Переход к цифровым измерительным преобразователям

Рост объемов информации

Увеличение объемов информации, собираемой на энергообъектах и передаваемой на диспетчерские пункты, имел место всегда, но в последние 2-3 года в этом процессе происходят качественные изменения:

· Поставлена и выполняется задача существенного повышения наблюдаемости электрического режима. Для этого объем измерительной информации ТИТ должен быть увеличен примерно в 3 раза. Достижение этой цели базируется на широком применении цифровых ИП и значительном увеличении пропускной способности каналов связи.

· Поставлена и выполняется задача существенного улучшения контроля топологии сети. Для этого должны передаваться сигналы положения не только всех выключателей, но и разъединителей и заземляющих ножей. Это означает увеличение числа телесигналов примерно в 5 раз по сравнению с существующим.

· Совершенствование оперативно-диспетчерского управления требует более широкого использования аварийно-предупредительной телесигнализации (АПТС), к которой относятся, в частности, сигналы срабатывания защит. При этом сигналы АПТС должны передаваться в диспетчерский ОИК примерно с тем же приоритетом, что и сигналы ТС о положении коммутационных аппаратов. Объем АПТС сравним с объемом ТС, что означает дополнительное увеличение количества дискретных сигналов примерно вдвое.

Вместе с увеличением объема информации повышаются также требования к качеству информации. В частности, для Системного оператора требуется доставка информации ТИТ о режимных параметрах магистральной сети и информации ТС об изменении положения выключателей за 1 секунду. При этом вся информация об изменениях должна передаваться с метками времени.

Кроме указанной оперативной информации ТИТ, ТС и АПТС, на подстанции собирается еще значительный объем технологической информации от устройств РЗА и ПА, диагностики первичного оборудования, контроля качества электроэнергии, от инженерных и вспомогательных систем подстанции. Часть этой информации, также должна передаваться на диспетчерские пункты, но она не относится к оперативной, к ней предъявляются менее жесткие (в 100 и более раз) требования по времени доставки. Для передачи технологической информации предполагается использование дополнительных каналов связи, независимых от каналов передачи оперативной информации.

Способы кодирования информации.

Одна и та же информация может быть представлена (закодирована) в нескольких формах. C появлением компьютеров возникла необходимость кодирования всех видов информации, с которыми имеет дело и отдельный человек, и человечество в целом. Но решать задачу кодирования информации человечество начало задолго до появления компьютеров. Грандиозные достижения человечества - письменность и арифметика - есть не что иное, как система кодирования речи и числовой информации. Информация никогда не появляется в чистом виде, она всегда как-то представлена, как-то закодирована.

Двоичное кодирование – один из распространенных способов представления информации. В вычислительных машинах, в роботах и станках с числовым программным управлением, как правило, вся информация, с которой имеет дело устройство, кодируется в виде слов двоичного алфавита.

УПРАВЛЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЕМ

Управление предприятием производится на двух уровнях:
MES (Manufacturing Execution Systems) — система управления производством продукции в реальном времени. Этот уровень служит для планирования производственных заданий для технологических процессов, построения сводных отчетов, глубокого анализа процесса (например, прогнозирование, построение энергетического и материального баланса и др.). Для этих целей также может быть использован инструментарий SCADA.

ERP (Enterprise Resource Planning) — система автоматизированного управления административно-финансовой и административно-хозяйственной деятельностью предприятия. На этом уровне используются другие специализированные системы, например, SAP R3.

ФУНКЦИИ SCADA

■ Мнемосхемы
Мнемосхема — это графическое изображение (с помощью встроенного в SCADA графического редактора) технологической схемы с визуализацией значений датчиков, состояния исполнительных механизмов и др. параметров. Для визуализации используется не только отображение значений в виде цифр и надписей, но и изменение визуальных свойств отображаемых графических объектов. Например, в емкости изменяется уровень жидкости, а ее цвет изменяется в зависимости от температуры (динамизация). Исполнительные механизмы могут не просто показывать свое состояние каким-то графическим признаком (например, цветом), но и наглядно показывать свою работу — например, вращением лопастей насоса, движением ленты конвейера и т.п. (анимация).

