Oprzyrządowanie inteligentnych sieci energetycznych

Jednym z rozwiązań jest przenoszenie inteligencji i mechanizmów podejmowania decyzji bliżej samej sieci, poprzez obudowanie jej aparaturą tak, aby osiągać krótsze czasy odpowiedzi, lepsze wykorzystanie przepustowości i funkcjonalność. Takie podejście pozwala na utrzymanie rozproszonych przyrządów pomiarowych na odpowiednim poziomie nowoczesności, włącznie z najnowszymi algorytmami oraz metodologiami monitorowania i zabezpieczenia sieci.

Niezbędne komponenty

Nie ma prostej recepty na sukces przy implementacji inteligentnych sieci energetycznych. Z jednej strony, samodzielne tradycyjne przyrządy, takie jak mierniki jakości energii, rejestratory sygnałów są odporne, dobrze zintegrowane i oparte na standardach, ale zaprojektowano je do wykonywania jednego lub większej liczby określonych zadań zdefiniowanych przez dostawcę (tj. użytkownik zazwyczaj nie może ich rozszerzać ani dostosowywać). Dodatkowo, trzeba opracowywać specjalne technologie i kosztowne komponenty, aby zbudować te przyrządy, co czyni je bardzo drogimi, a ich adaptację - bardzo powolną. Z drugiej strony, mamy wydajne komputery, które wywołały rewolucję w systemach testujących, sprzęcie pomiarowym i automatyzacji.

Głównym ulepszeniem wynikającym z powszechności komputerów osobistych jest koncepcja przyrządów wirtualnych, na której mogą zyskać inżynierowie i naukowcy potrzebujący zwiększonej wydajności, dokładności i jakości. Wirtualne przyrządy łączą tradycyjne narzędzia z komputerami, oferując to, co najlepsze z obu światów: pomiary i jakość, zintegrowaną moc obliczeniową, niezawodność i wytrzymałość, programowalność i możliwość przeprowadzania aktualizacji w terenie.

Oprzyrządowanie wirtualne

Przyrządy wirtualne są fundamentem oprzyrządowania smart grids, gdyż potrzeby i wymagania w tym obszarze zmieniają się bardzo szybko i potrzebna jest elastyczność przy tworzeniu własnych rozwiązań. Wirtualne przyrządy dzięki temu, że bazują na komputerach osobistych mogą być dostosowane za pomocą oprogramowania i wymiennego sprzętu, aby sprostać wymaganiom konkretnego zastosowania bez konieczności wymiany całego urządzenia.

Podczas gdy narzędzia programistyczne umożliwiają dostosowanie funkcjonalności przyrządu w inteligentnej sieci energetycznej za pomocą środowiska programowania, wciąż istnieje potrzeba zwiększenia ich wytrzymałości i niezawodności, której nie zapewniają dostępne komputery osobiste. Jedną z najbardziej obiecujących technologii, które pozwalają na osiągnięcie takiego poziomu niezawodności, wytrzymałości i jakości jest technologia układów programowalnych FPGA.

Układy FPGA

Rys. 1. Graficzny projekt układu FPGA przełożony na niezależne części układu programowalnego

Wykorzystując gotowe bloki logiczne i programowalne metody ich łączenia, można skonfigurować układy PRGA tak, aby wykonywały określone zadania sprzętowe bez konieczności budowy płytek prototypowych. Określone zadania cyfrowe obliczeniowe, opisane w oprogramowaniu zostają skompilowane do pliku konfiguracyjnego lub binarnego, zawierającego informacje o tym jak powinny być ze sobą połączone komponenty wewnątrz układu.

Dodatkowo, układy FPGA można całkowicie przekonfigurować i nadać im całkiem nową "osobowość" kompilując inną konfigurację. W przeszłości, technologia FPGA była dostępna jedynie inżynierom dogłębnie rozumiejącym architekturę sprzętu cyfrowego. Powstanie zaawansowanych narzędzi projektowania zmienia jednak zasady programowania układów FPGA, a nowe technologie konwertują graficzne diagramy blokowe albo nawet kod w języku C do połączeń pomiędzy bramkami cyfrowymi w układzie FPGA (rys. 1).

