Централизованное интеллектуальное электронное устройство системы автоматизированной электрической подстанции
CENTRALIZED INTELLIGENT ELECTRONIC DEVICE OF AUTOMATED ELECTRICAL SUBSTATION SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электроники, а именно к автоматизации распределительных устройств высокого напряжения объектов электроэнергетики, и может быть использовано в составе программно-аппаратных комплексов автоматизации электрических подстанций.
Уровень техники
Из уровня техники известно интеллектуальное электронное устройство (ИЭУ - рус., IED - англ.), которое содержит один или несколько процессоров и способно получать или направлять данные/управляющие воздействия от внешнего источника или на внешний источник (например, электронные многофункциональные измерительные приборы, цифровые реле, контроллеры). Микропроцессорный терминал релейной защиты и автоматики имеет как, минимум один процессор, способен получать или направлять данные/управляющие воздействия непосредственно от и на высоковольтное первичное оборудование подстанции.
Недостатком таких устройств является необходимость подключения измерительных цепей (вторичных обмоток) от средств измерения высокого напряжения. Для целей настоящего изобретения под термином «высокое напряжение» понимается уровень напряжения больше, чем 1 кВ. Измерительные цепи состоят из многожильных медных кабелей, клеммных рядов, испытательных разъемов, и требуют соблюдения условий прокладки в виде лотков и кабельных трасс, и специальных мероприятий при обслуживании. Размыкание токовых цепей представляет угрозу здоровью и жизни персонала, может стать причиной пожара. В цепях напряжения неправильное подключение или замыкание, вызванное ошибочными действиями персонала может вызвать ложное срабатывание защит и отключение первичного оборудования.
Кроме того, из уровня техники известно изобретение «Автоматизированная система мониторинга, защиты и управления оборудованием электрической подстанции» (патент РФ на изобретение RU 2468407 С1, опубл. 27.11.2012, МПК: G05B 19/00, H02J 13/00), которая включает датчики технических параметров оборудования электрической подстанции, соединенные с преобразователем электрического сигнала в оптический. Кроме этого она содержит оптическую шину передачи данных и преобразователи оптического сигнала в электрический сигнал. Также в нее входит устройство для мониторинга, защиты, регистрации и управления оборудованием электрической подстанции. Устройство для мониторинга выполнено в виде кластера серверов, состоящего из нескольких компьютеров, соединенных в единую систему. Кластер серверов соединен с устройством управления оборудования электрической подстанции, расположенного на рабочем месте оператора. Также он соединен отдельной шиной с устройствами, исполняющими команды управления, расположенными на оборудовании электрической подстанции, и с терминалом удаленного доступа.
В известной автоматизированной системе используется отказоустойчивый аппаратный кластер «стандартных» серверов с функцией распределения нагрузки и поддержкой перераспределения процессов при отказе узлов кластера. Вычислительная кластерная платформа состоит из группы однотипных серверов. Функционально серверы подразделяются на две группы - коммуникационные фронтенды, выполняющие задачи взаимодействия автоматизированной системы мониторинга, защиты и управления оборудованием электрической подстанции с периферийным оборудованием, и узлы кластера, обеспечивающие выполнение прикладного программного обеспечения. Сервера - участники кластера объединяются посредством специализированной высокопроизводительной LAN - шиной кластера, выполняющей функции взаимодействия компонентов кластера.
Внутренняя информационная шина кластера представляет собой высокоскоростную сеть передачи данных, предназначенную для объединения компонентов кластера в единое целое. Данная сеть выполнена на основе специализированных технологий на базе стандартов IEEE 803.2 со скоростями обмена данными до 10 Гбит/с. Данная сеть физически изолирована от внешних шин в целях надежности и безопасности. В автоматизированной системе разнотипные ИЭУ контроля, управления и зашиты были заменены на кластер серверов.
Однако существенным недостатком данной системы является то, что для обмена данными между серверами внутри кластера используется дорогостоящее сетевое оборудование, обеспечивающее скорости передачи данных в 10 Гбит/с. Кластер серверов, представляющий собой совокупность потребителей электропитания по переменному напряжению, требует системы обеспечения гарантированного питания, в связи с вероятностью перебоев в электропитании при развитии аварийных процессов в первичном оборудовании подстанции и отсутствии возможности подключения серверов непосредственно к системе постоянного оперативного тока подстанции.
