Elektrik güç sistemlerinde veri toplama, trafo merkezleri de dahil olmak üzere çeşitli kritik bileşenleri kapsayan temel bir süreçtir. Dijital trafo merkezleri, akıllı şebeke altyapısının ayrılmaz bir parçası olup, proses katmanı ağı aracılığıyla veri toplama, anahtarlama kontrolü ve sistem güvenilirliğinin gerçek zamanlı yönetimini sağlar. Bu ağ, akıllı trafo merkezlerinin etkin çalışmasını destekleyen temel bir yapı taşıdır.
Bu teknik makalede, veri toplama süreci; GOOSE (Genelleştirilmiş Nesneye Yönelik Alt İstasyon Olayı), MSV (Çoklu Örnekleme Değeri) ve ağ senkronizasyonunu içeren proses katmanındaki mesaj türleri kapsamında ele alınacaktır.
Güç sistemlerindeki gelişim trendi, büyük kapasite, yüksek voltaj ve ekstra yüksek voltaj yönünde ilerlerken, kullanılan cihazlar daha kompakt, akıllı ve yüksek güvenilirlik odaklı hale gelmektedir. Bu doğrultuda, elektrik transformatörleri; küçük boyutları, hafif yapıları, yüksek elektromanyetik bağışıklıkları, doygunluğa karşı dirençli geniş dinamik aralıkları, basit yalıtım yapıları ve dijital sinyal iletimindeki kolaylıkları sayesinde yaygın olarak tercih edilmektedir.
Birleştirme Ünitesi (MU), elektrik trafosuna bağlanarak örneklenmiş değerleri Akıllı Elektronik Cihaza (IED) iletmek için kullanılır. Bu yapı, yalnızca tasarımı sadeleştirerek trafo merkezindeki kablolama ihtiyacını ve alan kullanımını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda akıllı trafo merkezlerinin gelişimini destekleyerek akıllı şebeke altyapısının güçlendirilmesine önemli katkı sağlar.
Akıllı trafo merkezlerinin inşasıyla birlikte birleştirme ünitesine olan talep artmış olup, bu merkezlerin gereksinimlerini karşılayacak yeni nesil birleştirme ünitelerinin geliştirilmesine yönelik acil bir ihtiyaç doğmuştur.
Bu video, modern güç sistemlerindeki akıllı trafo merkezlerinin gelişimini ve kritik rolünü ele almaktadır. Bilgi teknolojilerindeki ilerlemelerin, artan dijitalleşme ile birlikte güvenilirlik ve verimlilik sağlayarak geleneksel trafo merkezlerinden akıllı trafo merkezlerine geçişi nasıl hızlandırdığına odaklanmaktadır. Geleneksel olmayan enstrüman trafoları ve ileri düzey iletişim protokolleri gibi yenilikçi teknolojilerin entegrasyonu sayesinde, akıllı trafo merkezleri sürdürülebilirliği artırırken, inşaat ve bakım maliyetlerini önemli ölçüde azaltacak şekilde optimize edilmektedir.
Veri Toplama Ağı
Aşağıdaki konu başlıklarını tek tek takip edelim ve veri toplama ağı hakkında bir tartışma başlatalım mı, ne dersiniz?
1. Giriş
İşlem katmanı, veri iletimi, veri örneklemesi ve koruma gezisi gibi birincil ekipmanların kontrolünü kapsar. Proses katmanının ağ mimarisi üzerine yapılan araştırmalar, akıllı trafo merkezlerinin kararlılığı ve güvenilirliği açısından kritik bir rol oynamaktadır..
GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Alt İstasyon Olayı), MSV (Çoklu Örnekleme Değeri) ve ağ senkronizasyonunu içeren işlem katmanındaki mesaj türleri standart hale getirilecektir. Ayrıca, GOOSE ve MSV'nin farklı kombinasyonlarını içeren işlem katmanı ağ yapıları analiz edilerek tartışılacaktır.
GOOSE, MSV ve IEEE 1588 tabanlı senkronizasyonun entegre şeması incelenecek ve akıllı trafo merkezinin röle koruma gereksinimlerine uygun hibrit mod şeması detaylı olarak sunulacaktır.
