Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП)


Статус статьи

Не проверено экспертами


Назначение

Автоматизированные системы управления технологическими процессами подстанций (АСУТП ПС) являются базой для решения проблемы автоматизации управления единой национальной энергетической сетью (ЕНЭС), поскольку информация, получаемая непосредственно от объекта, является источником технологического и диспетчерского управления для всех уровней ЕНЭС и распределительных сетей.


Общие сведения

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) — комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. Пример структурной схемы АСУТП подстанции показа на рисунке 1.

E50650c0070425841cae92a38b44f5be.jpg

Рисунок 1. Пример структурной схемы АСУ ТП подстанции

АСУТП ПС представляет собой комплекс устройств, позволяющих:

  • оптимизировать работу трансформаторного оборудования, устройств релейной защиты и автоматики;
  • оперативно получать информацию об аварийных отключениях и режимах работы подстанции;
  • дистанционно наблюдать за функционированием подстанционного оборудования и управлять его работой;
  • своевременно принимать меры для устранения нештатных ситуаций.

История развития и перспективы АСУТП В 70-ые годы автоматизированные системы управления в электроснабжении не предусматривали наличия пользовательского интерфейса. Развитие производственных технологий требовало повышения оперативности, безопасности передачи и хранения данных. Появление в 80х годах новых контроллеров и шин, позволило АСУ ТП развиваться быстрыми темпами. Следующее поколение АСУ 90х годов позволило операторам производить мониторинг электростанций, визуализировать процесс с помощью построения графиков показателей. Третье поколение АСУ ТП на современных электростанциях помимо стандартного управления ОС Windows рисширилось до использования средств с открытым кодом. Использование новейших сенсоров, датчиков на скоростных платформах позволяет реагировать на изменения в системах энергогенерации и электроснабжения в реальном времени, что увеличивает в разы эффективность управления станциями и электроэнергией. Современные системы проектирования электроснабжения уже позволяют интеграцию непосредственно с АСУ ТП. Тендеции развития информационных технологий показывают, что в дальнейшем развитие программной части будет идти в сторону оптимизации пользовательских интерфейсов и может быть даже разработки мобильных приложений. АСУТП, создаваемые в настоящее время на ПС ЕНЭС, по своему функционально-технологическому назначению ориентированы в первую очередь на обеспечение оперативно-технологического управления оборудованием ПС и прилегающих электрических сетей, осуществляемого дежурным оперативным персоналом ПС, выполняющим команды и распоряжения диспетчерского персонала соответствующего Диспетчерского центра (ДЦ) Системного оператора. С этой целью одной из обязательных функций АСУТП является сбор и передача в ДЦ достижимого объема оперативной информации о режиме и состоянии сети – телеинформации с точки зрения задач диспетчерского персонала Системного оператора. Поэтому усилия разработчиков АСУТП направлены, прежде всего, на обеспечение требуемой наблюдаемости электрической сети в нормальных и аномальных (в том числе аварийных) режимах. Кроме того, в настоящее время создаются центры управления сетями (ЦУС), являющиеся структурными подразделениями сетевых компаний и осуществляющие функции технологического управления и ведения в отношении объектов электросетевого хозяйства, входящих в их эксплуатационную зону. Поэтому обязательными и важнейшими задачами АСУТП становятся задачи сбора, обработки и передачи в ЦУС значительного объема оперативной информации (телеинформации), используемой для целей оперативно-технологического управления оборудованием подстанций из ЦУС, а также неоперативной технологической информации, необходимой для эффективного управления процессами эксплуатации электросетевого оборудования.

Стадии создания АСУТП Стадия "Формирование требований к АСУТП" включает в себя выполнение следующих этапов:

  • обследование объекта и обоснование необходимости создания АСУТП;
  • формирование требований Заказчика к АСУТП;
  • оформление Отчета о выполненной работе, и Заявки на разработку АСУТП.

Стадия "Разработка концепции АСУТП" заключается в выполнении следующих этапов:

  • изучение объекта автоматизации;
  • проведение необходимых научно-исследовательских работ;
  • разработка вариантов концепции АСУТП и выбор варианта концепции АСУТП в соответствии с требованиями Заказчика.

