Protokol Powerlink k řízení inteligentních rozvodných sítí podle normy IEC 61499

Oddělení energetiky Rakouského technického institutu (Austrian Institute of Technology – AIT) koncipuje automatizační systémy pro řízení toků energie v budoucích inteligentních elektrorozvodných sítích charakteristických heterogenní a distribuovanou strukturou. Ideálním nástrojem k automatizaci takových sítí jsou otevřené řídicí systémy realizované s použitím funkčních bloků podle normy IEC 61499 Function blocks for industrial-process measurement and control systems. Ve formě funkčních bloků servisního rozhraní pro řídicí a řízené uzly (Service Interface Function Block – SIFB) podle této normy byly vytvořeny bloky využívající protokol Ethernet Powerlink, který se tak stává standardem pro výměnu dat v reálném čase prostřednictvím sítě Ethernet při řízení inteligentních rozvodných sítí.

S tenčícími se zásobami fosilních paliv a narůstáním nepříznivých důsledků jejich vyžívání závisí budoucnost světové energetiky na schopnosti lidí využívat obnovitelné zdroje energie. Některé z nich, zejména sluneční záření a vítr, jsou ze své podstaty závislé na proměnlivě působících přírodních silách. Dodávky elektřiny získávané z těchto zdrojů ve fotovoltaických, popř. větrných elektrárnách jsou proto méně pravidelné a předvídatelné, než je tomu u tradičních metod její výroby. V dané souvislosti dále poroste potřeba uchovávat energii. Lze očekávat, že budovy a další objekty se nejen stanou energeticky hospodárnějšími, ale některé z nich budou po určitou dobu také samy dodávat elektřinu jiným objektům.

Inteligentní rozvodné sítě jsou nutností

Uvedený mnohotvárný model výroby a spotřeby energie kontrastuje s tradičním přístupem, v němž vystupuje jeden velký dodavatel a mnoho malých spotřebitelů. Jeho realizace vyžaduje distribuční sítě lišící se od současných rozvodů tím, že jimi energie může protékat v různých směrech – tzv. smart grids, neboli inteligentní rozvodné sítě schopné patřičně reagovat na informace získávané od zdrojů elektřiny, úložných zařízení a zátěží.

Vývoj a realizace inteligentních rozvodných sítí představují úlohu kontinentálních rozměrů, kterou nelze řešit na místní úrovni. Orgány EU tudíž v rámci plánu Strategic Energy Technology (SET) založily iniciativu EEGI (European Electricity Grid Initiative). Koordinací aktivit v rámci této iniciativy bylo pověřeno oddělení energetiky AIT, které svými znalostmi v oboru inteligentních rozvodných sítí také podporuje činnost organizací ISGAN (International Smart Grid Action Network) a EERA (European Energy Research Alliance).

Nutností je také otevřený standard

„Jedním z problémů, kterým čelíme, je heterogenní struktura hardwaru v inteligentních rozvodných sítích,“ říká dr. Thomas Strasser, vědecký pracovník se zkušenostmi v oboru strojírenství, který od konce roku 2010 řídí projekt realizace instalace univerzálního zkušebního a simulačního pracoviště pro laboratorní ověřování algoritmů distribuce energie a komponent i systémů určených pro inteligentní rozvodné sítě. Po jeho dokončení v roce 2012, je toto pracoviště využíváno k ověřování a optimalizaci algoritmů pro řízení distribuce elektrické energie ve všech fázích jejich vývoje, od úplné simulace, přes emulaci v režimu HIL (Hardware-In-the-Loop) až po přenos na cílové platformy. „Od struktur pro řízení distribuce energie založených na prostředcích IT se vyžaduje schopnost komunikovat se stávajícími místními systémy spolu se stabilitou a adaptabilitou současně v dlouhodobém výhledu. Uzavřené proprietární řídicí mechanismy a komunikační protokoly jsou zde proto zcela nevhodné,“ konstatuje dr. Strasser a dodává: „Naše páteřní komunikační síť proto bude využívat otevřené standardy, jako je např. protokol Powerlink.“

Způsob realizace systémů pro řízení distribuce energie s využitím prostředků IT využívaný vídeňskými výzkumníky, vychází z mezinárodní normy IEC 61499 která definuje univerzálně platný model softwaru pro distribuované řídicí systémy nahrazující model cyklického provádění řídicích algoritmů (známý ze starších standardů) událostmi aktivovanou verzí využívající objektově orientovaný přístup s funkčními bloky. Účelem je umožnit tvorbu přenositelných řídicích programů nezávislých na hardwaru.

