Комплекс "Торнадо-ТМ" как основа АСУ сетевых предприятий

В настоящее время электросетевая инфраструктура России требует коренной модернизации. Это связано как с моральным и физическим старением оборудования электросетевых предприятий, так и с все возрастающим ростом потребления электрической энергии. Одним из путей повышения надежности и эффективности работы сетевых предприятий является внедрение полномасштабных АСУ ТП. 

Следствием давно сложившейся организационной структуры сетевых предприятий является разделение подсистем телемеханики, релейной защиты и автоматики и коммерческого учета электроэнергии на практически независимые подсистемы с собственным эксплуатирующим и обслуживающим персоналом. Существование фактически трех разных подсистем в рамках подстанции приводит к тому, что происходит многократный ввод одной и той же информации. Это противоречит одному из основных принципов создания АСУ ТП - однократный ввод информации и ее многократное использование. 

Возникает противоречие между структурой современных универсальных АСУ ТП и сложившейся практикой автоматизации сетевых предприятий. Очевидно, что игнорирование существующей организационной структуры сетевых предприятий и технологических особенностей различных подсистем подстанции не может быть основой для выработки принципов создания АСУ ТП электрической части. Между тем, не могут быть проигнорированы и тенденции развития современных АСУ ТП. Для решения существующей проблемы создания полномасштабной АСУ ТП электрической части энергообъектов требуется сближение позиций - пересмотра некоторых подходов и решений как в части создания унифицированных АСУ, так и организационного обеспечения сетевых предприятий.

Мы понимаем, что второе требует времени и огромных реорганизаций внутри электросетевой отрасли, которая к тому же обладает известным здоровым консерватизмом. Между тем, возможны и односторонние шаги - пересмотр сложившихся решений в области современных АСУ ТП и создания комплексов, учитывающих организационные и технологические особенности электросетевых предприятий. 

Именно такой адаптированной АСУ ТП и является комплекс “Торнадо-ТМ”, для соблюдения традиций названный “телемеханикой”.

Для выработки архитектуры и рациональной стратегии разработки и внедрения АСУ ТП электрической части следует принимать во внимание два фактора: реальное состояние технологического оборудования электросетевых предприятий России и тенденции развития АСУ ТП электрической части, поставляемых ведущими зарубежными производителями. В настоящее время объективное состояние дел таково, что по уровню технических решений (и особенно в части информационных технологий) для всех подсистем подстанций продукция отечественных производителей отстает от зарубежных аналогов на несколько лет. Причина отставания, по нашему мнению, не столько техническая, сколько организационная - подходы и структура современных западных АСУ ТП электропредприятий находится в прямом противоречии с организационной структурой отечественных предприятий. И никто не сказал, что правильнее и лучше.

Принимая во внимание сложность сложившейся сегодня обстановки и поэтапность модернизации сетевых предприятий и внедрения АСУ ТП, наибольшей эффективностью будут обладать решения, способные поддерживать как существующее оборудование подсистем подстанций, так и новые интеллектуальные электронные устройства. 

В настоящее время в западных странах формируется новая архитектура АСУ ТП подстанции (рис. 1). 

В ее основе лежит использование интеллектуальных электронных устройств (в английской терминологии Intelligend Electronic Device - IED). В качестве таких устройств рассматриваются мониторы выключателей (по функциям аналогичны устройствам ION, ПЦ-6806), микропроцессорные устройства РЗА, регистраторы аварийных ситуаций и др. Все эти устройства должны поддерживать современный цифровой протокол и иметь два физических интерфейса связи. В качестве основного интерфейса для организации сети подстанции рассматривается Ethernet. Переход на сети Ethernet обусловлен во многом тем, что существующие сегодня сети (ModBus, SpaBus и др.) в силу ограничений по скорости и архитектуре протоколов не могут применяться для реализации функций управления по цифровым каналам. Основным протоколом внутреннего подстанционного обмена данными в сети Ethernet является IEC-61850, а основным протоколом связи с диспетчерскими центрами является IEC-61870. 

