Глава 9

УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ В УСТРОЙСТВАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Принципы построения АСУЭ

При создании автоматизированной системы управления энергоснабжением (АСУЭ) центр тяжести переносится из области стабилизации основных параметров системы электроснабжения и автоматизации повторяющихся операций в область ре­шения задач оптимального управления, т.е. автоматического выбора наилучшего в дан­ной ситуации варианта управления.

Наряду с задачами оптимального управления технологическими процессами в АСУЭ решаются также задачи, связанные со сбором, обработкой и передачей данных, необходимых для расчета различных технико-экономических показателей и составле­ния отчетов, разработки планов работы производственных подразделений.

Автоматизированные системы управления, объединяющие решение админист­ративно-организационных вопросов (учет, планирование, оперативное управление) и непосредственное управление технологическими процессами (оптимизация техноло­гического режима работы системы, автоматическое регулирование или стабилизация определенных параметров и т.д.) называют интегрированными или организационно­технологическими (АСУ ОТ). АСУЭ по выполняемым ею функциям является такой интегрированной организационно-технологической системой.

Под отдельной задачей АСУЭ понимают операцию, выполняемую с помо­щью технических средств и программного обеспечения, в результате которого фор­мируется протокол, представляющий одну или серию однотипных управляющих команд, например, вывод на экран дисплея сообщений обслуживающему персона­лу о состоянии управляемых объектов или формирование массива информации, используемых для решения отдельных технологических задач.

АСУЭ — иерархическая система, характеризующаяся автономностью входящих в нее подсистем, имеющих самостоятельные цели управления и общую цель, единую для всей системы в целом; наличием внутренних и внешних связей у каждой подсисте­мы; уплотнением информации при движении ее вверх по иерархии. Как любая иерар­хическая система, АСУЭ состоит из ряда подсистем, находящихся на различных уров­нях иерархии и тесно взаимосвязанных между собой.

Определение оптимальной структуры системы управления — одна из важней­ших задач, возникающих при разработке системы в каждом конкретном случае. Воз­можны три основных пути выполнения систем управления на новой элементной базе: аппаратный, программный и аппаратно-программный. Аппаратный путь пред­полагает использование устройств с жесткой логикой на интегральных микросхемах с малой ИС и средней СИС степенью интеграции. Аппаратная система управления оправдана при необходимости иметь высокое быстродействие в системах с неболь­шим число микросхем при выполнении сложных операций управления. Если же тре­буется гибкость управления, частое изменение его задач или периодическая модерни- зация и расширение задач, то более приемлемой является программная или аппарат­но-программная реализация задач.

При разработке АСУЭ железных дорог необходимо иметь в виду, что инфор- мационно-управляющие подсистемы диспетчерского управления исторически воз­никли и внедрялись раньше комплектных АСУ в виде систем оперативного управ­ления (СОУ) или автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ). Во многих случаях телемеханические системы диспетчерского управления не обла­дают в полной мере качествами, необходимыми для АСУЭ (например, не могут передавать информацию производственно-статистического характера; не имеют устройств, необходимых для обработки информации и стыковки с вычислитель­ными машинами).

Управляющие вычислительные системы

Управляющие вычислительные машины (УВМ) являются основными органами управляющих систем, используемых для обработки и хранения информации.

На рис. 9.1 показана схема включения УВМ в систему диспетчерского управления объектами. УВМ выполняет роль советчика диспетчера (рис. 9.1, а). Диспетчер, пользу­ясь пультом управления по системе ТУ, осуществляет воздействие на объект через его исполнительный орган (ИО). Информация о состоянии объекта или его параметрах поступает на датчик Дт, который по системе ТС передает ее УВМ. При необходимости получения информации диспетчер воздействует на УВМ, с выхода которой информа­ция поступает на диспетчерский щит (ДЩ), дисплей (Д) или устройство печати (УП). В данном случае УВМ непосредственного воздействия на объект управления не имеет и работает в режиме разомкнутого контура.

Когда УВМ включена в замкнутый контур управления (рис. 9.1, б) (режим прямо­го автоматического управления), управляющее воздействие передается на объект уп­равления непосредственно от УВМ, минуя диспетчера. УВМ может воздействовать так­же на локальные системы управления первого уровня (см. рис. 1.3), которые в свою очередь осуществляют автоматическое управление объектами (режим непрямого авто­матического управления).

Управляющая вычислительная машина УВМ воспринимает и выдает информа­цию, представленную в виде электрических сигналов цифровой формы. Датчики Дт воспринимают аналоговую (ток, на­пряжение) или дискретную (положе- _а ние коммутационных аппаратов, сра­батывание релейной защиты и т.д.) информацию. Их выходные сигналы обычно не приспособлены для непос­редственного ввода в УВМ и требуют преобразования по виду, форме и уров­ню. Выходные сигналы УВМ необхо- б димо также преобразовывать перед тем, как подать в систему телемеханики, которая воздействует на исполнитель­ный орган ИО. Поэтому для сопряже­ния УВМ с датчиками и исполнитель­ными органами устанавливают специ­альные устройства связи с объектом.

Информацию с датчиков УВМ снимает циклически по мере необхо­димости. Отдельные датчики, напри-

мер, фиксирующие срабатывание релейной защиты, в произвольные моменты требу­ют сами их немедленного обслуживания, выставляя для этого запрос на прерывание выполнения текущей программы УВМ.

Взаимодействие УВМ с устройствами ввода информации и устройствами связи с объектом служит интерфейс ввода-вывода, который представляет собой совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для обеспечения информационной, электрической и конструктивной совместимости этих устройств.

Данные о состоянии объекта управления поступают в УВМ, которая перерабаты­вает их в соответствии с алгоритмом (законом) управления. Результатом переработки является управляющее воздействие, поступающее на объект. Скорость переработки ин­формации, поступающей на УВМ, должна обеспечивать своевременную реакцию сис­темы на все изменения в объекте управления. Результаты переработки могут оказаться непригодными, более того — неверными, если в промежутке времени между приемом УВМ исходных данных и выдачей результатов переработки информации проходит много времени и происходит существенное изменение данных о состоянии управляемого объекта.

УВМ используют в системах, действующих на основе принципа программного управления. Ее действия осуществляются по программе, реализующей алгоритм управ­ления путем решения соответствующих задач. Программа является описанием алгорит­ма управления и представляет собой последовательность команд управления в УВМ. Каждая команда определяет действия УВМ по выполнению только одной операции. Таким образом, работа УВМ представляет собой последовательность проводимых ею операций в порядке, заданном программой. Число различных команд, являющихся внутренним языком УВМ, может быть от нескольких десятков до нескольких сотен. Команды подразделяются на арифметические, логические, пересылочные, управляю­щие, ввода-вывода.

Информационное, математическое и организационное обеспечение АСУЭ

Информационная подсистема обеспечивает все структурные подразделения АСУ необходимой информацией в требуемые сроки и в удобной форме. Информационная подсистема охватывает комплекс методов сбора, обработки, хранения и поиска ин­формации. Она включает в себя: нормативные и справочные данные, составляющие информационную базу системы; текущие сведения, поступающие в систему в процессе ее функционирования и требующие ответной реакции системы или влияющие на алго­ритм выработки решения (оперативная информация); учетные и архивные сведения, необходимые для работы системы.

Объем и содержание данных, обрабатываемых информационной подсистемой, зависят от масштаба объекта управления и сложности происходящих в нем процес­сов. Подсистема информационного обеспечения должна обладать гибкостью, воз­можностью перестройки информационных потоков в соответствии с требованиями системы управления.

Различают информацию, предназначенную для решения организационных задач, и информацию для оперативного управления. Это связано с тем, что указанные задачи отличаются друг от друга видом и содержанием входной и выходной информации, частотой и временем решения, принципами построения алгоритмов.

Источниками информации являются аналоговые и дискретные датчики, команд­ная аппаратура (кнопки, ключи управления), документы, звуковые и световые сооб­щения. В процессе управления информация преобразуется (аналог-код, код-код), коди­руется, шифруется, дешифруется и т.д

.

Информационным обеспечением (ИО) называется совокупность единой системы классификации и кодирования технико-экономической информации, унифицирован­ных систем документации и массовой информации.

При разработке ИО АСУЭ определяют состав данных, необходимых для решения задач управления: формализуют представление информации; унифицируют входную и выходную документацию; определяют способы представления информации на всех этапах ее движения и обработки; выбирают носители информации; определяют содержание и порядок размещения информации на машинных носителях; выбирают виды и объем хра­нимой информации, а также способы хранения, поиска и внесения изменений в массивы данных и способы контроля информации; разрабатывают способы классификации и сло­вари наименований отдельных показателей; регламентируют информационные связи между задачами, взаимный обмен данными с АСУЭ, состав и структуру банка данных.

Для машинной обработки информацию кодируют, т.е. записывают сообщения и сведения с помощью условных комбинаций (например, цифр и букв). Наибольшее распространение получили цифровые коды, используемые при вводе и обработке дан­ных на ЭВМ и при передаче их по каналам связи.

