Все элементы, имеющие кондуктивную связь с подстанцией: источники постоянного тока, входные/выходные цепи и металлические коммуникационные цепи – должны отвечать требованиям электромагнитной совместимости.
Центральное координирующее устройство и платы ввода/вывода. В настоящее время большинство производителей предлагают системы автоматизации подстанций, где центральное координирующее устройство (CPU) представляет собой отдельное устройство. Для того чтобы CPU и входные/выходные платы были способны функционировать в условиях электрических переходных процессов, возникающих на подстанции, не рекомендуется использование неадаптированных элементов.
Возможно два пути решения этой проблемы:
• развивать (проектировать и производить) специальные платы (CPU и входов/выходов). Это решение выгодно в том смысле, что производитель полностью контролирует используемую технологию и может применять специальные встраиваемые функции;
• адаптировать готовые платы. Это решение интересно по следующим причинам: микропроцессорное оборудование и связанные с ним элементы быстро устаревают и производители плат, обладая необходимыми знаниями, достаточно быстро реагируют на это. Однако обеспечение совместимости между платами ввода/вывода и CPU в этом случае не контролируется поставщиком системы автоматического управления.
Операционные системы. Помимо запатентованных решений, которые в настоящее время используются реже, чем прежде, появилась возможность использования двух других семейств операционных систем:
• GPOS (Операционная система общего назначения): Windows, Unix, Linux;
• RTOS (Операционная система реального времени): pSOS, QNX, VxWorks, RTX, Lynx, CMS и все другие версии специальных операционных систем.
GPOS широко используется для следующего оборудования: Unix для главных станций в центрах управления, Windows NT для HMI.
RTOS обычно используется, когда функционирование происходит в режиме реального времени, т.е. для защит и функций логики управления.
Для того чтобы ввести дополнительные функции в свои операционные системы, производители GPOS пытаются усовершенствовать их и добавить в них некоторые характеристики реального времени, однако соответствующие усовершенствованные системы не дотягивают до уровня истинных систем реального времени. Лучшим способом является усовершенствование их, начиная с более глубоких уровней. Такие продукты, как RTX 4.1 от VenturCom, или INTi-me 1.20 от Radisys, или Hyperkernel 4.3 от Imagination System, позволяют одному процессору работать с широко распространенной операционной системой Windows NT с теми же характеристиками реального времени, как у RTOS. Параллельно другие усовершенствования позволят развить системы, основанные на Unix.
Коммуникационные сети. Человеко-машинный интерфейс (HMI) обычно является частью системы, даже если подключается к сети через портативный компьютер.
Программное обеспечение, имеющееся на рынке, например iFix из GE Intellution или inTouch из Wonderware, пришло из других областей и поэтому не полностью подходит для систем управления и контроля электрических подстанций. Поэтому некоторые производители развивают собственное программное обеспечение систем контроля независимо от предложений рынка.
В будущем такие стандарты, как IEC 61850, позволят сделать HMI независимой подсистемой, подключенной к структуре автоматизации через стандартные коммуникационные интерфейсы.
Синхронизация по времени. Производители используют два подхода:
• синхронизация на центральном компьютере, который затем передает информацию на другие компьютеры через коммуникационную сеть. Это упрощает связь с часами, но вызывает проблемы с синхронизацией между различными системными компонентами. В современной практике этот метод не позволяет получить необходимую точность (погрешность менее 5 мс). Новые (IEEE 1588 или IЕС 61850) стандарты могут позволить повысить точность;
• центральный компьютер, децентрализованные компьютеры и интеллектуальные электронные устройства (IED) получают информацию о времени непосредственно от синхронизирующих часов. В этом случае синхронизация лучше, но техническая реализация этого способа оказывается более сложной (необходимо снабдить каждый элемент соответствующим входом, а также требуется шина времени).
Внешние связи относительно подстанции. Можно выделить два основных типа коммуникаций, зависящих от безопасности и типа трафика:
• традиционные системы SCADA реального времени, в которых используются стандартные протоколы: DNP.3, IEC 60870-5-104;
• другие системы, позволяющие проводить обмен данными для дистанционной наладки защит и технического обслуживания либо для выполнения других рабочих и инженерных задач. При этом нет необходимости в создании постоянной связи, отсутствуют требования к точности времени. Эти функции могут быть затребованы дистанционно через глобальную сеть (WAN); поскольку связь в общем случае не постоянна, развитие Web-коммуникаций для телеконтроля, анализа повреждений может потребовать постоянную WAN-линию. Могут потребоваться функции безопасности, особенно при удаленной установке параметров или загрузке файлов.
