Современные информационные технологии в управлении системами электроснабжения

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" Российский государственный профессионально-педагогический университет"

Институт электроэнергетики и информатики Кафедра электрооборудования и автоматизации промышленных предприятий РЕФЕРАТИВНАЯ РАБОТА по дисциплине «Введение в профессионально-педагогическую специальность»

на тему «Современные информационные технологии в управлении системами электроснабжения»

Выполнил студент группы ЗЭП-103С А. П. Устинов Проверил Н. В. Машенина Екатеринбург 2014

• Введение
• История развития электросетей
• Возможности модернизации
• Происхождение термина «умная сеть»
• Ранние технологические инновации
• Технология сетей «SmartGrid» и интеллектуальные приборы
• Опыт внедрения систем
• Заключение
• Литература

Развитие инновационных технологий, научно-технический прогресс, производство и вообще жизнь современного человека невозможно представить без электрической энергии. В то же время, сама энергетическая отрасль, появившаяся более ста лет назад и явившаяся тогда локомотивом развития производства, техники, технологий, в настоящее время оказалась менее других отраслей оснащена современными инфокоммуникационными средствами и системами автоматизации. В связи с этим, в мире развиваются новые базовые подходы к построению информационных систем энергетических сетей.

Так, в последние несколько лет на западе и в России активно прорабатываются концептуальные основы, архитектура, стандарты и принципы построения «интеллектуальных энергетических сетей и систем», известные в мире под названием «SmartGrid», или, как их иногда называют у нас в стране — «активно-адаптивные сети» энергетики. По данным аналитиков, в ближайшие 40 лет потребление электроэнергии в мире должно увеличиться в 3 раза.

Одновременно назрела необходимость оптимизации энергопотребления, при этом нужно менять и менталитет пользователей по отношению к потреблению энергоресурсов, в частности, дать им возможность управлять своим энергопотреблением, организовать онлайн-доступ к информации по потреблению (по аналогии с сотовой связью, банковскими услугами) и т. п.

электроснабжение энергопотребление умная сеть

История развития электросетей

Первая Электросеть переменного тока была установлена в 1886. В то время, сеть была централизована и являлась однонаправленной системой передачи и распределения электроэнергии. Спрос управлял предложением.

В 20 веке локальные сети росли в течении времени и в конечном итоге были подключены друг к другу по экономическим соображениям и для повышения надежности всей системы. К 1960;м электрические сети в развитых странах значительно разрослись, созрели и были тесно взаимосвязаны тысячами «центральных» электростанций подающих мощности в крупные центры потребления через линии большой мощности, которые затем разветвлялись и разделялись для обеспечения питания небольших промышленных, а также бытовых потребителей по всей площади питания. Топология сети 1960;х годов стала результатом сильных экономик: большие станции работающие на угле, газе, а также мазутных электростанций размером от 1 ГВт (1000 МВт) до 3 ГВт оказались экономически эффективными за счёт оптимизаций, выгодных для производства электричества исключительно в гигантских масштабах.

Стратегически электростанции были расположены поблизости к запасам ископаемого топлива (шахт или колодцев либо близко к железной дороге, дороги или портов). Выбор площадок для гидроэлектрических плотин в горных районах также сильно повлиял на структуру формирующейся сети. Атомные электростанции были размещены в зависимости от наличия охлаждающей воды. Наконец станции работающие на ископаемом топливе были первоначально весьма экологически грязными и расположены как можно дальше от населенных пунктов, насколько это позволяла экономическая и техническая ситуация. К концу 1960;х годов, электросети достигли подавляющего большинства потребителей развитых стран и только некоторые отдалённые региональные области остались 'вне сети'.

Учет потребления электроэнергии происходит отдельно на каждого пользователя, для того чтобы оплата соответствовала (сильно варьирующему) уровню потребления различных пользователей. Из-за ограниченной возможности сбора и обработки данных в период роста электросети, широко распространились фиксированные тарифы, а также механизмы двойного тарифа, когда в ночное время цена за электричество намного ниже дневного. Причиной для двойного тарифа являлся пониженный спрос на электричество в ночное время. Двойной тариф делал возможным использование недорогой ночной электроэнергии для обеспечения 'тепловых баков', которые служили для сглаживания повседневного спроса, а также уменьшение количества турбин, которые иначе должны были бы быть отключены на ночь. Тем самым повышалась рентабельность производства и передачи электроэнергии. Возможности передачи сигналов реальной стоимости электричества на каждый конкретный момент у сети образца 1960 года были ограниченными.

