ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС "СТАНЦИЯ"

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована в системах автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков активной мощности (АВРЧМ).
Известно устройство для сбора, оценки и управления, являющееся частью СКАДА-системы и используемое в распределительных сетях. Устройство предназначено для сбора, обработки аналоговых и цифровых сигналов, контроля работы оборудования в распределительных сетях через коммуникационные порты и стандартные коммуникационные протоколы управления программным обеспечением без преобразования данных через коммуникационные порты. (Публикация заявки США № US 2010004792, МПК G06F 1/28; G06F 1/30, опубл. 07.01.2010 г.)
Известное устройство обладает минимальными функциональными возможностями и не обеспечивает требуемую надежность за счет полного дублирования. Известное устройство не подразумевает конкретного технического решения для приемо-передающего устройства станционного уровня, являющегося звеном системы АРЧМ и подобная конструкция не может быть использована для решения задач полезной модели.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является 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).
Комплекс приема-передачи управляющей информации (КППУ ПС) выполнен на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК) и установлен на объектах управления, предназначен для приема и передачи управляющей информации, т.е. обеспечивает обмен информацией с верхним уровнем управляющих систем в электроэнергетике (ЦС АВРЧМ, ЦРН и ПА). В зависимости от выполняемых задач КППУ включает модули: коммуникационные модули обмена по интерфейсу RS-232/RS-422/RS-485, Ethernet, Profibus, Controller Link; модули аналогового или дискретного ввода-вывода.
Сеть является независимой, включает станции приема-передачи управляющей информации (СППУ), выполненные на базе промышленных логических контроллеров (ПЛК) и установленные на диспетчерских пунктах объединенных энергосистем (ДП ОЭС), в качестве протоколов обмена данными устройств телемеханики в сети используются протоколы Modbus. (Патент РФ №64833, МПК H04B 3/54, опубл. 10.07.2007 г.)
Недостатком известного технического решения является недостаточная точность регулирования мощности. В сети обеспечивается точность регулирования до 1 МВт, что является недостаточным для использования ее в системах автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков активной мощности (АВРЧМ). Кроме того, в сети используется международный протокол информационного обмена Modbus RTU, в то время как согласно утвержденным техническим требованиям Системного Оператора РФ, предъявляемым к таким устройствам, для передачи данных должны использоваться международные протоколы ГОСТ Р-МЭК 60870-5-101 и ГОСТ Р-МЭК 60870-5-104. Использование этих протоколов позволяет унифицировать информационный обмен в системах диспетчерского управления энергетической системы. Эти протоколы, в отличие от Modbus RTU, разработаны международной электротехнической комиссией по стандартизации.
По мере повышения требований к качеству электроэнергии (точность поддержания частоты тока в энергосистеме) встал вопрос о привлечении крупных тепловых электростанций к участию в регулировании частоты и перетоков мощности в энергосистеме. Для осуществления такого автоматического регулирования электростанция, как звено системы АРЧМ, должна быть оснащена устройством приема/передачи информации между диспетчерским центром и системой управления мощностью энергоблоков, поэтому возникла необходимость в создании подобных устройств!
Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в организации информационного обмена между центральной координирующей системой АВРЧМ и системами автоматического управления мощностью энергоблоков в обоих направлениях с использованием международных энергетических протоколов ГОСТ Р-МЭК 60870-5-101 (ГОСТ Р-МЭК 60870-5-104) без ухудшения точности первичных измерений и обеспечении надежности такого информационного обмена.
Поставленная техническая задача решается тем, согласно предложенной полезной модели, программно-технический комплекс, содержит центральное устройство и структурированную кабельную сеть, связывающую программно-технический комплекс с каналообразующим оборудованием каналов связи до диспетчерского центра и системами автоматического управления мощностью энергоблоков электростанции, центральное устройство включает связанные внутренней локальной вычислительной сетью подсистему приема, обработки и передачи данных, предназначенную для осуществления информационного обмена и обработки данных, подсистему архивирования и конфигурирования, предназначенную для конфигурирования и наладки контроллеров, архивирования данных информационного обмена, получения диагностической информации, подсистему питания, предназначенную для обеспечения гарантированного питания подсистем, входящих в состав программно-технического комплекса, подсистему синхронизации времени, предназначенную для синхронизации системного времени контроллеров подсистемы приема, обработки и передачи данных и компьютеров подсистемы архивирования и конфигурирования со всемирным координированным временем.
