Сеть приема и передачи управляющей информации для управляющих систем
Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована для управляющих систем (ЦС АРЧМ, ЦРН и ПА) объединенных энергетических систем (ОЭС). Задачей полезной модели является разработка и создание независимой, т.е. не входящей в состав ОИК автоматизированной системы диспетчерского управления АСДУ, сети приема и передачи управляющей информации для управляющих систем необходимой для их надежной и эффективной работы, выполняющей все функции известных телеинформационных сетей, но исключающую недостатки этих сетей, а также обладающую дополнительными достоинствами: выделение из общего объема передаваемой информации информацию необходимую для управления энергообъектами; быстродействие в пределах 1 сек; надежность обработки и формирования управляющих воздействий; исключение возможности получения недостоверной информации; возможность вести логическую обработку и анализ информации непосредственно на объектах управления; передачу информации в именованных единицах; постоянный контроль за состоянием каналов связи и временем передачи информации. Достигается поставленная задача тем, что на энергообъектах управления (электрических станциях и подстанциях) устанавливаются комплексы приема - передачи управляющей информации (КППУ), а на диспетчерских пунктах ОЭС устанавливается станция приема - передачи управляющей информации (СППУ), связанная с управляющими системами, а для обмена данными используются протокол Modbus RTU.
Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована в централизованных системах автоматического регулирования частоты и перетоков активной мощности (ЦС АРЧМ), центральных регуляторах напряжения (ЦРН) и противоаварийной автоматике (ПА) объединенных энергетических систем (ОДУ Сибири, ОДУ Востока, ОДУ Урала, ОДУ Северного Кавказа, ОДУ Центра, ОДУ Северо-Запада, ОДУ Средней Волги).
В настоящее время известны, разработанные еще в советское время, телеинформационные сети (ТИС), предназначенные для автоматического обмена телеинформацией (телеизмерениями ТИ, телесигналами ТС, командами телеуправления ТУ и телерегулирования ТР) по каналам телемеханики (цифровой и аналоговой аппаратуре связи) между устройствами телемеханики (УТМ), установленными на энергообъектах и центральными приемо-передающими станциями (ЦППС) оперативных информационно-управляющих комплексов (ОИУК), установленными на диспетчерских пунктах (ДП) объединенных энергосистем (ОЭС), а также для обмена ТИ, ТС, ТУ, ТР, оперативной цифробуквенной информацией (ЦБИ) между ЦППС диспетчерских пунктов разных уровней управления (Автоматизация диспетчерского управления в электроэнергетике. В.А.Баринов, А.З.Гамм, Ю.Н.Кучеров, В.Г.Орнов, Ю.Н.Руденко, В.А.Семенов и др.. Под общей редакцией Ю.Н.Руденко и В.А.Семенова. - М.: Издательство МЭИ, 2000 г., стр.57-58.) Эта информация обеспечивает функционирование подсистем автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ): централизованной системы автоматического регулирования частоты и перетоков активной мощности (ЦС АРЧМ) и противоаварийной автоматики (ПА). ЦС АРЧМ предназначена для управления режимами объединенных энергосистем.
В качестве оконечных устройств на энергообъектах установлены разнообразные УТМ (УТК-1, УТМ-7 и ТМ-512), применяемые для приема управляющих воздействий и передачи сигналов обратной связи на верхний уровень ЦС АРЧМ.
Основными недостатками рассматриваемой телеинформационной сети (ТИС) являются (Автоматизация диспетчерского управления в электроэнергетике. В.А.Баринов, А.З.Гамм, Ю.Н.Кучеров, В.Г.Орнов, Ю.Н.Руденко, В.А.Семенов и др.. Под общей редакцией Ю.Н.Руденко и В.А.Семенова. - М.: Издательство МЭИ, 2000 г., стр.57-58.):
значительное количество устаревших морально и физически устройств телемеханики (УТМ-7, УТК-1 и др.), требующих замены, т.к. не модернизировались более 30 лет;
время доставки информации до 30 с, что значительно больше требуемого (1 с);
низкая помехозащищенность;
отсутствует возможность вести логическую обработку и анализ принимаемой информации, что недопустимо для современных управляющих систем в электроэнергетике;
отсутствие современных программируемых устройств телемеханики с расширенными функциями по сбору, обработке и передаче информации;
отсутствует контроль за состоянием каналов связи и временем передачи информации.
