استاندارد IEC-61850 و توسعه آن برای کاربردهای پیشرفته در شبکه‌های برق

مرور جامع بر بخش‌های 90-4 و 90-5

مهندس محمدحسن ابراهیمی یزدی

مهندس محمدحسن ابراهیمی یزدی

استاندارد بین‌المللی IEC-61850 به عنوان چارچوبی اساسی برای تحقق پست‌های دیجیتال و شبکه‌های برق هوشمند توسعه یافته است. این مقاله به بررسی جامع معماری ارتباطی و توسعه‌های اخیر این استاندارد با تمرکز بر بخش‌های حیاتی IEC 61850-90-4 و IEC 61850-90-5 می‌پردازد. بخش 90-4 به عنوان راهنمای مهندسی شبکه برای پیاده‌سازی ارتباطات درون‌پستی، و بخش 90-5 به عنوان استاندارد انتقال اطلاعات سنکروفازور در شبکه‌های گسترده تحلیل می‌شوند. این استانداردها با تعریف مدل داده یکپارچه و مکانیسم‌های ارتباطی ویژه، امکان «قابلیت همکاری» و «ارتباطات گسترده» را در سامانه‌های قدرت مدرن فراهم می‌کنند.

۱. مقدمه

با حرکت شتابان به سمت دیجیتالی‌سازی صنعت برق، نیاز به استانداردهای ارتباطی یکپارچه و قابل اطمینان بیش از پیش آشکار شده است. استاندارد IEC-61850 که با عنوان «شبکه‌های ارتباطی و سامانه‌ها برای اتوماسیون سامانه‌های قدرت» شناخته می‌شود، یک چارچوب جامع برای مدل‌سازی داده‌ها، پیکربندی سامانه و پیاده‌سازی سرویس‌های ارتباطی است [1]. توسعه‌های اخیر این استاندارد به ویژه در بخش‌های 90-4 و 90-5، امکان پوشش نیازمندی‌های ارتباطی پیچیده در شبکه‌های قدرت مدرن را فراهم کرده‌است.

۲. مبانی استاندارد IEC-61850

۲-۱. معماری سامانه و مدل‌سازی داده‌ها

این استاندارد سامانه‌ی اتوماسیون پست را به سه سطح منطقی تقسیم می‌کند [2]:

سطح فرآیند[i] : شامل تجهیزات اولیه مانند کلیدهای قدرت، ترانسفورماتورها و مبدل‌های اندازه‌گیری (CT/VT)؛
سطح بِی[ii]: میزبان «دستگاه‌های الکترونیک هوشمند» (IEDs) برای حفاظت، کنترل و پایش؛
سطح ایستگاه[iii]: شامل سامانه‌های نظارتی مانند SCADA و رابط‌های اپراتور (HMI).

۲-۲. پروتکل‌های کلیدی ارتباطی

درIEC61850 داده‌ها و سیگنال‌های کنترلی با مدل پیام جا به جا می‌شود (شکل شماره 1)؛

MMS: سرویس‌دهنده-سرویس‌گیر برای ارتباطات غیرحساس به زمان (مانند تنظیمات و پایش)؛ [3, 4]
GOOSE: تبادل سریع داده‌های وضعیت و کنترل (مانند فرمان تریپ) با کارایی بالا؛ [5]
SV[iv]: مدیریت جریان داده‌های اندازه‌گیری دیجیتالی شده (جریان و ولتاژ) از سطح فرآیند به سطح بِی. [6, 7]

۳. IEC TR 61850-90-4: راهنمای مهندسی شبکه برای سامانه‌های اتوماسیون پست

۳-۱. هدف و حوزه‌ی کاربرد

IEC 61850-90-4 (شامل نسخه‌های ۲۰۱۳ و ۲۰۲۰) یک گزارش فنی (TR) است که به عنوان راهنمای مهندسی شبکه برای پیاده‌سازی ارتباطات در سامانه‌های اتوماسیون پست برق عمل می‌کند [8, 9]. هدف اصلی این سند، ارائه‌ی رهنمودهای عملی برای طراحی شبکه‌های اترنت محلی درون‌پستی است که می‌خواهند از پروتکل‌های حیاتی (GOOSE و SV) پشتیبانی کنند.