Кроме того, кластер серверов требователен к поддержанию строго определенного диапазона параметров окружающей среды, то есть требует установку резервируемой системы кондиционирования в помещении, где установлен кластер. В свою очередь система кондиционирования также требует систему гарантированного питания на случай возникновения аварийной ситуации на подстанции. Серверы, входящие в состав кластера, оборудованы встроенными системами активной вентиляции (с использованием механических вентиляторов с приводом от электродвигателей).
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является группа изобретений «Интеллектуальные электронные устройства для системы автоматизации подстанции и способ ее разработки и управления» (патент на изобретение RU 2504913 С2, опубликован 20.01.2014, МПК: H04L 12/70, H04L 12/28), в которых ИЭУ оборудованы интегральной схемой с центральным процессорным модулем (далее - CPU), который включает в себя первое ядро обработки, выполненное с возможностью выполнения приложений защиты и управления, и второе ядро обработки, или сетевое ядро, выполненное с возможностью обработки или декодирования сетевого трафика передачи данных. Следовательно, функции защиты и управления в ИЭУ отделены или изолированы от задач передачи данных, и первая не препятствует последней, например, в случае проблем с сетью передачи данных. В частности, приложения защиты и управления могут все еще продолжать работу, в то время как второе ядро обработки, которое обрабатывает сетевой трафик, может столкнуться с лавинной маршрутизацией прерываний.
Сетевое ядро выполняет требующие значительных вычислений функции предварительной или последующей обработки, в дополнение к стеку передачи данных МЭК61850-9-2. Последняя включает в себя прием пакетов МЭК61850-9-2 из множества источников данных, декодирование этих пакетов, проверку целостности содержания данных и другие аспекты безопасности, потенциально требуемые в соответствии со стандартом МЭК62351. Операции последующей обработки от имени специфичных функций защиты, таких как цифровое преобразование Фурье (DFT - англ.), расчет среднеквадратичного значения (RMS - англ.), цифровая фильтрация или расчет от пика к пику, обычно требуют выполнения большого количества дорогостоящих расчетных операций с плавающей запятой и итерационных расчетов.
Известное многоядерное CPU обеспечивает масштабируемую программную архитектуру, которую легко поддерживать и обновлять новыми функциями. В частности, она обеспечивает выделение декодирования сетевого трафика МЭК61850-9-2 для различного количества из двух или более сетевых ядер, в зависимости от ряда параметров, таких как, например, количество источников МЭК61850-9-2 или частота выборок, то есть количество сетевых сообщений, принимаемых ИЭУ за секунду. Кроме того, множество сетевых ядер может быть назначено одному или нескольким картам сетевого интерфейса, количество которых представляет, по меньшей мере, для ИЭУ, дополнительную степень гибкости.
К недостаткам известного устройства можно отнести ограничение производительности при решении основных задач контроля, управления и защиты, реализованных на одном ядре CPU, а также отсутствие резервирования при выходе из строя одного или нескольких компонентов, предназначенных для решения задач контроля, управления и защиты.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в обеспечении необходимой вычислительной мощности централизованного интеллектуального электронного устройства (ИЭУ) системы автоматизации электрической подстанции при использовании «стандартных» систем передачи данных (менее 1 Гбит/с).
