Система управления электроэнергетическим оборудованием на основе децентрализованной системы туманных вычислений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система управления электроэнергетическим оборудованием на основе децентрализованной системы туманных вычислений

Бомбин А.П.

Состояние вопроса: Система управления и нормативно-техническая документация в электроэнергетике принципиально не менялись с 1980-х годов, а принципы технического построения системы не менялись с момента создания единой энергетической системы России. В настоящий момент существуют обширные возможности для усовершенствования как технической, так и организационной части данного вопроса, а с учетом постоянного роста числа оборудования, выработавшего свой ресурс, необходима кардинальная модернизация. Существует необходимость получения эффективной модели построения системы управления, требующей меньшее финансирование при модернизации и новом строительстве.

Материалы и методы: Применялся метод структуры данных блокчейн на примере использования его в различных отраслях и опыт создания на объекте электроэнергетики централизованной системы релейной защиты, автоматизированной системы управления, мониторинга электрооборудования и учета.

Результаты: Определена наиболее эффективная, надежная и менее затратная модель построения управления в электроэнергетике.

Выводы: Предложена структура распределенной системы управления электроэнергетическим оборудованием с учетом новейших методов, таких как блокчейн и опыта построения цифровых подстанций.

Ключевые слова: блокчейн, релейная защита, учет электроэнергии, мониторинг состояния электрооборудования, автоматизированная система управления.

Background: The management system and normative and technical documentation in the electric power industry have not changed fundamentally since the 1980s, and the principles of the technical construction of the system have not changed since the construction of a unified energy system in Russia. At the moment, there are vast opportunities for improving both the technical and organizational part of this issue, and taking into account the constant growth in the number of equipment that has exhausted its resource, a radical modernization is needed. There is a need to obtain an effective model for building a management system that requires less funding for modernization and new construction.

Materials and methods: The method of the block data structure was used using its example in various industries and the experience of creating a centralized relay protection system, an automated control system, monitoring of electrical equipment and accounting at the power industry facility.

Results: The most effective, reliable and less expensive model of building management in the electric power industry is determined.

Conclusions: The structure of the distributed control system for electric power equipment is proposed taking into account the latest methods, such as the block system and the experience of constructing digital substations.

Key words: blocking, relay protection, electricity metering, monitoring of electrical equipment, automated control system.

С целью обеспечения надежности при создании и модернизации устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗиПА) наиболее часто используется дублирование устройств и обеспечение дальнего резервирования.

В свою очередь создаются отдельные системы, такие как автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП), автоматизированная информационно-измерительная система коммерческого учета электроэнергии (АИИС КУЭ), различные системы сбора и передачи информации (ССПИ) и SCADA-системы (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных). Всё это приводит к удорожанию процесса технического обслуживания оборудования; строительства и модернизации объектов электроэнергетики и, ввиду большого количества элементов, к итоговому снижению надежности. Существующая система также требует больших трудозатрат в части расчета уставок, электроэнергетических режимов и оперативно-диспетчерского управления в целом, что возможно выполнять полностью в автоматическом режиме.

Существующая модель и примеры выполнения иерархии цифровой подстанции.

В результате реализации основных мероприятий, связанных с реформированием электроэнергетики, её стала достаточно сложной. Отрасль состоит из нескольких групп компаний и организаций, каждая из которых выполняет соответствующую ей отдельную функцию. Основные группы компаний и организаций: генерирующие компании оптового рынка; электросетевые компании; энергосбытовые компании; компании, осуществляющие управление режимами единой энергосистемы России; компании, отвечающие за развитие и функционирование коммерческой инфраструктуры рынка; организации, осуществляющие контроль и регулирование в отрасли; потребители электрической энергии; мелкие производители электрической энергии.

Основной целью реформирования российской электроэнергетики является повышение эффективности предприятий отрасли, создание условий для ее развития на основе стимулирования инвестиций, обеспечение надежного и бесперебойного энергоснабжения потребителей.

Одной из главных инновационных технологий, которые способны обеспечить качественно новый уровень функционирования и надежности электроэнергетической инфраструктуры, является цифровая подстанция. В настоящий момент предложено множество вариантов построения иерархии цифровой подстанции (ПС), которые принципиально не меняют структуру (Рис. 1) и принципы, а лишь изменяет элементную базу, что, в свою очередь, не приводит к повышению надежности ввиду множества элементов и человеческого фактора в связи с сохранением необходимости проведения технического обслуживания (в соответствии с существующей нормативно-технической документацией).