Proses katmanı ağındaki yayın trafiğini azaltmak ve ağ performansını optimize etmek amacıyla, Sanal Yerel Alan Ağları (VLAN) ve Grup Çoklu Yayın Kayıt Protokolü (GMRP) teknolojilerinin uygulanması önerilmektedir.
Akıllı bir trafo merkezinin proses katmanında, elektronik (optik) transformatörler, birleştirme üniteleri ve akıllı işletim cihazları (akıllı anahtarlar) gibi temel saha ekipmanları yer almaktadır.
Bu cihazlar, IEC 61850 standardına uygun olarak GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Trafo Merkezi Olayları), MSV (Örneklenmiş Ölçüm Değerleri) gibi mesajlar aracılığıyla iletişim kurmakta ve hassas zaman senkronizasyonu için IEEE 1588 protokolünü kullanabilmektedir.
Trafo merkezlerinde kullanılan örneklenmiş değer mesajları, temel olarak IEC 60044-8/7, IEC 61850-9-1 (kısaca 9-1) ve IEC 61850-9-2 (kısaca 9-2) standartlarına dayanmaktadır. Geçmişte inşa edilen dijital trafo merkezleri, artık kullanımdan kaldırılmış olan 9-1 standardını ağırlıklı olarak kullanmıştır.
Projenin gereksinimlerini karşılamak için esnek ve kullanışlı olan, ancak cihazın yüksek performansını gerektiren 9-2, proses katmanındaki örnekleme için benzersiz bir standart haline gelecektir.
Bu video, elektrik akımlarını ölçmek için Faraday etkisinden yararlanan ve geleneksel trafolara kıyasla üstün doğruluk ve güvenlik sunan yenilikçi bir Optik Akım Trafosu (OAT) konseptini incelemektedir. Meksika kamu hizmeti şirketi CFE tarafından geliştirilen bu optik cihazlar, patlama riskini ortadan kaldırma, birden fazla manyetik çekirdeğe duyulan ihtiyacı azaltma ve trafo merkezi ayak izini minimize etme gibi önemli avantajlar sağlamaktadır. Proje, optik teknolojiyi kullanan yüksek gerilim iletim hatları için modern bir koruma şemasının ilk pilot uygulamasını gösteren, çeşitli uluslararası şirket ve kurumların iş birliğini içeren ortak bir çabayı vurgulamaktadır.
Ayrıca, öncelikle "Akıllı Trafo Merkezleri İçin Röle Koruma Teknik Şartnamesi"ne uygun olarak, örnekleme verilerinin noktadan noktaya doğrudan bağlantı yoluyla birleştirme ünitesinden koruma cihazına aktarılmasını sağlayan IEC 60044-7/8 standardı da kullanılmaktadır.
Akıllı trafo merkezlerindeki tetikleme mekanizması, IEC 61850 standardında tanımlanan GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Trafo Merkezi Olayları) mesajlaşma protokolüdür. GOOSE'un temel prensipleri ve uygulama yöntemleri, dijital trafo merkezlerinde genel olarak aynı kalmaktadır. Ancak, GOOSE mesajlarının iletiminde ağ kullanımının rolü farklılık göstermektedir. "Akıllı Trafo Merkezi için Röle Korumasının Teknik Özellikleri" standardının gerekliliklerini karşılamak amacıyla, GOOSE mesajlarının doğrudan bağlantı (point-to-point) üzerinden iletilmesi tercih edilmektedir. Bu, geleneksel ağ topolojilerinin kullanımını sınırlandırmaktadır.
Hassas zaman senkronizasyonu için IEEE 1588 protokolü uygulandığında, ayrı bir IEEE 1588 ağı kurulur. Bu ağ, GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Trafo Merkezi Olayları) veya MSV (Örneklenmiş Ölçüm Değerleri) ağlarına entegre edilebilir ve ek fiziksel kablolama gerektirmez. Tek koşul, ağ anahtarlarının IEEE 1588 standardını desteklemesi ve ağda bir ana saat (Grandmaster Clock) bulundurulmasıdır.