Кроме того, дополнительно включает автоматизированное рабочее место дежурного инженера станции, которое подключается к внутренней сети комплекса и отображает состояние всех соединений по всем каналам связи с центральной координирующей системой автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков мощности и системами автоматического управления мощностью энергоблоков электростанции.
Кроме того, дополнительно включает подсистему охлаждения основного оборудования.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявленной совокупности существенных признаков, состоит в обеспечении надежного круглосуточного и непрерывного информационного обмена между центральной координирующей станцией и системами управления мощностью энергоблоков по международным протоколам ГОСТ Р-МЭК 60870-5-101 (ГОСТ Р-МЭК 60870-5-104), что обеспечивает возможность участия электростанции в регулировании частоты в качестве звена общей системы АВРЧМ.
Сущность заявленной полезной модели поясняется рисунками, где
на фиг.1 представлена структурная схема общей системы автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков мощности;
на фиг.2 представлена блок-схема программно-технического комплекса «Станция»;
на фиг.3 приведен пример схемы внутреннего резервирования оборудования подсистемы приема, обработки и передачи информации;
на фиг.4 приведен пример схемы внешнего резервирования оборудования подсистемы приема, обработки и передачи информации;
на фиг.5 приведен пример схемы питания ПТК с использованием источников бесперебойного питания (ИБП);
на фиг.6 приведен пример схемы питания ПТК без использования источников бесперебойного питания (ИБП);
на фиг.7 приведен пример структурной схемы подсистемы синхронизации времени при реализации с антенной и приемником GPS/ГЛОНАСС;
на фиг.8 приведен пример структурной схемы подсистемы синхронизации времени при реализации со сторонним сервером точного времени;
на фиг.9 приведен пример компоновки ЦУ ПТК «Станция» с использованием контроллеров фирмы Emerson;
на фиг.10 приведен пример компоновки ЦУ ПТК «Станция» с использованием контроллеров фирмы Beckhoff.
Фигуры на рисунках включают следующие позиции:
1 - центральная координирующая система автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков мощности (ЦКС АРЧМ),
2 - программно-технический комплекс «Станция»,
3 - системы автоматического управления мощностью энергоблоков электростанций (САУМ)
4 - структурированные кабельные сети (СКС)
5 - центральное устройство ПТК «Станция»
6 - подсистема приема, обработки и передачи данных
7 - подсистема архивирования и конфигурирования
8 - подсистема питания
9 - подсистема синхронизации времени
10 - автоматизированное рабочее место дежурного инженера станции (АРМ ДИС)
11 - подсистема охлаждения основного оборудования
12 - промышленные контроллеры управления
13 - система ввода/вывода
14 - персональные компьютеры или серверы
15 - источники бесперебойного питания
16 - источники питания контроллеров и другого оборудования
17 - автоматические выключатели
18 - автоматический переключатель электрической нагрузки 19- антенна и приемник GPS/ГЛОНАСС
20 - сервер точного времени
21 - кондиционер
22 - маршрутизатор
23 - Ethernet-коммутатор
24 - консоль KVM (монитор, клавиатура, мышь, объединенные в одно устройство)
25 - сервер программного обеспечения
26 - сервер архивов
27 - монтажный шкаф
28 - распределительный блок
29 - аккумуляторный блок
30 - патч-панель
31 - оптическая полка (оптический кросс)
32 - шасси с преобразователями интерфейсов
33 - диодная развязка 24 В
Авторы используют в описании следующие сокращения:
АВРЧМ - система автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков мощности;
ЦКС АВРЧМ - центральная координирующая система автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков мощности;
САУМ - система автоматического управления мощностью энергоблоков электростанции;
СКС - структурированные кабельные сети ЦППС АВРЧМ - центральная приемо-передающая станция системы автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков мощности;
ПТК «Станция» - программно-технический комплекс «Станция»;
ЦУ ПТК - центральное устройство программно-технического комплекса;
АРМ ДИС - автоматизированное рабочее место дежурного инженера ИБП - источник бесперебойного питания.
