Интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии

Полезная модель относится к электроэнергетике, а именно к устройствам распределения и передачи электрической энергии потребителям и, в частности, к оборудованию, использующему информационные технологии.

Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается снижении затрат на техническое проектирование и производство, сокращении количества аппаратных соединений, уменьшении стоимости устройства и времени ввода в эксплуатацию.

Поставленная задача решается за счет того, что интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии, содержащая, по крайней мере, одно интеллектуальное электронное устройство, предназначенное для выполнения функций измерения, учета электрической энергии, защиты и автоматики, и первичное оборудование, в состав которого входит такое оборудование, как коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы тока, измерительные трансформаторы напряжения, отличается тем, что содержит цифровую коммуникационную шину, подключенную к, по крайней мере, одному интеллектуальному электронному устройству, которое обеспечивает весь информационный обмен с интеллектуальными электронными устройствами смежных интеллектуальных ячеек распределения электроэнергии и автоматизированными системами распределения и передачи электроэнергии.

Применение таких решений, позволит сократить время, связанное с проектирование, производством, эксплуатацией и обслуживанием интеллектуальных ячеек распределения электроэнергии.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Полезная модель относится к электроэнергетике, а именно к устройствам распределения и передачи электрической энергии потребителям и, в частности, к оборудованию, использующему информационные технологии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Техническое перевооружение и реконструкция систем распределения и передачи электрической энергии, релейной защиты и автоматики диктует необходимость использования современных информационных технологий.

Традиционно определенное количество распределительных ячеек объединяются в более крупные и сложные распределительные устройства согласно функциональности, удовлетворяющей требованиям заказчика, причем ячейки подключены в пределах этой совокупности проводными соединениями по принципу точка-точка.

В настоящее время эти особенности распределительных ячеек являются их серьезным недостатком, поскольку аппаратная разводка соединений находиться в непосредственной зависимости от конфигурации создаваемого энергообъекта, и как следствие, существует необходимость проектирования и изготовления полностью специализированных распределительных ячеек.

Это подразумевает длительное время и увеличенную стоимость, соответственно связанные с техническим проектированием распределительных ячеек, производством, вводом их в строй и техническим обслуживанием, а также, низким уровнем возможности обновления оборудования и функциональной перестраиваемости.

Известно многопроцессорная информационно-управляющая система релейной защиты и автоматики (патент на изобретение 2210104, МПК G06F 15/16, Н01Н 83/00, Н02Н 7/00, приоритет от 28.06.2001), содержащая N устройств обработки и N узлов связи, причем каждое устройство обработки содержит блок обработки и два узла сопряжения с магистралью, причем выход b-го узла связи (где b=1N-1) соединен со входом (b+1)-го узла связи, причем, нее введен микропроцессорный преобразователь, причем информационные входы-выходы первой группы каждого N-го устройства обработки соединены с информационными входами-выходами соответствующего N-го узла связи, информационные входы-выходы второй группы каждого N-го устройства обработки являются первой группой входов-выходов системы, вторая группа входов-выходов которой является группами входов-выходов N-ых блоков обработки, первая и вторая группы входов которых являются группой входов системы, выход N-го узла связи соединен со входом микропроцессорного преобразователя, выход которого соединен со входом первого узла связи, группа входов-выходов микропроцессорного преобразователя является третьей группой входов-выходов системы, причем микропроцессорный преобразователь состоит из двух усилителей, микропроцессора, набора элементов или, элемента и, преобразователя электрических сигналов в оптические и преобразователя оптических сигналов в электрические, причем группа входов-выходов микропроцессорного преобразователя является входом первого усилителя и выходом второго усилителя, вход которого соединен с выходом элемента И, первый вход которого соединен с третьим входом набора элементов или и с первым выходом микропроцессора, вход которого соединен с выходом первого усилителя, второй выход микропроцессора соединен с первым входом набора элементов или, второй вход которого соединен со вторым входом элемента и и с выходом преобразователя оптических сигналов в электрические, вход которого является входом микропроцессорного преобразователя, выход которого является выходом преобразователя электрических сигналов в оптические, вход которого соединен с выходом набора элементов ИЛИ.

