Wstęp
Współczesna energetyka stoi przed wieloma wyzwaniami, które wynikają z rosnącego zapotrzebowania na energię, konieczności jej efektywnego wykorzystania oraz integracji odnawialnych źródeł. Proces integracji może zostać efektywnie zrealizowany poprzez rozwiązania oparte na tych, które zostały zdefiniowane w zbiorze standardów IEC 61850. Kluczowe rozwiązania zostały oparte na metodach próbkowania cyfrowego, gdzie nieodzownym elementem jest precyzyjna synchronizacja czasu. Jej dokładność stanowi o jakości i wiarygodności danych pomiarowych i jest niezwykle ważna. Na stacjach elektroenergetycznych jest ona zwykle pozyskiwana poprzez systemy synchronizacji Global Navigation Satellite System (GNSS) oraz transportowana poprzez protokoły takie jak IEEE 1588 PTPv2. Jest niezwykle ważne, aby tak zaprojektować pozyskanie czasu precyzyjnego oraz jego transport, aby te procesy przebiegały w sposób możliwie kontrolowalny i pewny.
BITSTREAM S.A. – lider w technologii synchronizacji czasu dla energetyki
Od 18 lat BitStream dostarcza niezawodne rozwiązania dla polskich i międzynarodowych przedsiębiorstw energetycznych. Jako lider w branży oferujemy innowacyjne urządzenia, które usprawniają łączność, komunikację i zarządzanie w sektorze energetyki. Do tej pory z sukcesem zrealizowaliśmy ponad 1000 wdrożeń, obejmujących zarządzanie podstacjami, przedsiębiorstwami energetycznymi oraz rozproszonymi zasobami energii.
Nasze rozwiązania wspierają kluczowe procesy w energetyce, umożliwiając monitorowanie i zarządzanie sieciami w czasie rzeczywistym. Współpracujemy z liderami na rynku, dostarczając technologie, które wyznaczają nowe standardy w branży.
Precyzyjna synchronizacja czasu jako fundament niezawodności
Rozwiązania cyfrowego próbkowania w czasie rzeczywistym, takie jak Phasor Measurement Units (PMU) czy Sampled Values (SV), wymagają synchronizacji czasu z dokładnością do mikro- lub nanosekund. Cyfrowe próbkowanie PMU i SV zaprojektowanie zostało w sposób pozwalający na monitorowanie obszarowe procesów dynamicznych, co umożliwia szybką reakcję na przeciążenia, stany przejściowe czy nawet predykcję uszkodzeń sprzętu. Ponadto, format danych i ich oznaczanie bardzo dobrze pozwala wykorzystać metody uczenia maszynowego z nadzorem czy też metody oparte na grafach w celu sterowania siecią.
Jest jeden kluczowy warunek pozwalający na realizację założonych zadań i jest nim precyzyjna synchronizacja czasu na poziomach submikrosekundowych. Należy wspomnieć, że jej dokładność stanowi istotny czynnik warunkujący możliwości wykorzystania danych w sposób najbardziej efektywny. Nie mniej ważne jest, aby różnica dokładności synchronizacji pomiędzy urządzeniami była również nie większa niż kilkaset nanosekund, bowiem to będzie głównym czynnikiem określającym przydatność danych do analizy. Zatem rozsądnym i zdecydowanie rekomendowanym jest jej pozyskiwanie z centralnego źródła oraz transport z wykorzystaniem opracowanych protokołów sieciowych i dedykowanych urządzeń. Przykładem rozwiązania stosowanego w takich przypadkach jest IEEE 1588 PTPv2. Zastosowana w energetyce implementacja protokołu PTP v.2 określana jako Power Profile oraz Utility Profile niesie za sobą szereg specyficznych cech protokołu wymaganych w jego wytworzeniu w źródłach czasu jak i w transporcie. Rozwiązania BITSTREAM począwszy od serwerów czasu HYPERION-500 i QUAZAR-700, skończywszy na przełącznikach sieciowych szyny procesowej HYPERION 402 wspierają pełny zakres wymagań normatywnych IEC61850 dotyczących wspieranych implementacji PTP v.2 oraz są przetestowane pod kątem interoperacyjności z większością rozwiązań czołowych producentów pracujących na stajach elektroenergetycznych.
