Quali sono i principali vantaggi di una sottostazione digitale?

Le sottostazioni digitali offrono un ingombro ridotto, costi di installazione e manutenzione inferiori, maggiore flessibilità per futuri aggiornamenti e una protezione potenziata grazie a schemi configurabili tramite software. Consentono inoltre la protezione e il controllo centralizzati, il che può migliorare la flessibilità, ridurre i costi di investimento e semplificare le operazioni.

Che cos’è il bus di processo in una sottostazione digitale?

Il bus di processo è la rete Ethernet che collega la sottostazione alla sala di controllo. Trasmette le misurazioni digitalizzate di corrente e tensione e i segnali di protezione, sostituendo il cablaggio in rame che tradizionalmente collega le apparecchiature primarie ai dispositivi di protezione e controllo.

Che cos’è una sottostazione digitale ibrida?

Una sottostazione digitale ibrida combina elementi sia delle architetture convenzionali che di quelle interamente digitali, spesso nell’ambito di un processo di modernizzazione graduale. Ad esempio, un’azienda di servizi pubblici potrebbe introdurre un bus di processo per le nuove celle, mantenendo al contempo i collegamenti cablati in quelle esistenti, il tutto gestito tramite un’unica piattaforma di automazione.

È possibile trasformare le sottostazioni esistenti in sottostazioni digitali?

Sì. Le sottostazioni esistenti possono essere potenziate in modo graduale introducendo unità di fusione, segmenti di bus di processo e IED conformi alla norma IEC 61850, affiancandoli alle apparecchiature preesistenti. Una piattaforma SCADA/HMI unificata è in grado di gestire sia i banchi convenzionali che quelli digitali durante la fase di transizione, evitando la necessità di una sostituzione completa.

Quale standard viene utilizzato per le sottostazioni digitali?

La norma IEC 61850 è lo standard internazionale che disciplina la comunicazione nelle sottostazioni digitali. Definisce il modello di dati, i protocolli di comunicazione e il processo ingegneristico che consentono l'interoperabilità tra dispositivi di diversi produttori.

zenon è compatibile con le architetture delle sottostazioni digitali?

Sì. zenon si integra nativamente con lo standard IEC 61850, fornendo le funzioni HMI e SCADA per il controllo da parte dell'operatore, le funzioni di gateway per la comunicazione con i centri di controllo di livello superiore e il monitoraggio dei segnali di protezione per gli schemi basati su GOOSE.

Che cos’è una sottostazione digitale? | Spiegazione della norma IEC 61850

Una sottostazione digitale è una sottostazione in cui lo scambio di segnali e misurazioni tra le apparecchiature primarie e secondarie (ad esempio, trasformatori di corrente o di tensione e dispositivi di protezione) avviene tramite un protocollo di comunicazione ad alta velocità anziché tramite cavi in rame statici.

Questo cambiamento è reso possibile dalla norma IEC 61850, uno standard internazionale che definisce le modalità di comunicazione dei dispositivi elettronici intelligenti (IED) utilizzando un linguaggio comune, rendendo così possibile l’architettura delle sottostazioni digitali IEC 61850. La piattaforma software zenon di COPA-DATA fornisce le funzioni HMI, SCADA e gateway per monitorare e controllare le sottostazioni digitali attraverso l’integrazione nativa con lo standard IEC 61850.

Punti chiave: Che cos’è una sottostazione digitale?

