Реализация цифрового двойника электротехнической системы с помощью алгоритмов проектной базы данных

При проектировании сложных объектов электроэнергетики, систем электроснабжения на основе распределительных устройств и цифровых подстанций (рис. 1) [1-4] необходимо рациональное использование современных технологий и алгоритмов управления проектной базы данных в качестве цифрового двойника [5-8].

Рисунок 1 – Распределительное устройство низкого напряжения на базе НКУ «Каскад»

Обычно База данных (БД) проекта, которая является основой для организации цифрового двойника, включает в себя [9-12]:

• -    графические документы (принципиальные и монтажные схемы);

• -    реляционную БД в формате СУБД ACCESS, содержащую табличное представление графической и другой информации;

• -    файл описания цифрового обмена в соответствии с МЭК 61850.

Структура и средства навигации по проекту

Комплексная модель проектной БД системы автоматизации (СА) обеспечивает связанный доступ к любой единице информации. Для быстрого поиска информации необходим простой, интуитивно понятный инженеру-электрику интерфейс [13-16]. Инженер – электрик оперирует при работе в программе стандартными техническими терминами (схема, устройство, перечень аппаратов, кабель, сигнал и прочее), которые являются стартовыми точками для поиска нужной информации. На рис. 2 приведено меню программы системы автоматизированного проектирования цепей вторичной коммутации (САПР ЦВК), обеспечивающее навигацию проекта.

Рисунок 2 – Средства навигации по проекту

Для каждой электроустановки (подстанции) разрабатывается свой проект [17-20]. Если организация обслуживает несколько объектов, то нужно открыть соответствующую базу данных проекта (файл). Раздел «схемы» открывает состав чертежей принципиальных схем проекта с учётом монтажных единиц и схем, и обеспечивает прямой доступ к чертежам по их названиям или шифрам. Раздел «устройства» открывает состав НКУ проекта с учётом их мест установки и координат. С каждым устройством связаны перечни аппаратов, чертежи компоновок аппаратов на монтажных панелях, таблицы и монтажные схемы, ряды и схемы подключения рядов зажимов.

В разделе «перечень» представлен полный список аппаратов принципиальной схемы с привязкой к устройствам, где они расположены. В разделе «контроль» можно получить данные о всех контактах, представленных на всех схемах. При выборе интересующего контакта автоматически загружается чертёж схемы с фокусировкой на выбранный элемент. В разделе «кабели» представлены полные данные о кабелях, включая марки цепей, входящих в кабель. Для каждой марки цепи кабеля можно автоматически загрузить чертёж принципиальной схемы с фокусировкой на выбранную цепь. В разделе «первичка» обеспечивается доступ к чертежу главной схемы электроустановки, таблицам первичного оборудования, связанным с ним логическим узлами. В этом разделе на этапе проектирования осуществляется формирование SSD – файла. Раздел «сводные» обеспечивает доступ к сводным ведомостям по типам использованных аппаратов и кабелей. В разделе «ПТК» представлена информация о сигналах и интеллектуальном электронном устройстве (ИЭУ). Если сигналы «начерчены» на принципиальной схеме, то можно автоматически загрузить чертёж схемы с фокусировкой на выбранную цепь. В рамках ИЭУ можно увидеть распределение сигналов по модулям устройств связи с объектом (УСО) и их подключение к клеммам. По обозначению можно выделить интересующее интеллектуальное электронное устройство в файле описания цифрового обмена. С каждым ИЭУ связан чертёж алгоритмической схемы, который может быть автоматически загружен в графический редактор.

Возможны различные алгоритмы реализации поисковых процедур, которые зависят от конкретных задач, возникающих при наладке и эксплуатации электроустановок.

Поиск информации на принципиальных схемах

Здесь можно выделить прямой поиск, когда известна интересующая схема, и её выбор осуществляется из общих данных проекта по названию и/или шифру чертежа. В этом случае осуществляется простая навигация по логической структуре проекта.

Выбор проекта (объекта) – Выбор монтажной единицы – Выбор схемы – Выбор листа – Автоматическая загрузка листа в графический редактор.

Второй вариант – поиск интересующего элемента на схеме. Его укрупнённый алгоритм представлен на рисунке 3. На нём показаны разные точки входа.

Рисунок 3 – Поиск на принципиальной схеме

В соответствии со схемой данных, непосредственно вычерчиваются на листах схем контакты, цепи и сигналы. Поэтому они имеют в таблице прямую связь с обозначениями листов и координатами на листе. Кабели также присутствуют на листах, но они являются сложными элементами, состоящими из жил, связанных с марками цепей, через которые и осуществляется связь с чертежом.

Выход на схему от аппаратов осуществляется через его контакты. Доступ к аппаратам производится через выбор в перечне. Причём это может быть как перечень аппаратов отдельного устройства, так и общий перечень аппаратов схемы. За счёт сопоставления контактов принципиальной схемы и контактов модулей УСО ИЭУ могут быть локализованы элементы ИЭУ и подключенные к их каналам сигналы.

