مقاله ارزیابی پروتکل IEC - 61850 در فرآیند بهینه سازی توزیع برق

بخشی از مقاله

ارزیابی پروتکل IEC-61850 در فرآیند بهینه سازی توزیع برق

چکیده — در سیستمهای توزیع برق، اتر نت ، IP و IEC-61850
به عنوان حلقه امنیتی بااهمیت بالا در ارتباطات، معرفی می شوند که
دراینبین IEC-61850 بهعنوان جدیدترین استاندارد بین المللی در
ارتباطات ایستگاههای الکتریکی، قادر است یکپارچهسازی، حفاظت،
کنترل، اندازهگیری و مانیتورینگ توابع مختلف با سرعتبالا داخل
ایستگاهها را تأمین نماید. در این مقاله ضمن معرفی انواع پروتکلهای
ارتباطی در اتوماسیون برق، به تشریح استاندارد IEC-61850، و بیان

مزایای بالقوهی آن، اهمیت آن در ارتباطات جدید و شبکههای مبتنی بر IP پرداختهشده است؛ در ادامه با استفاده از دادههای آماری، میزان اتلاف انتقال انرژی برق را در کشورهای تحت شبکه آلستوم – که ارتباطات داخلی این شبکه درگیر با این استاندارد است - ارزیابی نموده و نتایج حاصل را به صورت نمودار با کشور ایران –به دلیل عدم استفاده از استاندارد مذکور - مورد مقایسه قرار دادهایم. نتایج حاصله حاکی از آن است میزان تلفات انتقال برق در این کشورها تقریب کمتر از میانگین جهانی بوده، درحالیکه کشور ایران، دو برابر میزان متوسط جهانی را به خود اختصاص داده است؛ لذا نه تنها می توان اهمیت و لزوم جایگزینی استاندارد IEC-61850 را بهعنوان پروتکلی باقابلیت انتقال داده با سرعت بالا اثبات نمود، بلکه به موجب آن، کاهش زمان و تلفات انتقال در شبکه اتوماسیون برق را نیز شاهد خواهیم بود.

واژههای کلیدی — پروتکلهای ارتباطی، IEC-61850، اتوماسیون،

DNP3.0، IP، اترنت

.1 مقدمه

رشد جمعیت و صنعتی شدن کشورها نیازهای عظیمی را برای تولید انرژی الکتریکی فراهم آورده است. متأسفانه برق همیشه از محل تولید استفاده نمی شود. بدین معنا که خطوط انتقال از راه دور و سیستمهای توزیع موردنیاز است. اما انتقال برق از راه دور و از طریق شبکه شامل از دست دادن انرژی است. بنابراین با افزایش تقاضا، نیاز به حداقل رساندن تلفات برای رسیدن به دو هدف اصلی یعنی کاهش منابع مصرف و تحویل توان بیشتر به کاربران همراه است.[1]

هرچند توان تلفاتی بیشتر به انتقال در حوزههای ولتاژ بالا و خطوط انتقال هادی شامل کابلها است، اما پرداختن به مسئله پروتکل ارتباطی ، ویژگیها، معایب و مزایای آنها، بهعنوان یک مهم در این صنعت بایستی با جزئیات بیشتر بهعنوان نقش تأثیرگذار بر تلفات انتقالی موردبررسی قرارگیرد. به همین دلیل مهندسان شروع به طراحی میکروپروسسورهای جدید با عنوان IED برای ایستگاه سیستمهای اتوماسیون جهت کمک به کارکنان در تعیین محل دقیق خطا نمودند. توانایی این IED ها تولید فراوانی دادههای باارزش شبکه از طریق تبادل اطلاعات رلهها، برای سرمایهگذاری درزمینه هایی مانند کنترل، حفاظت، نظارت، ثبت خطا و ارتباطات است.[2 ] این سیستم ها نیز بهخودیخود دارای مشکلاتی ازجمله تأخیر در درگاههای سریال ارتباطی است؛ که میتوان آنها را به فراوانی سیمهای مسی و سازگاری بینIED های هر سازنده معین نسبت داد.[3] صرفه جویی %1 در انرژی الکتریکی تولیدشده توسط یک نیروگاه برق 1000مگاوات، به معنای انتقال 10 مگاوات بیشتر به مصرفکنندگان است بهگونهای که ا ین مقدار انرژ ی میتواند ، برق حدود 1000تا 2000 خانه را تأمین نما دی.[4] برای پوشش دادن این نگرانیها،

استانداردهای مختلف و پروتکلهای بینالمللی مانند
معرفی شده اند.