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К АСУ ПОДСТАНЦИЙ
Общие функции. В большинстве энергосистем (страны Европы) АСУ подстанции имеет структуру, ориентированную на уровень ячейки, соответствующий:
• линии;
• трансформатору;
• шинному присоединению.
АСУ подстанции расположена в ячейках распредустройств или в шкафах ячеек внутри здания подстанции.
Функции, выполняемые на уровне ячейки, – это управление, защита и измерение данных, связанных с линией электропередачи. Хотя уровень интеграции между защитой и функциями управления различен, поддерживаемые функции одинаковы. Ниже перечислены стандартные функции:
• блокировка;
• синхронизация;
• проверка включения;
• АПВ;
• защита от отказа выключателя;
• контроль отсутствия напряжения;
• осциллографирование аварийных режимов.
Важным вопросом является возможность достижения высокого уровня интеграции между функциями защиты и управления. Однако функции защиты могут выполняться и отдельными устройствами. В этом случае команды отключения связаны непосредственно с распредустройствами и не зависят от системы управления, чем и достигается высокий уровень надежности.
Из-за необходимости обновления существующее оборудование не всегда систематично заменяют цифровыми IED. Целью является сокращение инвестиций и избежание списания устройств защиты до окончания срока его службы. Установленное оборудование защиты может быть выпушено различными фирмами-производителями, и для обеспечения связи необходима либо прокладка параллельной проводки, либо использование стандартных протоколов (IEC 60870-5-103).
В Европе на одном объекте обычно устанавливаются цифровые устройства одного производителя, так как на данный момент проблема взаимодействия разнотипных цифровых устройств решена не полностью.
Необходимо также отметить, что все системы позволяют работать с традиционным оборудованием ячеек благодаря цифровым устройствам входа/выхода, расположенным на уровне ячейки, а также объединить управление несколькими ячейками на уровне подстанции.
Влияние различных факторов на архитектурные особенности.
Требования к архитектуре системы существенно зависят от общего построения системы автоматического управления. Основные различия вызваны факторами, указанными в табл. 5.1.
Таблица 5.1. Влияние на архитектуру системы
Влияющий фактор
Влияние на архитектуру системы
Размер подстанции:
• число уровней напряжения;
• число ячеек;
•число шин.
Количество локальных сетей: единая сеть Ethernet для уровня подстанции и ячейки либо несколько сетей – одна для уровня подстанции и несколько отдельных сетей для уровня ячейки
Требования по надежности и готовности, зависящие от:
• уровня напряжения;
• значения подстанции в энергосистеме
Наличие резервирования локальных сетей. Наличие резервирования оборудования нижнего уровня и/или координирующих устройств и HMI. Интеграция функций защиты и управления. Резервирование защит.
Стратегия предприятия:
• последовательное обновление;
• строительство новых подстанций.
Использование модульных и гибких архитектур. Связь с существующими традиционными устройствами. Использование простых в управлении конфигурационных средств.
Расходы на эксплуатацию системы в течение всего срока службы
Число устройств. Резервирование
Способы эксплуатации, применяемые в стране или на предприятии
Интерфейс дистанционного управления с использованием соответствующих средств связи. Интеграция защит других производителей
Топология подстанции:
• обходная система шин;
• схема с одним выключателем на присоединение или схема полуторного типа
Число шкафов. Число компьютеров (мик ропроцессорных устройств) на уровне ячеек (нижнем уровне). Функции автоматики на нижнем и верхнем уровнях
Основные критерии выбора архитектуры. Ниже перечислены три критерия выбора архитектуры, которые могут быть использованы предприятиями (значимость каждого из критериев зависит от стратегии предприятия):
• стоимость системы автоматического управления (расходы на эксплуатацию системы в течение всего срока службы и объем инвестиции, зависящий от промышленной политики предприятия);
• функциональная гибкость и дружественность интерфейса системы автоматического управления для пользователя, возможность взаимодействия с оборудованием других производителей;
• обслуживание начиная с проектирования (монтаж, наладка) и заканчивая техническим обслуживанием (контроль, анализ аварийных режимов).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПОВЫХ АРХИТЕКТУР АСУ ПОДСТАНЦИИ
Все разработанные системы автоматического управления сходны между собой, однако иногда в связи с какими-либо исторически стожившимися условиями предприятиям необходимы достаточно специфические решения. Поэтому требуется разработка нескольких типовых структур, основанных на промышленных проектах, но в то же время способных отвечать требованиям, которые позволят расширить возможности взаимодействия между сетями
Большинство систем имеют достаточный масштаб и гибкость для того, чтобы отвечать этим специфичным требованиям. Поэтому каждый производитель может адаптировать исходную структуру системы автоматизированного управления под конкретный проект
Разделение функции защиты и управления на нижнем уровне.
