автоматизация СИСТЕМ контроля и УПРАВЛЕНИя электроэнергетическими объектами на основе SCADA-анарэс
, ,
Развитие программно-вычислительного комплекса (ПВК) АНАРЭС [1] для расчетов и управления режимами электроэнергетических систем привело к созданию на его базе комплекса для контроля и управления электроэнергетическими объектами SCADA-АНАРЭС [2].
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) общепризнанная аббревиатура для систем управления и мониторинга различными технологическими процессами.
Разработанная авторами система SCADA-АНАРЭС – это набор программно-технических средств, позволяющих выполнять контроль и управление различными электроэнергетическими процессами.
В качестве возможных сфер применения данной системы можно отметить: системы управления подстанцией, противоаварийная автоматика, АСУ ТП и др.
Постановка задачи
Для построения полноценных автоматизированных рабочих мест (АРМ) оперативно-диспетчерского персонала и автоматизированных систем управления (АСУ) необходимы средства выполняющие:
1. Взаимодействие с аппаратными средствами (измерение и управление);
2. Решение технологических задач, специфического назначения.
Для решения первой задачи имеется большое количество универсальных SCADA-систем. Большинство, из которых, не ориентированны на задачи электроэнергетики и адаптация подобных систем для конкретного применения является сложной и дорогостоящей задачей.
Имеющиеся на диспетчерских пунктах оперативно-информационные комплексы (ОИК) решают совсем незначительную часть задач диспетчерского управления и обычно их нельзя использовать для автоматических систем управления.
Для решения технологических задач в электроэнергетике разработано большое количество программно-вычислительных комплексов, но эти комплексы ориентированы на работу в интерактивном режиме с квалифицированным пользователем, не решающим оперативные задачи.
Интеграция универсальных SCADA-систем и специфичных ПВК является практически не выполнимой задачей, т. к. эти системы и комплексы основаны на различных (почти не совместимых) идеологиях. Что приводит к низкой надежности и функциональности интегрированной системы.
Поэтому требуется переработка имеющихся ПВК для учета требований автоматизированных или автоматических систем контроля и управления.
В данной статье рассматривается работа, выполненная авторами, по доработке ПВК АНАРЭС, до уровня современной системы управления.
Назначение и архитектура SCADA-АНАРЭС
Функции SCADA-АНАРЭС:
· Прием информации от устройств сбора данных (контролеры ввода/вывода, PLC-контроллеры, устройства телемеханики и другие).
· Организация обмена данных в рамках распределенного комплекса.
· Архивирование информации: ведение суточной ведомости, архива действий пользователя, журнала событий, пользовательских архивов.
· Универсальный механизм задания формул расчета дополнительных параметров на основе измеряемых.
· Система отображения информации на мнемосхемах и управление оборудованием со схемы.
· Система отображения текстовой информации: отображение информации в таблицах; отображение списков.
· Формирование отчетных документов.
· Контроль измерений на соответствие заданным диапазонам.
· Функции планирования и моделирования режимов: расчет установившегося режима, оценивание состояния, расчет токов коротких замыканий, анализ статической устойчивости режима, анализ динамической устойчивости режима (моделирование электромеханических переходных процессов).
· Технический учет электроэнергии и интеграция с автоматизированной системой коммерческого учета электрической и тепловой энергии.
SCADA-АНАРЭС может устанавливаться, как на одном промышленном компьютере (контроллер, сервер, рабочая станция), так и на нескольких (распределенная система). Комплекс выполнен по блочному (модульному) принципу. Заменяя или добавляя программные модули можно легко увеличивать функциональность каждого отдельного компьютера, так и системы в целом. Также легко конфигурировать комплекс под определенные задачи.
Рис. 1. Структура комплекса
Комплекс, построенный с использованием SCADA-АНАРЭС, имеет 3-х уровневую архитектуру (рис. 1):
· аппаратный уровень – набор программно-технических средств обеспечивающих непосредственно сбор данных;
· информационный уровень – обеспечивает доступ к любому параметру системы, через единое информационное пространство;
· прикладной уровень – обработка и представление данных для конкретных задач, взаимодействие с пользователем, прикладные программы.
