IEC 61850 Shenchyei Engineering Consultant Co. Ltd. 3th Aug,2013 神捷工程顧問股份有限公司
IEC 61850 變電站現代化整合平台變電所自動化的整合策略 整合對像與架構主站的統一協定電力故障診斷策略校時策略變電站網路安全策略 IEC61850 設備規格基準與 KEMA 認證範例 Goose 應用符合過去 現在與未來的系統整合 ( 實例說明 ) 整合應用 2
校時策略 本地操作策略 Web 單線圖取代 Local SCADA 安全的本地控制 電力故障診斷 策略 電驛工具統一 電驛工具統 管理 電驛遠端連線 故障波形及事件 自動上傳 GPS & NTP Server 衛星訊號 IRIG B 輸出 訊號 IED IRIG B 受信 訊號 Gateway IRIG B 受信訊號即時監視 Substation 變電站 Modernization 現代化 Platform 整合平台 整合 台 GOOSE 功能 監視策略 通訊系統維護 策略 通訊碼即時截取 通訊品質統計 通訊記錄 變電站資安 策略 NERC CIP 高可靠度策略 MTBF IEC 60255 規格要求 IEC 61850 KEMA GOOSE I/O 中 繼轉發及通訊 記錄 3
整合對象與架構 整合對象 歸類 IED 且據備通訊能力 (PM, Protection Relay, Sensors, RTU etc), 本類型佔既設變電站現場設備之絕大部分 歸類 IED 且據備 IEC 61850 通訊協定 簡報以保護電驛 (Protection IED ) 為主 IEC 61850 IED 整合架構 星狀 所有 IED 都支持的架構 以星狀模式連結上 station Bus 環狀 (Ring) g)( 自癒型 ) 儘限縮在有發展的 Vendor 星狀與環狀的優劣在此不另贅述 4
主站的統一協定 IED 被整合後轉成統一的通訊協定 台電目前採 DNP 3.0 對主站電腦, 未來 IEC 61850 中鋼 / 中油 IEC 104 北捷重運量 IEC 104 北捷中運量 Modbus 一般工業 無律定統一的通訊協定 IEC 61850 對主站 主站以點名映射方式 (ICD file import) 系統的即時資料庫點, 不易出錯且好管理 5
主站的統一協定 統一的通訊協定 IEC 61850 對主站 ( 續 ) IEC 61850 點資訊帶有點品質點 (QUALITY), 主站可掌握 IED 端至主站端 (End to End) 的通訊狀態, 不用如 DNP 3.0 於在變電所 Gateway(Front end/or RTU ), 必須增設通訊品質點 可實現 Goose Interlock ( 站內 High speed, 跨站 Low speed) 所有的點資訊, 均帶有 TimeTag( 時間標籤, 單位至 ms) 非 IEC61850 的協定資料, 可轉換成 IEC61850 協定的資料上傳至中心, 並附加上點品質 (QUALITY) 及時間標籤 (TimeTag) 的特性 6
主站的統一協定 SCADA Ethernet Network SMP Gateway A SMP Gateway B SMP Gateway C 變電站 A 通訊網路變電站 B 通訊網路變電站 C 通訊網路 IEC 61850 及既設通訊協定 IEC 61850 及既設通訊協定 IEC 61850 及既設通訊協定 7
主站的統一協定 發展點表規則中, 統一變電站現場的點表名稱 8
主站的統一協定 IED IED IF PHA(50) In GW Convert Convert Convert Convert in IED Is T1 To DNP To DNP To 61850 To 61850 GW Adds value Add value ABB w SPA S/E Fix adds 1/0 1 1/0+T1 PICO1 1/0+T1+Q1 SEL w ASCII S Fix adds 1/0 1 1/0+T1 PIOC1 1/0+T1+Q1 GE w Modbus S Fix adds 1/0 1 1/0+T1 PIOC1 1/0+T1+Q1 SEL w DNP S/E Flex adds 1/0+T 1 1/0+T PICO1 1/0+T+Q1 GE w DNP S/E Flex adds 1/0+T 1 1/0+T PIOC1 1/0+T+Q1 SEL w 61850 E PICO1 1/0+T+Q 1 1/0+T PIOC1 1/0+T+Q GE w 61860 E PIOC1 1/0+T+Q 1 1/0+T PICO1 1/0+T+Q ABB w 61850 E PTOC1 1/0+T+Q 1 1/0+T PICO1 1/0+T+Q SIEMENS w 61850 E PTOC6 1/0+T+Q 1 1/0+T PIOC1 1/0+T+Q 9
