СКАДА-РЗА - АСУ ТП для распределительных подстанций 110

1
Система диспетчерского управления на базе микропроцессорных защит и
измерительных устройств.
Богданов А.В., Ветрова И.А., Горелик Т.Г.
ОАО НИИПТ
Начало интеграции защитных и управляющих функций в АСУ ТП ПС относится
к середине 80-х г.г. За прошедший период этот процесс эволюционировал до
полномасштабных
систем
автоматизации
подстанций.
Появление
на
рынке
вычислительной техники интеллектуальных устройств наиболее сильно повлияло в
мировой энергетике на
релейную защиту и автоматику. Интегрирование функций
защиты, регулирования, мониторинга совместно с техникой локальных сетей и
современными телекоммуникационными технологиями в настоящее время широко
распространено на подстанциях за рубежом и приобрело статус обычного положения
вещей.
В связи с активным внедрением на энергообъектах России микропроцессорных
устройств релейной защиты, автоматики и измерений
(МП РЗА) в ОАО НИИПТ
разработан комплекс программно-технических средств СКАДА-РЗА (№ 2003611915
госрегисрации), позволяющий объединять информацию от защит с различными
протоколами связи в единую АСУ ТП энергообъекта. Данная система осуществляет
решение всего круга задач сбора, обработки, передачи данных, управления объектом в
режиме
реального
времени,
а
также
задач,
связанных
с
параметризацией
микропроцессорных устройств и анализом правильности работы защит в аварийных
режимах.
Создание СКАДА-РЗА стало возможным благодаря тому, что МП РЗА могут
работать не только по своему прямому назначению (релейная защита, автоматика,
управление и сигнализация), но способны дополнительно выполнять функции сбора и
хранения информации, а также обеспечивать связь по стандартным цифровым
интерфейсам с другими уровнями АСУ ТП. Однако, существующие в настоящее время
СКАДА-системы работают, как правило, с устройствами одной фирмы-изготовителя,
не поддерживая (или поддерживая частично) функции интегратора информации от
различных микропроцессорных устройств.
В настоящее время в мировой практике рассматривается три основных пути
интеграции информации от различных устройств:
1. Использование открытых протоколов полевого уровня. Поскольку полевые
протоколы существующих информационных систем различаются друг от друга, то для
2
интеграции таких систем в единую интегрированную АСУТП ПС необходимо
использовать промышленные контроллеры-концентраторы. Контроллеры выполняют
роль координирующих узлов в управлении микропроцессорными устройствами,
осуществляют сбор, первичную обработку, промежуточное буферирование потока
информации и связь с центральным компьютером - Сервером по сети или через модем
в случае разнесенной по разным объектам системы сбора и управления. При такой
организации,
программное обеспечение среднего уровня (Сервера) является
независимым от типа микропроцессорных устройств сбора информации, так как его
работа организована по многоуровневым протоколам обмена данными с нижним и
верхним уровнями. Независимость протоколов обеспечивается промышленными
контроллерами нижнего уровня, которые осуществляют связь с РЗА, счетчиками и
другими устройствами по их собственным протоколам и оформляют
полученные
данные в соответствии с протоколами представления данных, существующими в АСУ.
Этот способ наиболее эффективен, поскольку дает возможность организации
единообразной обработки информации, снижает накладные расходы, связанные с
трансформацией данных из одной системы в другую, что соответственно ведет к
улучшению динамических характеристик системы, а также дает возможность
осуществления управления и передачи разнородной информации (пакетов уставок
микропроцессорных защит, осциллограмм разного формата и т.п.). К недостаткам
данной формы организации каналов связи с внешними устройствами следует отнести
лишь то, что не все производители микропроцессорных устройств открывают свои
протоколы.
2. При невозможности организации единого доступа ко всем устройствам на полевом
уровне интеграция данных может быть проведена на уровне концентраторов
данных. В связи с тем, что подавляющее число систем подобного уровня
разрабатываются для работы в среде MS Windows, основной упор должен
производиться на передачу данных посредством технологии OPC(OLE for Process
Control). Сравнительно недавно, в 1994 г., под эгидой Microsoft, была создана
организация OPC Foundation. Как определяет сама OPC Foundation, её целью является
разработка и поддержка открытых промышленных стандартов, регламентирующих
методы обмена данными в реальном времени между клиентами на базе PC и ОС
Microsoft. Сейчас эта организация насчитывает более 220 членов, включая почти всех
ведущих поставщиков контрольно-измерительного и управляющего оборудования для
АСУ ТП.
3
OPC основана на модели распределенных компонентных объектов Microsoft
DCOM и устанавливает требования к классам объектов доступа к данным и их
специализированным (custom) интерфейсам для использования разработчиками
клиентских и серверных приложений. Для обмена данными с приложениямиклиентами, разработка которых ведется на языках типа MS Visual Basic, а также с
популярными приложениями типа Excel, спецификация OPC содержит дополнительные
(но необязательные для реализации) требования к интерфейсу OLE-автоматизации
(OLE Automation).
Опираясь на объектную технологию COM/DCOM, стандарт OPC фиксирует
определенную модель взаимодействия между клиентом и сервером. ОРС технология
используется для предоставления доступа к текущей информации в режиме реального
времени. К недостаткам данного способа интеграции следует отнести следующие:

Невозможность организации доступа к данным, не попадающих под описание
интерфейсов ОРС, например: получение осциллограмм аварийных процессов;

Поскольку данные поступают от различных источников, то возникает проблема
дополнительной синхронизации между ними по времени.
3 .На энергообъектах кроме задач реального времени существует обширный круг задач
по обработке статистических данных, накопленных за определенный период работы.
Для организации хранения таких данных необходимо организовывать статические
архивы, под управлением СУБД (систем управления базами данных), например: MS
SQLServer, Oracle и т.д. Необходимость использования обмена данными между
СУБД обусловлена следующими факторами:

Наличием в современных СУБД быстрых алгоритмов обработки большого
объема данных;

Различными способами представления и передачи данных – предоставление
данных через Internet по различным технологиям, репликация данных на сервера
более высокого уровня и т.д.

Необходимостью поддержки всех стандартных доступов к данным;

Необходимостью
организации
защиты
данных
от
сбоя
или
несанкционированного доступа.
Однако, нужно учитывать, что при организации взаимодействия различных систем
на этом уровне, доступными являются только архивные данные.
Автоматизированная система управления технологическими процессами СКАДАРЗА
предоставляет
уникальные
возможности
для
работы
широкого
круга
4
пользователей и благодаря внедрению новой техники и программного обеспечения
имеет следующие основные достоинства :

Система единого времени.
Все процессы опроса МП РЗА синхронизированы с точностью в 1-50 мс по отношению
к абсолютному мировому времени, благодаря подключению к навигационным
системам «GPS» или «Глонас». Благодаря такой схеме синхронизации становится
возможным контролировать и проводить анализ работы удаленных модулей с высокой
степенью точности. Также появляется возможность проведения сравнительного
анализа процессов на различных подстанциях в единый момент времени, так как
передача временных сигналов производится
через спутниковую сеть с высокой
точностью.

Стыковка с устройствами отечественных и зарубежных производителей.
На данном этапе в библиотеку устройств, подключенных к СКАДА-РЗА, входят
следующие микропроцессорные устройства отечественных и зарубежных фирмизготовителей:

НТС “Механотроника” (г. Санкт-Петербург): серия БМРЗ,НПФ
“Радиус” (г. Зеленоград): серии Сириус, ИМФ,

НПП «ЭКРА» (г. Чебоксары): серия БЭ,

«AББ Реле – Чебоксары»: серия SPAC,

ЗАО
«Элтехника» (г.Санкт-Петербург):
серия
PR,ЗАО
«А.Д.Д.»
(г.Санкт-Петербург): серия ION.Это является достаточно уникальной
возможностью, так как производители оборудования не всегда предоставляют
программные средства для дистанционного контроля и управления МП РЗА или же
предоставляют средства, которые
несовместимы с информацией, поступающей от
микропроцессорных устройств других производителей.

Удалённый доступ и дистанционное управление объектом. Система
позволяет реализовать обмен информацией по локальной сети АСУ ТП, модемным,
радио и сотовым каналам связи с пунктами диспетчерского управления более высокого
уровня. Программное обеспечение СКАДА-РЗА предусматривает выдачу информации
с объекта для всех потребителей всей иерархической структуры АСДУ в соответствии с
распределением зон ответственности и ведения. СКАДА-РЗА позволяет производить
переключения коммутационного оборудования с местного или удаленного пульта
диспетчерского
терминалы.
управления
посредством
команд,
передаваемых
на
релейные
5

Возможность интеграции на уровне концентраторов, OPC-серверов и
обмена информацией между базами данных. В системе предусмотрены все
возможные способы стыковки и интеграции, что позволяет работать практически со
всеми современными микропроцессорными устройствами, представленными на
энергообъекте.
Программные и технические средства, входящие в состав СКАДА-РЗА,
обеспечивают реализацию следующих основных функций:

Сбор, комплексная обработка, архивирование и отображение информации от
МП РЗА о нормальных и аварийных процессах. Организация на базе цифровых
устройств различных фирм изготовителей системы дистанционного диспетчерского
управления энергообъектом с наличием автоматических блокировок при проведении
коммутационных операций.