Кодирование идентифицирует информацию, упрощает составление программ, реа­лизующих алгоритмы различных вычислений. Для задач АСУЭ широко используется пози­ционный метод кодирования, при котором кодируемая номенклатура объектов разделяет­ся на классификационные группы. Структура позиционного кода отражает принятую сис­тему классификации объектов. На практике при построении цифровых кодов каждую клас­сификационную группировку формируют таким образом, чтобы она состояла из числа группировок нижестоящего уровня, кратного 10. Такие коды называются десятичными. Как правило, в АСУЭ кодирование исходной информации осуществляется в десятичном исчислении, дальнейшее преобразование кодов зависит от конкретной ЭВМ.

Информационные массивы, предназначенные для хранения информации, состав­ляют основу ИО любой АСУЭ. От организации и структуры информационных массивов во многом зависят оперативность и достоверность вырабатываемых управляющих воз­действий, а следовательно, эффективность АСУЭ.

Массивы ИО АСУЭ классифицируют по различным признакам. Любой информа­ционный массив представляет собой совокупность данных, постоянных или обновля­ющихся, объединенных единым смысловым содержанием, например, массив расхода электроэнергии за сутки, массив параметров тяговой сети в пределах диспетчерского круга. По отношению к АСУЭ все информационные массивы делятся на: входные, внутрен­ние и выходные. Основу АСУЭ составляет организация переда­чи информации с объектов к единым центрам сбора, обра­ботки, хранения и выдачи ин­формации. Такими центрами в системах тягового электроснаб­жения являются энергодиспет­черские пункты, оснащенные современными средствами теле­механики и вычислительной техники.

Структура информацион­ного обеспечения АСУЭ приве­дена на рис. 9.2, где видно, что входная информация поступа ет в АСУЭ непосредственно с энергообъектов через машинные носители информации (жесткие и гибкие диски), или вводится в систему управления с документов, норма­тивных материалов. Внутреннюю информацию АСУЭ составляют различные массивы технико-экономической, нормативно-справочной информации, а также информации для решения задач оперативного управления. Выходная информация выдается в виде управляющих команд, поступающих по системе телеуправления на объекты или выво­дится на дисплей или печать. В состав приведенной на рис. 9.2 структуры информацион­ного обеспечения АСУЭ входит ввод, вывод и хранение информации для решения задач оперативного управления, а также задач, присущих АСУЭ.

Математическое обеспечение (МО) АСУ представляет собой систему алгоритмов и программ, с помощью которых осуществляется автоматизированная обработка информа­ции. Соответственно МО подразделяется на алгоритмическое и программное обеспечение.

Алгоритмическое обеспечение (АО) включает описание алгоритмов реализации отдельных функций и общего алгоритма функционирования АСУ.

Программное обеспечение (ПО) реализует алгоритмы функционирования и в свою очередь состоит из стандартных (внутренних) и специальных (внешних) программ. Внутренние программы обеспечивают нормальную, эффективную работу вычислитель­ных машин и представляют общее (системное) ПО, а внешние программы, представ­ляющие специальное (прикладное) ПО, позволяют решать на машине необходимые задачи наиболее простым и удобным способом. На рис. 9.3 представлена структура про­граммного обеспечения.

Важнейшей и центральной частью общего ПО является операционная система реального времени (ОС РВ), управляющая последовательностью всех действий УВМ и контролирующая входной и выходной потоки информации. Она является связующим звеном между УВМ и объемом управления, человеком, а также другими УВМ, входя­щими в локальную сеть этого или более высокого уровня. Общее ПО подразделяется на подсистемы подготовки программ и обеспечения вычислительного процесса. Подсис­тема подготовки программ объединяет программы автоматизации проектирования и отладки систем. Подсистема обеспечения вычислительного процесса включает программы функционального контроля процесса и операциональную систему реального времени.

Специальное ПО организуется в виде набора взаимодействующих и вместе с тем автономных программ для решения задач управления. Каждая такая задача решается независимой последовательностью команд. Задачи управления могут решаться УВМ одновременно или поочередно. Для одновременного решения надо на каждую задачу иметь индивидуальный микропроцессор. При высоком быстродействии современных УВМ более распространенным является поочередное выполнение одним процессором нескольких задач в определенном режиме времени.

Для повышения производительности и надежности управляющих вычислитель­ных систем предусматривается распределение во времени решения задач управления.

При этом в системе устанавливается несколько УВМ или процессоров, образуя много­машинные и многопроцессорные распределенные управляющие вычислительные сис­темы. Если объекты управления территориально рассредоточены, то стремятся к тому, чтобы наибольший объем информации обрабатывался в непосредственной близости к объекту, например, на тяговой подстанции. Для обмена информацией УВМ соединяют каналами связи, образуя управляющую вычислительную сеть (УВС). Таким образом, УВС — это многомашинная система, состоящая из территориально распределенных УВМ, связанных между собой каналами связи. Расстояние между УВМ является суще­ственным отличительным признаком таких систем. Если это расстояние не более 20 км, то управляющую вычислительную сеть называют локальной. Так, АСУЭ строится как рас­пределенная многомашинная система, в которой УВМ располагаются на отдельных тя­говых подстанциях и энергодиспетчерских пунктах с организацией взаимообмена сооб­щениями, обеспечивающего их согласованные действия, например, в масштабах дис­петчерского круга или дистанции электроснабжения. Децентрализация обработки ин­формации позволяет не только повысить производительность всей системы, но и явля­ется эффективным средством обеспечения надежности (живучести) всей системы. Так, если система разделена на отдельные автономно работающие подсистемы с УВМ, об­разующие в совокупности сеть, то отказ одной из подсистем, как правило, не влечет отказа всей системы, хотя эффективность в целом снизится. Надежность управляющих вычислительных систем является одним из определяющих факторов их применения. Главная цель мероприятий по повышению надежности — обеспечение непрерывной работы системы, на которую не влияют ошибки и сбои. Защита от неправильных дей­ствий и сбоев является ключевой во всех случаях применения вычислительной техники в управлении. Для обеспечения требуемых показателей надежности широко использу­ются разнообразные методы резервирования и автоматического диагностирования тех­нических и программных средств, помехозащищенные коды, информационная избы­точность, резервирование источников информации, дублирование сообщений и т.д.

Техническое обеспечение АСУЭ

Подсистема технического обеспечения АСУ представляет собой комплекс техни­ческих средств, обеспечивающих реализацию процесса сбора, формирования, переда­чи, обработки, хранения и воспроизведения информации.

Подсистема технического обеспечения (ТО) включает в себя:

средства вычислительной техники (вычислительные машины и решающие устрой­ства, устройства ввода и вывода программ и информации, устройства сопряжения вычис­лительных средств, запоминающие устройства, устройства подготовки данных и т.д.);

устройства связи с объектами (преобразователи сигналов контроля и управле­ния, коммутаторы сигналов, устройства телемеханики и др.);

устройства связи с оперативным персоналом (сигнальные ключи, световые таб­ло, диспетчерские щиты, пульты управления, дисплеи, печатающие устройства и т.д.).

При организации комплекса технических средств используются также устройства, обеспечивающие получение и формирование информации о контролируемых режимах технологических процессов, состоянии объектов управления. К первым относятся дат­чики, реле-повторители состояния объектов и т.п., ко вторым — преобразователи вида, формы, уровня сигналов и различные коммутаторы.

К техническому обеспечению относятся также устройства локальной автоматики (АПВ, АВР и др.) и исполнительные органы.

Таким образом, комплекс средств ТО включает в себя вычислительные и управ­ляющие устройства, устройства передачи и обработки сигналов данных, датчики ин­формации и исполнительные устройства, обеспечивающие полное выполнение всех функций АСУ.

Необходимым условием формирования комплекса средств ТО АСУ является воз­можность сопряжения между собой всех видов технических устройств, входящих в под­систему ТО, т.е. возможность объединения их в единую техническую систему, обеспе­чивающую непрерывный процесс автоматической обработки информации.

Как уже отмечалось, УВМ играют главную роль среди всех видов технических средств, используемых в АСУЭ, обеспечивая функционирование и взаимодействие всех элементов системы.

К средствам вычислительной техники, используемым в АСУЭ, предъявляются следующие основные требования:

• обеспечение эффективного решения всех функциональных задач АСУЭ в задан­ное время и с требуемой достоверностью;

• совместимость средств, используемых в разных подсистемах и обеспечение опе­ративного обмена данными между ними;

• агрегатность структуры, позволяющая осуществлять замену и наращивание уст­ройств в процессе развития АСУЭ;

• высокая надежность, определяемая непрерывным характером работы системы;

• учет особенностей эксплуатации и участия управленческого и производственно­го персонала в функционировании АСУЭ.

Используемые в АСУЭ технические средства можно разделить на центральный и периферийный комплексы.

Центральный комплекс размещается в специальных аппаратных помещениях вы­числительной и телемеханической техники или на энергодиспетчерском пункте. В со­став центрального комплекса входят средства обработки и хранения информации, под­готовки данных, ввода-вывода информации, устройства электропитания.

