RU2792831C1 - Device of cluster digital substation - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: device used in automation systems for electric power facilities. The cluster digital substation device consists of a modular chassis equipped with a backplane, with two communication modules installed in it, two power modules and at least one computing module, while each communication module contains four external interfaces for connecting to digital networks, two communication gateways, a processor and a switch, a computing module contains a switch and at least one processor, the backplane contains data exchange buses between each computing and communication module and power supply buses, while in each communication module one communication gateway is connected via two external interfaces to redundancy segments A and B of the external station bus, and another communication gateway is connected via two other external interfaces to redundancy segments A and B of the external process bus.

EFFECT: implementation of the cluster digital substation device for its purpose.

1 cl, 1 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Заявленное изобретение относится к устройству, применяемому в системах автоматизации объектов электроэнергетики, в которых обмен данными между применяемыми устройствами выполняется в цифровой форме.The claimed invention relates to a device used in automation systems for electric power facilities, in which data exchange between the devices used is performed in digital form.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

Известна резервируемая система автоматизации SIMATIC S7-400H [1], состоящая из двух вычислительных терминалов, находящихся во взаимном резерве, соединенных каналом передачи данных, обеспечивающим синхронность выполнения операций. Недостатком указанной системы является высокая аппаратная избыточность, характеризующаяся полным дублированием вычислительных терминалов. Другим недостатком является использование внешних коммутаторов, обеспечивающих подключение вычислительных терминалов, находящихся во взаимном резерве, к системе информационного обмена, что повышает общую стоимость системы.Known redundant automation system SIMATIC S7-400H [1], consisting of two computing terminals, located in mutual reserve, connected by a data transmission channel, ensuring the synchronization of operations. The disadvantage of this system is the high hardware redundancy, characterized by complete duplication of computing terminals. Another disadvantage is the use of external switches that provide connection of computing terminals in mutual reserve to the information exchange system, which increases the overall cost of the system.

Известна так же система автоматизации подстанции повышенной готовности [2]. Система включает в себя несколько вычислительных терминалов (IED), связанных между собой посредством коммуникационной «шины станции» ("station bus"). В рамках системы [2] обеспечивается возможность резервирования сразу нескольких IED системы посредством одного резервного IED, что снижает требования к аппаратной избыточности системы. Вместе с тем, недостатком системы является исполнение IED в виде отдельных устройств, имеющих собственные корпусные детали, системы питания, коммуникационные интерфейсы, а также необходимость использования внешних коммутаторов, обеспечивающих информационный обмен между резервируемыми IED, что сохраняет аппаратную избыточность.Known as a substation automation system high readiness [2]. The system includes a number of computing terminals (IEDs) interconnected via a communication "station bus". Within the system [2], it is possible to redundant several IEDs of the system at once through one redundant IED, which reduces the requirements for system hardware redundancy. At the same time, the disadvantage of the system is the execution of IEDs as separate devices with their own housing parts, power supply systems, communication interfaces, as well as the need to use external switches that provide information exchange between redundant IEDs, which preserves hardware redundancy.

Известна (выбранная в качестве прототипа) система автоматизации подстанции с динамической функциональной архитектурой [3]. Данная система включает в себя, по меньшей мере, два интеллектуальных электронных устройства (IED), выполненных с возможностью выполнения функций автоматизации и связанных между собой через коммуникационную сеть, отличающаяся тем, что вышеуказанные IED выполнены с возможностью выявления критических состояний в системе автоматизации по результатам информационного взаимодействия через коммуникационную сеть с другими IED системы.Known (chosen as a prototype) substation automation system with a dynamic functional architecture [3]. This system includes at least two intelligent electronic devices (IEDs) capable of performing automation functions and interconnected through a communication network, characterized in that the above IEDs are configured to detect critical conditions in the automation system based on the results of information interaction through the communication network with other IEDs of the system.

