Построение резервированных систем с  использованием протоколов Profinet и МЭК 60870–104

В декабре 2012 г. введена в промышленную эксплуатацию система группового регулирования активной мощности (ГРАМ) филиала ОАО «Рус-Гидро» «Жигулевская ГЭС». Таким образом, специалистами ООО НВФ «Сенсоры, Модули, Системы» была завершена работа по модернизации системы ГРАМ, начатая в 2011 г.

Система ГРАМ Жигулевской ГЭС (ЖиГЭС) предназначена для автоматического регулирования активной мощности ГЭС по сигналам задания, поступающим со станционного и вышестоящего уровней управления, а также формируемым в самой системе по отклонению частоты с распределением нагрузки между агрегатами по заданному критерию. Основной задачей системы ГРАМ является распределение задания мощности по агрегатам, подключенным к групповому регулированию. Агрегатными исполнительными устройствами являются регуляторы частоты вращения — РЧВ, обеспечивающие исполнение заданий от микропроцессорного центрального регулятора (МПЦР). После реконструкции на гидротурбинах ряда агрегатов установлены новые регуляторы ЭГР-МП-2 и МПРЧ. Остальные гидротурбины оборудованы гидромеханическими регуляторами типа РКО-250.

Жигулевская ГЭС является станцией, регули­рующей частоту в единой энерго­системе (ЕЭС). Система ГРАМ, в свою очередь, является основной системой регу­лирования станцион­ного уровня, поэтому вопрос надежного функциони­рования системы ГРАМ непосредствен­но влияет на качество электро­энергии в ЕЭС. Одним из методов повышения надеж­ности является резерви­рование, которое подраз­деляется на резерви­рование устройств, резерви­рование связей и функциональ­ное резервирование. Техническим заданием предусмат­ривалась замена блока централь­ного регулятора на резерви­рованный. Таким образом осуществля­ется реализация резерви­рованного блока центрального регулирования. Аппаратная реализация была выполнена на базе программи­руемых логических контроллеров Siemens линейки S7-400H. Это позволило достичь резерви­рования по функциям расчета заданий для гидро­агрегатов, используя все ограничения, накладываемые на систему, такие как ограничения по напору, общестан­ционные ограничения, индивидуаль­ные ограничения по гидро­генераторам и другие граничные условия. Кроме того, достигается резервирование расчета величины частотной коррекции путем подключения двух измерительных преобразователей частоты. Сигналы управления заданием ГРАМ от центрального регулятора системного оператора ЕЭС поступают в терминал автоматического регулятора частоты и мощности (АРЧМ), выполненный в виде дублированного терминала Smart КП производства РТ-Софт.

Следует отметить, что данные устройства работают именно в режиме дублирования, а не резервирования. Это выражается в том, что поток данных идет от обоих устройств одновременно, однако актуальные данные содержатся лишь в одном потоке. Взаимодействие между Smart КП и центральным регулятором осуществлялось по протоколу МЭК 60870-104. Для реализации данного протокола Siemens предлагает закрытую программную библиотеку, но работа с дублированными потоками данных в библиотеке не поддерживается. Исходя из этого, возникает задача подключения к дублированному устройству и семантическому анализу данных, поступающих от Smart КП. В настоящее время анонсированы сетевые коммутаторы с поддержкой подключения к двум независимым сетям, однако на момент построения системы подобные устройства отсутствовали. После вычисления задания поступают на входы исполнительных устройств — регуляторам частоты вращения, выполненным либо в виде микропроцессорных систем управления МПРЧВ-М и ЭГР-МП, либо в виде аналоговых схем, управляющих колонкой типа РКО-250. Важно, что исполнительные устройства не являются резервированными. Повышение надежности их работы осуществляется путем функционального резервирования системой технологической автоматики и не является предметом данной статьи.

Таким образом, возникает проблема связи между резервированным центральным регулятором и нерезервированным исполнительным устройством. Кроме того, необходимо наличие интеллектуального модуля для проверки условий готовности подключения гидрогенератора к системе ГРАМ и формирования сигналов задания для гидроагрегатов, оснащенных колонкой РКО-250. Для решения данных задач предполагалось применение станций распределенной периферии на базе линейки ET200S CPU производства фирмы Siemens. Наличие центрального процессора позволило решить технологические задачи даже при отсутствии связи с центральным регулятором. Наличие трех портов для связи по протоколу Ethernet позволяет подключаться к двум физически независимым сетям, тогда как логически станция распределенной периферии представляет собой одно устройство и обладает одним IP-адресом. В случае присоединения двух различных сетей к одной станции ЕТ200 происходит их объединение, что нежелательно. Кроме того, время передачи сигнала задания мощности на исполнительное устройство и обратного сигнала отработки этого задания должно быть минимальным для обеспечения временных характеристик контура регулирования. В результате проектно-изыскательских работ была разработана следующая структура системы. Система ЖиГЭС ГРАМ представляет собой распределенную многоуровневую информационную систему, рассчитанную на длительное функционирование. В комплексе технических средств ЖиГЭС ГРАМ выделены следующие иерархические уровни:

• первый уровень — распределенной периферии;
• второй уровень — центрального регулирования;
• третий уровень — визуализации и архивации.

