BOSANSKOHERCEGOVAĈKI KOMITET MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTRIĈNE SISTEME – BH K CIGRÉ SARAJEVO 11. SAVJETOVANJE BOSANSKOHERCEGOVAĈKOG KOMITETA NEUM, 15. – 19.09.2013. ISKUSTVA O IMPLEMENTACIJI BEŽIČNE GPRS KOMUNIKACIJE U SUSTAVIMA DALJINSKOG VOĐENJA EXPERIENCES REGARDING IMPLEMENTATION OF WIRELESS GPRS COMMUNICATION IN SCADA SYSTEMS Simon Batistič, dipl.ing.el. Elektro Primorska d.d. Nova Gorica, Slovenija [email protected] Boris Brestovec, dipl.ing.el. KONČAR – Inženjering za energetiku i transport d.d Zagreb, Hrvatska [email protected] Sažetak: Krajem 2011. godine završena je 1. faza projekta ukljuĉivanja objekata 20kV mreţe u Sustav Daljinskog VoĊenja korištenjem javne GPRS komunikacije. Sustav daljinskog voĊenja (SDV) Elektro Primorske nadleţan je za stanice 110/x kV, 35/20 kV, te linijske rastavljaĉe i stanice u 20kV mreţi. Zbog komunikacijski nepovoljnih geografskih prilika, komunikacija s objektima u 20kV mreţi preko radio mreţe u vlasništvu Elektro Primorske nije davala zadovoljavajuće rezultate za traţenu pouzdanost i raspoloţivost. Traţeći drugo rješenje za potrebe komunikacije i praćenjem razvoja tehnologija i dostupnih usluga na podruĉju Slovenije, zakljuĉeno je da bi prelazak na javnu mobilnu mreţu (GPRS/EDG/3G tehnologije) dao pozitivne uĉinke u smislu povećanja pouzdanosti i smanjenja troškova. Prilikom implementacije i puštanja u pogon ureĊaja na udaljenim objektima pokazalo se da je korištenje mreţnog IEC 60870-5104 komunikacijskog standarda najprikladnije u smislu optimiranja koliĉine razmjene podataka. Razlog tome je karakteristika IEC 60870-5-104 mreţnog standarda koji omogućuje osim cikliĉkog prozivanja ureĊaja, slanje podataka na dogaĊaj, vremensku sinkronizaciju te podešavanje pragova za potrebe slanja mjerenja. U radu će biti prikazane sve prednosti mreţnog IEC 60870-5-104 preko javne GPRS mreţe te osnovne karakteristke arhitekture Sustava Daljinskog VoĊenja u Elektro Primorske. Kjučne riječi: SCADA, GPRS, IEC 60870-5-104, DNP3.0, MODBUS Abstract: End of 2011. the first phase of the project of integration of the 20kV facilities into the SCADA system using the GPRS communication has finished. SCADA system in Elektro Primorska is in charge of 110/xkV, 35/20kV substations, line disconnectors and substations in 20kV distribution network. Due to the bad communication conditions influenced by geographical environment, the communication to 20kV substations over radio network, owned by the Elektro Primorska, didn't give satisfactory results and necessary reliability and availability. Looking into different communication solutions and tracking the technology development it has been concluded that the switch to the public mobile network would give positive effects in term of assuring better availability, reliability and lowering the costs. During implementation phase and commissioning it had showed that the use of IEC60870-5-104 communication standard is the best solution in terms of optimizing the quantity of data to be exchanged. The main reason is that the standard gives possibilities to transmit data on event besides just cyclic polling of the Master station, assures time synchronization and has possibilities to define dead bands for measurements. In the paper all the benefits of the IEC 60870-5-104 communication standard used over public GPRS network and the complete system configuration will be presented. Key words: SCADA, GPRS, IEC 60870-5-104, DNP3.0, MODBUS [email protected] STK - D2 UVOD Slovenski operater distribucijskog sustava, Elektro Primorska iz Nove Gorice, zapoĉeo je 1997. godine fazu nadogradnje SN mreţe distribuiranim