Решения Группы предприятий «Каскад» для создания системы верхнего уровня АСУ ТП ГЭС

Целью энергетической политики России является максимальное использование природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения и укрепления внешнеэкономических позиций страны. В этой связи повышение технического и технологического уровня объектов гидрогенерации и обеспечение надежной инженерной защиты водохранилищ являются важнейшими задачами.

Разрабатываемые и внедряемые нами системы автоматизации ГЭС условно классифицируются следующим образом:

1.Автоматизированные системы агрегатного уровня:

• системы автоматизированного управления гидроагрегатами (САУ ГА) ГЭС, включающие в себя подсистемы ТА, АРЧ, термоконтроля;
• системы пожарных защит ГА, трансформаторов, кабельных сооружений, маслоохладителей и маслохозяйства.

2.Автоматизированные системы станционного уровня:

• комплексная АСУ ТП ГЭС верхнего уровня (ВУ), куда интегрированы все подсистемы агрегатного уровня, подсистема центральной сигнализации (ЦС);
• автоматизированные информационно-измерительные системы контроля состояния гидротехнических сооружений (АИИС ГТС) ГЭС.

Во всех  перечисленных выше автоматизированных системах применяются  SCADA-система «КАСКАД» и комплектные шкафы автоматики с интеллектуальными шлюзами серии ШИ-01. Рассмотрим конкурентные преимущества этих продуктов, а также особенности их применения в рамках проекта верхнего уровня АСУ ТП ГЭС.

Сегодня на агрегатном уровне станции функционируют следующие системы:

• технологическая автоматика и механические защиты генераторов;
• электрические защиты генераторов и трансформаторов;
• мониторинг силовых трансформаторов;
• управление вспомогательным оборудованием;
• контроль систем постоянного тока и АБ;
• регулирование частоты;
• термоконтроль;
• виброконтроль;
• автоматика техводоснабжения;
• системы обеспечения измерений;
• тиристорное возбуждение;
• мониторинг состояния зданий и сооружений;
• автоматическое пожаротушение;
• контроль изоляции;
• мониторинг компрессорного оборудования;
• и др.

Перечисленные системы представлены микропроцессорными устройствами, датчиками и исполнительными механизмами, имеющими разнородные протоколы и интерфейсы обмена  данными. В то же время, на верхних уровнях управления желательно использование унифицированных или стандартных протоколов, поддержка программных стандартов операционных систем. Подобное противоречие позволяет разрешить интеллектуальный шлюз серии ШИ-01.

Интеллектуальный шлюз серии ШИ-01 представляет собой устройство на микропроцессорной основе со встроенной операционной системой и специализированным программным обеспечением. Данное устройство предназначено для преобразования данных одного цифрового информационного потока в данные другого цифрового информационного потока. ШИ-01 обеспечивает как передачу управляющих воздействий от пункта управления к устройствам  объекта управления, так и обратную связь, объединяя, таким образом, полевые сети, устройства агрегатного уровня с устройствами коллективного пользования, серверами, хранилищами данных и другими комплексами пункта управления, которые не предназначены для прямого взаимодействия с устройствами объекта управления в силу их функциональной ориентированности.

К ключевым особенностям и преимуществам ШИ-01 можно отнести:

• гибкую многопоточную среду исполнения с подсистемами самоконтроля;
• широкий перечень моделей ШИ-01, позволяющий подобрать оптимальное для заказчика решение согласно его потребностям: число и тип последовательных интерфейсов, наличие встроенных дискретных и/или аналоговых каналов ввода/вывода, наличие встроенного модема и т.д.;
• реализацию нестандартных информационных протоколов полевого уровня (более 70 наименований и серий устройств);
• наличие интерфейсов и API, позволяющих заказчику самостоятельно реализовать поддержку любого открытого информационного протокола согласно SDK;
• возможность быстрой интеграции устройств, работающих по стандартным протоколам Modbus RTU/ASCII/TCP и МЭК 60870-5-101/103/104, на основе карт адресов, набранных в табличном редакторе;
• поддержку дополнительной вычислительной обработки получаемых от устройств полевого уровня данных с помощью языков стандарта МЭК 61131-3, в частности – богатой библиотеки готовых алгоритмов в виде функциональных блоков;
• гибкий многофакторный механизм ведения оперативных и исторических архивов;
• работу с панелями оператора, поддерживающими протокол Modbus RTU;
• поддержку горячего резервирования и дублирования каналов связи с верхним уровнем;
• поддержку беспроводной передачи данных в сетях GPRS/3G.

В составе АСУ ТП ГЭС интеллектуальные шлюзы выполняют следующие задачи:

• сбор данных с устройств по протоколам SYBUS (модули ДЭП), DCON (модули ICP DAS), BITBUS (МСУК Волна), IEC 61870-5-101/103/104, Modbus RTU/TCP, SNMP и др. с последующей передачей информации на верхний уровень по протоколу телемеханики IEC 61870-5-104 с настроенными апертурами для каждого сигнала;
• реализация локальных алгоритмов автоматики, постобработка значений сигналов с аналоговых датчиков;
• разгрузка вычислительных мощностей серверов верхнего уровня за счет значительного сокращения трафика в технологической сети, осуществления первичного сбора оперативных данных, являющегося достаточно трудоемкой и продолжительной операцией;
• как следствие, существенное ускорение опроса всего оборудования агрегатного уровня за счет распараллеливания задач опроса внутри и между шлюзами;
• синхронизация времени всех шлюзов с выделенным сервером времени;
• формирование временных меток значений сигналов на момент опроса для тех протоколов, которые не поддерживают передачу времени формирования значений;
• горячее резервирование каналов связи с верхним уровнем для обеспечения отказоустойчивости технологической сети.

