Scada Sistem

1. UVOD Mikroprocesorska tehnologija na kojoj su bazirani savremeni uređaji za zaštitu, mjerenje, lokalnu automatiku, nadzor i upravljanje elektroenergetskih postrojenja, pruža širok spektar funkcionalnih mogućnosti i omogućava njihovu integraciju u jedinstven nadzorno - upravljački sistem (SCADA sistem, SMIZUP - sistem mikroprocesorske integrisane zaštite i upravljanja) elektroenergetskog postrojenja.

Pod nadzorno - upravljačkim (SCADA) sistemom podrazumjeva se skup namjenskih, prostorno distribuiranih, međusobno povezanih računarskih modula, čiji je zajednički cilj ostvarenje funkcija nadzora i/ili upravljanja fizičkim procesom u realnom vremenu. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) sistemi podrazumevaju nadzor, upravljanje, prikupljanje i analizu podataka o nekom objektu upravljanja. SCADA sistem sadrži mrežu računara (distribuiranih) sa zadatkom da u određenom vremenskom periodu prikupe podatke iz postrojenja, na osnovu njih izvrše upravljačke zadatke, kao i da prikupljene podatke zabilježe, odnosno prikažu operaterima.

Osnovna funkcija SCADA sistema je ciklična akvizicija digitalizovanih vrijednosti različitih fizičkih veličina koje određuju stanje tehnološkog procesa. Formiranjem baze mjerenih podataka u računaru, stvara se osnova za provjeru i prikaz trenutnog stanja fizičkog procesa, odnosno za vršenje efikasnog nadzora nad njim. Istovremeno, primjenom ugrađenog upravljačkog algoritma, moguće je odrediti i zahtjevati korektivne aktivnosti, tj. izvršiti upravljanje nad fizičkim sistemom.

SCADA sistem elektroenergetskog razvodnog postrojenja ostvaruje funkcije zaštite, lokalne automatike, lokalnog upravljanja i nadzora, daljinskog upravljanja i nadzora, pokaznih mjerenja i električnih blokada.

1.1. Osnovne karakteristike

Današnje generacije sistema za nadzor i upravljanje mogu se okarakterisati kao integrisani, distribuirani i otvoreni sistemi, a sastoje se od skupova međusobno povezanih, mikroprocesorski baziranih uređaja. Komunikacija između takvih uređaja se odvija putem komunikacionih mreža koje, ako odgovaraju otvorenom modelu, omogućavaju proširivanje i prestrukturiranje sistema i povezivanje sa drugim sistemima. Distribuiranost sistema za upravljanje podrazumijeva da se dijelovi upravljačkog

sistema mogu locirati bliže objektu kojim se upravlja. Sistem upravljanja mora u svemu da slijedi utvrđene hijerarhijske nivoe upravljanja i omogući izvršavanje definisanih funkcija na svakom od nivoa upravljanja, kao i zahtjevani način komunikacije između pojedinih nivoa upravljanja.

1.2. Elementi sistema (funkcionalne cjeline)

SCADA sistem sastoji se iz više funkcionalno povezanih cjelina a to su: - hardverski podsistem - softverski podsistem - komunikacioni podsistem Hardverski podsistem - obuhvata u najširem smislu cjelokupan hardver koji se ugrađuje za potrebe nadzora i upravljanja tehnološkim procesom.

Softverski podsistem - obuhvata cjelokupan softver uključujući i pomoćne programe kojima se kontroliše rad cjelokupnog hardvera. Sastoji se iz niza programskih paketa instaliranih na pojedinim hardverskim elementima sistema.

SCADA softver

Osnovna namjena SCADA softvera je uspostavljanje interfejsa čovjek-mašina (HumanMachine Interface HMI) na operaterskoj radnoj stanici. SCADA programi se sastoje od razvojne okoline i dijela za rad u realnom vremenu (Real-Time). Razvojna okolina SCADA programa služi stvaranju HMI, tj. izradi korisničkog interfejsa, i čine je standardni programerski alati: grafički editori, kompajleri skripti, programi za definiciju i manipulisanje bazom podataka, itd. Za korištenje napravljenog HMI pokreće se dio SCADA programa za rad u realnom vremenu koji se sastoji od: 1• komunikacijskog podsistema kojim se vrši programsko povezivanje sa upravljačkim uređajima; 2• vremenski zavisne baze podataka sa "slikom" procesa; 3• operaterskog podsistema

Komunikacioni podsistem između elemenata SCADA sistema - obuhvata softver i hardver za povezivanje elemenata nadzorno-upravljačkog sistema sa tehnološkim procesom i međusobno. Komunikacijski podsistem SCADA programa povezuje operatersku radnu stanicu sa računarskom opremom u procesu. Programsko povezivanje sa upravljačkim uređajima obavlja se preko drajvera. Drajveri predstavljaju softver koji sakriva protokol prenosa podataka, ka i od (udaljenih) uređaja, od ostatka SCADA softvera. Nezavisni proizvođači softvera (Wonderware, TA Engineering,...) imaju široku paletu drajvera, dok proizvođači upravljačkog hardvera i softvera (Festo, Siemens, Allen Bradley...) razvijaju drajvere za sopstvene uređaje.

