Источник: ЭНЕРГОПРОГРЕСС -- ЖУРНАЛ "ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ ", 2004. № 6

 

Информационная структура и программные средства обработки и хранения данных технологического оборудования и режимных параметров

Макоклюев Б.И., к.т.н., Антонов. А.В., Набиев Р.Ф. (ОАО ВНИИЭ)

Введение

Основная задача внедрения информационно-вычислительных систем предприятий, организаций, компаний в области энергетики - обеспечение специалистов необходимыми данными для правильного принятия решений. Правильное принятие решений на различных уровнях управления и планирования обеспечивает надежное и экономичное функционирование предприятий и отрасли в целом. Процесс создания информационной среды требует критического и аргументированного выбора программных платформ и аппаратных средств, учета перспектив совершенствования технологий расчета, роста используемого объема данных, развития вычислительных мощностей и средств хранения данных.

Постепенное формирование информационных среды осуществлялось путем внедрения программных средств для обеспечения функционирования работы отделов, служб, отдельных объектов энергообъединений, построения локальных сетей. Локальные информационные системы проектировались для обеспечения функционирования одной или нескольких конкретных задач. Обмен данными между уровнями управления осуществлялся путем обмена файлами определенной структуры. В связи с формированием рынка электроэнергии и мощности возникает потребность в формировании единой системы обработки и хранения информации, позволяющей решать весь комплекс задач функционирования рынка и осуществлять интеграцию уже существующих информационных систем. Изменение состава решаемых задач, появление новых типов расчетов требует увеличения объема данных и улучшения их качества.

Построение информационной среды должно обеспечивать:

·        создание и функционирование единой системы хранения и идентификации объектов, оборудования, режимных параметров и технико-экономических показателей;

·        возможность простого и эффективного обмена данными между объектами различных уровней управления, между субъектами рынка ФОРЭМ и его операторами, между структурными подразделениями энергообъединений и предприятий;

·        максимальную независимость структур хранения данных и методов их обработки от постоянно меняющихся в условиях развития и становления рынка понятий предметной области, взаимоотношений и структуры объектов, необходимой степени детализации данных;

·        возможность хранения не только текущих состояний объектов, но и также ретроспективы их развития от момента создания до исчезновения (темпоральный подход);

·        максимальную независимость структуры и методов обработки от конкретной СУБД, что обеспечивает функциональность как в центрах сбора и обработки, так на низших уровнях (подстанции, РЭС и т.п.), где вопрос об установке мощной СУБД не может решен.

Для решения подобных задач была разработана информационная система «База данных производственных, административных объектов, технологического оборудования и измеряемых параметров “Энергостат”» [1], включающая в себя базу данных (БД) определенной структуры и набор программных модулей, обеспечивающих администрирование, обслуживание базы и разработку приложений. База данных, интегрированная с комплексом программ администрирования и обслуживания, представляет информационную систему корпоративного назначения для решения производственных, экономических и других задач. При проектировании базы данных использовались объектные и темпоральные подходы, как средства моделирования; СУБД реляционного типа с SQL доступом, как средства хранения данных. При разработке использовался опыт внедрения в энергообъединениях России различных проектов по планированию балансов мощности, электроэнергии, тепловой энергии, расчету потерь мощности и электроэнергии [2,3].

Информационная система «Энергостат» предназначена для решения следующих основных технологических задач:

·                    учет технологического оборудования, производственных и административных объектов;

·                    сбор, обработка и анализ данных о состоянии объектов оборудования и измеряемых параметров с любой дискретностью хранения;

·                    выполнение технологических расчетов (планирование электропотребления, балансов мощности и электроэнергии, расчет потерь и т.п.);

·                    подготовка отчетов о состоянии объектов и оборудования, суточной ведомости и других видов отчетности;

·                    обмен данными между различными объектами и административными уровнями управления;

В качестве хранилища базы могут быть использованы все основные типы СУБД с SQL-доступом (ORACLE, MS SQL Server, Interbase, Caché  и т. п.). Для доступа к объектам и параметрам используется стандартный язык запросов (SQL).

