Nowa generacja urządzeń telezabezpieczeń i telesterowania sieci elektroenergetycznych

Autor:

mgr inż. Marek Nabiałczyk
ZPBE Energopomiar-Elektryka Gliwice

Urządzenia typu RL-64D są nową generacją urządzeń telezabezpieczeń i telesterowania rodziny RL6. Urządzenia RL-64D są modułowym systemem urządzeń zaprojektowanym do wykorzystania w pierwszym rzędzie w systemie sieci elektroenergetycznych dla celu zapewnienia współpracy zabezpieczeń linii najwyższych napięć jak również do zapewnienia transmisji sygnałów analogowych i cyfrowych między węzłami sieci elektroenergetycznej.

W krajowym systemie elektroenergetycznym znane są analogowe urządzenia telezabezpieczeń producentów zagranicznych Siemens, ABB, BBC oraz produkcji polskiej firmy Energopomiar.

WPROWADZENIE

Z początkiem lat 90-tych w krajowym systemie elektroenergetycznym rozpoczęto instalowanie cyfrowych urządzeń telezabezpieczeń, które wykorzystują światłowodowe urządzenia transmisyjne i kablowe łącza światłowodowe budowane na liniach wysokiego napięcia lub tworzone w oparciu o sieć kabli światłowodowych.
Cyfrowe urządzenia telezabezpieczeń wykorzystujące światłowodową drogę transmisji umożliwiają uzyskanie najkrótszych czasów transmisji sygnałów rozkazowych oraz zapewniają bardziej niezawodne działanie telezabezpieczeń przy zakłóceniach szczególnie silnych w stanach awarii w systemie elektroenergetycznym.
W krajowym systemie elektroenergetycznym znane są cyfrowe urządzenia telezabezpieczeń firm Siemens, ABB, RFL i TTC Marconi.

W firmie Energopomiar-Elektryka będącej kontynuatorem działalności Energopomiaru w zakresie elektroenergetyki opracowane zostały nowoczesne urządzenia telezabezpieczeń i telesterowania typu RL-64D.

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA URZĄDZENIA RL-64D

Rodzina cyfrowych urządzeń telezabezpieczeń RL-64D została opracowana dla potrzeb szybkiej i niezawodnej transmisji sygnałów zabezpieczeń, sterowania obiektu oraz odwzorowania ważnych stanów obiektu elektroenergetycznego, w celu zapewnienia łącza transmisyjnego dla cyfrowych zabezpieczeń porównawczych, a także do celów budowania cyfrowych kanałów telekomunikacyjnych dla potrzeb transmisji danych oraz telefonii cyfrowej i analogowej.

Medium transmisyjne urządzeń RL-64D stanowi podstawowo kabel światłowodowy, przez który urządzenia mogą pracować samodzielnie. Można wówczas uzyskać zasięg do 80 km - w III oknie optycznym. Możliwa jest także opcja pracy przez cyfrowy kanał transmisyjny zbudowany w oparciu o zewnętrzne urządzenia światłowodowe lub inne urządzenia transmisyjne zapewniające wymaganą przepływność kanału transmisyjnego, np. na krótkich odcinkach urządzenia pracujące poprzez kable miedziane.

Dzięki modułowej budowie urządzenia można łatwo konfigurować do potrzeb obiektu i wymagań użytkownika.

CYFROWE URZĄDZENIE TELEZABEZPIECZEŃ

Urządzenie RL-64D do cyfrowej transmisji sygnałów telezabezpieczeń składa się z części rozkazowej odpowiedzialnej za obsługę sygnałów dwustanowych, m.in. rozkazów telezabezpieczeń oraz z części transmisyjnej. Część rozkazowa urządzenia zajmuje jedną do czterech szczelin 64 kbit/s w strumieniu liniowym o przepływności 2 Mbit/s. 

