IEC 61850 on kattava standardi, joka säätelee sähköasemien Ethernet-pohjaista tietoliikennettä, komponenttien välisiä yhteyksiä ja käyttöliittymiä. Se tarjoaa myös uusia toiminnallisuuksia, joita vanhat tietoliikenneprotokollat eivät tue. IEC 61850 sallii sähköaseman signaalien täyden digitalisoinnin.

Tämä on välttämätöntä älykkään sähköverkon reaaliaikaisessa hallinnassa, joka edellyttää suurten datamäärien käsittelyä ja siirtoa. Eri valmistajien laitteiden yhteentoimivuuden lisäksi IEC 61850 tarjoaa mahdollisuuden sekä keskitettyihin että hajautettuihin ratkaisuihin.

Alstomin digitaalinen ohjausjärjestelmä on ollut 10 vuotta alan markkinajohtaja maailmalla, mutta sille on jo tulossa seuraaja – huippumoderni sähköasemien automaatiojärjestelmä ”DS Agile”. Uudella automaatiojärjestelmällä on merkittäviä etuja, kuten mahdollisuus ohjata laaja-alaisia hajautettuja verkkoja, IEC 61850 -prosessiväylän ja integroidun toimintatilan tarkkailun, sekä uuden valikoiman Ciscon vankasti suojattuja sähköasemakelpoisia reitittimiä ja kytkimiä. Järjestelmässä on sisäänrakennettuna pitkälle kehitetyt tietoliikenne- ja tietoturvaominaisuudet.

Kolmitasoinen arkkitehtuuri

Digitaalisten sähköasemien järjestelmäarkkitehtuuri koostuu kolmesta tasosta. Ensimmäinen on prosessitaso, johon liittyvät rajapinnat kytkinlaitoksen primäärilaitteisiin. Toisen tason muodostavat suojaukset ja ohjaukset, joita perinteisesti kutsutaan toisiolaitteiksi (suojaus-, ohjaus- ja mittalaitteet, kennoterminaalit, tallentimet jne.). Kolmantena tulee aseman ohjaustaso, joka hoitaa aseman sisäisen tietoliikenteen ja ohjausjärjestelmän sekä aseman toimintojen koordinoinnin ja tukitoiminnot.

DS Agilen arkkitehtuuri voidaan suunnitella vikatilanteesta itsenäisesti toipuvaksi renkaaksi tai IEC 62439 PRP-redundanssiprotokollan mukaiseksi tähdeksi, jolla on omat lukuisat etunsa. Digitaalisten laitteiden laajat mahdollisuudet itsediagnoosiin minimoivat sähköaseman käyttökatkot. Koska järjestelmä on suunniteltu alun alkaen kahdennetuksi, se pystyy toipumaan itsenäisesti vikatilanteista, jolloin vianhaku ei aiheuta koko verkon käyttökatkoa. Prosessiväylä on linkki, jota pitkin primäärilaitteiden signaalit kulkevat sähköaseman relehuoneeseen.

Täysin digitaalisessa arkkitehtuurissa myös primäärilaitteille menevät ohjauskäskyt (toimilaitteiden ohjaukset ja suojaukselta tulevat laukaisut) reitittyvät prosessiväylän kautta, siis päinvastaiseen suuntaan. Digitalisoidun sähköaseman suojareleet pystyvät IEC 61850 -standardin ansiosta kommunikoimaan prosessiväylää pitkin oman ja myös muiden katkaisijakenttien vertaislaitteiden kanssa sekä aseman väylän kautta digitaalisen ohjausjärjestelmän kanssa.

Lisää tarkkuutta

Digitaaliset mittamuuntajat eliminoivat tavanomaisten mittamuuntajien epätarkkuudet. Epätarkkuuksien syynä on toisaalta rautasydän, joka on magnetisoi- tava, mutta jonka kyllästymistä on vältettävä, ja 

Kolmitasoinen arkkitehtuuri, jossa alimpana liitynnät laitteisiin, keskellä suojaukset ja ohjaukset sekä ylimpänä sisäisen tietoliikenteen ja toimintojen koordinointi.

toisaalta liitokset analogisiin toisiopiireihin. Ensiö- ja toisioarvojen väliset muunnokset voidaan toteuttaa rautasydämen sijasta optisesti – Rogowski-periaatteella tai kapasitiivisesti.