2. FUNKCIJE I CILJEVI UVOĐENJA 2.1. Ciljevi uvođenja SCADA sistema

Ciljevi koji se ostvaruju projektovanjem i izvođenjem SCADA sistema su sledeći: - efikasno, pouzdano, sigurno i potpuno ostvarenje nadzorno-upravljačkih funkcija - smanjenje troškova održavanja i trajanja remonta - povećanje raspoloživosti sistema

Od SCADA sistema se očekuje otpornost na greške, i obezbeđenje kontinualnog rada. Svi elementi sistema imaju ugrađene funkcije samokontrole i samodijagnosticiranja. Kvarovi na pojedinim komponentama moraju se trenutno detektovati i prikazati, odnosno generisati alarm, kako bi se u zavisnosti od vrste kvara izvršilo resetovanje, blokiranje i popravka elementa sistema koji je u kvaru. - fleksibilnost i proširivost sistema

Obezbjeđena je modularnošću fizičkih i programskih elemenata sistema, kao i jasno definisanim spregama između njih. - pouzdanost sistema Izražava se preko srednjeg vremena između ispada MTBF - Mean Time Between Failure. Pouzdanost SCADA sistema uslovljena je pouzdanošću njegovih sastavnih komponenti. Savremena tehnologija obezbeđuje vrlo pouzdane komponente čija vrednost MTBF prelazi preko 100.000 časova.

2.2. Funkcije SCADA sistem elektroenergetskog postrojenja treba da ispunjava sledeće funkcionalne zahtjeve: -sve vrste zaštitnih funkcija (zaštita vodova, transformatora i sabirnica) i automatskih funkcija (APU) -fleksibilnost zaštitnih i nadzorno-upravljačkih funkcija -upravljanje rasklopnom opremom (prekidači i rastavljači) -nadzor i status rasklopne opreme -blokade rasklopne opreme -mjerenja -akvizicija, pre-procesiranje i prikaz izmjerenih vrijednosti -alarmiranje i registracija događaja -arhiviranje podataka koji sadrže izmjerene vrijednosti, registrovane kvarove, događaje i alarme -interfejs sa udaljenim centrom upravljanja

3. STRUKTURA, KARAKTERISTIKE I OPIS SISTEMA Struktura sistema zasnovana je u četiri hijerarhijski decentralizovana nivoa, u skladu sa standardnom funkcionalnom hijerarhijskom arhitekturom sistema automatizacije, odnosno standardnim nivoima upravljanja nadzorno-upravljačkih sistema. Nivoi upravljanja Nivo uređaja - aparata Nivo polja – ćelije Nivo postrojenja – trafostanice Nivo dispečerskog centra Prikaz strukture sistema i funkcionalna blok šema data je na sledećoj slici:

DISPECERSKI CENTAR

NIVO TRAFOSTANICE GLAVNA UPRAVLJACKA JEDINICA

HMI

NIVO POLJA

polje 1

MPCU

polje 2

MPCU

polje n

MPU

POSTROJENJE 35 kV I 10 kV

MCU

OSTALI DIJELOVI TS

Slika 1. – Funkcionalna blok šema SCADA sistema

Elementi sistema: -glavna upravljačka jedinica (Master Unit, stanični kontroler, stanični računar, SAS, RTU) -operatorska konzola ili monitor (Visual Display Unit-VDU) sa tastaturom i štampačem u okviru HMI interfejsa (Human-Machine Interface, interfejs čovjek-mašina) -MPCU (Microprocessor Protection Control Unit) – mikroprocesorski zaštitni i upravljački uređaj -MPU (Microprocessor Protection Unit) – mikroprocesorski zaštitni uređaj -MCU (Microprocessor Control Unit) – mikroprocesorski upravljački uređaj

3.1. Nivo postrojenja Nadzor i upravljanje cijelom trafostanicom vrši glavna upravljačka jedinica preko HMI interfejsa sa nivoa postrojenja.