■ Архивы
Получаемые от контроллеров данные SCADA складывает в архивы. Предварительно данные могут быть обработаны (отфильтрованы, усреднены, сжаты и т.п.). Часто используется не регулярная запись, а запись по изменению с использованием порога чувствительности («мертвой зоны»). Длительность хранения настраивается в SCADA индивидуально для каждого параметра и может составлять до нескольких лет.

■ Тренды
Тренд — это графическое отображение изменения параметра во времени. Тренды в SCADA- системах могут показывать изменение параметра за всю длительность его хранения в архиве. Оператору предоставляется возможность изменять масштаб, как времени, так и самого параметра. В развитых системах в тренд встроены различные инструменты анализа графика, сравнения его с уставкой или другим параметром, сглаживание или фильтрация, отметки на графике событий (например, нарушение границ) или закладок для памяти и многое другое.

■ Таблицы
Зачастую технологу удобнее просматривать архивы не в графическом виде, а в виде таблиц. Обычно эти таблицы можно не только просматривать, но и экспортировать в другие системы.

■ Графики
Обычно SCADA позволяют смотреть и зависимость одних параметров от других, тоже во времени. Хотя это функция и менее востребована технологами, чем тренды.

■ Гистограммы и диаграммы
Другим распространенным способом представления параметров являются гистрограммы (столбиковые диаграммы).

■ Сообщения
Сообщения — это текстовые строки, которые информируют оператора о событиях на объекте в той последовательности, в которой эти события происходят. Они всплывают на экране или отображаются в специально выделенной для этого зоне.

■Журналы сообщений
Журналы сообщений служат для отображения списков сообщений в том порядке, как они появлялись и были сохранены в архив. Как правило, используются разные экземпляры журналов для разных зон процесса, разных категорий сообщений, разных приоритетов.

■ Контроль прав доступа
Для того, чтобы оператор мог совершить те или иные действия, ему должны быть администратором предоставлены соответствующие права — например, право управлять исполнительным механизмом, или право изменить задание регулятору. В начале смены оператор регистрируется в системе, и она предоставляет ему выполнять только те действия, которые ему разрешены администратором.

■Журнал действий оператора
Управление технологическим процессом очень ответственная задача, поэтому все действия оператора записываются для контроля в специальный журнал, который может быть проанализирован в случае нештатных ситуаций.

■ Формирование отчета
Удобная среда разработки отчетов позволяет легко и быстро подготовить отформатированные и насыщенные информацией отчеты.

 

Лекция 8. Модель передачи данных.

Характеристика и назначение ИТ передачи информации Информационные технологии основаны на реализации информационных процессов, разнообразие которых требует выделения базовых. К ним можно отнести извлечение, транспортирование, обработку, хранение, представление и использование информации. В процессе транспортирования осуществляют передачу информации на расстояние для ускоренного обмена и организации быстрого доступа к ней, используя при этом различные способы преобразования. Процесс транспортирования информации рассматривается в рамках эталонной семиуровневой модели, известной как модель OSI. Большое внимание уделено протоколам различных уровней, обеспечивающих необходимый уровень стандартизации.

5.1.3. Модель OSI При разработке и использовании сетей для обеспечения совместимости используется ряд стандартов, объединенных в семиуровневую модель открытых систем, принятую во всем мире и определяющую правила взаимодействия компонентов сети на данном уровне (протокол уровня) и правила взаимодействия компонентов различных уровней (межуровневый интерфейс). Международные стандарты в области сетевого информационного обмена нашли отражение в эталонной семиуровневой модели, известной как модель OSI (Open System Intercongtction – связь открытых систем). Физический уровень реализует физическое управление и относится к физическому каналу связи, например витой паре, по которой передается информация. Канальный уровень. На этом уровне осуществляется управление звеном сети (каналом) и реализуется пересылка кадров информации по физическому звену. Осуществляет такие процедуры управления, как определение начала и конца блока, обнаружение ошибок передачи, адресация сообщений и др. Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей. Выполняет следующие функции: маршрутизацию, фрагментацию, контроль ошибок. Транспортный уровень обеспечивает приложениям или верхним уровням стека передачу данных с той степенью надежности которая им требуется. Сеансовый уровень обеспечивает взаимодействие сторон, фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент и представляет средства синхронизации сеанса. Уровень представления. Программные средства этого уровня выполняют преобразования данных из внутреннего формата передающего компьютера во внутренний формат компьютера-получателя, не меняя ее содержания. Данный уровень включает функции, относящиеся к используемому набору символов, кодированию данных и способам представления данных на экранах дисплеев или печати. Помимо конвертирования форматов на данном уровне осуществляется сжатие передаваемых данных и их распаковка. Прикладной уровень – набор протоколов, с помощью которых пользователи получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры и т.д., уровень обычно оперирует сообщениями.