 

1. Основные подходы моделирования

Объектный подход

 Объектный подход является обобщенным подходом не только в программировании, но  и в проектировании интерфейсов пользователя, баз данных, баз знаний и компьютерной архитектуры. Основные термины, используемые в объектно-ориентированном подходе,  реализуемом в данной разработке:

Объект - конкретный единичный экземпляр определенного типа. Например, в области энергетики объектами являются: ОДУ Центра, АО Воронежэнерго, Восточные ПЭС, ТЭЦ-12, котел блока 1 ТЭЦ-12, подстанция Трубино. Любой объект при своем создании получает генерируемый системой уникальный идентификатор, который связан с объектом во время его существования и не меняется при изменении состояния объекта. Каждый объект находится в определенном состоянии. Состояние объекта - набор значений его атрибутов (свойств). Свойство объекта – определенная характеристика объекта (типа). Например: наименование объекта, состояние объекта (включено, отключено, ремонт), паспортные данные оборудования, измеряемые параметры объекта (ток, напряжение, температура). Значение атрибута объекта - это тоже некоторый объект или множество объектов. Объекты также могут быть охарактеризованы способом взаимодействия с другими объектами (окружающей средой) - поведением объекта (методы). Поведенческая сторона объекта определяется набором методов.

Множество объектов с одним и тем же набором атрибутов и методов образует тип (класс) объектов. Тип и класс - разные понятия, однако в большинстве случаев одновременное употребление понятий типа и класса неудобно, поэтому достаточно лишь сказать, что класс реализует тип.

Тип – совокупность объектов с определенной структурой и свойствами. Объект должен принадлежать только одному типу. Основные типы объектов электроэнергетики:

·        производственные и административные объекты: Объединенное диспетчерское управление (ОДУ), Региональное диспетческое управление (РДУ), АО-энерго, предприятие электрических сетей (ПЭС), отделение Энергосбыта,станция и другие;

·        технологическое оборудование: генератор, блок, котел, линия, выключатель, трансформатор и другие.

При конструировании структуры типов допускается порождение нового класса на основе уже существующего класса - наследование. Наследование используется в объектно-ориентированных системах для уточнения ранее определенных явлений. Механизм наследования  позволяет выстраивать сложные иерархии классов.

Метод – определенная последовательность действий, производимых над объектом. Доступные для объекта методы определяются типом объекта. Метод может быть реализован для любого объекта данного типа. Например, для типа Станция может быть создан метод Расчет рабочей мощности. Этот метод может быть исполнен для любого объекта типа Станция, например, ГЭС-1, ТЭЦ-2 и т.д. Метод в комплексе “Энергостат” реализуется средствами встроенного макроязыка и представляет собой совокупность математических, логических операций, программных операторов над свойствами объектов и их структурой.

Темпоральный подход

Обычные БД хранят мгновенный снимок модели предметной области. Основной подход темпоральных систем состоит в том, что для любого объекта данных, созданного в момент времени t1 и уничтоженного в момент времени t2, в БД сохраняются и доступны пользователям все его состояния во временном интервале [tl,t2]. Построение прототипов темпоральных СУБД обычно выполняется на основе некоторой реляционной СУБД. Обычно темпоральная СУБД – программная надстройка над реляционной СУБД. В большинстве случаев, при проектировании, вводят в хранимые отношения (таблицы) явный временной атрибут и поддерживают его значения на уровне приложений. Запросы к базе данных могут содержать временные характеристики интересующих объектов и их атрибутов.

В темпоральной (временной) объектной модели, которая поддерживается в данной разработке, объекты и их свойства не являются статическими, а являются динамически изменяемые во времени структурами данных. Объекты программы имеют время создания и время удаления, формирующие период их существования. Свойства объектов также изменяются во времени. Например, меняется состояние оборудования энергетических объектов. Оно может находиться в ремонте, резерве, работе. Меняться может также иерархия объектов, их технологические связи, например подчиненность организаций и предприятий, топология электрических сетей.

