Implementazione di regolatore frequenza/potenza …...diametro (D1) 7 m «Telecontrollo Made in...

«Telecontrollo Made in Italy. Evoluzione IoT e digitalizzazione 4.0» Verona 24-25 ottobre 2017

Implementazione di regolatore frequenza/potenza per turbine idrauliche con

datamodel IEC 61850 e HW IEC 61131-3

Roberto Guida, Enel Green Power – Technical ServicesIvan Rattotti, Enel Green Power - OperationsGiuseppe Rigadello, HEAS - CTO


Sfide tecnologiche in ambito Energy Automation

DIGITALIZZAZIONEFUNZIONI/PROCESSI

TRASMISSIONE EANALISI DATI

IEC 61131, CdR IEC 61850

Performance

Integrazione

Interoperabilità


Use case

C.le idroelettrica «Carlo Bobbio» di Isola Serafini

Operatore: Enel Green PowerAnno: 1962Tipologia impianto: acqua fluenteConnessione AT: 132kVPotenza installata: 82 MWPortata nominale: 1000 m³/sGruppi: 4 turbine/alternatori con trasformatori elevatoriTipo turbine: Kaplan verticale 4/5 pale, diametro (D1) 7 m


Ammodernamento 2016/2017 gruppi 3 e 4

Nel 2016 è partito un progetto di ammodernamento dei sistemi di comando, controllo e automazione dei gruppi 3 e 4, con l’obiettivo di ottimizzare l’operatività dei gruppi di produzione e supervisionare, operare e monitorare il macchinario attraverso le più moderne tecnologie di telecontrollo e data analytics.

Scopo dell’intervento:■ Revisione dell’alternatore e del

distributore turbina■ Sistema idraulico di comando

in alta e bassa pressione■ Distribuzione e azionamenti di

gruppo in CA■ Sistema di automazione e

telecontrollo, networking■ Sistema di monitoraggio e

diagnosi■ Regolatore elettronico di

velocità


Scada

Automazione

Regolazione

HMI

Protezione

Metering

Machinediagnostics

Architettura

Online monitoring


Scada

Automazione

Regolazione

HMI

Protezione

Metering

Machinediagnostics

Architettura

Online monitoring

COMUNICAZIONE OPC-UA


Algoritmo di regolazione

• Algoritmo di tipo misto/seriale (IEC 61362)• Conformità requisiti CdR (A.15 per UP regolanti > 10MVA): contributo

primario, ILF, • Performance elevate, in particolare nella misura di frequenza

(precisione > 0,02%, insensibilità < 10 mHz) e nella trasduzione degli organi di comando (antialiasing → tempi di campionamento e cicli di bus ≤ 10 ms)


Implementazione su piattaforma 61131-3

• Porting su diverse piattaforme HW• Unicamente librerie standard IEC 61131 (no proprietarie) → portabilità

HW #A

HW #B

HW #C


Implementazione su piattaforma 61131-3

• Porting su diverse piattaforme HW• Unicamente librerie standard IEC 61131 (no proprietarie) → portabilità• Utilizzo di diversi linguaggi (CFC, ST, SFC)


Highlights di integrazione su piattaforma

• Misura di velocità di rotazione tramite segnale da pickup su ruota dentata

– campionamento di segnale digitale a 100 ns– elaborazione di array di dati bufferizzati a 1 ms– algoritmo di correzione di errore di lavorazione della ruota

(tramite media pesata sul giro)– eliminazione di dati aberranti (outliers) in funzione dei

parametri meccanici di macchina (ad esempio costante di accelerazione di gruppo Ta)

• Trasduzione di posizione degli organi– uso di strumentazione ad interfacciamento seriale con il

controllore (SSI, EtherCAT)– precisione di misura da 5 fino a 1 μm, ripetibilità della

misura ≤ 1 μm assoluto, aggiornamento del dato in real-time ≤ 10 ms


IEC 61850 Data model

• L’attuale situazione normativa non facilita una chiara definizione del modello dati, in quanto le implementazioni e le linee guida (TR) per quanto riguarda la parte funzionale (sezione di processo) del file SCL sono ancora in fase di definizione