Известная многопроцессорная информационно-управляющая система обладает ограниченными функциональными возможностями.

Наиболее близким по технической сущности является ячейка распределения электроэнергии среднего или высокого напряжения с встроенной цифровой связью и многофункциональной модуль для такой ячейки (заявка на изобретение 2009118938/07, МПК H02J 13/00, конвенционный приоритет от 20.10.2006), содержащая одно или более устройств основного оборудования, предназначенных для выполнения одной или более основных функций, причем одно или более устройств вторичного оборудования, предназначено для выполнения одной или более вторичных функций, и, по меньшей мере, первое интеллектуальное электронное устройство (ИЭУ-1), оперативно связанное с упомянутым одним или более устройствами вторичного оборудования, которая дополнительно содержит, по меньшей мере, первую цифровую шину связи, которая соединена с соответствующим первым цифровым коннектором, причем упомянутая первая цифровая шина связи и упомянутый первый цифровой коннектор соединяют оперативной связью, по меньшей мере, одно из упомянутых устройств вторичного оборудования с упомянутым первым интеллектуальным электронным устройством (ИЭУ-1).

Недостатком такой ячейки является ограниченные функциональные возможности и недостаточная надежность.

Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в расширении функциональных возможностей ячейки распределения электроэнергии, повышении надежности и сокращении количества аппаратных соединений.

РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Поставленная задача решается за счет того, что интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии, содержащая, по крайней мере, одно интеллектуальное электронное устройство, предназначенное для выполнения функций измерения, учета электрической энергии, защиты и автоматики, и первичное оборудование, в состав которого входит такое оборудование, как коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы тока, измерительные трансформаторы напряжения, отличается тем, что содержит цифровую коммуникационную шину, подключенную к, по крайней мере, одному интеллектуальному электронному устройству, которое обеспечивает весь информационный обмен с интеллектуальными электронными устройствами смежных интеллектуальных ячеек распределения электроэнергии и автоматизированными системами распределения и передачи электроэнергии.

Применение предлагаемого решения позволит значительно сократить количество вторичных кабелей цепей измерения, сигнализации и управления, что в свою очередь снизит стоимость оборудования, на всех этапах жизненного цикла (проектирование, монтаж, эксплуатация). Кроме того, предлагаемое решение обеспечит повышенную надежность за счет уменьшения общего количества точек потенциального отказа и возможности выполнения периодической диагностики исправного состояния линии связи коммуникационной шины.

Использование данного решения позволит расширить функциональность за счет возможности организации вертикального информационного взаимодействия между устройствами уровня первичного оборудования и устройствами уровня ячеек распределения электроэнергии, а также возможности организации горизонтальных информационных связей, как между устройствами уровня первичного оборудования, так и уровня ячеек. Применение предлагаемого решения обеспечит возможность использования новых схем организации защиты, например, создание распределенной дифференциальной защиты шин.

Преобразование дискретных и аналоговых сигналов первичного оборудования в цифровое представление позволяет без потери качества передавать значения этих сигналов по цифровой коммуникационной шине смежным интеллектуальным ячейкам распределения электроэнергии и автоматизированным системам управления. Также обеспечивается возможность получения доступа к этой информации неограниченному числу подписчиков (устройств-получателей). Например, интеллектуальные электронные устройства ячеек распределения, в которых не содержатся трансформаторы напряжения, могут получать по цифровой коммуникационной шине измеренные мгновенные или действующие значения напряжений от других интеллектуальных электронных устройств, размещенных в смежных ячейках, оборудованных трансформаторами напряжения.