Układy FPGA charakteryzują się szybkością i niezawodnością typową dla rozwiązań sprzętowych, ale nie wymagają wielkoskalowej produkcji, uzasadniającej wysokie koszty początkowe jak dla układów typu ASIC. W przeciwieństwie do procesorów, FPGA charakteryzują się tym, że działają w sposób prawdziwie równoległy i dzięki temu różne operacje obliczeniowe nie muszą konkurować ze sobą w walce o jeden zasób. Każdy niezależny wątek może być przypisany do konkretnej części układu i może działać w pełni autonomicznie bez żadnego wpływu ze strony innych bloków logicznych. W rezultacie wydajność jednej części aplikacji nie ulega zmianie, kiedy dodane zostaje dodatkowe obciążenie (rys. 2).

Układ FPGA jest faktycznie sprzętową implementacją wykonania programu. Systemy procesorowe często wykorzystują kilka warstw abstrakcji, aby pomóc w planowaniu zadań i współdzieleniu zasobów przez wiele procesów. Warstwa sterowników kontroluje zasoby sprzętowe, a system operacyjny zarządza pamięcią i zasobami procesora.

Rys. 2. Porównanie implementacji cyfrowego filtru w wersji sekwencyjnej i równoległej wykorzystującej układ FPGA z 2016 elementami DSP przy 600 mln próbek na sekundę (MSPS)

Dla dowolnego rdzenia procesora, możliwe jest wykonywanie tylko jednej instrukcji w danej chwili i systemy procesorowe są ciągle zagrożone przez wzajemne wywłaszczanie krytycznych czasowo zadań. Układy FPGA, na których nie działają żadne systemy operacyjne, zmniejszają obawy o niezawodność dzięki prawdziwie równoległemu wykonaniu i deterministycznemu zachowaniu sprzętu dla poszczególnych zadań. Wykorzystując równoległość sprzętu, układy FPGA przekraczają moc obliczeniową procesorów komputerowych i procesorów sygnałowych (DSP).

Tak jak wcześniej wspomniano, programy działające na układach FPGA można aktualizować i nie wymagają one dużego nakładu czasu ani kosztów związanych z przeprojektowaniem układów typu ASIC. Na przykład protokoły komunikacji cyfrowej mogą z czasem zmieniać swoje specyfikacje i interfejsy bazujące na układach ASIC mogą być powodem kłopotów w utrzymaniu i z kompatybilnością w przyszłości. Układy FPGA, z racji swojej rekonfigurowalności, mogą bez problemu dotrzymać kroku przyszłym modyfikacjom, które będą konieczne. W miarę dojrzewania produktu lub systemu, można dodawać usprawnienia funkcjonalne bez spędzania czasu na modyfikowaniu całego projektu płytki.

Platforma NI CompactRIO

Platforma CompactRIO firmy National Instruments wykorzystuje technologię FPGA i oferuje wysoką niezawodność i wydajność bez poświęcania elastyczności. Moduły CompactRIO z serii C umożliwiają interakcję ze światem zewnętrznym, a procesor z systemem czasu rzeczywistego dodatkowo zwiększa jej możliwościw zakresie wydajnej analizy i sterowania.

System jest programowany z wykorzystaniem LabVIEW i może być zarówno dostosowywany jak i ulepszany w terenie bez wymiany sprzętu tak, aby odgrywał wiele różnych "osobowości", takich jak jednostka pomiaru wykresu fazowego (PMU), wskaźnik jakości energii elektrycznej (Power Quality) itd. Platforma NI CompactRIO jest doskonałym podejściem do zastosowań w inteligentnych sieciach energetycznych, które potrzebują ewoluującej funkcjonalności i wymagań.

