Johdanto
Opinnäytetyön tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa vikasietoinen ja aikasynkronoitu testiympäristö Relion-suojareleille. Tavoitteena oli lisäksi tutkia eri valmistajien verkkolaitteiden yhteensopivuutta ja toimintaa testiympäristössä. Vikasietoisuus tarkoittaa järjestelmän kykyä jatkaa toimintaansa yksittäisten vikojen sattuessa, kun taas aikasynkronointi viittaa siihen, että järjestelmän eri osat toimivat täsmälleen samaan aikaan, mikä on erityisen tärkeää sähköverkoissa.
Relion-suojarele on ABB:n kehittämä laite, joka suojaa sähköverkkoa ylikuormituksilta, oikosuluilta ja muilta häiriöiltä. Nämä suojareleet ovat keskeisessä asemassa sähköverkon turvallisuuden ja toimintavarmuuden ylläpitämisessä. Suojareleet havaitsevat nopeasti mahdolliset viat ja reagoivat niihin ohjaamalla erillistä katkaisijaa tai erotinta, joka katkaisee virransyötön viallisesta osasta, mikä estää laajemmat vauriot ja mahdollistaa nopean vian korjauksen.
Vikasietoisuus
Vikasietoisuus tarkoittaa järjestelmän kykyä jatkaa toimintaansa oikein, vaikka osa sen komponenteista vikaantuisi. Tämä on erityisen tärkeää sähköverkoissa, joissa toiminnan katkeaminen voi aiheuttaa merkittäviä taloudellisia tappioita ja turvallisuusriskejä. Vikasietoisuuden parantamiseksi hyödynnettiin HSR- (High-availability Seamless Redundancy) ja PRP-protokollia (Parallel Redundancy Protocol), jotka perustuvat IEC 62439-3 -standardiin. Ne mahdollistavat vikasietoisen toiminnan käyttämällä redundanttisia yhteyksiä: kaikki verkossa liikkuva data on kahdennettu ja se kulkee kahta reittiä pitkin määränpäähän, mikä varmistaa järjestelmän jatkuvan toiminnan, vaikka yksi yhteys pettäisi. HSR-protokolla käyttää rengasmallista toteutusta, kun taas PRP-protokolla tukeutuu tähtimalliin.
HSR, High-availability Seamless Redundancy
HSR-protokolla käyttää rengasarkkitehtuuria, jossa laitteet kytketään ketjumaisesti toisiinsa ja lopulta ketjun päät yhdistetään renkaaksi. Kuvassa 1 on esitetty esimerkki HSR-verkon rengastopologiasta, jossa on neljä suojarelettä sekä kaksi redundanttista kytkintä. Lisäksi verkossa on toteutettu aikasynkronointi kahdella PTP-protokollaa käyttävällä kellolla, jotka on kytketty kytkimiin.
Lähettävä laite lähettää kehyksen molempiin suuntiin renkaassa varmistaen, että kehys saavuttaa määränpäänsä, vaikka yksi reitti estyisi. Muut rengasverkon laitteet välittävät kehyksen edelleen, ellei se ole tarkoitettu kyseiselle laitteelle tai laite itse ole jo lähettänyt sitä. Kehyksen vastaanottajan tulisi saada virheettömässä tilassa kaksi identtistä kehystä. Se käyttää ensin saapuneen kehyksen ja hylkää myöhemmin saapuneen.
Mikäli verkkoon halutaan liittää laitteita, jotka eivät käytä HSR-protokollaa, on käytettävä erityistä redundanssikytkintä (ns. RedBox), joka poistaa kehyksen kaksoiskappaleet ennen niiden lähettämistä muihin verkkoihin ja vastavuoroisesti kahdentaa renkaaseen saapuvat viestit. Vikasietoisissa toteutuksissa voidaan käyttää useampaa redundanssikytkintä, jolloin voidaan luoda esimerkiksi HSR- ja PRP-protokollia käyttävä hybriditopologia, kuten tässä työssä tehtiin.
PRP, Parallel Redundancy Protocol
PRP puolestaan tarjoaa rinnakkaisen redundanssin käyttämällä kahta erillistä, mutta identtistä tähtimallista verkkoa, ns. tuplatähteä. Yksittäisessä tähdessä laitteet liitetään suoraan verkon keskuslaitteelle eli kytkimelle, jonka kautta kaikki liikenne kulkee. Tähtitopologia ei kuitenkaan tarjoa vikasietoisuutta, koska esimerkiksi kytkimen rikkoutuminen estää koko tähden kommunikaation. Vikasietoisuus voidaan tehdä tuplatähtitopologialla, jossa on kaksi toisistaan erillään olevaa tähteä: Kytkimiä on kaksi ja kaikki laitteet ovat kytketty molempiin kytkimiin, kuten nähdään kuvasta 2. Tämä parantaa järjestelmän luotettavuutta, sillä viesti pääsee perille, vaikka toinen verkko vikaantuisi.
