О создании автоматизированных систем диспетчерско-технологического управления в иерархически организованных компаниях
Автор: Вадим Львович Нестеренко, генеральный директор ЗАО «Монитор Электрик»
Опубликовано: Автоматизация и IT в энергетике. - № 11 (28). - 2011. - С. 21-25
В управлении режимами энергосистем нашей страны, с начала 70-х годов прошлого столетия, произошли революционные события. В практику диспетчерского управления начали стремительно внедряться оперативно-информационные комплексы (ОИК) на базе вычислительных машин, способных принимать и обрабатывать телеметрическую информацию и представлять ее на видеомониторах. Даже при ограниченном числе каналов связи и небольшом количестве измеряемых величин существенно повышалась эффективность диспетчерского управления. Архитектура ОИК оказалась достаточно удачной: отображалась схема энергосистемы нужной подробности и на ней показывались данные телеметрии, какими располагали на то время в диспетчерском центре (ДЦ). Внедрение и освоение комплексов шло быстро, эксплуатация требовала относительно небольших затрат.
В западных энергокомпаниях в это же время шло интенсивное наращивание телеметрии. В результате чего, каждый физический элемент: трансформатор, линия, выключатель и другие, имели исчерпывающее количество измерений, позволяющих контролировать состояние сети и проводить расчеты режимов в реальном времени. К 90-м годам появились мощные SCADA/EMS системы, располагающие базами данных обо всем энергетическом оборудовании, соответствующих измерениях, сигналах, режимах и его состоянии. Работа по созданию масштабных информационных систем реального времени была по плечу только крупным компаниям-производителям систем автоматизации. Появились информационно- управляющие системы у известных мировых производителей: АББ, Сименс, Дженерал Электрик, Арева. В каждой системе были свои стандарты на способы организации данных, отображения, обмена с другими подсистемами. Каждая информационная система центра управления представляла собой целый мир, закрытый и замкнутый в себе.
К концу прошлого века пришло осознание, как со стороны заказчиков – энергокомпаний, несущих все возрастающие эксплуатационные затраты, определяемых производителем, так и у самих производителей, прилагающих все большие усилия для удержания ранее занятых рынков, что нужно искать компромисс и идти другим путем в развитии систем управления. Выход был найден в стандартизации архитектуры систем, межуровневых и внутрисистемных интерфейсов, структур данных и др. Стандарты разработало и приняло мировое энергетическое сообщество. Иными словами, теоретически, появилась возможность строить системы, следуя описаниям конструктора с известным набором компонентов. В этих условиях, появился шанс выхода на рынок у небольших креативных компаний-разработчиков программных продуктов. Заказчик мог использовать стыкуемые компоненты от разных компаний поставщиков и тем самым уйти от диктата единоличного производителя и снизить свои затраты на средства автоматизации. Отметим, что разработчики стандартов – Международная электротехническая комиссия и созданные ей комитеты, ставя перед собой, благородные, амбиционные, не имеющие альтернатив цели по упорядочиванию многообразного мира, столкнулись с огромными трудностями. Даже по прошествии более десяти лет, не все стандарты находятся в состоянии завершенности. В частности, важнейший и часто упоминаемый стандарт описания общей информационной модели объекта, позволяющий обеспечить эффективное информационное взаимодействие между уровнями и приложениями внутри уровня – CIM (Common Information Model) выпущен уже в большом количестве постоянно улучшаемых и дополняемых версий, но до сих пор полностью не соответствует ожиданиям мирового инженерно-технического сообщества. Примеров в мире промышленно эксплуатируемых SCADA/EMS/DMS-систем полностью реализованных на основе рекомендованных стандартов нам пока не известно.
Сегодня мир стал более отрытым. Бурно развиваются информационные технологии. При разработке новых информационных систем российские специалисты используют мировые электротехнические и ИТ стандарты. Нарастающее количество блэкаутов в мире, подталкивает специалистов по управлению энергосистемами к переходу на новые принципы работы. Как и сорок лет назад, электроэнергетика стоит на пороге революционной ситуации в развитии автоматизированных систем диспетчерско-технологического управления (АСДТУ) энергосистемами. Главные лозунги звучат так: быстрее – точнее – надежнее – гибче – полнее - дешевле.
Создались все условия для перехода от технологии диспетчерского управления состоянием энергосистемы по предварительно рассчитанным допустимым областям ведения режима, - к управлению энергосистемой в on-line режиме и даже к работе с упреждением.
