SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Устройство сопряжения с шиной процесса УСШ.13 – новый российский прибор для цифровой подстанции

В статье описывается зарегистрированное средство измерений, устройство сопряжения с шиной процесса УСШ.13, выполняющее аналого-цифровое преобразование входных сигналов переменного тока и напряжения в цифровые потоки с 80 или 256 выборками за период номинальной частоты в соответствии с международным стандартом МЭК 61850-9-2LE. Устройство применяется при создании новых цифровых подстанций, модернизации существующих, а также при метрологических испытаниях цифрового оборудования, работающего по стандарту МЭК 61850.

ООО «СИСТЕЛ», г. Протвино, Московская область

Sistel.png

Концепция создания цифровой подстанции подразумевает применение оборудования, работающего с поддержкой новой технологии передачи данных, основанной на стандарте МЭК 61850. Сегодня многие компании предлагают широкий спектр такого оборудования, но обилие создаваемых в настоящее время устройств вызывает необходимость обращать особое внимание на их соответствие метрологическим, технологическим требованиям и наличие разрешения к применению в Российской Федерации.

Более пяти лет российская компания ООО «СИСТЕЛ» занимается проектом «Цифровая подстанция», в рамках которого разработана и изготовлена линейка цифровых устройств SysteLLogic с поддержкой стандарта МЭК 61850. В конце 2015 года один из приборов семейства, устройство сопряжения с шиной процесса УСШ.13, прошел все требуемые для данного типа проверки и испытания. Был утвержден тип устройства – «средство измерений» (СИ); в Государственном реестре средств измерений ему был присвоен уникальный регистрационный номер 62586-15, что отражено в свидетельстве об утверждении типа средств измерений.

Новое СИ – устройство сопряжения с шиной процесса УСШ.13 (рис. 1) – разрешено к использованию для измерений на территории РФ.

Ris.1.png

Рис. 1. Устройство сопряжения с шиной процесса УСШ.13


УСШ.13 предназначено для измерения, преобразования и передачи оцифрованных данных от традиционных трансформаторов тока и напряжения на шину процесса подстанции. Соответствие стандарту МЭК 61850 позволяет УСШ.13 работать в единой информационной среде с другими интеллектуальными электронными устройствами. Его можно использовать как для автономной работы, так и для функционирования в составе автоматизированных информационно-измерительных систем, как при наружной установке, так и внутри помещения.

Основные технические и метрологические характеристики УСШ.13 представлены в табл. 1.

Таблица 1. Основные технические и метрологические характеристики УСШ.13

Tab.1.png


Конструкцией УСШ предусмотрен его навесной настенный монтаж, размещение на стандартных панелях одностороннего обслуживания и в специальных шкафах.

УСШ.13 изготавливается как функционально завершенное устройство, полностью размещаемое в корпусе, который обеспечивает степень защиты IP51. Корпус УСШ.13 выполнен либо из стали, либо из пластика, который не горит, не поддерживает горения и устойчив при температурах от –40 до +70 °C.

Внешние подключения УСШ.13:
- четыре независимых измерительных входа тока;
- четыре независимых измерительных входа напряжения;
- разъемы для ввода питания;
- два интерфейса Ethernet 100Base-FX (TX);
- вход синхронизации времени.
- УСШ.13 охлаждается за счет естественной конвекции.

Работу устройства можно логически разбить на части: измерительную, цифровую и коммуникационную (рис. 2).

Ris.2.png

Рис. 2. Архитектура УСШ.13


Между цифровой и измерительной частями устройства имеется гальваническая развязка.

Основными элементами измерительной части являются трансформаторы тока, входные антиалиасинговые фильтры, делители, аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Цифровая часть устройства работает на базе процессора семейства CORTEX-M4 с использованием программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) FPGA.

Обмен информацией с внешними устройствами осуществляется через коммуникационную часть, к которой относятся порты Ethernet 100ВАSЕ-FХ (SC/ST/LC) или 100ВАSЕ-ТХ (RJ‑45). Устройство позволяет высылать поток одновременно по двум коммуникационным интерфейсам.

Принцип действия УСШ.13 основан на аналого-цифровом преобразовании входных сигналов переменного тока и напряжения в цифровые потоки с 80 или 256 выборками за период номинальной частоты в соответствии с международным стандартом МЭК 61850-9-2LE.

