Программно-технический комплекс для передачи команд РЗ и ПА по цифровым каналам связи (ПТК РЗПА)

Авторы: В.В. Зайчиков, Г.Л. Брухис, Л.И. Измайлова, Е.А. Иванов, Л.Н. Кандауров (ОАО ЦНИИ «Циклон»)

ПТК РЗПА предназначен для передачи команд релейной защиты высоковольтных линий (ВЛ) и команд противоаварийной автоматики по дуплексным цифровым каналам связи (волоконно-оптические линии связи, кабельные, радиорелейные и низкоорбитальные спутниковые линии связи).

Волоконно-оптические линии связи часто сооружаются с использованием ВЛ (оптический кабель встраивается в грозозащитный трос или подвешивается к проводам ВЛ), поэтому их направление, как и направление ВЧ каналов по ВЛ, совпадает с направлением передачи команд РЗ и ПА.

Применение цифровых каналов связи позволяет значительно повысить быстродействие, надежность и достоверность передачи команд РЗ и ПА в условиях повышенного воздействия электромагнитных помех.

ПТК РЗПА может быть использован при модернизации и техническом перевооружении энергообъектов.

ПТК РЗПА разработан по техническим требованиям, согласованным с РАО «ЕЭС России», и удовлетворяет всем требованиям к аппаратуре подобного класса (ГОСТ 29280-92, МЭК 255, МЭК 801 и др.).

Разработка системотехнической части ПТК РЗПА выполнена ОАО «Институт «Энергосетьпроект», разработка аппаратных и программных средств комплекса выполнена ОАО ЦНИИ «Циклон» (г. Москва) с использованием модулей ПЛК семейств ЭК-2000 и DCS-2000 разработки ЗАО «ЭМИКОН» (г. Москва).

Аппаратура ПТК РЗПА принята межведомственной комиссией и рекомендована к применению на энергообъектах России.

Аппаратура ПТК РЗПА позволяет выполнять следующие функции:

• одновременно и независимо передавать до 64 дискретных команд с разной дисциплиной передачи (сигнал передается все время, пока он существует на входе, или передается кратковременно только при его появлении на входе);
• выполнять транзитную передачу, отбор и добавление команд на промежуточных пунктах канала связи, количество промежуточных пунктов не лимитируется, но, как правило, не более 6-ти;
  
  Пример применения ПТК РЗПА для передачи команд РЗ и ПА в системе с топологией: “точка - промежуточный пункт - точка” показан на рис 1. При транзитной передаче команды РЗ передаются в пределах одного участка системы, а команды ПА - в пределах нескольких участков.

Рис. 1. Пример применения ПТК РЗПА.

• при отсутствии сигналов РЗ и ПА передавать по выделенному каналу связи телемеханическую технологическую информацию и непрерывное тестирование адаптеров, модулей ввода/вывода и линий связи;
• автоматическое переключение на резервный канал связи при отказе основного;
• ведение архива событий с астрономическим временем их появления;
• связь с ЛВС и с компьютером верхнего уровня по интерфейсу RS-232/RS-485;
• наличие интерфейсов для связи с АРМ оператора и с устройствами световой и звуковой сигнализации;
• возможность передачи информации по цифровым линиям связи как совместно с любой цифровой связной аппаратурой, так и автономно с использованием собственных линейных трактов.

Совместно с имеющимся на объекте периферийным оборудованием ПТК РЗПА может также выполнять функции компьютера среднего уровня управления, обеспечивая связь с компьютером верхнего уровня или с ЛВС, архивацию и вывод информации на панель оператора, управление режимами работы и т.п.

Состав ПТК РЗПА (блок-схема приведена на рис. 2).