использование низкоскоростных каналов, что приводит к ограничению объема передаваемой телеинформации, увеличению времени запаздывания, возрастанию динамической погрешности на всех уровнях управления, неэффективности использования более современных протоколов передачи и др..
Известны также ТИС, обеспечивающие обмен информацией по каналам телемеханики (цифровой и аналоговой аппаратуре связи) с верхним уровнем ЦС АРЧМ, в которых на диспетчерских пунктах объединенных
энергосистем также используются ЦППС ОИК, входящие в состав АСДУ, но на энергообъектах вместо УТМ (УТК-1, УТМ-1, ТМ-512 и др.) используется цифровой задатчик внеплановой нагрузки (ЦЗВН) электростанции на базе аппаратуры телемеханики SMART-КП, разработанный ЗАО «РТСофт» (Р.Н.Могилко «Цифровой задатчик внеплановой нагрузки электростанции на базе аппаратуры телемеханики SMART-КП», журнал «Мир компьютерной автоматизации» (МКА) №6 2002 год).
ЦЗВН электростанции построен на базе аппаратуры телемеханики SMART-КП, которая представляет собой интеллектуальное устройство, выполненное на базе программируемого логического контроллера (ПЛК) SMART - I/O фирмы PEP Modular Computers (Германия).
Центральным элементом ЦЗВН является блок процессора SMART-BASE, выполняющий вычислительные и коммуникационные функции. А модули ввода-вывода, входящие в состав ЦЗВН, обеспечивают сопряжение контроллера с внешними цепями. Пульт оператора решает задачи визуализации процесса регулирования, ручного управления ЦЗВН, а также контроля и диагностики программно-технического комплекса (ПТК).
ЦЗВН электростанции выполняет следующие функции:
прием с верхнего уровня ЦС АРЧМ управляющего воздействия (в виде внепланового задания мощности электростанции), в соответствии с протоколом аппаратуры телемеханики УТК-1, передаваемого в виде 8-разрядного сигнала телеуправления и 4-х телесигналов ТС телеотключения и телевключения;
масштабирование принятого кода управляющего воздействия в соответствии с заданной линейной масштабной характеристикой;
отработка и запоминание принятого управляющего воздействия (интегральной составляющей) с помощью следящей системы, состоящей из интегратора, охваченного отрицательной обратной связью (ООС);
выдача интегральной и пропорциональной составляющих управляющего воздействия в станционную систему управления мощностью по двум отдельным независимым выходным цепям;
ввод и отработка сигналов от элементов ручного управления ЦЗВН;
отображение необходимой информации и сигнализация о работе и состоянии ЦЗВН и его защит для дежурного персонала станции;
сбор необходимой информации о работе электростанции под управлением ЦС АРЧМ, формирование обобщенных сигналов о работе и состоянии ЦЗВН и передача этой информации на верхний уровень ЦС АРЧМ по каналам телемеханики в соответствии с протоколом аппаратуры телемеханики ТМ-512;
защита от неправильного действия устройства или повреждения технических средств.
Недостатки сетей с использованием на энергообъектах ЦЗВН на базе аппаратуры телемеханики SMART-КП обусловлены тем, что для приема и передачи управляющей информации для ЦС АРЧМ используются устаревшие протоколы аппаратуры телемеханики УТК-1, к этим недостаткам относятся:
значительные задержкам при приеме и передаче управляющей информации, во время которых отсутствует контроль за состоянием каналов связи и временем передачи информации;
отсутствие возможности вести логическую обработку и анализ принимаемой информации;
информация с датчиков поступает в виде восьмиразрядного кода, что вызывает большую дискретность значений перетоков мощности.