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение производительности централизованного ИЭУ системы автоматизации электрической подстанции при реализации функций коммерческого учета и контроля качества электроэнергии при одновременном обеспечении надежности электропитания.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что централизованное интеллектуальное электронное устройство системы автоматизации электрической подстанции содержит размещенные в корпусе модуль человеко-машинного интерфейса, соединенный с дисплеем с сенсорной панелью, по меньшей мере один модуль релейной защиты и автоматики и по меньшей мере один модуль счетчика учета электрической энергии и контроля качества электрической энергии, подключенные к общей шине питания, которая снабжена модулем резервирования шины питания. При этом модуль человеко-машинного интерфейса, по меньшей мере один модуль релейной защиты и автоматики и по меньшей мере один модуль счетчика учета электрической энергии и контроля качества электрической энергии выполнены в виде функциональных модулей, каждый из которых состоит из центрального процессора, оснащенного оперативным запоминающим устройством, и многопортового устройства интерфейса Ethernet, а модуль резервирования шины питания подключен к основному и резервному источникам питания, подключенных в свою очередь к двум секциям системы постоянного оперативного тока электрической подстанции соответственно, центральный процессор модуля человеко-машинного интерфейса снабжен постоянным запоминающим устройством. При этом по меньшей мере один модуль релейной защиты и автоматики выполнен с возможностью приема данных от по меньшей мере одного источника измерений величин тока и напряжения системы автоматизации электрической подстанции для реализации функции управления и защиты оборудования автоматизации электрической подстанции, по меньшей мере один модуль счетчика учета электрической энергии и контроля качества электрической энергии выполнен с возможностью приема данных от по меньшей мере одного источника измерений величин тока и напряжения системы автоматизации электрической подстанции для реализации функции коммерческого учета и контроля качества электроэнергии. Причем модуль резервирования шины питания снабжен электромеханическим переключателем между основным и резервными вводами питания по постоянному напряжению.
Кроме того, в частном случае реализации заявленного изобретения, многопортовые устройства интерфейса Ethernet по меньшей мере одного модуля релейной защиты и автоматики и по меньшей мере одного модуля счетчика учета электрической энергии и контроля качества электрической энергии выполнены с возможностью приема данных от источников измерений величин тока и напряжения системы автоматизации электрической подстанции в форме SV-потоков.
Кроме того, в частном случае реализации заявленного изобретения, централизованное интеллектуальное электронное устройство содержит N модулей релейной защиты и автоматики, подключенных к общей шине питания централизованного интеллектуального электронного устройства, где N выбрано в зависимости от количества источников измерений величин тока и напряжения системы автоматизации электрической подстанции для реализации функции управления и защиты оборудования электрической подстанции.
Кроме того, в частном случае реализации заявленного изобретения, централизованное интеллектуальное электронное устройство содержит М модулей счетчика учета электрической энергии и контроля качества электрической энергии, подключенных к общей шине питания централизованного интеллектуального электронного устройства, где М выбрано в зависимости от количества источников измерений величин тока и напряжения системы автоматизации электрической подстанции для реализации функции коммерческого учета и контроля качества электроэнергии.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, 2), на которых показаны блок-схемы централизованного интеллектуального электронного устройства.
На чертежах (фиг. 1, 2) позиции имеют следующие числовые обозначения:
1 - шина питания;
2 - модуль человеко-машинного интерфейса (HMI);
3 - дисплей;
4 - модуль релейной защиты и автоматики (РЗА);
5 - модуль счетчика учета электрической энергии и контроля качества электрической энергии;
(
6 - центральный процессор (CPU);
7 - устройство интерфейса Ethernet;
8 - модуль резервирования шины питания.
Настоящее изобретение относится к централизованному интеллектуальному электронному устройству системы автоматизации электрической подстанции. Централизованное ИЭУ имеет корпус, в котором размещены подключенные к общей шине питания 1 модуль человеко-машинного интерфейса 2, соединенный с дисплеем 3 с сенсорной панелью, один или более модулей релейной защиты и автоматики 4 и один или более модулей счетчика учета электрической энергии и контроля качества электрической энергии 5. Все модули, входящие в состав централизованного ИЭУ, выполнены в виде функциональных модулей, каждый из которых состоит из центрального процессора 6, оснащенного оперативным запоминающим устройством, и многопортового устройства интерфейса Ethernet 7. При этом центральный процессор модуля человеко-машинного интерфейса 2 снабжен постоянным запоминающим устройством.
