Zastosowanie CompactRIO i LabVIEW do monitorowania parametrów pracy stacji rozdzielczych w energetyce

Rys. 1. Schemat systemu

Pracując w Instytucie Inżynierii Elektrycznej Končar stworzyliśmy system monitorowania (BMS, Bay Monitoring System) dla aparatury polowej wysokiego napięcia. Pozwala on na ciągłe, zdalne monitorowanie urządzeń wysokiego napięcia, podłączonych do serwera BMS. Ten ostatni określa konieczne czynności konserwacyjne i umożliwia sprawdzanie, czy poszczególne komponenty stacji rozdzielczej działają poprawnie.

System wcześnie wykrywa uszkodzenia, co pozwala zaoszczędzić pieniądze poprzez ograniczenie lub zapobieganie usterkom, zwiększa czas ciągłej pracy stacji i upraszcza poszukiwanie przyczyn ewentualnych awarii. Zmiana trybu prowadzenia prac konserwacyjnych, z opartego na harmonogramie na zależny od aktualnego stanu komponentów, znakomicie poprawia niezawodność i zmniejsza koszty operacyjne.

Do korzyści płynących z użycia systemu należą:

• niższe koszty konserwacji,
• wydłużona żywotność urządzeń,
• zwiększona niezawodność aparatury,
• zwiększony czas niezawodnej pracy stacji,
• większe bezpieczeństwo personelu,
• ochrona środowiska,
• poprawione możliwości operacyjne,
• możliwość oceny pozostałego czasu niezawodnej pracy komponentów,
• ulepszona technologia.

SPRZĘT I OPROGRAMOWANIE

Rys. 2. Interfejs systemu BMS

W początkowej fazie projektu, zanim zdecydowaliśmy się na użycie produktów National Instruments, omawialiśmy wiele różnych możliwych rozwiązań. Ważnym powodem dokonania tego konkretnego wyboru był fakt, że firma oferuje komplet komponentów - zarówno niezawodnych urządzeń, jak i współpracującego z nimi, prostego w obsłudze oprogramowania graficznego.

Ponieważ system musiał umożliwiać obsługę dużej liczby sygnałów próbkowanych z wysoką częstotliwością w czasie rzeczywistym, wybraliśmy urządzenia CompactRIO. Są to rekonfigurowalne, programowalne sterowniki pozwalające na realizację zadań sterowania i akwizycji danych. Bardzo dobrze nadają się one do aplikacji wymagających dużej wydajności i niezawodności.

Na nasz system składają się:

• sterownik NI cRIO-9012,
• obudowa NI cRIO-9114,
• moduły wejść analogowych N I 9206,
• moduły wejść cyfrowych NI 9425.

Urządzenia pracują pod kontrolą oprogramowania złożonego z kilku aplikacji napisanych w LabVIEW, działających na układach bezpośrednio programowalnych macierzy bramek (FPGA) oraz na systemie czasu rzeczywistego.

Całość uzupełnia aplikacja serwerowa napisana w środowisku NI LabWindows/CVI. Oprócz sensorów i mniej istotnych komponentów, takich jak przewody, system bazuje na sprzęcie i oprogramowaniu firmy National Instruments.

PRACA SYSTEMU

Rys. 3. Lista alarmów dla wyłączników instalacyjnych i aktualne wartości parametrów

System nieprzerwanie monitoruje wyłączniki instalacji wysokiego napięcia, rozłączniki, przełączniki uziemiające, wartości napięć oraz parametry pracy transformatorów. Czujniki podłączone do modułów wejść analogowych i cyfrowych pozwalają mierzyć omawiane wartości. Kontroler pobiera, poprzez wcześniej zaprogramowane FPGA, wartości sygnałów i przetwarza dane w podstawowy sposób.

Następnie dane te przesyłane są wewnętrznie do aplikacji umiejscowionej na sterowniku NI cRIO-9012. Aplikacja ta, pracując po kontrolą systemu czasu rzeczywistego, kontynuuje bardziej zaawansowane numerycznie przetwarzanie danych. Uzyskane wyniki są przesyłane do serwera LabWindows/CVI, który zapisuje je w bazie danych i zapewnia komunikację z operatorem.

Interfejs użytkownika pozwala na analizę sytuacji i prezentuje wszystkie zjawiska oraz warunki pracy stacji rozdzielczej, wyświetlając je w formie graficznej i numerycznej. Monitorowane wartości są porównywane z referencyjnymi, zebranymi podczas wykonywania testów. Jeśli występuje pomiędzy nimi różnica, która przekracza określoną wartość, system alarmuje użytkownika.

