Эволюция сетей распределения электроэнергии – концепция Smart Grid.

Электроэнергетика в мире проходит этап глобальных преобразований, происходит революционная интеграция сетей передачи электроэнергии и сети интернет. Мы наблюдаем, что ведущие энергетические компании при поддержке правительства собственных стран нацелены на реализацию концепции Интеллектуальная сеть (Smart Grid), которая позволит эффективно управлять, распределять и контролировать электроэнергию в сетях, поддерживать распределенную генерацию (солнечные, геотермальные, ветряные электростанции), прогнозировать нагрузки, сокращать утечки энергии, а так же получать полный контроль над состоянием энергосистемы (рис. 1).

Концепция Smart Grid очень популярна во многих странах мира. В Европе принята известная стратегия «20-20-20», которая предполагает к 2020 году увеличить на 20% долю возобновляемых источников энергии и уменьшить на 20% выброс парниковых газов. В рамках реализации данной стратегии компания Enel оснастила 32 млн. потребителей умными приборами учета. В США направили 4,5 млрд. долларов на развитие интеллектуальных сетей, инвестиции на реализацию концепции до 2020 года составят 10 млрд. долларов. Компания SGCC, которая обеспечивает электроэнергией 88% потребителей Китая, только с 2011 года установила 36 млн. умных счетчиков, но она имеет амбициозные планы по установке более 300 млн. умных приборов к концу 2015 года. Не обошла эта тема и Россию, до 2015 года Холдинг МРСК планирует установить в 69 регионах 17 млн. точек учета умными приборами, в том числе 15 млн. точек учета физических лиц, программа оценивается в 156 млрд. рублей.

Рисунок 1 – Участники Smart Grid, физические и информационные связи.

Одна из функциональных возможностей интеллектуальной сети – автоматический постоянный информационный обмен между измерительными приборами и информационной системой компании. Поскольку постоянно происходит изменение уровня потребления электроэнергии и изменение нагрузки на сеть, пиковые нагрузки могут превышать предельно допустимые, что приводит к аварийным отключениям. Колебания потребления требуют от сетевых компаний резервировать дополнительные ресурсы, тем самым увеличивая затраты. Для минимизации пиковых нагрузок используется тарификация потребляемой электроэнергии в соответствии со спросом на нее, что требует установки счетчиков нового поколения, фиксирующих не только общий объем, но и время. Умные приборы учета умеют измерять большое количество параметров электроэнергии, профили нагрузки, передавать результаты измерения в информационную систему в режиме реального времени. Современное электросетевое оборудование использует интернет для обмена данными, получения управляющих команд, синхронизации времени, обновления программного обеспечения и т.д., при этом используются все доступные технологии передачи данных, как проводные (RS-485, Ethernet, PLC), так и беспроводные (GPRS, 3G, Wi-Fi).

Исторически сложилось, что разработкой систем автоматического контроля и учета электроэнергии занимались сами производители счетчиков, потому на рынке России и всего мира существует очень большое количество АИИС КУЭ. Это привело к тому, что в рамках одной электросетевой компании зачастую используется несколько АИИС КУЭ, отличающиеся платформами, набором функций, интеграционными возможностями. В свою очередь в качестве корпоративной информационной системы управления предприятием выбирается обычно одна платформа, в большинстве случаев этой платформой является SAP (более 2600 предприятий в области электро-, водо-, газоснабжения в 70 странах мира используют решения SAP). Работа в едином информационном пространстве оптимизирует трудоемкость выполнения обработки данных, формирования оперативных и консолидированных отчетов, их анализа. А принцип «единой точки входа информации» значительно снижает ручные ошибки и дублирование бизнес-функций.

Концепция MDUS

Являясь мировым лидером в производстве отраслевого решения для энергетики (SAP IS-U), компания SAP не могла обойти стороной мировой интерес к интеллектуальным сетям и разработала концепцию MDUS (Meter Data Unification and Synchronization – унификация и синхронизация данных измерений). В концепции описываются функциональные объемы, принципы взаимодействия, протоколы и потоки информационного обмена между АИИС КУЭ различных производителей и SAP ERP. Для реализации данной концепции SAP выпустил в составе пакета расширений бизнес-функцию AMI (Advanced Metering Infrastructure – расширенная инфраструктура измерений), которая встраивает в стандартную функциональность отраслевого решения для энергетики (SAP IS-U) вызов корпоративных сервисов передающих XML-сообщения в интеграционную шину SAP NetWeaver PI.