Una sottostazione digitale sostituisce il cablaggio in rame per i segnali con una comunicazione basata su protocolli, prevalentemente su fibra ottica, riducendo l’ingombro fisico, la manodopera necessaria per l’installazione e i costi dei materiali legati alla costruzione e alla manutenzione della sottostazione.
Il cosiddetto "Process Bus" rappresenta il cambiamento fondamentale. Anziché posare cavi in rame dedicati da ogni apparecchiatura della sottostazione alle apparecchiature associate a livello di baia (ad esempio, quadri di controllo centralizzati o pannelli relè distribuiti), le misurazioni e i segnali digitalizzati vengono trasmessi su una rete condivisa a cui qualsiasi dispositivo può accedere.
Lo standard IEC 61850 fornisce il linguaggio comune. I protocolli standardizzati e un modello di dati unificato consentono ai dispositivi di diversi produttori di funzionare insieme senza convertitori di protocollo o interventi di ingegneria personalizzati.
Le sottostazioni digitali offrono funzionalità che le sottostazioni cablate non possono garantire, tra cui la protezione centralizzata, i test interni al sistema senza intervento fisico e una sostituzione più rapida dei dispositivi in caso di guasti.
zenon supporta le sottostazioni digitali tramite la comunicazione nativa secondo lo standard IEC 61850, fornendo l’interfaccia operatore, il gateway dati e gli strumenti di ingegnerizzazione su un’unica piattaforma software.

In che modo una sottostazione digitale si differenzia da una sottostazione convenzionale?

Nel confronto tra una sottostazione digitale e una sottostazione convenzionale, la differenza fondamentale risiede nel modo in cui vengono trasmessi i segnali: i cavi analogici in rame con cablaggio punto a punto lasciano il posto a una comunicazione digitalizzata e in rete tramite fibra ottica.

Una sottostazione convenzionale si affida ai cavi in rame per trasportare ogni segnale tra i propri componenti. Ogni segnale richiede un cavo dedicato, il che comporta migliaia di connessioni, trincee per cavi e armadi di smistamento. L’installazione richiede un grande impiego di manodopera e individuare un guasto nel cablaggio significa rintracciare fisicamente i cavi in tutto il sito.

Una sottostazione digitale sostituisce questo approccio cablato con una comunicazione basata su Ethernet tramite cavi in fibra ottica. Le differenze principali:

Caratteristica	Sottostazione convenzionale	Sottostazione digitale
Trasmissione del segnale	Segnali analogici su cavi in rame, un segnale per cavo	Segnali digitalizzati su Ethernet in fibra ottica, tutti i segnali condividono la stessa rete
Connettività delle apparecchiature	Punto a punto: ogni dispositivo è collegato fisicamente a un'apparecchiatura specifica	In rete: i dispositivi accedono ai dati di cui hanno bisogno da una rete condivisa
Standardizzazione dei dati	Protocolli proprietari, schemi di cablaggio specifici per ciascun fornitore	Modello di dati comune IEC 61850, tutti i dispositivi parlano la stessa lingua
Ingombro fisico	Ampie canaline per cavi, postazioni di smistamento, armadi di terminazione	Cablaggio ridotto, requisiti di ingombro della sala di controllo più contenuti
Flessibilità	L'aggiunta di un dispositivo richiede un nuovo cablaggio e potenziali finestre di interruzione del servizio	I nuovi dispositivi si collegano alla rete e accedono ai flussi di dati disponibili
Test e manutenzione	È necessario un intervento fisico per isolare e testare i circuiti	Test all'interno del sistema tramite software, con conseguente riduzione dei tempi di interruzione del servizio

Quali componenti costituiscono una sottostazione digitale?

Una sottostazione digitale può essere suddivisa in due parti principali: ciò che avviene nel campo di commutazione e ciò che avviene nella sala di controllo. La norma IEC 61850 funge da ponte tra le due.

Nella sottostazione: digitalizzazione dei segnali alla fonte

In una sottostazione convenzionale, i trasformatori di misura presenti nel campo di commutazione misurano corrente e tensione, quindi inviano tali misurazioni sotto forma di segnali analogici tramite cavi in rame ai relè situati nella sala di controllo. Ogni misurazione richiede un cavo dedicato.

In una sottostazione digitale, dispositivi chiamati merging units sono collocati in prossimità delle apparecchiature primarie e convertono le misurazioni analogiche in dati digitali direttamente alla fonte. Questi dati digitalizzati vengono trasmessi su una rete in fibra ottica denominata Digtal Substation process bus. Anziché far passare centinaia di cavi in rame dalla sottostazione alla sala di controllo, un unico collegamento in fibra ottica trasporta tutti i dati.

