ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ
Особенности интеграции систем сбора данных и управления в энергетике
С.В. САМОЙЛЕНКО
ООО «Прософт-Системы»
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Системы сбора данных , Energy Communications Processor
Специфические особенности при решении задач интеграции разнородных, территориально распределенных систем сбора данных и управления на объектах энергетики:
1. Высокая сложность и трудоемкость
• повышенная сложность проектирования системы вследствие решения интеграционных задач - « эффект масштаба »,
• повышенная трудоемкость и стоимость проведения работ на территориально распределенных объектах,
• значительно увеличиваются сроки проектирования и внедрения, на первый план выходят вопросы организации передачи данных , редко встречающиеся при внедрении локальных ССД (систем сбора данных) - «переход количества в качество».
2. Интеграция существующего оборудования и стыковка разнородных подсистем
• несовместимость интерфейсов и протоколов передачи данных, форматов представления данных,
• отсутствие или неполнота проектной и эксплуатационной документации на существующие системы,
• недостаточный набор технологических параметров, передаваемых существующими системами на верхний уровень управления - « замкнутость »,
• аппаратные и программные ограничения, отсутствие технической поддержки и сопровождения существующих систем.
Протоколы и стандарты, использующиеся в отрасли, перспективы и тенденции развития.
1. Промышленный стандарт ОРС
(OLE for Process Control and Factory Automation)
• основной стандарт взаимодействия между источниками и приемниками
данных, разработан в августе 1996 года ассоциацией OPC Foundation
( www . opcfoundation . org );
• на конец 2006 года в ассоциации более 500 членов (ABB, Rockwell Automation, Emerson Process, Honeywell, Matsushita Electric, Omron, Siemens, Yokogawa, Rockwell Software, Microsoft, OSI Software и другие ;
• поддержка стандарта всеми крупными производителями аппаратных и программных средств и промышленными ассоциациями ( Fieldbus Foundation , Hart Communication Foundation , PROFIBUS );
• всеобщая поддержка стандарта, доступность ОРС-серверов для распространенных протоколов ( Modbus , IEC -60870-5-10 x , Profibus и пр.);
• стоимость решения значительно ниже альтернативных вариантов;
1.1. Основные спецификации стандарта ОРС
OPC DA ( Data Access ) - спецификация передачи данных реального времени, OPC HDA ( Historical Data Access ) - доступ к историческим данным, OPC AE ( Alarms & Events ) - обработка тревог и событий.
Формат передаваемых данных:
Метка времени ( timestamp ) - время происхождения сигнала,
Значение ( tag ) - значение сигнала,
Признак качества ( quality ) - хорошее / плохое / неопределенное. Варианты получения данных:
Синхронные - получение всех значений по запросу клиентского приложения,
Асинхронные - получение значений сигналов при их изменении,
Групповые запросы – получение
2. Группа протоколов и спецификаций IEC для энергетики ( IEC 61850, TASE .2, IEC 61970, IEC 60870-5-101/103/104)
• Международная электротехническая комиссия МЭК ( IEC ) была основана в 1906 году в результате решения Международного электротехнического конгресса.
• Описываемые стандарты предложены в 1997-2003 годах (некоторые стандарты на сегодняшний день находятся в стадии разработки), поддерживаются комитетом TC 57 МЭК и некоммерческой группой UCA ( www . ucausersgroup . org ).
• В 2004 году утвержден национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р МЭК 60870-5-104-2004 "Устройства и системы телемеханики".
• В настоящее время ассоциация объединяет более 60 стран, более 200 членов ( ABB , American Electric Power , GE , QEI , Omicron , Siemens PTD , SISCO , ZIV и др.).
Протокол IEC 61850 дает полное определение стандарта на средства связи в подстанциях, включая согласованную модель данных и услуг на всех уровнях связи. Индикация, команды, измеренные показатели передаются одинаково как по шине технологического оборудования, так и по шине станции.
Протокол TASE .2 ( ICCP ), служит для организации обмена информацией между глобальными сетями (ГС), энергетическими пулами, региональными центрами управления, а также между производителями энергии, не принадлежащими к сектору энергетики. Информация состоит из текущих и прошлых данных наблюдения и управления энергосистемой, включая измеренные параметры, данные планирования, данные учета энергии и сообщения оператора.
Протокол IEC 60870-5-103 служит для передачи данных системы защиты и применяется для автоматизированных систем управления подстанций, использующих радиальную топологию системы защиты, выделенные каналы связи между модулями защиты и процедуру передачи по схеме "главные и подчиненные устройства".
Протокол IEC 60870-5-104 позволяет передавать модули прикладных данных, определенные в IEC 60870-5-101, по различным типам цифровых сетей с помощью транспорта TCP / IP
Интерфейсы ECP (Energy Communications Processor)
ECP представляют собой коммуникационные мультипротокольный сервера, служащие для преобразования данных, организации системы сбора и передачи сигналов согласно стандартам IEC по разделенным сетям. В терминологии спецификации IEC 60870-6-503 продукты этого типа называются Standalone Gateway Processor .
Рис .1 - Интерфейсы ECP
Основные функции ECP (Energy Communications Processor)
• Обмен данными между узлами в соответствии с протоколом TASE .2/ ICCP (стандарт IEC -61970, 60870-6-503).
