Устройство сопряжения с шиной процесса цифровой подстанции модульное

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Рассматриваемая полезная модель относится к устройствам сопряжения (связи) с промышленным объектом (УСО) (соответственно, к устройствам в составе АСУ ТП (автоматизированных систем управления технологическими процессами) промышленных объектов, обеспечивающим ввод сигналов, в частности аналоговых и дискретных (с выполнением, соответственно, аналого-цифрового и дискретно-цифрового преобразования сигналов), с объекта в АСУ ТП, и вывод сигналов, в частности дискретных (включая сигналы управления первичным технологическим оборудованием объекта - с выполнением соответствующего преобразования указанных сигналов из цифровой формы в выходные дискретные сигналы), из АСУ ТП на объект). При этом полезная модель, в частности относится к устройствам сопряжения с шиной процесса «цифровой» электрической подстанции (ЦПС) в соответствии со стандартом МЭК 61850, обеспечивающим, в том числе:
1) ввод аналоговых и дискретных сигналов с энергообъекта (подстанции), в частности от первичного электрооборудования подстанции, в коммуникационную шину процесса ЦПС - для последующей передачи указанных сигналов через указанную шину процесса внешним IED ("Intelligent Electronic Device") устройствам, включая выполнение преобразования аналоговых сигналов прямых измерений переменного тока и напряжения промышленной частоты (в частности с традиционных измерительных трансформаторов тока и напряжения) в выходные цифровые потоки МЭК 61850-9-2, и дискретных сигналов в исходящие, в том числе, GOOSE (МЭК 61850-8-1) сообщения;
2) вывод дискретных сигналов, получаемых из шины процесса ЦПС в цифровом виде (формируемых изначально внешними IED устройствами и передаваемым через шину процесса ЦПС от указанных IED устройств, в частности сигналов управления первичным электрооборудованием подстанции) на первичное электрооборудование подстанции.
В частности, полезная модель относится к вышеуказанным устройствам сопряжения с шиной процесса ЦПС в соответствии с МЭК 61850, выполняемым в модульном исполнении - на базе модульного шасси (крейта) и сменных периферийных модулей, включая модули аналогового/дискретного ввода и дискретного вывода, где вышеуказанное модульное исполнение обеспечивает возможность замены отдельных функциональных модулей (в том числе, периферийных) в составе устройства непосредственно на месте эксплуатации, например, в случае неисправности соответствующих периферийных модулей в составе устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны модульные контроллеры NPT RTU (microRTU) [1, 2, 3] от изготовителя ГК «ЭнергопромАвтоматизация» (Россия). При этом контроллер NPT microRTU может применяться в качестве выносного устройства сопряжения с объектом (УСО) (DMU) при создании «Цифровой подстанции» ("DMU" - "Digital (Discrete) Merging Unit") в части обеспечения преобразования дискретных входных и дискретных выходных сигналов в цифровые протоколы информационного обмена через коммуникационную сеть ЦПС, в частности, в GOOSE (МЭК 61850-8-1) сообщения и обратно. Модульный контроллер NPT RTU при этом обеспечивает возможность достаточно произвольного наполнения модульного шасси (крейта) контроллера модулями дискретного ввода и вывода, что позволяет обеспечить в составе одного контроллера возможность приема до 256 входных дискретных сигналов и формирования до 128 команд управления (через соответствующие дискретные выходы). При этом данный контроллер не включает в себя сменные модули, обеспечивающие преобразование данных прямых измерений тока/напряжения в выходные потоки МЭК 61850-9-2, и, таким образом, не обеспечивает функции устройства AMU ("Analog Merging Unit"), и, таким образом, не обеспечивает полный набор функций устройства сопряжения с шиной процесса «цифровой» электрической подстанции в соответствии с МЭК 61850.