Стадия "Техническое задание" заключается в единственном, но чрезвычайно ответственном этапе:

  • разработка и утверждение Технического задания на создание АСУТП.

Стадия "Эскизный проект" состоит из следующих этапов:

  • разработка предварительных проектных решений по Системе и ее частям;
  • разработка документации на АСУТП и ее части.

Стадия "Технический проект" состоит из следующих этапов:

  • разработка проектных решений по Системе и ее частям;
  • разработка документации на АСУТП и ее части;
  • разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования АСУТП и технических требований (технических заданий) на их разработку;
  • разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта.

Стадия "Рабочий проект (Рабочая документация)" включает в себя следующие этапы:

  • разработка рабочей документации на АСУТП и ее части;
  • разработка и конфигурация программного обеспечения.

Стадия "Ввод в действие" состоит из следующих этапов:

  • подготовка объекта автоматизации к вводу АСУТП в действие;
  • подготовка персонала;
  • комплектация АСУТП поставляемыми изделиями (программными и техническими средствами, программно-техническими комплексами, информационными изделиями);
  • строительно-монтажные работы;
  • пусконаладочные работы;
  • проведение Предварительных испытаний;
  • проведение Опытной эксплуатации;
  • проведение Приемочных испытаний.

Стадия "Сопровождение АСУТП" включает в себя:

  • выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами;
  • послегарантийное обслуживание.

Основные принципы создания АСУТП ПС

  • При создании АСУТП ПС необходимо руководствоваться следующими принципами:
  • Использование системы единого времени – процесс обмена информацией между различными устройствами должен быть синхронизирован с точностью до 1мс. Использование сигналов систем "GPS" или "Глонас" позволяет синхронизировать процессы опроса по отношению к абсолютному времени.
  • Синхронизация по абсолютному времени – позволяет использовать принципиально новые методы контроля и управления, основанные на измерениях углов напряжений в различных точках энергосистемы (WAMS-технологии). Эта технология позволяет реализовать задачу мониторинга устойчивости энергообъединения.
  • Обмен информацией с внешними подсистемами –должен обеспечивать возможность приема и передачи информации от цифровых микропроцессорных защит и систем АСКУЭ по основным протоколам связи (MODBUS, PROFIBUS, МЭК 870-5-10Х и т.д.), через OPC-сервера и через базы данных.
  • Функциональная и территориальная распределенность компонентов системы – должны обеспечивать выполнение функций контроля и управления отдельной единицей оборудования ПС так, чтобы они не зависели от состояния других компонентов системы, что существенно повышает надежность и живучесть системы.

Структура комплекса АСУТП ПС Комплекс АСУТП ПС можно условно разделить на 3 уровня:

  • Нижний (полевой) (все устройства, которые непосредственно связаны с объектом управления)
  • Средний (устройства концентрации, обработки и передачи информации)
  • Верхний (средства передачи, централизованного хранения и представления информации, а также средства локальной вычислительной сети, объединяющей рабочие станции системы)

Нижний уровень АСУТП ПС – это:

  • микропроцессорные устройства – микропроцессорные многофункциональные контроллеры (МПК), микропроцессорные устройства релейной защиты (МПРЗА), микропроцессорные устройства определения места повреждения линии (ОМП), регистраторы аварийных сигналов (РАС);
  • нормирующие преобразователи (тока, напряжения, температуры и т.д.);
  • стандартные полевые (промышленные) сети - для коммуникации устройств нижнего уровня с оборудованием среднего уровня.

Средний уровень АСУТП ПС – это:

  • концентраторы (шлюзы) – программно-аппаратные средства, обеспечивающие связь c устройствами и подсистемами нижнего уровня, предварительную обработку, промежуточное архивирование и передачу информации на верхний уровень.
  • система единого времени (СЕВ), представляющую собой комплекс технических средств, где в качестве внешнего источника синхронизации используются системы GPS или Глонасc. Под синхронизацией понимается подстройка локальных таймеров, имеющихся в микропроцессорных компонентах (контроллерах, терминалах РЗА и ПА и т.п.), в соответствии с общесистемным временем. Синхронизация должна реализовываться как по выделенным каналам связи, так и по общеинформационным.