 

Лекция 9. Протоколы передачи.

Протокол ISACOM (Контроллеры ТЕКОН)

По данному протоколу происходит обмен данными между SCADA-системой и контроллерами «ТЕКОН»). Контроллеры ТЕКОН поддерживают ряд сервисов, требующих дополнительного конфигурирования.

Протокол OPC DA

OPC (OLE for Process Control) — семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами. OPC DA (Data Access) — основной и наиболее востребованный стандарт.

Протокол SPA-Bus

SPA-Bus – протокол передачи данных, при автоматизации подстанций. К одной линии передачи данных может быть подключено одно master-устройство и много slave-устройств. Протоколы базируются на ASCII. Используется чаще всего в устройствах релейной защиты и в других устройствах автоматизации подстанций. Как правило, для подключения устройств используется последовательное соединение RS-232 (V.24).

Протокол T4000

Протокол Т4000 предназначен для работы непосредственно с модулями ввода/вывода контроллера «Теконик», производства ЗАО ПК «Промконтроллер» (ГК «ТЕКОН») по шине RS-485.

Протокол IEC 60870-5-104

Протокол IEC 60870-5-104 представляет собой комбинацию прикладного уровня IEC 60870-5-101 и функцией транспортного уровня TCP/IP. Обеспечивается функциональность как первичной (Master), так и ведомой (Slave) составляющей протокола. Драйвер IEC 60870-5-104 Slave поддерживает циклическую, фоновую, спорадическую и передачу данных по запросу.

Протокол IEC 60870-5-103

Протокол действует по принципу передачи данных «клиент — сервер» и использует метод циклического опроса в качестве способа получения доступа к среде передачи информации. Протокол предназначен для обмена данными, как правило, с терминалами релейной защиты. В SCADA системе ТЕКОН реализована клиентская часть протокола IEC 60870-5-103.

Протокол IEC 61850-8-1

Основными протоколами передачи данных, согласно стандарту МЭК-61850, являются протоколы MMS и GOOSE. MMS используется для передачи данных от терминалов РЗА в SCADA систему для дальнейшей визуализации, а GOOSE — для обмена данными между терминалами. Важной особенностью протоколов является гарантированная доставка сообщений, а скорость передачи данных у ММS и GOOSE выше, чем у других протоколов передачи данных, таких как, например, Modbus.

Протокол SNMP

SNMP – это протокол управления сетями связи на основе архитектуры UDP. В настоящее время протокол SNMP используется не только в устройствах, осуществляющих управление сетью. Но и в других устройствах (например, источниках бесперебойного питания).

Состав системы

Среди разработчиков АИИС КУЭ принято условное деление системы на нижний и верхний уровень. Книжнему уровню относится оборудование и микропрограммы, работающие непосредственно на объектеучёта. К верхнему уровню относится остальная часть системы, расположенная, как правило, в центреобработки данных и офисах контролирующей организации.

Функции системы

· Автоматический сбор данных коммерческого учёта потребления (отпуска) электроэнергии по каждой точке(группе) учёта на заданных коммерческих интервалах (согласно ОАО АТС - 30 мин.).

· Хранение параметров учёта в базе данных.

· Обеспечение многотарифного учёта потребления (отпуска) электроэнергии.

· Обеспечение контроля за соблюдением лимитов энергопотребления.

· Контроль параметров электроэнергии (токов, напряжений, cos f, частоты) на заданном интервале опроса(технически).

· Вывод расчетных параметров на терминал и/или на устройство печати по требованию оператора.

· Ведение единого системного времени с возможностью его корректировки.

· Сведение баланса электроэнергии по расчетной группе (секция, система шин и т.д) на этапе наладкисистемы и в процессе ее эксплуатации.