Наличие этих недостатков недопустимо для обеспечения надежной работы управляющих систем в электроэнергетике (ЦС АРЧМ, ЦРН и ПА).
Задачей полезной модели является создание независимой сети приема и передачи управляющей информации для управляющих систем в электроэнергетике (ЦС АРЧМ, ЦРН и ПА), необходимой для их надежной и
эффективной работы, выполняющей все функции известных телеинформационных сетей, но исключающей недостатки этих сетей, а также обладающей дополнительными достоинствами, которые обеспечивают:
надежность, т.е. полностью дублированную и отказоустойчивую архитектур;
выделение необходимой для управления информации из общего объема информации с объектов управления;
быстродействие в пределах 1 сек;
логическую обработку и диагностику информации непосредственно на объектах управления;
надежность обработки и формирования управляющих воздействий, которая исключает возможность получения недостоверной информации;
передачу информации в именованных единицах (мегаваттах, киловольтах, амперах и др.);
постоянный контроль за состоянием каналов связи и временем передачи информации;
Поставленная задача достигается тем, что сеть приема и передачи управляющей информации для управляющих систем, включающая каналы телемеханики (цифровую и аналоговую аппаратуру связи), аппаратуру телемеханики, выполненную на базе промышленных логических контроллеров (ПЛК) и установленную на энергообъектах управления ОЭС (электростанциях и подстанциях), которой являются комплексы приема-передачи управляющей информации (КППУ), отличается от известных аналогов тем, что:
является независимой т.к. не входит в состав оперативного информационного комплекса (ОИК) автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ);
на диспетчерских пунктах объединенных энергосистем (ДП ОЭС) вместо центральных приемо-передающих станций ЦППС ОИК
устанавливаются станции приема-передачи управляющей информации (СППУ), выполненные на базе ПЛК;
вместо устаревших протоколов обмена данными устройств телемеханики (УТК-1, ТМ-512), используются протоколы Modbus RTU.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, на котором показана структурная схема сети приема и передачи управляющей информации для управляющих систем (на примере ЦС АРЧМ).
Сеть приема и передачи управляющей информации для управляющих систем состоит из:
станции приема и передачи управляющей информации (СППУ) 1, устанавливаемой на ДП ОЭС и состоящей из двух программируемых логических контроллеров (ПЛК) 2 и 3;
комплекса приема передачи управляющей информации, устанавливаемого на электрических подстанциях (КППУ ПС) 4;
комплекса приема передачи управляющей информации, устанавливаемого на электрических станциях (КППУ ЭС) 5;
двухканальной аппаратуры связи 6, включающей в себя оборудование и телемеханические каналы связи (цифровые или аналоговые), которые связывают СППУ 1 с КППУ ПС 4 и КППУ ЭС 5;
управляющей системы (ЦС АРЧМ) 7;
управляющей сети Controller Link (CLK) 8, соединяющей между собой ПЛК 2 и 3 с управляющей системой 7.
Работа сети приема и передачи управляющей информации для управляющих систем в электроэнергетике в заключается том, что информация о состоянии объектов управления (электрических станций и подстанций) собирается и обрабатывается на КППУ 4 и 5 затем через аппаратуру связи 6 автоматически передается на СППУ 1, установленную на ДП ОЭС, для обработки информации, поступившей со всех энергообъектов управления, и по управляющей сети Controlltr Link 8 автоматически транслируется в управляющую систему (ЦС АРЧМ) 7, которая, в свою
очередь, на основании полученной информации, формирует управляющие воздействия для объектов управления и автоматически транслирует их в обратном порядке (обратная связь) по управляющей сети CLK 8 на СППУ 1 затем через аппаратуру связи 6 на КППУ 4 и 5, которые управляют групповыми регуляторами активной и реактивной мощности на электрических станциях и исполнительными механизмами на подстанциях.