smještajem daljinski upravljivih rastavljaĉkih ureĊaja. Uloga daljinski upravljivih objekata leţi u podizanju kvalitete mreţe osiguravanjem pravovremenih zaštita i isklapanja naponskih vodova. Elektro Primorska je do danas u svojoj 20kV mreţi ukupno ugradila 80 DVPLM (Daljinsko Vodeno Progovno Loĉilno Mesto) objekata, odnosno DURN-ova (Daljinski upravljive rastavne naprave). Prikupljanje informacija sa ureĊaja odvijalo se korištenjem UKV radio infrastrukture i zasebnog SCADA sustava (MOSCAD). Komunikacija prema SCADA sustavu odvijala se preko specifiĉnog komunikacijskog protokola (MDLC Motorola Data Link Communication Protocol, prema [1]) gdje je lokalni PLC ureĊaj prikupljao podatke od upravljaĉkih kutija i radio konverziju na MDLC, te slao podatke nadreĊenom SCADA sustavu. Pri voĊenju elektroenergetskog sustava vaţna je odzivnost SDV (Sustava Daljiinskog VoĊenja), koja pak ovisi o aţurnosti samih procesnih podataka. Stari sustav je omogućavao, u normalnom pogonu, odzivnost i osvjeţavanje podataka (alarma i dogaĊaja) u SCADA sustavu s periodom od nekoliko desetaka sekundi, pa sve do nekoliko minuta, dok su se procesna mjerenja cikliĉki osvjeţavala svakih 8 sati radi smanjenja opterećenja komunikacijske infrastrukture. U normalnom pogonu u sluĉaju automatskog djelovanja, npr. sporog APU (ĉije je vrijeme djelovanja oko 30s), nuţno je da operater nakon isteka tog vremena ima kompletno aţurirano stanje sustava (bazu podataka na SCADA susatvu) kako bi mogao korektivno djelovati iz SDV. Uzimajući u obzir vrijeme osvjeţavanja podataka koje je pruţao postojeći sustav, lako se moţe zakljuĉiti da takvo riješenje u većini situacija nije zadovoljavajuće i prihvatljivo za suvremene SDV distributivne mreţe. Specifiĉnost geografskog kraja oko Nove Gorice i distribucijskog podruĉja koje pokriva Elektro Primorska stvarala je dodatne probleme oko prijema radio signala pojedinih ureĊaja. Posljedica toga je iznimno veliki problemi u voĊenju sustava u sluĉaju havarijskih situacija kada bi pojedina lokacija bila u potpunosti nedostupna za bilo kakve daljinske intervencije. Potkraj 2010. zapoĉet je projekt ukljuĉivanja DVPLM objekata u novi SDV sustav [2], koji je isporuĉio KONĈAR Inţenjering za energetiku i transport d.d., korištenjem javne GPRS/EDGE mobilne infrastrukture. Specifiĉnosti podrţanih komunikacijskih protokola samih ureĊaja na DVPLM objektima iziskivali su isporuku posebnih centralnih koncentratora podataka u DC-a, centralni komunikacijski M2M pristupnik te posebne GPRS pristupnike na pojedinom objektu. U ĉlanku se opisuje arhitektura isporuĉenog sustava za prikupljanje podataka sa udaljenih objekata korištenjem javne mobilne mreţe te specifiĉnosti i iskustva sa razliĉitim komunikacijskim standardima i protokolima. 1. ARHITEKTURA PODSUSTAVA ZA PRIHVAT PODATAKA PO GPRS MREŽI Isporuĉeni podsustav za prihvat podataka temelji se na javnoj komunikacijskoj GPRS/EDGE mreţi te se sastoji od nekoliko osnovnih dijelova [3]: - Centralnih komunikacijskih koncentratora, - Centralnog M2M pristupnika, - Lokalni GPRS pristupnik. Centralni komunikacijski koncentratori sluţe za prikupljanje podataka sa udaljenih GPRS pristupnika i dalje ih proslijeĊuju ka SCADA posluţiteljima SDV sustava. Komunikacijski koncentratori su izvedeni u dualnoj konfiguraciji gdje je prateći koncentrator izveden kao vruća priĉuva vodećeg. Na koncentratorima je instalirana PROZANET SCADA pogramska aplikacija, razvijena u KONĈAR Inţenjeringu za energetiku i transport d.d., u funkciji FEP posluţitelja (Front End Processor). Komunikacija sa nadreĊenim SCADA posluţiteljima SDV-a odvija se preko mreţnog IEC 60870-5-104 komunikacijskog