Области применения

В сетевых организациях

Сетевые организации с помощью АИИС КУЭ ведут учёт потерь энергии в трансформаторах и линияхэлектропередачи. Анализ данных, предоставляемых АИИС КУЭ, полезен также для определенияперегруженных участков электросети и принятия решения об увеличении их пропускной способности.

В генерирующих организациях

Некоторые организации-производители электроэнергии предъявляют повышенные требования к частотеснятия показаний с электросчётчиков. Эти требования обоснованы необходимостью поддерживатьоптимальные режимы работы оборудования и не допускать перерасхода энергоносителей. В том случае,когда невозможно ручное снятие показаний с требуемой частотой, единственным решением проблемыстановится внедрение АИИС КУЭ.

Переход к цифровым измерительным преобразователям

Традиционной структурой измерительных каналов телемеханики была структура с аналоговыми измерительными преобразователями (ИП) электрических параметров в унифицированный сигнал постоянного тока. Обычно аналоговые ИП имеют однофункциональное исполнение — преобразователи мощности, тока, напряжения. ИП мощности, как правило, выпускаются двухканальными — с независимыми выходами для активной и реактивной мощности.

Аналоговые ИП не входят в состав устройства контролируемого пункта (КП) телемеханики. Входы устройства КП представляют собой в этой структуре многоканальный АЦП с циклом опроса 0,1-3 секунды. В параметрах устройства КП в данном случае нормируется погрешность АЦП, а погрешность ИП входит в общую погрешность измерительного канала отдельной составляющей.

Современной альтернативой традиционной структуре является применение цифровых многофункциональных измерительных преобразователей. Данная структура измерительных каналов является предпочтительной для всех новых устройств КП телемеханики. На новых и реконструируемых энергообъектах должна применяться только такая структура. При этом для ввода неэлектрических величин (температура, давление и т. п.), а также некоторых электрических величин, например напряжения оперативного постоянного тока, могут использоваться традиционные аналоговые входы. Но и для этих величин сейчас доступны цифровые ИП.

Цифровые ИП строятся на основе быстродействующих АЦП, которые сканируют входные сигналы от измерительных трансформаторов тока и напряжения несколько десятков или сотен раз за период. Полученный набор значений обрабатывается специализированным процессором, который вычисляет все параметры, характеризующие режим присоединения. Выходные данные передаются по последовательным каналам в цифровой форме.

По схеме и алгоритму работы цифровые ИП аналогичны микропроцессорным счетчикам. Многие типы цифровых ИП одновременно сертифицированы как средства учета электроэнергии. С другой стороны, многие типы микропроцессорных счетчиков кроме интегральных величин предусматривают также выдачу текущих значений тока, напряжения, мощности.

Цифровые ИП должны обеспечивать как трехпроводную, так и четырехпроводную схему подключения к трехфазным цепям измерительных трансформаторов. Уровни входных сигналов от измерительных трансформаторов должны быть стандартными:

· номинальное значение тока 1 А, 5 А;

· номинальное значение линейного напряжения 100 В.

Использование цифровых ИП имеет следующие преимущества:

· обеспечение единства измерений, повышение их точности;

· возможность реализации быстрых измерений, вплоть до измерения за один период промышленной частоты;

· экономия общего объема информационного оборудования за счет замены нескольких аналоговых ИП одним многофункциональным цифровым ИП, а также за счет совмещения функций телемеханических ИП с функциями счетчиков электроэнергии.

Если цифровые ИП предназначаются для использования в качестве регистраторов аварийных процессов и устройств определения расстояния до места повреждения (ОМП), они должны иметь двойной комплект токовых входов для независимого присоединения к измерительным и к релейным трансформаторам тока. При этом, естественно, измерительные и аварийные токовые входы ИП должны иметь характеристики, соответствующие выполняемой функции.

Для сбора информации от цифровых ИП применяются разнообразные интерфейсы и протоколы — RS-232, RS-485, CAN, Fieldbus, Profibus, Modbus, DNP 3.0, Ethernet, Industrial Ethernet и другие, в том числе множество фирменных протоколов. В настоящее время нет нормативных документов, регламентирующих протокол выдачи информации цифровыми ИП, а также организацию сбора информации в том случае, когда одни и те же средства измерения выдают как интегральные величины для АИИСКУЭ, так и текущие значения для АСУ ТП и АСДУ.