Technologie GNSS jako niezawodne źródło czasu
W tradycyjnym ujęciu przyjęło się określać systemy pozycjonowania i czasu jako systemy GPS co wiązało się z pierwszym i w pewnym sensie najpopularniejszym systemem czasu i pozycji tj. Global Positioning System. W kolejnym etapie pojawiały się odbiorniki GPS i Glonass (System Rosyjski). Rozwój technologii oraz sytuacja geopolityczna i związane z nią ataki na sygnał radiowy GPS wytworzyły stan, gdzie implementacja odbiorników opartych na pojedynczym systemie GPS jest wysoce ryzykowne. W świecie pozyskiwania czasu atomowego z sygnałów radiowych mamy sytuację, gdzie oprócz GPS są obecnie systemy takie jak Gallileo (Europejski i Jedyny Cywilny System pozycjonowania i czasu), Beidou, QZSS. Ponadto, dla każdego z nich pojawia się transmisja realizowana na różnych zakresach częstotliwościowych równocześnie (Rys.1), co znacznie utrudnia zakłócanie sygnału poprzez metody Jamming i Spoofing.
Rys. 1. Dostępne systemy i pasma sygnału radiowego GNSS
Jeśli zatem korzystamy z najnowocześniejszych urządzeń do pozyskiwania czasu precyzyjnego jakimi są serwery czasu Primary Reference Timing Clocks (PRTC), możemy łatwo zarządzać ryzykiem i zwiększać odporność systemu na ataki.
Odbiorniki GNSS, takie są wbudowane w urządzenia BITSTREAM m.in. HYPERION-500 i QUAZAR-700. Dzięki możliwości wykorzystania sygnałów z dostępnych systemów i dywersyfikacji pasm częstotliwości dla zegara podstawowego i zapasowego możemy znacznie podnieść odporność systemu. Dokładając do tego wbudowane algorytmy analizy sygnału, uwierzytelniania i monitorowania dodatkowo podnosimy świadomość stanu synchronizacji.
Rozwój technologii w tym zakresie i jej wykorzystania w rozwiązaniach BITSTREAM pozwala stosować nasze rozwiązania PRTC w aplikacjach infrastruktury krytycznej.
Fot. Modułowy Zarządzalny przemysłowy switch Ethernet z funkcją serwera synchronizacji czasu PTPv2 oraz interfejsami 4x 1/2,5/10Gbps Hyperion 500.
Monitorowanie i transport czasu precyzyjnego
Dokładność czasu precyzyjnego w urządzeniach energetycznych będzie miała wpływ na zdolność detekcji zmian fazy, częstotliwości, zmian wskazywanych poziomów mocy czynnej i biernej, poziomów sygnałów harmonicznych oraz wielu innych odczytywanych wielkości. Brak synchronizacji czasu pomiędzy urządzeniami lub jej duża niedokładność (różnica czasu względem atomowego i pomiędzy urządzeniami) będzie powodować blokowanie zabezpieczeń oraz błędne ich wyzwolenia. Racjonalne i konieczne staje się zatem stałe nadzorowanie systemu pod kątem jakości i niezawodności synchronizacji czasu urządzeń stacyjnych i poza stacyjnych od niej zależnych. Monitorowanie może się odbywać wieloaspektowo i może być związane z bezpośrednim porównywaniem czasu w rożnych punktach systemu lub pośrednią analizą sygnałów generowanych. Monitorowanie takie powinno być realizowane w trybie ciągłym poprzez dedykowane rozwiązania gromadzące dane historyczne dla późniejszych analiz post zdarzeniowych. Dla potrzeb utrzymania system powinien umożliwiać bezpośrednie alarmowanie przekroczenia progów i nastaw z interaktywnym wskazaniem przyczyn i miejsca alarmu. Takie rozwiązania zostały zaimplementowane w urządzeniu QUAZAR-700 i oprogramowaniu QuazarNeT. System pozwala na bezpośredni nadzór i utrzymanie jakości precyzyjnej synchronizacji czasu w infrastrukturze stacyjnej co pokazuje Rysunek 2.
