Западное управление электроэнергетики поставляет гидроэлектроэнергию и соответствующие услуги в 15 регионов центральной и западной части Соединенных Штатов, являясь одним из четырех управлений сбыта энергии в Министерстве энергетики США, чья задача — продавать и передавать электричество от широко используемых гидравлических проектов. Западная система передачи электроэнергии передает электричество от 55 гидроэлектростанций, которые находятся в ведении Бюро рекламаций, Ассоциации инженеров США, а также Международной границы и Водной комиссии. Мощность этих гидроэлектростанций 10600МВт.
Западное управление начало свой проект по автоматизации с целью сокращения стоимости строительства новых подстанций. Компания подсчитала, что это может сэкономить 40% средств в общем объеме строительства. Они также установили, что сэкономить можно и на стоимости панелей управления со встроенными цифровыми средствами управления.
Западное управление использует системы управления программируемого логического контроллера (PLC) с 1996 года, когда запускался экспериментальный проект Форт Томпсон на 230кВ. Экспериментальная подстанция состояла из четырех линий передачи на 230кВ с расположением шин «полтора выключателя на присоединение». Такие первоначальные конструкции заменили только вторичную электропроводку подстанции — никакой вид защиты в проект включен не был. Конструкции программируемого логического контроллера включили промышленную ЭВМ, функционирующую с помощью программного обеспечения Wonderware InTouch, в качестве человеко-машинного интерфейса (HMI) системы мониторинга и управления локального оператора. После выполнения изменений в пользу первоначального плана конструкции, программируемый логический контроллер стал стандартом и был применен на 20 подстанциях на территории Западного управления.
В то же время компания начала искать альтернативные пути для конструкций программируемого логического контроллера. В 1998 году ее представители посетили выставку, где Электрическая компания Филадельфии (РЕСО) демонстрировала встроенную конструкцию системы . Специалисты Западного управления отмечали неудобства в работе с программируемыми логическими контроллерами и связанной с ними принципиальной схемой, но они лестно отзывались о применении микропроцессорного реле. В конечном итоге, Западное управление выбрало высоконадежное сочетание микропроцессорных реле и процессоров передачи данных в качестве своей новой конструкции системы цифрового управления (DCS), чтобы заменить платформу с основанием программируемого логического контроллера. Первой экспериментальной площадкой стал Форт Томпсон. Вновь, как было сделано с проектом программируемого логического контроллера несколько лет назад, экспериментальная подстанция состояла из четырех линий передачи на 230кВ с расположением шин «полтора выключателя на присоединение».
При переходе от системы управления программируемого логического контроллера к конструкции системы цифрового управления, специалисты Западного управления также решили включить защитные элементы, или блокировки, в конструкцию системы цифрового управления. Из конструкции программируемого логического контроллера они выявили, что соединение цифровой логики и логических схем с жёсткими соединениями затрудняет использование обеих частей. Учитывая конструкцию, качество технологических процессов, типичное среднее время безотказной работы и параметры программируемого логического контроллера, относящиеся к окружающей среде, Западное управление посчитало нерациональным устанавливать какие-либо защитные функции в программируемый логический контроллер. Так как система цифрового управления использует реле защиты для управления, кажется естественным наличие там также функции блокировки. В качестве «входной» точки в систему цифрового управления компания выбрала специализированный микропроцессор реле отказа выключателя. Выходы из системы цифрового управления использовали контакты из реле отказа выключателя и один из линейных реле для того, чтобы обеспечить резервный путь управления для силовых выключателей. Процессоры передачи данных использовались в конструкции для:
- обеспечения интерфейса диспетчерского управления
- сбора данных SCADA
- локального человеко-машинного интерфейса HMI.
Хотя такая начальная конструкция системы цифрового управления была шагом в правильном направлении, было очевидно, что дополнительное повторение в конструкции должно было потребоваться для обеспечения большей экономии и простоты.
Следующим шагом было использование оптоволоконного кабеля, для замены медных коммуникаций и перераспределения входов системы цифрового управления при производстве в полевых условиях. Это же можно сказать и об устройствах ввода-вывода, установленных около станционной аппаратуры, чтобы не дублировать входы параллельной медной электропроводкой к централизованному IED. Таким образом, встроенная передача цифровой информации позволила использовать вводы-выводы IED для нескольких функций на системе цифрового управления. Одиночный контакт 52а от вспомогательной стойки выключателя, соединенный с дистанционным устройством ввода-вывода, был использован, чтобы предусматривать статус для целой системы, включая защитные функции.
