Содержание:

• Компоненты GenericX
• IED (Intelligent Electronic Device) Core
• Sync Core
• NRP (Network Redundancy Protocol) Core
• Generic Card
• Generic IED
• Коммуникационные решения для сетей высокой готовности (HSR/PRP)
• Компактные цифровые преобразователи Generic MU

GenericX комплексные программно-аппаратные решения по созданию интеллектуальных электронных устройств (IED) для "Цифровой подстанции". Решения включают в себя поддержку полного перечня информационных протоколов и сервисных механизмов "Цифровой подстанции".

GenericX является технологическим базисом, позволяющим разрабатывать IED устройства различного функционального назначения.

GenericX позволяет значительно сократить сроки разработки, гарантировать информационную совместимость устройств и обеспечить соответствие решений международным требованиям и стандартам. Предлагаемый подход предусматривает разделение программно-аппаратного блока GenericX и блока прикладного алгоритмического обеспечения (программно-аппаратного, либо только программного). Информационный обмен прикладной алгоритмической части устройств осуществляется через элементы GenericX, обеспечивающие работу соответствующих информационных протоколов, соблюдение регламентов передачи и обработки данных, корректность интерпретации данных и поддержку необходимого для информационной совместимости уровня вариативности реализации протоколов. GenericX позволяет пользователю сосредоточиться на реализации алгоритмов и функционального наполнения устройств, не затрачивая ресурсы на трудоемкую реализацию информационных протоколов ЦПС.

Программно-аппаратная реализация протоколов "Цифровой подстанции" обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики, не требует выделения вычислительных и коммуникационных ресурсов прикладного ядра. В частности, синтез программной и аппаратной части обеспечивает высокую точность синхронизации по протоколу PTP (IEC 61588), надежность и независимость работы резервированных коммуникационных интерфейсов (протоколы PRP/HSR, IEC 62439-3), снижение нагрузки прикладного ядра при работе с потоковыми данными (включая, IEC 61850-9-2), информационную устойчивость при высокой коммуникационной нагрузке (включая GOOSE шторм) и т.д.

В основу u1088 решений GenericX положены результаты многолетней работы компании по разработке интеллектуальных электронных устройств (IED), собственный стек реализации информационных протоколов, оригинальные программно-аппаратные решения.

Компоненты GenericX

GenericX включает в себя три базовых компонента^*:

• NRP Core - программно-аппаратная реализация протоколов резервирования коммуникационной среды PRP/HSR (IEC 62439-3). Компонент обеспечивает прозрачную интеграцию в коммуникационную сеть высокой готовности;
• Sync Core - программно-аппаратная реализация календарной и инструментальной синхронизации. Компонент включает в себя программно-аппаратную реализацию протокола высокоточной временной синхронизации PTP (стандарт IEC 61588, IEEE 1588 Ed 2.0);
• IED Core - программно-аппаратная реализация протоколов и сервисных механизмов протокола IEC 61850, являющегося ин формационно-коммуникационной основой "Цифровой подстанции".

IED (Intelligent Electronic Device) Core

IED Core - базовая часть GenericX, реализующая поддержку группы протоколов IEC 61850. Программно-аппаратная реализация протоколов обеспечивает достижение следующих эффектов:

1. Программная независимость. Клиент-серверная часть IEC 61850-8-1 является одним из самых сложных в реализации разделов стандарта, так как предусматривает большое количество инкапсулированных протоколов и значительную вариативность реализации каждого из них. Отлаженная программно-аппаратная реализация IEC 61850-8-1, входящая в состав IED Core, позволяет сделать прикладное алгоритмическое ядро устройства независящим от вариантов реализации информационного протокола, что сильно упрощает его разработку, делает поведение IED устройства значительно более детерминированным и повышает информационную совместимость устройств.

2. Оперативность. IED Core включает поддержку механизмов приема и передачи GOOSE сообщений, которые являются одними из самых коммуникационно-непредсказуемых элементов "Цифровой подстанции". IED Core позволяет с одной стороны оградить основное ядро IED от посторонних GOOSE сообщений (адресованных иным устройствам, повторных сообщений и т.д.), а с другой стороны упростить процесс отправки собственных GOOSE сообщений, сняв с прикладного алгоритмического ядра работу по регулярной обработке периодических сообщений, генерации спорадических последовательностей и т.д.

3. Производительность. IED Core поддерживает протокол IEC 61850-9-2 (прием). Данный протокол характеризуется самым большим объемом коммуникационной активности на "Цифровой подстанции". Объем передаваемой информации весьма значительный и требует больших вычислительных ресурсов на его обработку и фильтрацию. IED Core обеспечивает предварительную обработку поступающей информации, включая фильтрацию данных, самостоятельную обработку опциональных полей, флагов качества, контроль мгновенных значений по уставкам пользователя и вычисление базовых электрических величин по пользовательской конфигурации (например, с.к.з. на периоде).

