Материал: Современные информационные технологии в управлении системами электроснабжения

Современные информационные технологии в управлении системами электроснабжения

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Российский государственный профессионально-педагогический университет"

Институт электроэнергетики и информатики

Кафедра электрооборудования и автоматизации промышленных предприятий

РЕФЕРАТИВНАЯ РАБОТА

по дисциплине "Введение в профессионально-педагогическую специальность"

на тему "Современные информационные технологии в управлении системами электроснабжения"

Выполнил

студент группы ЗЭП-103С А.П. Устинов

Проверил Н.В. Машенина

Екатеринбург 2014

Содержание

Введение

История развития электросетей

Возможности модернизации

Происхождение термина "умная сеть"

Ранние технологические инновации

Технология сетей "SmartGrid" и интеллектуальные приборы

Заключение

Литература

Введение

Развитие инновационных технологий, научно-технический прогресс, производство и вообще жизнь современного человека невозможно представить без электрической энергии. В то же время, сама энергетическая отрасль, появившаяся более ста лет назад и явившаяся тогда локомотивом развития производства, техники, технологий, в настоящее время оказалась менее других отраслей оснащена современными инфокоммуникационными средствами и системами автоматизации. В связи с этим, в мире развиваются новые базовые подходы к построению информационных систем энергетических сетей.

Так, в последние несколько лет на западе и в России активно прорабатываются концептуальные основы, архитектура, стандарты и принципы построения "интеллектуальных энергетических сетей и систем", известные в мире под названием "SmartGrid", или, как их иногда называют у нас в стране - "активно-адаптивные сети" энергетики. По данным аналитиков, в ближайшие 40 лет потребление электроэнергии в мире должно увеличиться в 3 раза.

Одновременно назрела необходимость оптимизации энергопотребления, при этом нужно менять и менталитет пользователей по отношению к потреблению энергоресурсов, в частности, дать им возможность управлять своим энергопотреблением, организовать онлайн-доступ к информации по потреблению (по аналогии с сотовой связью, банковскими услугами) и т.п.

электроснабжение энергопотребление умная сеть

История развития электросетей

Первая Электросеть переменного тока была установлена в 1886. В то время, сеть была централизована и являлась однонаправленной системой передачи и распределения электроэнергии. Спрос управлял предложением.

В 20 веке локальные сети росли в течении времени и в конечном итоге были подключены друг к другу по экономическим соображениям и для повышения надежности всей системы. К 1960-м электрические сети в развитых странах значительно разрослись, созрели и были тесно взаимосвязаны тысячами "центральных" электростанций подающих мощности в крупные центры потребления через линии большой мощности, которые затем разветвлялись и разделялись для обеспечения питания небольших промышленных, а также бытовых потребителей по всей площади питания. Топология сети 1960-х годов стала результатом сильных экономик: большие станции работающие на угле, газе, а также мазутных электростанций размером от 1 ГВт (1000 МВт) до 3 ГВт оказались экономически эффективными за счёт оптимизаций, выгодных для производства электричества исключительно в гигантских масштабах.

Стратегически электростанции были расположены поблизости к запасам ископаемого топлива (шахт или колодцев либо близко к железной дороге, дороги или портов). Выбор площадок для гидроэлектрических плотин в горных районах также сильно повлиял на структуру формирующейся сети. Атомные электростанции были размещены в зависимости от наличия охлаждающей воды. Наконец станции работающие на ископаемом топливе были первоначально весьма экологически грязными и расположены как можно дальше от населенных пунктов, насколько это позволяла экономическая и техническая ситуация. К концу 1960-х годов, электросети достигли подавляющего большинства потребителей развитых стран и только некоторые отдалённые региональные области остались 'вне сети'.