W podstawowej konfiguracji w skład części rozkazowej wchodzi moduł CPU stanowiący jednostkę centralną urządzenia oraz jeden moduł interfejsu rozkazowego CI, który obsługuje 4 rozkazy w kierunku nadawczym i 4 rozkazy w kierunku odbiorczym. Przez zastosowanie kilku modułów interfejsów rozkazowych można rozszerzyć pojemność urządzenia do 20 sygnałów dwustanowych w każdą stronę. Obwody nadawania i odbioru rozkazów telezabezpieczeń mogą być konfigurowane do napięć robo-czych od 24V DC do 250V DC.

W celu ograniczenia wpływu zakłóceń na pracę urządzenia telezabezpieczeń na wejściach nadawania sygnałów dwustanowych zastosowano ograniczniki napięcia oraz filtr czasowy.

Część transmisyjna urządzenia realizuje przesyłanie sygnałów rozkazowych, a po wyposażeniu w odpowiednie moduły interfejsów, może zapewnić ciągłą transmisję cyfrowych sygnałów zabezpieczeń, np. dla zabezpieczeń porównawczych, a także może być telekomunikacyjną krotnicą dostępową oferującą analogowe i cyfrowe kanały transmisji o łącznej przepływności 2 Mbit/s. Transmisja sygnałów oparta jest na ramkowym sygnale o szybkości transmisji 2048 kbit/s.

Część transmisyjna urządzenia została zbudowana w oparciu o moduły firmy DGT.

W przypadku transmisji przez łącze światłowodowe urządzenie posiada interfejs elektryczny E1 zgod-ny z zaleceniem ITU-T G.703. Struktura ramki odpowiada zaleceniu ITU-T G.704.

Istnieje również możliwość skonfigurowania urządzenia na mniejszą prędkość transmisji i zastosowania po stronie liniowej interfejsu V.35 lub X.21. W tym przypadku łącze transmisyjne należy zestawić przy wykorzystaniu zewnętrznych światłowodowych urządzeń transmisyjnych. 

Można wówczas także, na małych odległościach, wykorzystywać łącza transmisyjne budowane w oparciu o kable miedziane.

Część transmisyjna urządzenia zapewnia następujące usługi telekomunikacyjne:

Szybkości transmisji wymienionych interfejsów są wielokrotnością 64 kbit/s. Dzięki zastosowaniu pola komutacyjnego, kanały 64 kbit/s można umieszczać w żądanych miejscach strumienia 2 Mbit/s. Kanały komunikacyjne zakończone interfejsami V.24, V.35 i X.21 mogą być wykorzystywane do transmisji cyfrowych sygnałów zabezpieczeń.

Część transmisyjna urządzenia RL-64D charakteryzuje się rozproszoną architekturą oprogramowania. Na poszczególnych pakietach pracują mikroprocesory pod kontrolą systemu operacyjnego LINUX. Poszczególne mikroprocesory oprogramowane są pod kątem funkcji użytkowych danego modułu oraz zapewnienia w urządzeniu niezawodnej wewnętrznej komunikacji. Oprogramowanie modułu sterującego CSP zapewnia działanie funkcjonalne komunikacji wewnętrznej i zewnętrznej, komutację kanałów 64 kbit/s oraz funkcje sygnalizacyjne, zarządzania pasmem i nadzoru części transmisyjnej urządzenia.

RL-64D posiada zintegrowany system nadzoru i sterowania zapewniający możliwość monitorowania rozległych sieci urządzeń RL-64D. System nadzoru urządzeń wykorzystuje protokół SNMP. Do transmisji lokalnej oraz zdalnej został zastosowany interfejs Ethernet 10/100 BaseT. Dla celów serwisowych urządzenie jest wyposażone w interfejs USB oraz RS232.

System nadzoru umożliwia uprawnionemu użytkownikowi zdalne konfigurowanie urządzeń. Posiada rejestrację zdarzeń i stanów urządzeń realizowaną z rozdzielczością 1ms. Zapewnia archiwizację do 1000 zdarzeń oraz umożliwia wykonywanie wydruków Dzienników zdarzeń.

MODUŁY URZĄDZENIA

Urządzenie RL-64D ma budowę modułową. Moduły podstawowe wchodzą w skład każdego urządzenia. Dostępne są także moduły opcjonalne, które pozwalają tworzyć różne konfiguracje funkcjonalne urządzenia.