Rys. 4. Wykresy przebiegów pracy wyłączników instalacyjnych

Ponadto w układzie zaimplementowano system ekspertowy, który w zależności od sytuacji alarmowej zapewnia wskazówki sposobu rozwiązania danego problemu. Poza zgłaszaniem alarmów, system pozwala na wgląd do zgromadzonych danych historycznych. Pozwala to obserwować zachodzące trendy i pomaga interpretować dane. Jest to także narzędzie ułatwiające porównywanie danych - np. dla różnych faz zasilania.

Umożliwia też określanie tzw. "szarej strefy" poprzez obliczanie obszaru pomiędzy poszczególnymi krzywymi, co może wskazywać na zmiany stanu (np. w wyniku starzenia się) określonych podzespołów. Komunikacja pomiędzy komponentami systemu oparta jest o protokół TCP/IP, a dane przekazywane są w postaci zmiennych współdzielonych lub ciągów XML. Kontroler został też wyposażony w funkcję autostartu.

Jeśli wystąpi utrata zasilania, urządzenie automatycznie włącza się w momencie jego odzyskania. Warto dodać, że odczytywane dane są przesyłane w sposób niezawodny, tj. jeśli wystąpi błąd w komunikacji pomiędzy kontrolerem, a serwerem, wszystkie nowe informacje są gromadzone w lokalnej pamięci flash kontrolera. Po odzyskaniu komunikacji są one następnie przekazywane do serwera LabWindows/CVI.

ŁATWE, GRAFICZNE PROGRAMOWANIE

Rys. 5. Trendy zarejestrowane w systemie

Język programowania LabVIEW jest łatwy do zrozumienia i użytkowania. Większość naszych inżynierów jest automatykami lub elektrykami, a więc programowanie nie jest obszarem ich specjalizacji. Pomimo tego w krótkim czasie mogli z powodzeniem opanować LabVIEW, którego główną korzyścią jest duża szybkość programowania - znacznie większa, niż przy zastosowaniu tradycyjnych języków programistycznych.

W naszym systemie stworzyliśmy wiele małych instrumentów wirtualnych (subVI), wchodzących w skład dużej aplikacji, dzięki czemu była ona prostsza i lepiej zorganizowana. Inną korzyścią płynącą z zastosowania bloków subVI jest możliwość wywoływania tych samych fragmentów kodu z różnych miejsc programu.

Przykładowo, w naszej aparaturze obsługiwane są trzy fazy zasilania i dla każdej z nich wywoływane są te same bloki subVI z trzech różnych miejsc głównego programu. Warto dodać, że na etapie tworzenia programu łatwo jest kontrolować wyświetlane wartości numeryczne, wykresy i przepływ danych na schematach blokowych. Pozwala to obserwować stany wejść i wyjść oraz ewentualne błędy, co ułatwia sprawdzenie, czy napisany kod jest poprawny i dobrze się wykonuje.

PODSUMOWANIE

W trakcie tworzenia systemu monitorowania skorzystaliśmy z pomocy przedstawicieli handlowych National Instruments. Firma pomogła nam wybrać odpowiednie urządzenia, pomoc techniczna była dostępna zawsze, niezależnie od tego, jakie mieliśmy pytania lub problemy.

Wzięliśmy również udział w NIDays, dzięki czemu dowiedzieliśmy się wielu przydatnych informacji na temat nowych produktów NI i metod programowania LabVIEW. W rezultacie udało nam się z powodzeniem stworzyć system, który można bez wątpliwości zaliczyć do aplikacji inteligentnych sieci energetycznych.

Główną zaletą opracowanego systemu BMS, w porównaniu z podobnymi produktami, jest to, że jest on dostosowany do konkretnych potrzeb i precyzyjnie spełnia wymagania klienta. Było to możliwe dzięki wykorzystaniu modułowego sprzętu kontrolno-pomiarowego oraz graficznego języka programowania.

Połączenie to zapewniło również możliwość łatwego wprowadzania zmian i modyfikowania funkcjonalności systemu w trakcie jego pracy. W przyszłości planujemy również zaimplementować wsparcie dla standardu IEC 61850 w projekcie automatyzacji podstacji elektrycznej - w tym celu również planujemy użyć narzędzi firmy National Instruments.

Ana Mik
Končar-Electrical Engineering Institute
www.koncar-institut.hr