Точки аварийной сигнализации были подключены только в устройство ввода-вывода на оборудовании, вместо того, чтобы также быть подключенными к контрольной сборке и присоединиться к дистанционному терминалу RTU.
Подготовка проекта. Форт Томпсон 345кВ
Вследствие оперирования было установлено, что трансформаторы на 345/230кВ на станции на 345кВ должны отделяться от общей шины, создавая конфигурацию ошиновки с четырьмя кольцами. Таким образом, потребовалось добавить выключатель на 345кВ и изменить действие шины. Средства управления и релейная защита подстанции являлись в значительной степени устаревшим оборудованием 60-х гг. Было решено заменить панели управления, так как в электропроводку требовалось внести значительные модификации, чтобы довести подстанцию до действующих стандартов компании по диспетчерскому управлению и сбору данных SCADA.
Подстанция была построена на грунтовой почве, которая имела тенденцию значительно смещаться. Потом и вовсе грунтовое основание контрольной сборки разломилось напополам. Когда две половины осели, в стене образовалась трехдюймовая трещина, которая была покрыта стальной пластиной для защиты от проникновения птиц.
Такие проблемы сделали фиксацию оборудования непрактичной, поэтому оно было заменено на модулярное, энергосберегающее с малым объёмом технического обслуживания. Конструкция системы цифрового управления с использованием встроенных реле позволила строительству стать на 40% меньше, так как встроенные системы значительно меньше по размеру традиционных конструкций управления программируемого логического контроллера и дистанционного управления RTU.
По прошествии нескольких лет строительный грунт образовал смещение в лотках контрольных кабелей управления, став причиной возникновения зазоров в покрытиях. Эти зазоры способствовали проникновению грызунов в лотки кабелей, вызывая существенное повреждение оболочек контрольных кабелей. Кабель без оболочки разъедался во многих местах. Совладелец подстанционного оборудования согласился, что кабель управления необходимо заменить.
Оптоволоконный кабель
Форт Томпсон, как и большинство подстанций на 345кВ, представляет собой очень большую подстанцию. Кабели длиной до 1000 футов (1 фут около 30 см) было необходимо заменить. Во время этого проекта экранированные кабели марки 12/С#10 стоили около $2 за фут.
Так как проект требовал около 17000 футов 12/С кабелей, использование оптоволоконного кабеля считалось необязательным параметром. Западное управление установило, что они могут заменить 17000 футов 12/С медного кабеля 2700 футами оптоволоконного кабеля. Стоимость 24-волоконного кабеля во время действия проекта составляла $1.84 за фут. Это позволяло сэкономить $29000, которые можно было бы потратить на дополнительные требования по техническому обеспечению для использования оптоволоконного кабеля. Концепция была применена для того, чтобы показать конкурентоспособность волокна с медью.
Оптоволоконный кабель устанавливался на каждый выключатель, трансформатор и реактор. Средства управления и входы разъединителя с электроприводом (MOD) соединялись проводами по медному кабелю со связанным с ним выключателем, в то время как дистанционное устройство ввода-вывода устанавливалось таким образом, чтобы разместить оба разъединителя с электроприводом, тоже связанным с выключателем, а на трансформаторах, аварийных сигнализациях и расцепляющих приспособлениях (внезапное давление, температура обмотки, низкий уровень масла и др.) можно было присоединить к дистанционному устройству ввода-вывода. Соединение средств управления разъединителя с электроприводом MOD и прерывателя с электроприводом MOI с основным оборудованием — экономило волоконные оконечные устройства. Значительное количество медного кабеля можно было сэкономить, так как MOD находились близко к выключателю, устраняя до 1000 футов 12/С для каждого MOD от управляющего корпуса.
Использование оптоволоконного кабеля позволяло цифровым входам проникать в систему цифрового управления на оборудовании. Электроэнергетики установили, что, по крайней мере, 75% проволочных оконечных устройств постоянного тока могут быть сняты.
Примерно в это время на рынке появился логический процессор. Данное устройство позволяет цифровым входам распределяться в реальном времени среди реле и обеспечивать информацию о последовательности событий (SOE) для дистанционного терминала RTU. Логический процессор позволял одиночному контакту 52а выключателя распределяться по коммуникационным связям к первичному реле, реле вторичной обмотки, реле отказа выключателя и дистанционному терминалу RTU, что уменьшало наличие требуемых оконечных устройств электропроводки.
