Система автоматической генерации функциональных блоков для автоматизации цифровых подстанций МЭК 61850
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ,
КОММУНИКАЦИИ И РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 12
1.1 Краткий обзор литературы 15
1.2 Разумные сети электроснабжения Smart Grid 16
1.3 Проектирование на основе управления моделями (MDE) 17
1.4 Многоуровневая модель архитектуры Smart Grid 18
1.5 Стандарт МЭК 61850 для спецификации цифровых подстанций (ЦПС) 21
1.5.1 Представление конфигурации ЦПС на языке SCL 21
1.5.2 Описание устройств 24
1.5.3 Описание логических узлов 25
1.6 Стандарт МЭК 61499 для построения распределенных систем управления 27
1.6.1 Архитектура системы 27
1.6.2 Функциональные блоки 29
1.6.3 Инструментальная система NxtStudio 30
1.7 Выводы 32
2 МЕТОДИКА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНО¬
БЛОЧНОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕГРУЗОК ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ МЭК 61850 33
2.1 Схемы защиты от перегрузок на основе МЭК 61850 33
2.2 Основные положения методики 38
2.3 Разработка Prolog-представлений исходной и целевой моделей 39
2.3.1 Prolog-представление конфигурации ЦПС 39
2.3.2 Prolog-представление функциональных блоков МЭК 61850 43
2.4 Разработка правил трансформации исходной модели в целевую модель 46
2.4.1 Графовые правила трансформации 46
2.4.2 Правила преобразования SCL-Prolog в FB-Prolog 50
2.5 Разработка программного обеспечения для поддержки методики 53
2.5.1 Общая структура программного обеспечения 53
2.5.2 Транслятор SCL XML-описания в SCL Prolog-представление ЦПС 54
2.5.3 Преобразователь SCL Prolog-представления в FB Prolog-представление 59
2.5.4 Транслятор Prolog-представления функциональных блоков в их XML-
описание для проектов nxtStudio 62
2.5.5 Пример использования 63
2.6 Выводы 66
3. МЕТОДИКА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ СИСТЕМ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ МЭК 61499, РЕАЛИЗУЮЩИХ ЧЕЛОВЕКО¬
МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС 68
3.1 Человеко-машинный интерфейс в системе автоматизации ЦПС 68
3.2 Основные положения методики 69
3.3 Создание библиотеки CAT-блоков для HMI 70
3.4 Разработка графовой модели 71
3.5 Размещение элементов HMI 73
3.6 Трассировка соединений на основе алгоритма Ли 74
3.7 Генерация системы функциональных блоков 80
3.8 Разработка транслятора SCD-описаний ЦПС в системы функциональных блоков
3.8.1 Структура транслятора 81
3.8.2 Алгоритмы работы и структуры данных 83
3.8.3 Примеры использования 102
3.9 Выводы 103
Заключение 105
Список использованных источников 108
Приложение А - Свидетельство о регистрации программы 113
Приложение Б - Грамоты за участие в конференциях 115
1 ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ,
КОММУНИКАЦИИ И РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 12
1.1 Краткий обзор литературы 15
1.2 Разумные сети электроснабжения Smart Grid 16
1.3 Проектирование на основе управления моделями (MDE) 17
1.4 Многоуровневая модель архитектуры Smart Grid 18
1.5 Стандарт МЭК 61850 для спецификации цифровых подстанций (ЦПС) 21
1.5.1 Представление конфигурации ЦПС на языке SCL 21
1.5.2 Описание устройств 24
1.5.3 Описание логических узлов 25
1.6 Стандарт МЭК 61499 для построения распределенных систем управления 27
1.6.1 Архитектура системы 27
1.6.2 Функциональные блоки 29
1.6.3 Инструментальная система NxtStudio 30
1.7 Выводы 32
2 МЕТОДИКА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНО¬
БЛОЧНОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕГРУЗОК ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ МЭК 61850 33
2.1 Схемы защиты от перегрузок на основе МЭК 61850 33
2.2 Основные положения методики 38
2.3 Разработка Prolog-представлений исходной и целевой моделей 39
2.3.1 Prolog-представление конфигурации ЦПС 39
2.3.2 Prolog-представление функциональных блоков МЭК 61850 43
2.4 Разработка правил трансформации исходной модели в целевую модель 46
2.4.1 Графовые правила трансформации 46
