Uuden sukupolven työkalut ja työtavat IEC 61850 sähköasematoimitusten suunnittelussa

Abstract

IEC 61850 on oleellinen osa nykyaikaisia sähköasematoimituksia. Standardi pyrkii mahdollistamaan eri valmistajien IED-laitteiden yhteentoimivuuden ja kattaa kaikki sähköasematoimituksen vaiheet määrittelystä ylläpitoon. Standardissa kuvattua suunnittelu- ja konfigurointiprosessia ei kuitenkaan ole laajamittaisesti hyödynnetty ja nykyisellään IEC 61850 –toteutukset rakentuvat usein laite kerrallaan useiden eri henkilöiden toimesta. Yhtenä rajoitteena standardissa kuvattujen toimintojen käyttöönotolle on pidetty saatavilla olevien työkalujen puutteellisuutta. Diplomityön tavoitteena on arvioida standardissa kuvatun suunnitteluprosessin soveltuvuutta nykyaikaiseen laitteistoriippumattomaan sähköasematoteutukseen ja muodostaa yhtenäinen toimintatapa IEC 61850 –toteutusten suunnitteluun kohdeyhtiössä. Keskeistä tämän kannalta on löytää käyttötarkoitukseen soveltuva kolmannen osapuolen suunnittelutyökalu. Työssä käytiin läpi sähköasema-automaatiojärjestelmien rakennetta ja tulevaisuuden kehityssuuntia sekä IEC 61850 –standardia tarvittavilta osin. Työn aikana selvitettiin, mitä suunnitteluprosessin soveltamiseen käytettäviä ohjelmistoja on kaupallisesti saatavilla. Työssä perehdyttiin ohjelmiston valintaan käytettyihin menetelmiin, joista analyyttista hierarkiaprosessia käytettiin löydettyjen ohjelmistojen arviointiin. Arvioiduista ohjelmistoista kaksi parasta valittiin tarkempaan vertailuun, joka toteutettiin luomalla oikeaan toimitusprojektiin perustuva testiprojekti. Molemmilla ohjelmistoilla luotiin tämän pohjalta eri laitevalmistajien laitteita sisältänyt IEC 61850 –konfiguraatio, jota kokeiltiin viedä eri IED-konfigurointiohjelmistoihin. Vertailun avulla pyrittiin valittujen ohjelmistojen lisäksi arvioimaan suunnitteluprosessia ja sen soveltamisessa mahdollisesti ilmeneviä rajoitteita. Vertaillut ohjelmistot edustivat keskenään hieman erilaisia lähestymistapoja IEC 61850 –järjestelmän konfiguroinnissa. Toisessa konfigurointi oli hyvin manuaalista, kun taas toisessa työnkulkua oli automatisoitu, mikä tekee ohjelmistosta järjestelmäintegraattorin näkökulmasta houkuttelevamman vaihtoehdon. Vertailussa havaittiin kuitenkin, että laitevalmistajien ohjelmistot rajoittavat merkittävästi kolmannen osapuolen työkalujen ja suunnitteluprosessin käyttöä. Ainoastaan yhteen kolmesta IED-konfigurointiohjelmistosta pystyttiin tuomaan kolmannen osapuolen ohjelmistolla luotu IEC 61850 –järjestelmäkonfiguraatiotiedosto ilman suuria ongelmia. Oikealla kolmannen osapuolen työkalulla voitaisiin kuitenkin tehostaa IEC 61850 –järjestelmän konfigurointia lähitulevaisuudessa. Kolmannen osapuolen työkalun käyttö tulee kuitenkin rajoittamaan toisiolaitevalintoja ja sitä olisi tarpeellista pilotoida oikeassa sähköasemaprojektissa tai testijärjestelmässä ennen laajempaa käyttöönottoa. Suunnitteluprosessiin kuuluva spesifiointivaihe jäi työssä vähemmälle huomiolle ja standardissa määriteltyjen spesifikaatiotiedostojen sisältö on tällä hetkellä melko suppea. Standardiin valmisteilla olevat laajennukset saattavat kuitenkin muuttaa tilannetta huomattavasti tulevaisuudessa. Työssä ei muodostettu yhtenäisiä toimintatapoja IEC 61850 –toteutusten suunnitteluun, mutta sen pohjalta saatiin hyvä näkemys saatavilla olevista kolmannen osapuolen konfigurointityökaluista ja niiden soveltamismahdollisuuksista, mikä voi edesauttaa toteutusten yhtenäistämistä tulevaisuudessa.

IEC 61850 standard is an essential part of modern substation deliveries. It aims to enable interoperability between different vendor IEDs, and it covers all phases of substation projects from specification to maintenance. However, the engineering process described in the standard has not been widely utilized and IEC 61850 –implementations are built one device at a time, usually by different people. Inadequate tools are seen as one constraint for implementing features described in the standard. Objective of this thesis is to assess the feasibility of the standardized engineering process in modern vendor independent substation projects and to form a uniform way of engineering IEC 61850 –systems in the target company. Essential for achieving these objectives is to find a suitable 3rd party engineering tool. This thesis provides an overview of substation automation systems, the future trends of these systems as well as the IEC 61850 –standard. Currently commercially available engineering software and software selection methods were examined. Analytic hierarchy process was used to assess the software, from which two of the most highly ranked were selected for more in-depth comparison. The selected software tools were compared by creating a multi-vendor IEC 61850 –system configuration, based on a test project modelled after a real substation delivery. In addition to evaluating the selected software, objective of this comparison was to assess the engineering process and possible limitations that might come up in the implementation. The evaluated software represented a slightly different approach in the configuration of IEC 61850 –systems. The other had more manual approach whereas in the other, the workflow was more automated, which makes it a more attractive option from a system integrator’s point of view. However, it was observed during the comparison that vendor software impose major limitations to the application of the 3rd party tools and the engineering process. Importing an IEC 61850 –system configuration file created with a 3rd party software was possible only in one out of three IED-configuration software without any significant problems. With the right 3rd party tool however, it would be possible to enable more efficient configuration of IEC 61850 –systems in the near future. Nevertheless, using a 3rd party engineering tool will limit the options of secondary devices, and it should be tested on a real substation project or in a test system before wider deployment. The specification phase in the engineering process was not widely addressed in the thesis and the content of the standardized specification files is currently rather limited. The prepared extensions to the standard, could however affect this in the future. Uniform way of engineering IEC 61850 –systems was not formed in the thesis, but good understanding of available tools and their application was achieved, which may help to accomplish this task in the future.