Заявляемый программно-технический комплекс «Станция» (ПТК «Станция») является компонентом общей системы автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков мощности (АВРЧМ) (фиг.1), включающей центральную координирующую систему 1 автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков мощности (ЦКС АВРЧМ), программно-технический комплекс «Станция» 2, системы 3 автоматического управления мощностью энергоблоков электростанций (САУМ). Между удаленным диспетчерским центром, в котором расположена ЦКС АВРЧМ и центральным устройством программно-технического комплекса «Станция» (ЦУ ПТК) 5 организуются два выделенных канала связи. Программно-технический комплекс «Станция» 2 выполняет функции связующего звена в информационном обмене между центральной координирующей системой (ЦКС) АВРЧМ и системами автоматического управления мощностью (САУМ) энергоблоков электростанции и связан с ЦКС АВРЧМ и САУМ структурированными кабельными сетями (СКС) 4.
СКС входят в состав ПТК «Станция» и строятся от мультиплексоров (устройств, позволяющих передавать по одной коммуникационной линии или каналу передачи одновременно несколько различных потоков данных) до ЦУ ПТК «Станция» и от ЦУ ПТК «Станция» до САУМ энергоблоков.
Границами ПТК «Станция» (зоной ответственности) являются интерфейсы мультиплексоров на участке ПТК «Станция» - ЦС/ЦКС АВРЧМ и интерфейсы САУМ энергоблоков электростанции на участке ПТК «Станция» - САУМ, показанные на фиг.1 в виде двойной стрелки.
Заявляемый программно-технический комплекс «Станция» 2 содержит центральное устройство и структурированную кабельную сеть.
Центральное устройство 5 (ЦУ ПТК) включает связанные каналами связи подсистему 6 приема, обработки и передачи данных, подсистему 7 архивирования и конфигурирования, подсистему 8 питания, подсистему 9 синхронизации времени.
Кроме того, программно-технический комплекс может дополнительно включать автоматизированное рабочее место 10 дежурного инженера станции (АРМ ДИС), подключаемое к внутренней сети ЦУ ПТК «Станция», а также подсистему 11 охлаждения основного оборудования, предназначенную для поддержания температурного режима центрального устройства ПТК «Станция».
Подсистема 6 приема, обработки и передачи данных предназначена для осуществления информационного обмена и обработки данных.
Для информационного обмена между центральной координирующей системой 1 автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков мощности (ЦКС АРЧМ) и программно-техническим комплексом «Станция» 2 используются международные протоколы информационного обмена ГОСТ Р-МЭК 60870-5-101 (или ГОСТ Р-МЭК 60870-5-104).
-10
-4
Для информационного обмена между программно-техническим комплексом «Станция» 2 и системой 3 автоматического управления мощностью (САУМ) энергоблоков электростанции используются международные протоколы ГОСТ Р-МЭК 60870-5-101, MODBUS RTU или другой, который может обеспечивать класс достоверности данных в соответствии с ГОСТ Р МЭК 870-4 не ниже 12 (вероятность необнаруженных ошибок не более 10 для частоты искажения бита в среде передачи не более 10).
Программно-технический комплекс «Станция» принимает от САУМ энергоблоков и передает в центральную приемо-передающую станцию АВРЧМ в качестве телеинформации следующие сигналы и измерения:
- активная мощность энергоблока;
- отклонение частоты сети от 50 Гц;
- задание плановой мощности энергоблока;
- задание вторичной мощности энергоблока;
- сигнал готовности энергоблока на загрузку;
- сигнал готовности энергоблока на разгрузку;
- разрешение на удаленное управление энергоблоком;
- сигнал подтверждения «энергоблок в удаленном управлении»;
- сигнал достижения верхнего предела диапазона вторичного регулирования энергоблока;
- сигнал достижения нижнего предела диапазона вторичного регулирования энергоблока;
- диапазон вторичного регулирования энергоблока на загрузку;
- диапазон вторичного регулирования энергоблока на разгрузку;
- статизм САУМ энергоблока;
- зона нечувствительности.