2.4.2 Правила преобразования SCL-Prolog в FB-Prolog 50
2.5 Разработка программного обеспечения для поддержки методики 53
2.5.1 Общая структура программного обеспечения 53
2.5.2 Транслятор SCL XML-описания в SCL Prolog-представление ЦПС 54
2.5.3 Преобразователь SCL Prolog-представления в FB Prolog-представление 59
2.5.4 Транслятор Prolog-представления функциональных блоков в их XML-
описание для проектов nxtStudio 62
2.5.5 Пример использования 63
2.6 Выводы 66
3. МЕТОДИКА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ СИСТЕМ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ МЭК 61499, РЕАЛИЗУЮЩИХ ЧЕЛОВЕКО¬
МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС 68
3.1 Человеко-машинный интерфейс в системе автоматизации ЦПС 68
3.2 Основные положения методики 69
3.3 Создание библиотеки CAT-блоков для HMI 70
3.4 Разработка графовой модели 71
3.5 Размещение элементов HMI 73
3.6 Трассировка соединений на основе алгоритма Ли 74
3.7 Генерация системы функциональных блоков 80
3.8 Разработка транслятора SCD-описаний ЦПС в системы функциональных блоков
3.8.1 Структура транслятора 81
3.8.2 Алгоритмы работы и структуры данных 83
3.8.3 Примеры использования 102
3.9 Выводы 103
Заключение 105
Список использованных источников 108
Приложение А - Свидетельство о регистрации программы 113
Приложение Б - Грамоты за участие в конференциях 115
Актуальность работы.
Smart Grid - интеллектуальная сеть нового поколения. Основные её преимущества над традиционной системой электроснабжения:
- интеллектуализация сети
- способность самоконтроля и предоставление информации о любом участнике сети.
- высокая надежность сети. Даже при переключении источника, пользователь не заметит сбоев.
- повышение эффективности за счёт уменьшения потери в проводах и оптимального распределения нагрузки.
Современная Smart Grid представляет собой сложную киберфизическую систему включающую множество датчиков, исполнительных механизмов, котроллеров и сетей передачи данных. Киберфизические системы (КФС) являются атрибутом четвертой промышленной революции (Индустрия 4.0).
Внедрение Smart Grid также поставило задачу разработки устройств для управления электроэнергией безопасным и эффективным способом. Системы защиты играют важную роль в энергетических системах, так как они независимо контролируют безопасность и непрерывность энергоснабжения, а также качество энергии получаемое конечным потребителем.
Коммуникация между элементами сети Smart Grid и оперативным персоналом осуществляется посредством Human Machine Interface (HMI). Важность HMI сложно переоценить - независимо от степени автоматизации, именно операторы играют ключевую роль при принятии важных решений (особенно это актуально в чрезвычайных ситуациях).
Для контроля работы сети был введён стандарт МЭК 61850, в котором описаны правила совместимости протоколов систем автоматизации подстанции в виде множества объектно-ориентированного представления данных.
Одной из важнейших частей Smart Grid являются системы управления, представляющие кибернетическую часть КФС.
Стандарт МЭК 61499 описывает парадигму управления, на основе которой строится вся система управления. В качестве единицы управления выступают функциональные блоки.
Широкое внедрение интеллектуальных сетей электроснабжения нового поколения (сетей Smart Grid) и цифровых подстанций (ЦПС) определяет необходимость автоматизации большинства этапов их проектирования, включая разработку человеко-машинного интерфейса (HMI). Автоматизация проектирования позволит существенно снизить вероятность возникновения ошибок, а также сократить стоимость и сроки проектирования.
Исходя из вышесказанного, необходима разработка новых методов и средств для создания и проектирования систем управления сетями электроснабжения нового поколения на основе современных международных стандартов.
Объект исследования.
Интеллектуальные сети электроснабжения Smart Grid.
Предмет исследования.
Методы и средства автоматизации проектирования систем управления на основе стандарта МЭК 61499 для цифровых подстанций МЭК 61850.
