Daha Da Akıllı Trafo Merkezleri

IEC 61850’nin nihai hedefi, elektrik trafo merkezlerinde daha akıllı sistemler ve daha bütünsel bir otomasyon kurulumuyla elektrik dağıtım sektörünün geliştirilmesidir. Günümüzde akıllı elektronik cihazlar sayesinde indirici ve dağıtım trafo merkezlerinin proses seviyesinde yeni kontrol ve otomasyon mekanizmaları entegre etmek mümkündür. Bu mekanizmalar, merkezî bir uzaktan kontrol istasyonundan gerçek zamanlı denetim ve yönetim imkânı sağlar.

IEC 61850’ye göre akıllı trafo merkezleri, üç temel özelliğe sahip olmalıdır:

1.     Tüm ana istasyon makinelerinin (anahtarlama donanımı, trafo vs.) oluşturduğu sistem, kısmen yüksek bir cihaz zekâsına sahip olmalıdır.

2.     Tüm ikincil cihazlar ağa dâhil olmalıdır.

3.     Tüm rutin işlemler ve yönetim tamamıyla otomatik olmalıdır.

Bu üç hedefe ulaşabilmek için IEC 61850 standardı, trafo merkezlerinde yapılan veri haberleşmesinde ve tüm istasyon, saha ve proses seviyelerindeki işlemlerde Ethernet anahtarları ve gömülü bilgisayar sistemlerinin kullanılmasını öngörür. Ticari cihazlar bir trafo merkezinin zorlu çevresel koşulları için fazla nazik ve kırılgan kaldığından, trafo merkezlerinde kullanım için optimize edilmiş, ağır endüstriyel ölçütlere göre tasarlanmış cihazların tercih edilmesi gerekecektir.

Müşteri Önceliklerinin Ölçütleri
Enerji firmaları, başarılarını hem teknik hem de finansal unsurları barındıran bazı ana performans göstergelerini (APG) dikkate alarak ölçerler. Aşağıdaki göstergeler, elektrik tedarikçileri için en önemli APG’ler arasında yer almaktadır:

• Sistem Ortalama Kesinti Sıklığı Endeksi (System Average Interruption Frequency Index, SAIFI): Müşteri başına düşen ortalama hizmet kesintisi sayısı

• Sistem Ortalama Kesinti Süresi Endeksi (System Average Interruption Duration Index, SAIDI): Müşteri başına ağırlıklandırılmış, son bir sene içerisinde meydana gelen ortalama kesinti süresi

• Sağlanamayan Enerji (Energy Not Supplied, ENS): Son bir sene içerisinde müşterilere verilememiş toplam MWh miktarı

• Ortalama Kesinti Süresi (Average Interruption Time, AIT): Kesinti sırasında verilememiş toplam enerjiye göre ağırlıklandırılmış, elektrik kesintisinin ortalama süresi

• Ek Yük Hat Bakım Masrafı Endeksi (Overhead Lines Maintenance Cost Index, OHLMCI): Aktarım hatlarının birim uzunluğu başına düşen, son bir sene içinde yapılmış ortalama bakım harcaması

• Trafo Merkezi Bakım Masrafı Endeksleri (Substation Maintenance Cost Indices, SSMCIs): Trafo merkezi başına düşen yıllık ortalama bakım harcaması

Bu APG’lerin de gösterdiği üzere, elektrik dağıtım şirketleri için trafo merkezlerinin sağlamlığı, verimliliği, güvenliği, hizmet kalitesi ve üretkenliği en başta gelir. IEC 61850 standardı tüm bu önceliklere cevap verir nitelikte olmakla beraber, bu APG’lerin de ötesinde gelecekteki gelişmelere hazır, tümü üreticiye bakmaksızın uyumlu çalışabilir akıllı elektronik cihazlardan oluşan bir sistem hedefler. Uzun vadede IEC61850’nin geniş, özgür, fakat standardize edilmiş bir piyasa ile sonuçlanması beklenmektedir. Trafo merkezi işletmecileri bu durumdan bütünsel, bakımı kolay ve teknik olarak iyileştirilmesi ekonomik olan güç kaynağı ve dağıtımı otomasyonu ile uzaktan denetimi sağlamada yararlanacaklar. Bu sürecin sonunda ise her bir trafo merkezi, saha üzeri insan müdahalesi olmadan çalışır hale gelecek. Bu gelişmenin güvenlik, verimlilik ve ekonomi üzerindeki olumlu etkilerinin boyutunu tahmin etmek güç değil.