Система питания модулей централизованного ИЭУ реализована в виде шины питания 1 с постоянным напряжением от двух входов питания от системы постоянного оперативного тока подстанции. Общая шина питания 1 снабжена модулем резервирования 8 шины питания, который подключен к основному и резервному источникам питания, подключенных к двум секциям системы постоянного оперативного тока электрической подстанции соответственно. Для предотвращения объединения секций системы постоянного оперативного тока подстанции модуль резервирования 8 шины питания снабжен электромеханическим переключателем между основным и резервными вводами питания по постоянному напряжению.
Каждый из модулей релейной защиты и автоматики 4 обеспечивает прием данных от по меньшей мере одного источника измерений величин тока и напряжения системы автоматизации электрической подстанции для реализации функции управления и защиты оборудования электрической подстанции.
Каждый из модулей счетчика учета электрической энергии и контроля качества! электрической энергии 5 обеспечивает прием данных от по меньшей мере одного источника измерений величин тока и напряжения системы автоматизации электрической подстанции для реализации функции коммерческого учета и контроля качества электроэнергии.
Многопортовые устройства интерфейса Ethernet 7 модулей релейной защиты и автоматики 4 и модулей счетчика учета электрической энергии и контроля качества электрической энергии 5 предназначены для приема данных от источников измерений величин тока и напряжения системы автоматизированной электрической подстанции в форме SV-потоков (SV-поток - поток данных, состоящий из кадров Ethernet в соответствии со спецификацией МЭК 61850-9-2LE.). На устройства интерфейса Ethernet 7 поступают измерения в виде SV-потоков от цифровых трансформаторов тока и трансформаторов напряжения, поступают и передаются дискретные сигналы и команды управления, поступают запросы и передаются отчеты в форме мультимедийных сообщений (MMS). Трафик фильтруется на уровне коммутаторов сети путем распределения SV-потоков и GOOSE сообщений по разным виртуальным сетям VLAN (VLAN - топологическая («виртуальная») локальная компьютерная сеть (аббр. от англ. Virtual Local Area Network). Обработка всех получаемых данных производится в центральном процессоре 6.
В состав централизованного ИЭУ может входить от 1 до N подключенных к общей шине питания 1 модулей релейной защиты и автоматики 2. Количество N модулей релейной защиты и автоматики 4 определяется в зависимости от количества источников измерений величин тока и напряжения системы автоматизации электрической подстанции, которые служат для реализации функции управления и защиты оборудования электрической подстанции. Количество источников измерений величин тока и напряжения системы автоматизации электрической подстанции в свою очередь зависит от числа управляемых присоединений электрической подстанции и видов и типов функций управления и защиты оборудования, которые они реализуют.
Кроме того, в состав централизованного ИЭУ может входить от 1 до М подключенных к общей шине питания 1 модулей счетчиков учета электрической энергии и контроля качества электрической энергии 5. При этом количество М модулей счетчиков учета электрической энергии и контроля качества электрической энергии 5 выбрано в зависимости от количества источников измерений величин тока и напряжения системы управления и защиты электрической подстанции, служащих для реализации функции коммерческого учета и контроля качества электроэнергии. Количество источников измерений величин тока и напряжения системы автоматизации электрической подстанции в свою очередь зависит от числа управляемых присоединений электрической подстанции и видов и типов функций коммерческого учета и контроля качества электроэнергии, которые они реализуют.
Заявленное изобретение обеспечивает необходимую вычислительную мощность централизованного ИЭУ при использовании «стандартных» систем передачи данных (ниже 1 Гбит/с), без использования дополнительных систем гарантированного питания и соблюдения повышенных требований к параметрам окружающей среды (обеспечение кондиционирования и вентиляции).
