Модернизация автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления городской электросетью

Модернизация автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления городской электросетью

Николай Павлов, Андрей Зацепин, Максим Ананских

Рассматриваются технические средства и программное обеспечение, используемые для модернизации автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления электросетью г. Королёв Московской области.

ВВЕДЕНИЕ

На предприятии ЗАО «Королёвская электросеть» проводятся мероприятия по модернизации системы диспетчерского контроля и управления, реализующей свои функции через каналы информационно-технологической связи с распределительными пунктами электросети. Необходимость в усовершенствовании системы в основном обусловлена недостаточной надёжностью аппаратных средств нижнего уровня, отработавших свой ресурс и имеющих ограниченные функциональные возможности. Вместе с тем появление на российском рынке высоконадёжных IBM PС совместимых контроллеров, способных работать в жёстких условиях эксплуатации, а также инструментальных систем программирования позволяет произвести модернизацию аппаратно-программных средств системы на современном техническом уровне и обеспечить при этом высочайшую степень надёжности и живучести системы в целом.

Здание распределительного пункта электросети

НЕДОСТАТКИ ПРЕЖНЕЙ СИСТЕМЫ И ВЫБОР ПУТЕЙ ИХ УСТРАНЕНИЯ

Распределительные пункты (РП) электросети предназначены для приёма электрической энергии и её распределения по различным объектам (жилым домам, предприятиям и т.п.). Как правило, РП состоят из 10-12 ячеек (камер), в которых установлены: коммутационные аппараты (масляные выключатели — МВ), оборудование релейной защиты и автоматики (РЗ и А) и устройства системы диспетчерского контроля и управления (датчики тока нагрузки в фидерах и отходящих линиях, цепи сигнализации состояния защиты и положения электропривода масляных выключателей, а также реле включения/отключения МВ). Первоначально система диспетчерского контроля и управления (СДКУ) охватывала 12 РП, которые были оборудованы комплектами телемеханики ТМ-322 (непрограммируемые устройства, выполненные на обычных микросхемах и элементах релейной техники, 1987 года выпуска). На диспетчерском пункте (ДП) был установлен персональный компьютер (ПК), осуществляющий сбор и обработку поступающей информации, а также выдачу её диспетчеру посредством мнемосхем. 

Оборудование распределительного пункта (РП)

Для обеспечения связи с РП (ТМ-322) по выделенным телефонным линиям был разработан канальный адаптер, встраиваемый в компьютер. В 1996 году система была расширена ещё на три РП, в которых были применены программируемые логические контроллеры SIMATIC S5-100U фирмы Siemens (процессор CPU-102, коммуникационный процессор CP 521-SI, программное обеспечение — язык релейно-контактных схем STEP5). Связь с РП по телефонным линиям осуществлялась с помощью модемов, а в компьютер верхнего уровня была установлена плата мультиплексора последовательных портов (RS-232C), что позволило обслуживать через один порт несколько каналов связи (рис. 1). Перечисленные аппаратные средства СДКУ позволяют обеспечить обмен информацией между диспетчерским пунктом и 15 распределительными пунктами, причём на один РП приходится:

• 16 входных аналоговых сигналов (измеренные значения тока нагрузки); 
• 24 входных дискретных сигнала (сигнализация состояния защиты, положения электропривода МВ и концевых выключателей дверей); 
• 24 выходных релейных сигнала (управление МВ по команде диспетчера).

В процессе эксплуатации данной системы были выявлены следующие недостатки:

• неинтеллектуальные устройства ТМ-322 имеют ограниченные функциональные возможности, из-за чего, в частности, нельзя реализовать «непрерывный» опрос аналоговых сигналов (автоматический опрос датчиков тока осуществляется только 2 раза в сутки, а промежуточные обращения производятся вручную по команде диспетчера); 
• уровень надёжности работы устройств ТМ-322 не отвечает современным требованиям, и, как следствие, из их функций исключена весьма ответственная операция включения/отключения МВ; 
• модемы не обладают достаточной надёжностью в работе, отмечены их неоднократные «зависания» как со стороны РП, так и со стороны ДП; 
• модемы и канальный адаптер являются нестандартными устройствами (разработка сторонней организации), что создаёт дополнительные трудности при их ремонте и техническом обслуживании; 
• контроллер SIMATIC S5-100U не рассчитан для работы при отрицательных температурах и требует обогрева шкафа; кроме того, для его перепрограммирования необходим программатор с ультрафиолетовым стиранием; 
• всё технологическое оборудование верхнего уровня (канальный адаптер, модемы, кабельные соединения, телефонный кросс) расположено на рабочем месте диспетчера, что создаёт большие неудобства как обслуживающему персоналу, так и диспетчеру; 
• специализированное программное обеспечение верхнего уровня практически не открыто для пользователя, что затрудняет его модификацию при вводе в эксплуатацию новых РП и при других изменениях в системе.