В период от 1970;х до 1990;х годов, рост спроса привел к увеличению числа электростанций. В некоторых районах поставки электроэнергии, особенно в часы пик, больше не могли идти в ногу с требованием, что приводило к снижению качества электроэнергии, включая аварии, отключение электроэнергии и колебания напряжения. Все в большей мере от снабжения электроэнергией зависели промышленность, отопление, связь, освещение, поэтому потребители требовали все более высокий уровень надежности.

К концу XX века были разработаны модели спроса на электроэнергию. Отопление и охлаждение домов привело к ежедневным пикам спроса, которые сглаживались массивными «пиковыми генераторами», которые каждый день включались лишь на короткое время. Такие «пиковые генераторы» (обычно газотурбинные) использовались из-за их относительной дешевизны и быстрого запуска. Однако, так как использовались они только время от времени и являлись избыточными всё остальное время, цены на электричество для потребителя значительно повысились.

В XXI веке некоторые развивающиеся страны, — такие, как Китай, Индия и Бразилия, — оказались пионерами внедрения умных сетей электроснабжения.

Возможности модернизации

С начала XXI века, появились возможности воспользоваться новшествами в области электронных технологий для устранения недостатков и стоимости электрической сети. Например: технологические ограничения на потребление около пиковой мощности отражается на всех потребителям в равной степени. Параллельно растущая озабоченность по поводу экологического ущерба ископаемого топлива электростанций привела к желанию использовать большее количество возобновляемых источников энергии. Такие источники как Ветроэнергетика и Солнечная энергетика, крайне непостоянны, и поэтому возникает потребность в более сложных системах управления, для облегчения их подключения источников к в высокой степени управляемой сети. Мощность от солнечных батарей (и в меньшей степени ветрогенераторов) ставит под сомнение необходимость крупных, централизованных электростанций. Быстрое снижение расходов указывают на переход от централизованной топологии сети на сильно распределенную, когда производство и расход электроэнергии происходит в пределах локальной сети. Наконец, растущая озабоченность по поводу терроризма в некоторых странах привело к призывам создания более надежной энергетической системы, которая менее зависима от централизованных электростанций — потенциальных целей атаки.

Происхождение термина «умная сеть»

Термин «умная сеть» (Smart grid) стал известен с 2003 года, когда он появился в статье «Спрос надёжности будет управлять инвестициями «Майкл Т. Burr. В этой работе перечислено несколько функциональных и технологических определений умной сети, а также некоторых преимуществ. Общим элементом для большинства определений является применение цифровой обработки данных и связи к электрической сети, что делает поток данных и управления информацией ключевыми технологиями умных сетей. Различные возможности широкой интеграции цифровых технологий, а также интеграция новой сети информационных потоков для контроля над процессами и системами являются ключевыми технологиями при разработке умных сетей. На данный момент электроэнергетика преобразуется в трёх классах: улучшение инфраструктуры («сильная сеть в Китае); добавление цифрового слоя, который является сущностью умной сети и преобразование бизнес-процессов, делающих умные сети рентабельными. Большая часть работ вкладывается в модернизацию электрических сетей, особенно это касается распределения и автоматизации подстанций, которые теперь будут включены в общую концепцию умных сетей, однако также развиваются и другие дополнительные возможности.

Ранние технологические инновации

Основные технологии умных сетей появились из-за ранней попытки использования электронного управления, измерения и мониторинга. В 1980 году автоматическое считывание показаний счетчиков было использовано для мониторинга потребления энергии крупных клиентов, и превратилась в Интеллектуальный счётчик 1990;х годов, который сохраняет информацию о том, как электроэнергия использовалась в разное время дня. Интеллектуальный счётчик находится в непрерывной связи с производителем энергии, то есть мониторинг происходит в режиме реального времени, и может быть использован в качестве интерфейса для устройств быстрого реагирования на спрос и «умные розетки». Ранние формы управления спросом были устройствами, которые пассивно определяли нагрузку на энергосистему, контролируя изменения частоты источника питания. Такие устройства, как промышленные и бытовые кондиционеры, холодильники и обогреватели могли корректировать свой рабочий цикл, чтобы избежать запуска во время пиковой нагрузки сети. Начиная с 2000 года итальянский проект Telegestore первым использовал большую сеть (27 000 000) домов с использованием смарт-счётчиков соединённых через цифровую сеть, используя саму линию электропередачи. В одних случаях были использованы технологии широкополосного доступа по линии электропередачи, в других — беспроводные технологии, такие как Ячеистая топология для более надежного подключения к различным устройствам в доме, а также поддержку учета других коммунальных услуг таких как газ и вода.