 

2. Описание модели данных

Процесс проектирования модели данных представляет собой последовательность переходов от неформального описания информационной структуры объектов энергетики к формализованному описанию. Можно выделить следующие этапы проектирования:

·        Проектирование информационной модели – формальное описание объектов предметной области задачи в терминах некоторой семантической модели;

·        Логическое проектирование базы данных – описание структуры базы данных для принятой информационной модели;

 

Этап физического проектирования базы данных в данной статье не приводится,  поскольку он связан с особенностями  тех или иных  СУБД.

 

Информационная модель

Информационная модель состава, структуры и поведения системы (предметной области) создается с помощью объектно-ориентированного проектирования (опираясь на методологию объектного подхода). Цель информационного моделирования — построить интегрированную модель деятельности электроэнергетических предприятий. Информационная модель энергосистемы описывает:

·        организационную структуру – иерархическая структура предприятий, организаций, подразделений и энергетических объектов;

·        элементную структуру системы – структура и состав агрегатов, оборудования, узлов;

·        состояние системы – состояние агрегатов, оборудования, узлов;

·        динамику изменения состояния системы – динамика изменения состояния агрегатов, оборудования, узлов.

Для описания организационной структуры системы и элементной структуры системы используется диаграмма типов (Class) на основе диаграммы «сущность-связь» (Entity-Relationship Diagrams, ERD). Информационная модель энергосистемы представлена на рис.1.

В этом простом примере информационной модели использованы термины:

Электроустановка – совокупность оборудования (основного и вспомогательного совместно с сооружениями и помещениями, в которых оно установлено), для производства, трансформации, передачи и распределения электрической энергии.

Электрооборудование – объект электростанции, подстанции, электроустановки, предназначенный непосредственно для выработки, передачи, преобразования и распределения электроэнергии и имеющий оперативное наименование.

Узел оборудования – функционально самостоятельная часть оборудования,. Узел идентифицируется по виду и наименованию оборудования, в состав которого он входит. Узел может состоять из более мелких узлов и деталей.

Деталь – часть узла или оборудования. Деталь идентифицируется по виду и/или наименованию оборудования, в состав которого он входит. Деталь не может состоять из менее мелких деталей.

 

Следует отметить, что состав типов (классов) и их иерархическая структура представляют собой классификатор оборудования и административных объектов. При этом классификатор оборудования должен учитывать имеющуюся в энергообъединении схемную и режимную информацию и основываться на принципах, регламентированных отраслевыми и федеральными нормативно-техническими документами. Разработка классификаторов является существенной частью подготовки информационной структуры и в рамках статьи подробно не рассматривается. Для примера приведем возможное построение структуры классификатора объектов тепломеханического оборудования электрических станций (рис. 2). В соответствии со структурой управления объектами электрических станций, структура интегрированной базы данных включает следующие виды оборудования: Энергоблок, Котел, Турбогенератор, Градирня, Водогрейный котел, Газотурбинная установка, Электростанция. Иерархическая структура объектов следующая:

·        энергетический объект сети (электростанция);

·        электроустановка - совокупность оборудования;

·        электрооборудование (оборудование электростанций, подстанций);

 

Темпоральный подход в построении модели данных позволяет хранить архивы данных по состоянию оборудования и объектов. Возможный набор состояний тепломеханического оборудования:

 

§         В работе; §         Капитальный ремонт; §         Средний ремонт; §         Текущий ремонт; §         Аварийный ремонт; §         Консервация; §         Включение; §         Выключение;

§         Испытание; §         Заявленный режим работы; §         Демонтаж; §         Холодный резерв; §         Невыпускаемый резерв; §         Вне резерва; §         Прочие виды.

 

Логическая структура базы данных

Проектирование логической структуры должно формировать корректную схему БД, ориентированную на реляционную модель. Объектный подход, а также реализация темпоральности объектов базы данных несколько изменяют стандартный способ конструирования таблиц реляционной базы данных.

