книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

управляющих воздействий. Характер и объем логико-математической обработки информации зависит от функций, которые выполняет конк­ ретная система. Кроме того, определяющее влияние на состав КТС оказывает выбор способа реализации логико-математической обработки информации. Поэтому представляется обоснованным принять в качест­ ве признака классификации МП-систем РЗ способ и средства обработки информации и соответственно различать системы РЗ: аналоговые, цифро вые, аналого-цифровые (гибридные).

Жесткость МП-системы — это неизменность структуры и состава комплекса технических средств (КТС), программного обеспечения, структуры связей и структуры данных. Гибкость, наоборот, определяет способность МП-системы к перестройке. Поскольку это свойство явля­ ется важнейшим и достаточно глубоким, оно рассмотрено подробно вы­ ше. По степени снижения жесткости можно выделить МП-системы с жест­ кой реализацией функций, с жесткой архитектурой и с программиру­ емой архитектурой. Причем МП-системы с жесткой реализацией функ­ ций —это микроконтроллерные системы с жесткой архитектурой и ап­ паратной реализацией функций или процеДур их вычисления, изменить которые .в процессе эксплуатации нельзя. В МП-системах с жесткой ар­ хитектурой реализация функций и процедур программная. В соответ­ ствии с [12] это системы с процедурным программированием, которые обеспечивают высокую функциональную гибкость и получили широкое распространение. Практически все универсальные серийные средства ВТ имеют жесткую архитектуру.

Основным путем повышения производительности и надежности ВС является реализация параллелизма в их функционировании путем ор­ ганизации многомашинных комплексов и многопроцессорных (мульти­ процессорных) вычислительных систем (МПС) [13]. Типы параллель­ ной организации ВС классифицируются по характеру потоков команд и потоков данных [12]. Различают одиночные и множественные потоки. При этом МП-система с одиночным потоком команд (ОК) и одиночным потоком данных (ОД) —это система типа ОКОД, типичным представи­ телем которой являются персональные компьютеры. В МП-системах типа ОКМД выполняется синхронная однотипная обработка нескольких потоков данных группой МП под общим управлением одним потоком команд (векторные и матричные ВС). Система МКОД - это конвейер­ ные ВС, в которых цепочка МП одновременно выполняет последователь­ ную обработку одного потока данных. Каждый МП управляется своим потоком команд. Система типа МКМД включает группу МП, каждый из которых имеет устройство управления (УУ) и способен автономно и асинхронно выполнять заданную программу. К МКМД-системам относят­ ся и многомашинные системы (ММС), которые состоят из нескольких микроЭВМ, каждая из которых включает МП, оперативную память и средства связи с другими микроЭВМ и работает под управлением своей операционной системы. В МПС имеется несколько МП, которые рабо-

51

тают с общей базой данных (БД) и связь которых между собой выпол­ няется через нее. Такие системы в некоторых случаях называют жестко­ связанными [55], отражая тот факт, что трудно произвести какие-либо изменения в архитектуре таких систем. Многомашинные системы имеют более высокие надежность и живучесть, чем МПС. Однако в ММС обмен информацией между микроЭВМ выполняется через каналы ввода-вы­ вода и другие системные средства связи, пропускная способность кото­ рых значительно меньше пропускной способности внутримашинного ин­ терфейса; в МПС время межпроцессорного обмена практически равно длительности цикла памяти. В настоящее время в условиях интенсивно­ го и широкого внедрения средств МП-техники в системы управления тех­ нологическими процессами наибольшее распространение получают многомашинные микропроцессорные ВС. Это объясняется тем, что ММС создаются на основе серийных микроЭВМ и требуют минимальных до­ полнительных конструкторских и аппаратных разработок. Програм­ мное обеспечение ММС включает ПО базовых микроЭВМ. Создание МПС требует несоизмеримо больших затрат, связанных в основном с разработкой специальной операционной системы, системы команд, системы трансляции и других элементов ПО [56].