• Получение данных на локальном узле в соответствии с протоколами IEC 61850, 60870-5-101, IEC 60870-5-104, OPC , Modbus , Гранит.
• «Сквозная» передача данных, независимо от нахождения узлов в различных сегментах локальной/глобальной сети, учитывая установленные firewall .
• Описания всех настроек и сигналов КП представляются на языке XML , что позволяет передавать их для использования в других системах, а также просматривать любым интернет-броузером.
• Гарантированное время прохождения команд телеуправления – встроенная система приоритетов, команды управления имеют наивысший приоритет;
• Поддержка горячего резервирования, с автоматическим «подхватом» роли,
в случае выхода из строя основного сервера (требуется дублирование серверов);
• Поддержка криптозащиты любых сегментов межсетевого трафика с
произвольной длиной ключа;
Архитектура ECP (Energy Communications Processor)
Основа ECP :
Ядро, создающее единое протокольнонезависимое внутреннее представление данных. По периферии располагаются узлы реализующие конкретные протоколы обмена данными ( OPC , IEC 60870-6 ( TASE .2), IEC 60870-5-101/104, IEC 61850-8-1/9-1/9-2 и т.п.).
Базовые компоненты внутреннего представления данных:
§ Имя;
§ Тип данных;
§ Значение;
§ Метка времени;
§ Признак качества;
Задачи организации информационного обмена между источником и приемником данных в различных протоколах:
§ В соответствии с конкретным протоколом принять данные от источника. § Преобразовать их во внутреннее представление.
§ Преобразовать данные из внутреннего представления в соответствии конкретным протоколом и выслать оповещение приемнику данных.
Защита данных:
Определяется требованиями используемых протоколов обмена данными и решается на уровне периферийных узлов.
Архитектура ECP (Energy Communications Processor)
Общие принципы работы ЕСР:
u Каждый периферийный узел ЕСР устанавливает соединение со «своими» источниками данных. Эти источники данных, а также параметры подключений по соответствующим протоколам и перечень запрашиваемых сигналов задаются оператором в интерактивном режиме.
u После установки соединения данные начинают поступать в ЕСР и преобразовываться в протокольнонезависимое внутреннее представление.
u Приемники данных автоматически подключаются к периферийным узлам ЕСР. При установке соединения с приемником данных (исключая TASE .2) периферийный узел начинает передавать ему оповещения об изменении состояния всех данных (оформленные в соответствии со спецификацией конкретного протокола), для которых имеется внутреннее представление.
Особенность обмена данными по протоколу TASE .2 состоит в том, что приемнику данных доступны только те данные, которые помещены в таблицу доступа источника.
Это позволяет разграничить доступ к данным, для которых имеется внутреннее представление по протоколу TASE .2.
Рис.2 - Пример перспективной распределенной системы сбора данных и управления энергоснабжением и энергопотреблением
Варианты реализации аппаратной платформы
• Построение аппаратной платформы в ПТК возможно на базе различных промышленных стандартов, включая резервированные исполнения в стандартах CPCI ( Compact PCI ), VME , и т.п.
• Низкие требования к аппаратной платформе (встраиваемая ОС, твердотельные диски памяти и т.п.) обеспечивают работу на необслуживаемых объектах с использованием промышленных компьютеров в исполнении с диапазоном рабочих температур от –40 до +70°С.
Рис.3 - Варианты реализации аппаратной платформы
Преимущества использования ECP при создании и модернизации систем сбора, передачи данных и телеуправления:
• Сбор и визуальное представление данных со всех технологических объектов как в РФ, так и в других странах в режиме реального времени.
• Управление технологическими объектами в режиме реального времени с различных уровней (ТДП - РДП - ЦДУ).
• Объединение в единую ССТИ существующих АСУТП, АСКУЭ, АСДУ и других автоматизированных систем на технологических объектах без дополнительных инвестиций в модернизацию существующих систем.
• Полное соответствие международным промышленным стандартам передачи данных в системах технологической автоматики – МЭК, ОРС.
• Низкая стоимость и минимальные сроки развертывания ССТИ, использование существующей инфраструктуры и каналов передачи данных, Интранет, Интернет.
• Высокая защищенность системы - криптографическая передача данных, межсетевые экраны.
• Высокая надежность и отказоустойчивость системы, автоматическое построение резервных каналов передачи данных, резервирование критических узлов.
• Неограниченное количество пользователей в системе.
Преимущества, получаемые компаниями от внедрения системы на базе ECP
u Оперативный достоверный и максимально полный контроль технологических
показателей всех объектов компании в режиме реального времени. u Оперативное достоверное ведение балансов компании – как по подразделениям,
так и полного сводного баланса. u Оперативное автоматизированное представление достоверной информации по
производству, передаче и реализации электроэнергии в режиме реального
времени. u Построение на базе данной системы объединенной автоматизированной
системы сбора данных и управления объектами как в РФ, так и за ее пределами. u Полное соответствие ССТИ мировым промышленным стандартам, высокая
готовность к последующим модернизациям.
Перспективы развития ECP
• Расширение «библиотеки» поддерживаемых протоколов.
• Реализация дополнительных возможностей («блоков») для развивающихся протоколов: TASE .2 ( Information Message Objects Services , Devices ), IEC 61850
Создание мультиплатформенных версий, с поддержкой ОС Windows CE , LINUX , QNX и т.п.