۳-۲. مؤلفه‌های کلیدی در 90-4

۳-۲-۱. پروتکل‌های افزونگی[v]

برای اطمینان از عدم از دست رفتن پیام‌های حیاتی، این استاندارد بر دو پروتکل اصلی افزونگی مبتنی بر IEC 62439-3 تأکید دارد( شکل شماره 2)[10, 11]:

پروتکل افزونگی موازی (PRP): استفاده از دو شبکه‌ی اترنت کاملاً مستقل و موازی (LAN A و LAN B)؛ دستگاه‌ها به هر دو شبکه متصل می‌شوند و بسته‌های تکراری ارسال می‌کنند.
پروتکل افزونگی بدون درز با در دسترس بودن بالا (HSR): طراحی برای توپولوژی حلقوی که در آن بسته‌ها در دو جهت مخالف در حلقه ارسال می‌شوند تا تحمل‌پذیری خطا حاصل شود.

۳-۲-۲. مدیریت ترافیک شبکه

QoS و VLAN: اولویت‌بندی ترافیک حیاتی (GOOSE و SV) بر ترافیک غیرحساس (MMS). (شکل 3)

همگام‌سازی زمانی: پیاده‌سازی پروتکل زمان دقیق (PTP) مطابق با IEEE 1588 (شامل نسخه‌های ۲۰۰۸ و ۲۰۱۹) [16, 17] و پروفایل‌های مخصوص سامانه قدرت [18] برای دستیابی به همگام‌سازی با دقت میکروثانیه، که برای نمونه‌برداری SV و تحلیل خطا ضروری است.( جدول 1)

۳-۲-۳. شبکه‌های حساس به زمان[vi] (TSN)

نسخه جدیدتر 90-4 (۲۰۲۰) به شدت بر اهمیت TSN تأکید می‌کند [9]. TSN مجموعه‌ای از استانداردهای IEEE 802 (مانند 802.1Q) است که ارتباطات اترنت قطعی[vii] را ممکن می‌سازد ( شکل 4). [22]

مزیت اصلی TSN: قابلیت ارائه‌ی تأخیر بسیار کم و قطعی[viii] و مدیریت هوشمند ترافیک از طریق زمان‌بندی دقیق بسته‌ها است.
کاربرد: TSN می‌تواند به عنوان یک راه‌حل جایگزین یا مکمل برای PRP/HSR در معماری‌های پست دیجیتال آینده استفاده شود تا از تداخل ترافیک‌های مختلف جلوگیری کرده و عملکرد شبکه را تضمین کند. (شکل 5)

۴. IEC TR 61850-90-5: انتقال اطلاعات سنکروفازور در شبکه‌های گسترده

۴-۱. هدف و حوزه کاربرد

IEC 61850-90-5 (شامل نسخه‌های ۲۰۱۲ و ۲۰۲۱) استانداردی برای انتقال اطلاعات سنکروفازور (PMU) در شبکه‌های گسترده الکتریکی است [12, 13]. این بخش، مفاهیم ارتباطی IEC 61850 را از محدوده پست (LAN) فراتر برده و به شبکه‌های گسترده (WAN) تعمیم می‌دهد. (شکل 6)

۴-۲. مولفه‌های کلیدی در 90-5

۴-۲-۱. پروتکل‌های قابل مسیریابی[ix]

از آنجایی که GOOSE و SV پروتکل‌های لایه‌ی ۲ هستند و در شبکه‌های محلی کار می‌کنند، 90-5 نسخه‌های قابل مسیریابی (لایه ۳ – IP) آن‌ها را معرفی می‌کند:

R-GOOSE: نسخه قابل مسیریابی از GOOSE برای ارسال پیام‌های وضعیت و کنترل بین پست‌ها بر بستر شبکه‌های IP/WAN. (شکل شماره 7)

R-SV: نسخه قابل مسیریابی از SV برای ارسال داده‌های نمونه‌برداری شده در سطح گسترده. (شکل 8)

۴-۲-۲. مدل‌سازی داده‌های سنکروفازور

این استاندارد، مدل داده IEC 61850 را با استاندارد IEEE C37.118 (شامل نسخه‌ی پایه‌ی ۲۰۱۱ و اصلاحیه ۲۰۱۴) یکپارچه می‌کند [19, 20]. این کار امکان می‌دهد تا داده‌های PMU به جای فرمت‌های اختصاصی، در قالب مدل داده استاندارد IEC 61850 تعریف و منتقل شوند، که منجر به یکپارچگی کامل سامانه‌های پایش گسترده (WAMS) می‌شود. (شکل 9)

۵. یکپارچه‌سازی 90-4 و 90-5 و چالش‌های کلیدی

۵-۱. معماری سلسله‌مراتبی یکپارچه

یک سامانه قدرت مدرن از هر دو استاندارد به صورت مکمل استفاده می‌کند(شکل 10):

سطح پست (حوزه 90-4): شبکه‌های داخلی پست با استفاده از GOOSE/SV و افزونگی PRP/HSR برای ارتباطات داخلی قابل اطمینان.
سطح گسترده (حوزه 90-5): ارتباط بین پست‌ها و مراکز کنترل با استفاده از R-GOOSE/R-SV برای کاربردهای حفاظتی و کنترلی گسترده (WAMPAC) و انتقال داده‌های PMU.