Bu yazı, elektrik sağlayıcıların trafo merkezi teknik iyileştirmelerini planlarken göz önünde bulundurması gereken başlıca temel meseleleri, belli ana uygulama senaryoları üzerinden inceliyor. Her senaryo, trafo merkezleri otomasyon ağlarında IEC 61850 vizyonu dahilinde güvenilirlik, elverişlilik ve bakım kolaylığının nasıl artırılabileceği üzerine odaklanıyor. 

·       -40’dan 75°C’ye çevre sıcaklığı toleransı

·       Sürekli titreşim ve sarsıntılara yüksek tolerans

Kompakt, Havalandırmasız Bilgisayarlarda Yüksek Sıcaklık Toleransı Elde Etmek

Sıcaklığın 75°C’ye çıkabildiği veya -40°C’ye kadar düşebildiği trafo merkezlerinde geniş sıcaklık toleransı aralığı büyük önem taşır. Çoğu bilgisayar, bu tür uç koşullara maruz kaldığında çalışmaz.  Elektrik sağlayıcıların çözüm getirmesi gereken en önemli meselelerden biri de sistemlerinin bu uç koşullarda dahi güvenilir ve öngörülebilir biçimde işlemeye devam etmesini güvenceye almaktır. FloTHERM™ hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımı, günümüzde mevcut olan en güçlü termal simülasyon aracıdır. Her tasarım seviyesinde, sistemin bütününe ait kompleks modeller oluşturmak için bağımsız bileşenlerden veri toplayarak, elektronik donanımın içinde ve çevresindeki hava akımı ve ısı transferini saptar.  FloTHERM™ ısı izlerinin işlemin her aşamasında nasıl yayıldığını ve değiştiği net olarak ortaya koyarak mühendislerin cihaz içindeki iletim, ısı yayım ve ışıma etkilerini öngörebilmesini ve bir araya getirmesini sağlar.  

FloTHERM’in ileri modelleme teknikleri ile mühendisler bir prototip ortaya konmadan önce, çabuk ve kolaylıkla önerilen donanım modifikasyonlarının termal sınırlarını test edebilirler. Kısacası FloTHERM™ yüksek ısı toleransı ile sonuçlanacak ayarlamalar için mevcut en önemli araçlardan biridir. Yüksek performans bilgisayarlara dayalı herhangi bir sistem için en büyük endişe, bozulan havalandırma veya tıkanan ızgaralar nedeniyle meydana gelen devre yanmalarıdır.

İdeal olan, bir merkez bilgisayarının dış koşullardan tamamen korunuyor olması ve herhangi bir havalandırma kapasitesine ihtiyaç duymamasıdır. Normalde cihaz ömrünü büyük ölçüde uzatan bu durumu, trafo merkezi koşullarında çoğunlukla ortaya çıkan aşırı ısı nedeniyle elde etmek zordur. İdeal koşullarda bir PCB’nin en yüksek ısı yoğunluğu cihazın tam da merkezindedir. Böylece ısı, dağılabileceği en büyük alana sahip olur. Havalandırmasız sistemlerde genellikle tüm dış kasa büyük bir ısı havuzu görevini görür. Isı dağılımının optimizasyonu için kanatçık yükseklikleri, boşluklar, kalınlıklar ve temas noktalarının dikkatli analizi ve ayarlaması yapılır. Tüm bu unsurlar maksimum dağılım verimliliğine erişmek amacıyla dikkatlice değerlendirilir. Bu, tamamıyla havalandırmasız tasarımların oluşturulmasının kolay olmadığı ve genel itibariyle havalandırmalı çözümlere nazaran daha pahalı olduğu anlamına gelir. Ancak ek masraflar, güvenilirlikte sağlanan çok büyük artışlar ile azalan boyut, kompleks yapı, ısı, toz ve aşınmaya duyarlılıkla karşılaştırıldığında önemsenmeyecek düzeydedir.