При традиционном способе проектирования, когда для каждого класса объектов в базе данных генерируется отдельная таблица (или их набор), приводит к практическим сложностям при реализации объектного и темпоральных подходов. При большой и сложной иерархии типов объектов появляются сотни, если не тысячи таблиц минимум по одной для каждого возможного типа, структура базы данных постоянно изменяется вместе с добавлением и изменением структуры типов. Возникают проблемы именования таблиц и полей для новых типов. Реализация свойства темпоральности при традиционном подходе требует двукратного увеличения количества используемых полей (для каждого свойства объекта добавляется поле временных меток). Реализация средств идентификации пользователей, корректирующих значения свойства, а также возможности комментирования этих изменений, сталкивается с аналогичными трудностями. Поэтому при проектировании логической структуры базы данных значения всех свойств объектов сведены к одному отношению:

 

[ИД объекта, ИД атрибута, Время начала действия атрибута, Значение атрибута]

 

Логическая модель объектно-ориентированной схемы представлена в виде структуры таблиц на рисунке 3.

 

3. Программная реализация

Комплекс программ состоит из двух основных модулей:

·                    программа - администратор базы данных типов и объектов;

·                    программа - клиент, с помощью которой ведется разработка технологических приложений;

а также может включать дополнительные программные модули:

·                    конверторы из базы данных реального времени (ОИК, АСКУЭ);

·                    конверторы из входных макетов;

·                    программные средства клиентских мест для загрузки и просмотра данных;

·                    программные средства отображения данных на графических объектах;

·                    программные средства подготовки отчетных форм.

На рис. 4 представлена экранная форма администратора БД «Энергостат» на примере БД оборудования «Мосэнерго». В левой части отображена панель иерархии объектов, в правой – панель свойств объектов.

Программа-администратор обеспечивает реализацию следующих основных групп функций:

Функции и средства работы с типами (создание классификатора типов)

·        создание и удаление типов, коррекция настроечных свойств типа;

·        конструирования структуры типов с использованием механизмов наследования и агрегирования;

·        группировка типов по определенным критериям;

·        отображения иерархии типов в интерфейсных окнах;

Функции и средства работы с методами

·        Создание метода, реализующего определенную технологическую операцию;

·        Коррекция свойств метода, удаление метода;

·        Привязка метода к определенным объектам для выполнения технологических расчетов.

Функции и средства работы с объектами и их свойствами

·        Интерфейсные средства отображения иерархии объектов (панель объектов главного окна);

·        Создание производственных и административных объектов, объектов технологического оборудования;

·        Коррекции свойств объекта, удаление объектов;

·        Создание иерархической структуры объектов;

·        Архивация изменений структуры объектов во времени;

·        Группировка объектов по определенным критериям;

·        Привязка измерений к объектам;

·        Загрузка и хранение многолетних архивов изменений состояний объектов во времени;

·        Загрузка и хранение многолетних архивов данных измерений (свойств объектов);

·        Ввод и коррекция свойств объектов с фиксацией времени действия и имени пользователя, осуществившего ввод;

·        Отображение данных на заданный момент времени (актуальное время);

·        Отображение структуры объектов и их свойств на актуальный момент времени;

·        Отображение истории изменения свойств объекта;

·        Подготовка сводок изменений состояний объектов за определенный период и на заданный момент времени;

·        Отображение данных на графических объектах;

·        Отображение данных измерений, состояний объектов и оборудования в отчетных табличных и графических формах;

·        Организация обмена данными измерений и характеристиками объектов между подразделениями и уровнями управления энергообъединения и предприятия.

Средства управления и обслуживания базы данных

·        Создание и ведение файла журнала обращений к базе данных (трассировка ODBC);

·        Автоматическое сохранение операций с типами и объектами в файл журнала;

·        Восстановление из файла журнала операций с типами и объектами;

·        Экспорт-импорт данных из других баз данных с аналогичной структурой таблиц;

·        Организация обмена данными с помощью средства макроязыка.

Средства идентификации

·        Идентификация пользователя при входе в программу;

·        Создание нового пользователя с указанием идентификационных данных.