Questo rappresenta il cambiamento più significativo rispetto alla progettazione convenzionale delle sottostazioni. Ciò significa:

Meno rame da acquistare, installare e mantenere
Meno canaline per cavi e armadi di terminazione
Dati disponibili per ogni dispositivo sulla rete, non solo per quello a cui è collegato
Isolamento in fibra ottica che elimina le interferenze elettriche e il problema dell'innalzamento del potenziale di terra.

Nella sala di controllo: protezione, controllo e visualizzazione

La sala di controllo ospita i dispositivi elettronici intelligenti (IED) che proteggono e controllano la sottostazione, insieme ai sistemi HMI e SCADA che gli operatori utilizzano per monitorare e gestire le operazioni.

Gli IED sono controllori basati su microprocessori che svolgono le funzioni principali della sottostazione: rilevamento dei guasti, invio di comandi di sgancio agli interruttori automatici, monitoraggio di tensione e corrente e registrazione dei dati relativi ai disturbi durante gli eventi di rete. In una sottostazione digitale, gli IED comunicano via Ethernet utilizzando lo standard IEC 61850 anziché cavi in rame individuali, sottoscrivendo i dati digitalizzati di cui hanno bisogno dal bus di processo.

Il livello HMI e SCADA, in cui opera zenon, fornisce l’interfaccia operatore. Ciò include schemi unifilari che mostrano lo stato in tempo reale della sottostazione, la gestione degli allarmi per il rilevamento e la risposta ai problemi, la registrazione degli eventi per l’analisi post-incidente e le funzioni di gateway per l’inoltro dei dati ai centri di controllo regionali e nazionali.

Che ruolo svolgono gli IED in una sottostazione digitale?

I dispositivi elettronici intelligenti (IED) sono i controllori che proteggono, monitorano e gestiscono le apparecchiature delle sottostazioni. In una sottostazione digitale, gli IED comunicano tramite Ethernet utilizzando lo standard IEC 61850 anziché attraverso singoli cavi di segnale in rame.

Le quattro funzioni principali svolte dagli IED sono:

Protezione: rilevamento di guasti quali sovracorrenti o cortocircuiti ed emissione di comandi di sgancio agli interruttori automatici, con conseguente segnalazione ai dispositivi di protezione adiacenti
Controllo: esecuzione di comandi di apertura e chiusura per interruttori e sezionatori, gestione delle sequenze di commutazione automatiche
Monitoraggio: acquisizione delle misurazioni di tensione, corrente, potenza e frequenza per il sistema SCADA
Registrazione dei disturbi: memorizzazione dei dati delle forme d’onda ad alta risoluzione durante gli eventi di rete per l’analisi post-guasto

Poiché gli IED sono conformi alla norma IEC 61850, condividono un modello di dati comune, che consente a zenon di visualizzare i dati provenienti da qualsiasi IED conforme senza bisogno di driver personalizzati.

Che cos’è il Process Bus e perché è importante?

Il bus di processo è la rete Ethernet che collega la sala di commutazione alla sala di controllo in una sottostazione digitale. Trasporta dati di misura digitalizzati e segnali di protezione, sostituendo il cablaggio in rame che tradizionalmente collega le apparecchiature primarie ai dispositivi di protezione e controllo.

Sul bus di processo viaggiano due tipi di dati:

Flussi di valori di misura: valori digitalizzati di corrente e tensione provenienti dai trasformatori di misura, trasmessi in modo continuo in modo che qualsiasi dispositivo sulla rete possa accedervi
Segnali di protezione discreti: messaggi ad alta velocità tra i relè di protezione per funzioni quali lo sgancio, l’interblocco e il rilevamento dei guasti agli interruttori