Периферийный комплекс располагается за пределами аппаратных и диспетчерских помещений (на тяговых подстанциях, постах секционирования и т.д.). К периферий­ным комплексам относятся средства ввода-вывода (дисплеи, пульты дистанционного управления; аппаратура передачи данных, включая устройства сопряжения).

При выборе варианта комплекса технических средств (КТС) учитывают наиболее важные системные характеристики комплекса:

• экономичность — обеспечение требуемого качества функционирования АСУ с меньшими затратами;

• технологичность (упорядоченность) — отсутствие лишних перетоков данных, обеспечиваемых упорядочиванием информационных потоков;

• поточность (согласованность) — совпадение пропускной способности устройств, осуществляющих последовательность операции обработки данных;

• реактивность (своевременность) — обеспечение требуемой реакции системы на поступающие запросы и повышение быстродействия при выдаче результатов;

• безошибочность (точность) — обеспечение высокой точности и достоверности выдаваемых результатов;

• живучесть (устойчивость) — снижение влияния отказов при повреждении ком­плекса на эффективность функционирования системы;

• гибкость — простота функционального и территориального расширения комп­лекса в процессе развития АСУ;

• автономность — возможность самостоятельного функционирования КТС каж­дой отдельной подсистемы АСУ;

• совмещенность (концентрация) — возможность размещения технических средств централизованно, что позволяет обеспечить более эффективное их использование при меньшей численности персонала;

• локальность (децентрализация) — наличие УВМ вблизи управляемых объектов.

Влияние системных характеристик проявляется и соответственно учитывается в

подсистемах различных уровней при построении многоуровневой системы КТС АСУЭ.

На рис. 9.4 представлена структура комплекса техничес­ких средств АСУЭ, на которой показаны основные элементы КТС и их взаимодействие. Пред­ставленная структура характер­на для систем, имеющих не­сколько диспетчерских кругов.

Для каждого диспетчера обору­довано рабочее место (РМЭД-1 и РМЭД-2). Для визуального отображения информации ис­пользуется диспетчерский щит.

Управление контролируемыми пунктами КП, на которых рас­полагаются объекты электро- и энергоснабжения, осуществля­ется с пультов управления че­рез системы телемеханическо­го управления СУТМ, включа­ющие в себя компьютерную

технику, устройства печати УП, накопители на гибких магнитных дисках НГМД. Для связи с объектами электро- и энергоснабжения может быть использована управляю­щая вычислительная машина УВМ. Для согласования связи с объектами применяются согласующие устройства ССО. Для хранения информации используются накопители на магнитных дисках НМД и лентах НМЛ.

Такая структура КТС АСУЭ универсальна, применима для промышленных пред­приятий и железнодорожного транспорта. Техническая совместимость подсистем, вза­имодействующих в составе АСУЭ, достигается путем применения соответствующих интерфейсов между устройствами и средствами коммутации для обмена данными, а также выбора конфигурации КТС, обеспечивающих совместимость программного и информационного обеспечения.

Взаимодействие подсистем АСУЭ может осуществляться путем непосредственной связи между УВМ, которые могут обмениваться данными и программами по каналам связи.

При выборе структуры КТС АСУЭ устанавливают способы передачи данных с конкретных удаленных объектов электроснабжения, рассчитывают тип и количество терминальных устройств для размещения на удаленных объектах; определяют моменты времени для ввода-вывода данных между терминальными устройствами и УВМ; осу­ществляют расчет характеристик сети передачи данных в КТС, сопряжения, расчет количества устройств сопряжения, необходимых для передачи данных между УВМ АСУЭ и КТС отдельных подсистем.

При разработке КТС АСУЭ необходимо решить вопросы обеспечения надежности его работы. Например, если вычислительная техника, используемая в АСУЭ, предназ­начена для решения задач оперативного управления в реальном масштабе времени, то при ее выборе следует отдавать предпочтение двухпроцессорным системам или исполь­зовать две однопроцессорные однотипные ЭВМ, каждая из которых должна резерви­ровать другую.

Так как проектирование и внедрение АСУЭ осуществляется поэтапно, то вы­бор типа ЭВМ, емкости оперативного запоминающего устройства, внешних запо­минающих устройств и состава периферийного оборудования осуществляют на пер­вом этапе использования ЭВМ с учетом возможности последующего расширения функций системы.

Для решения задач оперативного управления и для вывода буквенно-цифровой и графической информации используются видеотерминальные устройства (дисплеи). При этом количество дисплеев зависит от количества и схемы контролируемых пунктов (подстанций, постов секционирования, железнодорожных станций и т.д.).

При выборе технических средств АСУЭ, используемых в различных ее подсисте­мах, следует учитывать необходимость совместимости и взаимодействия каждой такой подсистемы с подсистемами вышестоящего и нижестоящего уровней.

Комплексная автоматизация производства, массовое внедрение средств телеме­ханики и расширение области их применения существенно изменили и сделали более разнообразными требования, предъявляемые к устройствам управления и контроля производственными процессами, привели к расширению объема и видов передавае­мой информации.

Электронные вычислительные машины

Электронные вычислительные машины (ЭВМ) предназначены для выполнения различных логических и арифметических операций. По характеру перерабатываемой ими информации ЭВМ бывают аналоговые и цифровые. Аналоговые машины опериру­ют непрерывными сигналами и в автоматизированных системах применяются редко. Цифровые машины оперируют дискретными сигналами.

По назначению ЭВМ можно разделить на три основных вида: расчетные, пред­назначенные для выполнения трудоемких научных и инженерных расчетов; управляю­щие, предназначенные для управления реальными процессами; информационные, пред­назначенные для логической обработки различных потоков информации.

Расчетные ЭВМ характеризуются широким набором выполняемых операций, на­личием двусторонних оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) для записи, хра­нения и выбора программы решения задач и исходных данных системы ввода инфор­мации и фиксации результатов решения.

Информационные ЭВМ отличаются большим разнообразием оперативных и вне­шних запоминающих устройств, широким набором логических операций, использова­нием различных способов обращения к запоминающим устройствам, развитым комп­лексом ввода-вывода информации и возможностью обработки как числовой, так и буквенной информации.

Отличительной особенностью управляющих ЭВМ является наличие специальных преобразующих и согласующих устройств, непосредственно связанных с датчиками информации, с исполнительными цепями объектов управления, с локальными систе­мами автоматического управления и регулирования, с устройствами ручного ввода.

Характер и порядок выполнения операций, необходимых для осуществления ЭВМ требуемых функций, можно представить в виде четырех основных действий: формули­ровка и запись условий задачи и исходных данных; разработка способа решения задачи и представления его в виде логической последовательности операций (алгоритмов); выполнение заданий последовательности операций; представление результатов реше­ния задачи в удобном для использования виде.

Первые два из перечисленных основных действий выполняются человеком, пос­ледние два — вычислительной машиной.

Возникновение микропроцессорной техники обусловлено экономической целесооб­разностью перехода от технических средств с жесткой логикой к универсальным програм­мируемым устройствам, выполненным на основе крупносерийных больших интегральных схем (БИС). Структура таких БИС повторяет процессорную часть универсальных ЭВМ.

МикроЭВМ — устройство, управляемое оператором, состоит из микропроцессора (МП), полупроводниковой памяти, интерфейса ввода-вывода, пульта управления и источников питания, объединенных общей конструкцией.

На рис. 9.5 показана наиболее распространен­ная схема микроЭВМ, имеющая три общие магист­рали (на схеме показаны двойными линиями со стрелками), к которым под воздействием устройства управления поочередно подключаются входящие в МП узлы. Микропроцессор осуществляет обработку информации. Наиболее характерными узлами МП являются: арифметико-логическое устройство (АЛУ), составляющее основу операционного устройства, устройство управления, под воздействием которого к трем общим магистралям поочередно подключа­ются узлы, входящие в МП. Магистрали служат для обмена информацией между МП и остальными блоками микроЭВМ, в качестве кото­рых на рис. 9.5 представлены блок памяти и устройство ввода-вывода.

МикроЭВМ выпускаются в нескольких модификациях:

• встраиваемые, предназначенные для конструктивного встраивания в технологи­ческое и другое оборудование в качестве сборочной единицы и не имеющие индивиду­ального пульта управления, источника питания, декоративного оформления;

• портативные сервисные, имеющие небольшой дисплей и легко транспортируемые;

• настольные со встроенными, как правило, в единую конструкцию дисплеем, пультом, малогабаритным устройством печати, памятью на гибких дисках;

• настольной и стоечной конструкции, содержащие набор отдельных конструктив­но законченных модулей: микрокомпьютер, экранный пульт, малогабаритное печата­ющее устройство, память на гибких дисках, функционально объединенных в целост­ную автономную микросистему.

Такие микросистемы используются в качестве персональных микроЭВМ, интел­лектуальных терминалов больших вычислительных систем коллективного доступа, або­нентских или рабочих станций локальных вычислительных сетей или элементов систем обработки информации и управления.