校時策略 本地操作策略 Web 單線圖取代 Local SCADA 安全的本地控制 電力故障診斷 策略 電驛工具統一 電驛工具統 管理 電驛遠端連線 故障波形及事件 自動上傳 GPS & NTP Server 衛星訊號 IRIG B 輸出 訊號 IED IRIG B 受信 訊號 Gateway IRIG B 受信訊號即時監視 Substation 變電站 Modernization 現代化 Platform 整合平台 整合 台 GOOSE 功能 與監視策略 通訊系統維護 策略 通訊碼即時截取 通訊品質統計 通訊記錄 變電站資安 策略 NERC CIP 高可靠度策略 MTBF IEC 60255 規格要求 IEC 61850 KEMA GOOSE I/O 中 繼轉發及通訊 記錄 10
事故診斷平台 IEC 61850 (1) 各廠牌電驛工具統一遠端連線管理介面 (2) 取得電驛資料即時顯示 ( 如相序, 相角等 ) (3) IED 故障波形及事件自動上傳 (4) 校時狀態監視 SCADA Core Switch Switch A Switch B Switch C SMP Gateway A SMP Gateway B SMP Gateway C 變電站 A 通訊網路變電站 B 通訊網路變電站 C 通訊網路 IEC 61850 及既設通訊協定 11
電驛工具統一管理 ; 電驛遠端連線 ; IED 的 Service port 介面多樣, SMP 建立統一的虛擬通道平台 ; 崁入電驛工具軟體並建立連線通道 遠地 PC(SMP Pass through h MANAGER + 電驛工具軟體 ) 變電站 SMP 非 IED 4 ( 或 DNP IEC 61850 IED4 3.0 support) 配電 IED IED IED IED 供電 IED 12
電驛遠端連線 ; 故障波形及事件自動上傳 IED Ti Trigger 錄波, SMP 自動將 IED 的錄波檔次抽載至 PC 端指定檔檔案夾 (Folder) 遠地 將電驛波型, 自動上傳至指定目錄區並依 SOE 順序排列 PC 變電站 App of OSC file auto-retrieve SMP (1) SEL 電驛 (311L,487B,387T,351,351A) (2)GE UR & SR(B90,L90,760,750) 750) IEC 61850 IED(Support FTP with OSC file) SIEMENS/GE 13
校時策略 本地操作策略 Web 單線圖取代 Local SCADA 安全的本地控制 電力故障診斷 策略 電驛工具統一 電驛工具統 管理 電驛遠端連線 故障波形及事件 自動上傳 GPS & NTP Server 衛星訊號 IRIG B 輸出 訊號 IED IRIG B 受信 訊號 Gateway IRIG B 受信訊號即時監視 Substation 變電站 Modernization 現代化 Platform 整合平台 整合 台 GOOSE 功能 與監視策略 通訊系統維護 策略 通訊碼即時截取 通訊品質統計 通訊記錄 變電站資安 策略 NERC CIP 高可靠度策略 MTBF IEC 60255 規格要求 IEC 61850 KEMA GOOSE I/O 中 繼轉發及通訊 記錄 14
系統校時精確度非常重要 IEC 61850 SCADA 讀取 IED 設備內部 SOE (Sequence of Event), 正確報告事件 ( 事故, 警報, 位置改變 ) 發生時間點, 解析度至毫秒 (ms), 清楚分辨並記錄事件發生的順序, 供事件分析及故障診斷 ; 保護電驛可於數毫秒之內對反應故障, 系統校時精準度大於 ±10ms 時, 電力事件記錄先後順序會錯亂,SOE 功能失去意義, 故障診斷可能導致錯誤結論 不使用 IEC 61850 Ed1 13 SNTP Time Synchronization, 採用 IRIG B 替代 15
IEEE 1588 目前 IEC 61850 的規定是 SNTP, 但不能滿足校時需求, 另支援 IEEE 1588 的 IED Device 尚未普及 完整系統校時需要三個條件 1. 即時遠端查看 GPS 接收衛星訊號數量及強度 GPS Time Server IRIG B 2. GPS 顯示已接受衛星的校時 3. IED 設備由通訊點回覆已收到 IRIG B 校時狀態 IED 設備 SMP Gateway 16