Учет потребления электроэнергии происходит отдельно на каждого пользователя, для того чтобы оплата соответствовала (сильно варьирующему) уровню потребления различных пользователей. Из-за ограниченной возможности сбора и обработки данных в период роста электросети, широко распространились фиксированные тарифы, а также механизмы двойного тарифа, когда в ночное время цена за электричество намного ниже дневного. Причиной для двойного тарифа являлся пониженный спрос на электричество в ночное время. Двойной тариф делал возможным использование недорогой ночной электроэнергии для обеспечения 'тепловых баков', которые служили для сглаживания повседневного спроса, а также уменьшение количества турбин, которые иначе должны были бы быть отключены на ночь. Тем самым повышалась рентабельность производства и передачи электроэнергии. Возможности передачи сигналов реальной стоимости электричества на каждый конкретный момент у сети образца 1960 года были ограниченными.

В период от 1970-х до 1990-х годов, рост спроса привел к увеличению числа электростанций. В некоторых районах поставки электроэнергии, особенно в часы пик, больше не могли идти в ногу с требованием, что приводило к снижению качества электроэнергии, включая аварии, отключение электроэнергии и колебания напряжения. Все в большей мере от снабжения электроэнергией зависели промышленность, отопление, связь, освещение, поэтому потребители требовали все более высокий уровень надежности.

К концу XX века были разработаны модели спроса на электроэнергию. Отопление и охлаждение домов привело к ежедневным пикам спроса, которые сглаживались массивными "пиковыми генераторами", которые каждый день включались лишь на короткое время. Такие "пиковые генераторы" (обычно газотурбинные) использовались из-за их относительной дешевизны и быстрого запуска. Однако, так как использовались они только время от времени и являлись избыточными всё остальное время, цены на электричество для потребителя значительно повысились.

В XXI веке некоторые развивающиеся страны, - такие, как Китай, Индия и Бразилия, - оказались пионерами внедрения умных сетей электроснабжения.

Возможности модернизации

С начала XXI века, появились возможности воспользоваться новшествами в области электронных технологий для устранения недостатков и стоимости электрической сети. Например: технологические ограничения на потребление около пиковой мощности отражается на всех потребителям в равной степени. Параллельно растущая озабоченность по поводу экологического ущерба ископаемого топлива электростанций привела к желанию использовать большее количество возобновляемых источников энергии. Такие источники как Ветроэнергетика и Солнечная энергетика, крайне непостоянны, и поэтому возникает потребность в более сложных системах управления, для облегчения их подключения источников к в высокой степени управляемой сети. Мощность от солнечных батарей (и в меньшей степени ветрогенераторов) ставит под сомнение необходимость крупных, централизованных электростанций. Быстрое снижение расходов указывают на переход от централизованной топологии сети на сильно распределенную, когда производство и расход электроэнергии происходит в пределах локальной сети. Наконец, растущая озабоченность по поводу терроризма в некоторых странах привело к призывам создания более надежной энергетической системы, которая менее зависима от централизованных электростанций - потенциальных целей атаки.

Происхождение термина "умная сеть"

Термин "умная сеть" (Smart grid) стал известен с 2003 года, когда он появился в статье "Спрос надёжности будет управлять инвестициями " Майкл Т. Burr. В этой работе перечислено несколько функциональных и технологических определений умной сети, а также некоторых преимуществ. Общим элементом для большинства определений является применение цифровой обработки данных и связи к электрической сети, что делает поток данных и управления информацией ключевыми технологиями умных сетей. Различные возможности широкой интеграции цифровых технологий, а также интеграция новой сети информационных потоков для контроля над процессами и системами являются ключевыми технологиями при разработке умных сетей. На данный момент электроэнергетика преобразуется в трёх классах: улучшение инфраструктуры ("сильная сеть в Китае); добавление цифрового слоя, который является сущностью умной сети и преобразование бизнес-процессов, делающих умные сети рентабельными. Большая часть работ вкладывается в модернизацию электрических сетей, особенно это касается распределения и автоматизации подстанций, которые теперь будут включены в общую концепцию умных сетей, однако также развиваются и другие дополнительные возможности.