Целью диссертационного исследования является разработка методик автоматической генерации функциональных блоков для автоматизации цифровых подстанций МЭК 61850.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе должны быть решены следующие задачи:
1) Обзор и анализ методов проектирования систем управления, коммуникации и релейной защиты современных систем электроснабжения.
2) Разработка методики автоматической генерации функционально-блочной модели системы защиты от перегрузок для цифровых подстанций МЭК 61850 (Методика 1).
3) Разработка методики автоматической генерации систем функциональных блоков стандарта МЭК 61499, реализующих человеко-машинный интерфейс для цифровых подстанций МЭК 61850 (Методика 2).
4) Разработка инструментальной подсистемы для поддержки Методики 1.
5) Разработка инструментальной подсистемы для поддержки Методики 2.
Научная новизна:
1) Предложена методика генерации ФБ, реализующих HMI для автоматизации ЦПС МЭК 61850, отличающаяся от существующих возможностью внесения изменений в структуру начальной сети для генерации оптимизированной системы управления, что позволяет значительно упрощать (или усложнять) системы управления, но только если это необходимо.
2) Разработан модифицированный алгоритм Ли, отличающийся от известных возможностью соединения не только узла с узлом, но и узла с уже проложенным соединением, причем в качестве исходной вершины для распространения волны всегда выбирается неподключенная вершина или вершина с наименьшей степенью связности, что позволяет ускорить процесс трассировки пути и уменьшить общее время работы алгоритма, а также повысить читабельность экранных представлений электрических схем в HMI;..
Smart Grid - интеллектуальная сеть нового поколения. Основные её преимущества над традиционной системой электроснабжения:
- интеллектуализация сети
- способность самоконтроля и предоставление информации о любом участнике сети.
- высокая надежность сети. Даже при переключении источника, пользователь не заметит сбоев.
- повышение эффективности за счёт уменьшения потери в проводах и оптимального распределения нагрузки.
Современная Smart Grid представляет собой сложную киберфизическую систему включающую множество датчиков, исполнительных механизмов, котроллеров и сетей передачи данных. Киберфизические системы (КФС) являются атрибутом четвертой промышленной революции (Индустрия 4.0).
Внедрение Smart Grid также поставило задачу разработки устройств для управления электроэнергией безопасным и эффективным способом. Системы защиты играют важную роль в энергетических системах, так как они независимо контролируют безопасность и непрерывность энергоснабжения, а также качество энергии получаемое конечным потребителем.
Коммуникация между элементами сети Smart Grid и оперативным персоналом осуществляется посредством Human Machine Interface (HMI). Важность HMI сложно переоценить - независимо от степени автоматизации, именно операторы играют ключевую роль при принятии важных решений (особенно это актуально в чрезвычайных ситуациях).
Для контроля работы сети был введён стандарт МЭК 61850, в котором описаны правила совместимости протоколов систем автоматизации подстанции в виде множества объектно-ориентированного представления данных.
Одной из важнейших частей Smart Grid являются системы управления, представляющие кибернетическую часть КФС.
Стандарт МЭК 61499 описывает парадигму управления, на основе которой строится вся система управления. В качестве единицы управления выступают функциональные блоки.
Широкое внедрение интеллектуальных сетей электроснабжения нового поколения (сетей Smart Grid) и цифровых подстанций (ЦПС) определяет необходимость автоматизации большинства этапов их проектирования, включая разработку человеко-машинного интерфейса (HMI). Автоматизация проектирования позволит существенно снизить вероятность возникновения ошибок, а также сократить стоимость и сроки проектирования.
Исходя из вышесказанного, необходима разработка новых методов и средств для создания и проектирования систем управления сетями электроснабжения нового поколения на основе современных международных стандартов.
Объект исследования.
Интеллектуальные сети электроснабжения Smart Grid.
Предмет исследования.
Методы и средства автоматизации проектирования систем управления на основе стандарта МЭК 61499 для цифровых подстанций МЭК 61850.
Целью диссертационного исследования является разработка методик автоматической генерации функциональных блоков для автоматизации цифровых подстанций МЭК 61850.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе должны быть решены следующие задачи:
1) Обзор и анализ методов проектирования систем управления, коммуникации и релейной защиты современных систем электроснабжения.