Рис. 1 - Базовый принцип построения цифровой ПС

При данной схеме построения используются микропроцессорные устройства РЗиПА, а надежность обеспечивается установкой двух комплектов, резервирующих друг друга, что не защищает от излишнего срабатывания одного из них. Отдельно реализованы АИИС КУЭ, регистрация аварийных событий, АСУ ТП, объединенные в единую сеть. Аналогично с целью увеличения надежности системы автоматизации применяется резервирование. Резервируются сервера обработки и архивирования данных, OPC-сервера (Open Platform Communications - семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами), физические каналы связи, вся система в целом. Принцип резервирования заключается в следующем: существуют два сервера обработки и архивирования данных, один - основной, другой - резервный. В нормальном режиме работы основной сервер производит опрос OPC-серверов (выполняет опрос микропроцессорных терминалов по определенному протоколу и предоставление информации в SCADA-систему по протоколу OPC), ведет обработку данных, выполняет вычисления и архивацию, отправляет резервному текущие и архивные данные, что обеспечивает их идентичность на обоих компьютерах. Резервный не производит опрос, не выполняет обработку, а только принимает данные от основного. При возникновении нештатной ситуации - отказ основного сервера, потеря связи основного и резервного серверов, ошибки связи с OPC-серверами, управление процессом переходит на резервный компьютер. [1]

Для управления и мониторинга используются автоматизированные рабочие места (АРМ) оперативного персонала и персонала РЗА. Доступ и права должны быть строго ограничены в соответствии с должностными обязанностями.

В настоящее время наиболее инновационной является схема, предложенная ООО «ЛИСИС» и реализованная на ПС 110/10 кВ Олимпийская АО «Тюменьэнерго» (Рис. 2). Данный проект реализует централизованный подход в построении релейной защиты. Основными преимуществами функционального укрупнения являются сокращение общего числа устройств и их типов в составе системы, числа соединений в части подсистемы обмена информацией по сравнению с распределенной архитектурой и, как следствие, экономией капитальных и эксплуатационных затрат.

Отмечается, что вероятность потери работоспособности системы по общей причине может увеличиваться с ростом функциональной интеграции. Это может быть обусловлено в первую очередь ошибками при разработке компонент системы, проектировании, изготовлении, монтаже, наладке, тестировании. Использование вычислительных средств общего назначения - серверов для реализации централизованной защиты позволяет получить большую производительность за меньшие деньги и позволяет получить более отлаженное решение с большей достоверной статистикой эксплуатации. Это существенно сокращает риск массовых отказов по причине ошибок допущенных при разработке этих аппаратных решений.

Рис. 2 - Структура ПС 110/10 кВ Олимпийская

Блокчейн - это технология, которая позволяет проводить транзакции между равноправными участниками единой сети (Р2Р - сети). Транзакции данного вида предполагают, что каждый участник сети может осуществлять транзакцию напрямую с любым другим участником сети без привлечения стороннего посредника. Новшество технологии блокчейн заключается в том, что информация о транзакциях более не хранится в централизованной базе данных, а передается на вычислительные мощности всех участников сети, которые хранят данные локально.

Совсем недавно был создан ряд компаний и запущены отдельные проекты, цель которых - применить принципы блокчейна в различных отраслях, в том числе в электроэнергетике. В целом считается, что блокчейн-приложения представляют собой весьма перспективную технологию, однако пока они все еще находятся на ранних стадиях развития и все они ориентированы в первую очередь на рыночные схемы взаимодействия поставщик - потребитель:

- проект Brooklyn Microgrid создан с целью протестировать, как технология «блокчейн» может быть использована для проведения операций по продаже электроэнергии от солнечных батарей непосредственно между соседями.

- компания-стартап Slock.it, и компания RWE запустили два проекта, в рамках которых они работают над упрощением системы подзарядки электромобилей.

- компания-стартап Oneup разработала прототип децентрализованной системы энергетических транзакций и энергоснабжения и протестировала ее с использованием данных о потреблении электроэнергии десятью домохозяйствами.