Революция мониторинга и синхронизации глобальных сетей произошла в начале 1990;х, когда американское агентство Bonneville Power Administration расширило исследования умных сетей датчиками, способными проводить очень быстрый анализ аномалий качества электроэнергии в очень больших географических масштабах. Кульминацией этой работы стала первая система измерений на широких площадях (WAMS) в 2000 году. Многие страны мгновенно переняли эту технологию, например Китай.

Технология сетей «SmartGrid» и интеллектуальные приборы

Разрабатываемая и внедряемая концепция «SmartGrid» сетей энергетики подразумевает развитие, дооснащение и интеграцию базовой инфраструктуры и оборудования энергетических сетей различного уровня, включающих генерацию / транспорт / распределение / потребление электроэнергии на базе ИТ-инфраструктуры, современных информационно-коммуникационных технологий, связи, внедрения систем современной автоматизации управления. Одновременно в «SmartGrid» интегрируются источники распределенной децентрализованной генерации, системы хранения электроэнергии, распределенные системы автоматики, контроля и мониторинга, разрабатываются и внедряются автоматизированные системы управления подстанциями, системы управления распределением и потреблением электроэнергии, современные приборы учета потребления, электромобильный транспорт.

С внедрением архитектуры построения таких сетей энергетики появляется целый ряд существенных инновационных преимуществ. В частности:

Ш Двунаправленная информационная и энергетическая связь электросетевых компаний и потребителей.

Ш Постоянный контроль элементов сети — от работы объектов генерации до информирования клиентов и управления потреблением электроэнергии индивидуальными персональными устройствами

Ш Широкое использование и интеграция распределенных генерирующих мощностей, в том числе возобновляемых

Ш Максимальное использование существующего технологического оборудования энергосистем

Ш Самодиагностика и самовосстановление сетей электроснабжения

Ш Защищенность и противостояние внешним подключениям в сеть

Ш Расширенный контроль и управление приложениями и оборудованием со стороны потребителей для уменьшения пиковых нагрузок, оптимизация потребления энергоресурсов и энергоэффективность, выбор оптимальных тарифных планов, создание онлайн-сервисов между пользователем и энергосбытовой компанией

Ш Стандартизация параметров энергии, интерфейсов, протоколов взаимодействия

Внедрение глобальных технологий и решений «SmartGrid» на определенных этапах должно обеспечить существенное повышение качества электроэнергии, необходимое для современного общества, повысить надежность, устойчивость и гибкость работы энергетических сетей, обеспечить принцип соответствия мощности нагрузок генерируемой мощности.

Учитывая объемы высокоуровневых задач интеллектуальной энергетики, что, соответственно, потребует серьезнейших инвестиций в энергетику, внедрение технологий «SmartGrid» будет происходить не одномоментно, а в течение достаточно продолжительного времени, это могут быть годы или даже десятилетия.

Одним из базовых компонентов «SmartGrid» становятся «интеллектуальные электронные приборы» (IED) и оборудование, например, программируемые устройства контроля качества электроснабжения, построенные на базе высокопроизводительных микропроцессоров, имеющие достаточную память, поддержку современных сетевых интерфейсов и протоколов (BACnet, Modbus, LON, Ethernet). Самые «продвинутые» приборы имеют встроенные веб-серверы, цветные touch-дисплеи, функции свободно-программируемого логического контроллера с различными типами входов и выходов и поддерживают работу в различных сетях без необходимости использования дополнительного оборудования и программного обеспечения.

Рис. 1 Центр мониторинга и управления параметрами электроснабжения объекта.

Начальным этапом развития «SmartGrid» является внедрение современных приборов мониторинга и управления, создание автоматической инфраструктуры измерительных сетей на уровне потребителей — квартиры, помещений, здания и комплексов зданий. Одновременно с этим может быть решена задача автоматического или автоматизированного управления нагрузками. Причем решается задача распределенного технического мониторинга и управления энергоснабжением объекта (здания) как целиком, так и по отдельным зонам.