Такая архитектура системы обеспечивает независимость функциональной части системы от непосредственной реализации на аппаратном уровне, а также позволяет интегрировать ее с внешними системами сбора данных и управления.
Информационный уровень обеспечивает взаимодействие приложений прикладного уровня между собой и с аппаратным уровнем. При этом не имеет значения, производится обмен между приложениями на одном компьютере, по сети или производится обмен с устройствами сбора данных и управления. Таким образом, информационный уровень можно назвать – единым информационным пространством.
Взаимодействие компонентов комплекса прикладного уровня, работающих в распределенной системе, производится по локальной вычислительной сети (ЛВС). В качестве ЛВС используется Ethernet (Industrial Ethernet). При этом обеспечивается работа, как с одинарной, так и с дублированной ЛВС. При работе с дублированной ЛВС имеется возможность одновременной передачи данных по обеим подсетям (без выделения главной/резервной подсети), что обеспечивает беспрерывную работу при повреждении одного из сегментов ЛВС.
Описание SCADA-АНАРЭС
SCADA-АНАРЭС содержит два обязательных блока: сервер приложений (блоков/модулей) и сервер каналов, которые обеспечивают взаимодействие всех остальных блоков. Также имеется конфигуратор, с помощью которого описываются и настраиваются все параметры взаимодействия.
Сервер приложений – это программный блок (рис. 2), который выполняет функции передачи команд и ответов между различными приложениями (программами, блоками, модулями). Если при передаче команды, блок получатель команды (все команды адресные) не запущен (или аварийно завершился), то сервер приложений автоматически запускает необходимое приложение. Это означает, что помимо передачи команд и ответов (на команды) сервер приложений автоматически контролирует состояние приложений (работает/не работает). Тем самым обеспечивается надежность функционирования SCADA-АНАРЭС. При разработке функциональных модулей SCADA-АНАРЭС к ним предъявляются требования по обеспечению функций поддержки сервера приложений и возможности автоматического рестарта после аварийного завершения. В результате, единичный сбой отдельного программного блока в худшем случае может привести к кратковременному (менее 1 сек) приостановлению выполнения некоторых функций системы, а при использовании возможностей резервирования блоков (как на одном, так и на разных компьютерах) обеспечивается беспрерывное функционирование SCADA-АНАРЭС при любых единичных сбоях в программном обеспечении.
Рис. 2. Структура работы сервера приложений.
Сервер каналов – это программный блок, который обеспечивает обмен информацией между различными функциональными блоками SCADA-АНАРЭС, установленными на одном компьютере. Сервер каналов содержит в своем составе базу данных реального времени (БДРВ), обеспечивающую обмен данными с максимальным быстродействием.
Данные в БДРВ подразделяются на три вида:
1. Массив телесигналов (ТС), который представляет собой блок оперативной памяти, содержащий динамический массив структур данных;
2. Массив телеизмерений (ТИ), который представляет собой блок оперативной памяти, содержащий динамический массив структур данных;
3. Очередь сообщений представляет собой блок оперативной памяти, содержащий динамическую очередь сообщений. Каждое сообщение – это блок памяти, содержащей типовой заголовок сообщений (тип, метка времени, источник, уникальный номер и др.) и набор данных (произвольной длины). Соответственно с помощью сообщений организуется обмен любыми данными между различными функциональными блоками.
Предназначение массива ТС и массива ТИ состоит в передаче между функциональными блоками текущих значений неких параметров, при этом расположение конкретного параметра в оперативной памяти не меняется во время работы системы, что упрощает обработку ТИ и ТС. Предназначение очереди сообщений состоит в передаче между функциональными блоками информации по мере ее возникновения (по событиям, предупреждения, по мере выполнения определенных операций и др.).
С точки зрения взаимодействия с сервером каналов любой функциональный блок может быть реализован в виде одного из трех типов:
1. Сервер данных;
2. Клиент данных;
3. Клиент и сервер данных.
Сервер данных – это программный блок, передающий в сервер каналов фрагмент массива ТС и ТИ, а также сообщения. Сервер данных может получать данные от внешних источников: каналы и протоколы обмена с внешними подсистемами, базы данных и т. п.