Optimitilanteessa ilma- ja kaasueristeisten sähköasemien laitevalinta määräytyy digitaalisen laitteen koon mukaan, jolloin myös kytkinlaitteiden koko voidaan optimoida. Käytettävissä oleva digitalisten mittamuuntajien valikoima tarjoaa joka tapauksessa, teknologiasta riippumatta, samat edut, esimerkiksi paremman tarkkuuden, toistettavuuden ja turvallisuuden kuin tavanomaiset mittamuuntajat. Lisäksi näiden laitteiden etuna on laajempi perustaajuuksien, harmonisten yliaaltojen, väliharmonisten ja aliharmonisten aaltokomponenttien ja virran laadun mittaus.

Kenttäkokemusta on jo

Digitaalisessa laitearkkitehtuurissa tietojen keruu, käsittely ja tulostus tapahtuvat tosiaikaisesti. Tämä antaa edellytykset mittavaan virtuaalitestaukseen tehtaalla, jolloin vastaavasti kytketyt laitteistot eivät vaadi niin laajaa (ja kallista) testausta paikan päällä. Alstomin digitaaliset järjestelmät ovat näyttäneet kyntensä kenttäolosuhteissa, tanskalaisen Energinetin siirtoverkon ja venäläisen FSK:n differentiaalisuojauskäytössä.

Energinetin tapauksessa suojatut verkot ovat hybridiverkkoja, joissa on 400 kV:n avolinjoja ja merenalaisia kaapeleita. Verkon käyttövaatimukset sanelevat, että ilmajohdon vikaantumisesta pitää seurata automaattinen laukaisu, mutta maakaapeleiden vikaantumisista taas ei.

Alstomin MiCOM-differentiaalisuojaus havaitsee kaapeleiden vikaantumisen nopeasti ja tarkasti. Pääsyy digitaalitekniikan valintaan oli laitteiden vähäinen paino ja pieni koko, joiden ansiosta ne voitiin asentaa kaapelipääteiden kanssa yhteiseen tukirakenteeseen. Venäjällä 110/220 kV:n aseman GIS-laitteet hankittiin pääosin kolmannelta osapuolelta varustettuina tavanomaisilla mittamuuntajilla.

Analogiset signaalit digitalisoidaan lähtöpaikassa MU Agile -digitalisointiyksiköillä ja liitetään aseman sisällä releisiin ja katkaisijakenttien ohjaimiin IEC 61850 -prosessiväylän kautta. Kattava valikoima releitä suojaa sähköasemaa kiinteänä osana digitaalista ohjausjärjestelmää.

Tehokas tietoturva

Digitaalisten sähköasemien käyttömahdollisuuksia laajennetaan sisällyttämällä niihin aiempaa enemmän tietotekniikkaa, uusia standardeja ja uusia tietoliikenneprotokollia, kuten Ethernet. Avointa verkkoa hyödyntävät toiminnallisuudet on luonnollisesti suojattava kasvavilta ja yhä kehittyneemmiltä tietoturvauhkilta. Vuonna 2010 löytynyt Stuxnet-mato osoitti selvästi teollisten ohjausjärjestelmien haavoittuvuuden verkkohyökkäyksille.

Alstom on mukana alan standardoinnissa (esim. IEC 61850 ja IEC 62351) ja energiasektorin tietoturvahankkeissa, kuten Euroopan komission Energian pääosaston älykkäiden sähköverkkojen standardoinnin mandaatissa M/490 (Smart Grid Information Security Working Group). Lisäksi Alstom kehittää yhtä turvallisempia digitaalisia sähköasemaratkaisuja yhteistyössä alan johtavien toimijoiden, esimerkiksi Ciscon kanssa.

Simon Richards,

Alstom Grid

simon.richards@alstom.com