Aikasynkronointi
Aikasynkronointi on prosessi, jossa järjestelmän kaikki komponentit synkronoidaan samaan aikaan, mikä on välttämätöntä tarkkojen ja luotettavien mittausten ja toimintojen kannalta. Riikonen käytti aikasynkronoinnin toteuttamiseen PTP-protokollaa (Precision Time Protocol), joka mahdollistaa erittäin tarkan ajan synkronoinnin verkon laitteiden välillä. PTP-protokolla on määritetty IEEE 1588 -standardissa. PTP-aikasynkronointi perustuu yleensä GPS-satelliitilta (Global Positioning System) saatuun hyvin tarkkaan kellonaikaan. PTP-protokollan toiminta perustuu isäntälaitteen välittämiin aikaleimoihin, joita muut järjestelmän laitteet käyttävät synkronoidakseen kellonsa. Tämä protokolla on erityisen hyödyllinen sähköverkoissa, joissa sekunnin murto-osan tarkkuus voi olla kriittinen järjestelmän toiminnalle.
Käytännön toteutus ja testaus
Opinnäytetyössä luotiin testiympäristö, jossa simuloitiin suuremman sähköaseman verkkoa. Tämä mahdollisti eri protokollien ja eri valmistajien laitteiden yhteensopivuuden testaamisen käytännössä. Testiympäristössä oli käytössä useampia HSR-renkaita. HSR-verkon yläpuolelle rakennettiin toisistaan erotettu tuplatähtimallinen PRP-verkko, joka vastasi HSR-renkaiden, PTP-kellojen sekä valvontajärjestelmän välisestä kommunikaatiosta. Järjestelmän kytkimet ja PTP-kello kahdennettiin, koska sen haluttiin kestävän vähintään yhden laitteen tai kaapelin rikkoutuminen. Testit sisälsivät mm. vikatilanteiden simulointia ja erilaisten synkronointimenetelmien vertailua. Testiverkossa simuloidut vikatilanteet ja eri skenaariot mahdollistivat järjestelmän suorituskyvyn ja luotettavuuden kattavan arvioinnin.
Tulokset ja suositukset
Tuloksena syntyi pienoismalli suuremman sähköaseman verkosta, jossa tutkittiin eri valmistajien verkkolaitteiden yhteensopivuutta ja toimintaa. Työssä havaittiin, että protokollien oikea konfigurointi ja synkronointi ovat avainasemassa verkkojen luotettavuuden kannalta. Myös standardien tulkinnassa havaittiin eroja eri laitevalmistajien välillä.
Tutkimuksen tulokset osoittivat selkeästi, että vikasietoinen ja aikasynkronoitu verkko on mahdollista toteuttaa Relion-suojareleillä. HSR- ja PRP-protokollien käyttö paransi merkittävästi verkon luotettavuutta, ja PTP-protokolla mahdollisti tarkan aikasynkronoinnin. Näiden teknologioiden avulla voidaan merkittävästi parantaa sähköverkon toimintavarmuutta ja turvallisuutta, koska järjestelmä pystyi jatkamaan toimintaansa häiriöttömästi, vaikka yksittäisiä vikapisteitä ilmeni. Riikosen työ tarjoaa käytännönläheisiä suosituksia siitä, kuinka Relion-suojareleitä ja niihin liittyviä verkkojärjestelmiä voidaan optimoida.
Yhteenveto
Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että HSR- ja PRP-protokollien käyttö on tehokas tapa parantaa sähköverkon vikasietoisuutta, ja että PTP-protokollan käyttö mahdollistaa tarkan aikasynkronoinnin. Näiden teknologioiden avulla voidaan merkittävästi parantaa sähköverkon toimintavarmuutta ja turvallisuutta. Tämä puolestaan voi johtaa energiateollisuuden tehokkuuden kasvuun sekä vähentää sähköverkon häiriöistä aiheutuvia haittoja ja katkoksia. Riikosen työ tarjoaa näin arvokasta tietoa ja suosituksia sähköverkon suunnittelijoille ja ylläpitäjille, jotka pyrkivät kehittämään entistä turvallisempia ja luotettavampia sähköjärjestelmiä tulevaisuudessa.
Tämä artikkeli pohjautuu opinnäytetyöhön, jonka toteutti Juho Riikonen ja ohjasi Antti Virtanen. Opinnäytetyö löytyy osoitteesta: https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2023053016181