Таким образом, интеллектуальные шлюзы серии ШИ-01 позволили создать мощную, отказоустойчивую, децентрализованную систему сбора данных и управления системами агрегатного уровня ГЭС с возможностью ее дальнейшего развития и расширения благодаря унификации ее архитектуры.

Отказоустойчивость технологической сети, помимо резервирования каналов связи средствами ШИ-01, реализуется применением следующих решений:

• ядро технологической сети построено на стекируемых коммутаторах третьего уровня Allied Telesis AT-x600-24Ts с применением технологий виртуального стека (VCStack), агрегирования каналов связи (Link Aggregation – IEEE802.3ad) и быстрого протокола разворачивающегося дерева (RSTP);
• сеть разделена на виртуальные сегменты (VLan), резервированные сетевые интерфейсы ШИ-01 подключены к разным сегментам;
• системы, охватывающие гидрогенераторы, объединены кольцами на базе промышленных коммутаторов фирмы Advantech серии EKI, оконечные из которых непосредственно связаны с коммутаторами ядра;
• диагностика работы всех коммутаторов технологической сети осуществляется интеллектуальными шлюзами по протоколу SNMP, что позволяет интегрировать подсистему диагностики локальной сети в верхний уровень АСУ ТП ГЭС.

Собственно верхний уровень в проекте АСУ ТП ГЭС представлен SCADA-системой «КАСКАД». SCADA-система «КАСКАД» работает в тысячах проектах автоматизации на всей территории РФ и за ее пределами. Областью применения SCADA-системы «КАСКАД» являются практически все сферы промышленной автоматизации, в том числе генерация тепловой и электроэнергии. Благодаря полной интеграции системы программирования ШИ-01 со SCADA-системой «КАСКАД» становится возможным реализовать «вертикальное» программирование без необходимости стыковки верхнего уровня с коммуникационными устройствами среднего уровня (ШИ-01) и использовать концепцию единого проекта.

SCADA-система «КАСКАД» реализует следующие основные функции:

• сбор и регистрация первичной информации о ходе технологического процесса;
• обработка информации по алгоритмам пользователя;
• предоставление информации в виде мнемосхем технологического процесса;
• оперативное, диспетчерское управление;
• ведение истории технологического процесса;
• просмотр и анализ хода технологического процесса;
• формирование отчетной документации;
• публикация оперативной и исторической информации в WEB;
• сигнализация и регистрация событий и нарушений в ходе технологического процесса;
• контроль прав доступа и регистрация всех действий персонала.

Для создания верхнего уровня АСУ ТП ГЭС на базе SCADA-системы «КАСКАД» были применены следующие решения:

• верхний уровень как единое пространство параметров МЭК 60870-5-104, значение каждого их которых запрашивается у ШИ-01 принудительно раз в 30 минут в процессе полного опроса, в остальное же время осуществляется инициативная передача значений от ШИ-01 в соответствии с заранее настроенными апертурами;
• наличие шести серверов HP Proliant DL380 G7 под управлением Microsoft Windows Server Standard 2008 R2 для горячего резервирования серверных модулей и баз данных SCADA-системы;
• СУБД Firebird 2.5, работающая в режиме SuperClassic, что существенно повышает быстродействие операций с БД;
• внедрение гибкого многофакторного механизма аварийно-предупредительной сигнализации с использованием оповещения через подсистему визуализации, электронную почту и SMS, позволяющего полностью протоколировать протекание нештатной ситуации или аварии (возникновение, реакция персонала, прекращение);
• мощная подсистема просмотра истории оперативных параметров, позволяющая осуществить достоверный разбор любой нештатной ситуации на объекте в разрезе времени с точностью до миллисекунды;
• использование SCADA-системы в связке с промышленными компьютерами Advantech для создания панелей оператора в шкафах автоматики, за счет чего интерфейс панелей полностью совпадает с интерфейсом АРМ диспетчерского персонала;
• механизм «Ссылка на контроллер», позволяющий отображать на панели оператора часть данных, приходящих с ШИ-01, непосредственно установленных в шкафу, при временном отсутствии связи с серверами ВУ АСУТП, т.е. осуществлять диспетчеризацию и локальное управление по месту независимо от состояния ЛВС ВУ АСУТП и серверов.

Созданный проект удовлетворяет всем требованиям к ВУ АСУТП ГЭС и обладает достаточно высокой информационной мощностью:

• шлюзов серии ШИ-01: 70 шт.;
• параметров, передаваемых на ВУ: 65000 шт.;
• мнемосхем: более 700 шт.;
• БД технологических параметров: 15 шт.;
• постоянно подключенных АРМ: 25 шт. (включая панели оператора).