Среди большого разнообразия микропроцессоров, применяемых в микроЭВМ, наибольшее распространение получили 16- и 32-разрядные МП. Разрядность МП вли­яет на скорость вычислений, поскольку если разрядность МП меньше длины хранимо­го в памяти слова, то обработка данных будет производиться с последовательными обращениями к памяти с затратами в два или более циклов обращения к памяти.

В автоматике, телемеханике и вычислительной технике наибольшее распростра­нение подучили микропроцессорные комплекты серии К580, в которых МП вместе с устройством управления реализован в виде отдельной БИС и имеет фиксированные разрядность и систему команд. Микропроцессорный комплекс серии К580 включает в себя микропроцессорную БИС, программируемое устройство ввода-вывода, програм­мируемый блок приоритетного прерывания, программируемое устройство полупро­водниковой динамической памяти, интегральный таймер, универсальный синхронно­асинхронный программируемый приемопередатчик, программируемые и системные кон­троллеры. МикроЭВМ, построенная на базе комплекта, работает с тактовой частотой до 2 МГц. Схемы программируются с помощью фиксированного набора команд МП.

На рис. 9.6 приведена упрощенная структурная схема микроЭВМ на базе МП КР580ИК80. В состав процессорного модуля (ПМ) входят МП и ряд вспомогательных схем, обеспечивающих работу МП.

Микропроцессор КР580ИК80 предназначен для обработки 8-разрядных двоич­ных чисел, называемых словами или байтами, поэтому порты ввода-вывода должны быть 8-разрядными. Каждый периферийный модуль имеет вход для приема сигналов ВМ (выбор модуля), с помощью которого можно «активизировать» только один пери­ферийный модуль. МП состоит из семи 8-разрядных регистров общего назначения (РОН):

A,B,C,D,E,H,L, регистра признаков результата выполнения операции F и двух 16- разрядных регистров SP (указатель стека) и PC (счетчика команд).

Регистр А называется аккумулятором и используется для хранения операнда. С операндом работает арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее все дей­ствия с данными. Регистры В, С, D, Е, Н, L образуют регистровые пары для хранения 16-разрядных данных; в регистре PC подготавливается адрес очередной команды про­граммы; по содержимому регистра SP осуществляется адресация к ячейкам памяти (в нем предварительно записывают код начала стековой области ОЗУ).

Регистр F (флаги) представляет собой набор триггеров, регистрирующих резуль­тат последней операции, выполненной АЛУ. Устройства процессорного модуля ПМ используются для выбора команд из памяти и их выполнение. Пусть, например, долж­на быть считана и выполнена команда, хранящаяся в ячейке с адресом 1000. Для этого счетчик команд PC (программный счетчик) через шину адреса LUA выводит на устрой­ство памяти адрес 1000. Из памяти на шину данных ШД поступает содержимое ячейки 1000, т.е. код операции, и МП записывает его в регистр кода операции SP. Этот регистр передает информацию дешифратору кода операции, который распознает код и выдает управляющие сигналы для схем синхронизации и управления, которые как бы пред­ставляют процессор внутри процессора. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) внутри МП содержит микропрограмму, которая указывает МП, что делать для выполне­ния каждой команды. Записанная микропрограмма, задаваемая обычно пользователем, определяет язык МП и не может изменяться при записи программ, выполняемых МП.

На схеме рис. 9.6 тонкими стрелками показаны шины 1, 3, 4 — считывания ин­формации соответственно из оперативного (ОЗУ) и постоянного (ПЗУ) запоминаю­щих устройств и устройств ввода-вывода (УВВ). Шины 2, 5 используются для записи информации в ОЗУ и УВВ. От шины адреса ША через дешифраторы ДШ по шинам ВМ (выбор модуля) осуществляется передача сигналов к портам ввода-вывода и запомина­ющим устройствам ОЗУ и ПЗУ Порты ввода и вывода по шинам 6 связаны с внешни­ми устройствами. Процессорный модуль (ПМ) связан с шинами ША, ШД и ШУ через формирователь шин (ФШ).

Для включения ПМ предусматривается автоматическая команда его начальной установки. При этом счетчик команд указывает начальный адрес программы. Так, МП КР580ИК80 нормально устанавливает на шине ША нулевой адрес. Далее программа выполняется автоматически под действием импульсов с тактового генератора (ТГ).

Для выбора порта ввода-вывода или запоминающего устройства (ОЗУ, ПЗУ) слу­жит шина управления (ШУ). По ней в микропроцессор поступают при необходимости

сигналы от внешних уст­ройств о готовности к пе­редаче информации. Шины ША, ШУ и ШД содержат каждая столько проводов, сколько разрядов имеют передаваемые по ним ко­довые комбинации. Други­ми словами, по ним к вне­шним цепям и обратно пе­редаются параллельные кодовые комбинации. Та­кой способ связи микро­процессора с внешними цепями применяют тогда, когда расстояние между ними не более 15 м. В про-

тивном случае к шинам подключают порты последовательного ввода-вывода, содержа­щие преобразователи параллельного кода в последовательный и обратно. При этом максимальное расстояние между микропроцессорным устройством и контролируемым объектом определяется используемой системой передачи данных.

Микропроцессор КР580ИК80 выполняет четыре основные операции: чтение данных из памяти или порта ввода; запись данных в память или порт вывода; внутренние операции (действия с регистрами общего назначения); передачу управления другой ячейке памяти.

Применение персональных ЭВМ обеспечивает децентрализацию вычислительных процессов, значительное снижение стоимости машинного времени, повышение удоб­ства работы персонала и эксплуатации сети.

Характерной конструктивной особенностью микроЭВМ является модульность их построения. Все функциональные элементы этих машин строятся в виде отдельных модулей, т.е. отдельных плат, комплектных блоков. При размещении в стойках ЭВМ эти модули нуждаются в специальном монтаже. Поэтому при изменении и расширении системы установка новых модулей может выполняться самим пользователем. Кроме того, такая структура позволяет создавать наиболее экономную, без избыточности, конфигурацию микроЭВМ, ориентированную на выполнение заданных функций, при этом обеспечиваются минимальная стоимость и наименьшие размеры системы.

Устройства связи с объектом

Устройства связи с объектом (УСО) являются важнейшими элементами при ис­пользовании ЭВМ в АСУЭ. Они служат для автоматического ввода в ЭВМ информации поступающей от датчиков электрических сигналов, и вывода из ЭВМ информации, необходимой для автоматического управления технологическим процессом или эле­ментами отображения и сигнализации.

По назначению УСО делятся на устройства ввода и вывода информации, по ха­рактеру входных и выходных сигналов — на устройства ввода и вывода непрерывных (аналоговых) и дискретных сигналов.

Устройства ввода аналоговой информации (УВАИ) (рис. 9.7) обеспечивают: ввод аналоговой информации от одного или нескольких датчиков (Д1—ДУУ) по линии связи (J1C) обычно в виде изменяющихся во времени значений постоянного тока или напря­жения; аналого-цифровое преобразование этой информации, т.е. превращение анало­гового сигнала в цифровой двоичный код, понятный ЭВМ; ввод цифровой информа­ции в ЭВМ для дальнейшей обработки.

Аналоговые сигналы, передаваемые от датчиков Д1 —Д/V, чувствительны к помехам, что требует при­нятия мер по их устране­нию, например, установки фильтров Ф. Для подключе­ния к УВАИ нескольких датчиков обычно использу­ют коммутатор, например, мультиплексор (МП), кото­рый поочередно подключа­ет датчики к аналого-циф­ровому преобразователю (АЦП). Ослабленные сигна­лы усиливаются с помощью усилителей Ус.

Выбор датчика (канала) осуществляет центральный процессор (ЦП), посылая по шине адрес ША, код адреса в порт ввода-вывода (ПВВ), где происходит выбор канала (ВК) и его подключение с помощью мультиплексора. Для правильного преобразова­ния в цифровую форму быстро изменяющихся аналоговых сигналов устанавливают блок выборки запоминания (БВЗ). Этот блок выбирает исходный сигнал, который за­поминается на время, необходимое для его полного преобразования АЦП. Выходной цифровой сигнал (ВЦС) с преобразователя АЦП поступает в ПВВ, который согласует его с сигналами шин данных (ШД) и управления (ШУ). ПВВ осуществляет управление вводом (УВ) информации из БВЗ в АЦП.

Основными характеристиками УВАИ являются: диапазон изменения входных ана­логовых сигналов; количество входных каналов, т.е. число подключаемых датчиков; время или скорость преобразования входных сигналов; число разрядов (бит) кода, выдаваемого в ЭВМ; погрешность преобразования АЦП.

Устройства вывода аналоговой информации выполняют действия, обратные УВАИ, т.е. обеспечивают прием от ЭВМ и преобразование с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) кодовых сигналов в аналоговые, которые используются для управления исполнительными механизмами, например, приводами выключателей или разъединителей. Выходные каналы при этом имеют гальваническую развязку с вне­шними цепями. Устройства вывода аналоговой информации имеют характеристики, аналогичные рассмотренным ранее для УВАИ.