Управление МП РЗА: настройка, параметризация и эксплуатация цифровых
защит; управление коммутационным оборудованием через
МП РЗА; анализ
правильности работы защит в аварийных режимах.
СКАДА-РЗА реализована как трехуровневая структура программно-технических
средств (рис.1):

Нижний уровень (концентратор) обеспечивает коммутацию (обмен информацией)
с микропроцессорными устройствами релейной защиты, передачу этой информации на
сервер (средний уровень) системы, кроме того, на этом уровне производится первичная
обработка и фильтрация данных и обработка управляющих воздействий с верхнего
уровня. Концентратор реализован на базе
промышленного контроллера и комплекта
аппаратуры связи с МП РЗА. Программное обеспечение работает под управлением
операционной системы реального времени QNX 4.25.
МП РЗА и счетчики электроэнергии подключаются к концентратору через один из
стандартных интерфейсов связи (RS-232, RS-422, RS-485). Подключение МП РЗА к
концентратору можно производить как по топологии «звезда», так и по
топологии
«кольцо» с возможностью подключения нескольких колец к одному концентратору. В
случае небольшого количества микропроцессорных защит (3 – 4) в данном
территориально обособленном объекте удобнее использовать схему «звезда», которая
оказывается достаточно экономичной и в то же время обладает повышенной
надёжностью, поскольку при выходе из строя одного кабеля теряется связь только с
одной защитой. При большом числе микропроцессорных защит (10 – 40) на одном
территориально обособленном объекте, обслуживаемом данным промышленным
контроллером, более рационально использование кольцевой схемы. Количество МП
6
РЗА, подключаемых в одно кольцо, определяется необходимой скоростью обновления
информации и быстродействием канала связи. Кольцевая схема позволяет резко
сократить затраты на кабели подключения защит, но при повреждении петли теряется
связь сразу со всеми защитами данной петли. Концентраторы могут быть разнесены по
объекту с возможностью максимального приближения к МП РЗА, что также позволяет
сократить затраты на кабели.

Средний уровень представлен выделенным сервером для обмена информацией с
концентраторами нижнего уровня,
централизованной
обработки и хранения
информации в архивах (динамическом и долговременном) и передачи ее по требованию
соответствующих задач, запускаемых на рабочих станциях (верхний уровень). На
сервере реализована возможность обмена с сервером другой SCADA-системы на базе
ОРС-технологии, DDE и SQL. Сервер работает под управлением операционной
системы MS WINDOWS NT 4.0/2000 Server  и реализуется на персональном
компьютере семейства IBM PC типа Pentium IV.

Верхний
информации
уровень
на
оборудованием
предназначен
автоматизированных
для
работы
рабочих
программ
местах
по
(АРМ)
отображению
и
представлен
локальной сети и персональными компьютерами, обладающими
ресурсами, достаточными для полного отображения информации о режиме и для
управления объектом и МП РЗА. Программное обеспечение верхнего уровня работает
под управлением MS WINDOWS NT 4.0/2000/XP Workstation. Для рабочих станций
используются компьютеры не хуже Pentium III. Для реализации функций отображения
информации на рабочих станциях устанавливаются дисплеи 19’’ (21’’). Число рабочих
станций верхнего уровня может меняться от 1 до 15, в зависимости от требований к
системе отображения.
Программное обеспечение СКАДА-РЗА реализует следующие основные
функции:

Измерение и регистрация аналоговых параметров установившегося режима,
получаемых от цифровых защит.

Регистрация срабатывания выключателей и ступеней защит. Комплекс позволяет
регистрировать дискретные сигналы от МП РЗА и коммутационной аппаратуры. В
состав комплекса входит задача «Авария», являющаяся удобным инструментом для
работы инженера – релейщика и диспетчера.

Регистрация аварийных режимов (осциллограмм) от защит.

Дистанционное управление выключателями через МП РЗА. Осуществляется не
только управление коммутационной аппаратурой, но и контроль за правильностью
7
действий
персонала,
что
позволяет
снизить
число
аварий,
вызванных
неправильными действиями диспетчера. С помощью системы оценки ситуаций и
принятия решений к задаче управления подключены блокировки (формулы) и в
случае неверных действий персонала на экран выдается предупредительное
сообщение.