Интеграционное решение SciMeter

Необходимость обеспечить «бесшовную» интеграцию АИИС КУЭ различных типов с системой SAP ERP послужило толчком к реализации интеграционного решения SciMeter. Концепция MDUS легла в основу разрабатываемого решения, т.к. предоставляла стандартную бизнес-функцию AMI, которая не требовала дополнительных разработок в SAP IS-U. Выбор платформы SAP NetWeaver PI для реализации был обусловлен тем, что это стандартная интеграционная шина, предлагаемая SAP, которая так же может использоваться для решения других интеграционных задач при построении информационной системы предприятия, при этом обладает всеми необходимыми техническими возможностями для реализации решения.

Рисунок 2 – Архитектура интеграционного решения SciMeter.

Формирование информационных потоков основная задача интеграционного решения между системами. Инициатором выполнения операций является система SAP ERP – это запуск пользователем типовых функций отраслевого решения (IS-U). Интеграционная система SciMeter гарантирует трансляцию этих команд до АИИС КУЭ в автоматическом режиме и обеспечивает отслеживание выполнения с получением в обратном направлении понятного SAP системе результата. На рисунке 2 изображена архитектура интеграционного решения SciMeter и указаны информационные потоки между системами. Функционал интеграционного решения SciMeter на текущий момент позволяет выполнять следующие интеграционные сценарии:

• Создание прибора;
• Монтаж прибора;
• Изменение счетных устройств;
• Единичное считывание по запросу;
• Замена прибора;
• Демонтаж прибора;
• Массовое считывание по запросу;
• Массовое считывание по расписанию;
• Отправка сообщения на дисплей прибора;
• Ограничение/отключение и возобновление энергоснабжения;
• Инициация профильного учета;
• Загрузка интервальных результатов измерения в SAP.

Рисунок 3 – Компоненты интеграционного решения SciMeter

В ходе реализации проекта разработки интеграционного решения SciMeter, были продуманы все необходимые компоненты и связи между ними (рис. 3), так же были выбраны инструменты для их реализации.

В SAP NetWeaver PI разработана структура таблиц, которая обеспечивает хранение: промежуточных данных, используемых для формирования команд в АИИС КУЭ; настроек бизнес логики SciMeter; журналов выполнения интеграционных процессов.

Функциональное ядро SciMeter содержит BAPI, классы и методы, они обеспечивают получение информации из хранилища для отображения их в Web-интерфейсе и выполняют изменения в БД. Так же в ядре содержатся исполняемые модули, необходимые для выполнения интеграционного процесса, они обрабатывают данные поступающие из SAP ERP, сохраняют данные в таблицах, и предоставляют их интеграционному процессу на одном из этапов выполнения, обеспечивают запись в журнал информации о ходе выполнения процесса.

Диспетчер коннекторов АСКУЭ, содержит исполняемые модули, реализованные на Java, обеспечивает формирование команд для АИИС КУЭ, наполняя команды значениями атрибутов полученными из SAP ERP. Сформированные команды передаются с помощью коннекторов в подключенную АИИС КУЭ. Полученный ответ возвращается интеграционному процессу, который в зависимости от результатов выполнения может повторить отправку команды через заданный промежуток времени, или продолжиться, выполняя необходимые этапы, завершаясь передачей результата в SAP ERP.

Коллектор мастер-данных в SAP ERP (IS-U) необходим для получения дополнительных справочных данных, из SAP ERP, которые не передаются в XML-сообщении в момент инициации интеграционного процесса, но необходимы для формирования команды в АИИС КУЭ. Для получения этих данных разработан корпоративный сервис, он в запросе передает список атрибутов, значения которых необходимы, и дату выборки. В ответ получает значения этих атрибутов и период действия. Коллектор использует ракурсы БД для получения запрошенных данных или функциональные модули, для специфической выборки данных.

Компонент SciMeter Web GUI предоставляет администратору системы доступ к настройкам SciMeter, мониторингу выполняющихся процессов и к поиску и просмотру интегрированных счетчиков. В настройках администратор может добавить новую АИИС КУЭ и настроить ее, внести изменения в существующие настройки АИИС КУЭ (например, при изменении адреса сервера или атрибутов доступа), настроить параметры, передаваемые в сквозном процессе, определить обязательность этих параметров, изменить и расширить справочники параметров или сервисов. В разделе мониторинга (рис. 4) администратор может просматривать статистику по интеграционным процессам, детализацию по каждому процессу, выявить ошибочные процессы, выполнить анализ ошибок для их устранения, выгрузить отчет. Раздел поиска и просмотра интегрированных счетчиков позволяет найти прибор по любому известному атрибуту, просмотреть значения атрибутов счетчика, проверить наличие всех обязательных атрибутов для отправки команды в АИИС КУЭ, посмотреть историю интеграционных процессов счетчика.

