Standardom su određeni principi vertikalne i horizontalne
komunikacije u postrojenju te je dan detaljan semantički opis podataka. Standard se temelji na MDI i
MDA principima čime se omogućilo proširenje primjene na različite dijelove EES-a. Iako je u početku bio
namijenjen za automatizaciju transformatorskih stanica [12], proširen je za primjenu kod hidroelektrana
[13], distribuiranih izvora energije [14], vjetroelektrana [15] i električnih automobila [16]. Za razvoj i
održavanje odgovorne su radne grupe WG10, WG17 i WG 18.
2.5
IEC 61970
Standardi namijenjeni određivanju programskih sučelja (eng. Application Programming Interface API) za razmjenu informacija među aplikacijama i programskim komponentama koje se koriste za EMS
(eng. Energy Management System) funkcije [17]. Osnovni koncepti IEC 61970 standarda su zajednički
informacijski model (eng. Common Information Model – CIM) [18] i programska sučelja za dohvat
podataka putem programskih komponenti (eng. Component Interface Sepcifications - CIS) [19]. CIM se
temelji na modeliranju procesnih informacija i topoloških modela EES-a pomoću UML-a (eng. Unified
Modeling Language) dok se CIS temelji na već postojećim industrijskim programskim sučeljima poput
OPC specifikacija [20-22]. Za razvoj i održavanje odgovorna je radna grupa WG13.
2.6
IEC 61968
Standard određuje pravila integracije aplikacija u DMS (eng. Distribution Mangement System)
sustave [23]. Također definira proširenja CIM modela za distribucijski sustav te se temelji na načelima
integracije aplikacija u poslovnim sustavima (eng. Enterprise Application Integration - EAI) [24]. Za razvoj
i održavanje odgovorna je radna grupa WG14.
2.7
IEC 62351
Standard namijenjen ostvarivanju sigurnosti informacijskih sustava u EES-u [25]. Određuje
načine primjene postojećih sigurnosnih tehnologija i principa za IEC TC57 standarde. Razdvaja primjenu
sigurnosti na energetsku i komunikacijsku infrastrukturu u EES-u. Obuhvaćeni su sigurnosni mehanizmi
za vertikalnu i horizontalnu komunikaciju te sigurnosni profili za procjenu rizika u automatiziranim
postrojenjima EES-a. Za razvoj i održavanje odgovorna je radna grupa WG15.
3
2.8
IEC 62325
Standard kojim je određeno razvojno okruženje za aplikacije koje se koriste za tržište električne
energije [26]. Određene su tehnologije i poslovni modeli te komunikacijski i funkcijski zahtjevi.
Standardom su definirana posebna proširenja CIM modela za tržište električne energije. Za razvoj i
održavanje odgovorna je radna grupa WG16.
2.9
Poveznica sa ostalim standardizacijskim odborima
Prethodno opisani standardi namijenjeni su automatizaciji EES-a te predstavljaju temelj za
ostvarivanje budućih naprednih EES-ova [27]. Upravo zbog problema preklapanja određenih dijelova
stvorena je radna grupa WG19 čija je namjena uskladiti funkcijske i komunikacijske zahtjeve različitih
standarda. Kao rezultat rada WG19 nastao je IEC 62357 kojim je određena referenta arhitektura
automatiziranog EES-a. IEC standardi izravno su ovisni i radu drugih međunarodnih standardizacijskih
odbora. Slika 1. prikazuje poveznice TC57 radnih grupa i standardizacijskih odbora izvan okvira IEC-a.
3.
OSTVARIVANJE USKLAĐENOG MODELA AUTOMATIZACIJE ELEKTROENERGETSKOG
SUSTAVA
3.1.
Postojeća rješenja za ostvarivanje usklaĎenog modela
Slika 2. prikazuje trenutnu TC57 referentu arhitekturu. Sučelja se prema svojoj funkcionalnosti
dijele na dva osnovna tipa: aplikacijska sučelja i sučelja opreme i sustava. Aplikacijska sučelja se koriste
za razmjenu informacija u upravljačkim centrima. Uglavnom se temelje na klijent/server aplikacijskoj
arhitekturi i CIM informacijskom modelu. Sučelja opreme i sustava se koriste na razini postrojenja EES-a
(uređaji u polju, stanično računalo) i temelje se na različitim informacijskim modelima i aplikacijskim
arhitekturama. Dijelovi referentne arhitekture označeni punom bojom označavaju već postojeće
standarde, a ispunjeni crtkano odnose se na standardizacijska područja koja su još u razvoju.