Опрос и редактирование параметров МП РЗА. В состав программного комплекса
входит как общая мнемосхема расположения и состояния всех МП РЗА с привязкой
к объекту, так и диалоговые окна (рис.2), создающие удобный интерфейс для
настройки параметров защит и для просмотра аналоговой и дискретной
информации, получаемой от защит. При доступе к системе управления МП РЗА
предусмотрена дополнительная система паролей.

Контроль измеряемых параметров и параметров технологического оборудования.

Ведение архива данных и возможность его дублирования на различные носители.
Предусмотрен удобный интерфейс в виде временной оси, для просмотра архивов и
программные средства доступа как к долговременным, так и к динамическим
архивам.

Просмотр полученной информации в виде табличных, графических форм и
мнемосхем (рис.2). Программный комплекс предоставляет возможность отображать
получаемую
информацию
в
виде
таблиц,
графиков
(трендов),
панелей
сигнализации, панелей управления, ведомостей событий, мнемосхем и т.д. На
дисплей может быть выведена аналоговая и дискретная информация, необходимая
для адекватной оценки ситуации и управления объектом. В рамках системы
предусмотрена возможность настройки системы отображения под конкретного
пользователя, система гибкого перепрограммирования функциональных клавиш,
панелей управления и меню, а также система паролей.

Просмотр осциллограмм от защит с помощью единого интерфейса программы
"Осциллограф", функционирующей на рабочих станциях диспетчера и службы РЗА.
Достоинствами этой программы являются: объединение на сервере отдельных
осциллограмм в единые аварийные процессы по признаку общего интервала
времени; многооконный интерфейс (отображение осциллограмм в нескольких
кадрах на экране одновременно); автоматическая разбивка по кадрам; наличие
обзорного кадра, позволяющего осуществлять экспресс-анализ аварийного процесса
и быстро перемещаться по аварии; широкий спектр инструментов для подготовки
документа к печати, позволяющий пользователю автоматизировать процесс анализа
осциллограмм; представление информации в виде векторных диаграмм в
8
индикаторном и оконном режиме; разложение несимметричных трехфазных систем
на прямую, обратную и нулевую последовательность и разложение функций,
представленных осциллограммами, на гармонические составляющие.

Ведение оперативной и отчетной документации (задачи «Ресурс выключателя»,
«Генератор отчетов», «Паспорт – протокол УРЗА», «Статистика срабатываний МП
РЗА», «Технический учет электроэнергии»).

Анализ режимов и организация справочно-информационной системы.
Таким образом, с помощью разработанного в ОАО НИИПТ комплекса технических
и программных средств СКАДА-РЗА можно произвести комплексную автоматизацию
энергообъекта, позволяющую:

Снизить аварийность энергообъекта из-за неправильных действий персонала за счет
организации системы дистанционного диспетчерского управления, с наличием
автоматических блокировок при проведении коммутационных операций и системы
“советчика диспетчеру” по ведению режима.

Уменьшить
трудозатраты
по
проведению
коммутаций
на
удаленных
распределительных устройствах за счет внедрения дистанционной системы
диспетчерского управления.

Создать
программный
комплекс
для
управления
цифровыми
защитами,
позволяющий сократить трудозатраты, связанные с настройкой, параметризацией и
эксплуатацией цифровых защит.

Произвести
анализ
аварийных
процессов,
определение
характера
аварии,
последовательность развития процесса во времени.

Оценить правильность работы релейной защиты с помощью задачи “Авария”
(комплекс включает в себя функции “советчика релейщику”).
АРМ
Сервер АСУТП
Внедрение СКАДА-РЗА означает применение на объектах энергетики новых
технологий управления, сбора и обработки информации. Новая технология означает
отказ от применения дорогостоящих датчиков на присоединениях, оборудованных МП
Ethernet
РЗА, а также устаревших систем телемеханики и представления информации
диспетчерам.
Внедрение
Магистраль СЕВотечественного
программно-технического
комплекса,
GPS
способного работать с устройствами различных (отечественных и зарубежных) фирм,
Пр
Пр
ПрК
позволитКсущественно снизить Ккапитальные затраты и эксплуатационные расходы на
автоматизацию подстанций. Включение МП РЗА в состав АСУ ТП приводит к
ЦРЗА
ЦРЗА
ЦРЗА
ЦРЗА
уменьшению стоимости АСУ ТП в целом на 30%-50%.
ЦРЗА
ЦРЗА
ЦРЗА
ЦРЗА
ЦРЗА
ЦРЗА
ЦРЗА
ЦРЗА
МП РЗА
МП РЗА
МП РЗА
Рис.2 Пример Рис.1.
построения
Структура
системы
технических
отображения
средств.
информации от МП РЗА.
9