Основными элементами нижнего уровня являются станции распределенной периферии, организующие управление подключенными к системе гидроагрегатами.

Управление гидроагрегатами осуществляется:

• путем выдачи управляющих сигналов через модулятор для агрегатов с регуляторами РКО-250;
• путем формирования сигнала 4-20 мA для агрегатов с ЭГР-МП;
• путем формирования токового сигнала 4-20 мА для гидроагрегатов, имеющих микропроцессорный регулятор МПРЧ(М).

В качестве станций распределенной периферии в ЖиГЭС ГРАМ используются микропроцессорные контроллеры ET 200S CPU.

Центральный регулятор подключается к сетям верхнего и нижнего уровней. Верхний уровень объединяет центральный регулятор с терминалом АРЧМ и реализует функцию получения задания от системного оператора ЕЭС. К сети верхнего уровня также подключаются серверы ГРАМ, автоматизированные рабочие места оперативного персонала (АРМ ОП) и средства местной визуализации — операторские панели (ОП). Это позволяет организовать сбор данных с уровня центрального регулирования, долговременное хранение данных, их обработку, визуализацию текущего состояния системы.

Сеть нижнего уровня физически является сетью типа «двойная звезда» с коммутатором Scalance серии XR-300 производства фирмы Siemens, которая объединяет центральный регулятор со станциями распределенной периферии. В связи с аппаратной особенностью ЕТ200, отмеченной ранее, происходит логическое объединение в кольцо двух разных сетей, что приводит к неработоспособности сети. Для устранения данной проблемы порты одного из коммутаторов блокируются. При нарушении обмена через активное соединение алгоритм rapidspanningtree (RSTP) блокирует порт с нарушенным соединением и деблокирует соответствующий порт во втором коммутаторе. Это реализуется автоматически аппаратными средствами коммутаторов. Диагностические статусы активности соединений отслеживаются программным обеспечением для дальнейшего отображения и архивирования.

Еще одной особенностью данной системы является необходимость организации высокоскоростного гарантированного обмена центрального регулятора и станций распределенной периферии. В качестве протокола, основанного на Ethernet и подходящего одновременно по параметрам скорости и надежности, был выбран протокол Profinet, представляющий собой расширение стандартного протокола Ethernet.

Следует отметить, что линейка S7-400H не поддерживает данный протокол, поэтому для соединения центрального регулятора и станций распределенной периферии были добавлены шлюзовые контроллеры на базе S7-300 PN/DP, которые подключаются к МПЦР посредством сети Profibus, и к коммутаторам нижнего уровня при помощи сети Profinet. Такая схема позволила выполнить все требования к сети нижнего уровня как по быстродействию, так и по надежности. Важной особенностью системы является метод подключения станций распределенной периферии к двум сетям, так как данный функционал не содержится в стандартных схемах подключения. В станциях распределенной периферии использована функция подключения к двум ведущим устройствам Profinet IO-Shared Device, что позволяет создать два логически разных устройства с идентичным набором входов/выходов на базе одного физического устройства — станции распределенной периферии. Данные виртуальные устройства созданы как I-slave, то есть обращаются не к фи- зическим входам и выходам, а к виртуальным. Совокупность этих двух стандартных функций вместе с программным алгоритмом отслеживания активного соединения позволили реализовать двухсторонний обмен нерезервированной станции распределенной периферии и резервированного центрального регулятора.

В результате основными нововведениями данной системы являются:

• реализация дублированной системы, основанной на сети Profinet топологии «двойная звезда» с обеспечением резервирования всех связей и узлов сети, за исключением станций распределенной периферии;
• реализация обмена данными между резервированными и дублированными системами;
• обеспечение необходимого качества регулирования за счет высокой скорости всех потоков информации в системе.

Благодаря проведенным работам общая надежность системы ГРАМ была повышена до уровня, требуемого в соответствии с техническим заданием, тем самым обеспечены гарантии регулирования частоты в энергосистеме.

Скачать статью в формате PDF, 249 Кб