Projekt TK 88 Vindkraftsstandardisering presentation av IEC

Transkript

1 Projekt TK 88 Vindkraftsstandardisering presentation av IEC Anders Johnsson, Vattenfall Research and Development AB

2 Agenda Kl Vikten av standardiseringsarbete Översikt över vad TC 88 och TK 88 gör Rapport från arbetet i arbetsgrupper där Sverige deltar Kl Introduktion till standarderna inom serien Hur standarden ger tillgång till data för effektivt drift och underhåll. Användningsområden och nytta för kunder och leverantörer IEC som del av IEC s verktygslåda för infornationsutbyte. Kl LUNCH Kl Fortsatt information om Beskrivning av hur Vattenfall utnyttjar denna standard för att bygga upp ett gemensamt data center. Exempel på implementationer och produkter. Vilket stöd kan användargruppen ge? Fortsatt standardisering och utveckling av verktyg för etablering av datakommunkation. Avslutande frågestund och diskussion 2

3 Introduktion till standarderna inom IEC serien Hur standarden ger tillgång till data för effektivt drift och underhåll. Användningsområden och nytta för kunder och leverantörer IEC som del av IEC s verktygslåda för informationsutbyte.

4 Bakgrund och översikt av trender Trender Kraftföretagen har ökat sin ägande från 30 % till 40 % av andelen installerad effekt (2006). Kraftföretag använder sin kunskap om drift och underhåll från andra områden. Leverantörerna känner sina produkters styrkor och svagheter. En kombination av leverantörens tekniska kunskap och kundernas kunskap om processer och metoder för drift och underhåll vore fördelaktig för alla parter. Grundförutsättning för effektivt drift och underhåll Åtkomst till processdata och historiska data från vindkraftverken. 4

5 Med publiceringen av standarderna i IEC serien finns det nu en komplett lösning på problemet att enkelt komma åt relevanta data för drift & underhåll. 5

6 Fakta om IEC WROT Rotor WTRM WGEN Transmission Generator WCNV Converter WNAC WYAW Nacelle Yaw system WTUR Tower WTOW WTRF WREP Trans former WT WSLG controller WALM WALG Omfattar all kommunikation mellan komponenter i en vindkraftstation såsom vindturbiner och aktörer såsom SCADA-system och driftcentraler. Stödjer valfritt driftsätt, dvs. både enskilda vindturbiner och samkörning av vindturbiner i en vindkraftstation. WT Circuit Breaker MMXU M XCBR MMXU M XCBR Utility Circuit Breaker Utility grid Meterological mast WMET WAPC WRPC LLNO WPP controller LPHD Tillämpningsområdet omfattar alla komponenter som krävs för att köra en vindkraftstation, inklusive meteorologisystem, internt elsystem och övervakningssystem. 6

7 Fakta om IEC , forts IEC definierar hur man modellerar informationen i en vindkraftstation, utbyter data, använder särskilda kommunikationsprotokoll, verifierar att en implementering är korrekt gjord. Den vindkraftspecifika information som beskrivs i IEC är baserad på de allmänna datatyper som specificeras i IEC 61850, en standard för kommunikation inom transformatorstationer Standarden ställer inga särskild krav på hur och var kommunikationsgränssnitt ska implementeras och tillåter därmed valfri topologi. 7

8 Standard serie IEC IEC är uppdelad i flera delar. Delarna 1, 2, 3 och 5 publicerades Med publiceringen av IEC i augusti 2008 är den första uppsättningen av fem standarder på plats. Arbete pågår med IEC vilket beskriver informationsutbyte för system för tillståndskontroll. 8

9 Standard serie IEC Titel: WIND TURBINES Communications for Monitoring and Control of Wind Power Plants IEC Overall description of principles and models IEC Information Models IEC Information Exchange Models IEC Mapping to communication profiles IEC Conformance testing IEC Logical node classes and data classes for condition monitoring Wednesday, 21 April

10 Standard serie IEC Delarna är till viss del oberoende av varandra då kommunikationslösningen är indelad i tre nivåer: Översta nivån är en beskrivning av vindkraftspecifik information, hur den ska struktureras och namnges. Nivå två beskriver principer för hur information ska överföras mellan till exempel en vindturbin och ett övervakningssystem. Den understa nivån specificerar fem alternativa kommunikationsprofiler, dvs den uppsättning kommunikationsprotokoll som ska användas. 10