Rysunek 2. Architektura stacyjna IEC 61850 transmisji i synchronizacji czasu z monitorowaniem oparta na rozwiązaniach BITSTREAM S.A.
Rozwiązania BITSTREAM w praktyce
Rozwiązania BITSTREAM oferują wielosystemowe i wieloczęstotliwościowe zegary i przełączniki czasu precyzyjnego z monitorowaniem oraz wspierają standardy synchronizacji czasu zgodne z IEEE 1588 PTPv2 Power Profile i Utility Profile na portach Ethernet w konfiguracji Parallel Redundancy Protocol (PRP) i High Availability Seamless Redundancy Protocol (HSR). Urządzenia oferują szybkości matryc przełączających i portów 10Gbit/s, co ma znaczenie w przypadku dużego ruchu rozgłoszeniowego jaki jest wyspecyfikowany w normach IEC 61850. Nasze urządzenia wspierają wydajnie zarówno warstwę Ethernet L2, jak i zaawansowane funkcje redundancji transmisji danych w warstwie L3. Mechanizmy PRP/HSR oferują redundancję bezstratną, a rozwiązania redundancji zgodne z ITU-T G.8032 gwarantują czas przełączania poniżej 20 ms, co minimalizuje ryzyko przestojów w krytycznych systemach elektroenergetycznych. Wbudowane rozwiązania PoE++ IEEE802.3bt umożliwiają zasilanie urządzeń peryferyjnych, takich jak kamery czy sensory. Bazując na rozwiązaniach BITSTREAM, można zrealizować zatem w sposób bezpieczny rozwiązania sieci technologicznej jak System Ochrony Technicznej (SOT).
Fot. Zarządzalna sonda monitorująca jakość synchronizacji sieci z funkcją serwera czasu Quazar-700.
Przyszłość synchronizacji czasu w energetyce
Technologie związane z precyzyjną synchronizacją czasu będą odgrywać coraz większą rolę w rozwoju branży energetycznej. Należy pamiętać, że oznaczenie próbek znacznikami czasu precyzyjnego jest podstawowym założeniem najbardziej wyrafinowanych rozwiązań IEC61850. Stąd ze względu na rozwój uczenia maszynowego i procesów sztucznej inteligencji (AI) jakość danych i przetwarzanie równoległe będzie miało fundamentalne znaczenie dla procesów automatyzacji w energetyce.
BITSTREAM, dzięki swojemu doświadczeniu i zaawansowanym technologiom chce wspierać zmiany w nowoczesnej energetyce, dostarczając rozwiązania, które pomagają budować bardziej zrównoważoną przyszłość energetyczną. Jako wiodący producent w dziedzinie synchronizacji czasu i transmisji danych nasz plan na przyszłość to kontynuacja rozwoju innowacyjnych rozwiązań dla sieci wrażliwych czasowo, które sprostają wymaganiom przyszłości.
Podsumowanie
Technologie precyzyjnej synchronizacji czasu GNSS oraz urządzenia BITSTREAM S.A. umożliwiają niezawodną i efektywną pracę sieci elektroenergetycznych. W obecnych czasach precyzyjna synchronizacja czasu staje się fundamentem innowacyjnych rozwiązań zgodnych z wymaganiami współczesnego rynku, które przyczyniają się do tworzenia bardziej zrównoważonego i bezpiecznego świata. W BITSTREAM S.A. jest to dla nas priorytet, dlatego nasze urządzenia zaprojektowane z myślą o ekstremalnych warunkach, są stale udoskonalane i znajdują zastosowanie w krytycznych infrastrukturach energetycznych na całym świecie. Z rozwiązaniami BITSTREAM S.A. przyszłość energetyki może stać się rzeczywistością już dziś.
Magdalena Oleszko
Starszy Specjalista ds. Marketingu Bitstream
www.bitstream.pl