Устройства ввода дискретной информации (УВДИ) предназначены для ввода в ЭВМ двухпозиционных сигналов и параллельного кода от кодовых датчиков. Дискретные сигналы, поступающие от датчиков (Д1-ДЛ) (рис. 9.8) отличаются продолжительнос­тью и важностью передаваемого сигнала. Так, например, датчик, контролирующий состояние коммутационного аппарата, может находиться в замкнутом или разомкну­том состоянии длительное время (часы, сутки и более). С другой стороны, датчики, фиксирующие аварийные режимы, например, устройство релейной защиты выдает сигнал, измеряемый десятками миллисекунд и требует немедленного реагирования. Имеются также датчики с большой частотой повторения сигналов, например, счетчи­ки расхода электроэнергии, требующие не только фиксации появления сигнала, но и подсчета их числа, которое определяет расход электроэнергии. В зависимости от свойств сигнала применяют различные схемы ввода дискретных сигналов.

Структурная схема ввода дискретных сигналов представлена на рис. 9.8. При замы­кании контакта датчика (Д1-ДЛ0 источник напряжения (ИН) создает ток в цепи уст­ройства для выравнивания уровней (ВУ), представляющего делитель напряжения, на выходе которого возникает сигнал. По линии связи (J1C) сигнал поступает на фильтр

(Ф), который подавляет поме­хи. Пороговые элементы (ПЭ) не пропускают сигналы низ­кого уровня (помехи). С выхо­да ПЭ сигнал поступает на формирователь импульсного сигнала (ФИС), который че­рез схему ИЛИ (1) переклю­чает триггер прерывания (ТП). Запрос прерывания (ЗП) с выхода ТП поступает на шину управления (ШУ). Централь­ный процессор (ЦП) выдает адрес группы датчиков и сиг­нал ввода. Порт ввода-вывода опознает адрес всей группы и при наличии разрешения на ввод подает управляющий сигнал на схему И логического устройства (ЛУ). С его выхода сигнал поступает в буферный регистр порта ввода-вывода (ПВВ) и далее на шину данных (ШД). Буферный регистр позволяет фиксировать не только продолжительные, но и кратковременные (импульсные) сигналы датчиков.

Число одновременно опрашиваемых датчиков обычно выбирается равным числу разрядов ЦП. Возможно выполнение ввода с индивидуальной проверкой каждого дат­чика. Вместо логического устройства устанавливается, например, при большом числе датчиков мультиплексор, управляемый контроллером ввода-вывода.

Устройство ввода дискретной информации характеризуется числом и уровнем входных сигналов; временем опроса всех входных каналов; способом ввода сигналов в ЭВМ (пассивным или инициативным).

Устройства вывода дискретной информации обеспечивают управление от ЭВМ различными двухпозиционными элементами, такими как сигнальные лампы, реле, а также устройствами с кодовым управлением. По принципу построения и основным характеристикам устройства вывода дискретной информации аналогичны УВДИ.

Информационно-управляющие системы на тяговых подстанциях

Применение в управлении тяговыми подстанциями микроЭВМ дает целый ряд преимуществ:

• повышение надежности выполнения всех функций управления за счет автома­тического самодиагностирования системы и более полного использования исходной информации, что позволяет системе управления принимать более обоснованные и до­стоверные управляющие решения;

• появление возможности решения новых задач управления, в том числе приме­нение новых устройств системной и технологической автоматики;

• осуществление функций, присущих устройствам телемеханики.

Вместе с тем высокая стоимость программного обеспечения, сложность его типи­зации, частая смена технических средств в связи с быстрым развитием вычислитель­ной техники, а также недостаточность опыта применения микроЭВМ для управления оборудованием тяговых подстанций и технологическими процессами на них создают определенные сложности.

Для их преодоления необходимо создавать многомашинные децентрализованные комплексы управления с иерархической структурой.

Структурная схема системы управле­ния нижнего уровня представлена на рис. 9.9.

Она включает в себя подсистемы, управля­ющие объектом (или группой объектов) в необходимом для каждого из них объеме.

Подсистема сбора и первичной обработ­ки информации вводит дискретную и ана­логовую информацию об объекте, прове­ряет ее достоверность и формирует необхо­димые для других подсистем массивы ин­формации. Дискретная информация о со­стоянии объектов (выключателей, разъеди­нителей, срабатывание устройств релейной защиты и автоматики и т.д.) обычно вво­дится циклически или спорадически по зап­росу решаемых задач управления, от дат­чиков — по запросу прерывания. Аналого-

вая информация (значение тока, напряжения и др.) вводится циклически. Показания расхода электроэнергии снимаются со счетчика со скоростью не более 5 импульсов в секунду. Для наиболее ответственных устройств (релейная защита и противоаварийная автоматика) периодичность сбора информации составляет 1-2 мс, а для остальных функций в пределах до 30 с в зависимости от контролируемого параметра.

В соответствии с этим в подсистеме выделяется быстродействующий сбор инфор­мации — для задач аварийных режимов и средний или медленнодействующий — для задач нормального режима. Для обеспечения достоверности введенной информации используют различные методы: многократное сравнение текущих значений одного и того же параметра, измеренного по одному или разным каналам, проверка известных физических или логических соотношений между значениями различных параметров и т.д.

Подсистема контроля, диагностирования и прогнозирования предусматривает решение задач по комплексной оценке состояния объектов управления. К ним относятся: распозна­вание режима работы объекта, обнаружение неисправностей и их местонахождения, кон­троль изоляции, электробезопасности и др. Подсистема может контролировать и вычислять различного рода интегрированные показатели, в том числе определять потери электро­энергии, оценивать правильность работы объекта и его систем управления.

Подсистема автоматического управления решает задачи, установленные для дан­ного конкретного объекта, в соответствии с режимом его работы (защита от коротких замыканий, АПВ, АВР, программно-логическое управление). К функциям релейной защиты предъявляют наиболее высокие требования по надежности и быстродействию. Отказы должны быть исключены.

Подсистема хранения и предъявления информации обеспечивает размещение про­грамм решения задач контроля и управления, инструктивной и нормативно-справоч­ной информации, о его текущем и прошлом (за определенный период) состоянии. Подсистема должна иметь возможность накопления данных отдельных параметров объек­та, выдачи информации для решения других задач, а также отображения на индикато­рах, а при необходимости и документирования.

Подсистема диалоговой связи циклически и спорадически передает информацию, объем которой устанавливается в зависимости от вида объекта, режима его работы и места данной системы в общей иерархической системе управления подстанцией. По инициативе объекта передается (отображается и документируется) информация о со­бытиях и параметрах аварийного и послеаварийного режимов; при возникновении ре­жима, опасного для людей; при отклонениях значений текущих параметров от расчет­ных; коммутационных переключениях и т.д.

Диалоговая связь должна обеспечивать автоматический обмен информацией с другими системами управления, а также общение с человеком: с оперативным персо­налом, для которого надо иметь наиболее простой, близкий к естественному язык общения; с обслуживающим персоналом, производящим проверку, настройку, изме­нение уставок и т.д., со сложными специализированными языками.

На рис. 9.10 представлена структурная схема системы управления подстанцией. Подсистемы, которые в нее входят, выполняют задачи контроля и управления на об- щеподстанционном уровне. Назначение подсистем сбора и первичной обработки ин­формации, хранения и представления информации, отображения, документирования и диалоговой связи аналогично ранее рассмотренным для систем нижнего уровня.

Подсистема контроля, диагностики и прогнозирования состояния и режима ра­боты подстанции выполняет следующие функции: регистрирует аварийные значения параметров режима, переключения коммутационной аппаратуры, срабатывания ре­лейной защиты и автоматики; определяет ресурс высоковольтных выключателей и транс­форматоров; контролирует состояние преобразовательных агрегатов, нагрев проводов контактной сети, изоляцию высоковольтного оборудования, время работы оборудова­ния под нагрузкой и при перегрузках, плавку гололеда.

Решение этих задач может предусматриваться периодически или по запросу опе­ративного персонала подстанции и энергодиспетчерского пункта.

Подсистема ретроспективного анализа аварий включает в себя определение места повреждения и расстояния до него, а также правильности функционирования релей­ной защиты и автоматики.

Подсистема контроля режимов, опасных для людей и окружающей среды наряду с другими функциями предусматривает контроль электробезопасности при выполне­нии работ, их места и времени проведения.

Подсистемы управления в аварийном и послеаварийном режимах — релейная за­щита, автоматика повторного включения, автоматика включения резерва осуществля­ют управление при отказе выполнения этих функций системами нижнего уровня.

Подсистема управления в нормальном и утяжеленном режимах осуществляет про­граммное переключение оборудования; регулирование мощности подстанции и уровня напряжения на шинах распределительных устройств; учет расхода и потерь электро­энергии; автоматическую разгрузку подстанции.

На этом уровне предусматривается отображение и документирование информа­ции о работе подстанции, ее передача в установленном объеме на энергодиспетчерс­кий пункт и выполнение его команд, т.е. функции телеконтроля и телеуправления.

