Введение

Фундаментальные изменения на нынешнем этапе развития энергетики вызвали децентрализацию управления ЭЭС и внедрение современных средств управления локальными объектами ЭЭС. Обеспечение надежности работы систем электроснабжения в таких условиях сопровождается не только расширением количества решаемых технологических задач в процессе управления режимами работы электроэнергетических объектов, но и интеграцией задач [1].

Основными условиями, определяющими требования к системам управления в настоящее время, являются:

• Структурная перестройка электрической системы.
• Создание энергетического рынка.
• Создание АСУТП на основе современных информационных технологий и надежных в работе, относительно дешевых микропроцессорных устройств при их массовом производстве.
• Проблемы интеграции интеллектуальных контроллеров SCADA-систем (терминалы, контроллеры и т.д.), [2]
• Цифровые регистраторы, позволяющие синхронизировать регистрацию дискретных и аналоговых сигналов при обеспечении высокой точности [2].

Выше изложенные условия, и в первую очередь взаимодействие субъектов энергорынка, определяют необходимость децентрализации систем управления в энергетике и как следствие повышение роли АСУТП объектами ЭЭС.

В настоящее время всё больше организаций стремиться автоматизировать рабочий процесс и использовать электронную информацию. Сейчас хранение, поиск и доступ к информации стали важным явлением не только для людей тесно связанных с деятельностью в сфере компьютерных технологий, но и входит в работу обычных людей (служащих, учащихся, и т.д.) помогая им сократить временные, материальные и даже физические затраты на поиск, приобретение, хранение, обмен различными материальными и нематериальными ресурсами.

Актуальность работы

В последние годы происходит интенсивное внедрение многофункциональных микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики [4]. Принципиальным для этих устройств является возможность программируемой адаптации к текущему режиму. Однако из-за отсутствия программного обеспечения работающего в режиме реального времени не позволяет в полной мере реализовать преимущества современных микропроцессорных устройств [5].

Одной из задач, решение которой обеспечивает повышение эффективности работы персонала диспетчерской службы и службы релейной защиты и автоматики является проблема анализа аварийных ситуаций [6]. Важной функцией в решении проблемы является определение места повреждения (ОМП) на линиях электропередач. ОМП является частью функций терминалов и реализуется в цифровых регистраторах событий. В большинстве случаев реализуется ОМП для одного аварийного процесса, в то время как событие состоит из последовательности режимов. Сопоставительный анализ результатов ОМП с фактическими данными показывает, что необходимо совершенствование методов за счет уточнения математической модели и использования новых алгоритмов компенсации погрешностей.

Отсутствие автоматизированного качественного анализа аварийных ситуаций с оценкой выполнения функций структурными частями терминалов, выявлением отказов и ложных срабатываний не способствует решению задачи повышения надежности устройств РЗА.

В настоящее время в энергосистемах Украины большую часть составляют электромеханические реле, для которых характерным является значительный физический износ. Обеспечение надежной работы требует проведения значительных профилактических и ремонтно- восстановительных работ при организации обслуживания по фактическому состоянию устройств. Необходимым условием решения этой задачи является создание многофункционального комплекса средств функциональной диагностики устройств релейной защиты и автоматики. Учитывая достижения в использовании технологии виртуальных приборов и степень использования ПЭВМ при решении иных задач инженерами службы целесообразно строить такой комплекс на основе использования в программном обеспечении ПЭВМ виртуальных стендов и проборов.

Таким образом, можно отметить, что одним из недостатков существующей технологии решения задач инженерами службы релейной защиты является механическое использование прикладных программ с позадачной технологией ведения информации и применение как комплекты из автономных контрольно-измерительных приборов - вольтметры, осциллографы, фазометры, ваттметры и др., так и специализированных устройств релейной защиты, и многофункциональных портативных тестеров в то время, как в настоящее время на основе современных информационных технологий создаются автоматизированные рабочие места.

Актуальность и недостаточность разработок в области решения технологических задач службы релейной защиты является основой для проведения исследований в рамках данной работы.

Цель и задачи работы

Целью работы является создание автоматизированного рабочего места инженера службы релейной защиты и автоматики (АРМ РЗА), обеспечивающего решение различных задач службы на основе дружественного интерфейса пользователя, упрощающего взаимодействие пользователей с программным обеспечением АРМ.