Программно-технический комплекс «Станция» принимает от центральной приемо-передающей станции АВРЧМ и передает в САУМ энергоблоков качестве информации следующие сигналы и измерения:
- задание вторичной мощности энергоблока;
- сигнал запроса на удаленное управление энергоблоком.
Состав телеинформации может изменяться в зависимости от технических требований.
Подсистема 6 приема, обработки и передачи данных (фиг.2) содержит контроллеры управления 12, в качестве которых могут применяться промышленные контроллеры различных производителей, систему 13 ввода/вывода, включающую контроллеры ввода/вывода и шину информационного обмена или локальную вычислительную сеть.
Система ввода/вывода, как правило, зависит от выбора производителя контроллеров. В некоторых реализациях контроллеры управления могут включать в себя систему ввода/вывода.
Структурированные кабельные сети 4 состоят из различного оборудования, в том числе кабели, конвертеры, маршрутизаторы, коммутаторы.
На фиг.3 и фиг.4 схематично показаны примеры возможных схем внутреннего и внешнего резервирования оборудования подсистемы приема, обработки и передачи информации соответственно. В зависимости от выбранного производителя промышленных контроллеров и системы ввода/вывода конкретная реализация этой схемы может отличаться от представленного примера. Из рисунков видно, что каждая из двух систем ввода/вывода может опрашиваться каждым из двух промышленных контроллеров 12, а резервированные контроллеры обмениваются информацией друг с другом (фиг.3). В свою очередь контроллеры ввода/вывода 13 - основной и резервный, по двум каналам связи осуществляют информационный обмен с САУМ энергоблоков 3 (фиг.4). Схема построена таким образом, что выход из строя любого контроллера или обрыв любой из линий не приводит к потере работоспособности комплекса. Вместо неисправного контроллера на время его замены или ремонта в работу будет включен резервный контроллер, работающий с ним параллельно. При обрыве любой линии связи в комплексе предусмотрены альтернативные маршруты через резервные линии связи и резервное каналообразующее оборудование, которые позволят передать и принять данные с объектов автоматизации без перерыва в связи.
Сетевое оборудование, входящее в подсистему 6 приема, обработки и передачи информации, необходимо для построения СКС, а также для организации внутренней сети ПТК. Программное обеспечение, загружаемое в память промышленных контроллеров и некоторых сетевых устройств (если такие имеются), является неотъемлемой частью ПТК «Станция» и служит для работы с данными. Кроме приемо-передающих функций программным обеспечением ПТК «Станция», загружаемым в контроллеры, выполняется также функция обработки данных. Кроме основного информационного обмена подсистема 6 приема, обработки и передачи данных осуществляет также информационный обмен с автоматизированным рабочим местом 10 дежурного инженера станции (АРМ ДИС), предоставляя возможность для оперативного мониторинга.
Подсистема 7 архивирования и конфигурирования представляет собой персональный компьютер или сервер 14 и предназначена для конфигурирования и наладки контроллеров и автоматизированного рабочего места 10 дежурного инженера станции АРМ ДИС (если оно есть), архивирования данных информационного обмена, а также получения диагностической информации.
Подсистема 7 архивирования и конфигурирования позволяет архивировать данные всего объема информационного обмена - как получаемые с основных контроллеров ввода/вывода, так и с резервных, с периодичностью одна секунда. Кроме того, подсистема 7 архивирования и конфигурирования предоставляет человеко-машинный интерфейс для оперативной диагностики состояния ПТК «Станция» в целом и по отдельным его узлам.
В зависимости от местных условий, реализация подсистемы архивирования и конфигурирования может быть разной: в частности, она может состоять из двух серверов для резервирования архива или из одного персонального компьютера в условиях ограниченного финансирования. Часто функции конфигурирования и архивирования разнесены на разные компьютеры.
