Postępująca cyfryzacja infrastruktury krytycznej, w tym stacji elektroenergetycznych, wymaga wdrażania coraz bardziej zaawansowanych rozwiązań komunikacyjnych. Tradycyjne systemy oparte na analogowych metodach przesyłania danych, stają się niewystarczające wobec rosnących wymagań w zakresie niezawodności, szybkości reakcji i bezpieczeństwa operacyjnego.

Szyna procesowa w nowoczesnych stacjach elektroenergetycznych

Kluczowym elementem modernizacji sektora elektroenergetycznego jest szyna procesowa (ang. Process Bus) – fundamentalne rozwiązanie umożliwiające cyfrową transmisję danych w zgodzie ze standardem IEC 61850. Dzięki niej można zastąpić tradycyjne okablowanie miedziane infrastrukturą Ethernetową, co prowadzi do istotnych usprawnień w działaniu systemów elektroenergetycznych.

Jednym z kluczowych aspektów nowoczesnych wdrożeń szyny procesowej jest również stosowanie łączy uplinkowych o przepustowości 10 Gbps, które zapewniają odpowiednią wydajność oraz deterministyczność przesyłanych danych. Wzrost liczby przesyłanych informacji i rosnąca liczba urządzeń pomiarowych wymuszają stosowanie szybszych połączeń, które eliminują ograniczenia dotychczasowych systemów 1 Gbps.

Czym jest szyna procesowa i jak działa?

Szyna procesowa to cyfrowa warstwa komunikacyjna umożliwiająca wymianę danych między urządzeniami polowymi, a urządzeniami sterującymi w stacji elektroenergetycznej. Jest to jeden z kluczowych filarów standardu IEC 61850, który określa sposób komunikacji pomiędzy inteligentnymi urządzeniami elektronicznymi – IED (ang. Intelligent Electronic Devices).

Tradycyjnie pomiary oraz sterowanie w stacjach elektroenergetycznych były realizowane za pomocą przewodów miedzianych, łączących przekładniki prądowe i napięciowe (CT/VT) z przekaźnikami zabezpieczeniowymi. Takie rozwiązanie miało jednak wiele wad, takich jak wysokie koszty instalacji, podatność na zakłócenia elektromagnetyczne czy ograniczona elastyczność w przypadku konieczności rozbudowy systemu. Szyna procesowa eliminuje konieczność stosowania połączeń analogowych i zastępuje je siecią Ethernet, w której:

• dane pomiarowe są przesyłane w postaci cyfrowych wartości próbkowanych – SV (ang. Sampled Values),
• sygnały sterujące i zabezpieczeniowe są transmitowane za pomocą protokołu GOOSE (ang. Generic Object Oriented Substation Event).

Architektura stacyjna IEC 61850 transmisji i synchronizacji czasu z monitorowaniem, oparta na rozwiązaniach BitStream, fot. BitStream

Oznacza to, że dane analogowe są konwertowane do postaci cyfrowej już na poziomie urządzeń polowych, a następnie transmitowane do urządzeń sterujących w sieci Ethernet. Takie podejście nie tylko upraszcza architekturę systemu, ale także zwiększa jego niezawodność oraz zmniejsza ryzyko błędów operacyjnych.

Korzyści wynikające ze stosowania szyny procesowej

Redukcja kosztów instalacji i konserwacji – jednym z głównych powodów wdrażania szyny procesowej jest zmniejszenie kosztów związanych z instalacją i utrzymaniem infrastruktury kablowej. W tradycyjnych rozwiązaniach każda linia pomiarowa wymagała prowadzenia oddzielnych przewodów miedzianych, co zwiększało koszty materiałowe i robociznę. Stosowanie szyny procesowej eliminuje potrzebę budowy tych kosztownych połączeń, co pozwala na:

• ograniczenie ilości używanych materiałów (miedź, izolacja, korytka kablowe),
• skrócenie czasu montażu i wdrożenia systemu,
• zminimalizowanie ryzyka błędów połączeniowych wynikających z fizycznych usterek przewodów.

Większa elastyczność i skalowalność – szyna procesowa umożliwia łatwą rozbudowę systemu poprzez dodawanie nowych urządzeń bez konieczności prowadzenia dodatkowych kabli. W rozwiązaniach opartych na IEC 61850 wystarczy odpowiednia konfiguracja oprogramowania, aby dodać nowy punkt pomiarowy lub urządzenie zabezpieczeniowe, jeśli łańcuch synchronizacji na to pozwala. To znacząco przyspiesza proces modernizacji i obniża jego koszty.