Для выполнения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи::

• выполнить анализ технологических задач персонала службы РЗА, на основе которого сформулировать концептуальные требования к информационной модели и методам ее поддержания;
• обосновать структурную схему аппаратной и программной составляющих АРМ РЗА, обеспечивающую решение технологических задач службы на единой информационной основе;
• совершенствовать метод расчета токов короткого замыкания на основе анализа существующих методов, используемых для проектирования РЗ, и особенностей решаемых задач;
• разработка прикладного программного обеспечения расчета токов короткого на основе современных информационных технологий.

Объект и предмет исследований

Объектом исследований являются технологические задачи, решаемые инженерами службы релейной защиты и автоматики.
Предметом исследований программное обеспечение АРМ РЗА.

Научная новизна

Научная новизна работы состоит в следующем:

• предложена структурная схема АРМ, которая в отличие от существующих обеспечивает интеграцию информации при выполнении задач службы, выполняемых экспериментальными и методами математического моделирования;
• разработан метод автоматического создания модели технологической задачи на основе графических изображений. Особенностью метода является наличие механизма адаптации модели по информации от различных источников.

Практическая ценность

Практическая ценность результатов выпускной магистерской работы состоит в создании комплекса программ, обеспечивающего выполнения расчёта токов короткого замыкания с использованием этапа автоматического построения математической модели на основании графического изображения.

Основная часть работы

В первом разделе работы выполнен анализ возможностей MicroScada фирмы АВВ, которая используется в качестве подсистемы нижнего уровня АСУТП на электроэнергетических объектах и обоснованы требования к интерфейсу, обеспечивающему обмен информацией между сервером MicroScada и сервером подсистемы верхнего уровня АСУТП [7].

Программное обеспечение MicroScada основано на использовании библиотек реализации релейной защиты объекта на основе многофункциональных терминалов фирмы АВВ. Выбор вида РЗ элемента подстанции обеспечивается при конфигурации MicroScada. Для построения изображений используется инструментарий графических изображений. MicroScada. обеспечивает решение технологических задач нижнего уровня АСУТП (мониторинг состояния объекта, ведение журнала аварийных ситуаций, управление уставками РЗ с терминала или по локальной сети с рабочей станции, динамическая раскраска шин и другие). Для создания приложений предусматривается язык программирования SCIL.

Использование дорогостоящих универсальных программных продуктов фирмы АВВ INTERA, OPERA для создания АРМ РЗА по ряду причин нецелесообразно.

В первом разделе выполнен анализ экспериментальных методов решения задач службы. Отмечается, что при исследованиях и испытаниях устройств РЗА, кроме параметров электрической сети, необходимо контролировать ряд дискретных выходов и подавать тестовые воздействия на аналоговые и дискретные входы РЗА. Для корректной оценки величин, определяемых косвенным способом, например, сдвига фаз, спектра и других, а также для обеспечения возможности сопоставления результатов измерений в разных фазах сети, измерения необходимо проводить синхронно по всем каналам. Аналогичные требования предъявляются к устройству генерации тестовых сигналов.

С учетом изложенного техническая часть комплекса целесообразно выполнить на основе встраиваемых в компьютер модулей ввода-вывода. Создание виртуальных стендов и виртуальных реле целесообразно выполнить с помощью пакета LABVIEW. К тому же корпорации National Instruments предоставляет разнообразную продукцию по модулям ввода-вывода.

SCADA - системы

SAS5xx (MicroScada) используется для наблюдения и контроля электрических подстанций, оборудованных устройствами контроля и защиты (реле). Эта система помогает рабочему персоналу получать быстрый обзор текущего состояния вторичных устройств (например, реле) используемых на подстанции, и проверять экстраординарные события и тревоги, которые произошли недавно и в прошлом.

