СПОСОБ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ КАНАЛОВ СВЯЗИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ, АНАЛИЗА, МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДСТАНЦИИ
METHOD OF RESERVATION OF COMMUNICATION CHANNELS AND TECHNOLOGICAL DEVICES FOR MEASURING, ANALYZING, MONITORING AND CONTROLLING ELECTRICAL SUBSTATION EQUIPMENT

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для построения систем измерения, анализа, мониторинга и управления оборудованием электрических подстанций всех классов напряжений, в том числе 6-35 кВ, 110-220 кВ, 330-500 кВ и выше. Одним из основных применений изобретения может быть реализация цифровой подстанции.
В цифровой подстанции (далее - ЦПС), как в системе связанного между собой оборудования, коммуникационная сеть является одним из важнейших элементов, определяющим надежность и быстродействие работы всей системы. В частности, критически важным является скорость реакции защит линий, шин, трансформаторов и другого оборудования при их повреждениях. При этом, надежность ЦПС повышают, осуществляя как резервирование (дублирование) самих технологических устройств (релейной защиты, противоаварийной автоматики и др.) так и элементов связи между ними.
Известна структура цифровой подстанции из статьи Орлова Л.Л. «Оптимизация структуры и технико-экономических характеристик цифровых подстанций» (журнал «Релейная защита и автоматизация», 2012 г, №2, стр. 68-71), содержащая способ организации коммуникационной сети ЦПС, в котором все имеющиеся интеллектуальные технологические устройства - устройства сбора информации (токов, напряжений измерительных трансформаторов), устройства регистрации аварийных событий, устройства управления высоковольтными выключателями и разъединителями, интеллектуальные устройства релейной защиты и автоматики, устройства противоаварийной автоматики, устройства определения места повреждения, устройства контроля присоединений, устройства учета электрической энергии, устройства контроля качества электрической энергии, устройства мониторинга и диагностики силового оборудования - двигателей, трансформаторов, генераторов, устройства контроля информационно-измерительных и информационно-вычислительных комплексов оборудования, являются источниками или/и приемниками информационных пакетов. Они передают и принимают информационные пакеты, представляющие собой измеренные физические величины (мгновенные значения и векторы тока, напряжения, температура и других физических величин), их математические преобразования для определения других физических величин (мощность, фаза, сопротивление, количество потребленной электроэнергии и другие физические величины), сигналы и команды управления, аудиосигналы и видеоизображения, посредством сети, организованной путем соединения коммутаторов, образующих радиальную или кольцевую топологию, а также их сочетания. При этом информационный обмен может производиться по нескольким каналам связи одновременно.
Недостатком данного способа организации коммуникационной сети ЦПС является низкая надежность, обусловленная тем, что при потере некоторых измерительных цепей (токов, напряжений) некоторые виды защит (например, защита шин подстанции) могут сработать некорректно, что приведет к возникновению аварийных ситуаций.
Известна автоматизированная система мониторинга, защиты и управления оборудованием электрической подстанции из патента РФ №2468407 с датой приоритета 17.06.2011 г., включающая датчики технических параметров оборудования электрической подстанции, соединенные с преобразователем электрического сигнала в оптический, оптическую шину передачи данных, преобразователи оптического сигнала в электрический сигнал, устройство для мониторинга, защиты, регистрации и управления оборудованием электрической подстанции. Причем, устройство для мониторинга, защиты, регистрации и управления оборудованием электрической подстанции выполнено в виде кластера серверов, состоящего из нескольких компьютеров, соединенных в единую систему, при этом кластер серверов соединен с устройством управления оборудования электрической подстанции, расположенного на рабочем месте оператора, а также соединен отдельной шиной с устройствами, исполняющими команды управления, расположенными на оборудовании электрической подстанции, и с терминалом удаленного доступа.
Недостатком данной автоматизированной системы мониторинга, защиты и управления оборудованием электрической подстанции также является низкая надежность из-за того, что при выводе, например, в ремонт одного из каналов, оставшийся канал невозможно резервировать.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании предлагаемого способа, является низкая надежность.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении надежности работы каналов связи и технологических устройств измерения, анализа, мониторинга и управления оборудованием электрической подстанции за счет обеспечения резервирования.