İşlem katmanı ağının topolojisi, körfez katmanı ile aynı şekilde üç farklı türe ayrılabilir: yıldız ağı, halka ağı ve veri yolu ağı. Bu üç tür arasında, veri yolu ağı en düşük güvenilirlik ve maliyete sahip olup, gecikmesi en büyüktür. Yıldız ağının gecikmesi en düşükken, güvenilirlik ve maliyeti orta düzeydedir. Halka ağının ise maliyeti ve güvenilirliği en yüksek olup, gecikmesi oldukça büyüktür.
Çin'deki akıllı trafo merkezlerinin pilot projelerine göre, performans ve maliyet optimizasyonu sağlamak amacıyla işlem katmanı topolojisi olarak yıldız ağı tercih edilmektedir. Yıldız ağı, aynı zamanda birçok yüksek gerilim trafo merkezinde de yaygın olarak kullanılmaktadır.
İşlem katmanı iletişimi, elektrik trafo merkezlerinde dijital örnekleme ve olay tabanlı mesajlaşma olmak üzere iki temel bileşeni içerir. Dijital örnekleme, elektrik trafoları ve birleştirme üniteleri (Merging Units) aracılığıyla gerçekleştirilirken, olay tabanlı mesajlaşma GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Trafo Merkezi Olayları) protokolü kullanılarak akıllı işletim cihazları veya akıllı anahtarlar arasında sağlanır.
Trafo merkezinin kritik altyapı bileşenlerinden biri olan proses katmanı ağı, veri kaynaklarının yönetimi ve anahtar kontrolü işlevlerini yerine getirerek trafo merkezinin kararlı çalışmasında hayati bir rol oynamaktadır. Trafo merkezi güvenliğinin ve kararlılığının sağlanması amacıyla, en güvenli, kararlı ve maliyet etkin şemanın belirlenmesi için proses katmanı ağlarının kapsamlı bir şekilde incelenmesi gerekmektedir.
Ana şema ayrıntılı olarak aşağıda tartışılmıştır.
MSV (Örneklenmiş Ölçüm Değerleri) ve GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Trafo Merkezi Olayları) mesajlarının doğrudan bağlantı (noktadan noktaya) ile iletilmesi, geleneksel trafo merkezlerindeki fiziksel kablolama yöntemlerine benzer bir yaklaşımı temsil eder. Aradaki temel fark, bakır tabanlı kabloların yerini fiber optik kabloların almasıdır
MSV ve GOOSE'un prensipleri aynı kalır ve anahtarlama ekipmanından tasarruf edilir. Şekil 1'in özellikleri aşağıdaki gibidir:
Şekil 1'de gösterilen doğrudan bağlantı (noktadan noktaya) şeması, veri iletiminde yüksek güvenilirlik sağlamakla birlikte, örneklenmiş değerlerin (sampled values) paylaşımını mümkün kılmamaktadır. Bu topoloji, her bir Akıllı Elektronik Cihazın (IED) ek ağ veya optik portlara ve buna bağlı olarak daha fazla fiber optik kabloya ihtiyaç duymasına neden olarak maliyeti önemli ölçüde artırmaktadır. Birleştirme üniteleri (Merging Units) veya akıllı işletim cihazları (akıllı anahtarlar) birincil ekipmanın yakınına kurulduğunda bu şema uygun bir çözüm sunarken, cihazlar kontrol odasında merkezi olarak konumlandırıldığında pratik bir çözüm olmaktan çıkmaktadır.
Şu anda, bu şema projede kullanılmamaktadır.
Bu şema, Şekil 2'de sunulan şemaya kıyasla daha yüksek bir otomasyon seviyesi sunmaktadır. Bu durumun nedenleri aşağıdaki gibi özetlenebilir:
Bu şema, örneklenmiş değerlerin (sampled values) paylaşımını desteklememekle birlikte, GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Trafo Merkezi Olayları) tabanlı tetikleme mekanizmasının (trip) ağ üzerinden gerçekleştirilmesi sayesinde fiber optik kablo kullanımını azaltmaktadır. Bu yaklaşım, IEC 61850 standardının gerekliliklerini karşılamakta ve akıllı anahtarların GOOSE ağı üzerinden tetiklenmesi yönündeki endüstriyel eğilime uygunluk göstermektedir.