Наличие многофункциональной системы «Центр мониторинга и управления параметрами электроснабжения и нагрузками» позволяет:

а) Вести в реальном масштабе времени полный анализ потребления электроэнергии (при необходимости и других видов энергоресурсов), как по отдельным зонам объекта с целью оценки энергоэффективности каждого участка, технологической подсистемы, так и объекта целиком;

б) Управлять электропотреблением объекта в целом в рамках предоставленных квот (или договоров) на электроснабжение за счет автоматизированной системы управления приоритетами нагрузок, что приводит к отсутствию издержек, связанных с уплатой штрафных санкций (при соответствующих договорных отношениях) за сверхнормативное (пиковое) электропотребление, и повышает общую надежность и эффективность энергоснабжения;

в) Фиксировать в реальном времени десятки параметров качества электроснабжения по каждому измеряемому каналу, в частности, наличие реактивной составляющей электрической мощности, гармоник и т. п. Анализ электрических параметров на различных участках объекта поможет выявить места, где есть необходимость установки дополнительного оборудования, корректирующего качество электроснабжения (в частности, компенсаторов реактивной мощности с автоматической подстройкой и выбором параметров), и позволяющих снизить общее электропотребление участка объекта, увеличить КПД оборудования и повысить общую надежность работы систем;

г) Мгновенно регистрировать аварийные ситуации в энергосистеме объекта, либо предупреждать оператора и дежурного энергетика о приближении параметров электроснабжения на объекте к критическим значениям, что позволит избежать аварийной ситуации, заранее принять адекватные меры и обеспечить полный непрерывный мониторинг системы электроснабжения.

В комплект такого решения обычно включены и специализированные блоки программного обеспечения:

Ш Среда программирования, конфигурирования и создания человеко-машинного интерфейса для работы с системами;

Ш Аналитическая подсистема, позволяющая производить общий учет и анализ потребления энергоресурсов, расчет и оптимизацию стоимости энергоресурсов по каждому узлу учета, а также готовить и выдавать отчеты;

Ш Система мониторинга и управления пиковыми нагрузками;

Ш Система мониторинга качества электроснабжения объекта;

Ш Система управления базами данных (для средних, крупных и распределенных объектов).

Наличие широкого спектра интерфейсов и протоколов связи позволяет производить обмен данными Центра мониторинга энергоснабжения объекта с другими программными (программно-аппаратными) комплексами объекта. Имеющиеся коммуникационные возможности Центра (такие, как e-mail, sms, удаленный веб-доступ) позволяют практически мгновенно информировать нужный круг специалистов и руководство объекта, вне зависимости от их местонахождения, о статусе работы и обо всех значимых событиях (имеется возможность настройки перечней событий индивидуально), происходящих в энергетической системе объекта.

Примером другого полезного решения может быть Система мониторинга и управления пиковыми мощностями (токами) потребления.

Важным моментом конфигурирования данной системы является определение и согласование типов нагрузок, имеющих максимальный приоритет и повышенные требования к надежности электроснабжения и выделение нагрузок, которыми можно управлять и отключать при необходимости. Для второго типа нагрузок определяется время отключения. Обычно оно может быть непродолжительным.

Но, например, компьютерное оборудование, системы управления, технологическое оборудование, автоматика безопасности объектов не могут быть отключены ни при каких условиях и должны иметь максимальный приоритет.

Есть другие системы, по которым можно предусмотреть возможность отключения для управления пиковыми мощностями (в том числе с возможностью плавной регулировки): компрессоры, водонагреватели, электрические печи, холодильники, подогрев бассейна, нагревание котла, антиобледенитель, вентиляция, подогрев пола, электрические зарядные устройства, сауна.

Опыт внедрения систем

Все перечисленные решения могут быть реализуемы на базе оборудования компании Janitza Electroniks GmbH (Германия), партнером и системным интегратором которой со статусом «3P-Provider» компания АйТи является уже в течение нескольких лет. Так, на базе такого интеллектуального оборудования внедрены системы мониторинга энергопотребления нескольких офисных зданий. Имеется опыт внедрения подобных решений и в коммерческих зданиях, на предприятиях, гостиницах, для мониторинга ИТ-инфраструктуры и центров обработки данных. В частности, в компании АйТи внедрена в промышленную эксплуатацию система мониторинга электроснабжения офисного здания (на территории комплекса «Омега-Плаза»). И в эту систему интегрирована система мониторинга корпоративного центра обработки данных (ЦОД).

Рис. 2 Схема системы мониторинга электроснабжения здания.