Moduły podstawowe

CPU - centralny moduł urządzenia i zarazem moduł procesora rozkazowego. Moduł CPU odczytuje dane z modułów rozkazowych CI i po uzupełnieniu ich zabezpieczeniami transmisji odpowiednio formatuje ramki sygnału wysyłanego do części transmisyjnej. CPU odczytuje dane z łącza transmisyjnego, sprawdza poprawność tych danych i kieruje je do modułów rozkazo-wych. CPU zarządza częścią rozkazową urządzenia i realizuje funkcje konfiguracji i monitoringu części rozkazowej urządzenia, jak również zarządza transmisją ethernetową.

CI - moduł rozkazowy. Moduł CI stanowi interfejs wejście/wyjście sygnałów dwustanowych, w tym sygnałów rozkazowych. Zapewnia separację układów elektronicznych urządzenia od obiektu, realizuje filtrowanie czasowe i napięciowe sygnałów wejściowych oraz odpowiednio formatuje wyjściowe sygnały dwustanowe.

CSP - moduł sterowania transmisją i komutacji. Moduł CSP zarządza częścią transmisyjną urządzenia. W module tym zaimplementowane są funkcje odpowiedzialne za: komutację kanałów 64 kbit/s, komutację sygnalizacji kanałów transmisyjnych, komunikację wewnętrzną części transmisyjnej, komunikację zewnętrzną urządzenia dla celów transmisji i monitoringu oraz synchronizacji urządzenia.

MSYNC - moduł synchronizacji. Moduł MSYNC jest wysokostabilnym źródłem zegara, umożliwia synchronizację urządzenia ze źródeł zewnętrznych oraz odzyskiwanie zegara z łącza transmisyjnego.

IV24-2 - moduł portów synchronicznej transmisji danych. Moduł IV24-2 jest dwuportowym interfejsem V.24 przeznaczonym do synchronicznej transmisji danych z prędkością nx64kbit/s. Prędkość transmisji oraz zajętość poszczególnych szczelin w polu komutacyjnym ustawiane są programowo.

E50-D - moduł zasilacza. Moduł E50-D jest zasilaczem impulsowym o napięciu wejściowym 230V AC lub 220V DC i napięciu wyjściowym równym 24V DC. W kasecie urządzenia pracują stale dwa takie zasilacze. Każdy z zasilaczy można zasilać z odrębnego źródła. Przedstawione rozwiązanie zapewnia redundancję zasilania i tym samym zwiększa niezawodność urządzenia.

Moduły opcjonalne

IE1-2F - moduł E1 2Mbit/s z interfejsem optycznym. Moduł IE1-2F jest jedno lub dwuportowym interfejsem o przepływności 2,048 Mbit/s z transceiverem optycznym. Struktura ramki sygnału odpowiada zaleceniu ITU-T G.704. Interfejs optyczny modułu może mieć zasięg od 15 do 80km i może pracować w II lub III oknie. Interfejs optyczny może mieć złącza typu SC-Duplex, FC/PC lub ST. 

IV35 / IV36-2 - moduł portów synchronicznej transmisji danych. Moduł IV35 / IV36 jest wyposażony w dwa porty V.35/V.36/X.21 pracujące z prędkością nx64kbit/s (n=131). Prędkość transmisji oraz zajętość poszczególnych szczelin w polu komutacyjnym ustawiane są programowo. Interfejs może być wykorzystywany do transparentnej transmisji danych lub może współpracować z modułami routerów.

RS232 - moduł interfejsu asynchronicznego. Moduł RS232 jest czteroportowym interfejsem asynchronicznym V.24/RS232. Każdy z interfejsów może pracować niezależnie z prędkością 50 bps do 38kbit/s. Każdy z interfejsów może być odwzorowany w odrębnej szczelinie lub wszystkie mogą być agregowane w jednej szczelinie 64kbit/s.