Для достижения указанного технического результата предлагаемый способ резервирования каналов связи и технологических устройств измерения, анализа, мониторинга и управления оборудованием электрической подстанции заключается в том, что на первом этапе соединяют в сеть интеллектуальные технологические устройства и сетевые коммутаторы, на втором этапе проводят фиксацию параметров состояния оборудования электрической подстанции, на третьем этапе проводят передачу и прием информационных пакетов, содержащих данные о параметрах состояния оборудования, на четвертом этапе проводится анализ параметров состояния оборудования, на пятом этапе происходит выработка управляющих сигналов. Причем, на первом этапе соединяют в сеть интеллектуальные технологические устройства и сетевые коммутаторы таким образом, что каждое интеллектуальное технологическое устройство соединено с соответствующим сетевым коммутатором, а сетевые коммутаторы соединены между собой так, что каждый из сетевых коммутаторов соединен не менее, чем с тремя другими сетевыми коммутаторами.
Соединение сетевых коммутаторов между собой может быть осуществлено с применением проводного соединения типа витая пара с экранированием.
Соединение сетевых коммутаторов между собой может быть осуществлено с применением оптоволоконного кабеля.
На фиг. 1 представлена схема соединения ИТУ и сетевых коммутаторов, поясняющая предлагаемый способ резервирования каналов связи и технологических устройств измерения, анализа, мониторинга и управления оборудованием электрической подстанции, где:
1 - сетевой коммутатор (далее - СК);
2 - интеллектуальное технологическое устройство (далее - ИТУ).
Предлагаемый способ резервирования каналов связи и технологических устройств измерения, анализа, мониторинга и управления оборудованием электрической подстанции заключается в том, что на первом этапе соединяют в сеть интеллектуальные технологические устройства (2) и сетевые коммутаторы (1), на втором этапе проводят фиксацию параметров состояния оборудования электрической подстанции, на третьем этапе проводят передачу и прием информационных пакетов, содержащих данные о параметрах состояния оборудования, на четвертом этапе проводится анализ параметров состояния оборудования, на пятом этапе происходит выработка управляющих сигналов. Причем, на первом этапе соединяют в сеть интеллектуальные технологические устройства (2) и сетевые коммутаторы (1) таким образом, что каждое интеллектуальное технологическое устройство (2) соединено с соответствующим сетевым коммутатором (1), а сетевые коммутаторы (1) соединены между собой так, что каждый из сетевых коммутаторов (1) соединен не менее, чем с тремя другими сетевыми коммутаторами (1).
Представленные на фиг. 1 ИТУ (2) могут быть различных типов:
1) Измерительные ИТУ, осуществляющие измерение токов и/или напряжений защищаемого оборудования подстанции, формирование осциллограмм токов и напряжений, их хранение, а также ряд других функций по мониторингу подстанции. Измерительные ИТУ имеют необходимые интерфейсы (измерительные входы) для измерения токов и напряжений в большом диапазоне их изменений, внутреннюю память для хранения осциллограмм, а также могут иметь ряд дискретных входов для осуществления мониторинга трансформаторов.
2) Вычислительные ИТУ, осуществляющие реализацию заложенных в них алгоритмов по обработке измеренных значений токов и/или напряжений, включающих алгоритмы релейной защиты (токовой, дистанционной, дифференциальной, и др.), противоаварийной автоматики, мониторинга и другого, требующих значительных вычислительных затрат. Вычислительные ИТУ имеют большую вычислительную мощность и большой объем памяти.
3) Исполнительные ИТУ, преобразующие сигналы с дискретных датчиков выключателей и разъединителей, а также формирующие управляющие сигналы для их исполнительных механизмов. Исполнительные ИТУ имеют входные и выходные интерфейсы для преобразования дискретных сигналов, необходимые для управления выключателями и разъединителями.
Рассмотрим пример реализации заявляемого способа резервирования каналов связи и технологических устройств измерения, анализа, мониторинга и управления оборудованием электрической подстанции.