protkola. Koncentratori su vremenski sinkronizirani preko postojećeg vremenskog posluţitelja u sustavu preko NTP protokola i omogućuju sinkronizaciju GPRS pritupnika što omogućuje sinkronizaciju i upravljaĉkih ureĊaja na razini DVPLM objekata. Kako bi se omoguĉilo korištenje javne GPRS/EDGE mreţe mobilnog operatera isporuĉen je i centralni M2M pristupnik. Njegova osnovna funkcija je ostvarivanje sigurnosne VPN konekcije sa pojedinim koncentratorom podataka na pojedinom objektu. Sigurnosna VPN konekcija omogućuje tuneliranje podataka i bazira se na L2TP sigurnosnom algoritmu. L2TP omogućuje autentifikaciju pojedinog koncentratora podataka na centralni pristupnik pomoću korisniĉkog imena i lozinke. Specifiĉnost same IT infrastrukture u Elektro Primorskoj uzrokovala je da krajnji korisnik ugovori i privatni APN preko kojega se sav promet sa udaljenih koncentratora podataka usmjerava već prilikom ostvarivanja konekcije pojedine SIM katice na internet mreţu (unutarnju, privatnu mreţu). STK – D2 Na DVPLM objektima se nalaze ureĊaji ĉija je osnovna funkcija upravljanje rastavnim aparatima, zaštita i mjerenje procesnih veliĉina. Elektro Primorska na svojim objektima ima dva tipa upravljaĉkih ureĊaja: - PANACEA – komunikacija preko RS232 suĉelja i DNP3.0 protokola, - VISIONR – komunikacija preko RS232 suĉelja i MODBUS RTU protokola. Radi specifiĉnosti i ograniĉenja koja su nametnuta komunikacijskim mogućnostima postojećih ureĊaja na DVPLM objektima nuţno je bilo isporuĉiti GPRS pristupnike koji bi sluţili za prikupljanje podataka i povezivanje upravljaĉkih ureĊaja na razini objekta, te prolsijeĊivanje podatka korištenjem GPRS mobilne mreţe centralnim komunikacijskim koncentratorima podataka. Osnovna zadaća GPRS pristupnika je dakle ostvarivanje sigurnosne VPN konekcije sa centralnim M2M pristupnikom, tuneliranje standardnih komunikacijskih protokola prema centralnim komunikacijskim koncentratorima. Slika 1. prikazuje blok shemu komunikacije i arhitekturu sustava implementiranog u Elektro Primorskoj. Slika 1. Komunikacijska blok shema sustava 2. SPECIFIČNOSTI U KORIŠTENJU GPRS INFRASTRUKTURE Isporuĉeni podsustav za prihvat podataka temelji se na javnoj komunikacijskoj GPRS/EDGE mreţi te GPRS pristupnici omogućuju povezivanje korištenjem lokalnih serijskih suĉelja RS232/RS485 sa upravljaĉkim ureĊajima. Tijek komunikacije razliĉit je za oba tipa upravljaĉkih ureĊaja. Specifiĉnost GPRS javne mobilne mreţe je da je fiziĉki sloj mreţni TCP ili UDP sloj, te se poruke kao takve šalju ka centralnom M2M pristupniku i dalje ka koncentratorima podataka. Osnovna zadaća GPRS pristupnika je konverzija sa lokalnog serijskog fiziĉkog sloja komunikacije na mreţni fiziĉki sloj komunikacije prema centralnim posluţiteljima. Osnovna karakteristika GPRS komunikacije jest komutiranje paketa podataka kroz javnu mobilnu mreţu gdje se trošak temelji na koliĉini prenesenih podataka, a ne na temelju duljine poziva. Imajući to na umu nuţno je bilo odabrati povoljan komunikacijski standard koji bi smanjio ukupne troškove prema javnom mobilnom operateru, dok sa druge strane mora u potpunosti zadovoljiti aţurnost podataka u SDV sustavu koji predstavlja voĊenje elektroenergetskog postrojenja u stvarnom vremenu. Osnovna zadaća novog sustava prikupljanja podataka sa udaljenih upravljaĉkih ureĊaja na DVPLM objektima je poveĉanje aţurnosti podataka koja je nuţna za suvremeno voĊenje elektroenergetskog distributivnog sustava. Imajući to na umu pomno su odabrani komunikacijski protokoli koji će osigurati traţenu aţurnost podataka za voĊenje u stvarnom vremenu, dok je na drugu ruku bilo nuţno smanjiti troškove prijenosa