Клиент данных – это программный блок, получающий от сервера каналов весь массив или фрагмент массива ТС и ТИ, а также все или выборочные сообщения. Клиент данных может передавать данные во внешние источники: каналы и протоколы обмена с внешними подсистемами, базы данных и т. п., визуализировать данные для пользователя, выдавать значения в порты ввода/вывода.
Клиент и сервер данных – это программный блок, сочетающий в себе функции сервера и клиента данных. Например, такой блок может получать от сервера каналов некие данные, обрабатывает их и записывает их опять в сервер каналов, но под другими уникальными номерами.
Перечень ТС и ТИ, а также распределение фрагментов массива ТС и ТИ между различными серверами определяется на этапе конфигурирования сервера каналов.
Обмен данными между приложениями выполняется через технологию отображаемых файлов (FileMapping), которая позволяет создать общий блок оперативной памяти, доступный разным приложениям.
Синхронизация программных блоков, обмен данными и командами в SCADA-АНАРЭС выполняется с помощью базовых объектов ядра ОС Windows: Mutex, Event. Это обеспечивает высокую производительность, высокую надежность, независимость от конкретной версии ОС и системных библиотек Windows (т. к. эти объекты реализованы во всех версиях Windows).
Для обеспечения надежности (защищенности) архитектура обмена данными между сервером каналов, серверами данных и клиентами данных выполнена по следующей схеме (см. рис. 3). Каждый сервер данных имеет свой массив ТИ и ТС и очередь сообщений. Записывать данные в локальные массивы сервера данных имеет возможность только сам сервер данных. Считывать же эту информацию может только сервер каналов, который записывает ее в свои массивы ТИ и ТС и очередь сообщений, эти блоки данных, в свою очередь, не доступны для записи извне. Клиенты данных могут в режиме только для чтения получать доступ к данным сервера каналов. Таким образом, ошибка в каком-то функциональном блоке не может привести к порче данных других блоков.
Сервер каналов и функциональные блоки (сервера и клиенты данных) реализуются в виде отдельных исполняемых модулей (при необходимости несколько функциональных блоков может быть объединено в один исполняемый модуль). Это, с одной стороны, защищает данные в одних блоках от порчи, при возникновении сбоев в других, а с другой стороны, обеспечивает параллельное (одновременное) выполнение всех приложений SCADA-АНАРЭС и позволяет наиболее эффективно распределить вычислительные мощности компьютера, без усложнения архитектуры каждого функционального модуля.
Рис. 3. Архитектура обмена информации между программными блоками.
Для обеспечения максимального быстродействия системы программные блоки информируют друг друга об изменении данных. Например, сервер данных сообщает серверу каналов об изменении массива ТС, ТИ или добавлении нового сообщения в очередь. После этого сервер каналов сообщает всем клиентам данных об изменении массива ТС, ТИ или добавлении нового сообщения в очередь. Информирование программных блоков осуществляется с помощью объектов ядра Event, что позволяет с помощью соответствующих функций Windows API ожидать изменения данных без траты процессорного времени.
Разработаны специальные библиотеки функций и классов, позволяющие значительно упростить разработку конкретных функциональных блоков. Причем за счет этого обеспечивается абстрагирование от текущей реализации механизмов, использующихся в SCADA-АНАРЭС.
Имеется следующий набор функциональных блоков:
Селектор – блок автоматического выбора источника данных получаемых по дублированным каналам;
Интегратор – блок усреднения данных, с возможностью получения обобщенного значения физического параметра, полученного по разным каналам с автоматическим отбрасыванием недостоверных данных;
ОРС-клиент – блок получения данных от внешних подсистем по технологии ОРС. По отношению к серверу каналов данный блок является сервером данных.
ОРС-сервер – блок передачи данных от сервера каналов во внешние подсистемы по технологии ОРС. По отношению к серверу каналов данный блок является клиентом данных.
ОРС-сервер и ОРС-клиент поддерживают спецификации OPC Data Access 1.0a, OPC Data Access 2.0 и OPC Alarms and Events 2.0.
