Сотников Александр Васильевич

Факультет интеллектуальных систем и программирования

Кафедра программной инженерии им. Л.П. Фельдмана

Специальность «Методы и средсвта разработки ПО »

Разработка математического и программного обеспечения АСУ проектирования электроснабжения снабжения предприятия

Научный руководитель: д.т.н., доцент, профессор кафедры Криводубский Олег Александрович

Содержание

• Введение
• 1. Описание объекта исследования
• 2. Существующие АСУ их методы, функции и цели внедрения
• 2.1 Автоматизированная система управления
• 2.2 Автоматизированная система управления электрохозяйством
• 2.3 АСУ ТП газорегуляторного пункта (ГРП)
• 4. Архитектура и оборудование
• 5. Анализ существующих систем по управлению энергетикой
• Выводы и улучшение ПО
• Список источников

Введение

Современное электроснабжение промышленных предприятий представляет собой сложную систему кибернетического типа, отличающуюся большим числом взаимосвязанных элементов и подсистем.

Исследование таких систем не представляется возможным без применения достаточно мощного математического аппарата и цифровых вычислительных машин. Всевозрастающие темпы электрификации народного хозяйства и энерговооружённости труда приводят к необходимости массового проектирования систем электроснабжения и их развития. Объем этой работы столь велик, что снижение трудозатрат на эту работу становится совершенно необходим.

Эту проблему удаётся решить путём автоматизации проектирования систем электроснабжения, а также за счёт использования современных математических методов и их программным обеспечением.

1. Описание объекта исследования

Исследование, связанное автоматизированием системы управление электроснабжением предприятия. А так как предприятия бываю разные то будет какая-то общая часть, связывающая все предприятия. Например: управление светом, управление отоплением, управление вентиляцией.

И уникальная под каждое предприятие своя так предприятие под подачей газа будет в себя включать управление насосами, различными датчиками, которые будет снимать показания в реальном времени, и программа должна всю эту информацию уметь обработать и принять какие-то меры в экситонных случаях.

2. Существующие АСУ их методы, функции и цели внедрения

2.1 Автоматизированная система управления

Автоматизированная система управления или АСУ — комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т.п.

С целью повышения эксплуатационной надежности, долговечности и эффективности работы энергетического оборудования, для решения задач диспетчерского, производственно-технологического и организационно-экономического управления энергохозяйством предприятия могут оснащаться автоматизированными системами управления энергохозяйством (АСУЭ).

Указанные системы являются частями автоматизированной системы управления предприятием (АСУП) и обязаны обладать необходимыми средствами передачи данных от диспетчерских пунктов питающей энергосистемы в объеме, согласованном с ней. 

Комплексы задач АСУЭ в каждом энергохозяйстве должны подбираться с учетом производственной и экономической целесообразности, принимая во внимание рациональное применение существующих типовых решений и возможностей эксплуатируемых технических средств [1]. 

Автоматизированная система управления электрохозяйством (АСУ СЭС) составляет часть АСУЭ и, как правило, включает системы диспетчерского управления электроснабжением и ремонтом электроустановок, распределением и сбытом электроэнергии, а также системы управления производственно-экономическими процессами в электрохозяйстве. 

Для контроля и учета энергоресурсов (электроэнергии, тепла, воды) в состав АСУЭ включается специальная подсистема АСКУЭ (автоматизированная система контроля и учета энергоресурсов). Отдельно следует выделить подсистему тепло- и водоснабжения предприятия в АСУЭ (рис. 1).

АРМ оператора обеспечивает:

• удобное и наглядное представление оперативной информации в виде технологических мнемосхем, графиков и таблиц;
• предоставление интерфейса для управления исполнительными механизмами с защитой от ошибочных действий и несанкционированного вмешательства;
• вывод звуковой и цветовой сигнализации при диагностике неисправностей, выходе значений контролируемых параметров за пределы предупредительных и (или) предаварийных уставок;
• отображение протокола событий в системе (журнал событий);
• отображение таблиц и графиков изменения контролируемых параметров во времени;
• отображение и печать отчетов, ведомостей и других печатных документов, копий отображаемых видеокадров, протокола событий и т.д.