مقایسه‌ی فنی کاربردها (جدول 2)

۵-۲. چالش‌ها و راهکارهای کلیدی

۵-۲-۱. امنیت سایبری (یک چالش اساسی)

در گذشته امنیت به عنوان یک روند آینده دیده می‌شد، اما امروزه یک نیاز اساسی و فعلی است. اتصال پست‌ها به شبکه‌های گسترده (WAN) طبق 90-5، سامانه‌های اتوماسیون را به شدت در معرض تهدیدات سایبری قرار می‌دهد.

راهکار (IEC 62351): استاندارد IEC 62351 به طور خاص برای تأمین امنیت پروتکل‌های IEC 61850 (شامل GOOSE, SV, MMS و نسخه‌های R) طراحی شده است. [21] پیاده‌سازی مکانیزم‌های این استاندارد، مانند احراز هویت قوی، رمزنگاری پیام‌های R-GOOSE و مدیریت کلید، برای حفاظت از زیرساخت‌های حیاتی در برابر حملات، الزامی است.

۵-۲-۲. همگام‌سازی زمانی و مدیریت ترافیک

همگام‌سازی در سطح گسترده: حفظ دقت میکروثانیه‌ای PTP (مبتنی بر IEEE 1588) [16, 17] در سراسر یک WAN یک چالش فنی بزرگ است.
مدیریت ترافیک: حجم عظیم داده‌های SV و PMU نیازمند پهنای باند بالا و مکانیسم‌های مدیریت ترافیک پیشرفته (مانند آنچه در TSN ارائه می‌شود) [9, 22] است.

۶. مطالعه‌ی موردی یکپارچه

برای درک بهتر یکپارچگی 90-4 و 90-5، سناریوی حفاظتی و پایش همزمان زیر را در نظر بگیرید:

جمع‌آوری داده (سطح فرآیند): یک مبدل نوری جریان/ولتاژ (CT/VT) در پست A، داده‌های اندازه‌گیری آنالوگ را به جریان‌های دیجیتال SV (مطابق 9-2) [6, 7] تبدیل می‌کند.
عملیات داخلی پست (حوزه 90-4):
- حفاظت: رله حفاظتی اصلی در پست A، جریان SV را دریافت می‌کند. همزمان، یک واحد PMU (که می‌تواند بخشی از همان رله باشد) با استفاده از داده‌های SV و برچسب زمانی PTP، سنکروفازورها را محاسبه می‌کند.
- تشخیص خطا: رله حفاظتی یک خطای شدید در خط انتقال متصل به پست B (در فاصله دور) تشخیص می‌دهد.
ارتباطات گسترده (حوزه 90-5):
- حفاظت گسترده (R-GOOSE): رله حفاظتی پست A بلافاصله یک پیام R-GOOSE (GOOSE مسیریابی‌شده) بر بستر WAN ارسال می‌کند. این پیام به رله حفاظتی پست B دستور می‌دهد تا کلید سمت خود را برای جداسازی خطا، تریپ کند.
- پایش گسترده (R-SV / C37.118): همزمان، واحد PMU در پست A، داده‌های سنکروفازور محاسبه‌شده را با استفاده از مدل داده 90-5 (که با IEEE C37.118 سازگار است) [12, 13, 19, 20] به مرکز کنترل منطقه‌ای (WAMS) ارسال می‌کند تا اپراتورها بتوانند پایداری شبکه را پس از خطا ارزیابی کنند.

این سناریو (که در مقالات عملی مانند [14] و [15] به آن پرداخته شده) نشان می‌دهد که 90-4 (ارتباطات داخلی SV) چگونه زیربنای 90-5 (ارتباطات حفاظتی R-GOOSE و پایش R-SV/PMU) را در یک سامانه‌ی یکپارچه فراهم می‌کند. (شکل شماره11)

۷. نتیجه‌گیری و چشم‌انداز آینده

۷-۱. جمع‌بندی

استانداردهای IEC 61850-90-4 و IEC 61850-90-5 نقش مکمل و حیاتی در تحقق شبکه‌های برق هوشمند ایفا می‌کنند. در حالی که 90-4 (با تمرکز بر TSN و افزونگی) [9, 10, 11] پایه‌های ارتباطی قابل اطمینان و قطعی در سطح پست را فراهم می‌کند، 90-5 امکان گسترش امن این ارتباطات به سطح سامانه‌ی قدرت (WAMPAC) را فراهم می‌سازد [13].