Недостатком системы является исполнение IED в виде отдельных устройств, имеющих собственные корпусные детали, системы питания, коммуникационные интерфейсы, а также необходимость использования внешних коммутаторов, обеспечивающих информационный обмен между резервируемыми IED, что сохраняет аппаратную избыточность.The disadvantage of the system is the execution of IEDs as separate devices with their own housing parts, power systems, communication interfaces, as well as the need to use external switches that provide information exchange between redundant IEDs, which preserves hardware redundancy.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение заключается в расширении арсенала устройств кластерной цифровой подстанции.The technical problem to be solved by the invention is to expand the arsenal of cluster digital substation devices.

Технический результат заявленного изобретения заключается в реализации устройства кластерной цифровой подстанции своего назначения.The technical result of the claimed invention consists in the implementation of the cluster digital substation device for its purpose.

Предлагаемое устройство кластерной цифровой подстанции, состоит из модульного шасси, оснащенного объединительной платой, с установленными в него двумя коммуникационными модулями, двумя модулями питания и, по меньшей мере, одним вычислительным модулем. Каждый коммуникационный модуль содержит четыре внешних интерфейса подключения к цифровым сетям, два коммуникационных шлюза, процессор и коммутатор. Коммутатор коммуникационного модуля подключен к процессору. Процессор коммуникационного модуля подключен к двум коммуникационным шлюзам. К каждому коммуникационному шлюзу подключены два внешних интерфейса. Каждый вычислительный модуль содержит коммутатор и, по меньшей мере, один процессор. Коммутатор и процессоры вычислительного модуля связаны между собой. Объединительная плата содержит шины обмена данными, по которым осуществляется связь между каждым вычислительным и коммуникационным модулем, а также шины распределения электропитания.The proposed cluster digital substation device consists of a modular chassis equipped with a backplane, with two communication modules installed in it, two power modules and at least one computing module. Each communication module contains four external interfaces for connecting to digital networks, two communication gateways, a processor and a switch. The communication module switch is connected to the processor. The media module processor is connected to two media gateways. Two external interfaces are connected to each communication gateway. Each computing module contains a switch and at least one processor. The switch and processors of the computing module are interconnected. The backplane contains the data communication buses through which communication between each computing and communication module is carried out, as well as power distribution buses.

Устройство кластерной цифровой подстанции подключается к внешним шинам станции и процесса, имеющим сегменты резервирования. Каждый коммуникационный модуль подключается к каждому сегменту резервирования шины станции и шины процесса через внешние интерфейсы, расположенные на коммуникационных модулях.The device of the cluster digital substation is connected to the external buses of the station and the process, which have redundancy segments. Each communication module is connected to each redundancy segment of the station bus and process bus via external interfaces located on the communication modules.

