Дипломированный инженер Харди Никелл, менеджер по продукции, KoCoS Messtechnik AG, Корбах
Продолжающееся расширение интеллектуальных электрических сетей и одновременный переход к более децентрализованным структурам производства, хранения и передачи электроэнергии означают, что электрические сети могут все более эффективно реагировать на колебания энергопотребления. Ключевую роль в том, чтобы сделать это возможным, играют более широкое использование и постоянное развитие современных ИЭУ (интеллектуальных электронных устройств) и обширная взаимосвязь различных компонентов энергосистемы. Однако эта децентрализованная взаимосвязь зависит от беспроблемного взаимодействия всех задействованных компонентов. ИЭУ, изготовленные разными производителями и принадлежащие к разным поколениям устройств, должны иметь возможность обмена данными измерений, состояния и управления друг с другом, а также должны быть оснащены таким образом, чтобы соответствовать будущими модификациями и нововведениям.
Рисунок 1. Регистратор аварийных процессов SHERLOG CRX
Такая совместимость между различными устройствами и установками в сетях электроснабжения уже обеспечивается стандартами и протоколами связи (IEC 61850 и IEC 60870). Однако, когда возникает необходимость расширения или модификации старых систем и установок, появляется ряд проблем, связанных с выполнением даже основных требований совместимости. Например, может оказаться невозможным заменить или отремонтировать отдельные неисправные устройства, потому что производитель за это время прекратил их производство и поддержку. Если отказ одного или нескольких таких устройств ставит под сомнение основную работу всей системы, единственным решением является замена всех устройств, принадлежащих к той же серии, что и неисправное устройство. Если принять во внимание общие затраты на приобретение нового оборудования, демонтаж старых устройств и установку новых, то вывод из эксплуатации устройств, которые все ещё находятся в отличном рабочем состоянии, возможно, является меньшим злом. Если вместо этого выбрать заведомо более дешёвый подход и заменить дефектные старые устройства соответствующими эквивалентными устройствами других производителей, то задача состоит в поддержании их совместимости таким образом, чтобы, например, сохранялась централизованная оценка данных и процессов в рамках всей системы.
Требования к совместимости при использовании регистратора аварийных процессов в качестве примера
Цифровые аварийные регистраторы являются очень хорошей иллюстрацией преобразования простой, но тем не менее важной системы сбора данных о сбоях в комплексное многофункциональное ИЭУ для сложных задач мониторинга и оценки различных частей электрических установок и сетей. Принимая во внимание многообразие возможностей, предоставляемых современными системами регистрации аварийных процессов в отношении конфигурирования, функциональности и оценки, в настоящее время трудно утверждать, что такой широкий спектр характеристик можно заменить очень ограниченными функциями записи цифровых реле защиты. Комплексные функции регистрации аварий, тенденций и данных о качестве электроэнергии позволяют гибко и эффективно адаптировать систему регистрации аварийных процессов, например, для удовлетворения широкого диапазона требований к измерениям и мониторингу. Кроме того, системы регистрации часто берут на себя дополнительную роль независимого административного элемента, который может автоматически оценивать, обрабатывать и распространять записанные данные измерений и события, делая их доступными для должностных лиц.
Однако этот основополагающий процесс обеспечения эффективного и целенаправленного объединения соответствующих данных измерений и данных о состоянии сам по себе может быть серьёзно ухудшен и ограничен. Это может произойти, например, когда разные системы регистрации аварийных процессов развёрнуты для одного и того же приложения или установки, или когда планы по расширению такого приложения или установки требуют этого. Поскольку для управления различными системами регистрации аварийных процессов и оценки данных измерений используются разные программные средства, любые ранее реализованные централизованные сбор и обработка данных измерений через специальный пользовательский и технологический интерфейс должны быть отменены, что приведёт к потере привязки данных измерений, поступающих от одних и тех же энергосистем, но распределённых по ряду различных систем регистрации аварийных процессов. Сигналы о состоянии и событиях, которыми аварийные регистраторы обмениваются друг с другом, а также с пользовательским интерфейсом, больше не могут управляться и обрабатываться централизованно. Серьёзные проблемы с совместимостью могут возникнуть также в связи со сбором аналоговых измерительных сигналов напряжения и тока при замене старых приборов новыми. Например, выбранное новое устройство может иметь такое же количество аналоговых измерительных входов, но распределение по напряжениям и токам может не соответствовать заданному распределению сигналов, которые на самом деле должны быть измерены.
Используя в качестве примера регистратор аварийных процессов SHERLOG CRX (см. рис. 1), созданный компанией KoCoS Messtechnik AG, и сценарий существующей установки аварийных регистраторов другой системы (тип XYZ), приводится пошаговое описание различных способов достижения совместимости для следующих уровней и процессов:
- опциональная адаптация оборудования при замене существующих систем регистрации аварий или установке новых,
- объединение и управление данными измерений в центральной аналитической базе данных для дальнейшей оценки и обработки,
- запуск регистрации аварий с помощью перекрёстных запусков между различными системами регистрации аварий.