3.1.1. Glavna upravljačka jedinica Zadaci glavne upravljačke jedinice su sledeći: - nadzor svih podsistema - prikupljanje podataka sa jedinica polja (MCU, MPU i MPCU) - menadžment prikupljenih podataka, registracija i arhiviranje alarma, događaja i mjerenih veličina - stalna samodijagnostika - sinhronizacija vremena iz nadređenog DC ili preko GPS-a, a on vrši vremensku sinhronizaciju ostalih MCU, MPU i MPCU Glavna upravljačka jedinica mora da posjeduje odgovarajuće interfejse za komunikaciju sa: - dispečerskim centrom - operatorskom radnom stanicom - MCU, MPU i MPCU jedinicama na nivou polja 3.1.2. Operaterska radna stanica Na operaterskoj radnoj stanici instalira se i radi u realnom vremenu SCADA sofver, koji zajedno sa monitorom (Visual Display Unit-VDU), tastaturom i štampačem čini HMI interfejs. Posredstvom dinamički osvježavanih, posebno definisanih grafičkih prikaza, operaterski podsistem mora obezbjediti pregledno i kvalitetno izvještavanje o promjenama u sistemu, kao i brzo i tačno prihvatanje operaterovih komandi. Na monitoru se prikazuje detaljna jednopolna šema trafostanice sa prikazom trenutnog stanja rasklopne opreme i postrojenja, trenutnim i preračunatim mjerenjima. On-line lista alarma i lista događaja obezbeđuje dodatne informacije o trenutnom statusu i događajima. Lista događaja se kontinualno štampa na printeru. Svi displeji moraju biti istog osnovnog dizajna koji se može podijeliti u tri dijela: komandni dio, dio za poruke i dio za prikaze koji omogućava pregled dijagrama, detaljnih podataka i liste alarma. 3.2. Nivo polja Nadzor i upravljanje pojedinačnih polja, ćelija i sistema sopstvene potrošnje vrši se MPCU, MCU i MPU jedinicama na nivou polja. Jedinice na nivou polja nezavisne su jedna od druge, tako da kvar na nekoj od jedinica na nivou polja nema uticaj na ostale jedinice.

Informacije koje skupljaju o stanju rasklopne opreme, mjerenja i alarmi, prenose se do glavne upravljačke jedinice gdje se vrši procesiranje i prikaz. Komunikacija je dvosmjerna i jedinice na nivou polja pored toga što imaju upravljačke mogućnosti, moraju da izvršavaju i komande koje se pokreću sa glavne upravljačke jedinice. 3.3. Nivo dispečerskog centra Dispečerski centar kao najviši nivo u hijerarhijskoj strukturi automatizacije, vrši daljinski nadzor i upravljanje elektroenergetskih postrojenja koja su automatizovana i opremljena za rad u SCADA sistemu, sa ciljem optimalnog upravljanja ključnim parametrima distributivnog sistema. Složeni softverski paketi koji se koriste u DC pored SCADA programa koji omogućavaju uvid u signale statusa, alarma, vrijednosti mjernih veličina i upravljanje rasklopnom opremom, treba da obezbede i tzv. funkcije višeg nivoa (detekcija, lokalizacija i izolacija kvara, estimacija stanja, restauracija i rekonfiguracija mreže, analiza kratkih spojeva, distributivni tokovi snaga, optimalna regulacija napona...). Nadgradnju SCADA sistema u smislu realizacije funkcija višeg nivoa čini DMS (Distribution Management System) programska podrška. Prikupljeni podaci se sa SCADA servera prosleđuju do DMS servera i predstavljaju bazične podatke za DMS programski paket za automatizovano vođenje distributivne mreže. Energetske funkcije savremenog DMS softverskog paketa su: tokovi snaga, estimacija stanja, analiza uklopnog stanja, konfiguracija mreže, lokalizacija kvara, restauracija pogona, besprekidno prebacivanje opterećenja, regulacija napona, kratki spojevi, struja kvara, relejna zaštita, analiza pouzdanosti, indeksi performansi pogona, prognoza potrošnje.

3.4. Nivo aparata

Svaki od nivoa upravljanja mora da ima mogućnost blokiranja od strane višeg hijerarhijskog nivoa. Obzirom da je nivo aparata najniži nivo upravljanja i podrazumijeva hitno ručno upravljanje rasklopnom opremom u havarijskim slučajevima ili kvarovima sistema viših upravljačkih nivoa, ovaj nivo upravljanja nezavisan je od sistema upravljanja i blokada u TS.

4. ZAHTJEVI PRI IZBORU OPREME I ELEMENATA SCADA SISTEMA Pri projektovanju i izvođenju savremenog nadzorno upravljačkog sistema neophodno je ispoštovati niz zahtjeva koji se mogu grupisati prema cjelinama koje čine sistem.