Верхний уровень АСУТП ПС – это:

  • Сервер ВУ – представлен дублированным Сервером базы данных, на котором концентрируется вся информация от шлюзов среднего уровня и контроллеров УСО, охватывающая все параметры нормального режима, поступающие от подсистем телемеханики или УСО, технического учета электрической энергии, микропроцессорных защит. На Сервер ВУ должны направляться все потоки аварийной информации от микропроцессорных защит, регистраторов аварийных сигналов и т.д.
  • Локальная сеть верхнего уровня - локальная сеть выполняется резервированной c использованием международных протоколов информационного обмена (TCP/IP, Ethernet, 10/100 Мбит/с).
  • Автоматизированные рабочие места персонала (АРМ) – месторасположение автоматизированных рабочих мест определяются потребностями подстанции и находятся в зависимости от топологии ЛВС энергообъекта.
  • Прикладное программное обеспечение верхнего уровня управления, которое обеспечивает прием и передачу информации по каналам связи и выдачу команд управления, обработку и визуализацию информации.

Программный комплекс АСУТП ПС В состав программного комплекса АСУТП ПС входят следующие программные средства:

  • программный комплекс отображения информации в графическом виде – предоставляет возможность отображать всю информацию, необходимую для адекватной оценки ситуации и управления объектом. Информация может быть представлена в виде таблиц, графиков, мнемосхем, панелей управления, ведомостей событий, панелей аварийно-предупредительной сигнализации, панелей сигнализации, тестеров;
  • экспертная система для логической обработки данных – собранная на сервере информация обрабатывается дополнительным программным модулем, позволяющим сформировать логические сигналы по критериям, заданным пользователем;
  • комплекс документирования и обработки информации – комплекс документирования и обработки информации включает модули суточной ведомости, учета электроэнергии, статистики работы оборудования, бланки переключений, контроль качества электроэнергии, ресурс оборудования;
  • программно-технический комплекс для работы с микропроцессорными устройствами защиты (МУРЗ) – данный комплекс позволяет интегрировать информацию от МПРЗА и других микропроцессорных устройств и создавать программный комплекс для управления цифровыми защитами, их настройкой и параметризацией;
  • централизованная система Регистрации Аварий от разнородных распределенных источников (ЦРА) – данная система предназначена для организации постоянного мониторинга и контроля аварийных переходных процессов, предаварийных и послеаварийных режимов и позволяет осуществлять решение задач обработки и просмотра аварийной информации на всех уровнях управления энергообъектами.


Актуальность использования

Задачи, решаемые с помощью АСУТП ПС:

  • повышение наблюдаемости ЕНЭС – мониторинг состояния присоединений сети в режиме реального времени, обеспечение работы систем поддержки принятия решений оперативным персоналом;
  • повышение общей надежности функционирования ЕНЭС за счет мониторинга текущего состояния работы оборудования и режимов его работы;
  • предотвращение возникновения и развития технологических нарушений и снижение ущербов;
  • повышение производительности и снижение численности персонала;
  • снижение ущербов, вызванных ошибками персонала;
  • сбор данных для обеспечения мониторинга и диагностики основного и вспомогательного оборудования ПС;
  • автоматизированное управление основным и вспомогательным оборудованием ПС;
  • оптимизация ремонтно-эксплуатационного обслуживания оборудования ПС, обеспечение перехода от календарного планирования к ремонту на основе учета технического состояния оборудования.


Эффекты от внедрения (использования)

Применение АСУТП ПС позволяет получить следующие эффекты:

  • повысить наблюдаемость ЕНЭС;
  • повысить надёжность функционирования ЕНЭС;
  • предотвратить возникновение и развитие технологических нарушений
  • снизить ущербы от аварий;
  • повысить производительность
  • снизить численность персонала;
  • автоматизировать управление основным и вспомогательным оборудованием ПС;
  • оптимизировать ремонтно-эксплуатационное обслуживание оборудования ПС;
  • обеспечить базу для перехода от календарного планирования ремонтов к планированию ремонтов по состоянию.