هدف از ارائه این مقاله، پرداختن به مقوله بهکارگیری پروتکلی مناسب برای افزایش کارایی و کاهش تلفات توان مصرفی است. در بخش اول این مقاله پروتکلهای ارتباطی در اتوماسیون برق را موردبحث قرار داده و به ویژگیهای هر یک اشاره خواهیم نمود. در دیگر بخش این مقاله، تطبیقپذیری انواع پروتکلها را موردبررسی و به اهمیت بهکارگیری استاندارد IEC-61850 پرداخته و بعد از مقایسه معایب و مزایای پروتکلها، اتلاف انرژی را با استفاده از دادههای آماری در دوره زمانی 2001-2011 در کشورهای تحت پروتکل IEC-61850 و ایران مقایسه خواهیم نمود. درنهایت نتیجهگیری کلی از بحث مطرحشده ارائه خواهد شد.

.2 پروتکلهای ارتباطی در اتوماسیون برق

پروتکل ارتباطی عبارت است از مجموعه قوانینی که چگونگی انتقال داده را در شبکههای کامپیوتر و ارتباطات راه دور تعیین مینماید. شاید این سؤال مطرح شود که چرا عملیات انرژی نیاز به تعریف پروتکل دارد؟ در پاسخ به این سؤال دلایل زیر مطرح میشود:[5]

• نیازهای مختص و ویژه ایجاب شده توسط Application ها.

• ارتباط دادهها از طریق IED یا RTU با التزام تعریف استاندارد اختصاصی مابین، جهت هماهنگی بین اجزا

• نیاز به طراحی دادهها در اولویتهای بالا/ پایین در شبکههای توزیع برق

• گروه بندی خاص داده ها

• گزارش در امور ویژه و غیرقابلپیشبینی

• توالی وقایع و اهمیت گزارش دهی بهموقع آنها

• ارتباطات Slave-Slave

انواع پروتکلهای تعریف شده در اتوماسیون برق در »شکل «1 نشان دادهشده است. در ادامه به بررسی چند مورد از پروتکلهای اساسی و ویژگیهای هر یک از آنها اشاره خواهیم نمود.

Power system automation

Profibus Modbus IEC 62351 IEC 61850 DNP3 IEC 60870

IEC 60870-6 IEC 60870-5

شکل :1 انواع پروتکلهای تعریفشده در سیستمهای اتوماسیون برق

.2.1 پروتکل MODBUS

استاندارد«Modbus» یک پروتکل پیغام لایه کاربردی است که برای اولین بار توسط ) Modicon امروزه بانام ( Schneider بهعنوان یک پروژه اختصاصی در سال 1970 ایجاد و در لایه هفتم مدل OSI قرار دادهشده است؛ که ارتباط client/server بین ابزارهایی که با شبکهها و درگاههای دیگر به کار میرود، را فراهم میآورد. این پروتکل ارتباطی بهطورمعمول اجازه دسترسی به ورودی و خروجی واحد PLC را فراهم میسازد. شامل انواع

دادهها از » «Coil خروجی دیجیتال، « Status » ورودیهای دیجیتال ،
Register» «Holding خروجیهای آنالوگ و » «Input Register
ورودیهای آنالوگ است.[6] هر ورودی یا خروجی شماره مشخص واحدی

دارد و این شمارهها به محدودههای مشخصی تقسیم میشوند (خروجی های آنالوگ از 40001 تا 49999 آدرسدهی میشوند) . نمونهای از پشته ارتباطی MODBUS در »شکل «2 آورده شده است.

