Introduzione

L'industria energetica odierna si trova ad affrontare molte sfide dovute alla crescente domanda di energia, alla necessità di un uso efficiente dell'energia e all'integrazione delle fonti rinnovabili. Il processo di integrazione può essere realizzato efficacemente attraverso soluzioni basate su quelle definite nella serie di norme IEC 61850. Le soluzioni principali si basano su metodi di campionamento digitale, in cui la sincronizzazione temporale precisa è un elemento indispensabile. La sua precisione determina la qualità e l'affidabilità dei dati di misura ed è estremamente importante. Nelle sottostazioni, di solito viene acquisita tramite sistemi di sincronizzazione del Sistema Globale di Navigazione Satellitare (GNSS) e trasportata tramite protocolli come IEEE 1588 PTPv2. È estremamente importante progettare l'acquisizione del tempo di precisione e il suo trasporto in modo che questi processi siano il più possibile controllabili e affidabili.

BITSTREAM S.A. - leader nella tecnologia di sincronizzazione temporale per l'industria energetica

Da 18 anni BitStream fornisce soluzioni affidabili alle aziende energetiche polacche e internazionali. In qualità di leader del settore, offriamo dispositivi innovativi che migliorano la connettività, la comunicazione e la gestione nel settore energetico. Ad oggi, abbiamo completato con successo più di 1.000 implementazioni, che riguardano la gestione di sottostazioni, aziende energetiche e risorse energetiche distribuite.
Le nostre soluzioni supportano i processi chiave dell'industria energetica, consentendo il monitoraggio e la gestione delle reti in tempo reale. Collaboriamo con i leader di mercato per fornire tecnologie che stabiliscono nuovi standard nel settore.

La sincronizzazione temporale precisa come fondamento dell'affidabilità

Le soluzioni di campionamento digitale in tempo reale, come le unità di misura del fasore (PMU) o i valori campionati (SV), richiedono una sincronizzazione temporale con una precisione di micro o nanosecondi. Il campionamento digitale di PMU e SV è stato progettato per consentire il monitoraggio di processi dinamici basati sull'area, permettendo di reagire rapidamente ai sovraccarichi, ai transitori o persino di prevedere i guasti delle apparecchiature. Inoltre, il formato dei dati e la loro etichettatura consentono di utilizzare metodi di apprendimento automatico con supervisione o metodi basati su grafi per controllare la rete.
C'è un prerequisito fondamentale per raggiungere i compiti previsti: la sincronizzazione temporale precisa a livelli inferiori al microsecondo. Va detto che la sua precisione è un fattore importante per poter utilizzare i dati nel modo più efficiente. Non è meno importante che la differenza di accuratezza della sincronizzazione tra i dispositivi non sia superiore a qualche centinaio di nanosecondi, poiché questo sarà il fattore principale che determinerà l'idoneità dei dati per l'analisi. Pertanto, è ragionevole e fortemente consigliato ottenerli da una fonte centrale e trasportarli utilizzando protocolli di rete sviluppati e dispositivi dedicati. Un esempio di soluzione utilizzata in questi casi è IEEE 1588 PTPv2. L'implementazione del protocollo PTP v.2 nel settore dell'energia, denominata Power Profile e Utility Profile, prevede una serie di caratteristiche specifiche del protocollo, necessarie per la generazione delle fonti temporali e per il trasporto. Le soluzioni BITSTREAM, dai time server HYPERION-500 e QUAZAR-700 agli switch bus di processo HYPERION 402 , supportano l'intera gamma di requisiti normativi IEC61850 per le implementazioni PTP v.2 supportate e sono testate per l'interoperabilità con la maggior parte delle soluzioni di sottostazione dei principali produttori.

Le tecnologie GNSS come fonte di tempo affidabile

È stato tradizionalmente accettato il riferimento ai sistemi di posizionamento e temporizzazione come sistemi GPS, associati al primo e per certi versi più diffuso sistema di tempo e posizione, il Global Positioning System. A questo hanno fatto seguito i ricevitori GPS e Glonass (sistema russo). Lo sviluppo della tecnologia, la situazione geopolitica e gli attacchi associati al segnale radio GPS hanno creato una condizione in cui l'implementazione di ricevitori basati su un unico sistema GPS è altamente rischiosa. Nel mondo dell'estrazione del tempo atomico dai segnali radio, abbiamo una situazione in cui, oltre al GPS, esistono oggi sistemi come Gallileo (il sistema europeo e unico di posizionamento e tempo civile), Beidou, QZSS. Inoltre, per ognuno di questi, sembra che la trasmissione avvenga contemporaneamente su diverse bande di frequenza (Fig. 1), il che rende molto più difficile l'interferenza del segnale attraverso metodi di Jamming e Spoofing.

Fig. 1. Sistemi e bande di segnale radio GNSS disponibili

Pertanto, se utilizziamo dispositivi di acquisizione del tempo di precisione all'avanguardia, come i Primary Reference Timing Clocks (PRTC), possiamo gestire facilmente il rischio e aumentare la resilienza del sistema agli attacchi.

Ricevitori GNSS come questi sono integrati, tra gli altri, nei dispositivi HYPERION-500 e QUAZAR-700 di BITSTREAM. Potendo utilizzare i segnali dei sistemi disponibili e diversificando le bande di frequenza per gli orologi primari e di backup, possiamo aumentare significativamente la resilienza del sistema. Inoltre, gli algoritmi integrati di analisi, autenticazione e monitoraggio dei segnali aumentano ulteriormente la consapevolezza dello stato di sincronizzazione.