Учитывая данные недостатки, персонал АСУ и руководство электросети приняли решение изменить конфигурацию системы в целом, а также произвести поэтапную замену устаревших комплектов телемеханики ТМ-322 на современные высоконадёжные контроллеры MicroPC фирмы Octagon Systems и использовать их в дальнейшем на новых РП. При этом СДКУ должна быть построена таким образом, чтобы не нарушать технологический процесс контроля и управления на тех РП, которые не подлежат в данный момент модернизации.

Условные обозначения: ТМ322 — комплект устройств телемеханики; РП — распределительный пункт. Рис. 1. Первоначальная структура системы диспетчерского контроля и управления (СДКУ)

Кроме того, необходимо сохранить контроллеры SIMATIC S5-100U на трёх РП и включить их в состав новой СДКУ. Что касается программного обеспечения, то оно должно быть создано на базе инструментального пакета программ, что позволило бы персоналу АСУ электросети самому овладеть методикой программирования с целью внесения изменений и дополнений в существующий проект и разработки программ для новых РП.

ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА МОДЕРНИЗАЦИИ

Для выполнения поставленных задач компьютер верхнего уровня с технологическим оборудованием, включающим модемы и телефонный кросс на 16 пар, установлен в помещении технического персонала АСУ, а при построении АРМ диспетчера использован обычный офисный компьютер (рис. 2). Обмен между этими компьютерами осуществляется по локальной вычислительной сети Ethernet. Таким образом, в составе СДКУ был сформирован средний уровень — приёмо-передающая станция («ППС old»), осуществляющая информационно-технологическую связь, как и прежде, с пятнадцатью распределительными пунктами. Далее на двух РП были демонтированы устройства ТМ-322, вместо которых установлены контроллеры, разработанные на базе устройств MicroPC. Аналогичный контроллер был установлен также на вновь построенном РП. На среднем уровне в качестве новой приёмо-передающей станции («ППС new») применён промышленный компьютер повышенной надёжности фирмы Advantech на базе отказоустойчивого шасси IРС-610 и процессорной платы PCA-6153 (Pentium MMX, 166 МГц). Дополнительно в этом компьютере размещена плата мультиплексора С168 на 8 последовательных портов RS-232C, к которым подключены универсальные модемы Соuriег US Robotics. Количество СОМ-портов, а соответственно, и модернизируемых РП может быть увеличено до 32 с помощью установки ещё трёх плат С168. Компьютер фирмы Advantech с помощью платы сетевого адаптера также подключён к локальной сети Ethernet (рис. 3). Таким образом, на среднем уровне (СДКУ) одновременно находятся в работе две приёмо-передающие станции «ППС old» и «ППС new», входящие в состав АРМ инженера АСУ (рис. 4).

Рис. 2. АРМ диспетчера

В результате такого решения была создана аппаратно-программная база для дальнейшей модернизации всей системы без нарушения технологического процесса. Переключение РП со старой системы на новую осуществляется простой перекоммутацией телефонной пары с «ППС old» на модем Courier, после чего производится программирование РП на приёмо-передающей станции «ППС new». Программирование задач контроля и управления для новой части СДКУ выполняется на базе инструментальной системы Trace Mode 4.25. Связь с контроллерами MicroPC осуществляется по протоколу М-Link, встроенному в Trace Mode. Связь АРМ диспетчера с АРМ инженера АСУ производится по протоколу локальной сети Ethernet под управлением ОС Windows 95. При этом на АРМ диспетчера одновременно функционируют две задачи: программное обеспечение Trace Mode, поддерживающее сетевой обмен с компьютером «ППС new», и прежняя система программирования, обеспечивающая сетевой обмен с компьютером «ППС old».

Рис. 3. Модернизированная структура СДКУ

Переключение с одной системы на другую осуществляется на компьютере АРМ диспетчера с помощью клавиатуры. После поэтапного подключения к новой СДКУ трёх РП, управляемых контроллерами MicroPC, была поставлена задача перевода под управление новой системы и тех РП, на которых установлены контроллеры SIMATIC S5100U. Решение этой задачи усложнялось необходимостью разработки специального программного драйвера для связи Trace Mode 4.25 с контроллерами SIMATIC S5-100U. В конечном счёте с привлечением специалистов фирмы «Антрел» такой драйвер был создан. Драйвер обеспечивает обмен по протоколу 3964R, стандартному для контроллеров фирмы Siemens. В нём реализованы функции приёма дискретных и аналоговых сигналов, а также передачи команд управления. Обмен с контроллерами SIMATIC ведётся параллельно по всем задействованным портам и независимо от обмена с контроллерами MicroPC.

