СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ
I. ВВЕДЕНИЕ
С целью обеспечения надежности при создании и модер- низации устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗиПА) наиболее часто используется дублиро- вание устройств и обеспечение дальнего резервирования.
В свою очередь, создаются отдельные системы, такие как автоматизированная система управления технологи- ческими 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 удорожа- нию 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-диспет- черского управления в целом, что возможно выполнять полностью в автоматическом режиме.
II. СУЩЕСТВУЮЩАЯ МОДЕЛЬ И ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ
ИЕРАРХИИ ЦИФРОВОЙ ПОДСТАНЦИИ
В результате реализация основных мероприятий, свя- занных с реформированием электроэнергетики, 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 электро- энергетики является повышение эффективности предприя- тий отрасли, создание условий для ее развития на основе стимулирования инвестиций, обеспечение надежного и бесперебойного энергоснабжения потребителей.
Одной из главных инновационных технологий, кото- рые способны обеспечить качественно новый уровень функционирования и надежности электроэнергетической инфраструктуры, является цифровая подстанция. В насто- ящий момент предложено множество вариантов построе- ния иерархии цифровой подстанции (ПС), которые прин- ципиально не меняют структуру (рис. 1) и принципы, а лишь изменяют 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).
При данной схеме построения используются микро- процессорные устройства РЗиПА, а надежность обеспечи- вается 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 авто- матизации применяется резервирование. Резервируются сервера обработки и архивирования данных, OPC-сервера (Open Platform Communications – семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управ- ления объектами автоматизации и технологическими про- цессами), физические каналы связи, вся система в целом.
Принцип резервирования заключается в следующем: сущест- вуют 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 опре- деленному 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 автома- тизированные рабочие места (АРМ) оперативного персо- нала 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 пост- роении 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, экономия капитальных и эксплуатационных затрат.
Рис. 1 – Базовый принцип построения цифровой ПС
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 централизо- ванной защиты, позволяет получить большую производи- тельность 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.
III. ПРЕДЛАГАЕМАЯ МОДЕЛЬ
Блокчейн – это технология, которая позволяет прово- дить транзакции между равноправными участниками единой сети (Р2Р-сети). Транзакции данного вида предпо- лагают, что каждый участник сети может осуществлять транзакцию напрямую с любым другим участником сети без привлечения стороннего посредника. Новшество тех- нологии 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 электро- энергетике. 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 – потре- битель:
Проект Brooklyn Microgrid создан с целью проте- стировать, как технология «блокчейн» может быть использована для проведения операций по продаже электроэнергии от солнечных батарей непосред- ственно между соседями.
Компания-стартап «Slock.it» и компания «RWE»
запустили два проекта, в рамках которых они рабо- тают над упрощением системы подзарядки электро- мобилей.
Компания-стартап «OneUp» разработала прототип децентрализованной системы энергетических тран- закций и энергоснабжения и протестировала ее с ис- пользованием данных о потреблении электроэнергии десятью домохозяйствами.
Проект «SolarChange» реализован по аналогии с бит- коином для целей продажи электроэнергии, произ- веденной из солнечной энергии.
Компания «GridSingularity» разрабатывает плат- форму на основе блокчейна, которая предназначена для организации взаимодействия производителей электроэнергии, операторов электросети, органов регулирования и потребителей. В частности, стра- тегическая задача проекта – создание платформы на базе цифрового приложения для электроэнерге- тического сектора, которая будет охватывать все звенья цепочки поставок [2].
В настоящее время идет реализация стартап-проекта, разрабатывающего на основе технологии блокчейн всемир- ный универсальный суперкомпьютер для любых вычисли- тельных систем – Supercomputer Organized by Network Mining (SONM). 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.
Рис. 2 – Структура ПС 110/10 кВ Олимпийская
Для измерения электрических величин необходимо использовать три комплекта измерителей на каждое при- соединение, которые в свою очередь передают данные в соответствующий сервер, представляющий собой централизованную систему защиты, управления и мони- торинга (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 резуль- тате самодиагностики выявлена неисправность одного из трех серверов, то логика срабатывания будет перехо- дить 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 техноло- гический процесс.
При реализации данной структуры на множестве свя- занных между собой объектов электроэнергетики со вре- менем отпадает необходимость реализации сложной си- стемы 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, управ- ление электрооборудованием, мониторинг состояния
электрооборудования, оперативно-диспетчерское управ- ление, учет электроэнергии, предотвращение и локализация аварийных ситуаций, обеспечение функционирования рынка электроэнергии.
В целях финансового поощрения за выполненные вычис- ления участников сети возможно создать на основе распре- деленной системы управления электроэнергетическим оборудованием криптовалюту по аналогии с проектом SolarChange.
IV. ВЫВОД
Предложенная модель отличается кардинальным сни- жением стоимости реконструкции, отсутствием необхо- димости 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 заключается в следующем:
1) отсталость нормативно-технической документации, не дающей возможностей для маневра и реализации новых идей;
2) длительность сроков реализации ввиду большого объема;
3) необходимость разработки надежного программного обеспечения.
Список литературы
[1] Синицын М.А. Базовые принципы построения «Цифровой подстан- ции» // Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат.
LII Междунар. студ. науч.-практ. конф. № 12(52).
[2] Блокчейн – новые возможности для производителей и потребителей электроэнергии? // Обзор мировой энергетики PwC. URL: https://
www.pwc.ru.
© IX Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи – 2018»
Рис. 3 – Предлагаемый вариант структуры