Концептуальные основы создания систем автоматизированного управления энергообеспечением промышленного предприятия

Автоматизация в промышленности, 6/2008

Введение

В условиях реформы российской энергетики для промышленного предприятия стреми-тельно возрастает роль качества внедряемых информационных технологий и IT-решений. Про-фессиональный подход к управлению по международным стандартам позволяет компенсиро-вать недостатки в организации производственных процессов, создать конкурентные преимуще-ства для компании.

В современных условиях особую важность для предприятий представляет контроль со-стояния оборудования системы энергообеспечения, контроль текущих параметров системы энергоснабжения, оперативное и долгосрочное планирование, распределение энергии и энерго-носителей различного вида (вода, тепло, газ, электроэнергия), контроль произведенных и по-требленных энергоресурсов; краткосрочное (почасовое) и долгосрочное прогнозирование и пла-нирование потребления и собственной генерации энергоресурсов. На многих предприятиях раз-вернуты работы по внедрению АСУ энергообеспечения (АСУ Э). Наряду со строительством но-вых объектов, активно проводится техническое перевооружение существующих. Все новые и реконструируемые системы электроснабжения оснащаются цифровыми системами защиты и противоаварийной автоматики и АСУ электроснабжения (АСУ ЭС). В работу включены все крупные фирмы-изготовители, выпускающие под свои устройства специализированные АСУ систем электроснабжения, полностью адаптированные к оборудованию, используемому для ав-томатизации процессов электроснабжения. Однако эти системы, как показал опыт эксплуата-ции, также требуют адаптации к российским и отраслевым условиям по составу и параметрам применяемых технических средств.

Исходя из этого, актуальна методическая и концептуальная основа разработки АСУ Э, в которой будет изложен порядок адаптации зарубежных решений к российским и отраслевым условиям, разработки типовых решений, обобщения опыта эксплуатации и внесения изменений в типовые решения.

Основные предпосылки создания АСУ Э ПП

Первая волна автоматизации энергоснабжения на промышленных предприятиях началась вместе с началом функционирования оптового (а затем и розничного) рынка и привела к массо-вому созданию систем коммерческого учета (АСКУЭ). На текущий момент можно сделать вы-вод, что большинство крупных компаний либо уже создали АСКУЭ, либо находятся в процессе ее создания.

Вторая волна автоматизации начинается в настоящее время и связана с увеличение стои-мости энергоносителей (топлива и электроэнергии). На этой волне предприятия начинают ак-тивно заниматься вопросами энергоэффективности. Повышение энергоэффективности достига-ется за счет реконструкции и внедрения новых технологий, однако прежде необходимо наладить детальный контроль за собственным потреблением. Как следствие, актуальным становится соз-дание систем технического учета (АСТУЭ) и диспетчерских систем, которые совместно позво-лят предприятиям не только выявлять и оперативно устранять текущие проблемы, но и измерять эффективность вложений в мероприятия по энергосбережению.

В качестве основных факторов для создания АСУ Э ПП можно рассматривать следую-щие факторы:

• Административно-правовые (или внешние) факторы:
  • требования оптового рынка электроэнергии и мощности (ОРЭМ);
  • требования системного оператора (СО).
• Экономические (или внутренние) факторы, требующие повышения энергоэффективности производства:
  • увеличение стоимости электроэнергии и, соответственно, стоимости выпускаемой про-дукции;
  • увеличение конкуренции на рынке.

Основные цели создания АСУ Э ПП

• Создание АСУ Э ПП должно преследовать следующие цели:
• Организация бесперебойного энергоснабжения потребителей.
• Снижение числа аварийных ситуаций и инцидентов в работе энергохозяйства предприятия.
• Оперативное управление системой энергоснабжения и энергопотреблением объектов пред-приятия.
• Оптимизация энергопотребления объектами предприятия.
• Снижение энергетической составляющей в себестоимости продукции предприятия за счет:
  • минимизации расходов на оплату энергоресурсов;
  • снижения эксплуатационных издержек и затрат на содержание системы электроснабже-ния.
• Возможность планирования обслуживания и ремонтов электрооборудования по его фактиче-скому техническому состоянию.
• Технический и коммерческий учет всех видов энергоресурсов.