Slika 1 Odnos IEC TC57 i ostalih međunarodnih standardizacijskih odbora [1]
4
IEC TC57 Referentna arhitektura
Tržište el.
energije
Pomoćne
usluge
Potrošači
Application To
Application (A2A)
Ostale
aplikacije
Business To Business (B2B)
Inter-Application Messaging Middleware (XML)
Aplikacijska
sučelja
61970 / 61968 (CIM)
Informacijska sigurnost
Mreža i upravljanje podacima
61970 CIS i 61968 SIDMS (EAI, EII, and ETL)
EMS
SCADA
Tržišne
aplikacije
DMS
Održavanje
Vanjske
aplikacije
Data Acquisition and Control Front-End / Gateway / Proxy Server / Mapping
Services / Role-based Access Control
XML
Poruke
61850-7-3, 7-4
60870-5
101
&
104
TC13
WG14
61850-7-2 ACSI
61850-8-1 MMS
Sučelja
opreme i
sustava
60870-6-802
60870-6-503
60870-6-703
ISO/TCP/IP/Ethernet
61334
TC13
WG14
608705
RTU
61850
ureĎaji u
stanicama
Brojila
IED, RTU, mj. transformatori
61850
ureĎaji
XML
Poruke
60870-6
TASE.2
Peer-to-Peer 61850
Slika 2. TC 57 Referentna arhitektura [1]
Kako bi se ostvarila integracija u postojećim sustavima koji koriste TC57 standarde uobičajena je
upotreba različitih aplikacijskih adaptera i pretvornika (konvertera) komunikacijskih protokola. Adapteri i
pretvornici se koriste kao sučelja za povezivanje sustava različitih funkcionalnosti i najčešće se
primjenjuju pri pretvorbi podatkovnih informacijskih modela u CIM model. Unatoč tome adapteri i
pretvornici omogućuju integraciju sustava s postojećim TC57 standardima, a njihova primjena uvodi
dodatna ograničenja u sam sustav. Problem njihove primjene se očituje uvođenjem dodatnih vremenskih
kašnjenja prilikom obrada podatka, gubitkom semantičkih detalja procesnih informacija zbog
neusklađenih modela te nestandardnim proizvođačkim implementacijama. Slika 3 prikazuje područja
primjene adaptera i pretvornika.
Control
center
Substation
Device
Substation
Device
RTU
60870-5, DNP,
Proprietary
Historical
Information
System
EMS
Proprietary
Database
TASE.2
Blocks
1&2
Database
Adapter
Database
Adapter
TASE.2
Adapter
ACSI
SCADA
Discovery/
System
Reporting
60870-6
61850
Proprietary
ACSI
Adapter
SCADA
System
Adapter
61970
Bus Connector
Bus Connector
Integration Bus
Slika 3. Pretvornici protokola i adapteri [1]
5
3.2
Budući razvoj referentnog modela
Usklađivanje referentnog modela za napredne EES-ove će se odvijati u nekoliko iteracija [1].
Glavni zaključci novog izdanja IEC 62357 standarda su smjernice koje određuju koji standardi
predstavljaju temelje automatizacije naprednih EES-ova i odgovaraju MDA i MDI načelima. Unatoč
trenutno visokom stupnju primjene IEC 60870-5 standarda smatra se kako će IEC 61850 postati
jedinstveni globalni standard za automatizaciju postrojenja u EES-u. Upravo je iz toga razloga ključna
semantička integracija IEC 61850 i CIM modela.
Tablica 1. prikazuje odnose osnovnih dijelova EES-a čije je značenje određeno različitim
informacijskim modelima. Iz prikazanih odnosa očito je kako se područja definicije za različite standarde
preklapaju. Cilj IEC 62357 je odrediti standardiziranu semantiku procesnih podatka.
Tablica I. Semantika procesnih informacija u različitim TC57 standardima
4.
Modelirani objekti
CIM
IEC 61850
TASE.2
IEC 101/104
Mjerenja
Stanja
SCADA signali
Upravljački signali
Transformatorska stanica
Prekidač
Transformator
Ožičenje
Planiranje
Informacijski međuspremnik
Generator
Dojava ispada generatora
Ugovor
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
ZAKLJUČAK
Ubrzani razvoj naprednih EES-ova izravno je vezan uz industrijske standarde koji se koriste za
automatizaciju postrojenja u EES-u. Standardi proizašli kao rezultat rada različitih radnih grupa IEC TC57
tehničkog odbora naišli su na veliku primjenu u industriji te ujedno predstavljaju temelj za razvoj
naprednih EES-ova. Uvođenjem referentne arhitekture koja se temelji na TC57 standardima nastaje
standardizirano povezivanje funkcionalno različitih automatiziranih sustava. U ovom članku dan je pregled
novog izdanja IEC 62357 standarda koji određuje TC57 referentnu arhitekturu. Pomoću korištenja MDA i
MDI principa modeliranja sustava opisanih u IEC 62357 standardu nastaje novi informacijski i
funkcionalni model EES-a. Takav model osim semantičke integracije omogućuje primjenu novih
implementacijskih tehnologija. Smatra se kako će upravo ovakav pristup biti okosnica razvoja aplikacija i
uređaja u naprednom EES-u.