MODBUS APPLICATION LAYER

Modbus on TCP

TCP

IP

Ethernet II/802.3 Master/Slave MODBUS+/HDLC Other
Ethernet Physical EIA/TIA-232 or Physical Layer Other
Layer EIA/TIA-485

شکل :2 پشته ارتباطی MODBUS

پیادهسازی این پروتکل با استفاده از ابزارهای ارتباطی زیر صورت می پذیرد:

• مدل TCP/IP اینترنت

• انتقال سری نامتقارن در انواع رسانهها (سیمی: EIA/TIA-232-E, EIA-422, EIA/TIA-485-A، فیبری و رادیویی

• MODBUS PLUS، شبکه عبور با سرعتبالا

معماری این پروتکل همانطور که در »شکل «3 مشاهده میشود
بهگونهای است که خط سری بر روی شبکههای اترنت TCP/IP صورت
گرفته و انواع گذرگاهها( (Gateway اجازه ارتباط با چندین نوع شبکه یا

درگاه دیگر را با استفاده از آن فراهم میآورد.

پروتکل MODBUS یک ارتباط ساده را با انواع معماریهای شبکه فراهم میسازد. در مقایسه با درگاههای ارتباطی دیگر، هیچگونه تداخلی تعریفنشده است. کاربران میتوانند بین EIA-232, EIA-422, EIA-485، یا جریان 20میلیآمپر، به ازای نرخهای انتقالی که برای پروتکل تعریفشده، انتخاب نمایند. باوجوداینکه پروتکل MODBUS در مقایسه با درگاههای دیگرنسبتاً ضعیف است، اما مزیتی دارد که باعث پذیرش عموم کاربران و تولیدکنندگان میگردد؛ و آن اینکه20 تا 30 مورد از تولیدکنندگان تجهیزات با این پروتکل تطبیق هستند. بنابراین میتوان آن را بهعنوان یک استاندارد صنعتی بالفعل باقابلیتهای اثباتشده در نظر گرفت. بررسی اخیر در مجله مهندسی کنترل مشهور آمریکایی نشان میدهد که بیش از %40 از کاربردهای ارتباطی از پروتکل Modbus در ارتباطات استفاده میکنند. مشخصات اساسی پروتکل Modbus مانند فرمت فریم، توالی فریم، خطاهای ارتباطاتی و توابع عملیاتی ثابت هستند. دیگر مشخصات مانند رسانه، مشخصات و مد انتقال، RTU یا ASCII انتخابی است. هر نوع ابزاری ( اعم از ورودی/ خروجی، عملیات کنترل ، ( PLC, MHI, Driver قادر است از این پروتکل برای راهاندازی عملیات کنترل از راه دور استفاده نماید.[7]

ازجمله معایب این پروتکل این است که بسیاری از تولیدکنندگان دستگاه های Modbus برنامههای سفارشی بسیاری را جهت ارتقا و افزایش قابلیت کاربردی فراتر از استاندارد اولیه، به سیستمها اضافه مینمایند که هزینهبر است. علاوه بر این استفاده مشترک از خروجی بهعنوان ورودی اغلب باعث دشواری استفاده عملیاتی و پیچیدهتر شدن تجهیزات میگردد. همچنین کمیته فنی مستقل برای اطمینان از قابلیت همکاری و ایجاد استاندارد برای قابلیتهای جدید برای این پروتکل وجود ندارد.

مزیت آن سادگی برای دستگاههای کوچک و محدوده بسیار وسیع ابزارهایی است که دارای نوعی رابط Modbus است.[8]

.2.2 پروتکل ارتباطی DNP3.0

پروتکل DNP توسط Westronic, Inc در سال 1990 ایجاد شد.
بعدازآن در سال 1993 پروتکل دیگری با عنوان «DNP3 » با مجموعه
مشخصات فنی بهطور عمومی منتشر گردید. درواقع پروتکل DNP3 یک