Większa niezawodność i odporność na awarie – tradycyjne systemy są podatne na zakłócenia elektromagnetyczne oraz uszkodzenia fizyczne przewodów. Szyna procesowa, działająca na bazie światłowodowej transmisji danych, eliminuje te problemy i zapewnia:

• odporność na zakłócenia elektromagnetyczne występujące w stacjach WN i NN,
• lepszą jakość transmisji sygnału, dzięki cyfrowemu przesyłowi danych,
• redundancję połączeń, co pozwala na niezawodną pracę nawet w przypadku awarii jednego łącza.

Rozwiązania BitStream, fot. BitStream

Szyna procesowa IEC 61850 o przepustowości 10 Gbps – konieczność czy nadmiar?

Jako Bitstream widzimy, że transformacja cyfrowa w sektorze elektroenergetycznym w Polsce nabiera tempa. Tradycyjne systemy bazujące na analogowych połączeniach są zastępowane przez nowoczesne, cyfrowe sieci transmisyjne zgodne z IEC 61850, a więc pojawia się wspomniana wcześniej szyna procesowa, która umożliwia bezpośrednie przesyłanie próbkowanych wartości pomiarowych SV oraz komunikatów sterujących (GOOSE) za pomocą sieci Ethernet.

Powszechnie stosowana przepustowość 1 Gbps, mimo że wciąż użyteczna, zaczyna stanowić ograniczenie w systemach przesyłowych. Zwiększona liczba pomiarów oraz wzrost częstotliwości próbkowania generują coraz większe zapotrzebowanie na pasmo. Przykładowo, dla stacji elektroenergetycznych 110, 220 i 400kV, gdzie wykorzystywanych jest wiele przekładników optycznych oraz tradycyjnych, liczba próbek na sekundę może przekraczać 16 000 na jeden punkt pomiarowy. Wzrost częstotliwości próbkowania (np. 256 próbek na cykl) sprawia, że strumień danych rośnie, a 1 Gbps przestaje być wystarczające. Wprowadzenie 10 Gbps w szynie procesowej pozwala na:

• redukcję opóźnień w transmisji krytycznych danych pomiarowych,
• obsługę większej liczby urządzeń bez ryzyka przeciążenia sieci,
• lepszą deterministyczność transmisji poprzez implementację sieci TSN (ang. Time-Sensitive Networking),
• wdrażanie pełnej redundancji w komunikacji zabezpieczeń elektroenergetycznych, eliminując potencjalne punkty awarii.

W konsekwencji 10 Gbps staje się standardem, który nie tylko odpowiada na obecne potrzeby, ale również przygotowuje infrastrukturę na przyszłe wymagania związane z rozwojem inteligentnych sieci elektroenergetycznych.

Szyna procesowa w podsumowaniu

Szyna procesowa to fundament nowoczesnych stacji elektroenergetycznych, eliminujący analogowe połączenia na rzecz cyfrowej transmisji danych. Jej wdrożenie zwiększa niezawodność, redukuje koszty i upraszcza konserwację. Jednocześnie zastosowanie 10 Gbps w szynie procesowej pozwala na deterministyczną transmisję, eliminację opóźnień i obsługę większej liczby urządzeń, co czyni ją niezbędnym standardem w nowoczesnej elektroenergetyce. Bitstream dysponuje zarówno wiedzą, jak i odpowiednimi produktami, które wspierają tę transformację. Dzięki naszym rozwiązaniom, dostosowanym do standardu IEC 61850 i nowoczesnych wymagań szyny procesowej, jesteśmy w stanie pomóc w budowie w pełni cyfrowych, skalowalnych oraz wydajnych stacji elektroenergetycznych. Oferujemy przełączniki przemysłowe, urządzenia synchronizacyjne oraz systemy monitorowania parametrów komunikacji, które pozwalają wdrożyć infrastrukturę spełniającą najwyższe standardy technologiczne i bezpieczeństwa.

Jako Bitstream nie tylko śledzimy rozwój cyfryzacji, ale aktywnie w nim uczestniczymy, oferując zaawansowane rozwiązania sieciowe dla infrastruktury krytycznej. Nasze doświadczenie i technologie pozwalają naszym klientom budować przyszłość elektroenergetyki w sposób niezawodny, skalowalny oraz gotowy na kolejne wyzwania.

Maciej Tomczyszyn
Manager ds. Marketingu i Sprzedaży Bitstream

Źródło: Energetyka.plus