Комплексы приема-передачи управляющей информации (КППУ ПС) 4 и (КППУ ЭС) 5, выполненные на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК) и установленные на объектах управления (ЭС и ЭП) предназначены для приема и передачи управляющей информации, т.е. обеспечивают обмен информацией с верхним уровнем управляющих систем в электроэнергетике (ЦС АРЧМ, ЦРН и ПА).
В зависимости от выполняемых задач КППУ 4 и 5 могут комплектоваться различными модулями:
коммуникационные модули обмена по интерфейсу RS-232/RS-422/RS-485, Ethernet, Profibus, Controller Link;
модули аналогового или дискретного ввода-вывода.
Конфигурация модулей КППУ 4 и 5 может легко меняться, дополняться в зависимости от необходимых задач управления, а также от типов и числа подключенных групповых регуляторов активной мощности (ГРАМ), что позволяет выделение из общего потока, передаваемой с объектов управления, информации информацию необходимую для управления энергообъектами ОЭС.
Для связи с СППУ 1 используется современный надежный и простой протокол обмена данными Modbus RTU, что очень важно в задачах управления.
Функциональные возможности КППУ 4 и 5:
сбор необходимой для управления дискретной (телесигналы) и аналоговой (телеизмерения) информации с электрического оборудования
энергообъектов управления (ЭС и ПС) и передача этой информации на верхний уровень управляющих систем;
прием с верхнего уровня управляющих систем управляющих воздействий (в виде внепланового задания мощности электростанции и т.д.) в соответствии с протоколом обмена данными Modbus RTU, передаваемого 16-битными словами;
выполнять диагностику достоверности принимаемой информации и формировать среднее значение для аналоговых параметров за 1 секунду;
выполнять функции задатчика внеплановой мощности (ЗВМ) и уставки напряжения (УН) на групповые регуляторы электрических станций;
принимать управляющие команды с СППУ 1, которые позволяют изменять режимы работы (перевод в наладочный режим, степень сглаживания аналоговых параметров, задание допустимой скорости изменения внеплановой мощности и т.д.) и скорости работы с СППУ 1 через аппаратуру связи.
Таким образом, КППУ 4 и 5 значительно расширяют возможности управления энергообъектами в части объема и качества информации, полностью заменяют функции имеющихся устаревших устройств телемеханики УТМ и устраняют все связанные с их работой недостатки.
Станция приема-передачи управляющей информации (СППУ) 1, выполненная на базе двух ПЛК 2 и 3, основной функцией которой является сбор информации о состоянии энергообъектов управления ОЭС и передачи управляющих воздействий от управляющих систем (ЦС АРЧМ, ЦРН и ПА) на объекты управления.
В состав каждого ПЛК 2 и 3 СППУ 1 входят:
блок питания;
модуль процессора;
коммуникационные модули (каждый с двумя портами RS-232);
модуль Ethernet;
модуль Controller Link.
Модули Controller Link предназначены для быстрого автоматического обмена управляющей информацией между ПЛК 2 и 3 СППУ 1 и управляющими системами (ЦС АРЧМ, ЦРН и ПА).
Модули Ethernet используются для доступа пользователей к данным ПЛК 2 и 3 в рамках локальной вычислительной сети (ЛВС) или для загрузки разработчиками в ПЛК 2 и 3 программ через сеть, а также для мониторинга работы ПЛК2 и 3. Мониторинг работы СППУ 1 и ведение архива выполняются по ЛВС SCADA-программой, устанавливаемой на персональном компьютере (ПК) телемеханика. Архивы могут быть организованы на флэш-памяти, установленной в ПЛК 2 и 3, и передаваться по электронной почте.
Обмен управляющей информацией между СППУ 1 и КППУ 4 и 5 выполняется по интерфейсу RS-232 через аппаратуру связи по стандартному протоколу обмена данными на базе Modbus RTU. Используемая в этом протоколе для проверки достоверности двухбайтная контрольная сумма, практически сводит к нулю возможность получения недостоверной информации. СППУ 1 является главной в организации обмена управляющей информацией с КППУ 4 и 5, установленными на энергообъектах управления. СППУ 1 управляет режимами работы КППУ 4 и 5, а также контролирует время работы обмена по каждому каналу связи.