Ранние технологические инновации

Основные технологии умных сетей появились из-за ранней попытки использования электронного управления, измерения и мониторинга. В 1980 году автоматическое считывание показаний счетчиков было использовано для мониторинга потребления энергии крупных клиентов, и превратилась в Интеллектуальный счётчик 1990-х годов, который сохраняет информацию о том, как электроэнергия использовалась в разное время дня. Интеллектуальный счётчик находится в непрерывной связи с производителем энергии, то есть мониторинг происходит в режиме реального времени, и может быть использован в качестве интерфейса для устройств быстрого реагирования на спрос и "умные розетки". Ранние формы управления спросом были устройствами, которые пассивно определяли нагрузку на энергосистему, контролируя изменения частоты источника питания. Такие устройства, как промышленные и бытовые кондиционеры, холодильники и обогреватели могли корректировать свой рабочий цикл, чтобы избежать запуска во время пиковой нагрузки сети. Начиная с 2000 года итальянский проект Telegestore первым использовал большую сеть (27000000) домов с использованием смарт-счётчиков соединённых через цифровую сеть, используя саму линию электропередачи. В одних случаях были использованы технологии широкополосного доступа по линии электропередачи, в других - беспроводные технологии, такие как Ячеистая топология для более надежного подключения к различным устройствам в доме, а также поддержку учета других коммунальных услуг таких как газ и вода.

Революция мониторинга и синхронизации глобальных сетей произошла в начале 1990-х, когда американское агентство Bonneville Power Administration расширило исследования умных сетей датчиками, способными проводить очень быстрый анализ аномалий качества электроэнергии в очень больших географических масштабах. Кульминацией этой работы стала первая система измерений на широких площадях (WAMS) в 2000 году. Многие страны мгновенно переняли эту технологию, например Китай.

Технология сетей "SmartGrid" и интеллектуальные приборы

Разрабатываемая и внедряемая концепция "SmartGrid" сетей энергетики подразумевает развитие, дооснащение и интеграцию базовой инфраструктуры и оборудования энергетических сетей различного уровня, включающих генерацию / транспорт / распределение / потребление электроэнергии на базе ИТ-инфраструктуры, современных информационно-коммуникационных технологий, связи, внедрения систем современной автоматизации управления. Одновременно в "SmartGrid" интегрируются источники распределенной децентрализованной генерации, системы хранения электроэнергии, распределенные системы автоматики, контроля и мониторинга, разрабатываются и внедряются автоматизированные системы управления подстанциями, системы управления распределением и потреблением электроэнергии, современные приборы учета потребления, электромобильный транспорт.

С внедрением архитектуры построения таких сетей энергетики появляется целый ряд существенных инновационных преимуществ. В частности:

Ø  Постоянный контроль элементов сети - от работы объектов генерации до информирования клиентов и управления потреблением электроэнергии индивидуальными персональными устройствами

Ø  Широкое использование и интеграция распределенных генерирующих мощностей, в том числе возобновляемых

Ø  Максимальное использование существующего технологического оборудования энергосистем

Ø  Самодиагностика и самовосстановление сетей электроснабжения

Ø  Защищенность и противостояние внешним подключениям в сеть

Ø  Расширенный контроль и управление приложениями и оборудованием со стороны потребителей для уменьшения пиковых нагрузок, оптимизация потребления энергоресурсов и энергоэффективность, выбор оптимальных тарифных планов, создание онлайн-сервисов между пользователем и энергосбытовой компанией

Ø  Стандартизация параметров энергии, интерфейсов, протоколов взаимодействия

Внедрение глобальных технологий и решений "SmartGrid" на определенных этапах должно обеспечить существенное повышение качества электроэнергии, необходимое для современного общества, повысить надежность, устойчивость и гибкость работы энергетических сетей, обеспечить принцип соответствия мощности нагрузок генерируемой мощности.