При использовании архитектуры разделения функций защиты и управления на нижнем уровне система обменивается информацией с реле, которые работают независимо от основной системы автоматического управления (рис. 5.2). Причинами выбора такого подхода являются:
Рис. 5.2. Архитектура раздельных функций защиты и управления на уровне ячейки: SU – подстанционное устройство (контроллер подстанции); ComU – устройство связи
- требование надежности. Этот метод позволяет избежать группового отказа системы релейной защиты, так как терминалы защиты продолжают выполнять свои функции даже при отказе центрального координирующего устройства;
- требования релейной защиты. Алгоритмы работы некоторых защит достаточно сложны (например, алгоритм работы дистанционной или дифференциальной защиты), поэтому может пройти много времени до того, как они будут признаны заказчиками. На замену зарекомендовавшего себя оборудования заказчик пойдет только в крайнем случае, поэтому вполне вероятна работа новых цифровых устройств совместно с существующим оборудованием;
- требования подстанции. Если сравнивать число новых подстанций и подстанций, на которых производится замена оборудования, то последних значительно больше. Поэтому новые цифровые устройства должны быть совместимы с установленным на подстанции оборудованием. Связи между ячейками и с существующими статическими реле остаются традиционными. Разработано множество проектов, в которых заложено использование существующих защиты шин, а также параллельная работа ячеек нового и старого типа.
В этом случае реле традиционного типа связываются с цифровыми ячейками параллельной проводкой. Для цифровых защит могут быть адаптированы стандартные коммуникационные связи. В настоящее время возможно использование только одного протокола: IEC 60870-5-103. В будущем он будет заменен стандартом IEC 61850.
В Европе схема с разделением функций защиты и управления на нижнем уровне обычно используется для подстанций высокого напряжения (ВН), хотя эта архитектура также может быть использована для подстанций среднего напряжения (СН) без изменения концепции, описанной ниже.
Метод многофункционального ящика. Метод многофункционального ящика позволяет снизить стоимость оборудования и уменьшить занимаемое им место, а реле защиты являются частью системы автоматизации подстанции. Защиты линий не только выполняют свои основные функции, но и обеспечивают АПВ, производят измерения, осциллографирование аварийных режимов, обеспечивают связь, а иногда даже текущее и оперативное обслуживание. На рис. 5.2 отражены основные особенности этого метода.
На Западе этот метод используется на подстанциях всех уровней напряжения, включая подстанции СВН. Используется схема рис. 5.2 либо схема рис. 5.1.
Рис. 5.1. Архитектура с "многофункциональной коробкой" в ячейке: SU – подстанционное устройство (контроллер подстанции); ComU – устройство связи
Архитектура с раздельным техническим обслуживанием и управлением. Рассмотренные выше варианты можно не только объединить в один, но и ввести независимое техническое обслуживание и управление по выделенной локальной сети. На рис. 5.3 отражены основные особенности этого метода, используемого в Японии.
Рис. 5.3. Архитектура с раздельным техническим обслуживанием и управлением: SU – подстанционное устройство; OSU – устройство поддержки операций; ComU – устройство связи; CT/VT – измерительный трансформатор; CU – устройство управления; DAPU – устройство запроса данных и обработки; SC – звездообразный ответвитель; SG – коммутационное устройство; PU – устройство защиты
На нижнем уровне функции защиты и управления могут быть либо полностью объединены, либо полностью разделены. В любом случае информация о работе подстанции разделена на несколько потоков в зависимости от назначения этой информации и ее потребителей.
SCADA-информация в реальном времени: циклические измерения, информация о событиях с метками времени, команды, подаваемые/ получаемые от устройств нижнего уровня. LAN 1 (рис. 5.3) предназначена для обмена такими данными (последовательная связь).
Информация оперативной поддержки, не требующая отображения в реальном времени: файлы с осциллограммами аварийных режимов, файлы для административного назначения, файлы конфигурации для уставок параметров.
LAN 3 с использованием соответствующего протокола (схема на рис. 5.3) предназначена для функций поддержки и включает в себя:
• функции, связанные с устройствами релейной зашиты (уставки параметров и контроль состояния устройств защиты, анализ осциллограмм аварийных режимов);
• функции, связанные с техническим обслуживанием системы и администрированием (функции поддержки восстановления при отказе устройства, диагностика системы, определение места отказа, процедура автоматического восстановления и сообщения о самодиагностике);
• различные инженерные задачи, загрузка файлов конфигурации и обработка версий программного обеспечения.