1) Системный блок:

• Модуль питания PU-01A. Преобразует выходное напряжения +24 В блока питания LWN 2660-6 в напряжение +5 В, используемое в модулях системного блока.
• Модуль центральный CPU-03A (CPU-03B). Процессор модуля выполняет программу, которая управляет работой аппаратуры ПТК РЗПА. Программа работает в среде операционной системы реального времени ЭК-ОС, которая находится в системном ПЗУ. Прикладная программа модуля хранится во флэш-памяти модуля и загружается туда из компьютера.
• Mодуль сетевой C-02A. Осуществляет передачу и прием информации по двум дуплексным цифровым каналам связи.
• Модули ввода дискретных сигналов DI-04A и DI-01A. Принимают входные команды, поступающие от устройств РЗ и ПА через адаптеры ввода AI-01A. Модуль DI-04A рассчитан на прием 48-ми команд, а модуль DI-01A – 32-х. Модуль DI-01A имеет гальваническую развязку от входных цепей.
• Модули вывода дискретных сигналов DO-04A и DO-01A. Передают в адаптеры вывода AO-01 или AO-02 дискретные сигналы, преобразуемые адаптерами в выходные команды для РЗ и ПА. Модуль DO-04A рассчитан на формирование 48-ми выходных сигналов, а модуль DO-01A – 32-х. Модуль DO-01A имеет гальваническую развязку от выходных цепей. Модули вывода дискретных сигналов используются также для передачи в адаптеры ввода AI-01 сигналов, тестирующих входной тракт аппаратуры ПТК РЗПА. Кроме того, модули вывода используются для формирования сигналов для щита управления (АРМ оператора), а также для сигнализации на передней дверце шкафа ПТК РЗПА.

Рис. 2. Блок-схема ПТК РЗПА.

2) Блок питания LWN 2660-6. Преобразует постоянный либо переменный ток с номинальным напряжением 220 В в постоянное напряжение 24 В (2 гальванически развязанные цепи).

3) Фильтр сетевой F-01. Защищает ПТК РЗПА от перенапряжений и импульсных помех, возникающих в цепях питания.

4) Адаптеры ввода AI-01. Осуществляют электрическое согласование модулей ввода с тестирующими модулями вывода и с устройствами РЗ и ПА. Входные цепи адаптеров обеспечивают защиту аппаратуры от высоковольтных импульсных наводок. Количество входных команд, принимаемых одним адаптером ввода – 8 шт.

5) Адаптеры вывода AO-01, AO-02. Осуществляют гальваническую развязку выходных цепей модулей вывода от устройств РЗ и ПА. Количество выходных команд, выдаваемых одним адаптером вывода, – 8.

6) Блок сигнализации БС-01. Управляет светосигнальными элементами, расположенными на передней дверце шкафа ПТК РЗПА. Формирует сигналы о работе ПТК РЗПА для щита управления (АРМ оператора).

7) Панель оператора. Промышленный компьютер с дисплеем и клавиатурой. Взаимодействует с центральным модулем по интерфейсу RS-232. На дисплее панели оператора отображается информация о работе ПТК РЗПА. При помощи клавиатуры задаются режимы работы и уставки ПТК РЗПА.

8) Конвертеры интерфейсов. Преобразуют сигналы интерфейсов RS-232 модуля C-02A в сигналы интерфейсов цифровых каналов связи. В каждом из двух цифровых каналов связи прием/передача может осуществляться в следующих транспортных средах:

• интерфейс RS-485;
• интерфейс G703.1 64 кбит/с (сонаправленный стык);
• оптоволокно.

По требованиям заказчика в состав ПТК РЗПА могут быть включены модули связи с ЛВС по Ethernet 10/100Мбит/с и с цифровыми системами передачи по G. 703 Е1 2 Мбит/с.