11 IEC Översikt Information Model IEC Information Exchange Model IEC Mapping to protocol stacks IEC Mapping 1 Mapping 2 Mapping 3... Mapping N Application Presentation Session Transport Communication profile 1 Communication profile 2 TCP Communication profile 3 Communication profile N Network Data Link Physical Ethernet,... IP Physical other out of scope out of scope 11

12 IEC Introduktion - topologi S C S C S S S S S SCADA or other central system very comprehensive information model / exchange; Client/Server more comprehensive information model / exchange Simple information model / exchange Aggregator (Data concentrator) S C S C S C S S S S S S IEC non IEC

13 IEC Informationsmodeller Data för vindkraftkomponenter Real WPP --Wind turbine --Wind generator --Nacelle --Rotor --Converter --Yaw Informationsmodell 13

14 IEC Informationsmodeller Informationsmodell Generator: Measurands Generator speed speed Generator active active power power Generator reactive power power Temperature measurements Current measurements Voltage measurements Real Generator Generator: Status information Operation mode mode (Run, (Run, ) ) Generator cooling system 14

15 IEC Informationsmodell Table 2 Wind power plant specific logical nodes LN classes Description WTUR Wind turbine general information WMET Wind power plant meteorological information WAPC Wind power plant active power control information WRPC Wind power plant reactive power control information M/O M O O O Table 3 Wind turbine specific logical nodes LN classes Description WROT Wind turbine rotor information WTRM Wind turbine transmission information WGEN Wind turbine generator information WCNV Wind turbine converter information WTRF Wind turbine transformer information WNAC Wind turbine nacelle information WYAW Wind turbine yawing information WTOW Wind turbine tower information WALM Wind turbine alarm information WSLG Wind turbine state log information WALG Wind turbine analogue log information WREP Wind turbine report information M/O M O M O O M M O M O O O Nödvändiga logiska logiskanoder (komponenter) är är obligatoriska (Mandatory). 15

16 IEC Informationsmodeller WTUR class Attribute Name Attr. Type Explanation M/O LNName Shall be inherited from Logical-Node Class (see IEC ) Data General information LN shall inherit all Mandatory Data from Wind Power Plant Common Logical Node Class TotWh MV Total active energy generation M VAr MV Reactive power generation O State information TurSt STV Windturbine status M Analogue information W MV Active power generation M VAr MV Reactive power generation O Command information SetTurOp CMD Wind turbine operation command M VArOvW CMD Wind turbine reactive priority over active command O VArRefPri CMD Wind turbine reactive setpoint priority command O Setpoint information DmdW SPV Turbine active power generation setpoint O DmdVAr SPV Turbine reactive power generation setpoint O Name = W (active power) Meaning = Active power generation Type = MV (Measured Value) DmdPF SPV Turbine power factor setpoint O M 16

17 Information exchange Models Get information (polling) Report realtime information Reporting (spontaneous, SoE) SoE = sequence of events Retrieve logged information on change, on update, cyclically, Information model (of an analogue value defined by common data class AMV) instmag mag average rms maxval minval raw analogue value Logging (request, SoE) on change, on update, cyclically, hourly max [25] daily max [32] hourly min [25] 17

18 IEC Mapping - overview Information Model IEC Information Exchange Model IEC Mapping to protocol stacks IEC Mapping 1 Mapping 2 Mapping 3... Mapping N Application Presentation Session Transport Communication profile 1 Communication profile 2 TCP Communication profile 3 Communication profile N Network Data Link Physical Ethernet,... IP Physical other out of scope out of scope 18

19 Standard serie IEC Styrkan i konceptet är att en kommunikationsprofil kan ersättas av en annan utan att namnstrukturer och definitioner påverkas. De fem alternativen har något olika egenskaper. Valet styrs av var kommunikationsgränssnittet ligger. Högre krav på prestanda för grässnitt för ett styrsystem för en vindturbin än för ett gränssnitt mellan en vindkraftstation och en driftcentral. 19