4.1. Hardverski zahtjevi

Sva zaštitna oprema mora da radi nezavisno od rada sistema upravljanja i sistema komunikacije u okviru TS. Oprema za zaštitu postrojenja 10, 20 i 35 kV montira se u odjeljke za NN opremu odgovarajućih ćelija rasklopne aparature. Sve zaštite sadrže ulazne stepene preko kojih se žičanim vezama priključuju na primarnu opremu (strujne i naponske transformatore), dok se preko optičkih kablova ili žičano priključuju na stanični računar. Mikroprocesorski zaštitni uređaj mora: -da bude neosjetljiv na prelazne režime -da ima visok nivo samodijagnostike, a kvar u zaštitnom uređaju ne smije da izazove proradu zaštite -da ima ugrađenu i funkciju: -mjerenja i –registrovanja događaja, sa mogućnošću pamćenja najmanje 3 događaja (kvara) -da ima metalno kućište osigurano od prodora prašine i vlage IP 51 prema standardu IEC 529 -da ima mogućnost indikacije i prikaza određenog broja važnih informacija bez upita korisnika preko displeja ili led dioda (djelovanje zaštita i unutrašnji kvarovi signališu se crvenim led diodama, oznake statusa žutim, ispravno stanje uređaja za relejnu zaštitu zelenom led diodom, programabilne led diode imaju indikaciju crvenim led diodama), a ostale informacije sa zaštitnih uređaja kao npr. impedansa kvara i struja kvara mogu se dobiti na zahtjev preko tastature na uređaju ili preko softverskog paketa sa serijskog interfejsa -da ima mogućnost ispitivanja i podešavanja preko tastature i displeja na samom uređaju, kao i preko prenosnog računara i standardnog serijskog porta Resetovanje relea odnosi se samo na indikacije, a ne na sadržaj memorije. Svako prepodešavanje i mjenjanje parametara zahtjeva poznavanje lozinke.

Svi isključni relei moraju obezbediti pouzdano isključenje i biti izdrživi na kratke spojeve kalema za isključenje. Potrebno vrijeme prorade kontakata je 10 ms od pobude relea za isključenje do reagovanja kalema za isključenje. Mikroprocesorski uređaji i stanični računar (glavna upravljačka jedinica) moraju da budu neosjetljivi na elektromagnetne smetnje. Uređaji zaštite ili određene funkcionalne cjeline moraju da budu pregledno obilježeni, pri čemu oznake treba da odgovaraju oznakama u projektnoj dokumentaciji. Ispitivanja uređaja sistema zaštite i upravljanja vrše se po elementima i funkcionalno, prema standardu IEC 255. Postupak koordinacije izolacije opreme u okviru sistema zaštite i upravljanja sprovodi se prema standardu JUS IEC 71. Zgrada TS treba da ima odgovarajuću toplotnu izolaciju sa prirodnom ventilacijom i parozaštitom (TP-12 EDB Srbija), tako da uz upotrebu kalorifera temperatura u prostorijama u koje se smještaju mokroprocesorski uređaji ne bude manja od +5 0C i mora da se spriječi kondenzaciju vlage (IEC 57).

4.2. Softverski zahtjevi

Korisnicima sistema mora se obezbediti jednostavan način za upravljanje i nadzor nad trafostanicom preko odgovarajućeg interfejsa koji ne zahtjeva poznavanje PC tehnologije. Programski paketi mogu biti realizovani na različitim platformama (računarska oprema i operativni sistemi), i moraju biti objektno – orjentisani, a savremene tehnologije omogućavaju njihovu integraciju u jedinstveni sistem. SCADA sistemi uglavnom se realizuju kroz "client/server" arhitekturu na "Unix-like" (Unix, Linux...), ili Windows platformama. Softverski alati trebaju biti otvorene arhitekture sa implementiranim OPC (OPC - Ole for Process Control) standardom što omogućava konekciju i jedinstveni rad heterogenih računarskih sistema, pa su moguće i kombinacije gde su SCADA serveri implementirani na Unix, a radne stanice - Man Machine Interface (MMI) na Windonws platfomi. OPC standard omogućava različitim softverskim aplikacijama da slobodno komuniciraju sa različitim uređajima, ili drugim upravljačkim i nadzornim softverima, kao i integraciju sa poslovnim informacionim sistemom firme. OPC se definiše kao otvoren industrijski standard baziran na tehnologijama OLE, DCOM (COM) i ActiveX, koji obezbeđuje

