Введение к работе
Актуальность темы.
С появлением на рынке систем автоматизированного управления и контроля технологических процессов объектов энергетики большого числа производителей возникла проблема обеспечения совместимости разных устройств в рамках одной системы.
Указанные факторы определяют значительное ужесточение требований к достоверности и оперативности контроля, а также точности измерений технологических параметров электрических подстанций.
Так как «внешняя» совместимость практически полностью определяется реализацией информационных обменов между центральной приемопередающей станцией и контролируемыми пунктами (КП), актуальным стал выбор базового (унифицированного) протокола (БП). При выборе протокола должна учитываться эффективность использования предоставленного канала связи и возможность достижения высокого уровня достоверности информации
Весомый научный вклад в развитие теоретических основ создания систем автоматизированного управления и контроля в энергетике, принципов повышения их быстродействия, надежности, и достоверности внесли СЕ. Shanon, В.А. Котельников, Хэмминг Р.В., С.А. Лебедев, Шмидт Д., Золотарёв В.В., R.C. Bose, Richardson Т., Прангашвили И.В., Митюшкин К.Г., Питерсон У., Касами Т., Блейхут Р., Шастова Г.А., Зюко А.Г., L.D. Grey, E.N. Gilbert, M.I.O. Golay, А.А. Харкевич.
Для автоматизированных систем управления энергообеспечением (АСУЭ), которые ориентированы на применение цифровых каналов связи в качестве базового выбран протокол МЭК 60870-5-104 , поэтому актуальным является анализ параметров систем управления энергообеспечением, использующих БП. Так как БП должен учитывать множество вариантов его использования, потери в оперативности передачи информации по каналам связи и достоверности информационных обменов в АСУЭ неизбежны, что делает актуальной задачу их минимизации.
Современные требования, относящиеся к выполнению управления для объектов энергетики достаточно точно и жестко описаны в ГОСТ 26.205 и МЭК 870-4-93: вероятность искажения команды телеуправления не должна превышать 10"14; вероятность потери команды телеуправления не должна превышать 10~14 ; вероятность передачи ложного контрольного сообщения не должна превышать ш .
Представленные выше требования к достоверности информации и надежности функционирования автоматизированных систем управления энергообеспечением в настоящее время не выполняются, в результате реальный уровень достоверности информации не удовлетворяет требованиям стандартов.
Очевидно, что оперативность и достоверность зависят от решения комплексной задачи - оптимизации программной реализации и аппаратных решений устройств АСУЭ. Однако часто использование БП не связывается с разра-
боткой или доработкой аппаратуры с целью согласования структуры и алгоритма работы составных частей АСУЭ с идеологией БП. Как правило, БП поддерживается уже существующими АСУЭ вне зависимости от того, насколько оптимально он реализуется. В результате ожидаемый эффект от унификации информационных обменов практически сводится к нулю.
Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на разработку методов повышения эффективности информационных обменов в автоматизированных системах управления технологическими процессами энергообеспечения при использовании базового протокола МЭК 60870-5.
Цель работы -разработка теоретических подходов к повышению эффективности использования протоколов МЭК 60870-5, устройств и методов кодирования и передачи информационных сигналов, в совокупности обеспечивающих повышение оперативности и достоверности информационных обменов в автоматизированных системах управления технологическими процессами энергообеспечения.
Задачи исследований. Для достижения целей диссертационной работы необходимо решение следующих задач:
провести теоретические исследования возможности повышения эффективности информационных обменов в автоматизированных системах управления энергообеспечением;
разработать средства повышения оперативности информационных обменов при использовании протоколов МЭК 60870-5 в автоматизированных системах управления энергообеспечением;
разработать средства повышения достоверности информационных обменов в АСУЭ;
провести экспериментальные исследования для оценки эффективности предложенных решений.
Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследований составили основные положения теории кодирования информации, теории вероятности, теории автоматизированного управления технологическими процессами, теории надежности, принципы конструирования электрических схем.
Научная новизна. При проведении исследований в рамках данной диссертационной работы получены новые научные результаты:
Предложена методика определения реального быстродействия системы управления энергообеспечением, заключающаяся в учете всех искажений и задержек в процессе передачи данных, в соответствии с которой вероятное время доставки информации от датчиков в приемник в пять раз больше времени передачи одного информационного сообщения по каналу связи.
Предложена методика оценки влияния структуры устройства центрального контроллера на реальное быстродействие системы, заключающаяся в анализе и определении необходимого количества буферов передачи информации при использовании протокола информационных обменов по стандарту МЭК 60870-5-104.
Предложен метод определения реального времени событий, заключающийся в использовании системы относительных меток времени, включая индивидуальные, определяющие временные сдвиги между первым и каждым последующим «событием», а также общую метку для всех «событий», зафиксированных источником информации, обеспечивающий требуемую точность привязки событий к системному времени для любых типов некоммутируемых каналов связи.
Предложен метод повышения быстродействия информационных обменов для магистральных каналов связи, заключающийся в использовании приоритетного спорадического мониторинга магистральных объектов. Например, при контроле 64 объектов, подключенных к одному магистральному каналу связи, быстродействие возрастает более, чем в 16 раз, а в случае трех магистральных каналов в 9 раз по сравнению со стандартным методом.
Предложен эффективный метод обнаружения искажений и повышения достоверности информации, заключающийся в совмещении процедур ввода и кодирования информации, обеспечивающий не только достоверную идентификацию состояния объекта, но и обнаружение и идентификацию неисправности (обрыв или короткое замыкание) цепей связи с датчиками.