20 IEC Conformance Testing 20

21 Värdet av att använda IEC Standarden IEC förväntas bli användbar på flera sätt. Målsättningen är att tillhandhålla en enhetlig kommunikationsplattform för styrning och övervakning av vindkraftstationer Minimera kommunikationsbarriärer pga den stora mängden olika leverantörsspecifika protokoll, data namn, semantik, etc. Möjlighet att hantera olika vindkraftstationer oberoende av leverantörsspecifika övervakningssystem (SCADA-system). Komponenter från olika leverantörer kan enkelt kommunicera med andra delsystem. Effektiv hantering och presentation av information från vindkraftstationer. Minskad totalkostnad för att äga och driva vindkraftverk och följaktligen också kostnaden för energin. 21

22 Värdet av att använda IEC , forts Stöder drift & underhållsprocesser Analys av nyckeldata från olika turbiner utan bearbetning och översättning av data. Åtkomst till data utan konverterare eller extra kommunikationsutrustning. Styrning- och övervakningsutrustning kan köpas som separata delar (best-of-breed). Möjlighet att använda gemensamt övervakningssystem. Leverantörsspecifika protokoll kan ersättas.. Focus på applikationer av värde för kunden. 22

23 Introduktion till standarderna inom IEC serien IEC som del av IEC s verktygslåda för informationsutbyte.

24 Relaterande standarer inom IEC Informationsmodeller IEC Core + Transformatorstationer IEC Vattenkraft IEC Distribuerad generering IEC Vindkraft Modeller för informationsutbyte IEC Core IEC Utökning för wind Kommunikationsprofiler IEC MMS-profil + GOOSE IEC Samplade värden IEC profiler för olika användningsfall/gränssnitt 24

25 IEC Introduction platform IEC X0 Hydro, Solar, Fuel Cell,... IEC Wind Power IEC Substations (HV, MV), SCADA, Power Quality,

26 Frågor?

27 Fortsatt information om Beskrivning av hur Vattenfall utnyttjar denna standard för att bygga upp ett gemensamt data center. Exempel på implementationer och produkter. Vilket stöd kan användargruppen ge? Fortsatt standardisering och utveckling av verktyg för etablering av datakommunkation. Avslutande frågestund och diskussion

28 Relevant trends Heavy increase of wind power until to 100 times more turbines From Wind farms to Wind power plants (WPP) Production plant with separate electricity network Multi-contracts with Vattenfall as system integrator WPPs affect many actors and interact with several markets 28

29 Bottom-Up: Interaction from WPP perspective Actors and systems Maintenance server Communication server Application server Control server Metering server Control units Cond.mon. Metering units units Protection units Meteorological stations 29

30 Example Systems in Lillgrund offshore WPP 48 Wind turbines i-box/wtc CMS meters for energy production Wind Power SCADA WPS server TCM server Park pilot Substation monitoring and control Protection and control units ION 7650 meter Breaker control Substation SCADA SICAM PAS CC server SICAM Station unit Laptop as local SCS HMI Interface to system operator telecontrol Automatic meter management system Meteorological station Data logger Sensors Network and communication Network switches Fibre networks and patch panels Internet routers- VPN/Firewalls SNMP monitor Time server Radiolink equipment ISDN connection IP phone server and IP phones PSTN phone Supplier: Siemens Wind Power 30

31 Top-Down: Interaction from market actors perspective Energy market MW control Power market MVAr control System operation Availability control WPP operation WPP mainten. Performance control MWh control Certificate market MWh reporting 31

32 Example External systems for Lillgrund Vattenfall WPP operation and maintenance centre (Klagshamn, SE) Vattenfall WPP control centre (Esbjerg, DK) Vattenfall WPP production evaluation system (Fredericia, DK) Vattenfall production planning Lillgrund network operation and maintenance centre (Klagshamn, SE) Lillgrund network metering centre (Fredericia/Linköping, DK/SE) Svenska kraftnät (SE) E.ON substation protection and control system (Bunkeflo, SE) E.ON network operation centre (Malmö, SE) SWP engineering centre (Brande, DK) SWP maintenance centre (Brande, DK) 32

