Универсальная аппаратная платформа систем автоматизации электроэнергетических объектов на базе технологии «НЕЙРОН-ТМ»

В 2007 г. специалистами компании «Модульные Системы Торнадо» разработаны аппаратно-программные средства, реализующие функции измерительных преобразователей (ИП) и регистраторов на основе распределенных цифровых датчиков, подключаемых во вторичные цепи трансформаторов тока (ТТ) и трансформаторов напряжения (ТН). Разработка основана на принципиально новых подходах и решениях в сравнении с большинством измерительных преобразователей отечественного и иностранного производства.

 

Как правило, предлагаемые ИП являются завершенными самостоятельными изделиями с фиксированной аппаратной структурой, подключаемыми во вторичные цепи ТТ и ТН. Выходные данные в ИП формируются на основании измерений и анализа мгновенных значений токов и напряжений и представляют собой фиксированный набор интегральных параметров (действующие значения токов и напряжений, мощности и т.д.), характеризующих текущий режим работы объекта (присоединения), доступных только для элементов системы вышестоящего иерархического уровня через стандартные интерфейсы (RS-485 с поддержкой протокола ModBus, реже Ethernet). Соответственно, такие ИП составляют минимальную структурную единицу нижнего уровня системы автоматизации. 

Существующие ИП создают аппаратную избыточность и способствуют усложнению вторичных цепей тока и напряжения из-за невозможности более мелкого структурного разделения нижнего уровня системы и отсутствия информационного взаимодействия между элементами в пределах этого уровня. 

Аппаратная избыточность обусловлена тем, что зачастую на практике нескольким присоединениям в первичной схеме соответствуют одни и те же вторичные цепи напряжения, но каждый ИП, производящий измерение мощности, должен обеспечивать ввод сигналов как от цепей тока, так и напряжения. Таким образом происходит многократное дублирование элементов ИП, обеспечивающих ввод сигналов от общих цепей напряжения. В то же время эта часть ИП (гальваническая развязка, нормализация, аналого-цифровое преобразование) является наиболее дорогостоящим компонентом (до 30 % стоимости преобразователя).

Усложнение вторичных цепей обусловлено двумя основными факторами. Прежде всего, это необходимость прокладки вторичных цепей тока и напряжения к месту установки ИП, что увеличивает нагрузку на измерительные ТТ и, соответственно, снижает точность их работы. Второй фактор является следствием упомянутого дублирования по вторичным цепям напряжения и выражается в необходимости размножения этих цепей для нескольких ИП. Размножение вторичных цепей напряжения увеличивает их протяженность и объем коммутационного оборудования, что снижает их надежность и усложняет обслуживание. На базе таких ИП, как правило, невозможно построить систему регистрации подстанции в целом, так как функции регистрации реализуются в урезанном виде и только локально.

Перечисленные недостатки побудили компанию «Модульные Системы Торнадо» произвести анализ вариантов исполнения ИП, по результатам которого было принято решение о целесообразности более мелкого дробления элементов нижнего уровня системы и обеспечения информационного взаимодействия между ними в пределах этого уровня в режиме реального времени. Были разработаны программно-аппаратные средства, выделившиеся в самостоятельную уникальную технологию «НЕЙРОН-ТМ».

Базовые принципы «НЕЙРОН-ТМ»:

- ИП состоит из трех независимых элементов: цифровых датчиков для цепей ТТ и ТН и устройства обработки;

- взаимодействие элементов ИП осуществляется по скоростному последовательному каналу цифровой связи;

- интерфейс устройства обработки должен обеспечивать высокую скорость передачи данных и встраиваться в любые компьютерные системы.

Таким образом, «НЕЙРОН-ТМ» является универсальной платформой для измерительных систем на основе МИП (многофункциональный ИП) с распределенными цифровыми датчиками.

Построение системы нижнего уровня на базе «НЕЙРОН-ТМ» позволяет оптимизировать состав ИП за счет исключения дублирования, сократить протяженность вторичных цепей и обеспечить максимальную гибкость взаимосвязей между входными сигналами тока и напряжения. 

Линейка оборудования, выполненного по технологии «НЕЙРОН-ТМ», включает раздельные четырехканальные датчики тока «НЕЙРОН-ТТ», датчики напряжения «НЕЙРОН-ТН» (рис. 1) и модуль цифровой обработки данных, выполненный в виде стандартного мезонина ModPack.

Структура подсистемы измерительных преобразователей, основанной на технологии «НЕЙРОН-ТМ», представлена на рис. 2. Датчики тока и напряжения взаимодействуют с модулем цифровой обработки через два высокоскоростных последовательных интерфейса, выполненных в стандарте RS-485  (Line 0 и Line 1) со скоростью передачи 6 Мбод и длиной линии связи до 200 м. Через эти интерфейсы осуществляется передача отсчетов мгновенных значений измеряемых сигналов (цифровые осциллограммы сигналов). Каждый интерфейс обеспечивает подключение до  5 датчиков (40 измерительных каналов для двух интерфейсов) при частоте дискретизации 4 кГц или до 10 датчиков (80 измерительных каналов для двух интерфейсов) при частоте дискретизации 2 кГц. При этом обеспечивается приведение замеров по всем измерительным каналам к одному моменту времени (синхронное выполнение замеров).

