Основы создания систем автоматизированного управления энергообеспечением промышленного предприятия (ПП)

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).

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:

o требования оптового рынка электроэнергии и мощности (ОРЭМ);

o требования системного оператора (СО).

· Экономические (или внутренние) факторы, требующие повышения энергоэффективности производства:

o увеличение стоимости электроэнергии и, соответственно, стоимости выпускаемой про-дукции;

o увеличение конкуренции на рынке.

Основные цели создания АСУ Э ПП

· 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:

o минимизации расходов на оплату энергоресурсов;

o 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.

· 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.

 

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):

o диспетчерская служба;

o ОГЭ;

o руководство;

o производственные службы;

o финансово-экономические службы.

· Зачастую дополнительно стоит задача автоматизации учета неэлектрических энергоносителей.

· Наличие «зоопарка» существующих решений на различных уровнях, требующих интеграции информации:

o существующие системы РЗиА;

o существующие системы АСКУЭ;

o существующие системы АСТУЭ;

o существующие ERP-системы;

o существующие информационные системы;

o существующие АСУТП основного производства;

o 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:

· 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.

Рисунок 24 – 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.

Для реализации указанных функций строится следующая функциональная модель АСУ Э.

Рисунок 25 – Функциональная модель АСУ Э

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.

Рисунок 26 – 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:

1. Контроль потребления энергоресурсов предусматривает решение следующих задач:

· Мониторинг поставки активной, реактивной мощности и газа.

· Прогноз поставки на фоне:

o тарифных ограничений;

o оперативных заданий;

o прогнозных значений.

· Дополнительные функции контроля нагрузки:

o действия по сбросу нагрузки;

o 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.

Пример. Программно-технический комплекс SMART-SPRECON – это универсальная платформа для построения систем автоматизации энергообъектов самого различного уровня. ПТК успешно используется в АСУТП подстанций различных классов напряжения, системах телемеханики, АСУ электрической части электростанций, АСДУ энергоснабжения промышленных предприятий и на других объектах.

 

 

 

Платформа SPRECON-E-C, являясь многофункциональным устройством автоматики, может применяться как контроллер присоединения, коммуникационный сервер или устройство телемеханики. Благодаря модульной структуре конфигурация устройства может быть гибко адаптирована для различных применений. Устройство поддерживает все основные протоколы информационного обмена, благодаря чему легко осуществляет интеграцию различных устройств сторонних производителей. SPRECON-E-C обладает свободно программируемой логикой, что позволяет выполнять практически любые функции контроля и управления. Устройства сопровождаются единым объектно-ориентированным инженерным инструментарием для конфигурирования системы. Кроме того, по желанию заказчика можно осуществить установку панели управления с монохромным или цветным графическим дисплеем.

Основные функции контроллера SPRECON-E-C:

· сбор дискретных (24 В, 220 В) и аналоговых (4–20 мА) сигналов;

· формирование команд управления коммутационными аппаратами;

· формирование дискретных выходных сигналов для цепей блокировки и сигнализации;

· измерение и вычисление электрических величин с прямым подключением к измерительным ТТ и ТН;

· технический учет электроэнергии;

· управление оборудованием по месту посредством стационарной или переносной панели управления с монохромным или цветным дисплеем (опционально);

· визуализация состояния аварийно-предупредительных сигналов на панели сигнализации (опционально);

· логические блокировки (локальные, централизованные или распределенные);

· выполнение последовательностей переключений;

· конфигурируемые функции логической обработки сигналов;

· свободно программируемая логика в соответствии со стандартом МЭК 61131 (опционально);

· контроль синхронизма (опционально);

· обмен информацией с вышестоящими и подчиненными устройствами по синхронным/асинхронным последовательным портам и по сети Ethernet (до 26 каналов связи на одно устройство);

· ведение внутреннего архива событий;

· точная (до 1 мс) синхронизация времени (NTP, GPS, IRIG-B или по протоколу МЭК 60870-5-10x);

· автоматическая самодиагностика;

· удаленное параметрирование и обслуживание.

Основные протоколы обмена информацией, поддерживаемые контроллером SPRECON-E-C: МЭК 60870-5-104, МЭК 61850, МЭК 60870-5-101, МЭК 60870-5-103, Modbus, RP570, SPA-bus, DNP 3.0. Возможна реализация дополнительных или нестандартных протоколов по требованию заказчика.

Многофункциональный контроллер SPRECON-E-C может использоваться как:

· контроллер присоединения (Bay Controller), устанавливаемый на одно присоединение 110 кВ и выше;

· групповой контроллер присоединений, обеспечивающий функции измерения, контроля и управления для нескольких присоединений;

· станционный контроллер или концентратор данных в составе АСУТП энергообъекта;

· многоканальное устройство сбора и обработки информации (RTU) (;

· коммуникационный сервер для сбора информации от РЗА;

· коммуникационный сервер (front-end или ЦППС) для небольших систем АСДУ;

· программируемый контроллер (PLC);

· микропроцессорный регулятор напряжения (РПН);

· микропроцессорное устройство оперативной блокировки управления коммутационными аппаратами;

· устройство центральной сигнализации;

· автономный регистратор событий;

· базовый элемент подсистемы мониторинга и диагностики основного оборудования.

Устройство может быть гибко сконфигурировано под конкретный проект.