_.jpg)
Рисунок 2. Исходная установка с тремя устройствами системы регистрации аварийных процессов XYZ
Обзор технических условий и требований при использовании существующей установки регистраторов аварийных процессов в качестве примера
Для существующей установки из трёх регистраторов типа XYZ необходимо выполнить общее расширение и заменить одно устройство из-за его выхода из строя (см. рис. 2). Неисправное устройство нельзя отремонтировать, так как данная модель снята с производства, заменить его устройством, принадлежащим к той же системе также нельзя, и поэтому придётся использовать другую систему. Однако централизованный сбор, оценка данных и обмен перекрёстными запусками должны быть сохранены, несмотря на использование различных систем регистрации аварийных процессов.
Шаг 1:
Замена и новая установка системы регистрации аварийных процессов с адаптацией оборудования
При замене существующих систем регистрации аварийных событий адаптация существующих аналоговых и двоичных каналов измерения часто оказывается затруднительной, особенно когда новая система имеет только фиксированные стандартные конфигурации типа и количества каналов измерения. Хотя существующие измерительные сигналы обычно могут быть подключены, часто это может быть достигнуто только путём использования ряда избыточных, неиспользуемых каналов измерения.
_.jpg)
Рисунок 3. Аналоговые и двоичные модули для SHERLOG CRX. Слева направо: 4-канальный модуль напряжения, 8-канальный модуль напряжения, 4-канальный модуль тока, 16-канальный двоичный модуль.
Благодаря модульной аппаратной конструкции SHERLOG CRX конфигурация измерительных каналов отдельного устройства может быть гибко скомпонована с использованием различных модулей для приёма до 32 налоговых и 128 двоичных сигналов (см. рис. 3).
Это означает, что устройства SHERLOG CRX, которые используются для замены и расширения исходной установки, приведенной здесь в качестве примера, могут быть адаптированы под требования к аналоговым и двоичным каналам измерения, в отличие от моделей с фиксированной конфигурацией, использование которых нерационально (см. рис. 4).
Для синхронизации времени обоих устройств SHERLOG CRX можно использовать модуль синхронизации времени, который интегрирует телеграмму оптического GPS от центральных часов через одно устройство и передаёт её на второе по выделенной линии связи.
Благодаря своей модульной аппаратной конструкции SHERLOG CRX предоставляет широкие возможности для адаптации к различным требованиям. Это выгодно при замене существующих систем регистрации, а также при установке дополнительных новых систем. SHERLOG CRX можно легко модернизировать на месте путём добавления модулей. Это означает, что будущие расширения могут быть интегрированы в существующие системы с минимальными усилиями и затратами.
_.jpg)
Рисунок 4. Установка оснащена двумя дополнительными и по-разному настроенными SHERLOG CRX с интеграцией и передачей существующей синхронизации времени.
Шаг 2:
Объединение данных, полученных различными системами регистрации аварийных процессов, для целей централизованного управления, анализа и обработки
При параллельном использовании разных систем регистрации будут возникать серьёзные проблемы, связанные со сбором и оценкой ими данных измерений. Фактически программирование измерительных и контрольных функций каждой отдельной системы в основном ограничено относительно коротким периодом времени первоначальной установки, и поэтому не возникает проблем, если для этой цели необходимо использовать различные инструменты конфигурирования. Однако, если в дальнейшем во время работы измерительного оборудования придётся использовать разные программы для управления базами данных и функциями анализа, иногда даже распределённые по нескольким рабочим станциям, централизованная оценка процессов и измерений может быть реализована и поддержана только частично. По этой причине крайне важно обеспечить, чтобы все имеющиеся данные были централизованно доступны пользователю программ управления и анализа независимо от их происхождения.
Интуитивно понятное программное обеспечение SHERLOG Online предоставляет полный комплексный пакет для настройки, эксплуатации и оценки систем SHERLOG CRX. Интеграция и автоматический мониторинг неограниченного количества устройств с использованием всего одного компьютера рабочей станции играет особенно важную роль в создании высокоцентрализованной структуры системы. Например, назначая устройства SHERLOG CRX разным топологиям, можно управлять ими и отображать их на разных уровнях напряжения и установки в пределах одного списка устройств. Новые записи могут автоматически передаваться в локальную аналитическую базу данных выделенными устройствами через свободно настраиваемые интервалы времени, а затем могут быть далее распространены посредством электронной почты или распечатки отчёта об авариях, например, на основе критериев, которые можно гибко настраивать.
Для интеграции аварийных регистраторов, изготовленных другими производителями, программное обеспечение SHERLOG Online имеет возможность включения их непосредственно в аналитическую базу данных SHERLOG и управления ими путём импорта записей в формате COMTRADE. Все, что требуется для этого, - это настроить для других систем или их операционного программного обеспечения путь к хранилищу, которое доступно для ПО SHERLOG Online и в котором записи об авариях сохраняются в формате COMTRADE. Существующие записи и новые записи затем автоматически импортируются программным обеспечением SHERLOG Online в центральную аналитическую базу данных и также могут автоматически передаваться, как и записи с устройств SHERLOG CRX. Это означает, что программное обеспечение SHERLOG Online создаёт жизненно важный уровень совместимости между различными системами регистрации, позволяющий централизованно управлять устройствами и данными.