Рис. 4. Оборудование АРМ инженера АСУ

Для обеспечения настройки системы была разработана специальная программа конфигурирования драйвера, позволяющая настроить адреса последовательных портов, скорость связи, а также параметры обмена по протоколу 3964R. Таким образом, на данном этапе модернизации новая СДКУ обеспечивает информационно-технологическую связь с шестнадцатью РП, десять из которых выполнены на базе устройств ТМ-322 и находятся под управлением приёмо-передающей станции «ППС old» и шесть (три на базе устройств MicroPC и три на базе контроллеров SIMATIC) — под управлением новой приёмо-передающей станции «ППС new». Система диспетчерского контроля и управления на среднем и верхнем уровне автоматизации выполняет следующие функции:

• отображение мнемосхемы РП; 
• визуализацию дискретных сигналов (сигнализация состояния масляных выключателей и оборудования релейной защиты и автоматики); 
• визуализацию аналоговых сигналов (значения токов в фидерах и отходящих линиях и напряжений на шинах РП); 
• оповещение диспетчера при изменении значений дискретных сигналов, при нарушении линии связи, а также при выходе значений аналоговых сигналов за установленные пределы; 
• отображение текущих и ретроспективных данных об аналоговых сигналах в виде графиков; 
• ведение архива отчётов о тревогах, вызванных изменениями значений дискретных сигналов или выходом параметров аналоговых сигналов за допустимые границы; 
• ведение архива аналоговых сигналов; 
• выдачу на РП сигналов управления (включение/отключение МВ) по команде диспетчера с запросом подтверждения исполнения.

Применение в составе модернизированной структуры СДКУ контроллеров MicroPC и SIMATIC позволяет обеспечить практически непрерывный контроль (время цикла опроса 1 с) как дискретных, так и аналоговых сигналов, что создаёт условия для объективного анализа аварийных ситуаций на РП по архивным значениям тока нагрузки в фидерах и отходящих линиях.

Рис. 5. Структурная схема контроллера «Микро PC%ТМ1»

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НОВЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ

На базе устройств MicroPC для СДКУ разработаны две модификации контроллеров: «Микро PC-TM1» и «Микро РС-ТМ2». Каждый из контроллеров обеспечивает по выделенной 2-проводной телефонной линии связи приёмопередачу следующих данных:

• 24 входных дискретных сигналов; 
• 24 выходных дискретных сигналов;
• 16 входных аналоговых сигналов.

Контроллеры «Микро РС-ТМ1» и «Микро РС-ТМ2» состоят из блока микроконтроллера и устройства связи с объектом (рис. 5 и 6). Блок микроконтроллера выполнен из изделий Octagon Systems и включает в себя:

• модуль микроконтроллера 6020 (процессор 386SX, 2 Мбайт ОЗУ, 1 Мбайт флэш-памяти, статическое ОЗУ объёмом 128 кбайт, встроенная DOS 6.22, CАMBasic в ПЗУ, 48 каналов дискретного ввода-вывода, последовательные порты COM1 и COМ2, часы реального времени, сторожевой таймер); 
• модуль аналогового ввода 5710-1 (16 каналов аналогового ввода, 12-разрядный АЦП, диапазон входного напряжения ±5 В, быстродействие 70000 выборок/с, защита от перенапряжения на входе до ±16 В); 
• модуль модема 5524 для выделенных и коммутируемых линий связи (скорость обмена до 9600 бит/с, стандартный набор АТ-команд, поддержка протоколов МККТТ V.32, V.22, V.22bis, V.21, а также Bell 103); 
• источник питания 5101 (+5 В, 4 А); 
• монтажный каркас 5204-RM (4 слота, 8-разрядная шина ISA).

В состав обеих модификаций устройств связи с объектом входят: 

• плата гальванической изоляции каналов дискретного ввода TBI-24/0C фирмы Fastwel (24 канала дискретного ввода, диапазон входного напряжения 3-52 В, поканальная изоляция 1500 В, светодиодная индикация по каждому каналу); 
• плата гальванической изоляции каналов дискретного вывода TBI-0/24С (только для «Микро PCTM1») фирмы Fastwel (24 канала дискретного вывода, коммутируемое напряжение 60 В постоянного тока, максимальный ток нагрузки 800 мА, поканальная изоляция 1500 В постоянного тока); 
• панели релейной коммутации TBR8 (только для «Микро PC-TM2») фирмы Fastwel (коммутируемая нагрузка до 10 А при 270 В переменного тока с частотой 50 Гц или при 30 В постоянного тока, напряжение пробоя изоляции между катушкой управления и коммутируемыми цепями 2500 В, варисторная защита от перенапряжения до 400 В, светодиодная индикация по каждому каналу); 
• клеммная плата АТВ-40 фирмы Octagon Systems для подключения аналоговых сигналов (0…5 мА).