Известно выбранное в качестве прототипа устройство многофункциональное "depRTU" [4] от производителя ООО «Компания ДЭП» (г.Москва), которое может функционировать, в том числе, в качестве объединяющего устройства (MU - Merging Unit) (в том числе как устройство "AMU/DMU" - "Analog Merging Unit" / " Digital (Discrete) Merging Unit") в составе систем РЗиА, выполненных по технологии «цифровая подстанция». Устройство выполнено на базе модульного шасси (крейта) с устанавливаемыми в него процессорным модулем и периферийными модулями, включая модули дискретного ввода/вывода, модули измерительные (прямых измерений переменного тока/напряжения номинальной частотой 50 Гц) и др. В указанном устройстве каждый сменный (в том числе, периферийный) модуль занимает в крейте определенное место/позицию (слот), которые зафиксированы в паспорте на устройство, поставляемом с предприятия-изготовителя (фактически, конфигурацию типов (состав и местоположение) установленных в крейт устройства сменных (в т.ч. периферийных) модулей (комплектацию) определяет предприятие-изготовитель устройства), что не позволяет изменять состав типов используемых в составе крейта модулей потребителю на месте эксплуатации устройства.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является в создании модульного устройства сопряжения с шиной процесса «цифровой подстанции», обеспечивающего возможность свободного комплектования устройства сменными периферийными модулями, в том числе, модулями дискретного ввода; дискретного вывода, в т.ч., управления коммутационными аппаратами; аналогового ввода прямых измерений переменного тока (напр., 1А/5А) и напряжения (57,7/100 В) и др., непосредственно на месте эксплуатации устройства, включая возможность установки любых периферийных модулей (любых типов) на любые посадочные места (слоты) в шасси (крейте) устройства сопряжения.
Техническим результатом применения полезной модели является, при выполнении модернизации энергообъекта, в частности с выводом из эксплуатации отдельных из существующих присоединений и, наряду с этим, вводом в эксплуатацию новых присоединений, требующих иного количества и типов сигналов ввода-вывода для интеграции в шину процесса ЦПС, исключение необходимости в замене всего устройства сопряжения целиком, ввиду обеспечения устройством возможности соответствующей замены отдельных периферийных модулей в составе устройства (в частности на модули других типов). При этом, соответственно, снижается трудоемкость выполнения работ по вышеуказанной замене, а также снижается возможное время простоя устройства (ввиду того, что исключается необходимость в выполнении переподключения цепей электропитания устройства сопряжения от прежнего устройства к новому устройству, а также исключается необходимость в выполнении переподключения внешних цепей - аналогового ввода, дискретного ввода, дискретного вывода - для всех прочих периферийных модулей в составе устройства от прежнего устройства к новому устройству).
Указанный технический результат достигается в устройстве сопряжения с шиной процесса цифровой подстанции модульное, состоящим из модульного шасси, оснащенного объединительной платой, содержащего слоты, выполненные с возможностью установки в любой из указанных слотов модуля электропитания, процессорного модуля, а также периферийных модулей в независимости от их типа, единую унифицированную коммуникационную и электропитающую шину, выполненную с возможностью информационно-коммуникационного сопряжения модулей для полнодуплексной передачи данных, а также электропитающего сопряжения модулей с объединительной платой.
При этом единая унифицированная коммуникационная и электропитающая шина выполнена с возможностью обеспечения возможности полнодуплексной передачи данных в направлении как от отдельных периферийных модулей к модулю процессорному в составе модульного шасси устройства, так и в обратном направлении, включая обеспечение возможности передачи через указанную информационную шину как данных прямых измерений переменного тока/напряжения от периферийных модулей, так и сигналов дискретного ввода от периферийных модулей до модуля процессорного устройства, так и сигналов дискретного вывода от модуля процессорного устройства до периферийных модулей дискретного вывода.