Lo sviluppo della tecnologia in questo settore e il suo utilizzo nelle soluzioni BITSTREAM consente di utilizzare le nostre soluzioni PRTC in applicazioni di infrastrutture critiche.

Switch Ethernet industriale gestito modulare con funzione di server di sincronizzazione temporale PTPv2 e 4 interfacce Hyperion 500 da 1/2,5/10 Gbps.

Monitoraggio e trasporto del tempo di precisione

L'accuratezza del tempo di precisione nelle apparecchiature di potenza influisce sulla capacità di rilevare variazioni di fase, frequenza, variazioni dei livelli di potenza attiva e reattiva indicati, livelli di segnali armonici e molte altre letture. La mancanza di sincronizzazione temporale tra i dispositivi o la sua elevata imprecisione (differenza di tempo rispetto all'atomo e tra i dispositivi) causerà il blocco delle protezioni e l'attivazione errata. Diventa quindi razionale e necessario monitorare costantemente il sistema per verificare la qualità e l'affidabilità della sincronizzazione temporale dei dispositivi di stazione e non che dipendono da esso. Il monitoraggio può essere multiforme e può riguardare il confronto diretto dei tempi in diversi punti del sistema o l'analisi indiretta dei segnali generati. Tale monitoraggio deve essere effettuato in modo continuo attraverso soluzioni dedicate che raccolgano dati storici per analisi successive agli eventi. Ai fini della manutenzione, il sistema dovrebbe consentire di allarmare direttamente il superamento di soglie e impostazioni, con indicazione interattiva della causa e della posizione dell'allarme. Tali soluzioni sono state implementate nel QUAZAR-700 e nel software QuazarNeT. Il sistema consente il monitoraggio diretto e la manutenzione della qualità della sincronizzazione temporale precisa nell'infrastruttura della stazione, come illustrato nella Figura 2.

Figura 2: Architettura della stazione IEC 61850 per la trasmissione e la sincronizzazione temporale con monitoraggio basata sulle soluzioni BITSTREAM S.A..

Le soluzioni BITSTREAM in pratica

Le soluzioni BITSTREAM offrono orologi orari di precisione multi-sistema e multi-frequenza e switch con monitoraggio e supportano gli standard di sincronizzazione temporale IEEE 1588 PTPv2 Power Profile e Utility Profile su porte Ethernet in configurazioni Parallel Redundancy Protocol (PRP) e High Availability Seamless Redundancy Protocol (HSR). I dispositivi offrono una matrice di commutazione e velocità delle porte di 10Gbit/s, importante nel caso di una grande quantità di traffico broadcast specificato negli standard IEC 61850. I nostri dispositivi supportano in modo efficiente le funzioni di ridondanza della trasmissione dati sia a livello Ethernet L2 che a livello L3 avanzato. I meccanismi PRP/HSR offrono una ridondanza senza perdite e le soluzioni di ridondanza conformi allo standard ITU-T G.8032 garantiscono tempi di commutazione inferiori a 20 ms, riducendo al minimo il rischio di interruzioni nei sistemi di alimentazione critici. Le soluzioni PoE++ IEEE802.3bt integrate consentono di alimentare dispositivi periferici come telecamere o sensori. Sulla base delle soluzioni BITSTREAM, è quindi possibile realizzare in modo sicuro soluzioni di rete tecnologiche come il Sistema di Protezione Tecnica (SOT).

Foto: Sonda di monitoraggio della qualità della sincronizzazione di rete gestita con funzione di time server Quazar-700.

Il futuro della sincronizzazione temporale nell'industria energetica

Le tecnologie di sincronizzazione temporale di precisione avranno un ruolo sempre più importante nello sviluppo dell'industria energetica. È importante ricordare che la marcatura dei campioni con marche temporali di precisione è un presupposto fondamentale delle soluzioni IEC61850 più sofisticate. Quindi, grazie allo sviluppo dei processi di machine learning e intelligenza artificiale (AI), la qualità dei dati e l'elaborazione parallela saranno fondamentali per i processi di automazione nell'industria dell'energia.

BITSTREAM, con la sua esperienza e le sue tecnologie avanzate, vuole supportare i cambiamenti della moderna industria energetica fornendo soluzioni che aiutino a costruire un futuro energetico più sostenibile. In qualità di produttore leader nel campo della sincronizzazione temporale e della trasmissione dati, il nostro piano per il futuro è quello di continuare a sviluppare soluzioni innovative per le reti sensibili al tempo che soddisfino le esigenze del futuro.

Sintesi

Le tecnologie di sincronizzazione temporale di precisione GNSS e i dispositivi BITSTREAM S.A. consentono un funzionamento affidabile ed efficiente delle reti elettriche. Oggi la sincronizzazione temporale di precisione sta diventando il fondamento di soluzioni innovative in linea con le esigenze del mercato moderno, che contribuiscono a un mondo più sostenibile e sicuro. Per noi di BITSTREAM S.A. questa è una priorità, ed è per questo che i nostri dispositivi, progettati per condizioni estreme, vengono costantemente migliorati e utilizzati nelle infrastrutture energetiche critiche di tutto il mondo. Con le soluzioni BITSTREAM S.A., il futuro dell'energia può diventare realtà oggi.

Magdalena Oleszko
Specialista marketing senior Bitstream
www.bitstream.pl