Вышеуказанный технический результат достигается за счет объединения в составе одного конструктивного устройства вычислительных модулей, выполняющих прикладные функции автоматизации, и коммуникационных модулей. При этом для связи между вычислительными модулями не требуется использовать внешние коммутаторы. Вычислительные и коммуникационные модули заключаются в общий корпус с общей системой электропитания.The above technical result is achieved by combining in one constructive device computing modules that perform applied automation functions, and communication modules. In this case, it is not required to use external switches for communication between computing modules. Computing and communication modules are enclosed in a common housing with a common power supply system.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства кластерной цифровой подстанции. Устройство 1 оснащено модульным шасси 1.1, двумя коммуникационными модулями 1.2 и 1.3, некоторым количеством вычислительных модулей 1.4, 1.5, 1.6, двумя модулями питания 1.7 и 1.8. Модульное шасси 1.1 содержит объединительную плату 1.1.1, через которую проходят шины обмена данными независимо между каждым коммуникационным модулем и каждым вычислительным модулем, а также шины электропитания между модулями питания, коммуникационными модулями и вычислительными модулями. Каждый из коммуникационных модулей 1.2, 1.3 содержит по два коммуникационных шлюза 1.2.1, 1.2.2 и 1.3.1, 1.3.2 соответственно, одному процессору 1.2.3 и 1.3.3 соответственно, одному коммутатору 1.2.4 и 1.3.4 соответственно и по четыре интерфейса подключения к цифровым сетям 1.2.5, 1.2.6, 1.2.7, 1.2.8 и 1.3.5, 1.3.6, 1.3.7, 1.3.8 соответственно. Каждый из вычислительных модулей 1.4, 1.5, 1.6 содержит процессор 1.4.1, 1.5.1 и 1.6.1 соответственно и коммутатор 1.4.2, 1.5.2 и 1.6.2 соответственно. Устройство 1 подключается к внешней станционной шине 2, при этом интерфейсы 1.2.5 и 1.3.5 подключаются к сегменту резервирования А 2.1, а интерфейсы 1.2.6 и 1.3.6 подключаются к сегменту резервирования В 2.2. Устройство 1 подключается к внешней шине процесса 3, при этом интерфейсы 1.2.7 и 1.3.7 подключаются к сегменту резервирования А 3.1, а интерфейсы 1.2.8 и 1.3.8 подключаются к сегменту резервирования В 3.2. Интерфейсы 1.2.5, 1.2.6 и 1.3.5, 1.3.6 подключены к коммуникационным шлюзам 1.2.1 и 1.3.1 соответственно. Интерфейсы 1.2.7, 1.2.8 и 1.3.7, 1.3.8 подключены к коммуникационным шлюзам 1.2.2 и 1.3.2 соответственно. Коммуникационные шлюзы 1.2.1, 1.2.2 и 1.3.1, 1.3.2 подключены к процессорам 1.2.3 и 1.3.3 соответственно. Процессоры 1.2.3 и 1.3.3 подключены к коммутаторам 1.2.4 и 1.3.4 соответственно. Процессоры вычислительных модулей 1.4.1, 1.5.1 и 1.6.1 подключаются к коммутаторам вычислительных модулей 1.4.2, 1.5.2 и 1.6.2 соответственно.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed device of a cluster digital substation. Device 1 is equipped with a modular chassis 1.1, two communication modules 1.2 and 1.3, a number of computing modules 1.4, 1.5, 1.6, two power modules 1.7 and 1.8. The modular chassis 1.1 contains a backplane 1.1.1 through which the communication buses pass independently between each communication module and each computing module, as well as power supply buses between the power supply modules, communication modules and computing modules. Each of the communication modules 1.2, 1.3 contains two communication gateways 1.2.1, 1.2.2 and 1.3.1, 1.3.2, respectively, one processor 1.2.3 and 1.3.3, respectively, one switch 1.2.4 and 1.3.4, respectively and four interfaces for connecting to digital networks 1.2.5, 1.2.6, 1.2.7, 1.2.8 and 1.3.5, 1.3.6, 1.3.7, 1.3.8, respectively. Each of the computing modules 1.4, 1.5, 1.6 contains a processor 1.4.1, 1.5.1 and 1.6.1, respectively, and a switch 1.4.2, 1.5.2 and 1.6.2, respectively. Device 1 is connected to the external station bus 2, while interfaces 1.2.5 and 1.3.5 are connected to redundancy segment A 2.1, and interfaces 1.2.6 and 1.3.6 are connected to redundancy segment B 2.2. Device 1 is connected to the external bus of process 3, with interfaces 1.2.7 and 1.3.7 connected to redundancy segment A 