Перечень возможностей MicroScada:

• Обзор состояния устройств подстанции в графической форме, как общий, так и детальный;
• Наблюдение состояния и управление коммутационными устройствами (разъединителями, выключателями и т.д.);
• Наблюдение и управление РПН, трансформаторами;
• Просмотр состояния и параметрирование устройств контроля и защиты, а также просмотр осциллограмм и событий аварийных процессов;
• Динамическая раскраска шин с цветовой индикацией уровня напряжения;
• Отображение различных измерений в цифровой и графической форме (в полях изображения);
• Ведение базы данных измерений с возможностью их просмотра в таблицах или на графиках;
• Ведение протокола событий и аварий оборудования подстанции;
• Возможность настройки отчетов по событиям, авариям, измерениям и сохранения их в файлы или печати на принтер.
• Инструменты параметрирования реле, диагностики оборудования и системы, просмотра отчетов об ошибках и блокировках.
• Встроенный интрументарий разработчика позволяет быстро дополнить или изменить проект в случае изменения конфигурации оборудования.

Для правильного поведения MicroSCADA как описано в этом руководстве, необходимо, чтобы приложение MicroSCADA было установлено и настроено должным образом.

Потребность в получении более детальной информации и в управлении электрическими сетями постоянно возрастает. Для удовлетворения данной потребности технология MicroSCADA предлагает эффективные и надежные решения, позволяющие также сократить затраты. Основу технологии MicroSCADA составляет общая платформа, представляющая собой технологию построения приложений и систем. Примерами продуктов технологии MicroSCADA являются SYS 500, COM 500 и LIB 510.
Технология MicroSCADA использовалась в области распределения электроэнергии. Она также подходит для других прикладных областей. Например, центрального отопления, очищения и распределения воды, распределения нефти и газа. Иерархия продуктов технологии MicroSCADA показана на рис 1.

Рис.1 - Продукты, относящиеся к технологии MicroSCADA.

Продукты, относящиеся к технологии MicroSCADA, можно разделить на два семейства:

• Системные продукты;
• Прикладные библиотеки.

Продукты, относящиеся к технологии MicroSCADA, делятся на два семейства: системные продукты и прикладные библиотеки. Системные продукты - это стержневые компоненты системы.

Рабочая станция оператора - это компьютер, используемый для управления процессом и наблюдения за процессом. На рабочей станции оператора отображаются изображения и диалоги. Рабочая станция оператора может интегрироваться с сервером системы SYS 500 или работать на отдельном компьютере, подключаемом к базовому компьютеру системы.

Рабочая станция оператора включает компьютер, операционную систему, программы рабочих станций, ИЧМ и принтеры. Интерфейс Человек-Машина (ИЧМ) системы MicroSCADA состоит из дисплея, клавиатуры и мыши.

Программы рабочих станций - это набор программ, которые используются для наблюдения за процессом и управления процессом. Они предоставляют доступ к окну сообщений (Notification Window).

Монитор MicroSCADA используется для наблюдения и управления приложением MicroSCADA на экране. Он осуществляет взаимодействие между оператором и базовым компьютером системы.

Базовые функциональные возможности сервера системы SYS 500, например, связь с процессом и формирование отчетов, не требуют открытия мониторов MicroSCADA. Приложение работает без них [8-9].

Во второй главе работы Общие принципы моделирования многопроводной системы. Воздушные и кабельные линии электропередачи, трансформаторы разных типов представляют собой системы из нескольких проводов, обладающих взаимной электромагнитной связью. Если вынести соединения этих проводов за пределы рассматриваемой системы, то линии и трансформаторы отличаются друг от друга только характером взаимоиндуктивной связи проводов друг с другом (рис.2) [3].

Рис.2 - Обобщенная схема многопроводного элемента электрической сети.

Провод каждого из этих объектов имеет начало и конец, изолированные от других проводов, и ток, втекающий в начало провода, всегда равен току, вытекающему из конца провода. В трансформаторе характер взаимоиндуктивных связей зависит от его сердечника, но этот фактор определяет только специфику сопротивлений взаимоиндуктивной связи. Для линий требуется учет емкостной связи проводов, что для большинства практически важных случаев можно выполнить обычным образом, учтя собственные и взаимные емкости проводов в П-образной схеме замещения.