• Base per un procedimento di codifica «ad alto livello» (ossia che costituisca un namespace consistente fino allo Scada di impianto ma anche verso l’esterno) dovrebbe essere il merging tra ISO TS 81346-10 e IEC 61850-7-410

• In questo progetto è stato effettuato un primo approccio relativo al data modeling basato su 61850 per il regolatore di velocità

– no protocollo di comunicazione, utilizzato invece nella sua forma canonica negli apparati di protezione, sincronizzazione e misura elettrica

• Non tutte le funzioni necessarie vengono coperte da LNs standard in maniera consistente


Implementazione funzionale

• Utilizzata la parte -7-410 della normativa, partendo dall’Edition 1 e aggiornamento a Edition 2

– vengono elise le strutture sovraordinate, mantenendo solo i LDs– i LDs periferici sono integrabili in diversa soluzione (automazione/attuatore)

LD: TrbInf LD: Contr LD: Act


Implementazione funzionale


Designazione segnali

• Dal momento che la parte di comunicazione non era rilevante, si è optato per una notazione funzionale e non di prodotto, limitandosi al LD principale (*):

– Al posto della Substation section andrebbe utilizzata la Process section– Essendo i LD pochi e molto semplificati, si è scelto di ometterli nella

designazione– Per il LN Prefix si è utilizzata (ove possibile) la notazione raccomandata

nella TR -7-510, che indica la finalità del LN preposto(*) Fonte: IEC 61850-6


Designazione segnali

• Nelle informazioni contenute nel controllore, volendo limitarsi a basictypes, si è giunti a specificare, oltre al DO, fino anche il DA name:

Spd _ HSPD 1 _SpdBrk1_stVal

SEPARATORE «_»


Conclusioni ottenute

• Le performance richieste ai controllori tendono ad aumentare, a causa di un sempre maggior carico di funzionalità richieste (online monitoring, local database, logging, comunicazione OO)

• La scelta di operare con 61131 e 61850 è strategica in quanto permette una vera interoperabilità e portabilità dei componenti/sistemi in architetture multivendor

• I primi approcci di data modeling 61850 evidenziano la necessità di una maggiore sinergia con la designazione per PP ISO TS 81346-10, in quanto molto più significativa e aderente agli aspetti legati alla generazione

• L’utilizzo coerente e corretto di strutture dati, in particolare derivandole da istanziazione di logical nodes «logici» (subroutine), permetterebbe di giungere ad una soluzione molto più pulita e definitiva


Prospettive di sviluppo

• Aggiornamento alla edition 2.1 - edition 3 per le parti 61850 utilizzate• Designazione della sezione Process nel data modeling, per

permettere l’integrazione del data model a livello superiore (Plantautomation level)

• Revisione della designazione delle funzioni «combinate» utilizzando la notazione «functional allocation» (secondo ISO TS 81346-10)

• Mappatura del data model su OPC-UA, seguendo i primi PoC già presenti in ambito IEC


Piattaforme utilizzate

Piattaforma HW: Beckhoff Embedded PC CX2030Piattaforma SW: Beckhoff TwinCAT 3Piattaforma I/O: Beckhoff EtherCAT I/O

Giuseppe Rigadello

HEAS S.r.l.

Via A. Fogazzaro 5

36015 Schio (VI)

tel. +39 0445 691625

mail: [email protected]

Roberto Guida

Enel Green Power S.p.A.

Via Cassala 13

25126 Brescia (BS)

tel. +39 030 5222016


Ivan Rattotti

Enel Green Power S.p.A.