В зависимости от частоты дискретизации УСШ.13 могут предназначаться как для передачи цифровых сигналов интеллектуальным электронным устройствам для вычисления параметров электроэнергии (частота выборок – 256: данные учета, параметры качества электроэнергии), так и для работы с данными релейной защиты и автоматики (частота выборок – 80). Алгоритм работы устройства представлен на рис. 3. Преобразованные в АЦП сигналы «нормализуются» модулем нормализации данных и формируются в цифровой поток мгновенных значений тока и напряжений по протоколу МЭК 61850-9-2LE в модуле МЭК 61850. Срезы мгновенных значений тока и напряжения по всем каналам измерительного интерфейса производятся одновременно, момент выполнения среза привязан к соответствующему сигналу синхронизации. Одновременно устройство может высылать один или два потока.

Ris.3.png

Рис. 3. Алгоритм работы цифровой части УСШ.13


Модуль PTP-клиент осуществляет прием точного времени по протоколу IEEE 1588v2 (PTP). На основе данных, принимаемых от PTP-клиента или сигнала 1PPS и полученных от модуля конфигурации, модуль синхронизации формирует начало секунды.

Модуль управления АЦП осуществляет запуск АЦП в соответствии с началом секунды, полученным от модуля синхронизации, задает дискретность формирования цифровых значений.

Настройка на рабочую нагрузку устройства выполняется модулем конфигурации. При конфигурировании УСШ.13 с помощью специализированного программного обеспечения «Конфигуратор УСШ» задаются:
имя потока;
- МАС-адрес устройства;
- IP-адрес устройства;
- сетевая маска;
- шлюз;
- коэффициенты трансформации тока и напряжения по фазам;
- способ синхронизации источников часов реального времени и др.

Устройства сопряжения с шиной процесса выпускаются в нескольких модификациях, различающихся номинальной частотой сети, наличием сетевых интерфейсов разных типов, наличием синхронизации 1PPS, напряжением питания, наличием аккумулятора, материалом корпуса, наличием ЖК-индикатора.

На базе устройства сопряжения с шиной процесса УСШ.13 компанией ООО «СИСТЕЛ» разработаны и реализованы на объектах электроэнергетики различные варианты решений для цифровой подстанции. Например, на этапе модернизации подстанции возможно применение схемы (рис. 4) с использованием традиционных аналоговых измерительных трансформаторов, подключаемых к шине процесса посредством УСШ.13 с выходным цифровым потоком мгновенных измерений согласно протоколу МЭК 61850-9-2LE.

Ris.4.png

Рис. 4. Схема с использованием аналоговых измерительных трансформаторов


Одним из основных результатов такого решения является повышение надежности и эффективности систем управления благодаря использованию новых возможностей, предоставляемых новой микропроцессорной техникой и технологиями цифровой подстанции на базе МЭК 61850.

Интеллектуальные устройства УСШ.13 могут применяться не только для реализации цифровых подстанций с установкой в распределительное устройство 110 кВ и выше, но также в контроллере присоединений комплектного распределительного устройства (КРУ) на подстанциях 6–10 кВ.

В предлагаемом варианте основным элементом контроллера присоединений (рис. 5) является вычислительно-коммуникационный модуль (ВКМ), который осуществляет прием цифровых значений токов измерительной и релейной цепей, цифровых значений напряжений на шинах, значений телесигналов с модулей ввода дискретных сигналов и телеуправления, формирует и передает команды телеуправления, выполняет функции релейной защиты и автоматики, производит расчет текущих значений телесигналов и телеизмерений, осуществляет синхронизацию времени устройств ввода.

Ris.5.png

Рис. 5. Контроллер присоединений


Аналого-цифровую обработку значений токов и напряжений с измерительных трансформаторов и передачу преобразованных данных по стандартному протоколу МЭК 61850-9-2LE осуществляют УСШ.13.

Новое российское устройство сопряжения с шиной процесса УСШ.13 с классом точности 0,1S обладает богатой функциональностью как с точки зрения реализации протокола МЭК 61850, так и в плане выполнения прикладных задач. Устройство можно использовать при создании новых цифровых подстанций, модернизации работающих, метрологических испытаниях оборудования для цифровых подстанций.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 2(62)_2016

В. И. Ухов, к. ф.-м. н., 
технический директор,
М. С. Половников, ведущий инженер,
В. В. Маценко, ведущий инженер,
ООО «СИСТЕЛ», г. Протвино, Московская область,
тел.: +7 (496) 731-0836,
e‑mail: systellogic@mx.systel.ru,
www.systel.ru,
www.systellogic.ru