Одним из основных принципов организации РЗ на базе МП является принцип централизации и соответственно распределенности процессов переработки информации (в дальнейшем для краткости будем называть ’’процесс”) и БД, в которых хранятся программы и информация. Оче­ видно, что проблема централизации возникает в системах многофунк­ циональных, многопараметрических, в которых задача управления — это совокупность отдельных задач, в той или иной мере связанных ло­ гически и информационно. Примером такой системы является система РЗ энергоблока. С другой стороны, проблема распределения системы РЗ возникает, когда 03 размещен на значительной территории, например ЛЭП, блок генератор—трансформатор—линия. В этой ситуации крити­ ческим фактором является пропускная способность каналов связи ИП с измерительными органами защиты, что, естественно, приводит к распределению обработки информации. Суть централизации —’’обобще­ ствление” аппаратных средств, общее их использование различными процессами, вызванное требованиями экономии и эффективного ис­ пользования средств. Ограничивается централизация системы требова­ ниями надежности, живучести и быстродействия, техническими воз­ можностями имеющихся аппаратных средств. Вследствие этого возни­ кает необходимость использовать группу однотипных или разнотип­ ных устройств, реализующих всю совокупность задач РЗ. Кроме того, наличие основных и резервных устройств РЗ обусловливает требование аппаратной несовместимости ряда функций РЗ. Это приводит к прояв­ лению тенденции распределения функций РЗ на комплексе в определен­ ном смысле автономных устройств. Появление МП-систем —пример реализации принципа распределенности. Воплощение принципа центра-

52

лизации (распределенности) при создании систем РЗ влияет не только на архитектуру системы, но и на то, что при разработке или выборе от­ дельных элементов КТС системы проявляется тенденция к выполнению этих элементов многофункциональными, перестраиваемыми. Известно, то универсальные средства обладают большей потенциальной возмож­ ностью использования в различных процессах, чем специализированные. Кстати, из этого же соображения следует, что специализация техничес­ ких средств естественна в распределенных системах. Использование универсальных элементов в централизованных многофункциональных системах РЗ приводит к проблеме разделения универсальных ресурсов между различными процессами. В ВС такими общеизвестными ресурса­ ми, например, являются процессорное (машинное) время и память. Следует иметь в виду, что организация такого разделения ресурсов тре­ бует больших затрат. Опыт создания операционных систем, выполня­ ющих распределение ресурсов ВС, подтверждает это. Сказанное не ис­ ключает использования специализированных средств в централизован­ ных многофункциональных системах РЗ. Это следует из того, что раз­ личные процессы в системе, реализующие, например, функции отдель­ ных защит, можно разбить на подпроцессы. Если во всей совокупности подпроцессов встречается подпроцесс, многократно используемый в различных процессах, есть смысл создать специализированное средство. В этом случае снова возникает проблема разделения специализирован­ ных ресурсов между одинаковыми подпроцессами различных процес­ сов системы РЗ. Описанные задачи разделения ресурсов имеют свои ме­ тоды решения (программные и аппаратные) . Эти методы являются сред­ ством обеспечения гибкости систем РЗ.

Принцип централизации и распределенности имеет следующие аспек­ ты: централизация (распределенность) процессов; централизация (рас­ пределенность) базы данных (БД); централизация (распределенность) связей. Перечисленные виды централизации и распределенности опреде­ ляют возможные структуры и состав систем. На рис. 2.9 приведены некоторые из них. На рис. 2.9,д полностью централизованы обработка в одном процессоре МП и данные в БД, при этом связи измерительных преобразователей ИП - индивидуальные. В структуре рис. 2.9,6 распре­ делены процессы обработки информации с помощью группы процессо­ ров. На рис. 2.9,в приведена структура полностью распределенной сис­ темы, в которой связи процессоров с ИПп между собой выполнены ин­ дивидуальными, а каждый процессор имеет собственную локальную БД. В структуре рис. 2.9,г полностью распределены процессы, частично рас­ пределена БД. Через централизованную часть БД, в частности, выполня­ ется межпроцессорный обмен данными. В структуре рис. 2.9,6 частично централизованы БД и процессы. В системах с такой структурой общая БД и центральный МП чаще всего выполняют функции контроля и уп­ равления системой. Пример системы с централизацией связей показан на рис. 2.9,е.