校時策略 本地操作策略 Web 單線圖取代 Local SCADA 安全的本地控制 電力故障診斷 策略 電驛工具統一 電驛工具統 管理 電驛遠端連線 故障波形及事件 自動上傳 GPS & NTP Server 衛星訊號 IRIG B 輸出 訊號 IED IRIG B 受信 訊號 Gateway IRIG B 受信訊號即時監視 Substation 變電站 Modernization 現代化 Platform 整合平台 整合 台 GOOSE 功能 與監視策略 通訊系統維護 策略 通訊碼即時截取 通訊品質統計 通訊記錄 變電站資安 策略 NERC CIP 高可靠度策略 MTBF IEC 60255 規格要求 IEC 61850 KEMA GOOSE I/O 中 繼轉發及通訊 記錄 17
任一變電站通訊網路經 Gateway 與外部網路 SCADA 經上層通訊與 Gateway 交換資料 IEC 61850 SCADA 極可能是不安全的網路 Core Switch Switch A Switch B Switch C SMP Gateway A SMP Gateway B SMP Gateway C 變電站 A 通訊網路變電站 B 通訊網路變電站 C 通訊網路 IEC 61850 及既設通訊協定 18
安全的網路通訊架構 :NERC-CIP North American Electric Reliability Corporation - Citi Critical linfrastructure t Protection ti 北美電力可靠度組織 關鍵基礎設施保護 辦公室 辦公室 工具軟體 / 應用軟體 SMP Manager 外部網路 WAN 變電站 同上頁 SMP Gateway IED Ethernet IED Data Ethernet VPN Firewall + 密碼管理 Ethernet SSL 加密 SMP Data IED RS-232/485 RS-232/485 IED Data VPN : 防止資料被攔截 Firewall : 防止網路攻擊密碼管理 : 授權者登入 SSL : 資料加密 SMP : 資料使用記錄 IED: 對外無 IP 直接連接 19
校時策略 本地操作策略 Web 單線圖取代 Local SCADA 安全的本地控制 電力故障診斷 策略 電驛工具統一 電驛工具統 管理 電驛遠端連線 故障波形及事件 自動上傳 GPS & NTP Server 衛星訊號 IRIG B 輸出 訊號 IED IRIG B 受信 訊號 Gateway IRIG B 受信訊號即時監視 Substation 變電站 Modernization 現代化 Platform 整合平台 整合 台 GOOSE 功能 與監視策略 通訊系統維護 策略 通訊碼即時截取 通訊品質統計 通訊記錄 變電站資安 策略 NERC CIP 高可靠度策略 高MTBF IEC 60255 規格要求 IEC 61850 KEMA GOOSE I/O 中 繼轉發及通訊 記錄 20
以 KEMA 認證 Register Table 為依據 : KEMA 網站可下載所有 KEMA 驗證過的設備 1. IEC 61850 Ed1 Client Systems Apply to IEC 61850 8 1 Block : 1, 2, 5, 6, 12abcd, 13, 14 2. IEC 61850 Ed1 Server Devices Apply to IEC 61850 8 1 Block : 1, 2, 5, 6, 9ab, 12xxxx, 13, 14 3. IEC 61850 Ethernet Switches Apply to functional test IEC 61850 3 application depending on operation environment requirement 4. IEC 61850 Ed1 Sampled Value Publishers (Merging Units) Apply to IEC 61850 9 Block : 10, 11 ( 發展中, 少數 KEMA 認證產品 ) 21