Bu şema, IEC 61850 standardının birlikte çalışabilirlik ve genişletilebilirlik özelliklerini yansıtmaktadır. Bu mimari, özellikle 220kV trafo merkezleri olmak üzere, geçmişte inşa edilmiş dijital trafo merkezlerinde yaygın olarak uygulanmıştır.
Gerçekleştirilen saha testleri, GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Trafo Merkezi Olayları) tabanlı tetikleme mekanizmasının (trip), yüksek ağ yükü koşulları altında bile gerçek zamanlı performans gereksinimlerini başarıyla karşılayabildiğini doğrulamaktadır.
Bu şema yalnızca örnekleme ağına odaklanır ve örnekleme değerinin payını gerçekleştirebilir.
Bu şema, GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Trafo Merkezi Olayları) iletişiminin performansı ve güvenilirliği proje bazında yeterince test edilmediği ve dolayısıyla GOOSE'un yaygın olarak benimsenmediği erken dönemde inşa edilen dijital trafo merkezlerinde sıkça kullanılmıştır. Bu erken dönemde, odak noktası temel olarak elektronik transformatörlerin (elektronik trafoların) uygulanması olmuştur.
Günümüzde, akıllı trafo merkezi inşa projelerinde, bu şema özellikle mevcut geleneksel trafo merkezlerinin modernizasyonu ve dijitalizasyonu süreçlerinde tercih edilmektedir.
3.1.3 MSV ve GOOSE Ağı
Örneklenmiş değer veri ağı (sampled value data network) ve GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Trafo Merkezi Olayları) şeması, IEC 61850 standardının proses katmanı iletişimine yönelik gereksinimlerini tam olarak karşılamaktadır.
Örneklenmiş değer veri paylaşımını (sampled value data sharing) ve ağ tabanlı tetikleme mekanizmasını (network-based trip) destekleyen GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Trafo Merkezi Olayları) şeması, trafo merkezi otomasyonunun evrimini ve akıllı trafo merkezlerinin proses katmanına yönelik gereksinimlerini karşılayabilmektedir.
Bu şemanın yapısı karmaşıktır ve gereken anahtar sayısı büyüktür, özellikle ağ yedeklidir ve bu da yatırımı artıracaktır.
IEC 61850 standardının gereksinimlerini tam olarak karşılayan anahtar cihazlarının (switch) sayısı sınırlıdır ve MSV (Örneklenmiş Ölçüm Değerleri) ile GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Trafo Merkezi Olayları) ağları yüksek performans gereksinimleri gerektirmektedir. Bu nedenle, proses katmanında kullanılan anahtar cihazları yüksek maliyetlidir ve bu durum dijital trafo merkezlerinin toplam maliyetini artırmaktadır. Buna rağmen, bu şema dijital trafo merkezlerinde yaygın olarak kullanılmakta ve önemli miktarda saha deneyimi biriktirilmiştir
Bu tip trafo merkezinde IRIG-B senkronizasyonu kullanılır.
Bu şema, senkronizasyon haricinde yukarıdaki Şekil 4'teki şemaya benzerdir. IEEE1588 ile senkronizasyonun doğruluğu 1 ms'den azdır ve trafo merkezinin tüm gereksinimlerini karşılayabilir.
IEEE 1588 protokolü ile ağ üzerinden zaman senkronizasyonu uygulaması, ek fiziksel bağlantılara ihtiyaç duymadan maliyetleri düşürme potansiyeline sahiptir. Bu nedenle, IEEE 1588 tabanlı zaman senkronizasyonu çözümleri teşvik edilmekte ve akıllı trafo merkezlerinde zaman senkronizasyonu eğiliminin bu yönde ilerlemesi beklenmektedir
Bu şema, IEEE 1588 protokolünün işlevselliğini destekleyebilecek nitelikte anahtarlama ekipmanlarının (switching equipment) ve IEEE 1588 zaman senkronizasyonunu gerçekleştirebilecek yeterli işlem gücüne sahip proses katmanı cihazlarının (process layer devices) kullanılmasını gerektirmektedir. Bu durum, söz konusu cihazların daha yüksek performans gereksinimlerini karşılamasını zorunlu kılmaktadır.