33 Connectivity between WPP servers and actors Actors Subsystems 33

34 Integration of SCADA systems IEC facilitates a unified operational platform. Present PI solution relies on vendor-specific front-end systems to interface to wind power plants. Standardized communication opens up for a direct connection to WPP. WPPs could be managed independently of vendor specific SCADA systems. The number of SCADA servers can be decreased. Operation from one SCADA system facilitates efficient, secure and reliable operation. 34

35 The Vattenfall wind power view Present solution designed to meet present needs within Vattenfall Wind power business Complete infrastructure for wind turbine supervision, control and data storage Interfaces to external systems Data collection is in place Development of applications and processes 35

36 DATA = Today with PI Power Plant X Power Plant X Power Plant X ProcessNet VindNet Wind Turbine Data Center Vattenfall Wind Power Data Center Firewall VPPT Vattenfall Opal Power Plant Control ProductionDATA planning and supervision Client Supervision VatNet VindNet CMS System OsiSoft PI Enterprice Server Analysis, maintenance DATA DATA and operations feedback OPC/ODBC MicroSoft Reporting Service QSL Alarm Server Vattenfall Exchange Mail Server Terminal Server Access Service Personal DEIF WPMS Vestas Online Business DATA Vestas Online Business Siemens WPS Vestas Online Professional SCADA monitoring, DATA control and DATAevaluation Nordex DATA Internet / VPN Internet / VPN Internet / VPN Internet / VPN Internet / VPN Internet / VPN Internet / VPN Internet / VPN Internet / VPN Park X Local park Ethernet Abild Arrild Hellevad Kamp Hanstholm Klarup S Dræby DATA Park X Local park Ethernet Emmerlev Brøns Branderup Glatved Rejsby Hede Park X Local park Ethernet Hollandsbjerg Vedersø Kær Næsbjerg/Biltoft Svendstrup Alsted Gl. Vrå Enge Nørre Økse Sø Rakkeby Veldbæk Vadum Sdr.Vium Ryå DATA Park X Park X Park X Park X Park X Park X park Ethernet Local park Ethernet Local park Ethernet Local park Ethernet Local park Ethernet Local park Ethernet Birkmose Local Horns Rev Ravning Kentish Flats Lillgrund Borre monitoring DATA Tjæreborg Enge311 and control DATA Fjaldene Stoustrup Klim 1 Nordjyllandsværket Klim 2 Svinsager Sandholm Dageløkke Sdr. Bork Ærø Tjæreborg Enge 313 Nørrekær Enge 1 Velling Mærsk 2 Nørrekær Enge 2 Videbæk Zagorza Koldby Vestas Online Business Siemens WPS Vestas Siemens Deif Gram & Juhl 33 wind turbines 15 MW 54 wind turbines 30,2 MW 87 wind turbines 91,7 MW 107 wind turbines 74,6 MW 85 wind turbines 27,2 MW 161 wind turbines 162 MW 2 wind turbines 1,6 MW 30 wind turbines 90 MW 48 wind turbines 110,4 MW Support 36

37 First integration for Vattenfall data center SISCO communication adapter available for existing PI system IEC information model to be implemented in OSIsoft Application Framework (AF) First IEC server implementation for wind turbine Prepared for plug-in of the next wind power plant Wind power applications Wind power applications OSIsoft PI System AF IEC Data IEC Comm profile AX-S4 MMS Windpower Client WPP Server 37

38 Implementation example from Alpha Ventus Slide presented at the first USE meeting 38

39 Användargrupp ger stöd till kunder och leverantörer Publicering är ett viktigt steg men det egentliga målet är att standarden kommer till användning i vindkraftbranschen och skapar nytta för vindkraftleverantörerna och deras kunder. Flera av medlemmarna i standardiseringsprojektet har tagit initiativ till användargrupp för IEC Syftet är att sprida information om standarden och stödja användare vid implementering och testning. USE hade ett första möte i Köpenhamn 17 september. Nästa möte i Frankrike mars Användargruppen sprider information om IEC men medlemmar får även tillgång till diskussionsforum och dokumentation om eventuella tekniska korrigeringar. 39