Для установки, которую мы используем здесь в качестве примера, программное обеспечение SHERLOG Online загружается на центральный компьютер, подключённый к сети связи, а два существующих устройства SHERLOG CRX подключаются к этому программному обеспечению. Программа, работающая параллельно с SHERLOG Online, сохраняет данные измерений с двух других аварийных регистраторов типа XYZ в виде файлов в формате COMTRADE в хранилище, к которому имеет доступ ПО SHERLOG Online, таким образом, создавая полную и общедоступную систему (см. рис. 5).
_.jpg)
Рисунок 5. Интеграция и управление данными измерений обеих систем регистрации в общей аналитической базе данных. Данные измерений системы XYZ автоматически сохраняются через общую сеть связи в формате COMTRADE в отдельном хранилище, с помощью которого программное обеспечение SHERLOG интегрирует данные в центральную базу данных.
Шаг 3:
Запуск регистрации аварий с помощью перекрёстных запусков между различными системами регистрации
Когда измерительные сигналы в крупных энергосистемах распределяются по нескольким аварийным регистраторам, подробный анализ аварийных событий требует большего, чем просто данные измерений аварийного регистратора, который срабатывает в ответ на конкретное событие. Другие части системы и другие параметры процесса также могут быть затронуты последствиями произошедшей аварии. Однако они не обязательно будут затронуты настолько сильно, чтобы заданные критерии запуска инициировали запись. Чтобы получить исчерпывающую картину всей энергосистемы и в этих случаях, регистратор аварийных процессов, в котором неисправность электросети инициировала запись, может отправлять сигналы запуска на другие устройства; эти сигналы называются перекрёстными запусками. Записи всех задействованных устройств впоследствии могут быть объединены на основе их временных меток для формирования общей записи системы, которая затем может быть проанализирована.
Если все существующие и вновь добавленные измерительные сигналы в установке, используемой здесь в качестве примера, рассматриваются как часть единой энергосистемы, то задача состоит в том, чтобы все устройства реагировали на один общий перекрёстный запуск, притом используются две разные системы регистрации. Поскольку перекрёстные запуски часто передаются через специфические для системы коммуникационные каналы и протоколы, необходимо найти другие средства реализации этого на межсистемной основе. Здесь показана возможность использования двоичных входов и выходов отдельных аварийных регистраторов для приёма или генерации сигналов запуска. Подача импульса запуска с двоичного выхода одного регистратора на аварийный регистратор, принадлежащий другой системе, инициирует запись на последнем. Отправка перекрёстного запуска другим устройствам той же системы в начале записи аварии не только делает возможным перекрёстный запуск между системами, но также минимизирует количество необходимых двоичных входов и выходов. Это объясняется тем, что для приёма и отправки сигналов запуска в другую систему требуется только по одному устройству, принадлежащему каждой системе регистрации неисправностей (см. рис. 6).
_.jpg)
Рисунок 6. Передача и приём перекрёстных запусков между двумя группами систем регистрации с использованием двоичных входов и выходов. Обмен перекрёстными запусками в пределах самих групп систем по-прежнему осуществляется с использованием их выделенных коммуникационных каналов и протоколов.
Резюме
Неуклонный рост децентрализованных структур в системах электроснабжения идёт рука об руку с увеличением потребности в предоставлении подходящих интерфейсов и узловых точек для обеспечения совместимости их отдельных компонентов друг с другом. Если компоненты, которые должны быть соединены, сами по себе также имеют децентрализованные структуры и свойства, тогда совместимость должна быть создана на разных уровнях, и эта совместимость зачастую не сразу очевидна извне.
На примере эксплуатации и расширения существующей системы регистрации аварийных процессов были разработаны различные возможные сценарии для определения требований совместимости, возникающих, в частности, на самых низких уровнях системы электроснабжения, и подходов, способных удовлетворить эти требования. В частности, когда новые аварийные регистраторы интегрируются в существующие системы другого типа, возникает ряд требований в связи с сохранением существующих централизованных интерфейсов внутри децентрализованной структуры на более высоком уровне. При замене неисправных устройств основные требования к количеству и типу измерительных каналов могут быть оптимально выполнены путём выбора системы со сменными модулями с гибкими возможностями конфигурации.
С помощью интеграции и объединения данных измерений и сигналов состояния различные системы регистрации могут быть преобразованы в централизованную общую систему с помощью общего программного интерфейса для более высоких уровней. Но соответствующая совместимость также может быть реализована для обеспечения необходимых соединений между самими системами, например, для отправки и получения перекрёстных запусков. Используя множество аппаратных и программных интерфейсов, можно не только планировать и реализовывать проектно-зависимые требования на межсистемной основе для расширения существующих установок, но и заменять отдельные неисправные или устаревшие устройства без ущерба для существующих структур соединений, используемых для связи и сбора значений измерений.
© ООО «Евротест», 2020 г. Копирование, распространение или любое иное использование материалов настоящей статьи допускается только с разрешения правообладателя. Нарушители будут привлечены к ответственности в соответствии с законодательством Российской Федерации.