Bu şema için 100 Mbps (megabit per second) bant genişliği yetersiz kalmakta olup, gigabit Ethernet (1 Gbps) en uygun çözüm olarak öne çıkmaktadır. Bu şemanın uygulanması, proses katmanı cihazlarının güncellenmesini ve mevcut piyasada bu gereksinimleri karşılayan anahtar cihazlarının sınırlı sayıda olmasını gerektirmektedir. Dolayısıyla, bu şema için gerekli olan daha yüksek performanslı ve dolayısıyla daha pahalı ürünler nispeten yeni piyasaya sürülmüş olup, projelerde kararlılık ve güvenilirliklerinin saha testleriyle doğrulanması gerekmektedir.
Bu şema halihazırda Çin'in ZheJiang eyaletindeki 110kV DaLv trafo merkezinde ve LiaoNing eyaletindeki 220kV MaShan trafo merkezinde kullanılmaktadır.
3.1.5 Hibrit Mod Ağı
Bu şema, örneklenmiş değerlerin (sampled values) ve tetikleme mekanizmasının (trip) doğrudan bağlantı (noktadan noktaya) ile iletilmesinin yanı sıra, ölçme ve faturalandırma (metering and billing) gibi diğer uygulamalar için de kullanıldığı bir hibrit çözümü temsil etmektedir. Bu şema, daha önce tartışılan farklı şemaların özelliklerini bir araya getirerek, proje gereksinimlerine ve saha uygulaması deneyimlerine göre tasarlanmıştır.
Bu şema, temel olarak şebeke kaynaklı koruma hatalarını önlemek amacıyla koruma sistemlerinin güvenlik ve güvenilirlik gereksinimlerine odaklanmaktadır. Bu yaklaşım, Çin Devlet Şebeke Şirketi tarafından yayınlanan "Akıllı Trafo Merkezi Koruma Teknik Özellikleri" standardında detaylı olarak tanımlanmıştır.
Bu yöntem, proses katmanı ve bölme katmanında (bay layer) kullanılan cihazlar için yüksek performans gereksinimleri ortaya koymaktadır. Birleştirme üniteleri (merging units) ve akıllı işletim cihazları (akıllı anahtarlar), doğrudan bağlantı gereksinimlerini karşılamak amacıyla çok sayıda ağ bağlantı noktası (network port) eklemelidir. Günümüzde, bu cihazlar en az sekiz fiber optik bağlantı noktasına ve veri yolu koruması (busbar protection) gibi diğer uygulamalar için daha fazla bağlantı noktasına ihtiyaç duymaktadır. Proses katmanı ve bölme katmanı gereksinimlerini karşılayan cihazlar halen geliştirme aşamasındadır ve mevcut projelerde kullanılmamıştır.
Ancak akıllı trafo merkezlerinin ilk partisi bu şemaya göre tasarlanmıştır.
Çin Devlet Şebeke Şirketi standardının gereksinimlerini karşılayan ve dijital bilgi, standardizasyon ve ağ temeline dayanan, aynı zamanda korumanın güvenliğini ve güvenilirliğini artıran bu yöntem, geleceğin ana planı olacaktır.
Proses katmanındaki iletişim, akım ve gerilim örnekleme değerlerinin iletimini, birincil ekipmanın durum bilgilerini ve koruma ile kontrol cihazlarının sinyallerini kapsayan, yüksek veri hacmine sahip ve gerçek zamanlı bir nitelik taşımaktadır.