پروتکل آزاد، هوشمند، مقاوم و کارآمد است که بهطور مختصر دارای ویژگیهای درخواست و پاسخ با چند نوع داده در یک پیام، تقسیم پیامها به چند فریم جهت اطمینان از تشخیص و بازسازی بالای خطا، تنها تغییر دادههای پیامهای پاسخ، تعیین اولویت درداده و درخواست آنها بهصورت

پریودیک و بر اساس اولویت، پاسخ بدون درخواست ( خودکار)، پشتیبانی از هماهنگسازی زمانی استاندارد و اجازه تعریف و انتقال فایل است. نمونهای از یک شبکه هوشمند مبتنی بر پروتکل ارتباطی DNP3 در »شکل «4 نشان دادهشده است.

شکل:4 چشماندازی از شبکههایی با پروتکل ارتباطی DNP3

استانداردسازی و قابلیت تعمیم، ارتباطات انعطاف پذیر، سازمان دهی و پشتیبانی قوی، امنیت که شامل امنیت از طریق رمزنگاری و امنیت از طریق احراز هویت، صرفهجویی در زمان و هزینه، لایههای صنعتی مشخص، تغییرات پیکربندی کنترل از راه دور، استفاده مجدد از رسانههای فیزیکی موجود، از جمله مزایای DNP3.0 است.[9]

.2.3 پروتکلهای IEC 60870

در سال 1990 مدل 3 لایه EPA بهعنوان اساس انتقال دادههای از راه دور در استاندارد IEC 60870 ، با سیستمها و تجهیزات کنترل از راه دور تطبیق گردید. قسمتهای اصلی این استاندارد بین سالهای 1990تا 1993 گسترش و منتشر یافت. مجمع الکترونیکی بینالمللی استانداردهایی را برای تکنولوژیهای الکتریکی و الکترونیکی آمادهسازی و منتشر نمودند. اعضای آن شامل بیش از 50 کشور در سراسر جهان است. این مجمع نیز استاندارهایی را برای کاربردهای مختلف این پروتکل وضع نمودهاند. دو پروتکل IEC 60870-5 و IEC 60870-6 که تقریب بسیاری از ویژگیهای DNP3 را شامل میشوند[10]اساساً. DNP3 یک استاندارد شیداً قدرتمند با سازگارینسبتاً بالا با انواع دستگاههای تولیدکنندگان متفاوت است.

IEC 60870-5 .2.4
مجموعهای از استانداردهایی هستند که در کاربردهای سیستم اتوماسیون برق و مهندسی الکتریکی و سیستمهای SCADA استفاده میگردند. این پروتکل ارتباطی امکان انتقال پیامهایی بین دو سیستم برقرار میسازد که از

5-101

IEC 60870-

ارتباط موقت مستقیم بین داده ها استفاده می کنند. گروه IEC TC57
استانداردی را برای کنترل، حفاظت و ارتباط از راه دور در سیستمهای توان
الکتریکی فراهم آورده است. نتیجه کار این گروه IEC 60870-5 است که 5
سند بر اساس جدول1 بهدستآمده است.
پروتکل های DNP3 و IEC 60870-5 دارای قابلیتهای مشابهی
هستند. بهطورکلی DNP3 برای استفاده از SCADA در محیطهای برق و

الکتریکی گسترش یافت. این امر اجازه گزارش دهی از ورودیهای دیجیتال، آنالوگ و شمارنده همچنین دریافت کنترلهای آنالوگ و دیجیتال، ایجاد توابع سودمند الکتریکی مانند مدارات قطع، اطلاعات کیفی دادهها ، امکان تشخیص دقیق وقایع نابهنگام رخداده و کاهش پهنای باند ارتباطی موردنیاز را فراهم میسازد.