Jednostka pomiaru wykresu fazowego

Rys. 3. Systemy rozproszone mogą mieć formę systemów fizycznie umieszczonych w jednej obudowie lub zdalnych systemów rozproszonych w osobnych urządzeniach lub systemów sieciowych

Jednostka pomiaru wykresu fazowego (PMU - Phasor Measurement Unit), oparta o platformę CompactRIO firmy National Instruments, pozwala zyskać na widoczności stanu sieci, świadomości o sytuacji, analizie zdarzeń i możliwości działań korekcyjnych w celu zapewnienia wiarygodnej sieci elektrycznej. Pozwala to na szerokie spektrum zastosowań i może przynieść znaczące korzyści takie jak wydajność operacyjna, lepsze zarządzanie zasobami, minimalizacja ryzyka wykonawczego i świadome podejmowanie decyzji.

Korzyści z użytkowania technologii PMU umożliwiają firmom czynne planowanie zapobiegania zaburzeniom w dostarczaniu energii. Oprzyrządowanie PMU, bazujące na technologii CompactRIO jest zaprojektowane tak, aby spełniać wymagania niezawodności, współdziałania, ekstremalnych warunków środowiskowych, występujące przy montażu w podstacjach albo na słupach oraz zaawansowanych algorytmów do analizy zdarzeń i systemu.

Główne cechy to:

• wysoka wydajność bazująca na procesorach Intel Core i7, obsługujących zaawansowaną analizę w czasie rzeczywistym,
• przetworniki analogowo-cyfrowe o 24-bitowej rozdzielczości,
• podwójne gniazdo Ethernet, komunikacja cyfrowa i porty szeregowe,
• szybkość akwizycji dochodząca do 833 próbek na cykl,
• transfer danych, który można skonfigurować do działania z szybkością 240 wiadomości na sekundę
• wielokanałowe jednostki pomiaru wykresu fazowego ze skalowalnymi portami wejść/wyjść (analogowe i cyfrowe),
• jednoczesne użycie wielu protokołów TCP/IP, DNP3, Modbus RTU, IEC-60870, IEC 61850,
• algorytmy PMU i jakości energii elektrycznej w jednym urządzeniu,
• zakres temperatur pracy od -40 do 70°C.

Wdrożenie systemu

Systemy rozproszone takie jak PMU nie są nowymi koncepcjami, gdyż w wielu obszarach techniki wykorzystuje się wiele procesorów do rozwiązania problemu. Dzięki nieustannie zmniejszającym się kosztom, ciągle rosnącej wydajności technologii FPGA i jej zastosowaniom w budowie systemów dla inteligentnych sieci energetycznych, inżynierowie-energetycy znajdują coraz efektywniejsze sposoby pokonywania wyzwań w zastosowaniach inteligentnych sieci energetycznych poprzez dodawanie coraz większej liczby ośrodków przetwarzania danych do systemów inteligentnych sieci energetycznych.

Rozproszona inteligencja sprzyja optymalizacji czasu odpowiedzi sieci i wykorzystaniu przepustowości, pozwala na bezproblemowe zarządzanie w systemie bezprecedensową ilością danych i operacji sterowania siecią bez blokowana sieci bezprzewodowych, a także zwiększa niezawodność poprzez zdecentralizowaną koordynację zamiast nakładania kontroli hierarchicznej przez scentralizowany system SCADA. Jednak projektowanie rozproszonych punktów obliczeniowych, jako części systemów kontroli inteligentnej sieci energetycznej, a później zarządzanie tymi systemami, nie jest łatwe.

Opracowywanie systemów rozproszonych wprowadza zupełnie nowy zestaw wyzwań programistycznych, do których nie można właściwie podejść z tradycyjnymi narzędziami. Wymaga ono wyjątkowego podejścia programistycznego. Na przykład, w sieci sensorowej, czujniki bezprzewodowe są samoorganizującymi się jednostkami, które organicznie łączą się z innymi pobliskimi sensorami w celu zbudowania tkanki komunikacyjnej.