Рисунок 4 – Раздел мониторинга интеграционных процессов SciMeter

Интеграционное решение SciMeter успешно внедрено в филиале ОАО «МРСК – Центра» - «Белгородэнерго» в 2010 году. Автоматически передаются результаты измерений более 80 тысяч приборов учета, интегрированы две АИИС КУЭ: «Базис» установленную на 178 подстанциях 35-110 кВ, и «Нейрон» устанавливаемые у бытовых или мелкомоторных потребителей. В результате проекта значительно упростилась работа технических специалистов и администраторов АСКУЭ, исключены ошибки ввода, т.к. данные о потреблении электроэнергии передаются в IS-U автоматически. Также автоматически передаются из SAP ERP справочные коммерческие и технические данные, необходимые АИИС КУЭ, это избавляет от необходимости отображать одни и те же операции в разных системах. Снижено количество выездов сотрудников на объекты потребителя, что в свою очередь снизило связанные с этим расходы.

Путь на стандартизацию определяет вектор развития SciMeter Наиболее распространенная архитектура АИИС КУЭ представляет собой счетчики электроэнергии, устройство сбора и передачи данных (УСПД) и сервер осуществляющий сбор и хранение данных. Счетчики передают информацию на УСПД, используя проводные технологии передачи данных, а сервер АИИС КУЭ обменивается информацией с УСПД по проводной или беспроводной технологии. Данная архитектура оправдана в случае скопления приборов учета на небольшом расстоянии от УСПД, например многоквартирный дом, коттеджный поселок или подстанция. Это экономически оправдано, т.к. в этом случае стоимость счетчиков не слишком высока, в отличие от УСПД. При необходимости организации автоматического учета электроэнергии на территориально удаленном объекте (например, скважина по добыче газа или нефти) с одним или двумя счетчиками электроэнергии, наличие УСПД экономически не оправдано.

Каждый производитель разрабатывает свой протокол взаимодействия с оборудованием, собственное серверное программное обеспечение, такая АИИС КУЭ может обслуживать только определенный тип приборов, того же производителя. Потребитель, желая установить современный прибор учета с автоматической передачей данных, ограничен в выборе счетчиков только того производителя, который выбрала сетевая компания для организации АИИС КУЭ.

Вектор развития интеллектуального учета электроэнергии направлен на стандартизацию протоколов взаимодействия электросетевого оборудования, для этих целей, например, разработан стандарт IEC 61850. Уже существуют марки приборов учета зарубежных производителей, поддерживающие технологии беспроводной передачи данных GPRS, технический протокол TCP/IP и логический протокол передачи данных, описанный в стандарте IEC 61850. Это позволяет интегрировать подобные счетчики в любую систему, без использования промежуточного звена УСПД. Единственный фактор, который тормозит массовое использование таких приборов – высокая цена по сравнению с другими менее функциональными счетчиками.

Если заглянуть немного в будущее, то можно предположить появление на рынке все большего числа приборов поддерживающих прогрессивные стандарты организации интеллектуальных измерений (Plug@Play), из-за конкуренции цена на умные приборы будет снижаться. В свою очередь разработчики информационных систем автоматизации управления предприятием (SAP, Oracle и др.) реализуют на собственных интеграционных платформах поддержку общепринятых протоколов. В связи с этим мы будем наблюдать постепенное исчезновение АИИС КУЭ сторонних производителей, поскольку надобность в них отпадет.

Компания Сайнер планирует развивать интеграционное решение SciMeter реализацией драйвера протокола описанного в стандарте IEC 61850, функциональности ожидания соединения от счетчиков и синхронизации времени, дополнить структуру базы данных для хранения результатов измерений. Это позволит интегрировать современные счетчики непосредственно в SAP, без использования промежуточных АИИС КУЭ сторонних производителей. Еще одно направление развития задает компания SAP, выпуская следующие версии AMI, в состав которых включены корпоративные сервисы, которые в том числе позволят выполнять агрегацию профилей и предоставлять данные измерений в систему SAP ERP запросу во время выполнения расчетов. Наличие системы хранения измерений в SAP NetWeaver PI позволит разгрузить систему SAP ERP от необходимости хранить «тяжелые» исторические данные измерений.