Между уровнями иерархии диспетчерско-технологического управления можно выделить три информационных потока, характеризующиеся различными скоростями движения. Первый, наиболее понятный и хорошо отлаженный и применяемый в оперативно-информационных комплексах - поток телемеханических данных или данных реального времени. Информация в нем актуализируется между уровнями с периодичностью порядка секунды. Второй поток данных о технологическом состоянии оборудования, обеспечивающий работу важнейших прикладных комплексов планирования и управлением ходом ремонтов основного оборудования, данные электронных журналов, задач управления энергорынком. Информация поступает для обработки с точностью до минуты. Третий поток – актуализирует физические модели данных в центрах управления. Этого потока сегодня не существует и на этапе его активации и отладки темп изменений данных может составлять дни и месяцы. По мере его отладки скорость изменения данных возрастет до часа и менее.
Рассмотрим более подробно этот поток данных. В новых АСДТУ работа технологических приложений должна вестись на базе полных физических моделей энергосистем. На базе актуальных физических моделей осуществляются преобразования данных и работа всех приложений из состава АСДТУ. Такой подход кардинально повысит качество принятия решений при планировании, мониторинге и корректировке режимов. Качественно – это значит решения по управлению энергосистемой (планы, команды, отчеты) будут приниматься быстрее, с меньшими затратами, более обосновано за счет большего количества просчитанных вариантов и выбора наилучшего, более надежно, благодаря большему объему факторов/данных принимаемых во внимание при расчетах, более своевременно за счет повышения темпов обработки информации. При этом точность расчетов возрастет многократно, так как будут использоваться самые «свежие» телеметрические, топологические, нормативно-справочные данные, плановые исходные данные об энергосистеме.
В современных SCADA/EMS/DMS системах модели данных должны быть намного более полными, «глубокими», структурированными, синхронизированными между собой для разных уровней. Известная истина о том, что нельзя ожидать новых, лучших решений при отсутствии полной информации, актуальна всегда.
Существует точка зрения, что для ускорения технологического развития систем управления энергокомпаниями России следует брать готовые зарубежные SCADA/EMS/DMS-системы и внедрять у нас, как это делается на многих других производствах нашей страны. Чтобы не ошибиться, принимая такие решения, нужно помнить об огромном отличии энергетики России, ее системы управления от других стран, определяемой высокой степенью централизации управления режимами и элементами электроэнергетических систем из единых центров с тремя и даже четырьмя иерархическими уровнями диспетчерско-технологического управления. К таким иерархически организованным энергокомпаниям относятся все, отвечающие за единство и надежность работы энергосистемы страны: Системный оператор ЕЭС РФ, Федеральная сетевая компания ЕНЭС, МРСК - холдинг. Эти организации являются локомотивом и образцом для перенимания опыта другими энергокомпаниями. Не будем останавливаться на вопросе целесообразности такого числа уровней управления для российской энергетики, будем полагать, что для огромной территории по-иному пока невозможно. Заметим, что сравнение западных и российских энергокомпаний по числу и времени устранения крупных системных аварий не дает ощутимых преимуществ той или другой системам организации управления.
Западные сетевые энергокомпании имеют один, максимум два уровня управления. Они «плоские», а не пирамидальные. Поэтому SCADA/EMS/DMS-система локализована на центральном или нескольких вспомогательных центрах. Диспетчерские центры таких компаний имеют огромные залы, с видеостенами, иногда расположенные вкруговую, с большим количеством операторов ориентированных на мониторинг режимов на удаленных территориях. Автоматизированная система также получается «плоской». Все технические средства, информационные базы, диспетчерский и обеспечивающий персонал энергокомпании, также сосредоточены на одном или нескольких объектах управления. В нашей стране в каждой из ранее перечисленных компаний функционируют десятки центров управления на разных уровнях иерархии, своим существованием мотивируя формирование сложнейшей информационной и организационно-технической «паутины».
Внедрение зарубежной SCADA/EMS/DMS системы в отдельно взятом диспетчерском центре в любой иерархически организованной российской энергокомпании - попросту невозможно. Даже пилотный проект, когда на каком-то диспетчерском центре концентрируются материальные, финансовые, интеллектуальные ресурсы всей компании, после разрезания ленточки ждет трудная судьба, что мы сегодня и можем наблюдать. Это похоже на то, как если бы кому то пришла идея, на своей территории перейти на работу с частотой 60 герц, а все окружающие энергосистемы остались бы на 50-ти. В иерархически управляемой системе центры управления связаны большим количеством бизнес-связей с вышестоящими, нижестоящими, соседними и центрами управления предприятий смежников. Для решения совместных задач управления Компании в более высоком темпе, с большей достоверностью, необходимо создание единого информационного пространства технологических данных по горизонтали и вертикали, в котором бы в том же темпе циркулировала информация. Информационная сеть должна максимально адекватно отражать функционирование иерархии технологических процессов. Для многоуровневых иерархических систем, когда на разных уровнях функционируют десятки подведомственных диспетчерских центров, задача актуализации баз данных для каждого центра превращается в гигантскую проблему. Решать эту задачу приходиться вручную, что представляется крайне трудозатратным процессом, несущим неизбежные многочисленные ошибки. Подсистема EMS в таких условиях будет неизбежно остановлена из-за некорректных результатов работы.