Для достижения целей по организации бесперебойного энергоснабжения необходимо выполнение следующих условий:

• Применение систем автоматического контроля и регулирования режимов работы и противо-аварийной защиты оборудования всех объектов энергообеспечения на базе использования современных сертифицированных КИП и А, микропроцессорных средств автоматизации и распределенных управляющих программно-технических комплексов с высокой эксплуата-ционной надежностью.
• Получение в реальном масштабе времени достоверной информации о параметрах, режимах и объеме энергопотребления.
• Оперативное управление распределением электроэнергии.
• Представление оперативной схемы системы электроснабжения предприятия.
• Мониторинг состояния основного силового оборудования, учета его наработки.

Для достижения целей по оптимизации энергопотребления необходимо обеспечить:

• Получение оперативной информации по энергопотреблению структурными подразделения-ми предприятия и своевременное выявление перерасходов.
• Учет использования энергоресурсов по направлениям использования.
• Прогноз энергопотребления на планируемый выпуск продукции.
• Формирование системой отчетных данных для контроля, оценки, анализа и возможности прогнозирования по расходу для всех видов энергоресурсов.

Объекты автоматизации

Целевыми объектами для создания АСУ Э промышленного предприятия (АСУ Э ПП) яв-ляются промышленные предприятия, которые имеют на балансе энергообъекты (подстанции, распределительные устройства, комплектные трансформаторные подстанции – КТП).

В части задач электроснабжения и потребления электроэнергии объектами автоматиза-ции являются:

• ОРУ 110 кВ,
• ОРУ 35 кВ,
• ЗРУ 6/10 кВ,
• КТП 0,4 кВ.

В части задач снабжения и потребления неэлектрических энергоресурсов объектами авто-матизации являются:

• котельные,
• энергоцеха.

Особенности систем энергоснабжения

Необходимо рассматривать следующие особенности систем энергоснабжения для про-мышленных предприятий:

• Энергоснабжение является вспомогательным производственным процессом, поэтому возникают потребности, специфичные для разных предприятий, например, для газотранспортных предприятий характерно, кроме внешних источников электроснабжения, наличие собственных источников генерации электроэнергии.
• Объединение задач разных функциональных направлений в одной системе (например, задачи технического учета энергоресурсов с задачами диспетчерского управления).
• Акцент на последующую обработку и анализ информации.
• Наличие дополнительных, уникальных для каждого предприятия функциональных требова-ний в плане обработки информации (отчетность, расчеты).
• Широкий круг потребителей информации (в том числе и удаленных):
  • диспетчерская служба;
  • ОГЭ;
  • руководство;
  • производственные службы;
  • финансово-экономические службы.
• Зачастую дополнительно стоит задача автоматизации учета неэлектрических энергоносителей.
• Наличие «зоопарка» существующих решений на различных уровнях, требующих интеграции информации:
  • существующие системы РЗиА;
  • существующие системы АСКУЭ;
  • существующие системы АСТУЭ;
  • существующие ERP-системы;
  • существующие информационные системы;
  • существующие АСУТП основного производства;
  • смежные предприятия и их системы.
• Значителен фактор плохих коммуникаций.

Структура АСУ Э

Управление процессом энергоснабжения реализуется АСУ Э, распределенной и интегрированной по всем уровням управления предприятия. На нижнем уровне управления применяется подсистема оперативного управления энергоснабжением (АСУ ЭС), являющаяся источником информации для АСУ Э всех уровней управления.

АСУ Э в целом реализуется как децентрализованная автоматизированная система. На уровне предприятия предусматривается организация удаленных АРМ, обеспечивающих доступ к информации уровня предприятия.