۷-۲. روندهای آینده

پیاده‌سازی کامل امنیت (IEC 62351): فراتر از تعریف استاندارد، چالش آینده در پیاده‌سازی عملی و مدیریت چرخه عمر مکانیزم‌های امنیتی (مانند مدیریت کلید) است [21].
یکپارچه‌سازی با 5G و TSN: استفاده از شبکه‌های 5G خصوصی برای ارتباطات R-GOOSE [15] و ادغام کامل TSN در سطح پست و گسترده برای ارتباطات قطعی [9, 22].
یکپارچه‌سازی با هوش مصنوعی (AI): استفاده از AI در مراکز کنترل برای تحلیل آنی داده‌های حجیم PMU (که توسط 90-5 منتقل می‌شوند) جهت پیش‌بینی خطا و بهینه‌سازی شبکه.
توسعه‌ی مدل‌های داده جدید: برای کاربردهای نوین مانند ذخیره‌سازی انرژی و مدیریت منابع انرژی توزیع‌شده (DER).

۸. مراجع

[1] IEC 61850-1, “Communication networks and systems for power utility automation – Part 1: Introduction and overview”, 2013.

[2] IEC 61850-5, “Communication networks and systems for power utility automation – Part 5: Communication requirements for functions and device models”, 2013.

[3] IEC 61850-8-1, “Communication networks and systems for power utility automation – Part 8-1: Specific communication service mapping – Mappings to MMS”, 2011.

[4] IEC 61850-8-1:2020, (نسخه جدیدتر مرجع ۳)

[5] IEC 61850-7-2, “Communication networks and systems for power utility automation – Part 7-2: Basic information and communication structure – Abstract communication service interface”, 2010.

[6] IEC 61850-9-2, “Communication networks and systems for power utility automation – Part 9-2: Specific communication service mapping – Sampled values over ISO/IEC 8802-3”, 2011.

[7] IEC 61850-9-2:2011/AMD1:2020, (اصلاحیه مرجع ۶)

[8] IEC 61850-90-4, “Communication networks and systems for power utility automation – Part 90-4: Network engineering guidelines”, 2013.

[9] IEC TR 61850-90-4:2020, (نسخه جدیدتر مرجع ۸، با تمرکز بر TSN)

[10] IEC 62439-3, “Industrial communication networks – High availability automation networks – Part 3: Parallel Redundancy Protocol (PRP) and High-availability Seamless Redundancy (HSR)”, 2016.

[11] IEC 62439-3, “Industrial communication networks – High availability automation networks – Part 3: Parallel Redundancy Protocol (PRP) and High-availability Seamless Redundancy (HSR)”, 2016. (حفظ شده طبق درخواست)

[12] IEC 61850-90-5, “Communication networks and systems for power utility automation – Part 90-5: Use of IEC 61850 to transmit synchro phasor information according to IEEE C37.118”, 2012.

[13] IEC TR 61850-90-5:2021, (نسخه جدیدتر مرجع ۱۲)

[14] “Implementation of PRP and HSR in Digital Substations: Practical Experiences and Lessons Learned”, IEEE Transactions on Power Delivery, 2021.

[15] “Network Architecture for IEC61850-90-5 Communication: Case Study of Evaluating R-GOOSE over 5G for Communication-Based Protection”, Energies Journal, 2022.

[16] IEEE 1588, “IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems”, 2008.

[17] IEEE 1588-2019, (نسخه جدیدتر مرجع ۱۶)

[18] IEEE C37.238, “IEEE Standard Profile for Use of IEEE 1588 Precision Time Protocol in Power System Applications”, 2017.

[19] IEEE C37.118.1, “IEEE Standard for Synchro phasor Measurements for Power Systems”, 2011.

[20] IEEE C37.118.1a-2014, (اصلاحیه مرجع ۱۹)

[21] IEC 62351-3:2020, “Security for telecontrol protocols – Profiles including TCP/IP”. (مرجع افزوده شده برای امنیت)

[22] IEEE 802.1Q-2018, “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks—Bridges and Bridged Networks”. (مرجع افزوده شده برای TSN)

[i] Process Level

[ii] Bay Level

[iii] Station Level

[iv] Sampled Values

[v] Redundancy