ModBus TCP-клиент – блок получения данных от внешних подсистем по каналу Ethernet по транспортному протоколу TCP-IP, по протоколу ModBus TCP. С точки зрения сервера каналов данный блок является сервером данных.
ModBus TCP-сервер – блок передачи данных от сервера каналов во внешние подсистемы по каналу Ethernet по транспортному протоколу TCP-IP, по протоколу ModBus TCP. По отношению к серверу каналов данный блок является клиентом данных.
ModBus RTU-клиент – блок получения данных от внешних подсистем по каналу RS232/485/422 по протоколу ModBus RTU. С точки зрения сервера каналов данный блок является сервером данных.
ModBus RTU-клиент+управление – блок получения данных от внешних подсистем по каналу RS232/485/422 по протоколу ModBus RTU и передачи данных от сервера каналов во внешние подсистемы по этому же каналу. С точки зрения сервера каналов данный блок является клиентом и сервером данных.
Socket-клиент – блок получения данных от Socket-сервера (с другого компьютера по каналу Ethernet по транспортному протоколу TCP-IP) по технологии Socket во внутреннем протоколе. С точки зрения сервера каналов данный блок является сервером данных.
Socket-сервер – блок передачи данных от сервера каналов в Socket-клиент (на другой компьютер по каналу Ethernet по транспортному протоколу TCP-IP) по технологии Socket во внутреннем протоколе. С точки зрения сервера каналов данный блок является клиентом данных.
Архиватор в текстовые файлы и архиватор в SQL-базу данных.
Для подключения в систему нового блока (драйвера оборудования), не поддерживающего перечисленные протоколы, или драйвера поддерживающего другие стандарты передачи достаточно его переписать и добавить в конфигураторе. Набор драйверов будет постоянно расширяться.
Работа в системах жесткого реального времени
SCADA-АНАРЭС может использоваться в системах жесткого реального времени. Одним из таких применений является разработка комплексов противоаварийной автоматики.
В том случае, если алгоритмы управления, требующие выполнения в реальном времени не могут из-за своей сложности быть реализованы на уровне программно-логических контроллеров (PLC), обеспечивающих реальное время, или система имеет достаточно сложную архитектуру, требующую передачи большого количества данных в блоки реального времени, представляется целесообразным выполнение функций реального времени на мощных PC-совместимых компьютерах промышленного исполнения. Для этих целей в SCADA-АНАРЭС реализованы блоки работающие с использованием расширения реального времени для Windows – VentursCom RTX.
Передача данных в блок, работающий под RTX, осуществляется специальным промежуточным блоком связи с RTX, который для Сервера каналов является одновременно и сервером и клиентом данных.
Для написания алгоритмов реального времени разработана специальная библиотека, поддерживающая обмен данными с сервером каналов (через блок связи с RTX).
Прикладной уровень
Более подробно остановимся на некоторых функциях прикладного уровня:
Архивирование информации. Подсистема архивирования предназначена для создания архивов оперативной информации заданной глубины, прореживания и удаления информации в архивах по мере её старения, извлечения запрошенной информации из архивов. Архивы ведутся в реляционной SQL СУБД. В качестве СУБД поддерживается MS SQL, Oracle, MySQL.
Универсальный дорасчет. Функции дорасчета позволяют вычислять значения произвольных параметров на основе любых параметров имеющихся в БДРВ (измеряемые параметры, вычисленные параметры, результаты расчета и моделирования режима). Рассчитанные параметры также передаются в БДРВ.
Задание формул дорасчета производится с использованием MS Excel. При этом пользователь может задать как формулы, использующие стандартные функции MS Excel, так и написать собственные макросы, выполняющие более сложные вычисления.
Система отображения информации на мнемосхемах. Система отображения информации основана на системе отображения ПВК АНАРЭС-2000 [3]. Система отображения содержит в своем составе универсальный графический редактор схем, позволяющий создавать многоуровневые графические схемы любой иерархии вложенности. Схемы формируются из готовых наборов библиотек элементов.
Схема может быть любого размера и содержать любое количество элементов. Имеются широкие возможности по печати и компоновке схемы на бумаге любого размера.