АСУ Э разделяется на следующие уровни (рисунок 1):

• Уровень измерительных и исполнительных устройств и контроллеров – уровень формирования данных.
• Уровень SCADA-системы.
• Уровень прикладных и расчетных задач (прикладных программ).

Уровень измерительных устройств и контроллеров – уровень формирования данных – сбор и передача информации для диспетчерского и автоматического контроля и управления территориально распределенными объектами энергоснабжения предприятия.

Уровень SCADA системы – организация сбора, хранения, обработки и визуализации дан-ных от систем нижнего уровня и координация их работы.

Уровень прикладных и расчетных задач – оптимизация контроля и управления энергоресурсами на предприятии или группе предприятий, распределенных в разных географических регионах, обучение оператора.

Рис. 1. Трехуровневая иерархия АСУ Э

АСУ Э должна обеспечивать реализацию следующих основных функций:

• Определение потребности в энергоресурсах и планирование норм расхода энергоре-сурсов по видам деятельности предприятия.
• Управление и контроль производства, распределения и потребления энергоресурсов.
• Учет получаемых, производимых и потребляемых ТЭР и ВЭР.
• Анализ расхода энергоресурсов и затрат на их производство.
• Контроль состояния энергооборудования.
• Организация и управление техническим обслуживанием и ремонтом энергетического оборудования.
• Диагностика энергетического оборудования.
• Передача информации в смежные системы автоматизации.

Функциональная модель

Для реализации указанных функций предложена следующая функциональная модель АСУ Э (рисунок 2).

Рис. 2. Функциональная модель АСУ Э

Информационная модель

Информационная модель данных строится по объектно-ориентированному принципу, т.е. все объекты энергохозяйства, которые являются объектами управления (ОУ), описываются не-которыми объектами в модели.

Описание ОУ в модели проходит в три этапа:

Создается тип, определяющий структуру описания объекта.

Создается элемент иерархии, соответствующий типу объекта; элемент иерархии определяет место объектов данного типа в общей структуре ОУ.

Создается экземпляр объекта данного типа, определяющий значения элементов описания конкретного объекта. Для одного типа может быть создано произвольное количество элементов иерархии и экземпляров.

В качестве основы построения модели данных используется CIM (Common Information Model – общая информационная модель, стандарт МЭК 61968, 61970).

Преимущества использования CIM-модели:

• Унификация описания объектов.
• Интеграция ПО различных производителей в рамках предприятия.
• Переносимость CIM-схемы между приложениями.

Информационная модель представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Информационная модель АСУ Э

Уровень прикладных и расчетных задач

На сегодняшний день наиболее актуальны вопросы, решаемые на верхнем уровне – уровне прикладных и расчетных задач. Ведь именно на этом уровне представлены агрегирован-ные, обработанные по специальным алгоритмам данные и информация. Анализируя эту инфор-мацию, можно делать выводы о надежности и об эффективности работы системы энергоснаб-жения. Этот уровень должен объединять следующие приложения:

• Контроль потребления энергоресурсов.
• Прогноз потребления энергоресурсов.
• Оптимальное распределение нагрузки.
• Анализ сети распределения.
• Управление закупкой и продажей электроэнергии.
• Разработка сценариев и моделирование.

1. Контроль потребления энергоресурсов предусматривает решение следующих задач:

• Мониторинг поставки активной, реактивной мощности и газа.
• Прогноз поставки на фоне:
  • тарифных ограничений;
  • оперативных заданий;
  • прогнозных значений.
• Дополнительные функции контроля нагрузки:
  • действия по сбросу нагрузки;
  • постоянный запрос заданий.

2. Прогноз потребления энергоресурсов выполняется для:

• Компании/предприятия.
• Цехов/участков/установок.
• Потребления электроэнергии, газа, воды.

Прогноз формируется на основе:

• Данных от систем планирования производства.
• Данных о простоях основного технологического процесса.
• Данных о профиле еженедельной нагрузки.
• Данных о прогнозе погоды.