Cosa cambia nella pratica grazie al bus di processo

Meno cavi, meno infrastrutture. Un unico collegamento in fibra ottica tra la stazione elettrica e la sala di controllo sostituisce centinaia di cavi in rame, riducendo i costi dei materiali, semplificando l’installazione e riducendo l’ingombro della sottostazione. La fibra ottica è inoltre immune alle interferenze elettriche, migliorando la precisione delle misurazioni e la sicurezza.
I dati vengono condivisi, non trasmessi punto a punto. In una sottostazione convenzionale, la misura di un trasformatore di corrente è collegata a un singolo relè. Su un bus di processo, la misura viene digitalizzata una sola volta e pubblicata sulla rete, in modo che ogni dispositivo che ne ha bisogno si abboni allo stesso flusso di dati.
Gli schemi di protezione diventano configurabili tramite software. Le funzioni di protezione che in precedenza richiedevano un cablaggio dedicato tra i relè possono essere implementate tramite messaggistica di rete, riducendo i tempi e i costi delle modifiche durante la vita operativa della sottostazione.
I test richiedono tempi di inattività ridotti. In una sottostazione digitale, i singoli dispositivi possono essere isolati e testati utilizzando modalità di test basate su software, riducendo così i tempi di interruzione per la manutenzione ordinaria e la messa in servizio.
La protezione centralizzata diventa possibile. Quando tutti i dati della sottostazione sono disponibili su una rete condivisa, le funzioni di protezione possono essere consolidate in controllori centralizzati anziché distribuite tra i singoli relè a livello di banco. Questo è il fondamento delle architetture di protezione e controllo centralizzate (CPC), che zenon supporta fornendo il livello HMI e SCADA e monitorando i segnali di protezione per garantire la continuità dello schema durante la manutenzione dei dispositivi.

Realizzazione di una sottostazione digitale

Quali aspetti occorre prendere in considerazione quando si realizza una sottostazione digitale?

Comprendere la norma IEC 61850

Il primo passo verso una sottostazione digitale consiste nel comprendere come la norma IEC 61850 strutturi l’automazione delle sottostazioni. La norma definisce i protocolli di comunicazione utilizzati dai dispositivi, il modello di dati che garantisce che tutti i dispositivi rappresentino le informazioni allo stesso modo e un processo di ingegnerizzazione basato su file di configurazione standardizzati. Questo quadro comune è ciò che rende praticabile l’interoperabilità tra diversi fornitori.

Interoperabilità tra diversi fornitori

Poiché la norma IEC 61850 standardizza sia il modello di dati che i servizi di comunicazione, i dispositivi di diversi produttori possono funzionare insieme all’interno della stessa sottostazione. Un’azienda di servizi pubblici non è vincolata a un unico fornitore di apparecchiature per l’intero ciclo di vita dell’impianto. È possibile acquistare nuovi dispositivi in base alle prestazioni e al costo, piuttosto che alla compatibilità con i sistemi proprietari esistenti.

Sicurezza informatica

Il passaggio delle comunicazioni della sottostazione dal cablaggio in rame dedicato a una rete Ethernet condivisa introduce aspetti di sicurezza informatica che non esistevano nei sistemi cablati. Lo standard IEC 62351 definisce le misure di sicurezza per le comunicazioni dei sistemi di alimentazione, tra cui la crittografia e l’autenticazione. Una piattaforma di automazione per sottostazioni digitali dovrebbe implementarle come funzionalità native. zenon include la crittografia e l’autenticazione in tutti i servizi IEC 61850 ed è sviluppato secondo un ciclo di vita di sviluppo sicuro certificato secondo la norma IEC 62443-4-1.

In che modo zenon offre supporto?

In che modo zenon supporta l'implementazione delle sottostazioni digitali?

Funzione	Funzionalità di zenon
HMI e SCADA	Visualizzazione in tempo reale con schemi unifilari, gestione degli allarmi, registrazione degli eventi e controllo degli operatori basato sui ruoli. Si collega a qualsiasi IED conforme alla norma IEC 61850.
Integrazione GOOSE	Monitora i segnali di protezione tra i dispositivi per garantire la visibilità sullo stato di salute del sistema di protezione. È in grado di sostituire i segnali mancanti durante la manutenzione o in caso di guasto dei dispositivi.
Gateway di sottostazione	Inoltra i dati ai centri di controllo regionali e nazionali utilizzando protocolli standard, fungendo da intermediario tra la comunicazione a livello di sottostazione e quella a livello di centro di controllo.
Gestione dei registri dei disturbi	Raccoglie i registri dei guasti dagli IED presenti in tutta la sottostazione e fornisce un visualizzatore integrato per l’analisi post-incidente.
Supporto alla messa in servizio e alla manutenzione	Simula i dispositivi per i test pre-messa in servizio, monitora lo stato delle comunicazioni durante il funzionamento di prova e consente una rapida sostituzione dei dispositivi in caso di guasto delle apparecchiature.