2) Разработка методики автоматической генерации функционально-блочной модели системы защиты от перегрузок для цифровых подстанций МЭК 61850 (Методика 1).
3) Разработка методики автоматической генерации систем функциональных блоков стандарта МЭК 61499, реализующих человеко-машинный интерфейс для цифровых подстанций МЭК 61850 (Методика 2).
4) Разработка инструментальной подсистемы для поддержки Методики 1.
5) Разработка инструментальной подсистемы для поддержки Методики 2.
Научная новизна:
1) Предложена методика генерации ФБ, реализующих HMI для автоматизации ЦПС МЭК 61850, отличающаяся от существующих возможностью внесения изменений в структуру начальной сети для генерации оптимизированной системы управления, что позволяет значительно упрощать (или усложнять) системы управления, но только если это необходимо.
2) Разработан модифицированный алгоритм Ли, отличающийся от известных возможностью соединения не только узла с узлом, но и узла с уже проложенным соединением, причем в качестве исходной вершины для распространения волны всегда выбирается неподключенная вершина или вершина с наименьшей степенью связности, что позволяет ускорить процесс трассировки пути и уменьшить общее время работы алгоритма, а также повысить читабельность экранных представлений электрических схем в HMI;..
В ходе выполнения данной работы были получены следующие научные и практические результаты:
1) Предложена методика генерации ФБ, реализующих HMI для автоматизации ЦПС МЭК 61850, отличающаяся от существующих возможностью внесения изменений в структуру начальной сети для генерации оптимизированной системы управления, что позволяет значительно упрощать (или усложнять) системы управления, но только если это необходимо.
2) Разработан модифицированный алгоритм Ли, отличающийся от известных возможностью соединения не только узла с узлом, но и узла с уже проложенным соединением, причем в качестве исходной вершины для распространения волны всегда выбирается неподключенная вершина или вершина с наименьшей степенью связности, что позволяет ускорить процесс трассировки пути и уменьшить общее время работы алгоритма, а также повысить читабельность экранных представлений электрических схем в HMI;
3) Предложена методика автоматической генерации функционально-блочной модели системы защиты от перегрузок для цифровых подстанций МЭК 61850, которая отличается выделением главного элемента защиты, отключение которого выводит из строя всю систему, что позволяет использовать алгоритмы достижения консенсуса вследствие чего система будет крайне устойчивой.
4) Разработана библиотека ФБ, моделирующих и визуализирующих типы устройств на ЦПС, а также управляющих ими;
5) Разработан автоматический транслятор, преобразующий исходное SCD- описание ЦПС в систему ФБ, реализующую HMI, который в дальнейшем может интегрироваться в систему автоматизации ЦПС в целом. В рамках разработки данного транслятора:
6) Разработан способ представления описания ЦПС на языке Prolog. Данный метод является универсальным и достаточно легко адаптируемым в случае внесения изменений в стандарт МЭК 61850.
7) Разработан способ представления ФБ на языке Prolog
8) Предложен способ трансляции SCL-Prolog в FB-Prolog на основании правил преобразования.
9) Разработан автоматический транслятор для получения Prolog- представления описания сети Smart Grid на основе SCD - описания.
10) Разработан автоматический транслятор FB-Prolog описания ЦПС в систему ФБ, реализующую HMI. В рамках разработки данного транслятора:
11) Выведена формула для преобразования матрицы узлов в матрицу устройств. Данная формула позволяет размещать на плоскости графовую модель соединительных узлов, а затем превращать её в модель устройств, поскольку не из каждого описание сети можно сразу построить графовую модель устройств.
12) Предложен способ получения графовых моделей сети Smart Grid на основе её описания. Возможно получение 2 вариантов графа: граф соединительных узлов и граф устройств
13) Выведена формула для преобразования матрицы узлов в матрицу устройств. Данная формула позволяет размещать на плоскости графовую модель соединительных узлов, а затем превращать её в модель устройств, поскольку не из каждого описание сети можно сразу построить графовую модель устройств.