以 KEMA 認證 Register Table 為依據 : 1. IEC 61850 Ed1 Client Systems 2. IEC 61850 Ed1 Server Devices 3. IEC 61850 Ethernet t Switches 3 Switch 變電站 Web SCADA 1 SMP Gateway IRIG B DNP, Modbus, ASCII, & 104 etc. 3 IEC 61850 變電站內通訊網路 非 IEC 61850 IED 2 IEC 61850 IED 2 IEC 61850 BCU GPS Time Server IRIG B 22
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IEC 61850 Ed1 Server Device 24
IEC 61850 Ed1 Client System 25
校時策略 本地操作策略 Web 單線圖取代 Local SCADA 安全的本地控制 電力故障診斷 策略 電驛工具統一 電驛工具統 管理 電驛遠端連線 故障波形及事件 自動上傳 GPS & NTP Server 衛星訊號 IRIG B 輸出 訊號 IED IRIG B 受信 訊號 Gateway IRIG B 受信訊號即時監視 Substation 變電站 Modernization 現代化 Platform 整合平台 整合 台 GOOSE 功能 與監視策略 通訊系統維護 策略 通訊碼即時截取 通訊品質統計 通訊記錄 變電站資安 策略 NERC CIP 高可靠度策略 MTBF IEC 60255 規格要求 IEC 61850 KEMA GOOSE I/O 中 繼轉發及通訊 記錄 26
變電站間 (Sub2Sub )ES operate security Goose interlocking for Project(2014) 81L load shedding application for Project (2014) CIGRE will release GOOSE application scheme as below in months: Transmission Bus Protection: Directional Comparison Scheme Transmission Line Protection: Inter trip scheme Transmission Line Protection: Breaker Failure Protection (RBRF) Transmission i Line Protection: ti Automatic ti reclosing (AR) for One Breaker (internal or external AR device) Transmission Line Protection: Check Sync for One or Two Breakers Breaker Control lied Distribution Feeder: Breaker Failure Protection Scheme for One or Two Bus Sections (Shenchyei Lab : 2013~14) Sympathetic Tripping or Blocking Scheme Feeder Interlocking and Substation Interlocking (Project 2014) Distribution bus protection (Shenchyei lab:2013) Substation Control Lockout or Control Uniqueness (Project 2014) Under Frequency Load Shedding UFLS (Project 2013~2104) 27
28
TPRI 複雜的整合實驗案 29
地點 : 金門鵲山整合全站電驛資訊及電驛工具至莒光辦公室及北供使用 整合電驛 :F650*30, SEL311L*8, B90*3, SEL351A*2, GE M2*2 30
地點 : 金門莒光整合全站電驛資訊, 電驛工具, 電驛故障波型自動上傳 整合電驛 :SEL351*24, SEL487B*3,SEL311L*10, GE L90*4,GE 201TI*2 31
中區 SS #2 主變, 同時擷取 15 台 SEL351 的 DNP, IEC61850 資料, 整合成兩支 DNP 上傳 32
台中北屯, 擷取 30 台 SEL351 ASCII 資料, 同時轉換成 DNP 及 IEC61850 資料上傳 33