Anahtar cihazlarının (switch) yükünü azaltmak, ağ güvenliğini artırmak ve yönetim esnekliği, bakım kolaylığı ve trafo merkezi genişletme yeteneklerini geliştirmek amacıyla, gereksiz port paketlerini filtrelemek için Sanal Yerel Alan Ağları (VLAN'lar) uygulanmalıdır.
VLAN (sanal yerel alan ağı) ve GMRP (Grup Çoklu Yayın Kayıt Protokolü) yaygın olarak kullanılan iki yöntemdir.
3.2.1 Sanal LAN'ın Uygulanması
Örneklenmiş değer veri ağının (sampled value data network) yükü, özellikle yüksek örnekleme hızlarında, önemli ölçüde artmaktadır. Anahtar cihazları (switch) tarafından yeniden iletilen paket sayısını azaltmak ve ağ güvenilirliğini artırmak amacıyla, proses katmanındaki cihazlar birden fazla Sanal Yerel Alan Ağı'na (VLAN) ayrılmalıdır.
MSV, GOOSE ve IEEE 1588'in birleşik ağı da, ana saatin IEEE1588'in senkronizasyon mesajı olmayan diğer mesajları almasını önlemek için bölünmelidir.
VLAN teknolojisi, dijital trafo merkezlerinde paketleri filtrelemek için yaygın olarak kullanılır, ancak anahtarın yapılandırması karmaşıktır ve bu da inşaat ve bakımın karmaşıklığını artırır.
Ağın yapısı, bir cihazı azaltma veya ekleme gibi değiştiğinde sanal LAN yeniden yapılandırılmalıdır.
3.2.2 GMRP'nin Uygulanması
GMRP, anahtarın çoklu yayın kayıt bilgilerini korumak için kullanılan GARP (Genel Nitelik Kayıt Protokolü) tabanlı çoklu yayın kayıtlı bir protokoldür.
Temel çalışma prensibi şu şekildedir: Bir ana bilgisayar, çoklu yayın (multicast) grubuna katılmak istediğinde, katılım bilgilerini içeren bir mesaj yayınlar. Anahtar cihazı (switch) bu mesajı aldığında, ilgili portu çoklu yayın grubuna ekler ve çoklu yayın trafiğini VLAN (Sanal Yerel Alan Ağı) grubu içerisinde yayınlar. Böylece, çoklu yayın kaynağı yeni bir üyenin varlığından haberdar olur."
GMRP'yi destekleyen tüm anahtarlar, yerel kayıt bilgilerini dinamik olarak güncellemek için diğer anahtarlardan kayıt bilgilerini alabilir ve yerel kayıt bilgilerini diğer anahtarlayıcıya da gönderebilir. Bilgi alışverişi ile ilgili bu tür bir mekanizma, aynı ağda GMRP'yi destekleyen cihazların kayıtlı bilgilerinin tutarlılığını sağlayabilir.
Bu yaklaşım, yayınla/abone ol (publish/subscribe) iletişim modelini ve IEC 61850-9-2 standardını temel alarak örneklenmiş değerlerin (sampled values) ve GOOSE (Genel Nesne Yönelimli Trafo Merkezi Olayları) mesajlarının iletimi için uygun bir çözüm sunmaktadır.
VLAN ile karşılaştırıldığında, GMRP'nin uygulanması anahtarın yapılandırmasına ihtiyaç duymaz ancak anahtar GMRP'yi desteklemelidir. Bu yöntem VLAN ile karşılaştırıldığında daha esnektir ve yapılandırma ve bakım zorluğunu azaltabilir.
Genellikle, yalnızca bir anahtarın yapılandırmasına ihtiyaç duyan VLAN'ın gerçekleştirilmesi kolaydır, ancak ağın yapısı değiştiğinde VLAN tekrar bölünmelidir ve bakım karmaşıktır. GMRP'nin gerçekleştirilmesi, GMRP'yi desteklemesi gereken cihaz ve anahtarı içerse de, yapılandırma ve bakım açısından daha esnek ve uygundur.
Referans: | The Data Acquisition in Smart Substation of China by Chen Fan |
Format: | |
Boyut: | 1.3 MB |
Sayfa: | 42 |
İndirme: |
Comments