Yüksek Elverişlilik

Kablolu İletişim Hızında Sıfır Paket Kaybı

Trafo merkezlerindeki haberleşmede yaşanan paket kaybı, en kötü durumlarda kalıcı sistem çöküşlerine kadar götürebilen öngörülemez bir risk ortaya çıkarır. Paket kaybı olasılığı daha sıradan ortamlara göre bir yüksek EMI ortamında çok daha yüksektir. Bu nedenle kritik paketlerin isabetli ve güvenilir biçimde aktarımının güvenceye alınması her elektrik sağlayıcı için temel meselelerden biridir.

Yüksek EMI ortamlarında ortaya çıkan haberleşmenin bütünlüğünü koruma zorluğu, iki farklı yaklaşımla çözümlenebilir. Birincisi, IEEC 1613 sınıf 1 şartlarını karşılayan ağ cihazları, yüksek EMI koşullarına güvenilir biçimde dayanabilmeleri için seviye 4 EMC ile derecelendirilmiş olmalıdır. Bu düzeyde bir elektromanyetik toleransa erişmek için akıllı mühendislikte başvurulan çeşitli yaklaşımlar vardır. Örneğin, donanım mühendisleri PCBA devresini optimize edip, güç kaynağını yeniden çalıştırıp yüksek EMC ve gerilim koruması elde edebilmek için bileşenleri dikkatlice ihtiyaca göre uyarlayabilirler. Son bir önlem olarak ise mekanik bileşenlerin kendileri, ticari cihazlarda mevcut olandan çok daha iyi koruma ve topraklama sağlayabilmek için tekrar tasarlanabilir.

İkinci yaklaşıma göre, tüm cihazların en yüksek önceliklendirmeye sahip kritik, düşük düzey IEC 61850 çoklu gönderimler (GOOSE/SMV) yoluyla, diğer haberleşmelerin an itibariyle hatlarda yarattığı tıkanıklıktan etkilenmeden, mesajların tüm ağ boyunca bozulmaya uğramadan net bir biçimde aktarıldığını güvenceye alarak, kesintisiz haberleşmesi sağlanmalıdır. Ping tabanlı çözümler bunu sağlamak için yeterli değildir. IEEE 1613 Sınıf 2 şartlarının hepsini sağlayabilmek için trafo merkezi anahtarları güçlü QoS trafik şekillendirmeyi desteklemelidir. Trafik şekillendirme anahtarları, aktarılan her paketin Ethertip alanını tarayarak yüksek öneme sahip mesajları iletim otomatik önceliklendirme ile iletim sırasında öne alır. Böylece kritik mesajlar verilen zaman içinde, ağ boyunca iletilmekte olan diğer veri hacminin büyüklüğüne bakmaksızın teslim edilir. GOOSE veya SMV gibi kritik sistem mesajlarının istikrarlı iletimini güvenceye alabilmek için trafo merkezi anahtarları maksimum EMI bağışıklığını sağlamakla kalmamalı, aynı zamanda QoS trafik şekillendirmesini de desteklemelidir. 

Fiber port performansı başarılı işletim süresinin uzunluğu ile ölçülürken, yüksek sıcaklıklar bu zamanı önemli ölçüde düşürür. Fiber arızaları aksaklık öncesi bir kestirimci bakım mekanizması ile önlemek son derece önemlidir, ancak şu an çoğu trafo merkezi yalnızca SFP tipi optik fiber denetimini desteklemektedir. Dijital tanısal denetim (Digital diagnostic monitoring, DDM) bu soruna çözüm getirebilir. DDM’i kullanarak trafo merkezi anahtarları (SFP ile birlikte) ST/SC konnektörlerini denetleyerek, anormal bir durum tespit edildiğinde SCADA sistemlerini SNMP tuzağı veya MMS yoluyla uyarır. Bu uyarılar da operatörlerin bakım prosedürlerini başlatmalarını sağlar. DDM raporları ve uyarı sinyalleri internet, CLI veya seri konsol üzerinden, MMS raporlama veya SNMP tuzakları yoluyla, dijital röle tarafından veya sistem log üzerinden iletilebilir. Tercihen yedekleme sağlanabilmesi için birden fazla yönteme başvurulur. Bu ayarlama sistem operatörlerinin aktarım ve alım gücü, sıcaklık ve voltaj/akım gibi göstergelerin fiber optik bağlantılar üzerinden daha da sağlıklı gerçek zamanlı denetimini yapabilmesini sağlar.