Innym przykładem jest system monitorowania sieci wyposażony w rozproszone, pozbawione jednostki centralnej mierniki jakości energii, wyłączniki instalacyjne, jednostki PMU itd., które monitorują i sterują różnymi stanami sieci, w tym samym czasie zapisując dane w bazach systemu SCADA. Wyzwania, przed którymi stają inżynierowie i naukowcy rozwijający systemy rozproszone obejmują programowanie aplikacji, które wykorzystują wiele procesorów o jednakowej bądź różnej architekturze, wydajne współdzielenie danych pomiędzy wieloma procesorami/węzłami, które są umieszczone bezpośrednio na jednej płytce PCB w jednej obudowie lub są połączone pośrednio poprzez sieć, koordynację wszystkich węzłów w jednym systemie, włączając w to koordynację czasową i synchronizację między węzłami, integrowanie różnych typów wejść/wyjść takich jak porty cyfrowe o dużej szybkości, analogowe - odtwarzające kształt przebiegu, pomiaru wykresów fazowych, włączanie dodatkowych usług dla danych współdzielonych między węzłami, takich jak logowanie, alarmowanie, podgląd zdalny i integracja z firmowymi systemami SCADA.

Kolejne sekcje omawiają kluczowe technologie i podejścia do nowych wyzwań, wprowadzonych przez aplikacje z rozproszoną inteligencją.

Graficzne projektowanie systemu

Rys. 4. Projekt LabVIEW przechowuje kod źródłowy i ustawienia wszystkich węzłów rozproszonego systemu, w tym: komputerów osobistych, sterowników czasu rzeczywistego, układów FPGA, i urządzeń przenośnych

Wraz z wprowadzeniem narzędzi do graficznego projektowania systemu, takich jak LabVIEW firmy National Instruments, złożoność takich koncepcji można wynieść na wyższy poziom abstrakcji ułatwiając rozwój aplikacji jak i całego systemu. Podejście graficznego projektowania systemu podejmuje wyzwanie programistyczne poprzez dostarczenie narzędzi do programowania różnorodnych urządzeń przy pomocy jednego środowiska programistycznego z wykorzystaniem znanego inżynierom i naukowcom sposobu wykorzystującego diagramy blokowe.

Inżynierowie mogą później rozwijać kod tak, aby działał na jednostkach obliczeniowych obejmujących komputery osobiste, sterowniki wbudowane, układy FPGA czy procesory sygnałowe, wykorzystując to samo środowisko programistyczne. Zdolność jednego narzędzia do pracy z wieloma różnorodnymi platformami znacząco redukuje złożoność i zwiększa wydajność programowania aplikacji rozproszonych.

Komunikacja i przesył danych

Systemy rozproszone potrzebują także różnych form komunikacji i współdzielenia danych. Spełnienie potrzeb komunikacyjnych, często funkcjonalnie różnych węzłów, jest trudne. Mimo, że istnieje wiele standardowych protokołów komunikacji - takich jak DNP3, IEC 60870, IEC 61850, TCP/IP, Modbus TCP, OPC - jeden protokół zazwyczaj nie jest w stanie spełnić wszystkich wymagań inżyniera, a każdy z nich ma inny interfejs. To zmusza inżynierów projektujących systemy rozproszone do wykorzystywania wielu protokołów, aby sfinalizować cały system.

Aby uzyskać deterministyczny przepływ danych między węzłami, inżynierowie są często zmuszeni do używania złożonych i czasem kosztownych rozwiązań opartych o technologie, takie jak reflective memory, EtherCAT, C37.118, czy IEC 61850 GOOSE/SMV. Ponadto, każdy protokół lub system musi integrować się z istniejącym firmowym systemem SCADA. Jednym ze sposobów spełnienia tych często sprzecznych wymagań jest wejście na wyższy poziom abstrakcji warstwy transportowej i protokołu.

Postępując w ten sposób, inżynierowie mogą niejawnie używać wielu protokołów unifikując pisanie kodu i znacząco skracając czas jego powstawania. Ponownie narzędzia graficznego projektowania systemów podejmują to wyzwanie za pomocą elastycznych, otwartych interfejsów komunikacyjnych, które umożliwiają współdzielenie danych przez wiele węzłów sprzętowych (jak wyłącznik instalacyjny) i integrują się z systemami SCADA.