53

Рис. 2.9. Структуры ВС МПРЗ с различными видами централизации и распределен­ ности БД и обработки информации

Рассмотрим другие признаки классификации МП-систем, которые могут быть однородными или неоднородными. В первом случае система содержит одинаковые микроЭВМ или процессоры. В неоднородных системах используются различные микроЭВМ или различные, в частно­ сти специализированные, МП. С точки зрения характера обмена инфор­ мацией и структуры связей различают ММС РЗ с общей БД, с общей централизованной шиной (магистралью) . С точки зрения топологии свя­ зей и характера обмена в сосредоточенных и распределенных ММС, на которые существенно влияет централизация БД и связей, различают системы: с общей БД, с общей шиной (магистралью), петлевые (коль­ цевые) , радиальные, иерархические, полносвязные, неполносвязные. В системах с общей памятью взаимодействие между микроЭВМ выпол­ няется через память. В системах с общей магистралью микроЭВМ вза­ имодействуют через общий канал сквозной адресацией микроЭВМ. Магистраль обычно работает в режиме разделения времени; управление ею может быть централизованным или децентрализованным. Кольцевые системы содержат замкнутый высокоскоростной направленный канал цифровой связи. МикроЭВМ присоединяются к кольцу в узлах с по­ мощью кольцевого интерфейса. Посланное сообщение проходит по коль-

54

Рис. 2.10. Радиальная структура системы микроЭВМ

Рис. 2.11. Иерархическая структура системы микроЭВМ

ДУ до узла-адресата и удаляется им из кольца; при этом сообщения пе­ редаются блоками.

В радиальной системе одна центральная микроЭВМ работает как уп­ равляющая и связана с остальными микроЭВМ отдельными линиями (рис. 2.10). При необходимости передачи сообщения от микроЭВМ 1 к микроЭВМ 3 первая посылает запрос на передачу в центральную микроЭВМ (коммутатор сообщений), которая, проверив готовность микроЭВМ 3 к приему, устанавливает связь ее с микроЭВМ 7. Если в микроЭВМ 4 подготовлено сообщение для микроЭВМ 7 в то время, когда между микроЭВМ 7 и 3 устанавлена связь и идет обмен, она ждет освобождения установленного канала между ЭВМ 7 и 3. В радиальной

(рис. 2.11). Информация в иерархических системах циркулирует вер­ тикально между различными уровнями. Для связи микроЭВМ различ­ ных уровней используются выделенные линии. Обмен выполняется пе­ редачей пакетов переменной или фиксированной длины. Для МПРЗ характерна иерархическая структура. На нижнем уровне используются микроЭВМ и микроконтроллеры для сбора и предварительной обра­ ботки и сжатия информации по достаточно простым алгоритмам. Мик­ роЭВМ второго уровня собственно выполняют функции отдельных за­ щит, работая в однопрограммном или мультипрограммном режиме.

55

1

МС ВТ систем РЗ

Рис. 2.12. Классификация МС ВТ гибких систем РЗ по признакам архитектурной организации

Опрос нижнего уровня производится циклически. Микроили миниЭВМ верхнего уровня выполняет фукнции управления системой, связи с опе­ ратором, реконфигурации функций микроЭВМ нижних уровней, конт­ роль, диагностику аппаратных средств системы. С целью повышения на­ дежности иерархических систем возможно введение избыточности в иерархическую систему (дублирование, мажорирование) [55], однако это удорожает систему.

Рассмотренные радиальные и иерархические МП-системы представля­ ют собой частные случаи неполносвязных систем, в которых для обмена между микроЭВМ, не имеющими прямой отдельной линии связи, исполь­ зуется коммутация каналов, сообщений или пакетов. Основное отли­ чие систем с коммутацией каналов от систем с коммутацией сообщений и пакетов заключается в том, что в последних имеется промежуточная буферная память в коммутационных микроЭВМ для хранения сообще­ ний и пакетов (частей сообщений) на время выбора маршрута передачи данных. Полносвязные системы имеют отдельные линии связи между всеми микроЭВМ. Из-за высокой стоимости они имеют ограниченное применение.