Sync Core

Sync Core - является компонентом, обеспечивающим календарную и инструментальную синхронизацию создаваемого IED устройства, и предусматривает программно-аппаратную реализацию интерфейсов 1PPS, IRIG-B и протокола PTP (IEC 61588, IEEE 1588 Ed. 2.0).

NRP (Network Redundancy Protocol) Core

Основным методом повышения надежности коммуникационной сети "Цифровой подстанции" (ЦПС) является ее резервирование, осуществляемое с использованием специализированных протоколов для сетей высокой готовности: PRP - протокол параллельного резервирования, либо HSR - протокол кольцевого резервирования (IEC 62439-3). NRP Core содержит программно-аппаратную реализацию обоих протоколов. Протоколы резервирования предусматривают значительный объем сервисного коммуникационного трафика, а также большое количество дублированной информации (фактически, IED Устройство в PRP/HSR сети испытывает удвоенную коммуникационную нагрузку). NRP Core включает в себя поддержку требуемого протоколами сервисного коммуникационного обмена, фильтрацию дублированной информации, обеспечивая при этом требуемые показатели оперативности, высвобождение вычислительных ресурсов прикладного алгоритмического ядра и минимизацию времени обработки коммуникационных пакетов.

Generic Card

Generic Card - программно-аппаратная реализация решений GeneriсX, выполненная в форм-факторе карты расширения PCI-express и предназначенная для установки в IBM PC совместимый компьютер под управлением ОС Linux. Модельный ряд Generic Card предусматривает карты расширения с различными интерфейсами синхронизации, включая аппаратную поддержку PTP, различным количеством и набором коммуникационных интерфейсов, поддержкой технологий резервирования коммуникационной сети.

Дополнительно плата Generic Card реализует функции сетевого адаптера, что позволяет пользователю организовать информационный обмен по другим протоколам (целевой трафик перехватывается и обрабатывается платой, но может быть также доступен прикладному алгоритмическому ядру, сторонний трафик пропускается без обработки).

Комплектность встраиваемого решения включает в себя набор программных библиотек (API) и комплект средств разработки (SDK).

Встраиваемое решение Generic Card обеспечивает:

• простоту разработки прикладного алгоритмического ядра;
• возможность использования IBM PC совместимого компьютера в качестве программно-аппаратной платформы для исполнения прикладного алгоритмического ПО;
• простоту наращивания производительности прикладного алгоритмического ядра и объемов постоянной и энергонезависимой памяти;
• возможность интеграции со сторонним ПО.

Generic IED

Generic IED - программно-аппаратная реализация решений GeneriсX, выполненная в форм-факторе электронного блока. Generic IED является законченным комплексным решением для создания собственных IED устройств. Устройство оснащено необходимым набором коммуникационных интерфейсов, двумя интерфейсами электропитания (резервированный вход AC/DC), цветным сенсорным экраном. Форм-фактор аппаратного исполнения предусматривает монтаж в панель (ANSI 6'').

Аппаратное исполнение обеспечивает климатическую и механическую устойчивость, ЭМС (IEC 61850-3). Архитектура аппаратного решения является масштабируемой - предусмотрена возможность наращивать производительность вычислительного ядра, эквивалентную емкость ПЛИС, объем оперативной и постоянной (энергонезависимой) памяти. Generic IED может быть оснащен различными типами коммуникационных интерфейсов (типы разъемов, среда передачи данных) и поддерживает Ethernet интерфейсы до 1 Гбит/с.

Аппаратное исполнение включает в себя операционную систему реального времени, под управлением которой исполняется следующее программное обеспечение:

• сервисное программное обеспечение, обеспечивающее поддержку коммуникационных протоколов ЦПС и информационных механизмов;
• драйверы аппаратного обеспечения;
• прикладное алгоритмическое ядро.

Коммуникационные решения для сетей высокой готовности (HSR/PRP)

Ключевым вопросом построения "Цифровой подстанции" является надежность коммуникационной сети, так как отказ одного этого элемента может привести к неработоспособности всей системы управления подстанцией.

Существующим решением данной проблемы является использование коммуникационных сетей высокой готовности - применение протокола параллельной избыточности РRP или протокола бесшовной избыточности с высокой готовностью HSR (IEC 62439-3). Устройства, работающие с данными протоколами, должны поддерживать определенный набор сервисных протокольных функций и иметь достаточно высокую коммуникационную производительность.