Следующая операция над отношениями обеспечивает поиск данных о листе и точке расположения на нём (жирным шрифтом) контакта NUMBER аппарата POS устройства USTR:

SELECT УСТРОЙСТВО. Обозначение, АППАРАТЫ. Позиция, КОНТАКТЫ.

Номер, КОНТАКТЫ. Лист, КОНТАКТЫ.X, КОНТАКТЫ.Y.

FROM (УСТРОЙСТВО INNER JOIN АППАРАТЫ ON УСТРОЙСТВО.

Обозначение = АППАРАТЫ. Устройство).

INNER JOIN КОНТАКТЫ ON (АППАРАТЫ. Устройство = КОНТАКТЫ.

Устройство) AND (АППАРАТЫ. Позиция = КОНТАКТЫ. Позиция).

WHERE УСТРОЙСТВО. Обозначение = USTR AND АППАРАТЫ.

Позиция = POS AND КОНТАКТЫ. Номер = NUMBER.

Когда информация о связи с чертежом локализована в БД, чертёж может быть автоматически загружен в графический редактор и сфокусирован в нужном месте. Все чертежи должны храниться в формате DWG и быть созданы специальными средствами САПР. Графический редактор должен поддерживать технологию OLE (Object Linking and Embedding) и иметь средства программного доступа к координатам чертежа.

Иллюстрации процедур поиска информации на принципиальной схеме приведены на рисуноке 4 (на основе рассмотренной выше операции для контактов) и на рисунке 5 (из таблицы подключения).

Рисунок 4 – Навигация по проекту: Устройство – Перечень – Контакты – Схема

Рисунок 5 – Навигация по проекту: Сигнал – Схема

Работа с монтажной документацией на НКУ

Для каждого НКУ на этапе заводского проектирования разрабатываются схемы общего вида, схемы соединений рядов зажимов, монтажно-коммутационные схемы. С учётом кабельных связей формируются схемы подключения рядов зажимов. В рамках САПР монтажные схемы формируются в автоматизированном режиме по информации принципиальных схем. Поэтому в БД проекта содержатся как графические документы в формате DWG, так и описание монтажа в табличной форме в соответствии со схемой данных. Это позволяет реализовать два варианта работы с информацией: доступ к чертежу в графическом редакторе или работа с табличным монтажом с возможностью поиска информации. Укрупнённый алгоритм приведён на рисунке 6.

Рисунок 6 – Работа с документацией на НКУ

Первый вариант позволяет оперативно найти и загрузить в графический редактор все документы, связанные с выбранным устройством. Во втором случае по табличным данным могут быть реализованы комплексные запросы по поиску и отображению информации проекта. Для примера на рисунке 7. приведён анализ внутреннего монтажа панели по заданной марке цепи. Для этого в табличном представлении ряда зажимов (на рисунке слева) выбрана клемма с интересующей маркой цепи. В дополнительном окне (справа)

выведены все клеммы, клеммные перемычки, контакты аппаратов, показана последовательность прокладки проводов.

Рисунок 7 – Пример анализа внутреннего монтажа НКУ

Аналогично по таблицам схем подключения могут быть получены списки подключенных к НКУ кабелей с привязкой жил к номерам клемм (рис. 8), схема кабельных связей для данного устройства.

Еозначе- HUE кабеля	Куда подключишь		Маркир. жилы кабеля	Направление кабеля	Нарка кабеля	Примечание
	Обозначение клеммника	N зажина
ЕЕН-201	Х01 XQ1 Х01	111 118 120	1701 919 1709	РЩ.. Шкаф Р4 резервной сигнализации	КВВГЭнг-LS 5x1.5
	Х01	127	1702
EEL-ZO1	хоз хоз	2 8	В21 N21	РЩ.. Цепи освещения	КВВГЭнг-LS 4x1.5
EEV-202	ХО1 ХО1	36 Зв	401F 402F	РЩ.. Шкаф Р1 оперативного тика ШОП	КВВГЭнг-LS 4x1.5
HSI-202	ХО1 Х01 ХО1	113 115 122	4! 6! 3!	РЩ.. Шкаф А7 сбора информации	КВВГЭнг-LS 5x1.5
	Х01	124	5I
TW1E-202	Х01	17	W1E-A621	РЩ.. Шкаф Р47 ГН	КВВГЭнг-LS

Рисунок 8 – Фрагмент таблицы кабелей НКУ

Спецификации на оборудование

При организации планово-предупредительных ремонтов электроустановок важной является возможность оперативной работы с номенклатурой оборудования. В подготовленной в рамках САПР базе данных содержится информация о типах всех составляющих проекта: первичного оборудования; аппаратуры вторичных цепей; кабельной продукции; щитовых изделий; интеллектуальных электронных устройств; модулей УСО ИЭУ.