Функционирование цифровой коммуникационной шины на основе доступной сетевой технологии промышленного Ethernet обеспечивает высокую скорость передачи данных, взаимодействие с широким спектром сетевого оборудования и возможность использования широкодоступных механизмов управления передачей данных.

Выполнение цифровой коммуникационной шины на базе витой медной пары обеспечивает низкие затраты при выполнении монтажных и пусконаладочных работ.

Использование для информационного обмена между смежными интеллектуальными ячейками распределения электроэнергии и удаленными системами управления, стеклянных или пластиковых оптических волокон, как физической среды передачи, обеспечивает увеличенную дальность передачи данных, гальваническую развязку и повышенную устойчивость к электромагнитным помехам.

Использование международных информационных протоколов, в частности стандарта IEC61850, для передачи информации по цифровой коммуникационной шине обеспечивает открытость, интероперабельность и 6 унификацию информационного обмена.

Использование сетевых коммутаторов, конверторов перехода с одной физической среды передачи данных на другую позволяет выполнять сегментирование и объединение коммуникационной шины, осуществлять масштабируемость решения без изменения состава оборудования.

Резервирование цифровой коммуникационной шины с использованием международных информационных протоколов обеспечивает повышенную надежность, отказоустойчивость и отсутствие потерь при передаче данных, а также возможность функционирования с интеллектуальными электронными устройствами сторонних производителей.

Подключение интеллектуальных электронных устройств к высокоточной сети тактовой синхронизации обеспечивает формирование синхронизированного во времени потока измеренных дискретных значений тока и/или напряжения, что позволит, за счет единства временных меток и интервалов измерений, выполнять в интеллектуальных электронных устройствах объединение потоков измеренных значений, поступающих от смежных устройств распределения электроэнергии.

Применение в качестве трансформаторов тока маломощных датчиков тока с выходом по напряжению или высокоточных катушек Роговского позволяет снизить требования к необходимому пространству под их размещение в ячейке и повысить точность измерения токов.

Применение в качестве трансформаторов высоковольтных резистивных делителей напряжения позволяет снизить требования к необходимому пространству под их размещение в ячейке.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена упрощенная функциональная схема энергообъекта, в которой цифровая коммуникационная шина объединяет смежные интеллектуальные ячейки распределения электроэнергии и автоматизированную систему распределения и передачи электроэнергии.

На фиг.2 показана функциональная схема цифровой коммуникационной шины, в которой используются сетевые коммутаторы.

На фиг.3 изображена функциональная схема соединения интеллектуальных ячеек распределения электроэнергии, в которой цифровая коммуникационная шина выполнена резервированной, причем резервирование выполняется в соответствии с протоколом, обеспечивающим бесшовную избыточность с высокой готовностью (HSR).

На фиг.4 представлена функциональная схема соединения интеллектуальных ячеек распределения электроэнергии, в которой цифровая коммуникационная шина выполнена резервированной, причем резервирование выполняется в соответствии с протоколом параллельной избыточности (PRP).

Интеллектуальные ячейки распределения электроэнергии 1, 2, 3, представленные на фиг.1, с различным функциональным назначением, содержат в своем составе соответственно интеллектуальные электронные устройства 6, 7, 8, и первичное оборудование, включающее коммутационные аппараты 9, 12, 14, трансформаторы напряжения 11, 15 и трансформаторы тока 12, 14.

Коммутационные устройства могут представлять собой, например, вакуумные выключатели, заземлители, выключатели нагрузки, и предназначены для выполнения одной из первичных функций, таких как, включение нагрузки, отключение, работа при номинальном токе, устойчивость к току короткого замыкания в течение определенного времени.

Трансформаторы тока 12, 14 и трансформаторы напряжения 11,15 предназначены для преобразования (масштабирования) измеряемых первичных токов и напряжений до значений, необходимых для входных интерфейсов интеллектуальных электронных устройств 6, 7, 8. На интеллектуальные электронные устройства 6, 7, 8 также могут поступать бинарные сигналы, представляющие информацию с датчиков, реле, кнопок управления или дискретных выходов других устройств.