2.2 Автоматизированная система управления электрохозяйством

Автоматизированная система управления электрохозяйством обеспечивает следующие функции:

• визуализация текущего состояния главной схемы электроснабжения в виде мнемосхемы;
• измерение, контроль, отображение и запись параметров;
• обработка и предоставление информации о состоянии главной схемы и оборудования в текстовом (табличном) и графическом формате;
• удаленное управление переключением выключателей главной схемы с контролем действий дежурного персонала;
• обработка данных установившихся режимов для различных эксплуатационных задач;
• диагностика защитных устройств и автоматики с аварийной сигнализацией;
• удаленное изменение настроек цифровых РЗА, управление их запуском;
• регистрация и сигнализация возникновения феррорезонансных режимов в сети;
• проверка корректности входной информации;
• диагностика и контроль состояния оборудования;
• формирование базы данных, хранение и документирование информации (ведение суточной ведомости, ведомости событий, архивов);
• мониторинг (коммерческий) учета электроэнергии и контроль за энергопотреблением;
• контроль параметров качества электроэнергии;
• автоматическое противоаварийное управление;
• регистрация (осциллографирование) параметров аварийных и переходных процессов и анализ осциллограмм;
• контроль состояния аккумуляторной батареи и изоляции ее цепей;
• диагностика состояния оборудования и программного обеспечения АСУ СЭС;
• передача информации о состоянии системы электроснабжения в технологическую АСУ по ее каналу связи на ЦДП и в другие подразделения предприятия.

На рис. 2 показана примерная структура схема АСУ СЭС компрессорной станции. Структура АСУ СЭС зависит от типа КС (электроприводная или газотурбинная), наличия на КС электростанция собственных нужд (ЭСН) и от режимов ее работы. Также имеет значение степень интеграции ЭСН в систему электроснабжения (СЭС).

2.3 АСУ ТП газорегуляторного пункта (ГРП)

Газорегуляторные пункты (ГРП), предназначенные для снижения давления газа и поддержания его на заданных уровнях потребления станции.

Цели внедрения:

• улучшение надежности работы технологического оборудования, минимизация риска серьезных аварий, чтобы сбои технических средств не вызывали ситуаций, опасных для жизни и здоровья людей, а также для оборудования;
• обеспечение автоматизированного и эффективного управления технологическими процессами в нормальных, переходных и аварийных ситуациях распределения газа;
• своевременное предоставление оперативному персоналу достаточной и точной информации о ходе технологического процесса, состоянии оборудования и следующих средств управления;
• снижение затрат на эксплуатацию и ремонт технических средств автоматизации;
• обеспечение учета потребления природного газа в коммерческих целях.

 

Функции системы

1) Сбор и обработка данных от датчиков температуры, давления и разности давления, подключенных к сужающим устройствам, а также вычисление объемного и массового расхода природного газа в трубопроводе. 

2) Автоматическое переключение диапазонов измерения разности давления для расширения диапазона измерения расхода. 

3) Восстановление учетных параметров после простоя системы с добавлением к их значениям на момент отключения произведения времени простоя на согласованную константу или значение расхода перед отключением. 

4) Контроль достоверности поступающей информации по предельным значениям, скорости изменений и другим критериям. 

5) Прием дискретной информации о состоянии арматуры от ключей МЩУ. 

6) Обеспечение работы противоаварийных защит и блокировок оборудования в соответствии с требованиями нормативной документации: повышение давления газа за ГРП до 1-го и 2-го пределов, понижение давления газа за ГРП, перевод линии редукции газа в режимы «РАБОТА», «АВР», «ОТКЛЮЧЕНО» и запрет управления арматурой с двух мест. 

7) Дистанционное управление исполнительными механизмами. 

8) Расчет объема и массы природного газа, прошедшего за час, сутки, декаду и месяц по газопроводам и в целом по учетному узлу. 

9) Отображение информации оперативным работникам на цветных мониторах в виде мнемосхем с индикацией параметров в цифровом, табличном виде или в виде графиков. 