Учитывая объемы высокоуровневых задач интеллектуальной энергетики, что, соответственно, потребует серьезнейших инвестиций в энергетику, внедрение технологий "SmartGrid" будет происходить не одномоментно, а в течение достаточно продолжительного времени, это могут быть годы или даже десятилетия.

Одним из базовых компонентов "SmartGrid" становятся "интеллектуальные электронные приборы" (IED) и оборудование, например, программируемые устройства контроля качества электроснабжения, построенные на базе высокопроизводительных микропроцессоров, имеющие достаточную память, поддержку современных сетевых интерфейсов и протоколов (BACnet, Modbus, LON, Ethernet). Самые "продвинутые" приборы имеют встроенные веб-серверы, цветные touch-дисплеи, функции свободно-программируемого логического контроллера с различными типами входов и выходов и поддерживают работу в различных сетях без необходимости использования дополнительного оборудования и программного обеспечения.

Рис. 1 Центр мониторинга и управления параметрами электроснабжения объекта.

Начальным этапом развития "SmartGrid" является внедрение современных приборов мониторинга и управления, создание автоматической инфраструктуры измерительных сетей на уровне потребителей - квартиры, помещений, здания и комплексов зданий. Одновременно с этим может быть решена задача автоматического или автоматизированного управления нагрузками. Причем решается задача распределенного технического мониторинга и управления энергоснабжением объекта (здания) как целиком, так и по отдельным зонам.

Наличие многофункциональной системы "Центр мониторинга и управления параметрами электроснабжения и нагрузками" позволяет:

а) Вести в реальном масштабе времени полный анализ потребления электроэнергии (при необходимости и других видов энергоресурсов), как по отдельным зонам объекта с целью оценки энергоэффективности каждого участка, технологической подсистемы, так и объекта целиком;

б) Управлять электропотреблением объекта в целом в рамках предоставленных квот (или договоров) на электроснабжение за счет автоматизированной системы управления приоритетами нагрузок, что приводит к отсутствию издержек, связанных с уплатой штрафных санкций (при соответствующих договорных отношениях) за сверхнормативное (пиковое) электропотребление, и повышает общую надежность и эффективность энергоснабжения;

в) Фиксировать в реальном времени десятки параметров качества электроснабжения по каждому измеряемому каналу, в частности, наличие реактивной составляющей электрической мощности, гармоник и т.п. Анализ электрических параметров на различных участках объекта поможет выявить места, где есть необходимость установки дополнительного оборудования, корректирующего качество электроснабжения (в частности, компенсаторов реактивной мощности с автоматической подстройкой и выбором параметров), и позволяющих снизить общее электропотребление участка объекта, увеличить КПД оборудования и повысить общую надежность работы систем;

г) Мгновенно регистрировать аварийные ситуации в энергосистеме объекта, либо предупреждать оператора и дежурного энергетика о приближении параметров электроснабжения на объекте к критическим значениям, что позволит избежать аварийной ситуации, заранее принять адекватные меры и обеспечить полный непрерывный мониторинг системы электроснабжения.

В комплект такого решения обычно включены и специализированные блоки программного обеспечения:

Ø  Среда программирования, конфигурирования и создания человеко-машинного интерфейса для работы с системами;

Ø  Система мониторинга и управления пиковыми нагрузками;

Ø  Система мониторинга качества электроснабжения объекта;

Ø  Система управления базами данных (для средних, крупных и распределенных объектов).

Наличие широкого спектра интерфейсов и протоколов связи позволяет производить обмен данными Центра мониторинга энергоснабжения объекта с другими программными (программно-аппаратными) комплексами объекта. Имеющиеся коммуникационные возможности Центра (такие, как e-mail, sms, удаленный веб-доступ) позволяют практически мгновенно информировать нужный круг специалистов и руководство объекта, вне зависимости от их местонахождения, о статусе работы и обо всех значимых событиях (имеется возможность настройки перечней событий индивидуально), происходящих в энергетической системе объекта.