5.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
LITERATURA
“IEC TR 62357, Power system control and associated communications – Reference architecture for
object models, services and protocols, draft, 2011.” .
D. C. Schmidt, “Model-driven engineering,” IEEE computer, vol. 39, no. 2, pp. 25-31, 2006.
R. Soley, “Model driven architecture,” OMG white paper, vol. 308, p. 308, 2000.
E. Newcomer, G. Lomow, and S. T. B. O. (Online service), Understanding SOA with Web services,
vol. 1186. Addison-Wesley Boston;, 2005.
“IEC 60870-5-SER ed1.0,TC/SC 57, Telecontrol equipment and systems - Part 5: Transmission
protocols - ALL PARTS, 2007.” .
“IEC, Telecontrol equipment and systems - Part 5-101: Transmission protocols - Companion
standard for basic telecontrol tasks, IEC Std. 60870-5-101, ed2.0, 2003.” .
“IEC, Telecontrol equipment and systems - Part 5-104: Transmission protocols - Network access for
IEC 60870-5-101 using standard transport profiles, IEC Std. 60870-5-104, ed2.0, 2006.” .
6
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
“TC/SC 57,Telecontrol equipment and systems - Part 6: Telecontrol protocols compatible with ISO
standards and ITU-T recommendations - Section 1: Application context and organization of
standards, IEC/TR 60870-6-1, ed1.0, 1995.” .
“ISO 9506 (all parts), Industrial automation systems – Manufacturing Message Specification.” .
“IEC, Distribution automation using distribution line carrier systems - Part 4: Data communication
protocols - Section 42: Application protocols - Application layer, IEC 61334-4-42 ed1.0, 1996.” .
“IEC, Communication Networks and Systems in Substations - ALL PARTS, Int. Std. IEC 61850-SER
ed1.0, 2010.” .
“IEC, Communication networks and systems for power utility automation - Part 7-4: Basic
communication structure - Compatible logical node classes and data object classes, Int. Std. IEC
61850-7-4, ed2.0, 2010.” .
“IEC, Communication Networks and Systems for Power Utility Automation - Part 7-410:
Hydroelectric Power Plants - Communication for Monitoring and Control, IEC Std. 61850-7-410
ed1.0, 2007.” .
“IEC, Communication networks and systems for power utility automation - Part 7-420: Basic
communication structure - Distributed energy resources logical nodes, IEC Std. 61850-7-420 ed1.0,
2009.” .
“IEC, Wind turbines – Part 25-2: Communications for monitoring and control of wind power plants –
Information models, IEC Std. IEC 61400-25-2 ed1.0, 2006.” .
“IEC , Communication networks and systems for power utility automation - Part 7-420-8: IEC 61850
Object Models for Electric Vehicles, IEC Std. 61850-7-420-8 draft, 2011.” .
“IEC, Energy management system application program interface (EMS-API) - Part 1: Guidelines
and general requirements, Int. Std. IEC 61970-1 ed1.0, 2005.” .
“IEC, Energy management system application program interface (EMS-API) - Part 301: Common
information model (CIM) base, Int. Std. 61970-301, ed2.0, 2010.” .
“IEC, Energy management system application program interface (EMS-API) - Part 402: Common
services, Int. Std. 61970-402, ed1.0, 2008.” .
OPC Foundation, Data Access Custom Interface Standard, v3.00. 2003.
OPC Foundation, Alarms and Events Custom Interface Standard, v1.10. 2002.
Object Management Group (OMG), Historical Data Acquisition From Industrial Systems v1.0. 2005.
“IEC, Application integration at electric utilities - System interfaces for distribution management Part 11: Common information model (CIM) extensions for distribution, Int. Std. IEC 61968-11, ed1.0,
2010.” .
D. S. Linthicum, Enterprise application integration. Addison-Wesley Longman Ltd. Essex, UK, UK,
2000.
“IEC, Power systems management and associated information exchange - Data and
communications security - Part 1: Communication network and system security - Introduction to
security issues, IEC /TS 62351-1 ed1.0, 2007.” .
“IEC, Framework for energy market communications - Part 501: General guidelines for use of
ebXML, IEC/TR 62325-501 ed1.0, 2005.” .
SMB Smart Grid Strategic Group (SG3), IEC Smart Grid Standardization Roadmap. 2010.
7

Download Report