- проект SolarChange реализован по аналогии с биткоином для целей продажи электроэнергии, произведенной из солнечной энергии.

- компания GridSingularity разрабатывает платформу на основе блокчейна, которая предназначена для организации взаимодействия производителей электроэнергии, операторов электросети, органов регулирования и потребителей. В частности, стратегическая задача проекта - создание платформы на базе цифрового приложения для электроэнергетического сектора, которая будет охватывать все звенья цепочки поставок. [2] цифровая подстанция блокчейн электроэнергетический

В настоящее время идет реализация SONM (Supercomputer Organized by Network Mining) - стартап-проекта, разрабатывающего на основе технологии блокчейн всемирный универсальный суперкомпьютер для любых вычислительных систем. В отличие от широко распространенных централизованных облачных сервисов, проект SONM является децентрализованной платформой и реализует структуру туманного вычисления с широким спектром применения, от хостинга сайтов до научных расчетов, которые возможно использовать с целью расчета режимов работы сети, расчета небалансов, уставок и т.д.

В предлагаемой схеме (Рис. 3) представлен вариант структуры с использованием централизованной системы защиты, управления и мониторинга непосредственно на объекте и распределенной системой управления единой энергосистемой, основанной на структуре туманных вычислений по примеру SONM.

Для измерения электрических величин необходимо использовать три комплекта измерителей на каждое присоединение, которые, в свою очередь передают данные в соответствующий сервер, который представляет собой централизованную систему защиты, управления и мониторинга (ЦСЗУМ). ЦСЗУМ выполняет мониторинг состояния оборудования, контроля электрических и иных величин, их обработку и реализацию логики защиты в случае повреждения оборудования. Для увеличения надежности в случае излишнего срабатывания все три сервера выполняют обмен информацией между собой, и только по факту срабатывания двух из трёх серверов, будет выполнено управляющее воздействие. Если в результате самодиагностики выявлена неисправность одного из трех серверов, то логика срабатывания будет переходить в режим срабатывания хотя бы одного комплекта из оставшихся двух. Также все данные передаются на сервер обработки данных (СОД) и облачную сеть по технологии блокчейн, посредством которых осуществляется связь с другими объектами.

В случае отказа сервера ЦСЗУМ его замена будет выполняться на аналогичный сервер с предустановленным программным обеспечением, параметрирование которого произойдет автоматически при подключении к серверу СОД и облачной сети. Сам процесс замены не потребует вывода иного оборудования и вмешательства в технологический процесс.

Рис. 3 - Предлагаемый вариант структуры

При реализации данной структуры на множестве связанных между собой объектов электроэнергетики со временем отпадает необходимость реализации сложной системы релейной защиты и противоаварийной автоматики. Отсутствует необходимость в дублировании физического канала связи, резервирование которого осуществляется передачей данных в единую сеть.

Используя системы туманных вычислений возможно выполнять широкий спектр задач: расчет уставок РЗиПА, расчеты режимов электроэнергетической системы, управление электрооборудованием, мониторинг состояния электрооборудования, оперативно-диспетчерское управление, учет электроэнергии, предотвращение и локализация аварийных ситуаций, обеспечение функционирования рынка электроэнергии.

В целях финансового поощрения за выполненные вычисления участников сети возможно создать на основе распределенной системы управления электроэнергетическим оборудованием криптовалюту по аналогии с проектом SolarChange.

Вывод

Предложенная модель отличается кардинальным снижением стоимости реконструкции, отсутствием необходимости в профилактическом техническом обслуживании, высокой надежностью, возможностью решения огромного объема задач и исключении человеческого фактора, оставляя персоналу только контрольные функции. Данная структура предоставит всеобъемлющую и максимально прозрачную информацию об электроэнергетической системе.

Сложность реализации состоит в следующем:

- отсталость нормативно-технической документации, не дающей возможностей для маневра и реализации новых идей,

- длительность сроков реализации ввиду большого объема,

- необходимость разработки надежного программного обеспечения.

Список литературы

1. Синицын, М.А. Базовые принципы построения "Цифровой подстанции". Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. LII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 12(52).

2. Обзор мировой энергетики PwC // Блокчейн - новые возможности для производителей и потребителей электроэнергии? URL:https://www.pwc.ru.

Размещено на Allbest.ru