На рис. 2 показана примерная структурная схема построения системы. Интеллектуальные приборы контроля качества электроснабжения, оснащенные трансформаторами тока (с подобранными контрольными токами 25, 50, 75, 100А или другими значениями и выходами на 1 или 5 А), внешний вид и конструкция которых показаны на рис. 2, установлены непосредственно в щитах электроснабжения. Также к приборам подключены датчики PT100 для контроля температуры воздуха в электрощитовых. Приборы нижнего уровня (UMG104) коммутируются к головным приборам (UMG604) по интерфейсу RS-485 Modbus. Головные приборы включены в выделенный сегмент (изолированный по трафику) корпоративной сети Ethernet 100BaseT. Фактически в здании создается распределенная измерительная сеть, информация с которой в реальном времени передается на SCADA-систему (сервер и АРМ), где и происходит сбор, обработка, архивирование, визуализация полученных данных, формирование аварийных предупреждений и сообщений, ведутся журналы событий и действий оператора. Имеется возможность доступа к системе посредством веб-доступа. Помимо мониторинга, с помощью данного решения в перспективе могут быть реализованы функция и алгоритмы управления системой электроснабжения и энергосбережения.

Рис. 3 Внешний вид и примеры конструкций трансформаторов тока.

Опыт разработки, внедрения и интеграции подобных систем в компании АйТи с использованием оборудования и решений Janitza показывает высокую надежность оборудования, их открытость и совместимость решений, простоту конфигурирования и настройки. Стоимость подобной системы зависит от количества узлов контроля, их фазности, выбранных типов приборов, наличия системы оповещения (например, GSM-модема) и может составлять примерно от 15 до 40 тыс. рублей в расчете на один интеллектуальный узел мониторинга (обычный состав включает интеллектуальные приборы контроля, трансформаторы тока, датчики температуры, программное обеспечение SCADA).

На основе представленного оборудования нами разработано программное обеспечение и внедрена пилотная автоматизированная система мониторинга параметров энергопотребления по различным видам энергоресурсов — вода, тепло, электроэнергия, параметры окружающей среды. Данное решение позволяет без использования компьютерного или серверного оборудования при наличии подключения к сети Интернет удаленно собирать и обрабатывать информацию с большого количества удаленных объектов в центральную (районную) диспетчерскую, строить отчеты, графики, анализировать информацию.

Решения по мониторингу электроснабжения внедряются на различных объектах, таких как офисные здания, гостиницы, на объектах ИТ-инфраструктуры (в частности, ЦОДы, в том числе операторского класса), в банках, в бюджетных организациях (так, система мониторинга параметров энергопотребления внедрена в одном московском Центре образования).

Применение подобных решений позволяет:

Ш Повысить эффективность системы электроснабжения как объекта в целом, так и отдельных участков;

Ш Сократить стоимость эксплуатации систем энергообеспечения, повысить информированность персонала;

Ш Сократить расходы на энергоресурсы, обеспечить энергосбережение и поддержку «зеленых» технологий зданий;

Ш Обеспечить полный мониторинг контроля качества электроснабжения, возможность управления нагрузками, в том числе удаленные;

Ш Обеспечить значительное повышение надежности энергосистемы объекта;

Ш Используя самое современное оборудование и ПО, сетевую инфраструктуру и стандартные протоколы (приборы поддерживают Modbus, BACnet IP), интегрировать систему мониторинга и управления электроснабжения в смежные системы автоматизации и диспетчеризации, АСУЗ или SCADA;

Ш Документировать все события, происходящие в системе, обеспечить хранение исторических данных, строить графики и выпускать отчетные документы.

Заключение

Описанные выше решения по мониторингу и управлению электроснабжением объектов становятся все более актуальными и востребованными с учетом практического внедрения концепции «Интеллектуальных сетей энергетики», развития альтернативных видов генерации энергии и гибридного транспорта, оптового и розничного рынков электроэнергетики, а также необходимости исполнения требований закона «Об энергоэффективности» ФЗ-261. Внедрение в России перспективных европейских стандартов в части энергетических обследований и Energy Management System (EMS) повысит требования к качеству электроснабжения предприятий, офисных зданий и ЦОД, что будет способствовать более стабильному развитию бизнеса компаний.

1. Вендров А. М. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем. М.: Финансы и статистика. 2000, 470 с. 1 экз.

2. U. S. Department of Energy. Smart Grid / Department of Energy http://energy.gov/oe/technology-development/smart-grid

3. http://ru. wikipedia.org/wiki/Умные_сети_электроснабжения

4. Современный комплекс мониторинга и управления системами электроснабжения объектов http://www.it.ru/press_center/publications/2368/