Организация решения задач и распределение технических средств предусматрива­ют последовательную, параллельную и последовательно-параллельную обработку ин­формации. Из-за большого объема решаемых задач последовательная обработка может занять недопустимо большое время. В связи с этим с учетом состояния микропроцес­сорной техники предпочтительна последовательно-параллельная обработка информа­ции, предусматривающая децентрализацию технических средств и соответствующее распределение задач по ним.

Для подстанций возможно создание различных вариантов микропроцессорных управляющих систем, отличающихся по структуре, составу решаемых задач и их рас­пределению.

Системы управления могут быть разделены на группы: регистры событий, много­канальные устройства защиты параметров аварийных режимов, устройств релейной за­щиты и автоматики, информационно-управляющие комплексы. Для их создания исполь­зуются микропроцессорные устройства с длиной обрабатываемых слоев не менее 8 бит.

Регистры событий запоминают все события, происходящие на подстанции, в том числе последовательность срабатывания релейной защиты и переключений коммутаци­онной аппаратуры с последующей передачей информации на энергодиспетчерский пункт.

Их применение существенно ускоряет анализ аварийных ситуаций и восстановление электроснабжения. Их используют на распределительных подстанциях энергосистем.

В состав регистров входят: микроЭВМ, оснащенная модулем ввода дискретных сиг­налов; цифропечатающие устройства, например, телетайп или устройства записи на маг­нитную ленту, дискету; электронные часы (таймер); модули сопряжения с каналом связи.

Применяют два вида регистров:

централизованный, если на подстанции имеется одно устройство; децентрализо­ванный, при наличии нескольких устройств, распределенных по отдельным группам объектов.

Для оценки общей обстановки на диспетчерских пунктах устанавливаются цент­ральные системы регистрации событий, собирающие информацию от нескольких ре­гистров и обобщающие ее. Для тяговых подстанций регистрация событий предусматри­вается как одна из задач информационно-управляющей системы.

Структурная схема микропроцессорной релейной защиты приведена на рис. 9.11. При­менение микроЭВМ для выполнения функций релейной защиты обусловлено ее широ­кими функциональными возможностями, позволяющими создать унифицированное ус­тройство релейной защиты различных объектов с характеристиками срабатывания прак­тически любой сложности. Информация о состоянии объекта зашиты, например, фиде­ра контактной сети поступает в устройство релейной защиты через измерительные транс­форматоры тока и напряжения, а о положении выключателей фидеров — от датчиков положения выключателей. Входные согласующие устройства (промежуточные трансфор­маторы и фильтры) осуществляют гальваническое разделение цепей и защиту от про­никновения помех в электронные цепи. Для согласования выходных сигналов микро ЭВМ по форме и мощности с сигналами управления исполнительными механизмами устанавливают выходные согласующие устройства, которые осуществляют функции, ана­логичные функциям входных согласующих устройств. Для уменьшения влияния помех желательно связь микроЭВМ с внешними устройствами выполнять по волоконно-опти- ческим каналам. Основой микроЭВМ является центральный процессор (ЦП), запомина­ющие устройства — постоянное (ПЗУ) и оперативное (ОЗУ), модули ввода аналоговых, дискретных, а также вывода дискретных сигналов и уставок от модуля уставок.

Информационно-управляющие комплексы (ИУК) выполняют совокупность задач, предусмотренных структурами систем нижнего и верхнего уровня управления подстан­циями. Они основываются на единой информационной базе и имеют централизован­ную или децентрализованную структуру технических средств и выполняемых задач. Микропроцессорный информационно-управляющий комплекс «Подстанция» предназначен для оперативного контроля и управления режимами и оборудованием тяговых подстанций, обеспечения энергодиспетчерского пункта необходимой инфор­мацией и выполнения его команд.

Структурная схема микропроцессорного ИУК “Подстанция” представлена на рис. 9.12. Комплекс имеет двухуровневую структуру, состоит из функционально авто­номных систем:

• локальных систем управления первого уровня;

• центральной системы управления второго уровня;

• системы связи, отображения и документирования.

Локальные системы децентрализованы по группам однотипных объектов тяговых подстанций, которые функционально объединены для осуществления приема, преоб­разования и распределения электроэнергии железнодорожным и районным потребите­лям. На первом этапе создания комплекса каждая локальная система содержит одну, общую для всех объектов микроЭВМ с возможностью модульного наращивания мик­роЭВМ в составе системы. Эти системы имеют быстродействующие каналы связи с объектами через датчики аналоговой и дискретной информации, выходные цепи уп­равления. Они имеют также возможность автоматического взаимообмена информацией через центральную систему по межсистемной магистрали связи. Последняя предназна­чена для информационно-управляющих функций на общеподстанционном уровне, ко­ординации и диагностики действия локальных систем, резервирования отдельных их функций и наряду с медленнодействующими каналами связи с объектами имеют и быстродействующие каналы.

В состав системы входят: центральный процессор, дисплей Д с клавиатурой, циф­ропечатающее устройство ЦПУ, внешнее запоминающее устройство ВЗУ и аппаратура передачи данных (модем) для связи с энергодиспетчерским пунктом ЭДП. Связь с персоналом подстанции, ЭДП, а также отображение и документирование информа­ции требуют сравнительно большого времени. Для того, чтобы не отвлекать локальные системы от непрерывного слежения за работой подстанции, все эти функции сосредо­точены в специальной системе связи, отображения и документирования информации.

По завершении цикла обработки информации все другие системы передают массивы информации с большой скоростью в систему связи. Порядок их доступа к системе связи обеспечивается установленными приоритетами передаваемой информации.

Автоматизация работы энераодиспетчерских пунктов

Автоматизированная система диспетчерского управления (АСДУ) представляет собой комплекс средств вычислительной техники, сбора, передачи и отображения информации, программ и методов, обеспечивающих наряду с планированием режи­мов оперативное и автоматическое управление технологическим процессом производ­ства, передачи и распределения электроэнергии. Мощным толчком развития АСДУ послужило внедрение микропроцессорной техники. МикроЭВМ нашли широкое при­менение при создании новых средств телемеханики и передачи информации, для авто­матизации диспетчерского управления. Автоматизация труда энергодиспетчера вызвана его большой напряженностью и высокой ответственностью. Использование компью­терной техники для решения оперативных и режимных задач, возникающих в практи­ческой деятельности энергодиспетчера, позволяет повысить производительность и ка­чество труда, сократить задержки поездов за счет наиболее полного использования пропускной способности по устройствам электроснабжения, ускорить принятие реше­ний в экстремальных ситуациях, автоматизировать процессы послеаварийных пере­ключений. Использование микроЭВМ для создания систем автоматического регулиро­вания, устройств системной и противоаварийной автоматики, релейной защиты по­зволяет облегчить труд энергодиспетчера, повысить надежность и экономичность ра-

На рис. 9.13 представлена структурная схема построения АСУ на диспетчерских пунктах в за­висимости от расположения энергодиспетчерско­го пункта на иерархической лестнице структуры АСУЭ. Различают энергодиспетчерские пункты отделений дороги (ЭЧЦ), управлений дороги ЦЦП-Э и энергодиспетчерский пункт Департамен­та электрификации и электроснабжения МПС (ЦЭ МПС). Эти пункты взаимодействуют с АСУ пере­возочным процессом (АСУ ПП) через вычисли­тельные комплексы (ВК) и управляющие вычис­лительные комплексы (УВК).

Линейные подразделения электроснабжения (тяговые подстанции, посты секционирования, районы контактной сети, станции), на которых установлены микропроцессорные комплексы (МПК) релейной защиты, автоматики и телеме­ханики или персональные ЭВМ (ПЭВМ), обме­ниваются информацией с энергодиспетчерским пунктом ЭЧЦ отделения дороги. На ЭЧЦ разме­щают управляющий вычислительный комплекс (УВК), состоящий как минимум из двух УВМ (ос­новной и резервной), в качестве которых исполь­зуются микроЭВМ. Во избежание больших затрат на первом этапе развития АСУЭ связь между тяго­выми подстанциями, постами секционирования, станциями и УВК на ЭЧЦ осуществляется через

существующую систему телемеханики. Для этого аппаратуру ТС ДП и ТУ ДП подклю­чают к УВК через специальные устройства сопряжения системы телесигнализации (УСТС) и системы телеуправления (УСТУ) с УВК.

В качестве УСТС и УСТУ могут быть использованы специально изготовленные устройства или программируемые контроллеры, микроЭВМ. Достоинством такого пути является скорейшая и наименее трудоемкая организация автоматического обмена ин­формацией между УВК и линейными подразделениями системы электроснабжения.

Однако при этом остаются не связанными с УВК ЭЧЦ микропроцессорные комплексы — на контролируемых пунктах КП1—КП-и тяговых подстанций и райо­нов контактной сети. По мере развития линий и средств связи можно будет перейти ко второму этапу организации обмена информацией между линейными подразделе­ниями КП-й?—КП-/и и УВК ЭЧЦ, установив на них персональные ЭВМ (ПЭВМ). В перспективе ПЭВМ заменяют существующую систему телемеханики.