Via Isola Serafini, 19

29010 Monticelli D'Ongina (PC)

tel. +39 0523 216504


Implementazione di regolatore frequenza/potenza per turbine idrauliche

con Data Model IEC 61850 e HW IEC 61131-3

Caso d’uso La regolazione primaria della frequenza e la regolazione secondaria frequenza/potenza rientrano

tra i servizi ancillari o servizi di sistema richiesti da Terna agli impianti di generazione di taglia

medio/grande (unità di produzione >10MVA) per poter gestire in sicurezza il sistema elettrico e

per garantire, allo stesso tempo, un adeguato livello di qualità del servizio. I dispositivi che

garantiscono tale funzione sono storicamente basati su piattaforme proprietarie che mal si

predispongono ad una portabilità/interoperabilità che costituiscono invece tratto determinante e

caratteristico del nuovo panorama rappresentato dall’Industria 4.0.

La digitalizzazione delle funzionalità nei processi di generazione di energia ha portato a nuove

sfide tecnologiche in ambito Energy Automation, da una parte per implementare le tradizionali

funzionalità su sistemi digitali, dall’altra per sfruttare le nuove potenzialità di trasmissione e

trattamento dati in ambito Big Data. Da tutto ciò ne consegue la necessità di performance

particolarmente spinte, in particolare per quanto riguarda l’integrazione dei sistemi e

l’interoperabilità delle soluzioni sviluppate.

La memoria qui presentata tratta dell’implementazione di un algoritmo di regolazione conforme a

specifiche ENTSO-E su piattaforma non dedicata Beckhoff, sviluppato da HEAS e utilizzato da Enel

mailto:[email protected]

in impianti di generazione idroelettrica e in particolare installato nella centrale idroelettrica di

Isola Serafini (PC), dove è stato effettuato un sostanziale revamping del sistema di controllo al fine

di migliorare le prestazioni e l’affidabilità del macchinario.

L’impianto si trova sul fiume Po, ed è il più grande impianto italiano ad acqua fluente. I dati

caratteristici sono qui di seguito riassunti:

Operatore: Enel Green Power

Anno di costruzione: 1962

Tipologia impianto: acqua fluente

Connessione AT: 132kV

Potenza installata: 82 MW

Portata nominale: 1000 m³/s

Gruppi: 4 turbine/alternatori con trasformatori elevatori

Tipo turbine: Kaplan verticale 4/5 pale, diametro (D1) 7 m

L’impianto è stato sottoposto nel 2016 ad un sostanziale intervento di ammodernamento, con

l’obiettivo di ottimizzare l’operatività dei gruppi di produzione e supervisionare, operare e

monitorare il macchinario attraverso le più moderne tecnologie di telecontrollo e data analytics.

La nuova architettura di impianto è rappresentata qui di seguito:

Soluzione utilizzata Lo schema di regolazione può essere definito, secondo la norma IEC 61362, come algoritmo a

struttura seriale ed è rappresentabile come da figura seguente:

Il regolatore è predisposto per funzionare con i diversi tipi di turbina idroelettrica, è formato da

diversi blocchi funzionali (blocchi P.I.D. per la regolazione di velocità e di potenza attiva, blocchi

gestione misura di velocità e relativo riferimento con controllo di rampa, blocchi linearizzazione

apertura/potenza, gestione limitatori di apertura in funzione di varie grandezze, blocchi

servoposizionatori, funzioni di test e simulazioni) che interagiscono tra loro e vengono eseguiti in

real-time con tempi di esecuzione normalmente inferiori a 10 ms.

L’applicativo è stato realizzato utilizzando unicamente librerie e basi standard puramente IEC

61131, per permettere una totale portabilità su tutti gli ambienti 61131-compliant. Sono stati

altresì utilizzati vari tipi di linguaggi di programmazione, al fine di sfruttare al meglio le possibilità

offerte dalla piattaforma TwinCAT di Beckhoff.

L’applicativo di regolazione è stato interamente sviluppato in linguaggio IEC 61131-3, utilizzando

svariati tipi di rappresentazioni semantiche. L’implementazione dell’algoritmo su una piattaforma

non dedicata all’idroelettrico come Beckhoff presentava il problema di dover predisporre tutta

una serie di funzionalità senza avere a disposizione librerie ad hoc. Sfruttando l’ampia versatilità

dell’ambiente di sviluppo e la disponibilità di periferiche di I/O molto versatili, la sfida è stata

ampiamente superata con grande soddisfazione da parte dell’integratore e dell’utilizzatore finale.