3.1, and interfaces 1.2.8 and 1.3.8 connected to redundancy segment B 3.2. Interfaces 1.2.5, 1.2.6 and 1.3.5, 1.3.6 are connected to communication gateways 1.2.1 and 1.3.1, respectively. Interfaces 1.2.7, 1.2.8 and 1.3.7, 1.3.8 are connected to communication gateways 1.2.2 and 1.3.2, respectively. Communication gateways 1.2.1, 1.2.2 and 1.3.1, 1.3.2 are connected to processors 1.2.3 and 1.3.3, respectively. Processors 1.2.3 and 1.3.3 are connected to switches 1.2.4 and 1.3.4 respectively. The processors of computing modules 1.4.1, 1.5.1 and 1.6.1 are connected to the switches of computing modules 1.4.2, 1.5.2 and 1.6.2, respectively.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Приведенное на фиг. 1 устройство кластерной цифровой подстанции функционирует следующим образом. Данные из сегментов резервирования станционной шины 2.1, 2.2 поступают через интерфейсы подключения 1.2.5, 1.2.6 и 1.3.5, 1.3.6 в коммуникационные шлюзы 1.2.1 и 1.3.1 расположенные на коммуникационных модулях 1.2 и 1.3 соответственно. Аналогично данные из сегментов резервирования шины процесса 3.1, 3.2 поступают через интерфейсы подключения 1.2.7, 1.2.8 и 1.3.7, 1.3.8 в коммуникационные шлюзы 1.2.2 и 1.3.2 расположенные на коммуникационных модулях 1.2 и 1.3 соответственно. Коммуникационные шлюзы осуществляют функции коммуникационного сопряжения с резервированными информационными сетями. Поступающие из коммуникационных шлюзов 1.2.1, 1.2.2 и 1.3.1, 1.3.2 данные проходят обработку в процессорах 1.2.3 и 1.3.3, расположенных на коммуникационных модулях 1.2 и 1.3 соответственно и, далее, через коммутаторы 1.2.4 и 1.3.4 передаются в вычислительные модули 1.4 - 1.6. Межмодульные связи осуществляются посредством объединительной платы 1.1.1. В каждом вычислительном модуле содержится коммутатор 1.4.2, 1.5.2, 1.6.2, принимающий данные от коммуникационных модулей 1.2 и 1.3. После получения коммутатором данные обрабатываются в процессоре вычислительного модуля 1.4.1, 1.5.1, 1.6.1, где реализуются прикладные функции задач автоматизации и защиты подстанции. В результате работы функционального обеспечения формируются команды управления, которые через коммуникационные модули 1.2 и 1.3 передаются в резервированную станционную шину. Для обеспечения коммуникационных и вычислительных модулей питанием используются два независимых резервированных модуля питания 1.7 и 1.8, которые подключаются к независимым источникам питания.Shown in FIG. 1, the cluster digital substation device operates as follows. Data from the redundancy segments of the station bus 2.1, 2.2 comes through the connection interfaces 1.2.5, 1.2.6 and 1.3.5, 1.3.6 to the communication gateways 1.2.1 and 1.3.1 located on the communication modules 1.2 and 1.3, respectively. Similarly, data from the redundancy segments of the process bus 3.1, 3.2 comes through the connection interfaces 1.2.7, 1.2.8 and 1.3.7, 1.3.8 to the communication gateways 1.2.2 and 1.3.2 located on the communication modules 1.2 and 1.3, respectively. Communication gateways carry out the functions of communication interface with redundant information networks. The data coming from the communication gateways 1.2.1, 1.2.2 and 1.3.1, 1.3.2 are processed in the processors 1.2.3 and 1.3.3 located on the communication modules 1.2 and 1.3, respectively, and, further, through the switches 1.2.4 and 1.3.4 are transferred to computing modules 1.4 - 1.6. Intermodule communications are carried out by means of a backplane 1.1.1. Each computing module contains a switch 1.4.2, 1.5.2, 1.6.2, which receives data from communication modules 1.2 and 1.3. After the data is received by the switch, it is processed in the processor of the computing module 1.4.1, 1.5.1, 1.6.1, where the applied functions of automation and substation protection tasks are implemented. As a result of the operation of the functional support, control commands are generated, which are transmitted through communication modules 1.2 and 1.3 to the redundant station bus. To provide communication and computing modules with power, two independent redundant power modules 1.7 and 1.8 are used, which are connected to independent power sources.