Использование на ЭЧЦ УВК дает возможность на обоих этапах применять все режимы работы ЭВМ: счетный, информационный, управляющий.

Приемная аппаратура телесигнализации ТС ДП с частотным и временным разде­лением каналов подключается к УВК через УСТС. Для телеуправления объектами на КП по командам УВК имеется связь УВК с передатчиками ТУ ДП устройства УСТУ, которое способно формировать команды ТУ для передачи с частотным и временным разделением сигналов.

На каждом диспетчерском пункте создается автоматизированное рабочее место (АРМ) энергодиспетчера (рис. 9.14), которое оборудовано алфавитно-цифровым дис­плеем Д и цветным ЦД, печатающим устройством ЦПУ для каждого диспетчерского круга. Для отображения информации об однолинейных схемах подстанций, схемах контактной сети станций и перегонов ЦД подключается к УВК через систему отобра­жения диспетчерской информации СОДИ. Дисплеи Д подключаются к УВК через мультиплексор передачи данных МПД, который поочередно подключает их к УВК. Скорость работы МПД велика и поэтому пользователи не замечают разделения во времени работы дисплеев Д.

От УВК ЭЧЦ информация передается на следующий энергодиспетчерский уро­вень управления дороги ЦДПЭ по специально выделенному каналу связи, который оснащен модемами М на передающей и приемной сторонах. Автоматизированные сис темы управления ЦДПЭ принимают обобщенную информацию с уровня отделения дороги, обмениваются информацией с ЭЧЦ нескольких отделений дороги. В этих сис­темах обмена информацией отсутствует система телеуправления объектами по команде ЭВМ, поэтому режимами работы УВК будут счетный и информационный, с которы­ми могут справиться микроЭВМ или ПЭВМ, работающие в мультипрограммном ре­жиме. Каналы отделений дорог подключаются к УВК через МПД. Применение на ЦДПЭ СОДИ цветных графических дисплеев позволяет избежать установки громоздких и до­рогостоящих диспетчерских щитов, а машинный обмен информацией между ЭЧЦ и ЦДПЭ избавляет от дорогостоящей и медленнодействующей системы ретрансляции сигналов телемеханики.

Аналогичные требования удовлетворяет АСУ на самом высоком уровне — ЦЭ МПС. С ЦЦПЭ управления дороги информация может передаваться в МПС через ин­формационно-вычислительные центры (ИВЦ), связанные с Главным вычислитель­ным центром МПС (ГВЦ).

Использование на диспетчерских пунктах УВК позволяет возложить на них реше­ние ряда задач, входящих в практическую деятельность энергодиспетчеров. Управляю­щая вычислительная машина позволяет решать задачи, которые ранее не решались или их решение основывалось на опыте и интуиции энергодиспетчера.

Прием и обработка телемеханической информации производится с помощью средств технического и программного обеспечения. К средствам технического обеспе­чения относится устройство связи системы телесигнализации (УСТС) с УВК, состоя­щее из приемных запоминающих буферов, блоков центрального управления, блоков текстовой проверки, микропроцессорного модуля, блока питания. Приемные запоми­нающие модули выполнены в двух вариантах: для системы с частотным разделением каналов связи и для системы с временным разделением каналов. Информация поступа­ет от ТС асинхронно, каждый буфер принимает и запоминает информацию своего канала автономно.

После записи серии информации каждый буфер сигнализирует блоку централь­ного управления свою готовность передавать информацию управляющей вычислитель­ной машине. Из УСТС информация передается 16-разрядными словами (16 бит). Каж­дая серия ТС, состоящая из 124 бит считывается восемью словами. К ним УСТС добав­ляет девятое адресное слово для того, чтобы управляющая вычислительная машина УВМ могла идентифицировать массивы информации, относящиеся к разным каналам. В микропроцессорном модуле еще до ввода в УВМ определяется наличие изменений в принятой серии телемеханики. Если изменения отсутствуют, то серия в УВМ не вво­дится. Кроме того, микропроцессорный модуль накапливает и определяет информацию телеизмерения в заданном интервале времени, а затем передает ее в УВМ. Информа­ция, поступающая в УВМ, специальной программой помещается в промежуточный буфер. После заполнения буфера включается программа, организующая разбор буфера и формирование массивов телесигнализации на магнитном диске. С магнитного диска информация может быть выведена на экран дисплея для отображения текущего состо­яния аппаратуры на контролируемых пунктах.

Для оперативного принятия решения о межпоездных интервалах в вынужденных режимах работы системы электроснабжения используется имитационное моделирова­ние системы электроснабжения. Для задания схем питания и параметров тяговой сети необходимо определить токи во всех ее звеньях, потери напряжения, потери энергии, мощности подстанций на основе математического обеспечения вычислительной тех­ники. На экране дисплея графически отображаются: схема питания участка, профиль пути, результаты расчета на каждом шаге моделирования и ведение протокола расчета.

При организации пропуска поездов в вынужденных режимах электроснабжения, например, при отключении одной или нескольких подстанций, необходимо увеличить интервалы между поездами. Цель расчетов состоит в разработке рекомендаций энерго-

диспетчеру об интервалах времени между соседними поездами в зависимости от их массы и профиля участка пути. Межпоездные интервалы определяет управляющая вы­числительная машина УВМ для каждого конкретного случая, дает рекомендации по обеспечению максимальной пропускной способности с учетом возникающих ограни­чений по устройствам электроснабжения.

Для настройки релейных защит рассчитываются токи короткого замыкания. В сис­теме АСДУ функционирует специальная программа для решения этой задачи. Характе­ристика межподстанционной зоны, графическая схема питания участка, место корот­кого замыкания и результаты расчета отображаются на экране дисплея.

Для поиска места короткого замыкания в тяговой сети на железнодорожных стан­циях со сложной схемой питания и секционирования используют метод пробных вклю­чений, который требует длительного периода времени. В АСДУ решение этой задачи возлагается на УВМ, для чего все питающие фидеры контактной сети снабжаются датчиками сопротивления петли короткого замыкания. Результаты измерений по систе­ме ТС передаются на УВМ, сравниваются с результатами расчетов этих же параметров при повреждениях в различных точках схемы тягового электроснабжения. На основа­нии такого сравнения УВМ определяет место короткого замыкания.

Для выявления отказов релейной защиты осуществляется анализ ее работы. Сведе­ния о работе релейной защиты при коротком замыкании на перегоне передаются автоматически по системе ТС в УВМ. После установления места короткого замыкания рассчитываются токи короткого замыкания питающих фидеров и определяются те виды защит, которые при этом должны были сработать. УВМ сравнивает данные, получен­ные по системе ТС о фактической работе защиты, с расчетными и указывает на неис­правные виды защит. Эти сведения позволяют оперативно выявить отказы устройств релейной защиты.

Для автоматизации учета расходов и потерь энергии информация от счетчиков рас­ходов и потерь электроэнергии поступает на концентратор-переработчик, где она мо­жет накапливаться в течение суток. По запросу энергодиспетчера информация о расхо­дах и потерях энергии передается несколькими сериями телесигнализации на диспет­черский пункт и автоматически вводится в УВМ. На этот период (не более 20 с) теку­щая телесигнализация автоматически отключается. Информация, поступившая в УВМ, при необходимости выводится на печать по соответствующей форме.

Таким образом, АРМ ЭЧЦ решает задачи автоматизированного управления уст­ройствами электроснабжения электрифицированных железных дорог. АРМ ЭЧЦ пред­ставляет собой программные средства, устанавливаемые на оснащенном сетью ETHERNET компьютерном комплексе энергодиспетчерского пункта. АРМ ЭЧЦ реали­зует функции автоматизации, включающие подготовку и производство переключений (под контролем энергодиспетчера), ведение базы данных энергодиспетчерского круга. С помощью АРМ энергодиспетчер может осуществить быстрый перевод схем электро­снабжения в аварийные и вынужденные режимы работы путем выбора и запуска на выполнение оперативного приказа из базы данных ранее подготовленных и хранящих­ся в АРМ наборов переключений. В состав функций АРМ ЭЧЦ обычно включается ком­пьютерный расчет переключений при указании энергодиспетчером участков схем, на которые необходимо подать напряжение или с которых необходимо снять напряжение.

АРМ ЭЧЦ представляет энергодиспетчеру средства для приема и выполнения заявок на проведение ремонтных, профилактических и иных работ на электрифи­цированных участках железных дорог. При этом автоматически контролируются права и допуски на выполнение работ указанного в заявках персонала, наличие всех пере­ключений по подготовке места работы бригады. Контролируется возможность вы­полнения переключений для восстановления схемы при наличии нескольких бри­гад, работающих на общем участке. АРМ ЭЧЦ ведет журнал утвержденных заявок и журнал приказов.