La velocità di rotazione dell’albero viene rilevata con le caratteristiche di

precisione e stabilità richieste dal Codice di Rete; particolare attenzione viene

posta alle contromisure per aumentare l’immunità al rumore di modo comune

originato da datori di frequenza meccanicamente non perfetti.

Un’ulteriore soluzione tecnologica migliorativa riguarda il sistema di

trasduzione della posizione degli organi di regolazione, che viene effettuata

utilizzando interfacce seriali direttamente dal processo, mantenendo il

grado di risoluzione sia temporale che di spostamento ma eliminando i

problemi legati ai flicker di tensione sui trasduttori convenzionali.

Modello dati IEC 61850 Il modello dati utilizzato è stato creato conformemente alla normativa IEC 61850-7-410 Ed.1, in

modo da poter predisporre il dispositivo alla connessione ad altri IED all’interno del sistema di

automazione dell’impianto di generazione. L’attuale situazione normativa non facilita una chiara

definizione del modello dati, in quanto le implementazioni e le linee guida (TR) per quanto

riguarda la parte funzionale (sezione di processo) del file SCL sono ancora in fase di definizione.

Nel caso in questione, vista la non necessità di collegare il regolatore tramite protocollo 61850 al

sistema di automazione, ciò permette per lo meno di poter legare la denominazione delle tag del

regolatore alla loro funzione, secondo una filosofia orientata all’oggetto. Dal momento che la

parte di comunicazione non era rilevante, si è optato per una notazione funzionale e non di

prodotto, limitandosi al LD principale.

Il sistema si interfaccia in maniera ottimale con i sistemi di supervisione e HMI, grazie ai molteplici

protocolli di comunicazione disponibili. Per l’applicazione in questione in particolare è stato

utilizzato il protocollo OPC-UA, che ha permesso sia un’integrazione efficace con diversi tipi di

piattaforme HMI (Copadata, Certec), ma anche, come nel nostro caso, l’interfacciamento

immediato e seamless con il supervisore di impianto (ABB Symphony+). Il datamodel IEC 61850,

essendo già object-oriented, si sposa in maniera ottimale con l’architettura OPC-UA, confermando

ancora una volta la bontà della scelta operata.

Risultati ottenuti, prospettive future La soluzione installata nel caso in oggetto ha permesso un sostanziale miglioramento delle

prestazioni e del grado di dettaglio nel monitoraggio del macchinario di generazione. Grazie alla

soluzione implementata e alle elevate performance dell’HW Beckhoff installato, è stato possibile

migliorare notevolmente la qualità della regolazione e la flessibilità di utilizzo del sistema in

generale.

Questo primo passo nell’utilizzo del 61850 è solo un preludio ad una sua implementazione più

completa; è prevista in tal senso la revisione del data model alla luce della edition 2.1 del quadro

normativo e successiva predisposizione all’interno del regolatore del relativo server, peraltro già

disponibile come stack standard nella piattaforma Beckhoff. I primi approcci di data modeling

61850 evidenziano la necessità di una maggiore sinergia con la designazione per PP ISO TS 81346-

10, in quanto molto più significativa e aderente agli aspetti legati alla generazione.

Al fine di soddisfare le esigenze sempre più incalzanti di business intelligence e plant online

monitoring, sarà quindi possibile eventualmente collegare il regolatore direttamente con altre IED

tramite interfaccia IEC 61850 e con RTU di impianto e/o centri di controllo tramite interfaccia di

comunicazione IEC 60870-5-104 (quest’ultimo già disponibile). Tutto questo al fine di permettere

un’interazione e una dinamica di controllo più performante, per esempio per controlli condivisi di

impianto (joint controller) e/o gestione di piani di produzione centralizzati.

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