Заявленное устройство кластерной цифровой подстанции может быть реализовано на базе шасси 1.1, предназначенного для установки в профиль 19''. Данное шасси с лицевой панели оснащается вертикальными слотами для установки модулей. В данные слоты устанавливаются два коммуникационных модуля 1.2 и 1.3, а также, как минимум один вычислительный модуль 1.4, 1.5, 1.6. При установке модули соединяются через разъемное соединение с платой объединения. С задней стороны шасси устанавливаются два модуля питания 1.7 и 1.8.The claimed device of a cluster digital substation can be implemented on the basis of chassis 1.1, designed for installation in a 19'' profile. This front panel chassis is equipped with vertical slots for installing modules. Two communication modules 1.2 and 1.3 are installed in these slots, as well as at least one computing module 1.4, 1.5, 1.6. During installation, the modules are connected via a plug-in connection to the combination board. Two power modules 1.7 and 1.8 are installed on the rear side of the chassis.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

[1] «SIMATIC Automation System S7-400H Fault-tolerant Systems. Manual»/ A5E00068197-07, 07/2006 (Order number: 6ES7988-8HA11-8BA0) (руководство по системе автоматизации SIMATIC S7-400H: издание 07/2006, номер заказа руководства у производителя: 6ES7988-8HA10-8BA0).[1] SIMATIC Automation System S7-400H Fault-tolerant Systems. Manual”/ A5E00068197-07, 07/2006 (Order number: 6ES7988-8HA11-8BA0)

[2] Патент США №US 7882220, МПК G06F 15/173, 2011 г.[2] US Patent No. US 7882220, IPC G06F 15/173, 2011

[3] Патент на изобретение РФ №2679739 («СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ С ДИНАМИЧЕСКОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ»).[3] RF Patent No. 2679739 (“AUTOMATATION SYSTEM WITH DYNAMIC FUNCTIONAL ARCHITECTURE”).

Claims (1)

Устройство кластерной цифровой подстанции, состоящее из модульного шасси, оснащенного объединительной платой, с установленными в него двумя коммуникационными модулями, двумя модулями питания и, по меньшей мере, одним вычислительным модулем, характеризующееся тем, что каждый коммуникационный модуль содержит четыре внешних интерфейса подключения к цифровым сетям, два коммуникационных шлюза, процессор и коммутатор, вычислительный модуль содержит коммутатор и, по меньшей мере, один процессор, объединительная плата содержит шины обмена данными между каждым вычислительным и коммуникационным модулем и шины электропитания, при этом в каждом коммуникационном модуле один коммуникационный шлюз подключается через два внешних интерфейса к сегментам резервирования А и В внешней станционной шины, а другой коммуникационный шлюз подключается через два других внешних интерфейса к сегментам резервирования А и В внешней шины процесса, каждый коммуникационный шлюз подключен к процессору коммуникационного модуля, процессор коммуникационного модуля подключен к коммутатору коммуникационного модуля, который подключается к шинам обмена данными с вычислительными модулями, расположенными в объединительной плате, в свою очередь, в каждом вычислительном модуле коммутатор подключен к шинам обмена данными с каждым коммуникационным модулем, расположенным в объединительной плате, каждый процессор вычислительного модуля подключен к коммутатору вычислительного модуля, кроме того каждый блок питания подключается к внешней сети электропитания и к шинам электропитания, расположенным в объединительной плате, в свою очередь, каждый коммуникационный и вычислительный модуль подключается к шинам электропитания, содержащимся в объединительной плате.Cluster digital substation device, consisting of a modular chassis equipped with a backplane, with two communication modules installed in it, two power modules and at least one computing module, characterized in that each communication module contains four external interfaces for connecting to digital networks , two communication gateways, a processor and a switch, a computing module contains a switch and at least one processor, the backplane contains data exchange buses between each computing and communication module and power supply buses, while in each communication module one communication gateway is connected via two external interfaces to the redundancy segments A and B of the external station bus, and the other communication gateway is connected through the other two external interfaces to the redundancy segments A and B of the external process bus, each communication gateway is connected to the processor of the communication m module, the communication module processor is connected to the communication module switch, which is connected to the data exchange buses with the computing modules located in the backplane, in turn, in each computing module, the switch is connected to the data exchange buses with each communication module located in the backplane, each processor of the computing module is connected to the computing module switch, in addition, each power supply unit is connected to the external power supply network and to the power supply buses located in the backplane, in turn, each communication and computing module is connected to the power supply buses contained in the backplane.

Images