Для реализации дискретного ввода и вывода используются 48 встроенных каналов процессорной платы 6020. Настройка этих каналов на ввод или вывод осуществляется программно. Каналы дискретного ввода микроконтроллера подключены к плате ТВI-24/0С, а дискретного вывода микроконтроллера к плате TBI-0/24C в контроллере «Микро PC-TM1» или к панелям TBR8 в контроллере «Микро PC-TM2». Ввод аналоговых сигналов выполняется модулем 5710-1. Для подключения аналоговых входов к модулю 5710-1 и установки дополнительных дискретных элементов преобразования и фильтрации сигналов датчиков тока используется терминальная плата АТВ-40. Приём и передача информации по телефонной линии связи обеспечивается модемом 5524. Модули 6020, 5710-1, 5524 установлены в монтажный каркас 5204-RM.

Рис. 6. Структурная схема контроллера «Микро PC%ТМ2»

Отличие контроллера «Микро РС-ТМ2» (рис. 7) от «Микро РСТМ1» (рис. 8) заключается только в использовании вместо платы дискретного вывода TBI-0/24C трёх панелей релейной коммутации TBR8, включённых в каскад 3 по 8 выходов. Панели TBR8 расположены в шкафу контроллера, поэтому нет необходимости в установке исполнительных реле в высоковольтных ячейках РП, где их присутствие затрудняет техническое обслуживание основного оборудования и проведение монтажно-наладочных работ.

Рис. 7. Внешний вид контроллера «Микро РС%ТМ2»

Питание модулей MicroPC осуществляется от источника 5101. Для питания цепей и катушек реле TBR8 используется источник вторичного электропитания NAL25 (+24 В, 1 А) фирмы Artesyn Technologies. Контроллеры размещены в шкафах CONCEPTLINE (600×500×220 мм) фирмы Schroff, для фиксации кабелей и обеспечения герметичности конструкции применены кабельные вводы фирмы RST. Все устройства контроллеров, включая модем 5524, с высокой степенью надёжности сохраняют работоспособность в диапазоне температур от –40 до +85°С. Необходимо отметить, что это обстоятельство оказалось решающим при выборе устройств для нижнего уровня СДКУ, так как предполагалась их эксплуатация в условиях неотапливаемых помещений РП. В результате разработанные на базе устройств MicroPC контроллеры практически не требуют технического обслуживания и успешно функционируют без применения нагревателей и вентиляторов (рис. 9).

Рис. 8. Внешний вид контроллера «Микро РС%ТМ1» 

Кроме того, использование средств MicroPC позволило создать IBM PC совместимые контроллеры, а это значительно упростило проблему выбора программного обеспечения и разработку прикладных программ как нижнего, так и среднего и верхнего уровней СДКУ. Следует также отметить, что среди изделий стандарта MicroPC фирм Octagon Systems и Fastwel имеется широкий набор устройств ввода-вывода и сопряжения с объектом, поэтому всегда 44 может быть найден оптимальный вари- ант комплектации контроллера в зависимости от сложности и особенностей конкретного РП. В настоящее время рассматривается возможность построения контроллера на базе выпускаемых фирмой Fastwel модулей микроконтроллеров CPU188-5 и RTU188. В частности, специализированный микроконтроллер RTU188 может быть использован при автоматизации небольших РП. При этом стоимость контроллера может быть существенно снижена.

Рис. 9. Разработанные на базе устройств MicroPC контроллеры успешно эксплуатируются в условиях неотапливаемых помещений РП

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение хотелось бы сказать, что трёхлетняя практика безаварийной эксплуатации в составе оборудования электросети подтвердила правильность выбранного пути модернизации системы контроля и управления на основе устройств MicroPC, а также выявила высокую надёжность новых аппаратно-программных средств и их явное преимущество по многим другим параметрам перед ранее используемыми средствами. В 2003 году работа по модернизации и расширению системы будет продолжена: в частности, планируется ввод в эксплуатацию, как минимум, ещё двух новых РП, оснащённых контроллерами «Микро PC-TM».