40 Användargrupp ger stöd till kunder och leverantörer Ett tekniskt team med deltagare från flera av de stora leverantörerna, t ex Vestas Wind Systems och Siemens Wind Power samt representanter för Nordex styrsystemleverantör natcon7 och Gamesas styrsystemleverantör Ingeteam ska ge stöd vid användning av standarden. Användargruppens hemsida finns på 40

41 Mission To support use of the IEC standard series Vision Add value for the users of IEC Share information of relevance for use of IEC Share documents of relevance for use of IEC Discussion forum for resolution of technical issues / data base Feedback to IEC maintenance team Coordinate activities with related user groups and organizations Validate member devices spending the least effort, money and time This means efficient and with expected interoperability. 41

42 IEC TC88 PT25 - Brett deltagande en framgångsfaktor Redan vid första IEC mötet diskuterades vikten av att engagera så stor andel av marknadsaktörerna som möjligt. TC88 PT25 skickade ut en inbjudan till alla nationella kommittéer att nominera ytterligare projektmedlemmar. Samtidigt kontaktades de större vindkraftleverantörer som ännu inte var med i gruppen. Gruppen ordnade också inledande halv- eller heldagsseminarier i samband med sina projektmöten för att dels informera om standardens innehåll, dels fånga upp ytterligare behov och krav från användare. 42

43 Brett deltagande en framgångsfaktor, forts Arbetet gav resultat och de flesta vindkraftleverantörer engagerade sig, direkt eller indirekt, i arbetet. Projektgruppen växte därför från en handfull deltagare till knappt 30 experter. Så många leverantörer, med olika affärsintressen, skulle kunna leda till viss positionering av de egna produkterna. Genom att projektledningen har legat hos en representant för kundsidan samt att kunderna i övrigt varit bra representerade har det dock varit ett bra samarbetsklimat i gruppen. 43

44 Historik Steg 1 Undersök om IEC kan ligga till grund för kommunikation inom vindkraft. Steg 2 Fokus på vindkraftspecifika informationsmodeller och datautbytesmodeller Steg 3 Fokus på kommunikationsprofiler Steg 4 - Implementation Steg 5 Underhåll och koordinering med and standarder som baseras på IEC Wednesday, 21 April

45 Vad händer härnäst? Arbetet med del 6 fortsätter och standarden för tillståndskontroll förväntas släppas våren Start av arbetet med att uppdatera de första fem delarna. Något som ännu saknas är en standardiserad lösning för konfiguration av kommunikationsutrustning i vindkraftverk. Vindkraftstandarden är del av en större lösning. IEC har utökats från att vara enbart en standard för automatisering av transformatorstationer till att omfatta även vattenkraftstationer och distribuerad generering och genom IEC även vindkraftstationer. Lösningar och produkter från IEC kan användas även för vindkrafttillämpningar. Etablering av permanent arbetsgrupp? 45

46 Excluded from the scope of edition 1 Project management and engineering Configuration Definitions and semantics of some crucial data, such as Availability Solutions still under development, e.g OPC UA. Network design (example: TR ) Security 46

47 Proposals on maintenance work IEC Minor changes. IEC Harmonization with Information models in Edition 2 of IEC Harmonization with Information models in IEC , and IEC Minor changes. Support for extended service model 47

48 Proposals on maintenance work, cont IEC Annex A Webservices - Tissues Annex B OPC/XML-DA Possible use of OPC UA?? Annex C IEC Use of wind power specific services Annex D IEC Harmonization and reference to IEC Annex E DNP3 Next version IEC Harmonization with test cases in IEC

49 Potential new work items Technical guidelines for the use of IEC Configuration language for wind power plants. Web-based access to information models. System and project management. 49

50 IEC WIND TURBINES Communications for Monitoring and Control of Wind Power Plants IEC ger åtkomst till data för effektiv drift och underhåll av vindkraftstationer. Efter sju års standardiseringsarbete är standarden WIND TURBINES Communications for Monitoring and Control of Wind Power Plants klar. Men arbetet med att skapa nytta är inte slutfört.

51 Frågor?

52 Tack! Kontaktinformation Anders Johnsson Vattenfall Research and Development AB