Важным отличием от существующих в России систем АСДУ является фактически отсутствие подсистемы телемеханики (в английской терминологии устройств Remote Terminal Unit - RTU). Ее функции выполняют концентраторы данных, которые могут быть выполнены как на основе промышленных контроллеров, так и на основе промышленных PC-совместимых компьютеров. Эти устройства фактически осуществляют интеграцию на программном уровне всех оперативных и неоперативных данных, их обработку и анализ. Под оперативными данными принято понимать массивы информации, необходимые для выполнения функций диспетчерского управления, вся остальная информация относится к неоперативным данным. Опыт внедрения на западе АСУ ТП подстанций с такой архитектурой показал, что внедрение цифровых интеллектуальных устройств имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Так, отказ одного устройства приводит к потере сразу целого набора данных: измерений, телесигнализации и др. Поэтому одной из важных составляющих АСУ ТП является подсистема мониторинга состояния интеллектуальных электронных устройств. Эта подсистема может быть выполнена как на выделенном устройстве, так и в рамках концентратора данных. Подсистема мониторинга следит за исправностью интеллектуальных электронных устройств. Для этого может использоваться как раз избыточность данных, собираемых АСУ ТП, либо сопоставление измеренных данных с данными динамической модели подстанции. 

Как видно, при данной структуре системы стирается грань между службами связи, телемеханики и РЗА.

Таким образом, для компании “Модульные Системы Торнадо”, как разработчика АСУ ТП электрической части энергообъектов, стояла задача создания архитектуры и технических решений, на основе которых можно было бы строить самые современные системы управления (рис. 1), системы управления, объединяющие новые интеллектуальные электронные устройства и существующие средства измерений, а также традиционные системы АСДУ. Разработкой, удовлетворяющей все эти требования, стал комплекс “Торнадо-ТМ”. Основное назначение комплекса - создание на его основе систем АСДУ. Тем не менее, архитектура комплекса и его технические решения позволяют рассматривать его как основу создания полномасштабных АСУ ТП электрической части энергообъектов. 

Новая разработка компании “Торнадо-ТМ” - это комплекс программно-аппаратных средств с переменным составом функциональных блоков, необходимых для создания требуемых конфигураций каналов ввода-вывода и реализации конкретных функций и задач.

Комплекс представляет собой телемеханическую систему, включающую оборудование взаимосвязанных устройств телемеханики. Устройства телемеханических пунктов создаются методом агрегатирования из изделий номенклатуры “Торнадо-ТМ”. Номенклатура и технические характеристики компонентов ПТК, программные и аппаратные решения позволяют организовать современные интегрированные АСУ сетевых предприятий. Структура программно-аппаратных средств комплекса “Торнадо-ТМ” показана на рис. 2.

Аппаратные средства телемеханики комплекса созданы на основе собственных разработок компании - контроллеров серий MIC и MIRage. В процессорных модулях контроллеров используются высокопроизводительные процессоры MPC 860T/66 компании “Моторола”. Максимальный объем оперативной памяти процессорных модулей 128 мегабайт, максимальный объем флэш-памяти 32 мегабайта. 

При разработке концепций построения аппаратных платформ телемеханики был рассмотрен целый ряд требований, предъявляемых к таким системам. Оборудование контролируемого пункта в зависимости от масштаба объекта управления может содержать от нескольких десятков до нескольких сотен каналов телеизмерений телесигнализации и телеуправления. При этом вне зависимости от объема обрабатываемой информации должны обеспечиваться гарантированные времена обработки телесигнализации и команд телеуправления. Некоторые объекты должны оснащаться АСУ ТП, которая интегрирует различные подсистемы объекта. Для удовлетворения этих требований были разработаны две архитектуры: централизованно-распределенная (рис. 3) и полностью распределенная архитектура (рис. 4).

Централизованно-распределенная архитектура строится на основе высокопроизводительной шины СХС. Процессорный модуль, модули-носители с установленными на них субмодулями обработки информации (АЦП, регистрация телесигнализации, субмодули сети RS-485 и т. д.) устанавливаются в крейт формфактора 3U. 

Использование субмодулей сети RS-485 или универсальных модулей цифрового ввода-вывода PB-TPU позволяет организовать до 22 сетей RS-485. Использование централизованно-распределенной архитектуры для аппаратуры контролируемого пункта необходимо в следующих случаях:

- большой объем телеизмерений и телесигнализации;

- необходимость реализации функций регистрации аварийных событий;

- построение АСУ ТП контролируемого объекта.