Интеллектуальные электронные устройства 6, 7, 8 являются многофункциональными приборами на базе микропроцессоров, включают в себя возможности анализатора качества энергии, учета электроэнергии, релейной защиты, регистратора аварийных ситуаций, регистратора данных и программируемого контроллера, ориентированных на автоматизацию энергообъектов. Интеллектуальные электронные устройства, кроме того, обеспечивают трехфазные или однофазные измерения электрических параметров тока и напряжения с использованием информации, поступающей от трансформаторов напряжения 11,15 и трансформаторов тока 12,14, мониторинг внешних событий, управление работой коммутационной аппаратуры 9,12,14 через контакты реле, регистрацию измеряемых величин, регистрацию токов короткого замыкания, анализ гармоник сети и запись искажений формы кривой напряжения.

Информационный обмен по цифровой коммуникационной шине 4 позволяет заменить традиционные проводные соединения "точка с точкой" со смежными интеллектуальными ячейками распределения электроэнергии и тем самым уменьшить объем проводного монтажа. Любая информация, представленная одним из интеллектуальных электронных устройств, может быть сделана доступной любому другому электронному устройству, подключенному к цифровой коммуникационной шине 4. Разнообразные функции по защите, управлению и учету могут использовать совместно ту же самую, предоставляемую цифровой шиной информационную платформу, избегая, таким образом, дублирования оборудования и облегчая добавление новых функциональных задач при расширении энергообъекта.

Некоторые функций по защите и учету электрической энергии требуют синхронности дискретных измеренных значений, получаемых от трансформаторов тока и напряжения, расположенных в смежных интеллектуальных ячейках распределения. С этой целью источник тактового сигнала 19 синхронизирует по сети тактовой синхронизации 20 все интеллектуальные электронные устройства, тем самым обеспечивая синхронность дискретных измеренных значений во времени, единство временных меток и интервалов измерений. В качестве эталонного источника синхронизации 19 могут использоваться приемники глобальных систем навигации GPS или ГЛОНАСС.

Для расширения функциональных возможностей по изменению топологии цифровой коммуникационной шины, подключения дополнительного сетевого оборудования на фиг.2 представлена функциональная схема, в которой внутри каждой интеллектуальной ячейки распределения 1, 2, 3 установлены соответственно сетевые коммутаторы 16, 17, 18. Они осуществляют разбиение коммуникационной шины на сегменты 4А, 4В, 4С, 4D, 4Е, 4F, обеспечивая тем самым, безопасность передачи данных за счет поддержки многопротокольной маршрутизации и управления графиком на основе различных протоколов управления сетью. Одним из вариантов реализации предлагаемого решения является интегрирование сетевых коммутаторов 16, 17, 18 в состав соответственно интеллектуальных электронных устройств 6, 7, 8.

Одной из основных проблем при построении энергообъектов является задача обеспечения их высокой надежности. На фиг.3 изображена функциональная схема, в которой высокая готовность или надежность функционирования цифровой коммуникационной шины достигается путем обеспечения ее резервирования с использованием протокола HSR, обеспечивающим бесшовную избыточность. Цифровая коммуникационная шина имеет кольцевую топологию, причем каждое из интеллектуальных электронных устройств 6, 7, 8 и оборудование автоматизированной системы распределения и передачи электроэнергии 5, имеют два коммуникационных порта. Коммуникационная шина разбита на участки 4G, 4Н, 4I, 4J, 4К, соединяющие порты устройств 5, 6, 7, 8 без использования отдельных сетевых коммутаторов. При этом пропускная способность шины делится пополам, поскольку при кольцевой топологии осуществляется передача двух пакетов данных от любого из устройств 5, 6, 7, 8 в разных направлениях. Каждое интеллектуальное электронное устройство с поддержкой протокола HSR, получающее пакет данных по кольцевой шине, направляет его на другой свой порт и одновременно, в зависимости от правил переадресации, выполняет копирование пакета данных на свои верхние уровни. После того как передача пакета данных выполнена через всю кольцевую шину, устройство-отправитель должен удалить пакет данных для исключения возможности его дальнейшей циркуляции по коммуникационной шине.