Классификация МС ВТ РЗ с гибкой структурой по способам архитек­ турной организации приведена на рис. 2.12. Основной технической базой для построения МС ВТ являются различные микропроцессорные комплекты (МПК) и однокристальные микроЭВМ (ОМ ЭВМ), из кото­ рых создаются вычислительные средства для контроля и управления РЗ (контроллеры, магистрально-модульные микроЭВМ), различающиеся по быстродействию, специализации, надежности, возможности взаимного или иерархического обмена информацией. Структура и принципы работы всех этих средств достаточно подробно изложены в [57]. Необходимо

56

отметить, что появление РЗ, выполненных на базе МС ВТ с процедурным программированием, позволяет перейти к построению на основе мультимикропроцессорных систем и локальных сетей гибких интегрированных структур, которые будут выполнять функции как различных защит, так и систем противоаварийной автоматики ЭЭС. Технические средства ВТ, пригодные для использования в МПРЗ с гибкой структурой, могут быть построены как на традиционных принципах вычислительной маши­ ны фон Неймана, в пределах которой протекает процесс обработки ин­ формации, так и на нетрадиционных — распределение вычислений и функций в пространстве и распараллеливание процесса обработки информации во времени [12, 13]. Современные и перспективные мик­ роэлектронные средства для систем МПРЗ рассмотрены в гл. 3.

Г л а в а т р е т ь я

МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ПРОЦЕДУРНО

ИПРОЦЕДУРНО-АППАРАТНО ПРОГРАММИРУЕМЫХ ГИБКИХ РЗ

3.1.УНИВЕРСАЛЬНЫЕ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ МП-СРЕДСТВА ДЛЯ ПРОЦЕДУРНО ПРОГРАММИРУЕМЫХ ГИБКИХ РЗ

Внастоящее время отечественная промышленность выпускает бо лее 20 МПК БИС и на их основе широкий спектр различных микросреДств ВТ. Универсальные МС ВТ развиваются по трем основным нап­ равлениям. Первое направление связано с созданием конструктивно законченных изделий с источниками питания и средствами связи с объ­ ектом и оператором. Второе направление предусматривает разработку МС ВТ, встраиваемых в системы РЗ и поставляемых в виде наращива­ емых каркасов, комплектуемых из отдельных модулей согласно спе­ цификации заказчика. В качестве центрального процессора для таких средств применяются МП или однокристальные микроЭВМ, специально разработанные для них и обладающие определенной степенью универ­ сальности. Третье направление связано с созданием на основе универ­ сальных МПК специализированных контроллеров. Первые два направ­ ления предполагают создание средств высокой заводской готовности.

Куниверсальным МС ВТ первого направления относятся микроЭВМ семейств ”Электроника-60”, ’’Электроника НЦ”, ’’Электроника С5”, ’’Электроника К1”, микроЭВМ СМ ЭВМ первой и второй очередей. Ха­ рактеристики некоторых моделей микроЭВМ семейств ’’Электроника”

приведены в табл. 3.1 [58—61].

Вызывает интерес анализ перспектив применения в ЭЭС нового клас­ са устройств ВТ —микроЭВМ личного пользования, получивших назва­ ние в зависимости от ориентации на потребителя (ГОСТ 27201—87): персональные микроЭВМ (ПЭВМ) или профессиональные микроЭВМ

57

(ППЭВМ), которые оснащаются необходимыми комплектами перифе­ рийного оборудования для диалогового режима общения с оператором. Указанные ЭВМ относятся к микроЭВМ первого направления. Примене­ ние ПЭВМ для оперативного управления режимами ЭЭС пока находится в начальной стадии. Следует полагать, что основными задачами для ПЭВМ систем управления ЭЭС являются: сбор необходимой информации с управляемых объектов, выдача ее оператору и участие в принятии ре­ шений оператором. В ЭЭС такой информацией являются уровни напря­ жения, потокораспределение в линиях, состояния выключателей и уст­ ройств различной аварийной сигнализации. Основной целью систем уп­ равления является предоставление оператору полной информации по объекту ЭЭС и оказание помощи в обеспечении его безопасного функ­ ционирования [96]. Перспективы использования ПЭВМ в технике РЗ можно определить следующим образом: решение задач отладки про­ граммного обеспечения контроллеров РЗ, использование в системах диагностики и профилактического обслуживания РЗ во время проведе­ ния регламентных работ. В табл. 3.2 приведены характеристики некото­ рых отечественных микроЭВМ индивидуального пользования [57, 61].

К универсальным МС ВТ второго направления относятся микросред­ ства серий В7/В9, КТС ЛИУС второй очереди, получившие новое назва­ ние МикроДАТ [62]. Микросредства В7/В9 серийно выпускаются для

59