ICB - moduł interfejsów telefonicznych. Moduł ICB jest sześcioportową translacją abonencką typu FXS

ITM - moduł interfejsów analogowych. Moduł ITM jest sześcioportową translacją miejską typu FXO

IE&M - moduł interfejsów analogowych dwutorowych z sygnalizacją E&M.  Moduł IE&M jest trójportową translacją abonencką pracującą na dwutorowym styku akustycznym z sygnalizacją E&M

CCU-D - moduł kompresji głosu z funkcją fax. Moduł CCU-D umożliwia kompresję kanałów głosowych PCM 64kbit/s oraz przyporządkowanie skompresowanych kanałów do szczelin 64kbit/s.

KONFIGURACJA URZĄDZENIA

W podstawowej konfiguracji urządzenie zajmuje dwie do pięciu szczelin czasowych 64kbit/s. Część rozkazowa urządzenia zajmuje jedną do czterech szczelin 64 kbit/s. Kolejna szczelina jest wykorzystywana do przesyłania informacji konfiguracyjnych i nadzoru urządzeń.

Urządzenie można rozbudować o moduły interfejsów komunikacyjnych do łącznej przepustowości na wyjściu liniowym 2 Mbit/s.

W części transmisyjnej urządzenia powinno być odpowiednio ustawione pole komutacyjne, tzn. kanały 64 kbit/s wykorzystywane przez poszczególne moduły interfejsów powinny być przyporządkowane określonym szczelinom 1÷31 w strumieniu 2Mbit/s. Dla zapewnienia prawidłowej synchronicznej transmisji między dwoma współpracującymi ze sobą urządzeniami RL-64D jedno z urządzeń jest konfigurowane jako Master, a drugie jako Slave. Urządzenie Master jest wyposażone w moduł synchronizacji MSYNC, Urządzenie Slave synchronizuje się do sygnału odbieranego z urządzenia Master. Określa to pracę zegarów taktujących obydwu urządzeń. 

Do zdalnego nadzoru i konfigurowania urządzeń wykorzystywane są interfejsy ethernetowe i połączenia sieciowe. Dla zapewnienia prawidłowej pracy programów zarządzających nadzorem i konfiguracją urządzeń niezbędne jest ustawienie właściwych adresów IP modułów CPU i CSP oraz wpisanie tych adresów w programie nadzoru i konfiguracji urządzeń. Programy nadzoru i zarządzania urządzeniami pobierają dane z odpowiednich buforów pamięci umieszczonych w modułach CPU i CSP. Konfiguracja lokalna urządzenia jest realizowana z przenośnego komputera PC, na którym jest zainstalowany program aplikacyjny LineMonitor - Program Konfiguracyjny umożliwiający konfigurację i monitoring urządzenia. Komputer PC łączy się z urządzeniem poprzez interfejs serwisowy USB lub interfejs RS232. Program umożliwia konfigurację urządzenia lokalnego oraz urządzenia zdalnego.

MONITORING URZĄDZENIA

Do monitoringu urządzenia służy program LineMonitor - Program Nadzoru zainstalowany na kom-puterze umieszczonym w zdalnym centrum monitoringu urządzeń RL-64D. Komunikacja między centralnym stanowiskiem nadzoru, a urządzeniami RL-64D odbywa się poprzez interfejsy Ethernet i połączenia sieciowe. Program nadzorujący umożliwia podgląd wszystkich parametrów urządzeń RL-64D ustawianych podczas uruchomienia.

Jednym z bloków programu monitorującego jest Dziennik zdarzeń.

W urządzeniu RL-64D może zostać zapamiętanych do 1000 zdarzeń uzupełnionych znacznikiem czasu. Bufor zdarzeń ma strukturę „FILO” - First Input Last Output. Dziennik zdarzeń można przeglądać na ekranie komputera, a także można go wydrukować. Zdarzenia zarejestrowane w Dzienniku zdarzeń można poddawać filtracji tj. grupować według typu zdarzenia: alarm, awaria, informacja oraz zdarzenia, które wystąpiły w wybranej godzinie.