Принцип функционирования

Принципы структуры АСУТП Структура АСУТП должна строиться на основе следующих общих принципов:

  • единство, целостность, интегрированность системы;
  • иерархичность архитектуры системы, основанная на выделении в структуре АСУТП различных уровней программно-технических средств (ПТС): нижнего, среднего и верхнего (или уровней процессов, присоединений и ПС);
  • масштабируемость, расширяемость и открытость системы;
  • автономность подсистем;
  • децентрализация (функциональная и территориальная) в сочетании с наличием централизованных ресурсов;
  • наличие специальных средств (подсистемы) синхронизации функционирования всех компонентов системы;
  • самодиагностики (функциональной и аппаратной) программно-технических средств и системы в целом.

Функциональная структура АСУТП строится на базе создаваемой в ее составе единой микропроцессорной системы измерений, обработки, передачи и хранения информации о нормальных и аварийных режимах, а также обеспечения рационального информационного обмена и интеграции программно-технических средств и подсистем АСУТП.

Контролируемые параметры Все собираемые АСУТП ПС данные можно подразделить на две категории:

  • первичные датчики измеряют физические аналоговые и дискретные сигналы, поступающие непосредственно с электрооборудования;
  • вторичные датчики формируют дополнительные сигналы на основе данных поступающих с первичных датчиков.

Первичные датчики включают в себя:

  • измерительные трансформаторы;
  • датчики положения;
  • датчики оптические;
  • датчики температуры;
  • датчики давления;
  • датчики влажности;
  • датчики химические;
  • датчики уровня и др.

Основными первичными датчиками аналоговых сигналов являются измерительные трансформаторы тока и напряжения. Стандартным выходом ТН и ТТ являются сигналы ~0…100 В (0…1 А или 0…5 А), которые поступают в устройства связи с объектом, непосредственно осуществляющие ввод информации в АСУТП. Основными первичными дискретными датчиками являются:

  • датчики состояния силового электрооборудования (положение выключателей, разъединителей, заземляющих ножей, РПН трансформаторов, плунжеров ДГК и др.);
  • датчики состояния традиционных (не микропроцессорных) средств РЗА и ПА;
  • датчики состояния органов оперативного управления, устройств вторичной коммутации, низковольтных коммутационных устройств (органы ручного управления, контакторы и пускатели, автоматические выключатели, клапаны дуговой защиты в ячейках распредустройств, датчики аналоговых величин, указательные реле и др.).

Основными вторичными датчиками являются:

  • датчики фазы (синхронизаторы);
  • датчики токов утечки (КИВ, УКИ);
  • датчики частичных разрядов (микротоки);
  • датчики токов подзаряда АБ;
  • счетчики количества срабатываний (ОПН, выключатели);
  • счетчики количества электроэнергии (электросчетчики);
  • датчики характеристик трансформаторного масла (tgδ, проводимость);
  • датчики контроля замыкания на землю (=220 В, ~0.4 кВ, 6-10 кВ);
  • регистраторы событий аномальных режимов;
  • датчик для определения места повреждения ВЛ (может быть, как отдельным устройством, так и функцией в составе МП системе РЗА) и др.


Опыт применения

На данный момент АСУТП внедрены на следующих подстанциях ОАО «ФСК ЕЭС»:

  • МЭС Волги:
ПС 500 кВ Вешкайма;
ПС 500 кВ Ключики;
ПС 500 кВ Помары.
  • МЭС Урала:
ПС 500 кВ Емелино;
ПС 500 кВ Шагол.
  • МЭС Юга:
ПС 500 кВ Ростовская;
ПС 330 кВ Машук.
  • МЭС Востока:
ПС 500 кВ Владивосток;
ПС 200 кВ Спасск.

Производители Мировыми лидерами в области проектирования и производства АСУТП ПС являются:

  • Siemens;
  • General Electric Energy;
  • ABB;
  • Schneider Electric.


Ссылки


Архитектурные кейсы, связанные с технологией