Теоретическая и практическая значимость результатов, полученных в ходе проведения диссертационных исследований, заключается в разработке методов и средств, которые в составе автоматизированных систем управления энергообеспечением обеспечивают повышение показателей оперативности и достоверности информационных обменов при контроле состояния оборудования электрических подстанций. Предложенные в работе методы и средства можно использовать в системах управления электрическими подстанциями, тяговыми подстанциями объектов электрифицированных железных дорог, водозаборными и водонасосными станциями, магистральными нефте- и газопроводами, в системах энергоснабжения промышленных предприятий и объектов ЖКХ.
В ходе экспериментальных испытаний пропускной способности каналов связи была подтверждена высокая сходимость с результатами теоретических исследований. Так расхождение экспериментально полученных коэффициентов эффективности с теоретически рассчитанными составило не более 5 %. Была экспериментально подтверждена высокая эффективность предложенной методики приоритетного спорадического мониторинга состояний КП, выражающейся в повышении скорости информационных обменов на 1-2 порядка.
Самостоятельное практическое значение имеют:
устройство ввода и кодирования дискретных сигналов, в котором для
реализации двух этапов опроса и кодирования используются одни и те же узлы,
что максимально повышает глубину диагностики работоспособности и досто
верность информации, а также оперативность реакции АСУЭ на аварийную
ситуацию;
методика расчета уровня достоверности информационных обменов, учитывающая влияние всех элементов канала передачи данных, в соответствии с которой вероятность необнаруживаемого искажения дискретных сигналов не превышает 10"12"
методика проведения экспериментальных исследований для оценки эффективности использования пропускной способности магистрального канала связи при проведении приоритетного спорадического мониторинга;
программное обеспечение для формирования команд управления силовым оборудованием электрических подстанций
Теоретическая и практическая значимость полученных результатов работы подтверждена свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ № №2014618019. Результаты теоретических исследований, проведенных в ходе вьтолнения диссертационной работы, используются в учебном процессе кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Национального исследовательского университета "МИЭТ" в лекционных и практических занятиях по дисциплинам : " Теория систем и системный анализ", " Информационные технологии", "Основы теории информации и кодирования" и включены в отчет «Разработка способов и устройств измерения и управления параметрами силового энергетического оборудования» (шифр "Прорыв").
Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим совпадением теоретически рассчитанных и практически полученных данных, что доказывает корректность предложенной автором методологии.
Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:
-разработка методики определения реального быстродействия системы управления энергообеспечением;
-создание методики оценки влияния параметров центрального контроллера на реальное быстродействие и другие параметры устройств системы при использовании протокола информационных обменов по стандарту МЭК 60870-5-104; -разработка метода определения реального времени событий на основе системы относительных меток времени;
-разработка метода повышения быстродействия информационных обменов для магистральных каналов связи на основе спорадического мониторинга магистральных объектов;
-разработка метода и устройства ввода и кодирования дискретных сигналов состояния силового оборудования электрических подстанций; -разработка методики расчета уровня достоверности информационных обменов; -разработка методики проведения экспериментальных исследований для оценки эффективности использования пропускной способности магистрального каната связи в автоматизированных системах управления энергообеспечением. На защиту выносятся:
результаты анализа современного состояния и тенденций развития ав
томатизированных систем управления энергообеспечением;
средства повышения оперативности информационных обменов при использовании протоколов МЭК 60870-5 в автоматизированных системах управления энергообеспечением, включая методики определения и оценки влияния структуры устройства центрального контроллера на реальное быстродействие системы, методы формирования системы относительных меток времени и приоритетного спорадического мониторинга магистральных объектов;
средства повышения достоверности информационных обменов в автоматизированных системах управления энергообеспечения, включая метод обнаружения искажений и повышения достоверности информации, устройство ввода и кодирования дискретных сигналов состояния силового оборудования электрических подстанций, методику расчета уровня достоверности информационных обменов;
методику и результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности использования предложенных решений в автоматизированных системах управления энергообеспечением
Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на Международной научной конференции «Информационные технологии в науке, управлении, социальной сфере и медицине» (Томск, 2014 г); XVIII Международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (СПБГУ, Санкт Петербург, 2014г.); Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2012- 2018 г.г.), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2014 -2016 г.г.), 3-ей Международной конференции с элементами научной школы "Актуальные проблемы энергосбережения и эффективности в технических системах". (Тамбов, 2016), IV Международной научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Энергосбережение и эффективность в технических системах" (Тамбов, 2017), 3rd International Conference on E-Learning and E-Educational Technology (ICELEET - 2015, Bern, Switzerland -April 12 -13, 2015) Sixth International Conference on Internet Technologies & Applications (Wrexham, North Wales,2015); XLTV Международной конференции " Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе" IT + S&EM5 (Гурзуф, 2015 г); IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (Moscow, MIET, 2017-2018); IEEE NW Russia Young Researches in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW) (St. Petersburg, 2016), 83rd International Conference on Science, Technology, Engineering and Management (ICSTEM) (Sydney, Australia, 2016), Ivth International Conference on Engineering and Telecommunication (EnT) (IEEE) (Moscow, 2017).
Публикации по работе. Основное содержание диссертации отражено в 30 опубликованных работах, в том числе 5 статей в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК и 7 в материалах конференций, включенных в международ-
ную реферативную базу данных SCOPUS. Автором получено свидетельство РФ на программу для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 153 страниц основного текста, 34 рисунка и 6 таблиц, список литературы из 122 наименования, приложения на 24 страницах. В приложениях приведены документы о внедрении результатов диссертационной работы, результаты научных достижений автора, а также фрагменты листингов разработанного программного обеспечения.