Каждое ИТУ (2) (измерительное, вычислительное или исполнительное) соединено с соответствующим СК (1) посредством Ethernet 100/1000 Мбит/с и не имеет связи с другими СК. При этом все СК (1) соединены между собой посредством Ethernet 1000 Мбит/с по схеме «гипертор» (или «решетка») как показано на фиг. 1, то есть СК (1) соединены между собой таким образом, что каждый из СК (1) соединен не менее, чем с тремя другим СК (1). Каждый СК (1) и ИТУ (2) имеют свой уникальный адрес в сети. Каждый ИТУ (2) содержит как источник информационных пакетов, так и приемник информационных пакетов, представляющих собой стандартные Ethernet пакеты, содержащие адрес источника, адрес назначения, а также данные о параметрах состояния оборудования - измеренные физические величины (мгновенные значения и векторы тока, напряжения, температуры и других физических величин), их математические преобразования для определения других физических величин (мощность, фаза, сопротивление, количество потребленной электроэнергии и другие физические величины), сигналы и команды управления, аудиосигналы и видеоизображения. ИТУ (2) генерирует очередной информационный пакет, содержащий адрес источника и адрес приемника (пункта назначения), а также данные о параметрах состояния оборудования в соответствии с заложенной в него программой маршрутизации, направляет его к соединенному с ним СК (1). СК (1), приняв информационный пакет, направляет его одновременно к нескольким соединенным с ним СК (1) (не менее 3-м) в соответствии с заложенной в него программой маршрутизации. СК (1), принявшие информационный пакет, в свою очередь, перенаправляют его к соединенным с ним СК (1), также в соответствии со своей программой маршрутизации. Двигаясь таким образом, от одного СК (1) к другому СК (1), информационный пакет достигает СК (1), подключенного к ИТУ (2), которое является местом назначения данного информационного пакета. В данном ИТУ (2) происходит выработка управляющих сигналов.
Таким образом, один и тот же информационный пакет достигает места назначения от определенного ИТУ (2) по нескольким независимым маршрутам, чем обеспечивается многократное резервирование пути его доставки.
Следует отметить, что один и тот же СК, также как и все остальные, осуществляет передачу информационных пакетов по разным маршрутам поочередно во времени по мере поступления пакетов - от подключенного к нему ИТУ и других СК. Информационные пакеты различаются между собой не только данными о параметрах состояния оборудования, но и по заложенной в информационный пакет программе маршрутизации: каждый информационный пакет содержит уникальные адреса ИТУ - источника и ИТУ - приемника, и, в соответствии с этими адресами, направляется либо на следующий определенный СК, либо, если достигли СК, подключенного к ИТУ, являющимся местом назначения (приемником), то передаются ему.
Способ резервирования каналов связи и технологических устройств измерения, анализа, мониторинга и управления оборудованием электрической подстанции имеет много возможных реализаций на доступной микроэлектронной базе. В качестве СК может быть применен сетевой переключатель пакетов 10/100/1000 Мбит/с KSZ9477, серийно выпускаемый компанией Microchip, имеющий 5 высокоскоростных 1000 Мбит/с приемопередающих портов. Для задания маршрутов (управления коммутационными переключениям) сетевой переключатель пакетов 10/100/1000 Мбит/с KSZ9477 имеет память, в которую загружается таблица маршрутизации, определяющая, в какой из портов перенаправлять определенный пакет при его поступлении. Загрузку таблицы маршрутизации можно осуществить, применив микроконтроллер типа ARM, например, AT91SAM9XE128. Измерительные ИТУ могут быть изготовлены на базе высокопроизводительных микропроцессоров типа ATSAMA5D31 производства компании ATMEL, имеющих встроенный многоканальный аналого-цифровой преобразователь, порт Ethernet 100 Мбит/с, и другие необходимые интерфейсы. Исполнительные ИТУ могут быть построены аналогичным образом, с применением быстродействующих сильноточных (60 ампер и более) твердотельных реле, например, производства IXYS для управления исполнительными механизмами выключателей, разъединителей. Вычислительные ИТУ, требующие больших вычислительных ресурсов, необходимых для работы алгоритмов релейной защиты, противоаварийной автоматики, регистрации аварийных процессов, могут быть построены на основе промышленных компьютеров на процессорных платформах х86.
Повышение надежности работы каналов связи и технологических устройств измерения, анализа, мониторинга и управления оборудованием электрической подстанции достигается за счет того, что способ резервирования каналов связи и технологических устройств измерения, анализа, мониторинга и управления оборудованием электрической подстанции заключается в том, что на первом этапе соединяют в сеть интеллектуальные технологические устройства и сетевые коммутаторы, на втором этапе проводят фиксацию параметров состояния оборудования электрической подстанции, на третьем этапе проводят передачу и прием информационных пакетов, содержащих данные о параметрах состояния оборудования, на четвертом этапе проводится анализ параметров состояния оборудования, на пятом этапе происходит выработка управляющих сигналов. Причем, на первом этапе соединяют в сеть интеллектуальные технологические устройства и сетевые коммутаторы таким образом, что каждое интеллектуальное технологическое устройство соединено с соответствующим сетевым коммутатором, а сетевые коммутаторы соединены между собой так, что каждый из сетевых коммутаторов соединен не менее, чем с тремя другими сетевыми коммутаторами.