10) Формирование световой и звуковой сигнализации нарушения параметров от заданных предупредительных и аварийных границ, а также при других аварийных ситуациях. 

11) Индикация мнемонических изображений электрозадвижек с динамическим отображением их состояний и возможностью дистанционного управления. 

12) Ручной ввод исходных данных в режиме реального времени. 

13) Автоматическое формирование, предоставление данных оперативному персоналу и печать отчетных документов как автоматически, так и по запросу. 

14) Выполнение переходов «Зима-Лето» и «Лето-Зима».

15) Многопользовательский режим работы с разграничением прав доступа к системе по паролям, регистрация доступа пользователя и протоколирование его действий. 

4. Архитектура и оборудование

АСУ ТП ГРП представляет собой двухуровневую распределенную систему с многоступенчатой защитой от отказов, обеспечивающей высокую надежность и производительность [2].

Нижний уровень представлен современными, высоконадёжными микропроцессорными контроллерами. Контроллеры выполнены со 100% «горячим» резервированием. Контроллеры размещены в шкафах контроля и управления.

Верхний уровень представлен рабочими местами операторов (станции оператора/архивирования-сервер с полным объёмом графического проекта, с функцией 100 % «горячего» резервирования и функциями архивирования).

Связь с контроллерами нижнего уровня производится посредством локальной вычислительной сети с использованием ВОЛС (волоконно-оптической линии связи), выполненной по схеме 100% «горячего» резервирования (рис. 3).

5. Анализ существующих систем по управлению энергетикой

Таких систем больше количество и каждая новая и современная версия являться усовершенствуем старых методов и применением новых. Рассмотрим новые и популярные комплексы:

1.ЕТАР 22 – является комплексным инструментом для детального анализа систем переменного и постоянного токов [3].

Система постоянного тока использует ту же базу данных, что и сеть переменного тока. Модули «Установившийся режим в системах постоянного тока» и «Расчёт коротких замыканий в системах постоянного тока» предоставляют инженерам возможности для проектирования и обслуживания систем постоянного тока. Модуль «Определение параметров аккумуляторных батарей и их разряд» используется для выбора наиболее подходящих элементов аккумуляторных батарей, проверки ёмкости существующих батарей и моделирования различных сценариев работы системы постоянного тока.

2.АНАРЭС – программный комплекс для расчётов, анализа и планирования режимов работы электроэнергетических систем [4]; Комплекс предназначен для оперативных расчётов, анализа, планирования режимов работы электроэнергетических систем (ЭЭС); управления ими на различных территориальных уровнях диспетчерского управления. Основные пользователи комплекса – это центры диспетчерского управления системных операторов ЭЭС, электросетевые предприятия, электрогенерирующие компании, крупные промышленные организации, проектные и инжиниринговые организации в электроэнергетике, учебные центры.

3.Global-Еnergy - платформа, созданная для электроэнергетической отрасли, которая позволяет оптимизировать работу на всех этапах - генерации, сбыта, потребления, сетевого снабжения [5]. Решение позволит автоматизировать все задачи для энергосбытовых компаний - биллинг, энерготрейдинг, расчёт с потребителями, теплоснабжение. Для генерирующих компаний система поможет выполнять энергоучёт и консолидацию, планирование, работу на ОРЭМ. Электросетевые компании смогут выполнять электроснабжение и техприсоединение. Энергопотребляющие компании смогут повысить энергоэффективность, планировать потребление.

4.ЭСП. ПА - Программа анализа работы противоаварийной автоматики. Собирает и передаёт информацию о функционировании объектов, визуализирует прохождение информации по сети, сигнализирует о выходе из строя оборудования или потере противоаварийного управления [6].

5.IndorPower - внедрение технических условий, электрических параметров нагрузки абонента и информации по потреблению. Отображение абонентов на картах и схемах сетей [7]. Тарификация потребления с гибкой системой настройки тарифов. Отображение трасс ЛЭП на плане местности с планами опор, горизонтальных габаритов пролётов, переходов, пересечений, просек и смежных объектов (ситуации). Отображение планов подстанций, оборудования, вторичных и сигнальных цепей. Схемы подстанций, вторичных и сигнальных цепей. Схемы защит и карты уставок защит. Технические паспорта всех видов силового оборудования.