Представленная на фиг.4 функциональная схема соединения интеллектуальных ячеек распределения электроэнергии, реализует подход к резервированию цифровой коммуникационной шины с применением протокола параллельной избыточности (PRP). Это решение основано на использовании коммуникационной шины, состоящей из двух подсетей 4L и 4М, с двумя активными независимыми линиями связи между любыми двумя интеллектуальными электронными устройствами. Каждое из интеллектуальных электронных устройства использует два независимых коммуникационных порта, по которым одновременно осуществляется передача данных. При этом протокол резервирования должен гарантировать, что каждое интеллектуальное электронное устройство будет использовать только первый пакет данных, а второй будет проигнорирован. Если устройство получает только один пакет, это свидетельствует о нарушении исправности второй активной линии связи. Протокол PRP допускает использование цифровой коммуникационной шины с двумя независимыми сетями любой топологии.

Преимуществом протоколов PRP и HSR является то, что время реконфигурации цифровой коммуникационной шины приблизительно равно нулю, что исключает наличие задержек и гарантирует высокую готовность функционирования.

Предложенные технические решения для интеллектуальной ячейки распределения электроэнергии в полной мере обеспечивают возможность достижения упомянутых выше задач. Использование цифровой коммуникационной шины для обмена информацией между интеллектуальными электронными устройствами, установленными в ячейках, позволяет создать единое информационное пространство, осуществить надежную передачу цифровых данных, снизить объем проводного монтажа и расширить функциональные возможности.

1. Интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии, содержащая, по крайней мере, одно интеллектуальное электронное устройство, предназначенное для выполнения функций измерения, учета электрической энергии, защиты и автоматики, и первичное оборудование, в состав которого входит такое оборудование, как коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы тока, измерительные трансформаторы напряжения, отличающаяся тем, что содержит цифровую коммуникационную шину, подключенную к, по крайней мере, одному интеллектуальному электронному устройству, которое обеспечивает весь информационный обмен с интеллектуальными электронными устройствами смежных интеллектуальных ячеек распределения электроэнергии и автоматизированными системами распределения и передачи электроэнергии.

2. Интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что интеллектуальное электронное устройство осуществляет преобразование дискретных и аналоговых сигналов первичного оборудования в цифровые данные и предоставляет эти данные по цифровой коммуникационной шине смежным интеллектуальным ячейкам распределения электроэнергии и автоматизированным системам распределения и передачи электроэнергии.

3. Интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что цифровая коммуникационная шина функционирует на основе сетевой технологии Ethernet.

4. Интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что цифровая коммуникационная шина выполнена на базе различных физических сред передачи данных: витая пара и/или оптические волокна.

5. Интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что передача информации по цифровой коммуникационной шине осуществляется в соответствии с международным информационным протоколом.

6. Интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что цифровая коммуникационная шина содержит устройства, обеспечивающие ее работу, например сетевые коммутаторы, конверторы перехода с одной физической среды передачи данных на другую.

7. Интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что цифровая коммуникационная шина выполнена резервированной, причем резервирование выполняется в соответствии с международным информационным протоколом.

8. Интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит сеть тактовой синхронизации, которая подключена к входу синхронизации интеллектуальных электронных устройств.

9. Интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что в качестве трансформаторов тока используются маломощные датчики тока с выходом по напряжению.

10. Интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что в качестве трансформаторов тока используются высокоточные катушки Роговского.

11. Интеллектуальная ячейка распределения электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что в качестве трансформаторов напряжения используются высоковольтные резистивные делители напряжения.