LAN 2 – это сеть Ethernet, предназначенная для обмена информацией на среднем уровне, где требования к точности времени не так высоки по сравнению с нижним уровнем. LAN 2 обеспечивает обмен информацией оперативного назначения, а также позволяет осуществлять функции контроля и управления подстанцией с использованием системы SCADA.
Системы с распределенной и иерархической архитектурой.
Системы с распределенной архитектурой. Использование систем с распределенной архитектурой позволяет повысить надежность работы системы и упростить внесение в нее каких-либо изменений. Однако при этом на подстанции нет главного контроллера, а существуют только устройства управления и защиты нижнего уровня. При этом между ячейками необходимо обеспечение связи, а также связь между устройствами среднего уровня и устройствами нижнего уровня.
На рис. 5.2 и 5.3 изображены архитектуры с различной степенью интеграции функций защиты и управления. На нижнем уровне функции выполняются как контроллерами ячеек, так и цифровыми устройствами релейной защиты. Степень интеграции зависит от требований предприятия.
Фирмы-производители АСУ выполняют устройства нижнего уровня все более интеллектуальными. Развитие этой тенденции еще более ускорится с появлением высокоскоростных шин данных для прямого обмена информацией с цифровыми ТТ и ТН и оборудованием распределительных устройств (распредустройств) ВН.
Системы с иерархической (централизованной) архитектурой все еще присутствуют на рынке. На подстанциях с применением этого типа АСУ вспомогательный контроллер может выполнять следующие функции: сбор и хранение данных, автоматизацию уровня всей подстанции, например выполнение блокировок распределительных Устройств, регулирование напряжения. Основные особенности этой архитектуры показаны на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Иерархическая структура:
SU – подстанционное устройство; PU – устройство защиты; CU – устройство управления; SG – распредустройства; SB – шина станции; CT/VT – измерительный трансформатор; ComU – устройство связи.
Иногда функции устройства связи могут выполняться подстанционным контроллером. Развитие этой технологии может привести к созданию нового поколения архитектур АСУ, которые сделают системы управления намного более технологичными и функциональными. Однако, с точки зрения потребителя, основными критериями при выборе архитектуры АСУ являются надежность, простота процесса замены оборудования и возможность совместного использования устройств различных фирм-производителей и т.п.
Поэтому в большинство проектов закладывается некоторый порог интеграции функций защиты и управления, однако выбор архитектуры АСУ и осуществление резервирования зависят от требований заказчика к надежности системы. Наиболее перспективной является распределенная архитектура (большая надежность, модульное исполнение) вместе с все большей интеграцией функций (снижение стоимости, уменьшение занимаемого места). В будущем ожидается, что развитие таких стандартов, как IEC 61850 приведет к созданию новых типов архитектур, которые позволят повысить производительность и соотношение качество/цена.
Благодаря стандартизации протокола IEC 61850 станет возможным осуществление связи между IED различных фирм-производителей. Замена параллельной проводки между защитами и высоковольтным оборудованием (например, ТТ, ТН, коммутационное оборудование) и цифровыми шинами данных позволит получить дополнительные выгоды.
Выводы
1. В стандартных предложениях заводов-производителей для закрытых распредустройств различия в архитектурах АСУ несущественны: обычно это разное число используемых сетей и их типы, число персональных компьютеров и их месторасположение, наличие резервирования и уровень интеграции выполняемых функций, распределение или централизация баз данных и вычислений. Поэтому обычно реализуются лишь некоторые типовые схемы.
2.Развитие технологии, изменение цен и появление новых требований к оптимизации работы приводят к появлению архитектуры АСУ нового поколения, которая является более технологичной и функциональной. Однако, с точки зрения потребителя, архитектура АСУ должна отвечать таким требованиям, как надежность, возможность модернизации и использования оборудования различных фирм-производителей и т.п.
3.Тем не менее определяющими являются вопросы интеграции защиты и управления, распределение или централизация выполнения различных функций и наличие резервирования. Общая тенденция направлена на все большее распределение функций (более надежная модульная архитектура) и в то же время на большую интеграцию (уменьшение стоимости и занимаемого пространства). Предполагается, что новый коммуникационный стандарт IEC 61850 позволит использовать новые типы архитектур, которые сделают системы более технически совершенными при меньшей стоимости.
4.Поскольку IEC 61850 является базовым, будет возможна связь между устройствами различных фирм-производителей. Замена параллельной проводки между терминалами защиты и высоковольтным оборудованием (например, ТТ, ТН и коммутационным оборудованием) цифровой полевой шиной даст дополнительные преимущества.
5.Возможность развития эффективного метода оценки стоимости, основанного на данных, получаемых от предприятий, обеспечит еще одно преимущество. Обработка этих данных позволит достаточно точно оценить стоимость и надежность систем с открытой распределенной архитектурой.