podataka. STK – D2 2.1. Povezivanje pomoću DNP3.0 komunikacijskog protokola Povezivanje upravljaĉkih ureĊaja tipa PANACEA koji podrţavaju serijski DNP3.0 komunikacijski protkol izvedeno je tako da je na nivou centralnog koncentratora podataka u PROZANET programskoj aplikaciji razvijen DNP3.0 komunikacijski Master driver za potrebe komunikacije sa podreĊenim ureĊajima. Specifikacija i opis funkcionalnosti podrţanih u PROZANET programskoj aplikaciji opisana je detaljno u radu [4]. Uobiĉajeni naĉin komunikacije prema DNP3.0 komunikacijskom protokolu zasniva se na Master/Slave principu, tj. zahtjev/odgovor modelu. Posluţitelj (eng. Master) prvi šalje poruku zahtjeva prema ureĊaju (eng. Slave). Po primitku posluţiteljeve poruke, ureĊaj šalje odgovor prema posluţitelju. Ovaj oblik komunikacije omogućava jednostavnu provjeru isporuke poslanog zahtjeva (za svaki poslani zahtjev oĉekuje se pripadni odgovor). DNP3.0 komunikacijski standard omogućava i komunikaciju kojom ureĊaj inicira komunikaciju i šalje podatke posluţitelju bez potrebe za prethodnim zahtjevom (eng. unsolicited). oristeći unsolicited poruke, ureĊaj moţe poslati obavijest o promjeni stanja u trenutku kad se za time ukaţe potreba, tj. U trenutku samog dogaĊaja. Ovakav naĉin komunikacije zamjenjuje potrebu za uĉestalim prozivanjem (eng. polling) od stane posluţitelja ĉime se sprjeĉavaju znaĉajnija opterećenja komunikacijske infrastrukture kod sloţenijih konfiguracija sustava. Ovakav naĉin komunikacije bi omogućavao slanje podataka na dogaĊaj, što znaĉi da u trenutku nastanka nekog dogaĊaja, upravljaĉki ureĊaj inicira slanje podataka ka koncentratoru podataka. Ovakav naĉin komunikacije uvelike pogoduje karakteristikama GPRS prijenosa podataka, te smanjuje koliĉinu prenesenih podataka, tj. Troškove tako da se procesni signali šalju ka centralnim koncentratorima samo kada se stvarno i dogode. Razmjena podataka na dogaĊaj temelj je suvremenih teleupravljaĉkih komunikacijskih protkola koji se danas uvelike koriste u SDV elektroenergetskih sustava. Osim razmjene podataka korištenjem DNP3.0 omogućena je i vremenska sinkronizacija svih ureĊaja što je od posebne vaţnosti za kronološku registraciju dogaĊaja u SDV. GPRS pristupnik je u ovom sluĉaju imao samo funkciju tuneliranja DNP3.0 komunikacijskog protkola prema centralnim koncentratorima podataka. Prikupljeni podaci bi se dalje prema SCADA posluţiteljima proslijeĊivali korištenjem IEC 60870-5-104 komunikacijskim protokolom. Slika 2. Prikazuje principnu blok shemu komunikacije u sluĉaju sa DNP3.0 komunikacijskim protkolom. Slika 2. Principna blok shema u sluĉaju DNP3.0 komunikacijskog protokola STK – D2 2.2. Povezivanje pomoću MODBUS RTU komunikacijskog protokola Povezivanje upravljaĉkih ureĊaja tipa VISIONR koji podrţavaju serijski MODBUS komunikacijski protkol izvedeno je tako da je na lokalnom nivou izvedena konverzija protokola, te GPRS pristupnik vrši konverziju sa MODBUS RTU na IEC 60870-5-104 komunikacijski protokol. Razlog tome je što je MODBUS RTU relativno jednostavan i otovren protokol koji nema mogućnosti razmjene podataka izmeĊu Master stanice i Slave ureĊaja na principu slanja na dogaĊaj. Komunikacija preko MODBUS RTU protokola i razmjena podataka ide iskljuĉivo na naĉin da inicijalno Master stanica proziva Slave ureĊaj koji potom pošalje podatke Master stanici. Ovakav naĉin nije pouzdan i efikasan za potrebe SDV u elektroenergetskim mreţama. Njegova pouzdanost i efikasnost bi se povećala u sluĉaju smanjenja vremenskog perioda prozivanja podreĊenih Slave ureĊaja, ili omogućavanjem pohranjivanja poruka u meĊuspremnik. Smanjenje vremena prozivanja povećala bi se