Аппаратное обеспечение централизованно-распределенной архитектуры позволяет осуществлять высокоскоростную регистрацию телеизмерений и телесигнализации, поскольку в этой архитектуре основной магистралью передачи данных является высокоскоростная шина СХС. Кроме того, использование высокоскоростных модулей АЦП позволят реализовать на базе этой архитектуры регистратор аварийных ситуаций. Возможность построения большого количества сетей RS-485 позволяет реализовать полноценную интеграцию различных микропроцессорных устройств (терминалы РЗА, счетчики электроэнергии и т.д.). Модули телеуправления серии MIRage подключаются к центральному модулю по сети RS-485. Кроме того, для расширения объема телесигнализации и телеизмерений могут также использоваться соответствующие модули ввода-вывода серии MIRage. 

Централизованная архитектура используется в телемеханическом комплексе “Торнадо-ТМ” также для построения резервированных центральных приемно-передающих станций. В этом случае используются универсальные субмодули цифрового ввода-вывода PB-TPU. Максимальный объем резервированной ЦППС - 96 направлений. Резервирование обеспечивается использованием двух комплектов оборудования на 96 каналов каждый и модуля коммутации. Для отображения информации о положении коммутационных аппаратов используются контроллеры диспетчерского щита MIRage-FOK, подключаемые к ЦППС по сети RS-485.

Основной магистралью передачи данных распределенной архитектуры является сеть RS-485. Процессорный модуль MIRage обеспечивает создание до 3 дублированных или 6 недублированных сетей RS-485. Эти сети могут быть использованы как для подключения модулей ввода-вывода серии MIRage, так и для подключения других микропроцессорных устройств. Процессорный модуль и модули ввода-вывода серии MIRage могут устанавливаться как в одном шкафу, так и в разных шкафах, что обеспечивает возможность построения территориально распределенной системы. Отличительной особенностью распределенной архитектуры является возможность резервирования процессорного модуля. Распределенная архитектура может быть использована на объектах как со сравнительно небольшим количеством обрабатываемой информации, так и на объектах с большим количеством сигналов. 

В последнем случае необходимо проведение предварительных оценок по скорости доставки телесигнализации и выполнению команд телеуправления.

Централизованно-распределенная архитектура и распределенная архитектура обладают следующими общими свойствами:

- настройка приоритета опроса модулей ввода-вывода для удовлетворения требований по скорости обработки информации;

- реализация механизма Plug and play на уровне контролируемого пункта, который обеспечивает автоматическое присвоение телемеханических адресов при добавлении модулей ввода/вывода; 

- горячая замена модулей MIRage;

- дублированные сети RS-485 для подключения модулей MIRage;

- Fast Ethernet и RS-232 на процессорных модулях;

- Web-интерфейс для диагностики и конфигурирования.

Пример структурной схемы “Торнадо-КП” показан на рис. 5. 

В основном блоке комплекса располагается процессорное устройство (крейт MIC-контроллера с шиной CXC или MIRage-CPU), система электропитания, блоки полевых интерфейсов. Для наращивания количества каналов телемеханики используются дополнительные шкафы блоков телеизмерений (БТИ), телесигнализации (БТС) и телеуправления (БТУ), реализованные на основе модулей распределенного ввода/вывода серии MIRage. Основной шкаф КП соединяется со шкафами БТИ, БТС или БТУ с помощью дублированной сети RS-485 с протоколом ModBus RTU. 

Разработанные программно-аппаратные решения комплекса телемеханики “Торнадо-ТМ” позволяют уже сегодня создавать АСУ ТП подстанций, архитектура которых, с одной стороны, аналогична архитектуре систем, поставляемых ведущими зарубежными разработчиками, а с другой, допускает поэтапную модернизацию системы управления (рис. 6). В качестве устройств сбора данных для сигналов с оборудования, не оснащенного интеллектуальными электронными устройствами, могут использоваться изделия из линейки “Торнадо-КП”, которые будут осуществлять сбор и первичную обработку данных. В качестве концентраторов данных могут использоваться промышленные контроллеры MIRage-CPU, посредством которых будет реализован опрос и обработка данных с интеллектуальных электронных устройств. 

Причем в данном случае изделия серии “Торнадо-КП” также следует рассматривать как интеллектуальные электронные устройства. Если подстанция полностью укомплектована современными интеллектуальными электронными устройствами, то все функции по обработке данных выполняются только концентраторами данных. Высокая надежность такой АСУ ТП обеспечивается дублированием общеподстанционной сети передачи данных и дублированием концентраторов данных. 