Информационные потоки должны управляться единым механизмом межуровневого информационного взаимодействия и преобразования данных в базах, неким информационным лифтом и преобразователем данных. Механизм подъема информации или информационного лифтинга, действует для всех филиалов компании, и автоматически переносит данные между базами на смежных уровнях при возникновении изменений в любой из них и осуществляет их преобразование в целый спектр моделей объекта управления, необходимых для работы пользовательских приложений.
Информационные модели на каждом уровне иерархии разделяются на:
- физические, охватывающие в зоне ответственности Центра управления реальные элементы энергосистемы и топологию их соединений;
- основные (исходные), преобразованные из физических моделей;
- частные (специальные) – эквивалентные модели по «требованиям» приложений.
Все модели строятся в стандарте CIM. Поддержка иерархии моделей Компании осуществляется через информационный лифт между физическими моделями. Ответственными за подготовку и сопровождение физических моделей являются все иерархически расположенные филиалы в границах своей зоны управления. За содержание общей физической модели ответственным является центральный офис Компании.
Наиболее сложное представление имеют основные модели. Элементы основных моделей через схемы замещения соответствуют элементам физических моделей. Однако, если принять понятие эквивалентирование, как упрощение модели, то в данном случае, правильнее применить слово «преобразование».
Процессы преобразования между представлением данных в физических, в основных и частных моделях выполняются по различным алгоритмам в зависимости от исходных условий, зависящих от цели преобразования. Настройка этих процессов является технически сложной работой, но может производиться специалистами-технологами постепенно по мере подключении и освоения новых приложений. Однако по завершению всех настроек все процессы преобразований будут выполняться автоматически. Выполнение сложнейших процессов преобразования моделей в автоматическом режиме кажутся практически невероятными. Но такая цель ставиться и она достижима, как взлет, полет и посадка самолета без участия пилота. Точно также будут осуществляться процессы преобразования моделей, когда процедуры будут отлажены. Без участия человека, но с возможностью его вмешательства.
Итак, информационный лифт для актуализации данных в физических моделях создан. Главная задача механизма информационного лифта-конвертора в иерархических системах управления – обеспечить автоматическое распространение изменений, сделанных в одном из диспетчерских центров (изменение параметров оборудования, ввод данных о новом объекте, новых топологических связях и т.п.), в иерархии моделей всех видов на всех уровнях, всех диспетчерских центров Компании, для которых эти изменения существенны. Четкое функционирование информационного взаимодействия объектов управления в иерархических системах, для осуществления транспортировки и преобразования данных, обеспечивается процедурами инициации, синхронизации, локализации, в том числе и эквивалентирования, акцептования. Отметим важнейшие для обеспечения корректности данных. Верификация (исключение ошибок) при вводе данных в узле первоисточника. Один из важнейших вопросов – валидация (проверка данных и придание им законной силы) после их преобразования из физической модели в основные и частные. Реально, такая проверка будет осуществляться путем автоматически запускаемых тестовых расчетов на базе моделей подвергнувшихся корректировки. Для электроэнергетики это on-line расчеты с использованием цепочек базовых приложений. Минимальный состав включает работу: топологического процессора, оценки состояния, расчета потокораспределения. От каждого приложения технологу - валидатору могут поступить сигналы о не корректности произведенных преобразований в моделях.
Преобразование моделей содержит в себе различные формы работы с данными. Наиболее известные эквивалентирование (упрощение) моделей смежных энергосистем, эквивалентирование внутренней структуры модели.
Основные модели создаются на каждом Центре управления, как исчерпывающие по полноте базы для всех приложений EMS/DMS. Частные модели создаются на базе основной модели и имеют формат и содержимое, обеспечивающие данными конкретные приложения.
Напомним, что между диспетчерскими центрами осуществляется движение, как минимум, трех информационных лифтов, движущихся с разными скоростями и переносящих информацию между разными базами данных: базами данных реального времени, базами данных технологического состояния оборудования, базами данных физических моделей объектов управления. Информационный лифт данных физических моделей является сложным в реализации, но важнейшим связующим механизмом в реализации АСТУ в иерархически организованных компаниях.
Если соблюдать логическую последовательность действий, то только после завершения создания системы межуровневых информационных лифтов и преобразователей данных, обеспечивающих перенос информации между базами, можно подключать прикладные программы, по согласованным, открытым интерфейсам. Реально работы по проектированию и разработке информационной и прикладной подсистем выполняются одновременно.