En Kolay Bakım, En Az Kesinti Süresi

SNMP ve MMS Yönetimi: Enerji Trafo Merkezi SCADA’sı için Entegre Ağ Denetim Çözümleri

Mevcut düzende trafo merkezleri, iki denetim ve haberleşme protokolü arasında iş bölümüne zorlayan biraz dağınık bir durum ile idare etmek zorunda kalıyor: SNMP (MMS’in IT cihazlarıyla çalışmaması nedeniyle) IT cihazları için kullanılırken, MMS ise kalan her türlü haberleşme için kullanılıyor (Çünkü SNMP akıllı elektronik cihazlardan proses seviyesi bilgi taşıyamıyor). Bu durumun zahmetli ve masraflı olmasının baş nedeni bu iki sistemin tek bir arayüzde entegrasyonunun son derece zaman alan, kurulum maliyetlerini ve sistem kompleksliğini azımsanamayacak ölçüde artıran bir uyarlama gerektirmesidir.

Ancak, deneyecek kadar korkusuz üreticiler için bu çıkmaza şık bir çözüm getirmek mümkün: MMS’in SNMP-uyumlu Ethernet anahtarları ve (gömülü bilgisayarlar veya HMI olarak kullanılan panel bilgisayarlar gibi) diğer IT donanımı içine entegrasyonu. MMS-uyumlu IT donanımı ile, trafo merkezi sistem entegratörleri ve otomasyon mühendisleri tek bir SCADA görüntüsü üzerinden proses seviyesindeki tüm otomasyon cihazları ağının durumuna dair bilgiye ulaşabilir. Böylece, trafo merkezi sistemlerinde IT cihazları için farklı yazılım kurmak ve yapılandırmak zorunda kalınmayacağından, merkez operatörleri otomasyon entegrasyonu yoluyla çok daha yüksek yönetim verimliliği ve kurulum masraflarından çok daha fazla tasarruf elde eder.

IT cihazlarının MMS yoluyla sisteme entegre edilmesi, elektrik dağıtım ağlarını daha kontrol edilebilir, daha esnek ve uyumlu hale getirir:

·       Akıllı elektronik cihazlar, anahtarlar, gömülü bilgisayarlar ile cihaz sunucularının denetim ve kontrolü, tek bir güç SCADA arayüzünden veri analizi

·       Şebeke tıkanıklığı azaltılırken IT donanımı için yedekli SNMP sistemlerinin iptal edilmesi

·       Belirli etkinlik uyarıları, sorgulama raporları veya her ikisi için de cihaz yapılandırılması

·       Tek bir yazılım görüntülemesi ile cihazların ağ hiyerarşisi içindeki diğer cihazlara göre yerinin tam olarak belirlenebilmesi

·       IT donanımının doğrudan yapılandırma ve kontrol olanağı

·       Yapılandırılmış Akıllı Elektronik Cihaz Tanımı (Configured IED Description, CID) dosyaları yoluyla grup halinde konfigürasyon olanağı

Kolay Kurulum ve Konfigürasyon

Trafo merkezleri çok özel koşullara sahip olduğundan, IT kurulumları yalnızca birkaç ana unsura gerek duyar. Bunun sonucunda basitleştirilmiş ve düzenlenmiş bir konfigürasyon süreci çok daha anlam kazanır: yalnızca alakalı ağ özelliklerinin dahil edilmesiyle, kurulum ve bakım çok daha verimli hale gelir. Tarayıcı tabanlı bir konfigürasyon sihirbazı kullanarak bir IT cihazının etkili biçimde yerleştirilmesi, tam anlamıyla 1 dakikadan daha az sürecek 3 basit adımda tamamlanabilir.