Synchronizacja systemu pomiędzy wieloma węzłami

Innym ważnym komponentem wielu systemów dystrybucji jest koordynacja i synchronizacja pomiędzy wieloma inteligentnymi węzłami sieci. Dla wielu systemów sterowania siecią energetyczną, interfejsem do systemów zewnętrznych są porty IO - czujniki, urządzenia wykonawcze, bezpośrednie sygnały elektryczne. Tradycyjne urządzenia podłączone do komputera przez GPIB, USB lub Ethernet mogą być uważane za węzły systemu rozproszonego, ponieważ przyrządy te mają wewnętrzny procesor do analizy i przetwarzania. Jednakże programista może nie mieć bezpośredniego dostępu do wewnętrznego działania tradycyjnego przyrządu, co utrudnia optymalizację jego działania w kontekście całego systemu.

Poprzez oprzyrządowanie wirtualne - takie jak CompactRIO firmy National Instruments - bazujące na platformie złożonej z połączeń wybieranych przez użytkownika modułów - inżynierowie mają więcej możliwości synchronizacji i sterowania. LabVIEW firmy National Instruments oferuje szybkie programowanie opartych na układach FPGA rekonfigurowalnych urządzeń wejść/wyjść (RIO - reconfigurable I/O) i ścisłą integrację z układami do synchronizacji wielu urządzeń, aby działały jak jedno w aplikacjach rozproszonych i wielokanałowych. Inżynierowie mogą rozszerzać połączenia z platformy CompactRIO na wiele platform i współdzielić sygnały czasowe i wyzwalające przy wykorzystaniu różnych technik takich jak IEEE 1588, wysokiej szybkości linie cyfrowe albo wbudowane odbiorniki GPS, w celu implementacji zaawansowanej synchronizacji między wieloma urządzeniami.

Lokalizacja, zdalne wgrywanie kodu i debugowanie rozproszonych węzłów

Przemieszczanie danych i poleceń pomiędzy różnymi węzłami obliczeniowymi w systemie rozproszonym jest tylko jednym z wyzwań przy rozwijaniu systemów rozproszonych. Zarządzanie i instalacja kodu źródłowego, który ma działać na rozproszonych węzłach jest wyzwaniem, przed którym stają programiści.

W najprostszym przypadku rozproszenia, kiedy homogeniczne węzły obliczeniowe wykonują dokładnie ten sam kod źródłowy, inżynierowie mogą poprawiać główny kod w jednym miejscu i dystrybuować go do wszystkich węzłów, kiedy zostanie on zmieniony. W bardziej zaawansowanych przypadkach każdy węzeł ma inny kod wykonywalny, który działa na różnych architekturach i nie wszystkie węzły muszą być dostępne jednocześnie.

Środowisko takie jak LabVIEW może zostać użyte do zarządzania kodem źródłowym i dystrybucją aplikacji do całego sytemu węzłów obliczeniowych z jednego środowiska.

Dzięki NI LabVIEW, programiści mogą znacząco uprościć rozwój całego systemu. Wszystkie urządzenia czasu rzeczywistego, przenośne i układy FPGA w systemie są widoczne w projekcie LabVIEW, co ułatwia programistom zarządzanie systemem. Mogą oni dodawać urządzenia docelowe nawet, jeśli nie są one podłączone, co upraszcza projektowanie architektury i rozwój systemu, kiedy brak jest niektórych komponentów.

Z poziomu intuicyjnego widoku drzewa projektu, programista może przeglądać, edytować, przemieszczać, wykonywać i debugować kod działający na dowolnym węźle systemu. Programiści mogą zaobserwować interakcję między wszystkimi węzłami rozproszonego systemu w czasie rzeczywistym, co jest czynnikiem decydującym, ponieważ inteligentne węzły mogą wykonywać kod w tym samym czasie. Ta możliwość pozwala na lepsze zaprojektowanie komunikacji i synchronizacji, rozwijanie i debugowanie aplikacji jak również znacząco redukuje całkowity czas jej implementowania.

National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com