title: Synchronizing IEC 61850-9-2 with Legacy Real-time Embedded Systems
Creators: name: Peter, Mario
Publisher: name: TU Wien
Year: 2021
Subjects: subject: IEC 61850
subject: non-conventional instrument transformer
subject: intelligent electronic device

description: Die elektrische Infrastruktur lässt sich in zwei Bereiche aufteilen. Der erste Bereich ist die Primärtechnik. Diese umfasst alle Schaltanlagen, die unmittelbar an der Erzeugung, dem Transport und der Verteilung elektrischer Energie beteiligt sind. Somit beinhaltet die Primärtechnik beispielsweise Generatoren, Transformatoren, Schaltgeräte, Sammelschienen und Leitungen. Neben der Primärtechnik gibt es ergänzend dazu auch noch die Sekundärtechnik. Dieser Bereich beinhaltet sämtliche Hilfseinrichtungen zur Messung, Überwachung, Kommunikation, Automatisierung und Fernsteuerung. Die Verbindung der zwei Bereiche wird über Messwandler und Leistungsschalter realisiert. Wie in fast allen anderen Bereichen und Branchen durchläuft auch die elektrische Infrastruktur einen Digitalisierungsprozess. In dieser Diplomarbeit wird der Fokus auf die Digitalisierung der Messwandler gelegt. Der Begriff Messwandler umfasst Stromwandler (Current Transformers (CTs)) und Spannungswandler (Voltage Transformers (VTs)). Durch diese Änderung wird die Norm International Electrotechnical Commission (IEC) 61850 sehr wichtig. Für diese Diplomarbeit ist besonders der Bereich über Transport von Sampled Values (SVs) über Ethernet-Netzwerke interessant, welcher im IEC 61850-9-2 zu finden ist. Dieses Kapitel ist von Bedeutung, da es bei unkonventionellen Wandler keine Möglichkeit gibt die Sekundärseite analog zu messen, sondern nur noch über die SVs, welche über die standardisierte Bus-Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden. Die Messwandler können weiterhin mit einem analogen Signal auf der Primärseite gespeist werden, jedoch kann die Antwort des Messwandlers nur noch durch das Konsumieren und Interpretieren des SV-Streams erreicht werden. Die SVs werden mit einer von er Netzfrequenz abhängigen Abtastrate generiert und dann übers Netzwerk verteilt. Bei einer Netzfrequenz von 50Hz ist die Abtastrate 4000Hz und 4800Hz bei einer Netzfrequenz von 60Hz. In dieser Diplomarbeit wird ein solcher SV-Stream von einem existierenden Echtzeit-Embedded-System konsumiert, wobei das System mit einer nicht veränderbaren Systemfrequenz getaktet ist, die sich von der Abtastrate der SVs unterscheidet. In unserem Fall ist das System mit 10kHz getaktet und daher wird in dieser Diplomarbeit eine Möglichkeit aufgezeigt, wie man diese SVs in das vorhandene Echtzeit-Embedded-System integrieren kann. Damit das System die empfangenen SVs konsumieren und interpretieren kann, müssen diese ebenfalls auf eine Abtastrate von 10kHz transformiert werden. Mit Hilfe der Kubische Spline Interpolation wird die Abtastrate des empfangenen digitalen Signals auf ein Vielfaches der Systemfrequenz erhöht. Anschließend werden die nicht benötigten Abtastwerte wieder entfernt, damit man am Ende eine Abtastrate von 10kHz erreicht. Dieses transformierte Signal kann dann von der Echtzeitanwendung verwendet werden, um diverse Berechnungen durchzuführen. In dieser Diplomarbeit konnte aufgezeigt werden, dass die gezeigte Implementierung keinen Einfluss auf das existierende Echtzeit-Embedded-System hat. Weiters wird gezeigt, dass der Fehler, der durch die Transformation des Signals entsteht, in einem sehr guten Bereich liegt und für die Anwendung ausreichend ist. Aufgrund der begrenzten Rechenleistung des Systems und der bereits hohen Auslastung der Echtzeitanwendung konnte die Evaluierung nur mit einem von acht Kanälen des SV-Streams durchgeführt werden. Die vorgestellte Lösung kann aber jederzeit erweitert werden, damit alle empfangenen Ströme und Spannungen transformiert und verwendet werden können.
description: The electrical infrastructure can be divided into two areas. The first area is primary technology. This includes all switchgears that are directly involved in the generation, transport and distribution of electrical energy. Thus, the primary technology includes for example generators, transformers, switching devices, busbars and cables. In addition to the primary technology there is also the secondary technology. This area contains all auxiliary equipment for measurement, monitoring, communication, automation and remote control. The connection between the two areas is implemented using instrument transformers and circuit breakers. As in almost all other areas and industries the electrical infrastructure is also going through a digitization process. In this diploma thesis the focus is placed on the digitization of the instrument transformers. The term measuring transformer includes Current Transformers (CTs) and Voltage Transformers (VTs). With this change a standard of the International Electrotechnical Commission (IEC) becomes very important. The mentioned standard is IEC 61850. For this diploma thesis the area about the transport of Sampled Values (SVs) over Ethernet networks is particularly interesting, which can be found in IEC 61850-9-2. This chapter is important because with Non-Conventional Instrument Transformers (NCIT) there is no possibility to measure the secondary side analogously, but only via the SVs, which are made available via the standardized bus interface. This diploma thesis shows how this SVs can be integrated into an existing real-time embedded system that works with a specific and unchangeable system frequency. In this special case Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) specifies the frequency, which is for the used system a frequency of 10kHz. Since the SVs are received at a different frequency, an interface has to be created that transforms this SVs to the given system frequency. This data can only be used if the received SVs have been synchronized to the system frequency. Otherwise, there is no relationship between the measuring signals and the received result data.