Поддержка данных протоколов производителями оборудования займет определенное время, связанное с наращиванием коммуникационной производительности устройств и реализацией самих протоколов. Следует учитывать, что протоколы обладают определенной сложностью и требуют значительной вычислительной и коммуникационной производительности устройств, что приводит к необходимости разработки новых устройств (реализация данных протоколов на базе существующих устройств не представляется возможной). Переход к сетям с резервированием потребует значительной модернизации доступных на данный момент решений для "Цифровой подстанции".

Устройство без поддержки HSR/PRP

Помимо приведенных технических сложностей, имеет место вопрос экономической целесообразности - для многих видов устройств поддержка протоколов резервирования является заведомо избыточной. В связи с этим возникает задача обеспечения коммуникационной связности устройств, поддерживающих протоколы резервирования и не поддерживающие их.

Для решения данной задачи стандарт IEC 62439 предусматривает использование специализированных коммуникационных адаптеров (Red Box), обеспечивающих выполнение сервисных функций протокола, разбор дублированных пакетов и трансляцию отфильтрованных данных устройству, не поддерживающему данные протоколы (SAN - Single Attached Node).

Коммуникационный адаптер для сетей высокой готовности с параллельным резервированием (PRP) использует NRP ядро GenericX. Данное устройство предназначено для подключения оборудования, оснащенного интерфейсом Ethernet, к сети с параллельным резервированием (PRP, IEC 62439-3).

Коммуникационный адаптер может быть оснащен различными типами коммуникационных интерфейсов (медь/оптика, широкая номенклатура типов разъемов), включая вариант совмещения функций устройства с медиаконвертером для случая, когда среда передачи в резервированной сети и коммуникационный интерфейс устройства различны.

Компактные цифровые преобразователи Generic MU

Полевой уровень "Цифровой подстанции" включает в себя интеллектуальное первичное электрооборудование (например, электронные измерительные трансформаторы) или традиционное первичное оборудование, оснащенное полевыми преобразователями (Stand Alone Merging Units).

Полевые преобразователи позволяют интегрировать существующее высоковольтное оборудование с аналоговыми и дискретными интерфейсами в состав технологической шины "Цифровой подстанции", позволяя при этом производить поэтапный переход к "цифровым" цепям. При использовании полевых преобразователей достигается большая часть технико-экономических эффектов, связанных с внедрением полевого уровня "Цифровой подстанции", при этом не требуется замена дорогостоящего высоковольтного оборудования, возможны варианты совмещения "цифровой" и "аналоговой" шины (часть подстанции работает по традиционной схеме, а другая часть в рамках подхода "Цифровой подстанции").

Опыт внедрения полевых преобразователей показал, что размещение габаритных полевых преобразователей в открытом распределительном устройстве (ОРУ) подстанции достаточно затруднено. С другой стороны, установка полевых преобразователей на подстанции не исключает потребности в шкафах цепей тока и цепей напряжения (шкафы клеммных сборок).

На основании данного опыта специалистами ИТЦ Континуум была разработана линейка компактных полевых преобразователей, допускающих их размещение в ограниченном объеме (например, в существующих шкафах клеммных сборок). Устройства поддерживают протокол IEC 61850-9-2, включая редакцию 2.0 и спецификацию 9-2LE, клиент-серверное взаимодействие по протоколу IEC 61850-8-1 и широкий набор сервисных протоколов для поддержки процессов эксплуатации.

Корпус устройства обеспечивает высокую механическую прочность, а использование специализированной элементной базы и дополнительные технические решения - широкие климатические характеристики устройства, позволяющие использовать его без u1076 дополнительного обогрева на большей части территории РФ.

Технические решения, примененные при разработке встраиваемых полевых преобразователей, предусматривают возможность безразрывного подключения к вторичным цепям, при этом измерительные датчики совмещены с выносными модулями АЦП. Для цепей тока использованы измерительные модули с размыкаемым датчиком, что позволяет производить подключение без нарушения целостности вторичных цепей, а следовательно без увеличения риска их разрыва и снижения надежности вторичных цепей, сопровождающего использование дополнительных переходных клеммных сборок. Для цепей напряжения предусмотрено использование модулей прокалывающего типа, либо подключение в клемму. Данные технические решения позволяют значительно снизить габариты полевого преобразователя, упростить монтажные работы, повысить надежность и отказоустойчивость электроники.

Линейка встраиваемых полевых преобразователей включает в себя полевые преобразователи: для цепей тока (измерительный и защитный), для цепей напряжения, комбинированные, устройства с дискретными входами и выходами, а также устройства, предназначенные для управления коммутационным оборудованием, мониторингом силовых трансформаторов и т.д.