Выводы и улучшение ПО

Внедрение искусственного интеллекта в системы управление энергетикой позволит погравировать и предлагать системе более оптимальную модель работы. Так же искусственный интеллект должен иметь правами на управление и принятие решений при авариях опираясь на опыт аварийных ситуаций которыми его обучили.  

Прогнозы, которые делает системы в ходе работы при выводе их в виде графика можно визуально увидеть «что произошло» повысились или понизились показатели нагрузки. Так же прогнозы должны быть общими по отдельным узлам с их оцениванием.

Расширение функционала позволит охватить большинство управляемых функций и функций расчёта под одной системой, а не множеством которые решат только одну из задач.  

Алгоритм защиты и системные код на аварийные случаи (каждый код соответствует своей аварии в системе) их сцепка под управлением ИИ позволит очень быстро разрешить аварию или же уведомить оператора на смартфон о том что-то случилось. Связь со смартфоном должна быть локальной и по спец протоколам что бы нельзя было взломать систему из вне[8].

Исходя из выше предложенного улучшение или созданные нового ПО взяв за основу эти требования можно предположить, что приложение должно быть кросс­платформенным и заточено под удалённое управление по сети через специальный протокол безопасности. А также сервер с большими вычислительными мощностями как для анализа системы, так и для ИИ управления системой[9].

Компьютерная версия может включать себя расширений функционал управление энергетики, но оповещение об ошибкам или других важных уведомлений и мониторинга системы должно приходить и на мобильное устройство, которое у оператора всегда ложно быть под рукой с которого он согласно ситуации, может оправить команду что бы главой компьютер её выполнил.   

Кросс­платформенный проект состоит из трёх типов модулей:

• общий модуль содержит код, который не свойствен какой-либо определённой платформе, а также объявления для реализации в платформы зависимых API. Эти объявления позволяют общему коду быть зависимостью для реализаций для конкретных платформ;
• платформенный модуль содержит реализации платформ зависимых объявлений из общего модуля для конкретной платформы и другой платформенный код. Платформенный модуль всегда является реализацией одного общего модуля;
• обычный модуль. Такие модули базируются на определённой платформе и могут либо быть зависимостью платформенных модулей [10].

Таким образом, данное направление в сторону разработки программных комплексов по энергетике имеет большие перспективы в будущем. Но имеются и определённые сложности. Электротехника и энергетика являются обширными, поэтому программа должна быть многофункциональной. Но чтобы не сильно усложнить программный комплекс, его нужно сделать модульным. Каждый модуль отвечает за какую-либо область расчётов или моделирования.

Поэтому разработку программы лучше вести в несколько этапов. Начиная с минимального функционала на начальных этапах разработки, затем добавляя новые, предусмотренные дальнейшими этапами. Не забывая программу делить на модули, можно добиться вполне мощного программного комплекса. Также используя кросс­ платформенные решения, можно добиться большего распространения программы при меньших трудозатратах.

Список источников

1. Способ разработки программно-вычислительных комплексов для проектирования систем электроснабжения [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://cyberleninka.ru/article
2. АСУ ТП газорегуляторного пункта (ГРП) [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://www.krug2000.ru/decisions/
3. ETAP 22 [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://helpcenter.etap.com/portal/
4. Программно-вычислительный комплекс АНАРЭС [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://rdc-sg.com/download/АНАРЭС%20
5. GLOBAL-ENERGY - [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://global-system.ru/index
6. ЭСП. ПА - [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://energosoftpro.ru/programmnye
7. IndorPower - [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://indorsoft.ru/products/power/
8. Технология построения виртуальной частной сети — протоколы IPSec, SSL. - [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://teacherbox.ru/arhiv/...
9. Использование искусственного интеллекта в управлении энергосистемами - [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://scilead.ru/article/...
10. EveryCircuit - [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://everycircuit.com