operabilnost između različitih uređaja, sistema za automatizaciju, kontrolu, vizualizaciju i poslovnih sistema. Softver za konfiguraciju elemenata sistema mora biti tipa WYSIWYG (skracenica za What You See Is What You Get – ili u prevodu "šta vidiš, to dobiješ" i odnosi se uglavnom na programe koji dozvoljavaju crtanje tabela i raznih formi umesto pisanja koda, odnosno sadržaj ekrana je tačno onakav kakav će biti prenijet i na uređaj). Ovaj softver ne smije imati nikakve posebne zahtjeve za korisnike u pogledu poznavanja programskih jezika ili sistemskog source (izvornog) koda. Takođe, mora biti prilagodljiv za razne jednopolne šeme, tip razvodnog postrojenja, da omogući jednostavno parametriranje, podešavanje, kreiranje prikaza, definisanje liste događaja i alarma i drugih korisnički definisanih funkcija.

4.3. Komunikacioni zahtjevi

Komunikacioni podsistem treba da obezbedi pouzdani prenos i razmjenu informacija između daljinskih stanica i centra upravljanja, koristeći komunikacione medije i protokole visokih performansi. Komunikacioni podsistem mora imati mogućnost rada kako u modu ciklične prozivke, kada centar upravljanja periodično proziva i prikuplja podatke od konektovanih daljinskih stanica, tako i u modu komunikacije "on event", koja se inicira registrovanjem (unaprijed definisanih) događaja od strane daljinske stanice u objektu u kome je instalirana. Komunikacioni protokoli moraju biti u skladu sa IEC standardima i to: 1- serija IEC 60870-5 - bit serijska komunikacija namenjena za prenos signala, merenja i komandi za SCADA sisteme relativno niskim brzinama (do 64kbps) preko fiksnih ili komutiranih veza. Vreme odziva kreće se između 1 i 10 msec. Obuhvata standarde: - IEC 60870-5-103 za komunikaciju između uređaja unutar elektroenergetskog objekta. Ovaj protokol garantuje potpuno nezavisan rad zaštitnih uređaja od sistema upravljanja u trafostanicama. Upravljački i zaštitni uređaji su sa master jedinicom na nivou TS povezani u zvijezda (star) konfiguraciju. Veza se ostvaruje po principu tačka-tačka (point-to-point) i po master-slave proceduri; - IEC 60870-5-101/104 za razmenu podataka između RTU uređaja i udaljenog kontrolnog centra. Baziraju se na tri sloja OSI modela (Phisical, Link i Application Layer). 104 standard se koristi kada je medijum prenosa digitalna računarska (Ethernet) mreža i predstavlja kombinaciju aplikativnog nivoa koga definiše 101 standard i transportnog nivoa po TCP/IP protokolu;

- IEC 60870-6 (TASE.2) - poznat i kao Inter-Control Centre Communication Protocol (ICCP), namenjen za komunikaciju između kontrolnih centara putem WAN mreže. Informacije koje se prenose su: trenutne i arhivske vrednosti jednostrukih i dvostrukih signalizacija, merene vrednosti, trend dijagrami, vrednosti brojača energije, poruke dispečera. Protokol koristi svih sedam slojeva OSI modela. 1- IEC 61850 (Communication Networks and Systems in Substations), odnosno UCA 2.0 - za komunikaciju putem računarske LAN i WAN mreže velikim brzinama prenosa i sa malim brzinama odziva (reda mikrosec) koje zahteva distribuirana arhitektura MPCU uređaja u trafo stanicama. Nije kompatibilan sa IEC 60870-5 serijom. Koristi svih sedam slojeva OSI modela na čiji vrh dodaje još dva u cilju definisanja objektno orijentisanog modela podataka i servisa, što treba da omogući međusobnu komunikaciju MPCU uređaja različitih proizvođača u okviru trafo stanice, a u centrima upravljanja međusobnu spregu SCADA i DMS sistema.

Skraćenice

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition - nadzor, upravljanje i akvizicija podataka

HMI Human-Machine Interface (MMI Man Machine Interface) - interfejs čovjek-mašina

MTBF Mean Time Between Failure - srednje vrijeme između ispada

MPCU Microprocessor Protection Control Unit – mikroprocesorski zaštitni i upravljački uređaj MPU Microprocessor Protection Unit – mikroprocesorski zaštitni uređaj MCU Microprocessor Control Unit – mikroprocesorski upravljački uređaj

DMS Distribution Management System - distributivni menadžment sistem (programski paket za automatizovano vođenje distributivne mreže)

PLC Programmable Logic Controller - programabilni logički kontroler

RTU Remote Terminal Unit - udaljena terminalska jedinica