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La sincronizzazione nelle reti industriali

Soluzioni di sincronizzazione di precisione nelle reti industriali

Le tecnologie si stanno sviluppando rapidamente e contribuiscono ai cambiamenti nel settore energetico, come l'implementazione di IEC61850 nel sistema di automazione delle sottostazioni. Lo standard è ora ampiamente diffuso in tutto il mondo e ben accettato dal mercato industriale. È noto che la rete elettrica rappresenta un sistema distribuito, complesso e interconnesso dove una parte del sistema può influenzarne un'altra. Tempo e frequenza svolgono un ruolo importante nel settore energetico per interpretare meglio la previsione e prevenzione dei guasti del sistema, test e verifica delle operazioni delle protezioni mediante misurazioni sincronizzate o record con tag temporale, per applicazioni in tempo reale o post analisi a fronte di blackout in cascata.

Perchè e quando serve un'elevata precisione?

Il sistema di sincronizzazione è cruciale in questa industria per distribuire l'energia in modo affidabile tra tutte le centrali elettriche. Gli IED nella rete elettrica funzionano con lo stesso tempo, in modo da garantire operazioni sincrone per il campionamento e la protezione. In questo modo i guasti dei collegamenti possano essere rilevati più tempestivamente a causa di una sequenza temporale coerente nei timestamp degli eventi. Nell'applicazione di automazione dell'energia, i requisiti di precisione temporale sono diversi:
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Scada
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Automation
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Process Bus
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Synchrophasors
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Soluzioni precedenti

La sincronizzazione NTP, SNTP basata su software con una precisione di 1ms non può soddisfare il requisito 1us. SNTP inolte è noto per essere un'implementazione semplificata di NTP, spesso più diffuso in questi scenari.

Il GPS si adatta perfettamente ad applicazioni di alta precisione, ma costa troppo dotare ciascun nodo di ricevitore GPS. È necessaria una soluzione meno costosa. Esiste una grande sfida per il metodo di sincronizzazione temporale esistente. Con l'avvento di IEEE1588, chiamato anche PTP, la precisione e la scalabilità per un sistema di rete elettrica diffuso diventano possibili con timestamp hardware e costi contenuti rispetto al GPS.

IEEE 1588

IEEE 1588 è uno standard che che consente la sincronizzazione precisa dei clock nei sistemi di misurazione e controllo che riguarda tecnologie quali comunicazione di rete, elaborazione locale e oggetti distribuiti. Diverso da NTP e SNTP, IEEE 1588 si basa su timestamp hardware per un'alta precisione. Il TC (transparent clock) e il meccanismo di trasamissione del ritardo peer-to-peer introdotto in IEEE1588V2-2008 rendono il PTP più scalabile e più accurato.
L'implementazione di IEEE1588 consente un'accuratezza sub-microsecondo, una soluzione di distribuzione del tempo ben definita in IEC61850-9-2. Con una comunicazione basata su rete, il cablaggio convenzionale IRIG si riduce e grazie a timestamp hardware anche negli IED l'installazione è semplificata.
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Profilo PTP C37.238

C37.238 è un profilo definito nello standard IEEE 1588 Precision Time Protocol e riservato all'industria dell'energia. Un profilo è un insieme di configurazioni consentite e vietate, intervalli e valori predefiniti delle funzionalità configurabili e applicabili su un dispositivo. L'utilizzo di un profilo consente alle organizzazioni di specificare set prestabiliti di valori, di attributi e di funzionalità opzionali definite nel protocollo PTP.

Sorgente di riferimento di tempo

La sorgente del tempo di riferimento è un clock tracciabile con elevata disponibilità e stabilità che possa garantire che tutti gli altri clock nella rete possano essere sincronizzati in modo preciso. Esistono più risorse di riferimento:
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1. Segnale di sincronizzazione satellitare. I dispositivi dotati di oscillatore incorporato ad alta precisione come TCXO, OCXO o rubidio abbinati all'alta precisione del ricevitore GPS, adottando un algoritmo intelligente, emetteranno un segnale orario sincronizzato dal GPS.
2. Stinghe ti tempo IRIG-B. I dispositivi possono interpretare PPS e informazioni temporali incluse all'interno di segnali IRIG-B e utilizzare un oscillatore incorporato ad alta precisione per garantire l'holdover nel tempo.
3. Altre sorgenti di tempo dalla rete di livello superiore, ad esempio server NTP con strato superiore, orologio atomico o un segnale PTP.
Il sincronismo GPS è di semplice implementazione e la sua elevata precisione entro 1 us lo rende la sorgente di riferimento temporale preferita. Un buon oscillatore consente inoltre di migliorare le prestazioni di holdover e di accuratezza.

Distribuzione del tempo

Una rete di distribuzione temporale ben definita viene utilizzata per sincronizzare tutti gli orologi sparsi in un sistema distribuito. Normalmente protocolli di rete come NTP, SNTP o PTP vengono presi in considerazione per diverse precisioni di sincronizzazione. Sebbene reti gerarchiche diverse coinvolgano pacchetti di protocolli diversi, la teoria della sincronizzazione è molto simile. Vengono usati: il tempo di ritardo di andata e ritorno e l'offset tra clock slave e clock master per la calibrazione dell'orologio locale. Quindi l'asimmetria di rete impatta sulla precisione della sincronizzazione. Nell'implementazione di un sistema di distribuzione del tempo, per creare un meccanismo affidabile ed economico, è necessario valutare e rispondere ai seguenti requisiti:
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Affidabilità

Eventi particolari che portano a situazioni di incertezza nel sistema di sincronizzazione devono essere identificate e affrontate attentamente. Ad esempio, la ridondanza dell'clock principale e la commutazione in caso di fault.
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Problemi di precisione

La selezione delle tecniche e delle modalità di implementazione si basa sui requisiti e sui limiti di prestazione degli oggetti coinvolti. NTP e SNTP sono più economici e facilmente implementabili utilizzando software con precisione al millisecondo, mentre PTP richiede capacità di timestamp hardware e consente una precisione al di sotto dei microsecondi. Ma anche i nodi finali devono essere conformi al PTP. Diverse modalità di operazione sono definite a livello di network in NTP e IEEE1588 per diversi scenari applicativi, come BC (boundary clock), P2P TC (transparent clock) ed E2E TC (transparent clock), mentre multicast, unicast e broadcast per NTP.
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Tempo assoluto

Il sistema di sincronizzazione è assoluto piuttosto che relativo. Ciò significa che lo standard temporale è correlato a un tempo coordinato universale (UTC). Per la visualizzazione dell'ora assoluta, il fuso orario e il cambio dell'ora devono essere presi in considerazione.
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Gestione

Strumenti di debug e MIB contribuiscono alla gestione del sistema.

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