f
При этом технический результат заявленного изобретения достигается за счет применения в составе централизованного ИЭУ многопроцессорной модульной платформы, где функции коммерческого учета и контроля качества электроэнергии, создающие наибольшую нагрузку на сеть передачи данных по сравнению с функциями управления и защиты оборудования электрической подстанции, реализованы на отдельных модулях 5 с собственными CPU 6 и сетевыми интерфейсами. Сетевой трафик передачи данных для функций коммерческого учета и контроля качества электроэнергии разделяется на уровне коммутаторов сети передачи данных. Передача измерений для функций коммерческого учета и контроля качества электроэнергии требует пропускной способности сети передачи данных в 12,5 Мбит/с от каждого источника измерений, в то время как функции управления и защиты оборудования электрической подстанции требуют пропускной способности сети передачи данных в 55 Мбит/с от каждого источника измерений. Кроме того, поскольку данные от источников измерений величин тока и напряжения системы автоматизации электрической подстанции, служащих для реализации функции коммерческого учета и контроля качества электроэнергии и функции управления и защиты оборудования электрической подстанции, поступают и обрабатываются на отдельные CPU 6 с соответствующей производительностью, не возникает конкуренция за вычислительную мощность одного CPU 6.
CPU 6 и все компоненты централизованного ИЭУ соответствуют требованиям к ИЭУ (например, микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики) по чувствительности к параметрам окружающей среды, и не требуют активного охлаждения и резервируемых систем кондиционирования. Надежность электропитания обеспечивается за счет наличия у централизованного ИЭУ модуля резервирования шины питания 8, подключенного к двум блокам питания, подключенным к двум секциям системы постоянного оперативного тока подстанции соответственно.
Работа устройства
Заявленное централизованное интеллектуальное электронное устройство системы автоматизации электрической подстанции работает следующим образом.
Модули релейной защиты и автоматики 4 (РЗА) принимают через устройства интерфейса Ethernet 7 измерения текущих величин токов и напряжений электрического оборудования от измерительных датчиков в виде цифровых SV-потоков в соответствии с протоколом МЭК61850. Так же модули РЗА 4 принимают от преобразователей дискретных сигналов сигналы состояния электрического оборудования в виде GOOSE-сообщений в соответствии с протоколом МЭК61850.
При выходе получаемых величин измерения тока и напряжения за пределы нормального режима эксплуатации электрического оборудования, а также получения дискретных сигналов о неисправностях и авариях электрического оборудования модуль РЗА 4 запускает алгоритмы обработки функций защиты электрического оборудования и при выполнении всех контрольных условий выдает команду в виде GOOSE-сообщения на преобразователи дискретных сигналов об отключении силовых выключателей в первичных цепях электрического оборудования для предотвращения повреждения защищаемого электрического оборудования.
Данные о пуске алгоритмов защиты, выдаче команд аварийного отключения электрического оборудования, а также сигналы о состоянии режимов работы модулей РЗА 4 сами модули РЗА 4 передают на модуль человеко-машинного интерфейса 2 (HMI) в виде MMS-отчетов в соответствии с протоколом МЭК61850.
Модуль HMI 2 выводит на дисплей 3 информацию в текстовом и графическом виде о состоянии электрического наблюдаемого и управляемого электрического оборудования.
Оперативный персонал электрической подстанции посредством сенсорного дисплея 3, клавиатуры и манипулятора выбирает объекты управления и выдает команды управления на изменение состояния электрического оборудования и изменения режимов работы модулей РЗА 4. Команды в виде MMS-команд в соответствии с протоколом МЭК61850 передаются на модули РЗА 4, откуда в виде GOOSE-сообщений транслируются на исполнительные механизмы приводов электрического оборудования.
Во избежание ошибочных действий оперативного персонала модуль РЗА 4 проверяет получаемые через модуль HMI 2 команды на соответствие условиям взаимной блокировки электрического оборудования и не выполняет ошибочные команды, о чем отправляет MMS-отчет.
Так же модуль HMI 2 обеспечивает архивирование собираемой информации и выдаваемых командах на резервируемом постоянном запоминающем устройстве.
Каждый модуль счетчика учета электрической энергии и контроля качества электрической энергии 5 принимает одно или несколько измерений величин тока и напряжения от измерительных датчиков в виде цифровых SV-потоков в соответствии с протоколом МЭК61850, обрабатывает получаемые измерения и передает на вышестоящий уровень учета и контроля качества электроэнергии.
Таким образом, при осуществлении заявленного изобретения достигается повышение производительности централизованного ИЭУ системы автоматизации электрической подстанции при реализации функций коммерческого учета и контроля качества электроэнергии и обеспечивается надежность электропитания.