جدول:1 استانداردهای مربوط به پروتکلIEC 60870

استاندارد توضیحات
IEC 60870-5-1 فرمت فریم انتقالی
IEC 60870-5-2 سرویسهای انتقال لینک داده
IEC 60870-5-3 ساختار عمومی کاربردی دادهها
IEC 60870-5-4 تعریف و کدینگ عناصر اطلاعاتی
IEC 60870-5-5 توابع کاربردی اساسی
استانداردهای IEC 60870-5-101/102/103/104 نیز برای انجام

فعالیتهای کنترل از راه دور اساسی، انتقال یکپارچه، تبادل داده از تجهیزات حفاظتی و دسترسی شبکه مربوط به 101

.2.6 پروتکل سری IEC 62351

پروتکل سری IEC 61351 یک استاندارد توسعهیافته توسط WG15 از گروه استاندارد IEC TC57 است. این پروتکل برای اداره و مدیریت امنیت سریهای TC 57 شامل استانداردهای سری IEC 60870-5، IEC 60870-6، , IEC 61970 و IEC 61968 گسترشیافته است. در حقیقت اهداف امنیتی مختلفی شامل احراز هویت داده انتقالی در طول امضای دیجیتالی، اطمینان از حصول دادههای تصدیق شده، پیشگیری از استراق سمع، جلوگیری از پخش و اختلال داده و تشخیص نفوذ در این استاندارد مورد هدف واقع است.

.2.7 پروتکل ارتباطی PROFIBUS

استانداردی برای ارتباطات Fieldbus در تکنولوژی اتوماسیون است که برای اولین بار در سال 1989 توسط BMBF (سازمان آموزش و پژوهش آلمان ) پیشنهاد شد و پسازآن توسط شرکت زیمنس بهکاربرده شد. این استاندارد جدا از استاندارد PROFINET برای اترنت صنعتی است. این پروتکل نه استاندارد آزاد است و نه یک پروتکل با حق امتیاز رایگان بهحساب میآید. این پروتکل نقطه مقابل Modbus است
هر دو پروتکل DNP3 و IEC 60870-5 کمیته فنی و تکنیکی مستقل دارند که برای اطمینان از قابلیت همکاری و ایجاد استانداردهایی برای افزایش کارایی و حوزههای کارکردی تشکیل میشوند. بهطور گسترده DPN3 در صنایع مختلف مانند مدیریت آب و فاضلاب، عملیات نفت و گاز، خطوط حملونقل و معدن و در صنایع برقاختصاصاً در تولید توان بادی، خورشیدی و اتوماسیون ایستگاههای فرعی مورداستفاده قرار می گیرد.

.IEC 60870-6 .2.5

پروتکل IEC 60870-6 یکی دیگر از استانداردهای IEC 60870 است که سیستم ها را برا ی استفاده از کاربردهای کنترل از راه دور SCADA همچنین کاربردهای اتوماسیون سیستم توان تعریف مینماید. این استانداردها که حاصل گروه IEC TC57 است با عنوان ICCP نیز مشهور هستند. این دو پروتکل ارتباطی آزاد، قابلیت تعمیم با دیگر سیستمها جهت کاربردهای کنترل از راه دور را دارد. امروزه DNP3 یک پیشینه قوی در آمریکای شمالی، آمریکا و آفریقای جنوبی دارد، این در حالی است که
شیداً در مناطق اروپایی حمایت میشود.
پروتکل ارتباطی IEC 61850

پروتکل سری IEC 61850 استانداردی برای طراحی اتوماسیون ایستگاه های الکتریکی است. بخشی از کمیته تکنیکی کمیسیون بینالمللی الکترونیک است که معماری سیستمهای برق را مرجع دهی مینماید. مدل دادههایی که در IEC 61850 تعریفشدهاند، میتوانند با تعدادی از پروتکلها نگاشته شوند. در شکل 5 این استاندارد شامل MMS، GOOSE، SMV، آشکارسازی نیازها و خدماتدهی شبکه نشان دادهشده است. این پروتکل ها میتوانند در سراسر شبکههای TCO/IP یا LAN های ایستگاهها با استفاده از

سرعتبالای سوئیچ اترنت جهت رسیدن به زمان پاسخدهی زیر 4 میلی ثانیه
برای رلههای حفاظتی اجرا شوند.[11]

شکل:5 کارکرد و نمایههایی از ارتباطات موجود درIEC-61850