Вышеуказанный технический результат достигается за счет выполнения модульного устройства сопряжения с шиной процесса ЦПС:
с унифицированными по форм-фактору (в частности, по габаритам) периферийными модулями, что обеспечивает возможность установки произвольного периферийного модуля устройства (независимо от его типа) в любой слот модульного шасси, предназначенного для установки периферийных модулей;
с единой унифицированной коммуникационной и электропитающей шиной в составе объединительной платы модульного шасси устройства, обеспечивающей для каждого из периферийных модулей в составе модульного шасси устройства, в том числе:
а) сопряжение информационно-коммуникационное с модулем процессорным (МП) в составе модульного шасси устройства сопряжения - на базе шины SPI ("Serial Peripheral Interface"), обеспечивающей возможность полнодуплексной передачи данных в направлении как от отдельных периферийных модулей к МП в составе модульного шасси устройства, так и в обратном направлении, включая обеспечение возможности передачи через указанную информационную шину как данных прямых измерений переменного тока/напряжения от периферийных модулей аналогового ввода прямых измерений переменного тока/напряжения, так и сигналов дискретного ввода от периферийных модулей дискретного ввода до МП устройства, так и сигналов дискретного вывода от МП устройства до периферийных модулей дискретного вывода и т.п.;
б) сопряжение электропитающее, по меньшей мере, с одним модулем электропитания в составе модульного шасси устройства сопряжения;
с наличием в составе каждого периферийного модуля устройства (в т.ч., модулей аналогового ввода, дискретного ввода и дискретного вывода) блока информационного и электропитающего сопряжения с объединительной платой модульного шасси устройства сопряжения, связанного, с одной стороны, с блоком (преобразователем напряжения) электропитания данного периферийного модуля, а также: с блоком усилителей и аналого-цифровых преобразователей (АЦП) - для модуля аналогового ввода прямых измерений тока, с блоком изоляторов и мультиплексора выходных данных - для модуля аналогового ввода прямых измерений напряжения, с блоком регистра ввода - для модулей дискретного ввода, с блоком регистра вывода - для модулей дискретного вывода; и, с другой стороны, с аналогичным блоком информационного и электропитающего сопряжения с объединительной платой модульного шасси устройства сопряжения в составе МП модуля устройства и с общей шиной электропитания (связывающей, в том числе, отдельные периферийные и процессорный модули устройства сопряжения, по меньшей мере, с одним модулем электропитания в составе устройства сопряжения);
с блоком (преобразователем напряжения) электропитания в каждом из периферийных модулей устройства сопряжения, обеспечивающим в составе каждого из периферийных модулей формирование, из единого питающего напряжения, получаемого из общей шины питания объединительной платы устройства (от, соответственно, модулей электропитания устройства), необходимых питающих напряжений для электропитания всех аппаратных компонентов данного периферийного модуля.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 приведена схема внутреннего устройства предлагаемого устройства сопряжения с шиной процесса ЦПС модульного.
На фиг. 2 показан вариант осуществления (описанный ниже) полезной модели в определенной комплектации состава периферийных модулей устройства сопряжения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Устройство сопряжения (1) (см. фиг. 1) выполнено на базе модульного шасси (2), включающего в себя, по меньшей мере, один модуль электропитания (3), процессорный модуль (4), и периферийные модули в составе: блока модулей аналогового ввода прямых измерений переменного тока промышленной частоты (5), блока модулей аналогового ввода прямых измерений переменного напряжения промышленной частоты (6), блока модулей дискретного ввода (7) и блока модулей дискретного вывода (8).
При этом блок модулей аналогового ввода прямых измерений тока (5) может включать в себя модули аналогового ввода (9) различных типов, включая:
модули входов измерения тока - для целей релейной защиты и автоматики (РЗА);
модули входов измерения тока для целей измерений, учета и контроля качества электроэнергии.
Блок модулей аналогового ввода прямых измерений напряжения (6) может включать в себя модули аналогового ввода (10) различных типов, включая:
модули входов измерения напряжения - для целей релейной защиты и автоматики (РЗА);
модули входов измерения напряжения для целей измерений, учета и контроля качества электроэнергии.
Блок модулей дискретного ввода (6) может включать в себя модули дискретного ввода (11) различных типов, включая:
модули ввода дискретных сигналов с номинальным уровнем напряжения 220 В постоянного тока;
модули ввода дискретных сигналов с номинальным уровнем напряжения 24 В постоянного тока.
Блок модулей дискретного вывода (7) может включать в себя модули дискретного вывода (12) различных типов, включая:
модули дискретных выходов для управления силовым выключателем на подстанции;
модули дискретных выходов общего назначения.
При этом каждый модуль аналогового ввода прямых измерений тока (8), независимо от типа модуля, включает в себя:
блок внешних интерфейсов подключения измерительных цепей (13);
блок (14) входных преобразователей сигналов (трансформаторов тока);
блок усилителей и аналого-цифровых преобразователей (АЦП) (15);
блок (преобразователь напряжения) электропитания (16) модуля;
блок (17) информационного и электропитающего сопряжения с объединительной платой модульного шасси устройства сопряжения;
где вышеуказанные блоки связаны друг с другом, как показано на фиг. 1.