aţurnost samih podataka u SDV, ali bi se znatno zagušila komunikacijska infrastruktura uĉestalim prozivanjima i odgovorima, što nikako nije pogodno u sluĉaju GPRS infrastukture. Korištenje meĊuspremnika ovisi o komunikacijskim mogućnostima samih podreĊenih ureĊaja, ali na taj naĉin se smanjuje aţurnost podataka u SDV jer se oni meĊuspremnici prazne u puno većim vremenskim intervalima. GPRS pristupnik dakle vrši konverziju protokola i šalje podatke prema koncentratorima podataka korištenjem IEC 60870-5-104 protokola. U ovom sluĉaju je nuţno da GPRS pristupnik ima mogućnost vremenske sinkronizacije jer upravo je njegova zadaća pridodjeljivanje vremenskih oznaka pojedinim dogaĊajima dobivenih od strane upravljaĉkih ureĊaja. Slika 3. Prikazuje principnu blok shemu komunikacije u sluĉaju korištenja MODBUS RTU komunikacijskog protkola. Slika 3. Principna blok shema u sluĉaju MODBUS RTU komunikacijskog protkola 3. ZAKLJUČAK U radu je opisan koncept prikupljanja podataka sa daljinskih upravljivih rastavljaĉa u distributivnoj mreţi korištenjem GPRS mobline tehnologije i javne infrastrukture mobilnog operatera. Kroz samu implementaciju projekta pokazala se prednost komunikacijskih protokola koji imaju mogućnost slanja podataka na dogaĊaj. U tom sluĉaju podreĊena Slave stanica inicira komunikacijsko povezivanje i šalje podatke prema nadreĊenoj Master stanici. Takav naĉin komunikacije uvelike rasterećuje komunikaciju, te smanjuje nepotrebne koliĉine podataka koje su posljedica nepotrebnog, uĉestalog prozivanja. Smanjenjem koliĉine podataka, smanjuju se i troškovi komunikacije. STK – D2 Korištenjem novog sustava za prikupljanje podataka korištenjem GPRS tehnologije implemetiranog u DC-u Elektro Primorske uvelike je povećalo aţurnost podataka u normalnom pogonu postrojenja. Podaci se sada na dogaĊaj, te se u SCADA sustavu osvjeţavaju u vremenima od 5s do maksimalno 10s što je velika razlika u odnosu na stari sustav. Ovakvo osvjeţavanje zadovoljavajuće je i omogućuje operaterima pravovaljanu reakciju u sluĉaju havarijskih situacija. Rad SDV u stvarnom vremenu iziskuje i vremensku sinkronizciju svih dijelova sustava, što pak povlaĉi za sobom da i komunikacijski protokoli moraju imati mogućnost sinkronizacije upravljaĉkih ureĊaja koji prikupljaju procesne podatke. Korišteni komunikacijski protokoli u ovom projektu, IEC 60870-5-104 i DNP3.0 pokazali su se pogodni u pogledu vremenske sinkronizacije, što je bio jedan od osnovnih zahtjeva operatera distributivnog sustava. Kako bi se mogli udovoljiti svi zahtjevi krajnjeg korisnika, u ovom sluĉaju operater distributivnog sustava Elektro Primorska, nuţno je bilo odabrati pogodnu programsku platformu koja bi svojom otvorenosti, flekisibilnosti i modularnosti omogućila razvoj, integraciju i implementaciju svih korisniĉkih zahtjeva. Isporuĉena PROZANET SCADA programska aplikacija predstavlja upravo jedan takav sustav koji omogućuje razvoj i implemetaciju raznih komunikacijskih protokola u skladu sa standardima, koja je u potpunosti razvijena u KONĈAR Inţenjeringu za energetiku i transport d.d. LITERATURA 1 MOSCAD Technical Notes, „MDLC – COMMUNICATION PROTOCOL OVERVIEW“ 2 A. Varţić, „DC NOVA GORICA“, 7. simpozij o sustavu voĊenja EES-a, R3-22, Cavat 2006. [3] B. Njavro, A. Varţić, S.Sekulić, Mr.sc. T. Slokar „POVEĆANJE POUZDANOSTI NADZORA I UPRAVLJANJA EES-a KORIŠTENJEM JAVNE MOBILNE MREŢE (SLOVENIJA)“, 10. savjetovanje HRO Cigre, D2-10, Cavtat, studeni 2011. [4] B. Kopić, S.Suĉić, G.Kekelj, H.Keserica, A.Martinić, „RAZVOJ I INTEGRACIJA PROGRAMSKE PODRŠKE ZA DNP3 PROTOKOL U SCADA SUSTAVE“, 10. savjetovanje HRO Cigre, D2-03, Cavtat, studeni 2011. STK – D2