Web SCADA Switch SMP Gateway 變電站內資料連線交換 將變電站內資料轉成 IEC 61850 及 DNP, 與站外 SCADA 連線 IRIG B(±1ms) DNP, Modbus, ASCII, & 104 etc. IEC 61850 變電站內通訊網路 非 IEC 61850 電驛 IEC 61850 電驛 IEC 61850 BCU GPS Time Server IRIG B 收集開關, DS,ES 狀態點, 控制點 現場操作盤, 掛牌顯示 (±1ms) 收集雜散點顯示現場開關狀態 GOOSE 連鎖 IEC 61850 I/O Controller 34
使用 Protection IED Goose Out (IEC 61850 8 8 Block 9a); 使用 Distribution Protection IED command (IEC 61850 8 Block 12); 不使用 Transmission Protection IED command (IEC 61850 88 Block 12); 不使用 IEC 61850 8 Block 13 SNTP Time Synchronization, 採用 IRIG B 替代 ; 變電所設置 IEC 61850 BCU (Bay Control Unit), 符合 IEC 61850 8 1 block 1, 2, 5, 6, 9ab, 12ac, 13, 14, 以 command 與 Goose in/out 應用為主 ; 資訊安全遵循 NERC CIP 規定,Pass through IED native tool remote access 等應用均符合 NERC CIP 要求, 變電站資安管理非常重要 35
輸電網路操作影響範圍廣泛, 台電禁止設備經 Protection ti IED 遙控操作, Protection IED 單純做系統保護之用, 故不使用 IEC 61850 8 Block 12 Transmission Protection IED command ; IEEE 1588 SNTP Time Synchronization 尚未成熟普及於 Protection IED, SNTP 不能滿足 SOE 時間精確度需求, 故採用廣泛被 Protection IED 支援的 IRIG B 校時策略 36
本地安全控制器的發展概念 -- 變電站本地的操作類型 -1 建置 Local SCADA 連鎖? 高階保護電驛 LCD 顯示單 Bay 畫面 開關操作鍵 狀態指示燈 開關本體 人員利用 Local SCADA 操作開關的投入與跳脫動作 操作時已避免人身事故的風險 端看 Local SCADA 是否規劃互鎖機制 多盤面 ( 整體 ) 之監視 純軟體系統, 妥善度沒保護電驛好 開關機程序較複雜, 操程序也較複雜 維修與備料較難掌握 37
本地安全控制器的發展概念 -- 變電站本地的操作類型 -2 本地控制盤 硬線至本地中控室 高階保護電驛 LCD 顯示單 Bay 畫面 開關操作鍵 狀態指示燈 操作 KEY 開關本體 占空間 連鎖? 操作時已避免人身事故的風險 端看本地控制盤是否規劃互鎖機制的顯示 多盤面 ( 整體 ) 之監視 純硬體設計, 妥善度高 操作程序簡單 配線多, 元件多 無自我診斷機制若元件毀損需人工察覺 因為通常是設在本地控制室, 硬線距離較遠 人員利用本地控制盤操作開關的投入與跳脫動作 38
本地安全控制器的發展概念 -- 變電站本地的操作類型 -3 電驛 電驛 電驛 電驛 電驛 電驛 開關盤 開關盤 開關盤 開關盤 開關盤 開關盤 本地安全控制器避免開關盤面監視與現場控制所有開關盤, 操作風險具備通訊 (IEC61850) 操作紀錄及校時功能
本地安全控制:於本地 避免開關盤面近距離的手動操作 校時策略 本地操作策略 Web 單線圖取代 Local SCADA 安全的本地控制 電力故障診斷 策略 電驛工具統一 管理 電驛遠端連線 故障波形及事件 自動上傳 GPS & NTP Server 衛星訊號 IRIG B 輸出 訊號 訊號 IED IRIG B 受信 訊號 Gateway IRIG B 受信訊號即時監視 Substation 變電站 Modernization 現代化 Platform 整合平台 GOOSE 功能 監視策略 通訊系統維護 策略 通訊碼即時截取 通訊品質統計 通訊記錄 變電站資安 策略 NERC CIP 高可靠度策略 MTBF IEC 60255 規格要求 IEC 61850 KEMA GOOSE I/O 中 繼轉發及通訊 記錄 40