3. Оптимальное распределение нагрузки:

• Собственные мощности.
• Соглашения по двусторонним поставкам.
• Электроэнергия со свободного рынка.

4. Анализ сети распределения:

• Топологические функции (раскраска, трассировка, проверка блокировок, локализация отказа).
• Система распределение потока энергии (моделирование нагрузки, алгоритм потока энергии в реальном времени, в режиме обучения, изолирование отказов).
• Восстановление обслуживания (изоляция оборудования или участка сети, восстанов-ление обесточенных участков сети, восстановление нормального состояния сети).

5. Управление закупкой и продажей энергии:

• Обеспечение выгодной торговой деятельности энергоресурсами (заключение сделок купли/продажи – электроэнергия, газ, пар, топливо, сжатый воздух, вода и т.д; заключение двусторонних контрактов, заключение контрактов на основе модели оптимизации цены).
• Поддержка принятия решений (достоверные данные для оценки транзакций купли-продажи, данные о стоимости собственной энергии в соотношении с рыночной ценой).
• Ведение отчетности и обеспечение процедуры выставления счетов.

6. Разработка сценариев и моделирование:

• Моделирование и анализ “что – если” может применяться для изучения ценовых эффектов при отклонениях системных параметров.
• Моделирование покупки и продажи энергии с точки зрения оценки экономической эффективности.
• Моделирование и изучение рисков через различные сценарии изменения цен на топливо и электроэнергию.
• Оценка производственного плана и уровня запаса энергии для энергоемких единиц оборудования.
• Имитация развития событий в случаях отключения оборудования.
• Представление результатов в удобной и понятной графической форме.

Заключение

В предлагаемом концептуальном подходе построения основу АСУ Э ПП составляет мо-дель данных. Модель данных описывает всю структуру энергохозяйства с соблюдением иерар-хии и логических связей энергооборудования, позволяя интегрировать все имеющиеся локаль-ные системы автоматизированного управления на предприятии, независимо от производителя этих систем и используемых средств автоматизации оборудования. Кроме того, модель данных описывает структуру контроллеров и средств измерения (счетчиков) программно-технического комплекса, IT-структуру самой автоматизированной системы, регламенты сбора данных и типы контролируемых параметров. Использование описанного выше подхода к созданию АСУ Э ПП позволяет реализовывать набор различных прикладных и расчетных задач, востребованных в департаментах энергетики предприятий. Набор расчетных задач достаточно гибко варьируется в зависимости от текущих потребностей и легко дополняется. Расширение списка прикладных и расчетных задач обеспечивает компонентная технология с открытыми интерфейсами для кон-фигурирования лучших в своем классе пакетов приложений и интеграции с другими IT-системами, а также надежные стандартизованные и независимые от версии API (Application Programming Interfaces – интерфейсы программирования приложений).

Построенная по таким принципам автоматизированная система управления энергообес-печением предприятия позволит решать задачи оценки энергоэффективности основных произ-водственных процессов и основного производственного оборудования и разрабатывать меро-приятия по повышению энергоэффективности основных производственных процессов предпри-ятия в целом.

Разработка, апробирование и внедрение систем такого класса, развернутое в настоящее время специалистами ЗАО «РТСофт», позволяет надеяться на корректное решение поставлен-ных задач для промышленных предприятий, всесторонне учитывать систему и ее характеристи-ки, точно учитывать особенности процессов, обеспечивать требуемую надежность функциони-рования всей системы энергоснабжения.

Литература

1. III Профессиональный форум «Информационные технологии и измерение в электроэнерге-тике», Москва, ЦМТ, 16 апреля 2008 г.
2. Семикин В. Ю., Ханыгин А. Н. (ЗАО «РТСофт») «От большой энергетики к автоматизиро-ванной системе управления энергетикой газотранспортного предприятия», Нефтяное хозяй-ство, 10, 2007.