1.     Adım: Web UI’ye giriş yapın

2.     Adım: Yedekleme yapısını seçin

3.     Adım: Anahtarın ağ içindeki görevini tanımlayın (örneğin merkez anahtar, uç anahtar veya üye anahtar)

Kurulumun bu kadar basit adımlarla tamamlanması mümkündür.

Geçmişte, IP teknolojisinin endüstriyel kontrol ağlarına yabancı olduğu zamanlarda çoğu otomasyon sistemi, cihazlar bozulduğunda geri kazanımda elle sıfırlama için donanım ve yazılım watchdog’larına dayanırdı. Uzaktaki bir sistem yöneticisinin görebileceği veya yapabileceği çok az şey vardı. Bir sorunun tespiti veya çözümü için mühendisin bizzat sahaya gitmesi gerekirdi. Tabii ki bir mühendisin uzak saha platformuna veya pompalama istasyonuna gönderilmesi, tamir süresinin günlerce sürmesi de söz konusu olduğunda ciddi masraflar ortaya çıkarıyordu. Zayıf tasarıma sahip rüzgâr santrali sistemleri için bu durum geçerliliğini halen korumaktadır. 

Günümüzde IT otomasyonu mühendislerin bir bilgisayarın durumunu uzaktan denetlemesini ve bir sorun çıktığında OS formatlamasını başlatabilmesini mümkün kılmaktadır. Formatlama, gömülü bilgisayar ilk kurulduğunda oluşturulan işaretlenmiş bir disk görüntüsü üzerinden yapılmaktadır.

Otomatik geri kazanım için uygulanan bu yöntemler yeni değildir. Ancak hâlihazırda çalıştırılmaya hazır bir yazılım uygulamasıyla gelmediği takdirde güvenilir, ihtiyaca özel bir geri kazanım sistemi elde etmek de çok zor olabilir.

Akıllı bir OS geri kazanım sistemi olmadan, sistem yazılımının bozulması – OS içinde veya yerel trafo merkezi uygulamalarında – uzaktan endüstriyel kurulumlarda veya yüksek adetli bilgisayar kurulum senaryolarında feci sonuçlar doğurabilir. Yazılımdaki hatalardan kaynaklanan bilgisayar bozulmalarına ait tahminler yüzde 30’u bulmaktadır. Durum böyle iken otomatize edilmiş BIOS-düzeyi yazılım geri kazanım sistemleri, endüstriyel trafo merkezi otomasyon sahaları için son derece değerli bir ek özellik teşkil eder. 

Sonuç Olarak…

Bu teknik yazının müşterilerin elektrik dağıtım alanında en sık karşılaştığı sorunlara sunduğu çözüm ve fikirleri aşağıdaki gibi özetlemek mümkün:

Yüksek Güvenilirlik

• IEC 61850 Sınıf 3 Sertifikası

• Trafo Merkezi Otomasyonunda Paket Önceliklendirmesi

• Kablolu İletişim Hızı Sıfır Paket Kaybı Teknolojisi

• Patentli Termal Mühendislik

Geliştirilmiş Sistem Elverişliliği

• SNMP/MMS Yönetimi

• ST/SC Fiber DDM (Dijital Tanısal Denetim)

Bakım Kolaylığını Maksimize Ederken Kesinti Süresini En Aza İndirme

• Trafo Merkezi Konfigürasyon Sihirbazı

• Akıllı Geri Kazanım

Bu çözümler bir enerji trafo merkezi otomasyon ağında güvenilirlik, elverişlilik ve bakım kolaylığını artıracak, hâlihazırda akıllı trafo merkezlerini daha da akıllı hale getirecektir. Moxa’nın sektöre özel geliştirdiği Ethernet anahtarları, gömülü bilgisayarlar, combo anahtarlar ve ağ geçitleri hakkında detaylı bilgiye www.gsl.com.tr adresinden ulaşabilirsiniz.

Kaynak: Lin, Chih Hong et al. (2013) “Making Smart Substations Even Smarter: Enhancing Substation Reliability, Availability, and Maintainability”, Moxa Inc.

Kaynak: Kontrolkalemi.Com Haber Servisi [email protected]