Система автоматизированного учета

электроэнергии

Автоматизация учета потребления электроэнергии в рамках АСДУ или АСУЭ пред­приятиями железнодорожного транспорта позволяет решать целый ряд задач:

• обеспечение многотарифного (до 4-х тарифов) учета электроэнергии и фикса­ция по каждому тарифу максимальной получасовой мощности;

• графическое и табличное представление текущих данных и данных за любой отчетный период (сутки, месяц, квартал, год) по каждому месту учета;

• передача данных с подстанций, где ведется по каналу энергодиспетчерской свя­зи и коммутируемым телефонным каналам автоматически или по запросу;

• формирование базы данных по расходу электроэнергии;

• вывод на экран и документирование текущих данных и данных за любой отчет­ный период;

• выполнение команды энергодиспетчера по дистанционному обслуживанию системы;

• хранение данных при перерывах питания;

• защита данных от несанкционированного доступа;

• самодиагностика системы с выдачей сбоев и рекомендаций энергодиспетчеру.

Круг решаемых задач и функциональных возможностей систем автоматизирован­ного учета электроэнергии постоянно расширяется. Эффективное решение перечис­ленных выше задач, оперативное управление электроснабжением потребителей, со­кращение потерь электроэнергии, совершенствование текущего и долгосрочного пла­нирования электропотребления в большинстве случаев возможно только при автома­тизации учета и контроля расхода и потерь электроэнергии.

Автоматизированным называется учет, при котором сбор, передача, обработка и воспроизведение измерительной информации осуществляется автоматически, а зада­ние алгоритмов и программ выполнения этих операций, а также уставок и других пока­зателей, необходимых для их выполнения, производится человеком.

Автоматизированный учет и контроль позволяют обеспечить требуемую полноту и достоверность получаемой информации, унификацию форм отчетных документов, опе­ративность обработки текущей информации, сокращения численности персонала, не­обходимого для осуществления учета электроэнергии. Согласно Правил учета электро­энергии (ПУЭ) предусматривается расчетный и технический учет электроэнергии.

Расчетный (коммерческий) учет электроэнергии предназначен для осуществления финансовых расчетов между электроснабжающей организацией и потребителями элек­троэнергии, а также для контроля за соблюдением потребителем установленных лими­тов, норм и режимов электропотребления.

Счетчики, используемые для расчетного учета, называются соответственно рас­четными. Они устанавливаются, как правило, на вводах подстанции со стороны выс­шего напряжения или на вводах распределитель­ных устройств, от которых питается электричес­кая тяга, а также на отходящих от подстанций линиях, питающих районные и железнодорож­ные нетяговые потребители.

Технический (контрольный) учет предназна­чен для контроля расхода электроэнергии внутри предприятия (по отдельным участкам, агрегатам и т.д.). Счетчики, осуществляющие технический учет, соответственно называются счетчиками тех­нического учета.

Структурная схема информационно-изме­рительной системы учета и контроля электро-

энергии представлена на рис. 9.15. Здесь предусмотрены прямые каналы (линии) связи JTC от электрических счетчиков I, 2, ..., N до информационно-вычислительного уст­ройства (ИВУ) системы, выполняющего предварительную обработку информации, поступающей от счетчиков. Для последующей обработки информации предусмотрен выход с ИВУ на устройство регистрации УР, устройство диспетчера УД и на автомати­зированную систему управления АСУ нижнего (подстанционного) уровня. Система дает возможность вести учет получаемой и отдаваемой электроэнергии для расчетов с электроснабжающими предприятиями по многоставочному тарифу.

Система может также использоваться для технического учета в цехах промышлен­ных предприятий, для межцехового учета, на подстанциях, в районах электроснабже­ния в качестве нижней ступени АСУЭ.

Автоматизированная система коммерческо-технического учета электроэнергии (АСКУЭ) на базе измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) предназначена для измерения и учета электрической энергии, автоматического сбора, накопления, хранения, обработ­ки и отображения полученной информации. Структурная схема АСКУЭ представлена на рис. 9.16. С тяговых подстанций информация, снимаемая с электронных счетчиков через последовательный интерфейс RS-485 и узел связи, передается на диспетчерский круг ЭЧЦ по каналам связи ТС/ТУ. Сервер (центральный управляющий компьютер диспетчерского пункта) через интерфейс RS-232C получает информацию от узлов связи, осуществляет ее переработку, хранение, при необходимости воспроизводит на дисплее или передает по факсу через автоматическую телефонную станцию (АТС) по нужному адресу.

В АСКУЭ в качестве измерителей расхода электроэнергии применяются счетчики Альфа. Передача данных от счетчиков осуществляется по каналам ТС/ТУ системы теле­механики с использованием специальных модемов (узлов связи). Полоса частот, занима­емая в канале связи, соответствует первому частотному каналу телемеханики «Лисна».

Использование АСКУЭ позволяет:

применять до 4-х дифференцированных во времени тарифов на электроэнергию и вы­полнять расчет платы за электроэнергию; вычислять отклонения от договорной величины заявленной мощности за отчетный период; вести общую и раздельную получасовую (за любой отчетный период) обработку информации от каждой подстанции и по всем подстан­циям, получающим питание от одной энергосистемы; анализировать суточный график на­грузки с определением принятых в энергетике показателей; выдавать данные о максималь­ной получасовой мощности за заданный отчетный период в пределах одной энергосистемы; передавать информацию с ЭВМ «Энергоучета» (сервера) с помощью модемной связи по коммутируемым телефонным каналам в вышестоящие структуры учета электроэнергии. Используемый в АСКУЭ многофункциональный микропроцессорный счетчик элек­трической энергии типа Альфа предназначен для учета активной и реактивной энергии, а также для передачи измеренных или вычисленных параметров на диспетчерский пункт.

Структурная схема счетчика Альфа представлена на рис. 9.17. Счетчик состоит из измерительных датчиков напряжения (резистивный делитель) и тока ( трансформатор тока), которые подключаются с одной стороны к трансформаторам напряжения и тока контролируемых цепей, с другой — к СБИС измерения; микроконтроллера, воздейству­ющего на электронные реле и дисплей счетчика; интерфейсов для обмена информацией с другими устройствами по импульсным или цифровым каналам; запоминающих уст­ройств — постоянного (ПЗУ) и оперативного (ОЗУ); импульсного источника питания и стабилизатора напряжения, обеспечивающих питание счетчика в нормальном режиме работы; литиевой батареи, обеспечивающей питание основных устройств во время пере­рыва питания счетчика переменным напряжением -U_п дисплея, позволяющего осуще­ствлять просмотр данных коммерческого учета и других вспомогательных данных.

Преобразование и умножение сигналов напряжения и тока осуществляется изме­рительной схемой СБИС. Эта схема содержит три группы аналого-цифровых преобра­зователей (АЦП) и высокопроизводительный микропроцессор (МП). На основе выбо­рок напряжения и тока МП производит расчет требуемых величин. Тактовая частота 6,2208 МГц подается от генератора, выполненного на внешнем кристалле кварца. Эта частота используется СБИС и микроконтроллером, расположенным на той же плате.

Микроконтроллер обладает мощными функциональными возможностями, вклю­чая внутренние драйверы для управления жидкокристалльным индикатором (ЖКИ), ПЗУ и ОЗУ, аппаратные средства UART (универсальная асинхронная схема приема/ передачи). Кварцевый генератор с частотой 32,768 кГц обеспечивает точность хода +2 минуты в месяц внутренних часов календаря счетчика. При перерывах в подаче питания энергия поступает от суперконденсатора, который имеет емкость, достаточ­ную для поддержания работы памяти и календаря в течение нескольких часов. После разряда конденсатора литиевая батарея обеспечивает хранение данных в течение дли­тельного времени (до 2-3 лет) в зависимости от температуры окружающей среды.

Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) может работать в одном из трех режи­мов: нормальном, вспомогательном и тестовом. Счетчик всегда работает в нормальном режиме до тех пор, пока не будут нажаты кнопки ALT или TEST, или пока не будет обнаружена ошибка в работе узлов счетчика. Во всех режимах работы отображаемые на дисплее величины, их последовательность и время отображения устанавливается с по­мощью программного обеспечения.

Нормальный режим используется обычно для отображения данных, используемых для коммерческих расчетов. В нормальном режиме счетчик обрабатывает, сохраняет и выводит на ЖКИ параметры, которые были запрограммированы пакетом программ.

Вспомогательный режим используется для отображения вспомогательных данных. Последовательность показа вспомогательных данных на ЖКИ также осуществляется пакетом программ. Это режим устанавливается путем кратковременного нажатия кноп­ки ALT. По истечении одного цикла вспомогательного режима счетчик автоматически возвращается к нормальному режиму работы.

Режим тестирования используется для проверки счетчика. В этом режиме измере­ние энергии не отражается на показаниях счетчика, зафиксированных в нормальном режиме работы счетчика. В режим тестирования можно перейти двумя способами: на­жатием кнопки TEST; заданием режима с помощью персонального компьютера.

С целью унифицированного применения, в зависимости от необходимых требова­ний, счетчик может быть различных модификаций.

Обозначение С8, не расшифрованное в обозначении счетчиков, относится к допол­нительной плате реле. Применяется несколько типов таких плат. В частности, С8 — плата с шестью полупроводниковыми реле плюс последовательный интерфейс «токовая петля».