 

На рисунке 5 представлены экранные формы для просмотра и анализа изменений состояния генерирующего оборудования электростанций (экранная форма сводки изменений состояний объектов за определенный период и на определенный момент времени).

 

На рисунке 6 показан пример использования схемной графики для отображения тепломеханического оборудования станции. Поддерживается навигация по времени и отображение состояния оборудования и режимных параметров на схеме.

 

Практика внедрения и эксплуатации базы данных и технологических программ комплекса “Энергостат” в энергообъединениях предполагает определенную последовательность действий, которая для управления технологическими задачами энергообъединения в общем виде представляет:

1.      Ввод классификатора административных и производственных объектов, справочников технологического оборудования.

2.      Загрузка паспортных, эксплуатационных и других характеристик объектов и технологического оборудования. Состав и структура объектов и технологического оборудования предоставляется службами энергообъединений и предприятий.

3.      Реализация передачи данных о состоянии оборудования и объектов из ОИК.

4.      Разработка функций по импорту данных из входных макетов данных, внешних баз данных и других источников.

5.      Разработка необходимых функций технологических расчетов (методов) (расчет рабочей мощности, ограничений, балансов, потерь мощности и электроэнергии и др.).

6.      Разработка выходных макетов данных.

7.      Разработка шаблонов листов суточной ведомости в файлах формата Excel, Visio. Организация вывода данных о состоянии оборудования в листы суточной ведомости.

8.      Разработка альбома графических структурных схем объектов и оборудования (теплотехнические, энергетические схемы станций, электрические схемы подстанций, линий и др.) с нанесенными на них данными о состоянии оборудования, измеряемых параметров ОИК, АСКУЭ.

9.      Разработка дополнительных экранных форм для отображения и ввода данных с использованием макроязыка комплекса.

Выводы

В статье описана информационная структура и программная реализация базы данных административных и производственных объектов, технологического оборудования и измеряемых параметров электроэнергетических предприятий. Проектирование базы данных основывалось на практическом опыте внедрения программных комплексов по планированию балансов мощности и электроэнергии в различных энергообъединениях России.

Предложенная структура и программные средства обеспечивают создание объектно-ориентированного хранилища данных и последующую интеграцию существующих и разрабатываемых программных комплексов на единой основе. База данных, интегрированная с комплексом программ администрирования и обслуживания, представляет информационную систему корпоративного назначения для решения производственных, экономических и других задач. Основное назначение системы – создание информационной структуры объектов и оборудования, подготовка классификаторов  и справочников, привязка и хранение измеряемых параметров и состояний объектов.

Компоненты разработки эксплуатируются в ЦДР ФОРЭМ, ОАО «Мосэнерго», ОАО «Кузбассэнерго».

 

Литература:

1. База данных производственных и административных объектов, технологического оборудования и измеряемых параметров “Энергостат” (сетевая версия). Свидетельство Роспатента об официальной регистрации базы данных № 2002620201 от 10.12.2002

2. Макоклюев Б.И., Антонов А.В., Костиков В.Н. Программный комплекс анализа и планирования режимных параметров энергообъединения «Энергостат-1.1». Вестник ВНИИЭ, 1996, стр.76-80.

3. Макоклюев Б.И. Расчет и планирование режимных параметров, балансов мощности и электроэнергии АО-энерго и предприятий сетей с помощью программных комплексов "Энергостат" и “РБЭ”. Сборник докладов “: Современные методы и средства расчета, нормирования и снижения технических и коммерческих потерь электроэнергии в электрических сетях”, М., НЦ ЭНАС, 2000.

 

Рис. 1. Информационная модель энергосистемы

 

Рис. 2. Пример построения структуры классификатора оборудования станций

 

 

Рис. 3. Структура и взаимосвязи таблиц базы данных

 

 

Рис. 4. Экранная форма администратора БД «Энергостат»

 

 

Рис. 5. Сводка изменений состояний объектов за определенный период и на определенный момент времени.

 

 

Рис. 6. Схема станции с отображением состояний агрегатов и измерений