ПТК РЗПА имеет следующие характеристики:

• номинальное напряжение питания – 220 В (постоянное или переменное);
• потребляемый ток – не более 1А;
• напряжение входного сигнала (команды) РЗ и ПА - от 24 до 220 В, ток 20 мА;
• минимальное напряжение срабатывания - не ниже 60% номинального;
• выходной сигнал (команда) РЗ и ПА – на каждую выходную команду предусматривается 2 замыкающих контакта (максимальное коммутируемое напряжение 250 В постоянного тока, максимальная коммутируемая мощность в цепи с τ < 20 мс – 30 Вт);
• все входные и выходные сигналы (команды) имеют гальваническую развязку;
• все входные и выходные цепи ПТК РЗПА, включая цепи электропитания, имеют защиту между полюсами и относительно корпуса от импульсных перенапряжений, электростатического заряда и электромагнитного поля повышенной напряженности;
• соответствие стандартам МЭК и РФ: IEC 60834-1 ED2, IEC 60870-3, РД 34.35.310-97 и др., что делает возможным эксплуатацию ПТК РЗПА в существующей электромагнитной обстановке на энергообъектах РФ;
• ПТК РЗПА имеет блокировку от передачи ложных команд при изменении и перерывах в электропитании и обеспечивает сохранение информации при перерывах в электропитании;
• время передачи сигналов РЗ и ПА по цифровым каналам связи – не более 13 мс при использовании адаптера вывода с контактными выходами и не более 8 мс при использовании адаптера вывода с бесконтактными выходами;
• время трансляции команды на промежуточном пункте не более – 2,5 мс.

Параметры надежности ПТК РЗПА:

• средняя наработка на отказ, ч, не менее – 50000;
• среднее время восстановления, ч, не более – 0,5;
• средний срок службы, лет, не менее – 20.

Для аппаратуры ПТК РЗПА можно задать один из двух режимов работы (однократная или многократная передача команд). Эти режимы отличаются разными значениями вероятности приема ложной команды и вероятности отказа в приеме команды.

В аппаратуре применен циклический код с достаточно мощной групповой защитой, которая бракует всю посылку при обнаружении ошибки, при этом вероятность приема ложной команды уменьшается.

Для коэффициента ошибок в канале BER=10^-6 вероятность приема ложной команды при первом режиме работы – P1л.к. ≤1,37·10^-9, при втором режиме работы (двукратная передача команды) – P2л.к. ≤1,88·10^-18.

Для снижения вероятности отказа каждая посылка передается несколько раз, и прием разрешается при совпадении двух не забракованных защитой посылок.

Аппаратура ПТК РЗПА является необслуживаемой.

При этом 1 раз в год производится техническое обслуживание в объеме осмотра и контроля основных технических характеристик с выводом аппаратуры ПТК РЗПА из работы и 1 раз в 3 года - механическая ревизия.

Cистемное и прикладное программное обеспечение (ПО) ПТК РЗПА реализует:

• алгоритм функционирования;
• человеко-машинный интерфейс на русском языке;
• систему паролей для защиты информации от несанкционированного доступа;
• связь с компьютером (АСУТП) или ЛВС;
• ведение архива событий с астрономическим временем их появления и выдачу информации автоматически или по запросу на компьютер щита управления (в АСУТП) или в ЛВС;
• непрерывное тестирование аппаратуры ПТК РЗПА и каналов связи.

Программирование ПТК РЗПА осуществляется на пользовательском языке CONT, отличительными особенностями которого является текстовое описание команд на русском языке с представлением переменных в виде символьных имен.

Конструктивное исполнение.

ПТК РЗПА имеет модульную конструкцию и комплектуется по требованиям заказчика. Выбранная конфигурация комплекса определяется в зависимости от количества входных и выходных команд РЗ и ПА, типа и наличия основного и резервного канала связи, типа панели оператора и т.п.

Системный блок имеет до 14-ти посадочных мест. Резервные посадочные места могут быть использованы для специализированных модулей, разрабатываемых для адаптации ПТК РЗПА к аппаратуре конкретного энергообъекта, если существует потребность в таких модулях.

Аппаратура ПТК РЗПА размещается в напольном или настенном шкафу. Размеры шкафа зависят от объема аппаратуры, который, в свою очередь, зависит от числа передаваемых команд.

Габаритные размеры шкафа выбираются из следующего ряда:

• высота (мм) – 1200, 1600, 1900, 2200;
• ширина (мм) – 600, 800;
• глубина (мм) – 300, 400, 600, 800.