Модуль цифровой обработки выполнен на базе сигнального процессора и взаимодействует с элементами верхнего уровня системы посредством стандартной шины ModPack, обеспечивающей выдачу мгновенных значений сигналов и всех расчетных параметров в реальном времени. Данные замеров, принимаемые от «НЕЙРОН-ТТ» и «НЕЙРОН-ТН», подвергаются распределению в соответствии с заданной конфигурацией. Распределение заключается в назначении для каждого обрабатываемого присоединения источника данных по цепям тока и напряжения. Данные по цепям напряжения могут быть общими для нескольких присоединений, что снижает количество требуемых «НЕЙРОН-ТН». Так, для секции сборных шин необходим всего один «НЕЙРОН-ТН», данные от которого используются по всем присоединениям, подключенным к этой секции. Конфигурация, определяющая распределение данных, может изменяться в процессе работы системы «на лету» (без перезагрузки), что позволяет системе оперативно адаптироваться к изменяющимся условиям работы. Такое свойство полезно в случаях, когда первичная схема присоединения содержит развилку (например, двойная система сборных шин), и в зависимости от состояния коммутационного оборудования необходимо использовать цепи напряжения от различных ТН (рис. 3). Традиционно для обеспечения правильной конфигурации цепей напряжения используются релейные схемы повторителей, перекоммутирующих цепи напряжения в соответствии с состоянием блок-контактов выключателей и разъединителей первичной схемы. Технология «НЕЙРОН-ТМ» позволяет исключить использование релейных повторителей, поскольку распределение данных от цепей напряжения осуществляется программно в соответствии с заданной конфигурацией. В случае изменения первичной схемы система верхнего уровня должна на основании дискретных сигналов от блок-контактов загрузить соответствующую конфигурацию в память модуля цифровой обработки. 

Способность к адаптации позволяет повысить аппаратную надежность посредством резервирования датчика: для присоединений одной секции сборных шин можно использовать два «НЕЙРОН-ТН». В нормальном режиме работы используются данные только от одного «НЕЙРОН-ТН»; если диагностические данные свидетельствуют о неисправности датчика — от резервного.

Датчики тока и напряжения конструктивно выполнены в виде блоков со стандартным электротехническим разъемом БИ-6М (см. рис. 1), колодка которого подключается непосредственно к вторичным цепям измерительных или релейных ТТ и ТН. Благодаря применению разъема БИ-6М, существует возможность оперативной замены датчиков с соблюдением правил коммутации цепей тока и напряжения без использования дополнительного коммутационного оборудования. Таким образом, за счет уменьшения объема коммутационного оборудования в токовых цепях снижается нагрузка на ТТ и исключается возможность разрыва токовых цепей вследствие ошибок, обусловленных человеческим фактором. Простота процедуры замены датчика и предусмотренная возможность «горячей замены» (без отключения напряжения питания и входных цепей) существенно сокращают время восстановления и повышают коэффициент готовности оборудования.

Датчики «НЕЙРОН-ТТ» предназначены для работы в цепях с номинальным током 1 или 5 А и обеспечивают прямой ввод 3 фаз токов и тока нулевого провода. Применение технологии «DUALSCAN» (использование нескольких АЦП для различных кратностей перегрузки по току) позволяет сохранить линейность измерения при кратности тока до 40. 

Датчик «НЕЙРОН-ТН» предназначен для работы в цепях с номинальным напряжением 100 или 380 В и обеспечивает прямой ввод фазных (линейных) напряжений и утроенного напряжения нулевой последовательности. Выбор номинального диапазона производится программными средствами. 

Класс точности датчиков тока и напряжения в диапазоне входных сигналов от 1 до 120 % не хуже 0,2S. Для датчика «НЕЙРОН-ТТ» в режиме перегрузки обеспечивается класс точности не хуже 0,5 при кратностях входного тока до 40. Типовое значение частоты дискретизации 4 или 2 кГц. Диапазон частот входных сигналов 40…60 Гц. Электрическая прочность изоляции в каждом измерительном канале не менее 5 кВ.

Модуль цифровой обработки формирует следующие расчетные параметры:

- действующие значения входных сигналов;

- мгновенные и действующие значения симметричных составляющих;

- значения активной и реактивной мощности с учетом знака и высших гармонических составляющих (вычисление реактивной мощности основано на использовании аппроксимации преобразования Гильберта БИХ-фильтром);

- показатели качества электроэнергии (при частоте дискретизации 4 кГц);

- частота по выбранным каналам.

В настоящее время оборудование «НЕЙРОН-ТМ» находится на стадии подготовки к сертификационным испытаниям и ориентировано на применение во внутренних проектах компании «Модульные Системы Торнадо». Так, один контроллер телемеханики «Торнадо-ТМ», построенный на основе технологии «НЕЙРОН-ТМ», способен получать информацию со 100 присоединений, а контроллер регистратора аварийных событий — собирать осциллограммы с 60 аналоговыми параметрами.

В дальнейшем предполагается адаптация оборудования для работы в составе систем с PC-архитектурой (шины PCI, PC104+) и предоставление технологии сторонним потребителям. 

Технология «НЕЙРОН-ТМ» является принципиально новой основой для создания контроллеров нижнего уровня систем телемеханики и АСУ ТП электроэнергетических объектов. Распределенная архитектура датчиков прямого ввода, высокие технические характеристики, встроенный БИ-6М и соответствие ряду специфических требований (широкий динамический диапазон входных сигналов, приведение замеров к одному моменту времени) позволяют рассматривать технологию как единую аппаратную платформу для построения широкого круга систем телемеханики, АСУ ТП, регистрации аварийных процессов, противоаварийной автоматики и релейной защиты.

О.В. Сердюков, С.А. Кулагин, Р.В. Нестуля, А.И. Тимошин,

ИЦ 6 ИАиЭ СО РАН, г. Новосибирск,

Г.Э. Торопов, ЗАО «Модульные Системы Торнадо», г. Новосибирск,

тел.: (383) 330-20-39,

е-mail: text@tornado.nsk.ru