Per approfondire il modo in cui i gestori di reti elettriche stanno passando a queste tecnologie, consulta il nostro articolo dedicato al passaggio dalle sottostazioni tradizionali a quelle digitali.

Domande frequenti

Domande frequenti sulle sottostazioni digitali

Una sottostazione digitale è una sottostazione in cui lo scambio di dati tra le apparecchiature primarie, i dispositivi di protezione e i sistemi di controllo avviene tramite reti di comunicazione basate su Ethernet che utilizzano lo standard IEC 61850, anziché il tradizionale cablaggio in rame.
Le sottostazioni digitali offrono un ingombro ridotto, costi di installazione e manutenzione inferiori, maggiore flessibilità per futuri aggiornamenti e una protezione potenziata grazie a schemi configurabili tramite software. Consentono inoltre la protezione e il controllo centralizzati, il che può migliorare la flessibilità, ridurre i costi di investimento e semplificare le operazioni.
Una sottostazione digitale ibrida combina elementi sia delle architetture convenzionali che di quelle interamente digitali, spesso nell’ambito di un processo di modernizzazione graduale. Ad esempio, un’azienda di servizi pubblici potrebbe introdurre un bus di processo per le nuove celle, mantenendo al contempo i collegamenti cablati in quelle esistenti, il tutto gestito tramite un’unica piattaforma di automazione.
La norma IEC 61850 è lo standard internazionale che disciplina la comunicazione nelle sottostazioni digitali. Definisce il modello di dati, i protocolli di comunicazione e il processo ingegneristico che consentono l'interoperabilità tra dispositivi di diversi produttori.

La differenza fondamentale risiede nel modo in cui vengono trasmessi i segnali. Una sottostazione convenzionale utilizza cavi in rame dedicati per ciascun segnale tra le apparecchiature. Una sottostazione digitale digitalizza i segnali alla fonte e li condivide su una rete Ethernet comune utilizzando i protocolli IEC 61850. Ciò riduce il cablaggio, semplifica l’infrastruttura e rende i dati disponibili contemporaneamente a più dispositivi.
Il bus di processo è la rete Ethernet che collega la sottostazione alla sala di controllo. Trasmette le misurazioni digitalizzate di corrente e tensione e i segnali di protezione, sostituendo il cablaggio in rame che tradizionalmente collega le apparecchiature primarie ai dispositivi di protezione e controllo.
Sì. Le sottostazioni esistenti possono essere potenziate in modo graduale introducendo unità di fusione, segmenti di bus di processo e IED conformi alla norma IEC 61850, affiancandoli alle apparecchiature preesistenti. Una piattaforma SCADA/HMI unificata è in grado di gestire sia i banchi convenzionali che quelli digitali durante la fase di transizione, evitando la necessità di una sostituzione completa.
Sì. zenon si integra nativamente con lo standard IEC 61850, fornendo le funzioni HMI e SCADA per il controllo da parte dell'operatore, le funzioni di gateway per la comunicazione con i centri di controllo di livello superiore e il monitoraggio dei segnali di protezione per gli schemi basati su GOOSE.

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Progettare sottostazioni digitali può sembrare un'impresa ardua. Fortunatamente, zenon è in grado di semplificare questo processo. zenon è progettato per garantire flessibilità, il che significa che è ottimizzato sia per la manutenzione in loco che a distanza, sia che si scelga un approccio manuale sia che ci si concentri sull'automazione. Per ulteriori informazioni, contattate COPA-DATA oggi stesso!

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