Необходимым и достаточным условием для надежной работы сети приема и передачи управляющей информации для управляющих систем, т.е. связи СППУ 1 с КППУ 4 и 5, является наличие двухканального обмена данными между СППУ 1 и КППУ 4 и 5. При этом оба канала находятся постоянно в рабочем состоянии, и СППУ 1 автоматически выбирает, какой канал будет использоваться в качестве основного, а какой - в качестве резервного. Каждый канал КППУ 4 и 5 связан с двумя ПЛК 2 и 3 СППУ 1. При выходе из строя одного из двух ПЛК и автоматически продолжает работу второй ПЛК.
Прием и передача данных осуществляется 16-битными словами, что позволяет принимать и передавать данные в именованных единицах (мегаваттах, киловольтах, амперах и др.) в диапазоне значений от -32768 до +32768.
Взаимодействие между СППУ 1 и управляющими системами 7 (ЦС АРЧМ, ЦРН и ПА) осуществляет управляющая сеть Controller Link 8, которая объединяет программируемые логические контроллеры 2 и 3 СППУ 1 и управляющие системы 7 для быстрого автоматического обмена данными.
Использование СППУ 1 позволило изменить подход к организации модели управляющих системам в электроэнергетике. Появилась возможность разделения функции сбора и передачи информации для технологических задач с функцией непосредственного расчета управляющих воздействий, что позволило увеличить быстродействие передачи управляющей информации (1 секунда)
С вводом в работу СППУ 1 управляющие системы 7 (ЦС АРЧМ и др.) реализует только алгоритм вычисления управляющих воздействий, а СППУ 1 выполняет сбор информации о состоянии энергообъектов управления ОЭС и передает управляющее воздействия от управляющих систем объектам управления (электрическим станциям и подстанциям).
Предлагаемая полезная модель полностью заменяет функции известных телеинформационных сетей, исключает их недостатки и обладает достоинствами, которые обеспечивает надежную и эффективную работу управляющих систем 7 (ЦС АРЧМ, ЦРН и ПА), а именно:
независимость, т.е. не зависит от работы ОИК и других информационных систем АСДУ, хотя в принципе имеет возможность подключения к ним;
выделение необходимой для управления информации из общего объема информации с объектов управления;
достоверность принимаемой и передаваемой управляющей информации;
надежность, т.е. полностью дублированная отказоустойчивая архитектура;
гарантированная скорость получения управляющей информации в пределах одной секунды (1 с);
логическая обработка и диагностика информации непосредственно на объектах управления;
передача информации в именованных единицах (мегаваттах, киловольтах, амперах и др.);
плавность и точность регулирования - до 1 МВт, 1 кВ;
контроль за состоянием каналов связи и временем передачи управляющей информации.
Сеть приема и передачи управляющей информации в целом соответствует требованиям «Правил устройства электроустановок», «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ», «Межотраслевых правил по охране труда при эксплуатации электроустановок» и «Концепции развития систем автоматического регулирования частоты и перетоков активной мощности ЕЭС», и рассчитана на длительное функционирование.
Сеть приема и передачи управляющей информации для управляющих систем, включающая каналы телемеханики (цифровую и аналоговую аппаратуру связи), аппаратуру телемеханики, выполненную на базе промышленных логических контроллеров (ПЛК) и установленную на энергообъектах управления ОЭС (электростанциях и подстанциях), которой являются комплексы приема-передачи управляющей информации (КППУ), отличающаяся тем, что является независимой т.к. не входит в состав оперативного информационного комплекса (ОИК) автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ); на диспетчерских пунктах объединенных энергосистем (ДП ОЭС) вместо центральных приемопередающих станций ЦППС ОИК устанавливаются станции приема-передачи управляющей информации (СППУ), выполненные на базе ПЛК; вместо устаревших протоколов обмена данными устройств телемеханики (УТК-1, ТМ-512 и др.), используются протоколы Modbus RTU.