本地安全控制 : 於本地 ; 避免開關盤面近距離的手動操作 Web SCADA Web 單線圖程式 SMP Gateway 沒有 Local SCADA DNP, Modbus, ASCII, & 104 etc. IEC 61850 變電站內通訊網路 變電站 非 IEC 61850 電驛 IEC 61850 電驛 IEC 61850 BCU 收集開關, DS,ES 狀態點, 控制點收集雜散點顯示現場開關狀態 現場操作盤, 掛牌顯示 GOOSE 連鎖 IEC 61850 I/O Controller 41
基礎於變電站現代化整合平台 (SMP) 發展的 IEC 61850 系統架構, 能支援過去 現在與未來變電站自動化需求 ; 工程實例證明既設系統可成功整合於 IEC 61850 新建變電站自動化系統 ; 實際採行之 IEC 61850 系統發展整合流程, 可順利使既設變電站自動化系統逐步汰換至 IEC 61850 系統, 系統轉換期間不影響正常供電, 系統升級衝擊減到最低 42
感謝聆聽 ; 敬請賜教 43
六輸 LOCAL SCADA 問題與建議 Shenchyei Engineering Consultant Co. Ltd. 3th Aug, 2013 神捷工程顧問股份有限公司
目前台電電力系統通訊整合的主要問題 一 多廠牌電驛整合不易 a 具備台電線上電驛, 過去 現在 未來需使用的通訊協定 b 建置各廠牌電驛的通訊模組化 二 系統可靠度不足 a 如何提高設備的可靠度 b 環狀的網路系統 三 系統複雜維護不易 a 系統維護工具的提供 b 系統維護平台的建置
1-a 具備台電線上電驛, 過去 現在與未來需使用的通訊協定 未來中心端的協定 (IEC61850) 目前中心端的協定 (DNP) SMP 過去 IED 的協定 (SEL ASCII, ABB SPA, GE MODBUS, SIEMENS 103) 現在 IED 的協定 (IED4 DNP) 未來 IED 的協定 (IEC61850)
1-b 建置各廠牌電驛的通訊模組化 目前 SMP 連線過的通訊模組 中心 87L SEL311L(ASCII) 87L GE L90(DNP) IEC61850:ICD 檔 DNP 點表 87B SEL487B(ASCII) 87B GE B90(DNP) 87T SEL387(ASCII) SMP 通訊參數 IED 通訊參數 SMP SMP 通訊模組 IED 通訊模組 87T SEL351(ASCII,DNP) Feeder SEL351A(ASCII) Feeder SEL351(ASCII,DNP,IEC61850) Feeder GE F650(DNP,IEC61850) Feeder SR760(MODBUS) Feeder ABB REF541(SPA) Feeder ABB RET630(IEC61850) Feeder Siemens 7SJ62(Modbus) Feeder Siemens 7SJ64(IEC61850) 電驛 總共約 13 個型號, 台電所使用電驛型號應大部分都已連線完成
2-a 如何提高設備的可靠度 1. 為軟體 + 硬體的專用設備 ( 經過原廠高度驗證測試 ) ( 通訊軟體 +PC 的整合方式, 未經過驗證 ) 2. 無開孔金屬外殼, 無風扇設計 ( 防塵, 防干擾, 無轉軸 ) 3. KEMA, IEC60255, MTBF 4. 可靠的電源模組
2-b 環狀的網路系統 光纖網路主幹線形成環路, 當其中一個節點產生斷線, 系統依尋另外一條路徑將資料傳回中心, 提高網路主幹的可靠度 SW8 SW1 SW2 SW7 SW3 SW6 SW5 SW4
3-a 系統維護工具的提供 SMP 提供了一個管理平台 SMP Manager, 具備以下功能 : 1. 目前使用的 SMP 表列及連線狀態 2. Config 及重啟功能 3. SMP_Connect 提供多廠牌電驛工具連線管理介面 4. SMP_Log 使用記錄 5. SMP_Status 顯示所有連線與衛星校時的狀態及設定參數 通訊品質的統計紀錄 6. SMP_Trace 提供 Data Scope 的功能解析通訊碼 7. SMP_Web 提供單點測試介面與單線圖繪製功能 8. Security 提供密碼管理功能 9. Redundancy 備援設定
3-b 系統維護平台的建置 1. 維護平台插上無線網路 2. 提供密碼授權予系統人員 3. 系統人員登入作業 4. 完成後移除網路 中心 維護平台 網際網路 系統人員 區處網路 1. 遠端叫修系統 2. 人員教學訓練 3. 召開視訊會議 1. 定期檢查系統校時 2. 定期檢查通訊狀態 3. 提供檢查報告 SMP SMP SMP A B C 站 站 站