Подсистема 8 питания ПТК «Станция» предназначена для обеспечения гарантированного питания оборудования других подсистем, входящих в состав программно-технического комплекса. В подсистему 8 питания могут входить: источники 15 бесперебойного питания с аккумуляторными батареями, источники 16 питания контроллеров и другого оборудования постоянного тока, автоматические переключатели 18 электрической нагрузки для обеспечения безударного перехода с основного ввода питания на резервный, автоматические выключатели 17 для предотвращения превышения допустимых токов при неисправностях и для предоставления возможности отключения части оборудования от электрической сети с целью замены или ремонта.
Подсистема 8 питания проектируется в каждом случае с учетом индивидуальных особенностей конкретного конструктивного исполнения ПТК «Станция». Схема подсистемы питания во многом будет зависеть от того, как реализованы вводы питания в шкаф ЦУ ПТК «Станция», наличия или отсутствия подсистемы охлаждения основного оборудования в составе ПТК «Станция», предъявляемые требования по количеству времени автономной работы.
Примеры возможных схем питания с источниками бесперебойного питания и без них приведены на фиг.5 и 6 соответственно.
Подсистема 9 синхронизации времени может состоять из антенны и приемника GPS/GLONASS 19 или получать сигнал от сервера 20 точного времени, существующего на электростанции. Если система состоит из собственных антенны и приемника GPS/GLONASS, то сервер точного времени разворачивается на одном из компьютеров подсистемы 7 архивирования и конфигурирования. Если на станции имеется любой другой источник точного времени, то подсистема 9 синхронизации времени может состоять из структурированной кабельной сети (СКС) до этого источника и программного обеспечения, способного работать с протоколом сервера точного времени.
Под синхронизацией времени ПТК «Станция» понимается синхронизация системного времени контроллеров 12 подсистемы приема, обработки и передачи данных и компьютеров 14 подсистемы 7 архивирования и конфигурирования и АРМ ДИС 10 (если оно есть) с всемирным координированным временем (UTC, CoordinatedUniversalTime). На фиг.7 и 8 представлены примеры возможных структурных схем подсистемы синхронизации времени. На фиг.7 приведен пример структурной схемы подсистемы синхронизации времени при реализации с антенной и приемником GPS/ГЛОНАСС 19. На фиг.8 приведен пример структурной схемы подсистемы синхронизации времени при реализации со сторонним сервером точного времени.
Для оперативной диагностики работоспособности ПТК «Станция», доступа к архивам ПТК «Станция» предусматривается возможность установки удаленного автоматизированного рабочего места 10 дежурного инженера станции.
Автоматизированное рабочее место 10 дежурного инженера станции (АРМ ДИС) подключается к внутренней сети ЦУ ПТК «Станция» и отображает состояние всех соединений по всем каналам связи - как с САУМ энергоблоков 3 (основной, резервный каналы), так и с диспетчерским центром 1. Также с помощью интерфейса пользователя предоставляется возможность получать доступ к архивам и отчетам в том же объеме, что и с архивной станции.
Подсистема 10 охлаждения основного оборудования предназначена для обеспечения необходимого температурного режима ЦУ ПТК «Станция» и представляет из себя кондиционер, устанавливаемый на шкаф, в котором размещено основное оборудование ЦУ ПТК. Подсистема 10 охлаждения основного оборудования - вспомогательная, ее необходимость определяется исходя из внешних условий размещения ПТК «Станция», существующих на электростанции. При наличии этой подсистемы учитывается ее мощность при построении подсистемы гарантированного питания 8.
Программно-технический комплекс «Станция» был внедрен на нескольких крупнейших электростанциях России и показал свою работоспособность в период опытной и промышленной эксплуатации. В качестве примера на фиг.9 и фиг.10 показаны возможные компоновки ПТК «Станция» с различными вариантами производителей основного оборудования. Различие этих вариантов заключается в разной реализации системы ввода/вывода, схем резервирования, питания контроллеров при сохранении полной функциональности программно-технического комплекса.