Логический процессор также мог использоваться для создания расширенной системы цифровой защиты, которая соединяла бы все отдельные части оборудования, вместе с созданием расширенной встроенной системы защиты.
Так как логический процессор мог использоваться для информации последовательности событий, для него было необходимо получать рабочий режим цифрового реле. Такая часть информации посылалась к реле отказа выключателя для инициации отказа выключателя. Использование логического процессора должно было устранить длинные цепочки включения блока и начальную схему отказа выключателя. Все логические схемы с жесткими соединениями заменялись кабелями-232 Ассоциации электронной промышленности.
Предыдущие функциональные возможности
Начиная с самого первого экспериментального проекта, Западное управление имело высокий уровень потока информации с оперативным персоналом и имело обратную связь с изготовителем по их операционным требованиям.
Резервные средства управления были заложены в качестве требования, так как это имело отношение к способности отвечать на отказы оборудования и корректировать их в сторону более новой конструкции. По такой же причине использовались резервные компьютеры интерфейса для управления концентратором с резервными источниками энергии и накопителями на жестких дисках, управляемыми контроллерами матрицы независимых дисковых накопителей с избыточностью 1. Новый центр системы, процессор передачи данных имели в наличии протокол Modbus Plus, так что предыдущие модули конструкции интерфейса для управления концентратором Западного управления, также основанные на протоколе в программируемом логическом контроллере, использовались с незначительными изменениями.
Благоприятная рабочая площадка
Форт Томпсон считали благоприятной рабочей площадкой для данного проекта, так как он был относительно небольшим. Всего 7 выключателей и 13 коммутаторов устанавливались под контроль системы цифрового управления. Это требовало проложить волокно на 11 частей оборудования — легко управляемое количество. Физический размер станции сделал наличие волокна благоприятным условием, так как могло быть снято большое количество медного кабеля. И, в конечном итоге, проект получил значительную поддержку от Западного подразделения по коммуникациям, которые устанавливали и заделывали оптоволоконный кабель.
Конструкция системы цифрового управления. Средства управления
Рабочий персонал Западного управления хотел предусмотреть способность отключения и включения выключателя в случае отказа оборудования. Следовательно, они разработали резервные средства управления в качестве унифицированной детали конструкции автоматизации для исключения одиночных точек отказа. Резервные цепи управляющего воздействия были выполнены с использованием подхода двухъярусного процессора передачи данных. Процессор передачи данных верхнего яруса получает команду SCADA и распределяет ее через глобальные данные по сети Modbus Plus к процессору передачи данных нижнего яруса. Это создает одну точку отказа для SCADA с процессором передачи данных верхнего яруса; но со средним временем безотказной работы более 200 лет, такой риск был принят и является лучшим, нежели одиночный или резервный дистанционный терминал.
От процессоров передачи данных нижнего яруса средства управления были переданы на отдельные реле защиты. От реле защиты, положительная величина, отрицательная величина, расцепляющее устройство 1, расцепляющее устройство 2, и включение были жестко смонтированными с 5/С к выключателю. Большинство защитных расцепляющих устройств выключателя были жестко смонтированными от реле защиты. Несколько защитных расцепляющих устройств шины были выполнены с коммуникацией реле-реле через логический процессор. В такой конструкции реле защиты комплекта А и реле отказа отдельного выключателя предусматривали резервные цепи управляющего воздействия для выключателей на 345кВ. Реле отказа отдельного выключателя также непосредственно контролировали оперирование для разъединителя с электроприводом, расположенного рядом с выключателем, через оптоволоконный кабель.
Средства управления для 11 разъединителей с электроприводом и 2 прерывателей с электроприводом (MOI) были включены в конструкцию.
Только питание постоянного тока управлялось к разъединителю с электроприводом; контроль выполняется с использованием дистанционных устройств ввода-вывода, соединенных с оптоволоконным кабелем. Команды отключения/включения посылаются через волокно от отдельных реле отказа выключателя к дистанционным устройствам ввода-вывода.
Повторное включение, команды горячей линии (HLO), синхронизация и местный/контрольный статусы для отдельных силовых выключателей сохраняются с фиксаторами в отдельных реле. Эти фиксаторы используются во внутрисистемной логике реле защиты для получения дополнительных возможностей управления.