Каждый модуль аналогового ввода прямых измерений напряжения (10), независимо от типа модуля, включает в себя:
блок внешних интерфейсов подключения измерительных цепей (18);
блок (19) входных преобразователей сигналов (делителей напряжения);
блок усилителей и аналого-цифровых преобразователей (АЦП) (20);
блок изоляторов и мультиплексора выходных данных (21);
блок (преобразователь напряжения) электропитания (22) модуля;
блок (23) информационного и электропитающего сопряжения с объединительной платой модульного шасси устройства сопряжения;
где вышеуказанные блоки связаны друг с другом, как показано на фиг. 1.
Каждый модуль дискретного ввода (11), независимо от типа модуля, включает в себя:
блок внешних интерфейсов подключения дискретных цепей (24);
блок схем формирования порогов срабатывания и компараторов (25);
блок регистра ввода (26);
блок (преобразователь напряжения) электропитания (27) модуля;
блок (28) информационного и электропитающего сопряжения с объединительной платой модульного шасси устройства сопряжения;
где вышеуказанные блоки связаны друг с другом, как показано на фиг. 1.
Каждый модуль дискретного вывода (12), независимо от типа модуля, включает в себя:
блок внешних интерфейсов подключения дискретных цепей (29);
блок регистра вывода (30);
блок (преобразователь напряжения) электропитания (31) модуля;
блок (32) информационного и электропитающего сопряжения с объединительной платой модульного шасси устройства сопряжения;
где вышеуказанные блоки связаны друг с другом, как показано на фиг. 1.
При этом модуль процессорный (4) включает в себя:
блок цифровых интерфейсов подключения МП модуля к внешней коммуникационной сети (33);
вычислительное ядро (34), включающее в себя, по меньшей мере, один процессор и память (оперативную и, возможно, энергонезависимую);
блок (преобразователь напряжения) электропитания (35) модуля;
блок (36) информационного и электропитающего сопряжения с объединительной платой;
где вышеуказанные блоки связаны друг с другом, как показано на фиг. 1.
При этом предлагаемое устройство сопряжения с шиной процесса «цифровой подстанции» модульное может быть выполнено на базе модульного шасси, например, в варианте исполнения, как показано на фиг. 2, включающее установленные периферийные модули следующих типов:
"VT-P" - модуль аналогового ввода входов измерения напряжения - для целей РЗА, "СТ-Р" - модуль аналогового ввода входов измерения тока - для целей РЗА; "DI-L" - модули ввода дискретных сигналов с номинальным уровнем напряжения 24 В постоянного тока; "DI-H" - модули ввода дискретных сигналов с номинальным уровнем напряжения 220 В постоянного тока; "DO-L" - модули дискретных выходов общего назначения; "DO-H" -модули дискретных выходов для управления силовым выключателем на подстанции; "VT-M" - модуль аналогового ввода входов измерения напряжения - для целей измерений, учета и контроля качества электроэнергии, "СТ-М" - модуль аналогового ввода входов измерения тока - для целей измерений, учета и контроля качества электроэнергии; "CPU" - модуль процессорный; "PWR" - модули электропитания устройства сопряжения. При этом (см. фиг. 2) периферийные модули типов "VT-P", "СТ-Р", "DI-L", "DI-H", "DO-L", "DO-H", "VT-M" и "СТ-М" выполнены унифицированными по форм-фактору, в частности по ширине, высоте и расположению крепежных винтов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
[1] Интернет-сайт http://www.epsa-spb.ru/npt_rtu_and_npt_micro_rtu_/.
[2] «Контроллеры многофункциональные NPT-M. Описание типа средств измерений» (Приложение к св-ву №58949 об утв. типа средства измерений).
[3] Патент РФ на полезную модель №127966 («МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЛЕР СЕРИИ NPT»).
[4] ДПАВ.421457.501ТО «Устройства многофункциональные «depRTU». Техническое описание» (источник информации - Интернет-сайт http://dep.ru/catalog/100/deprtu/, http://dep.ru/upload/iblock/903/depRTU-_-DPAV.421457.501TO.pdf).