В ходе работы над магистерской в Роспатенте были зарегистрированы следующие программы для ЭВМ:
Транслятор SCL-описаний цифровых подстанций МЭК 61850 в набор фактов языка Пролог. №2018613272 от 19.01.2018
Транслятор SCL-описаний в функционально-блочное представление человеко-машинного интерфейса электроподстанций IEC 61850 № 2018612517 от 27.12.2017
Функционально-блочная модель защиты от перегрузок цифровых подстанций МЭК 61850 (в процессе регистрации).
Направлением дальнейших исследований является добавление поддержки различных языков описания подстанций и возможность реализовывать различные элементы управления, а не только схемы защиты.
1) Предложена методика генерации ФБ, реализующих HMI для автоматизации ЦПС МЭК 61850, отличающаяся от существующих возможностью внесения изменений в структуру начальной сети для генерации оптимизированной системы управления, что позволяет значительно упрощать (или усложнять) системы управления, но только если это необходимо.
2) Разработан модифицированный алгоритм Ли, отличающийся от известных возможностью соединения не только узла с узлом, но и узла с уже проложенным соединением, причем в качестве исходной вершины для распространения волны всегда выбирается неподключенная вершина или вершина с наименьшей степенью связности, что позволяет ускорить процесс трассировки пути и уменьшить общее время работы алгоритма, а также повысить читабельность экранных представлений электрических схем в HMI;
3) Предложена методика автоматической генерации функционально-блочной модели системы защиты от перегрузок для цифровых подстанций МЭК 61850, которая отличается выделением главного элемента защиты, отключение которого выводит из строя всю систему, что позволяет использовать алгоритмы достижения консенсуса вследствие чего система будет крайне устойчивой.
4) Разработана библиотека ФБ, моделирующих и визуализирующих типы устройств на ЦПС, а также управляющих ими;
5) Разработан автоматический транслятор, преобразующий исходное SCD- описание ЦПС в систему ФБ, реализующую HMI, который в дальнейшем может интегрироваться в систему автоматизации ЦПС в целом. В рамках разработки данного транслятора:
6) Разработан способ представления описания ЦПС на языке Prolog. Данный метод является универсальным и достаточно легко адаптируемым в случае внесения изменений в стандарт МЭК 61850.
7) Разработан способ представления ФБ на языке Prolog
8) Предложен способ трансляции SCL-Prolog в FB-Prolog на основании правил преобразования.
9) Разработан автоматический транслятор для получения Prolog- представления описания сети Smart Grid на основе SCD - описания.
10) Разработан автоматический транслятор FB-Prolog описания ЦПС в систему ФБ, реализующую HMI. В рамках разработки данного транслятора:
11) Выведена формула для преобразования матрицы узлов в матрицу устройств. Данная формула позволяет размещать на плоскости графовую модель соединительных узлов, а затем превращать её в модель устройств, поскольку не из каждого описание сети можно сразу построить графовую модель устройств.
12) Предложен способ получения графовых моделей сети Smart Grid на основе её описания. Возможно получение 2 вариантов графа: граф соединительных узлов и граф устройств
13) Выведена формула для преобразования матрицы узлов в матрицу устройств. Данная формула позволяет размещать на плоскости графовую модель соединительных узлов, а затем превращать её в модель устройств, поскольку не из каждого описание сети можно сразу построить графовую модель устройств.
В ходе работы над магистерской в Роспатенте были зарегистрированы следующие программы для ЭВМ:
Транслятор SCL-описаний цифровых подстанций МЭК 61850 в набор фактов языка Пролог. №2018613272 от 19.01.2018
Транслятор SCL-описаний в функционально-блочное представление человеко-машинного интерфейса электроподстанций IEC 61850 № 2018612517 от 27.12.2017
Функционально-блочная модель защиты от перегрузок цифровых подстанций МЭК 61850 (в процессе регистрации).
Направлением дальнейших исследований является добавление поддержки различных языков описания подстанций и возможность реализовывать различные элементы управления, а не только схемы защиты.
Подобные работы
- СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ
ГЕНЕРАЦИИ МОДЕЛЕЙ ЦИФРОВЫХ
ПОДСТАНЦИЙ МЭК 61850
Бакалаврская работа, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4650 р. Год сдачи: 2022