Система отображения позволяет:
· просматривать параметры из БДРВ на схеме (измерения, телесигналы, рассчитанные параметры);
· производить коммутации со схемы (телеуправление);
· вести оперативную схему, т. е. задавать состояние нетелемеханизированных коммутационных аппаратов (например, разъединителей) с передачей их состояния в БДРВ.
· отображать тренды параметров из БДРВ;
· производить корректировку исходных данных для расчетных программ.
В дополнение к стандартным функциям отображения информации на схеме система отображения сдержит функции визуального анализа режима на схеме:
· Выделение фрагментов схемы, относящихся к выбранному району или сечению, с одновременным притемнением остальной схемы.
· Сравнение параметров различных режимов (как срезов за различное время, так и рассчитанных режимов).
· Динамическая раскраска схемы – отображение элементов схемы разной интенсивностью цвета, в зависимости от величины выбранного параметра или от степени нарушения пределов параметрами режима. Использование этой возможности совместно с функцией сравнения режимов позволяет наглядно увидеть отличия режимов.
Формирование отчетных документов. Блок формирования отчетных документов позволяет формировать отчетные документы в Microsoft Word и Excel на основе шаблонов заданных пользователем.
Функции планирования и моделирования режимов. SCADA-АНАРЭС могут включать все функции расчета режима ПВК АНАРЭС-2000:
· расчет установившегося режима;
· расчет токов коротких замыканий;
· анализ статической устойчивости режима;
· анализ динамической устойчивости режима (моделирование электромеханических переходных процессов);
· оценивание состояния (получение сбалансированного режима на основе данных измерений).
Технический учет электроэнергии. Любые средства измерений параметров нормального режима, позволяющие измерять активную и реактивную мощности, можно использовать для измерения электроэнергии.
Для этого с помощью программных средств верхнего уровня производится оценивание режима и расчет, а затем интегрирование по времени оцененных значений активной и реактивной мощности. При интегрировании применяется метод Рунге-Кутта. Причем, чем выше частота измерений значений мощности и чем плавнее происходит изменение режима, тем выше точность измерения электроэнергии. Как правила, такой способ измерения менее точен по сравнению с применением существующих счетчиков электроэнергии, но для функции технического учета он обычно вполне подходит.
На наиболее ответственных присоединениях, где требуется повышенная точность измерения электроэнергии, возможна установка цифровых счетчиков электроэнергии с подключением их к программным средствам верхнего уровня. Кроме того, возможно взаимодействие с системой АСКУЭ. Полученные значения со счетчиков электроэнергии учитываются при проведении оценивания состояния и интегрировании, уточняя тем самым значения электроэнергии по тем присоединениям, которые не охвачены счетчиками.
Таким образом, применение комбинированного метода позволяет с достаточно высокой точностью проводить технический учет электроэнергии по всей сети.
Выводы
Разработанная авторами система SCADA-АНАРЭС является полноценной системой, использование которой в электроэнергетике в АСДУ и на верхнем уровне в АСУ ТП позволяет решить все основные задачи без доработки системы.
SCADA-АНАРЭС является универсальной расширяемой системой, что позволяет включать в нее специфические задачи.
Применение SCADA-АНАРЭС в электроэнергетике позволит сократить время и стоимость внедрения системы управления, а в дальнейшем упростит ее обслуживание.
Литература
1. , , Программно-вычислительный комплекс АНАРЭС-2000+ для расчета и анализа нормальных и аварийных режимов ЭЭС // Современные программные средства для расчета надежности и оценивания состояния электроэнергетических систем: Сборник докладов Четвертого международного научно-практического семинара. – Новосибирск: ИДУЭС, 2004. – с. 6-16.
2. , , Новая версия ПВК АНАРЭС // Современные программные средства для расчета надежности и оценивания состояния электроэнергетических систем: Сборник докладов Четвертого международного научно-практического семинара. – Новосибирск: ИДУЭС, 2004. – с. 140-143.
3. , , Система отображения ПВК АНАРЭС-2000 и ее применение в АСДУ и ОИК. // Современные программные средства для расчетов и оценивания состояния режимов электроэнергетических систем: Сборник докладов Второго международного научно-практического семинара. – Новосибирск: ИДУЭС, 2002. С. 5-14.