Данный пример архитектуры АСУ ТП подстанции основывается на уже созданных компанией “Модульные Системы Торнадо” программно-аппаратных решениях (рис. 6). Это комплексы телемеханики “Торнадо-КП”, промышленные контроллеры MIRage-CPU и контроллеры ввода/вывода серии MIRacle. В настоящее время в компании завершается тестирование модулей ввода-вывода серии MIRacle. Данные контроллеры на аппаратном уровне соответствуют стандарту IEC-61850, поскольку имеют два интерфейса Ethernet и достаточный ресурс для реализации протоколов стандарта IEC-61850. 

Верхний уровень комплекса “Торнадо-ТМ” включает в себя два независимых программных компонента: “Торнадо-ОИК” и “Торнадо-ИНТЕГРА”. В качестве ядра системы служит разработка компании - сервер приложений реального времени. Сервер приложений реального времени может обеспечивать поддержание актуальной базы данных объемом несколько десятков тысяч переменных. “Торнадо-ОИК”- это оперативно-информационный комплекс, созданный на основе современных Web-технологий. “Торнадо-ОИК” обладает всей необходимой функциональностью для реализации задач автоматического диспетчерского управления:

- визуализация текущей схемы подстанции:

-- положения коммутационных аппаратов;

--текущих телеизмерений;

- подача команд ТУ;

- регистрация событий:

--переключения коммутационных аппаратов;

--превышение предупредительного предела ТИ;

--превышение аварийного предела ТИ;

--контроль связи с КП;

- ведение журнала событий;

- разграничение прав пользователей.

“Торнадо-ИНТЕГРА” - это комплекс программного обеспечения, нацеленный на интеграцию данных, конфигурирование и управление интеллектуальными микропроцессорными устройствами. К основным функциям программного комплекса “Торнадо-ИНТЕГРА” относятся:

- формирование библиотеки объектов сетевого предприятия;

- формирование иерархической структуры сетевого предприятия;

- визуализация текущего состояния (ТС, ТИ) объектов;

- ведение журналов изменения ТС, ТИ; 

- конфигурирование и работа с цифровыми интеллектуальными устройствами (РЗА, РАС, счетчики электроэнергии и т.д.);

- работа с осциллограммами;

- отслеживание информации по текущему обслуживанию оборудования;

- отслеживание ресурса оборудования (кол-во срабатываний выключателя и т.п.);

- привязка файлов с документацией и другой информацией к объектам сетевого предприятия.

Программные компоненты этого комплекса могут устанавливаться как на диспетчерских пунктах, так и на переносных АРМ оперативно-выездных бригад. Комплекс “Торнадо-ИНТЕГРА” может использоваться как для реализации функций АРМ РЗА, так и для реализации функций других АРМ, использующих информацию с различных микропроцессорных устройств. Кроме того, использованный при создании “Торнадо-ИНТЕГРА” объектно-иерархический подход обеспечивает реализацию некоторых функций АСУ ТП, таких как хранение технологической и иной информации об оборудовании. 

Выявлены противоречия между тенденцией развития современных АСУ ТП электросетевых предприятий и существующей организационной структурой этих предприятий. Внедрение АСУ ТП стандарта IEC-61850 потребует изменений организационной структуры предприятия.

Предложен подход, основанный на использовании в комплексе “Торнадо-ТМ” мощного процессорного модуля и расширяемой архитектуры для поэтапной модернизации подстанций и внедрения АСУ ТП - телемеханика, как первый этап модернизации, интеграция новых микропроцессорных терминалов РЗА, как второй, и наконец, на третьем этапе полный переход на интеллектуальные электронные устройства и создание на базе процессорного модуля комплекса телемеханики концентратора данных. Созданные программные компоненты “Торнадо-ОИК” и “Торнадо-Интегра” уже сейчас могут обеспечить интеграцию всех оперативных и неоперативных данных. Таким образом, разработанный комплекс телемеханики “Торнадо-ТМ” - это решение, на основе которого можно создавать как традиционные системы АСДУ, так и полноценные высоконадежные АСУ ТП с дублированными внутриподстанционными сетями передачи данных и при необходимости дублированными концентраторами данных, удовлетворяющих самым современным требованиям последних международных стандартов.

О.В. Сердюков, 

ИЦ №6 ИАиЭ СО РАН, г. Новосибирск,

Р.В. Нестуля,

ЗАО "Модульные Системы Торнадо", г. Новосибирск, 

тел./факс: (383) 330-2039, 339-9352, 

E-mail: info@tornado.nsk.ru