Подобный подход дает возможность достаточно простого способа моделирования многопроводных линий и трансформаторов для синусоидальных установившихся процессов. Получение модели линии или трансформатора осуществляется в три этапа:

• формирование решетчатой схемы замещения для системы проводов, гальванически не связанных друг с другом;
• обработка соединений проводов на сформированной схеме замещения с получением модели элемента (эта обработка связана с ликвидацией пропадающих при соединениях ветвей, запараллеливанием ветвей или образованием шунтов при заземлении некоторых узлов элемента);
• объединение моделей отдельных элементов в расчетную схему электрической системы.

Применение метода наложения

Если в схеме произошло замыкание в точке С, то можно считать, что между базисным узлом и узлом С приложены последовательно эдс U_c^н и (-U_c^н), где U_c^н - напряжение узла С в нагрузочном режиме. Поскольку расчётная схема содержит только линейные элементы, результирующий режим может быть найден суммированием нагрузочного и аварийного. В аварийном режиме в схеме действует всего одна эдс (-U_c^н). Другие источники эдс должны быть закорочены, а источники тока - отключены (рис.3) [10].

Рис.3 - Графическая интерпретация метода наложения

Алгоритм программы, использующей метод наложения, показан на рис.4. После обращения матрицы Y становится известна матрица Z. Её можно использовать для определения напряжений как в нагрузочном, так и в аварийном режимах, для замыканий в любом узле. В блоке 4 программы считаются и запоминаются напряжения нагрузочного режима, для чего используется столбец I задающих токов данного режима. В блоке 5 составляется матрица I аварийного режима, в которой все члены равны нулю, кроме члена Ic=-Ucн/Zcc. В блоке 6 расчёт напряжений аварийного режима не представляет затруднений, так как при известной матрице Z требуется простой расчёт по выражению U=ZI. Самый трудоёмкий элемент программы - блок обращения матрицы - работает один раз.

Рис.4 - Алгоритм работы программы расчёта токов короткого замыкания методом наложения

Заключения и выводы

Окончательно в выводе к работе можно отметить следующее:

• Выполнен анализ технологических задач персонала службы РЗА, на основе которого сформулированы концептуальные требования к информационной модели и методам ее поддержания;
• Обоснованы структурные схемы аппаратной и программной составляющих АРМ РЗА, обеспечивающуе решение технологических задач службы на единой информационной основе;
• Усовершенствован метод расчета токов короткого замыкания на основе анализа существующих методов, используемых для проектирования РЗ, и особенностей решаемых задач;

В дальнейшем предусматривается разработка прикладного программного обеспечения расчета токов короткого на основе современных информационных технологий.

Список литературы

1. Основнi тенденцiї та закономiрностi розвитку енергетики на перiод до 2020 2050 рр. - К.: Новини енергетики , N3, 1997 р,. - 35 с.

2. Хомицкий С.В., к.т.н., Шунтов А.В. ИВЦ АО Мосэнерго// Журнал Мир компьютерной автоматизации, N1, 1998 г. - 9-12 с.

3. Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций: Учебник для техникумов. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергия, 1980. - 600 с.

4. Заболотный И.П., Павлюков В.А. Автоматизированная система оперативного управления локальными объектами электрических систем. Зб_рник наукових праць Донецького державного тех-н_чного ун_верситету. Сер_я: Електротехн_ка _ енергетика 21: Донецьк: ДонГТУ, - 2000. - С. 25-28.

5. Заболотный И.П., Павлюков В.А Применение компьютерных технологий для управления электрическими системами.// Технiчна електродинамiка, спецiальний випуск, 1998. - С. 90-99

6. Баринов В.А., Совалов С.А. Режимы энергосистем: Методы анализа и управления. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 440 с.

7. Деменков Н.П. SCADA-системы как инструмент проектирования АСУ ТП: Учебное пособие - М. : Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2004.- 328 с.

8. Заболотный И.П., Ларин А.М., Павлюков В.А. Разработка графического интерфейса автоматизированного рабочего места инженера- электрика// Изв.вузов Электромеханика. - N1-2. - 1997.

9. Системы диспетчерского управленияи сбора данных (SCADA-системы)// Журнал Мир компьютерной автоматизации (3/1999), c. 12-19

10. Пастухова Ю.А. Расчет токов короткого замыкания в электрических сетях методом наложения. Материалы Всеукраинской студенческой научно - технической конференции "Электротехнические и электромеханические системы", г. Севастополь, 2 - 5 апреля 2007 г.