KONSTRUKCJA URZĄDZENIA

Urządzenie RL-64D jest umieszczone w kasecie o szerokości 19”. Wysokość kasety zależy od konfiguracji części rozkazowej urządzenia i w przypadku 8 sygnałów rozkazowych wynosi 3U, a przy większej liczbie sygnałów rozkazowych wynosi 6U. Kaseta urządzenia przystosowana jest do montażu w typowej szafie 19” lub obudowie typu desktop.Wszelkie wewnętrzne połączenia sygnałowe między modułami urządzenia są realizowane na platerze kasety urządzenia lub za pomocą kabli taśmowych. Technologia druku wielowarstwowego w jakiej zostały wykonane moduły zapewnia niezawodne połączenia o dużej odporności na zakłócenia. 

Wszystkie złącza sygnałowe umieszczone są na platerze, na wysokości poszczególnych modułów. Wyjątkiem są serwisowe interfejsy Ethernet i USB na pakietach CSP i CPU, które wyprowadzone są na złącza umieszczone po stronie czołowej modułu. Tak samo wyprowadzone są złącza optyczne modułu liniowego IE1-2F.

SYGNALIZACJA URZĄDZENIA

Urządzenie jest wyposażone w system sygnalizacji stanu pracy oraz sygnalizacji alarmowej. Najważniesze alarmy mają funkcje przyporządkowane na stałe, a inne alarmy mają funkcje programowane. Sygnalizacja jest wyprowadzona na płyty czołowe modułów – za pomocą diod LED, jest dostępna lokalnie w programie nadzoru i konfiguracji pracującym na przenośnym komputerze PC oraz zdalnie w centrum nadzoru urządzeń RL-64D przy wykorzystaniu programu monitorującego.

DOŚWIADCZENIA EKSPLOATACYJNE

Obecnie jeden komplet urządzeń pracuje na linii 220 kV El. Halemba – Kopanina. Urządzenia są wykorzystywane do uwspółbieżnienia pracy zabezpieczeń odległościowych wymienionej linii. W czasie prób funkcjonalnych urządzeń na w/w obiektach oraz przez dotychczasowy okres pracy na obiekcie urządzenia działają prawidłowo.

UWAGI OGÓLNE

Urządzenie RL-64D, dzięki pojemności 20 rozkazów w każdym kierunku, daje możliwość zrealizowania systemu transmisji sygnałów rozkazowych i innych ważnych sygnałów, jakie mają być przesyłane między elektrownią, a stacją elektroenergetyczną zgodnie z zalecanym systemem współpracy zabezpieczeń i sterowania elektrowni i stacji wyprowadzenia mocy. Urządzenie RL-64D zapewnia też kanał ciągłej transmisji cyfrowej potrzebny m.in. do współpracy zabezpieczeń różnicowych linii WN.

Urządzenie przeszło badania w laboratorium kompatybilności elektromagnetycznej oraz badania funkcjonalne w laboratorium Instytutu Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej. W laboratorium Politechniki Warszawskiej została sprawdzona także praca urządzeń dla potrzeb zabezpieczeń odcinkowych linii w.n. Wszystkie wyniki badań były pozytywne. 

EKSPLOATACJA

Urządzenie RL-64D wyposażone jest w mechanizmy ułatwiające bieżącą eksploatację urządzenia. W szczególności należą do nich:

• konfigurowanie urządzenia,
• konfigurowanie pola komutacyjnego,
• monitorowanie stanu urządzenia,
• rejestracja zdarzeń,
• alarmy,
• pętle testowe dla wybranych portów.

Wszystkie wymienione funkcje dostępne są z serwisowego komputera PC. W centrum nadzoru urządzeń RL-64D dostepne są wybrane funkcje konfiguracyjne urządzenia oraz wszystkie pozostałe funkcje nadzoru urządzeń.

W Dzienniku zdarzeń zapisywane są wszystkie stany nadania i odbioru rozkazów oraz podstawowe stany modułów urządzenia. Każde zdarzenie jest rejestowane ze znacznikiem czasu, z rozdzielczością 1 ms.