Управляющие воздействия интерфейса для управления концентратором посылаются в процессор передачи данных нижнего яруса через сеть Modbus Plus. Такая конструкция приняла во внимание отказ какого-либо узла при сохранении местного управления.
Подстанционный компьютер. Конструкция технического объекта
Несколько лет западное управление использовало Wonderware в качестве интерфейса для управления концентратором в своих цифровых конструкциях. Вследствие очень ограниченного знания данного программного обеспечения и компьютеров Западное управление выбрало промышленную ЭВМ. Они приобрели резервные компьютеры с резервными источниками энергии с горячей заменой и резервными накопителями на жестких дисках с горячей заменой. Накопители на жестких дисках используют контроллер матрицы независимых дисковых накопителей с избыточностью 1 интерфейса малых компьютерных систем, чтобы отражать приводы. Компьютеры смонтированы на стойке в панели управления. Чтобы гарантировать изоляцию переходным режимам и энергии компьютеров, Западное управление установило резервные обратные преобразователи постоянного/переменного тока, которые обычно питались от переменного тока, но выключатель постоянного тока — при потере по переменному току. Преобразователи служили в качестве универсального источника энергии, так как они переключают источники питания без нарушения работы компьютера. Устройства клавиатуры, видео, мыши переключают компьютер к жидкокристаллическим дисплеям, клавиатуре и мыши.
Разработка приложений интерфейса для управления концентратором
Западное управление использует двойной дисплей для интерфейса управления концентратором. Левый экран отображает местоположение на одной линии со статусом.
Они также используют кнопки на левом экране, чтобы заполнять переменные величины в образце правого экрана, используемого для экрана силового блока управления PCB. Кнопки поднимаются, когда курсор наведен на них. 43LS, 79 и 85 статусы непосредственно отображаются на экране. 43LR, 52a и 52b подводят цвет статуса выключателя. Когда 43LR находится в локальном положении на выключателе, коробка статуса выключателя серая, с индикацией М, что означает «Техническое обслуживание» в независимости от положения выключателя. Индикация включенного положения выключателя — красный цвет, отключенного — зеленый цвет.
Западное управление процедур очистки энергосистемы детализируют две процедуры первичной разметки — одна для команд горячей линии HLO и одна для очисток. Они не прикрепляют ярлыки на средства управления для оборудования при очистке с ярлыками очистки энергосистемы. Единственный ярлык, включенный в интерфейс для управления концентратором, был для команд горячей линии. Ярлык команд горячей линии указывает на отключение повторного включения и прерывание включающего пути выключателя.
В пределах интерфейса для управления концентратором ярлык команд горячей линии не может быть включен, когда имеет место повторное включение. HLO представлено на однолинейном экране желтым ярлыком HLO и сверкающей индикацией на экране управления силового блока. Если выбрана функция включения, отображается экран предупреждающей команды горячей линии, и включение предотвращается.
Экран управления силового блока имеет изображение физического выключателя для каждой функции. Изображение выключателя было выбрано, чтобы сделать интерфейс для управления концентратором наглядным. Экран управления силового блока одинаков для всего оборудования только с соответствующими функциями, которые являются видимыми и действующими. Например, 85 функция не действует для выключателя трансформатора, или является неспособной повторно включить выключатель реактора. Интерфейс для управления концентратором работает с помощью посылания команды к реле защиты, а затем показания статуса обратно через процессор передачи данных, чтобы влиять на изменения на дисплеях интерфейса управления концентратором. Рукоятки выключателя вращаются, и световые индикаторы сменяются, чтобы указывать соответствующий статус на экране управления силового блока.
Команды для отключения и включения выключателя содержат выключатель «выбора перед оперированием», который требует подтверждения выбранного действия. Команды для изменения 43, 79 и функций HLO не требуют подтверждения, так как результат команды не будет сразу воздействовать на оперирование — выключатели не отключатся и не включатся. Установка 43LS в контрольное положение делает другие средства управления недействующими и представлена ярлыком SUPV, отображенным на рукоятке контрольного выключателя. Время обновления на интерфейсе управления концентратором около 2 секунд.
Джэймс Пропст, Западное управление электроэнергетики (WAPA),
Майк Дуд, Корпорация Швейцарские конструкторские лаборатории.
Журнал «Электричество сегодня» (Северная Америка).