Средства навигации позволяют легко осуществлять как прямой поиск данных о типе интересующего оборудование в соответствующем разделе, так и формировать сводные ведомости по используемой номенклатуре. Ниже в качестве примера приведено описание операции над отношением «Аппараты», обеспечивающего формирование сводной ведомости по аппаратам:

SELECT АППАРАТЫ.Название, АППАРАТЫ.Устройство,

Count(АППАРАТЫ. Позиция) AS [Количество],

FROM АППАРАТЫ GROUP BY АППАРАТЫ.USTR, АППАРАТЫ.NAME;

На рисунке 9 приведён фрагмент сводной ведомости аппаратов с распределением по НКУ, получаемой по этому запросу.

У стройство	Количество
Ш15$01	1
Ш15$01	3
Ш15$01	1
Ш14400	1
Ш15$00	1
Ш14400	1
Ш15$00	1
Ш15401	1
Ш15402	1
Ш15403	1
Ш14$01	1

Н а именование

Реле_промежуточное_0НН173220LT (220 В)

Реле.промежуточное.РЗПЗб ! 4.220В, 0,5А, 2з*2р, перед, прис с поворотом на 90 град., УХЛ4, ТУ

Реле_промежуточное_РЭП37Н-1 21.220В, 2з+3р переднее

_ присоед , с поворот на 90 град УХ Л 4 ТУ

Розетка-двойная.РА16-2276-би.РОНДО IP44 ОП

Розетка.двойная.РА16 2276-би.РОНДО IP44 ОП

Светильник свет одиодный_УП-0 2-БХ-Е 220. "220 В, 4 Вт с кабелем Зм

Светильник светодиодный.У П-02-БХ-Е220_~220 В. 4 Вт с кабелем Зм

Терминал. "ТОР 300 АУ В 516 155. И1. -220. УХЛЗ 1".

Терминал_"ТОР 300 Л ОК 51 0 430. И1, -220, УХЛ3.1»_

Терминал.'ТОР 300 Л ОК 510 430, И1. =220. УХЛЭ.1»_

Терминал."ТОР 300 НВУЗ 546 152. И1. -220, УХЛЗ 1"_

Рисунок 9 – Фрагмент сводной ведомости аппаратов

Цифровой обмен

Аналогично навигации по рабочей документации, средства работы с моделью системы автоматизации электроустановки в виде SCD-файла обеспечивают быстрый доступ к информации о цифровом обмене. Для любого первичного оборудования представлена информация о связанных с ним функциях, и в каких ИЭУ они реализуются. И, наоборот, каким оборудованием управляет каждое ИЭУ. Перекрёстные таблицы цифрового обмена наглядно представляют направления передачи цифровых сигналов. Рис. 10 иллюстрирует отображение данных о цифровом обмене в соответствии с информационной моделью «цифровой подстанции». Для выбранного в описании главной схемы разъединителя (слева вверху) отражается связанный с ним логический узел управления (справа вверху) с указанием в каком ИЭУ и в каком логическом устройстве он реализуется. Указав это устройство в списке (слева внизу), можно увидеть, какие функции и для какого оборудования оно реализует (справа внизу).

Рисунок 10 – Структура описания цифрового обмена

Через наборы данных можно определить, в каких ещё ИЭУ используются данные этого логического узла. На рисунке 11 показано, что положение разъединителя включено в набор данных, который в виде GOOSE сообщения передаётся в ИЭУ, которое на него подписано.

Рисунок 11 – Пример описания цифрового обмена

На этом же примере может быть рассмотрен сквозной поиск информации от цифрового обмена до источников физических сигналов. Предположим, на АРМ оперативного персонала пришло сообщение о недостоверности сигнала о положении какого-то коммутационного аппарата. Для устранения дефекта нужно определить первопричину его возникновения: какими блок-контактами он физически формируется; в каких шкафах или панелях и через какие клеммы передаётся, через какие кабели к какому каналу ИЭУ подключен; в каком пакете данных передаётся по цифровой сети.

Как видно из рисунка 11, описание сигнала содержит информацию об обозначении ИЭУ, в котором он формируется. Обозначения ИЭУ сопоставлены в БД их обозначениям на принципиальных схемах и размещениям в НКУ. Через таблицы сигналов локализуется его схемная реализация. Пример поиска данных о подключении сигнала рассмотрен выше на рис. 6. Из таблицы видно, что сигналы связаны с одной стороны с информацией о присоединении (распределительное устройство, ячейка, оборудование), с другой стороны – с модулем УСО и каналом ввода-вывода, а также чертежом принципиальной схемы, который автоматически открывается по сигналу.

Ещё один маршрут поиска связывает первичное оборудование, указанное в SSD-файле, с проектом полевого уровня системы автоматизации, который формируется по монтажным единицам: Обозначение оборудования в SCD файле - Обозначение обору дования в БД проекта – Раздел проекта (МЕ) – Документация.

Выводы

Предложены и продемонстрированы на примерах алгоритмы использования проектной базы данных и средств навигации по проекту для поиска документации при проведении текущих работ по обслуживанию системы автоматизации, формирования спецификаций оборудования для подготовки планово-предупредительных и текущих ремонтов, анализа схем и цифрового обмена при поиске причин отказов оборудования.