Опыт эксплуатации ПТК РЗПА.

Промышленная партия ПТК РЗПА эксплуатируется в Тюменьэнерго, затем в Тюменском РДУ с 2002 г. по настоящее время.

Основной функцией ПТК РЗПА является передача программного обеспечения и управляющих воздействий между Сургутской ГРЭС-2 и вычислительной частью ЦСПА, установленной на диспетчерском пункте (ДП).

На ДП Тюменского РДУ аппаратура ПТК РЗПА связана с управляющей ЭВМ через платы сопряжения дискретных сигналов (входные и выходные).

На СГРЭС-2 ПТК РЗПА пускается дискретными сигналами устройств передачи аварийных сигналов и команд (УПАСК), непосредственно устройствами фиксации отключения ВЛ, отходящих от СГРЭС-2 (ФОЛ) и устройствами фиксации отключения блоков 800 МВт СГРЭС-2(ФОБ).

За время эксплуатации отказов и ложных срабатываний аппаратуры не было.

Следует отметить, что из-за большого количества пусковых органов ЦСПА частота срабатывания при аварийных и плановых отключениях элементов сети, являющихся пусковыми органами, составляла не менее 10 срабатываний в месяц.

Высокую надёжность обеспечивает работа по двум выделенным оптоволоконным каналам.

ПТК РЗПА в Тюменской энергосистеме также предполагается использовать как резервное (дублирующее) УПАСК на направлении ПС 500 кВ Тюмень – ПС 500 кВ Беркут. Для этой цели поставлена аппаратура ПТК РЗПА, проведены пусконаладочные работы и испытания.

Направления дальнейшего развития ПТК РЗПА.

Алгоритмы, по которым работает программное обеспечение аппаратуры, поставленной на подстанции ПС 500 кВ “Беркут” и ПС 500 кВ “Тюмень”, были усовершенствованы. Это позволило уменьшить время передачи сигналов между двумя пунктами. Измеренное при испытаниях суммарное время передачи команды, задержки каналообразующей аппаратурой связи и приема команды равно всего 3,75 мс (при этом не учитываются время включения выходного реле при выдаче выходной команды и время определения истинности входной команды).

Кроме того, усовершенствованное программное обеспечение позволяет по каждому из находящихся в работе цифровых каналов постоянно вести анализ качества принимаемой информации. При этом качество информации оценивается по величине коэффициента качества канала (К_кк).

К_кк - это количество не принятых, либо принятых, но забракованных кадров на 10000 шт переданных удаленным ПТК РЗПА кадров.

К_кк для каждого цифрового канала индицируется на панели оператора.

С клавиатуры панели оператора для каждого цифрового канала можно ввести уставку качества канала, т.е. граничный коэффициент К_кк.

Если К_кк превысит заданный граничный уровень, то качество канала считается ниже допустимого.

При этом:

• срабатывает сигнализация на передней дверце шкафа;
• подается сигнал на щит управления;
• посылается сообщение в АСУТП;
• данное событие записывается в архив.

Таким образом, ведется мониторинг качества цифровых каналов связи, позволяющий выявлять динамику ухудшения качества каналов связи и применять превентивные меры для предотвращения сбоев в работе аппаратуры.

Сравнение с зарубежными аналогами.

Зарубежных аналогов ПТК РЗПА на рынке мало, т.к. противоаварийная автоматика в отличие от релейной защиты за рубежом не развита. Следует упомянуть о модуле Te BIT, встраиваемом в телекоммуникационную платформу SDH/PDH FOX-515 фирмы АВВ, который имеет близкое назначение, однако работает только в связке с вышеуказанной платформой.

Преимуществами ПТК РЗПА являются:

• более низкая стоимость (в несколько раз);
• лучшая приспособленность к условиям российских энергосистем;
• большая экономичность в использовании телекоммуникационных ресурсов (цифровые каналы связи и пр.) по причине их отсутствия на многих российских энергообъектах.