Při zavádění příslušných vývojových a provozních prostředí používá tým dr. Strassera především vývojovou a provozní platformu 4DIAC (Framework for Distributed Industrial Automation & Control), otevřený řídicí systém pro distribuované použití vycházející z normy IEC 61499.

Komunikace nezávislá na topologii

K zajištění komunikace mezi procesory řídicího systému a vzdálenými jednotkami I/O v decentralizovaných strukturách je nezbytný rychlý a současně všestranný komunikační protokol. „Po zvážení jsme se rozhodli orientovat se na průmyslovou verzi Ethernetu, protože předpokládáme, že tento velmi rozšířený standard se bude používat ještě velmi dlouho,“ říká Filip Andrén, elektroinženýr a odborník na automatizaci odpovědný za realizaci. „Hlavními kritérii pro nás byly naprostá nezávislost na topologii sítě, možnost přímé komunikace mezi uzly a dostupnost zajištěná nabídkou otevřeného zdrojového kódu.“ Od komunikačního protokolu s vlastnostmi reálného času byla mimoto požadována schopnost pracovat s běžně dodávaným hardwarem pro ethernetové sítě.

Po analýze různých systémů průmyslového Ethernetu používaných v průmyslových úlohách došli výzkumníci k závěru, že všechny jejich požadavky splňuje jen jediný systém, a to Ethernet Powerlink. „U většiny systémů průmyslového Ethernetu není otevřený zdrojový kód vůbec k dispozici,“ říká dr. Strasser. „Protokol Powerlink je dosud jediný, který je publikovaný v podobě otevřeného zdrojového kódu a který je k dispozici s licencí BSD3 (Berkeley Software Distribution). To dává projektantům řídicích systémů naprostou volnost a současně umožňuje chránit duševní vlastnictví v oblasti aplikačních programů.“ U dlouhodobých projektů mohou časem vyvstat jako důležité také otázky patentů. „Velmi významnou předností z toho úhlu pohledu je skutečnost, že všechny související patenty jsou v držení skupiny EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group),“ dodává Filip Andrén. „Práva k používání patentů jsou v tomto případě nedílnou součástí licence a uživatelům nehrozí žádná právní rizika.“

Powerlink jako standard pro inteligentní rozvodné sítě

Protokol Powerlink je díky své otevřenosti nejen vhodný pro budoucnost, ale je i optimálně uspořádán z hlediska komunikace se vzdálenými jednotkami I/O v decentralizovaných řídicích strukturách, jako je např. 4DIAC. Prostým zavedením objektových tříd pro řídicí a řízené uzly a pro konverze mezi procesy závislými na čase a na událostech dosáhli Filip Andrén a Thomas Strasser úplné integrace s otevřeným řídicím systémem v souladu s normou IEC 61499. S použitím funkčních bloků servisního rozhraní (SIFB) komunikujících pomocí protokolu Powerlink vytvořili komunikační prostředí, které lze snadno a rychle přizpůsobit různým konfiguracím hardwaru, aniž jsou nutné zásahy do samotného softwaru.

Uvedené nové bloky SIFB byly ve druhé polovině roku 2012 označovány jako moduly s otevřeným zdrojovým kódem a začleněny do systému 4DIAC. Spolu s dalšími součástmi tak představují základ k realizaci projektu rozvodné sítě MAS (Multi Agent System), ve které budou distribuované místní systémy navzájem inteligentně spolupracovat, aniž by byly nějak centrálně řízeny. Protokol Powerlink tak bude jediným standardem pro pokročilou výměnu dat v inteligentních sítích pro distribuci elektrické energie skutečně kompatibilním s normou IEC 61499.

(B+R automatizace, spol. s r. o.)

Obr. 1. Situace, kdy dodávky elektrické energie budou podmíněny schopností přenášet energii generovanou s využitím obnovitelných zdrojů, vyžaduje zavedení inteligentních rozvodných sítí