Разумная энергия
Автор: Сазонов Илья Геннадьевич, начальник отдела проектирования автоматизированных систем ЗАО «Монитор Электрик».
Опубликовано: Автоматизация и IT в энергетике.- № 7 (36).- 2012. - C. 30-37.
Современная энергетика становится интеллектуальной, умные сети способны перевернуть наши представления о передаче электроэнергии, а общая информационная модель – изменить технологию управления. Электрические сети смогут обеспечить передачу избыточной энергии зеленого и умного дома в нужном направлении, а информационные продукты Монитор Электрик позволят управлять энергосистемами нового поколения гибко и эффективно.
Сегодня, когда каждый понимает, что запасы традиционных энергоресурсов ограничены, вопросы сбережения и использования альтернативных источников энергии особенно актуальны.
Какова доля зданий, в которых мы живем, учимся, работаем, проводим свободное время, в общем объеме потребления ископаемых энергоносителей? Оказывается, наши дома занимают 1-е место по потреблению энергии, обгоняя транспорт и промышленность! Опыт "первопроходцев" показал, что используя передовые строительные технологии, внедряя автоматизированные системы управления микроклиматом и развивая малую альтернативную энергетику, мы можем не только повысить энергоэффективность зданий в два-три раза, но и добиться полного самообеспечения энергией и даже ее генерации с избытком. "Умные дома" вскоре будут не только комфортны и безопасны, но и энергоэффективны.
Переход к альтернативной энергетике диктует новые требования к электрическим сетям. Существующие распределительные электрические сети проектировались на одностороннюю передачу энергии. Сегодня потребитель получил возможность самостоятельно производить электроэнергию. Многие уже используют в своих частных хозяйствах солнечные батареи, тепловые насосы, ветрогенераторы. Это значит, что энергия должна идти не только к потребителям, но и в обратном направлении. Решить эту задачу, а также обеспечить регулирование спроса, повышение эффективности энергопотребления и надежности электроснабжения призваны "умные сети".
В будущем технологии "умных домов" (smart house) и "умных сетей" (smart grid) дополнят друг друга, образовав общее пространство разумной энергии (intelligent energy) – это изменит Мир!
Современное здание
Зеленое или умное?
Большинство жителей даже небольших городов проводит в закрытых помещениях значительную часть своей жизни. С одной стороны, наши дома дают нам необходимый уровень комфорта и защиты от внешней среды, а с другой, они становятся пожирателями ценных невозобновляемых ресурсов. Тепло, электроэнергия, вода зачастую расходуются неэффективно, что, в конечном счете, негативно сказывается как на уровне комфорта и безопасности, так и на бюджете потребителя.
Исправить сложившуюся ситуацию может "зеленое строительство". Это не новинка – первые экологические подходы к строительству зданий и сооружений были опробованы в 70-х годах прошлого века. В 1990 г. в Великобритании введен стандарт BREEAM (British Building Research Establishment Environmental Assessment Method), в 1998 г. введена в действие Американская система сертификации зеленых зданий LEED (The Leadership in Energy & Environmental Design). Сегодня 21 страна имеет свои уникальные оценочные системы, которые контролируются национальными cоветами по зеленому строительству. Эти системы отличаются друг от друга в силу культурных и климатических отличий. В 1999 г. для продвижения зеленого строительства во всем мире был учрежден зонтичный бренд WGBC (World Green Building Council). В России совет по экологическому строительству был сформирован в 2009 г. Он был зарегистрирован под брендом RuGBC (Russian Green Building Council) и является официальным членом WGBC.
Зеленое строительство – это парадигма, эволюция которой напрямую зависит от достижений науки и технологии, от активности промышленных инженеров и осознания обществом принципов экологической ответственности. Зеленое здание – это энергоэффективный объект, построенный на принципах активного и пассивного сбережения энергии. Оно обладает развитой инженерной инфраструктурой, направленной на создание максимально комфортного микроклимата при минимально возможном потреблении внешних ресурсов. Это достигается за счет комплексной и индивидуальной автоматизации, использования энергии от возобновляемых источников, которая вырабатывается технологическими установками, встроенными в само здание.
Пассивное сбережение энергии достигается за счет использования специальных архитектурных решений (выбор ориентации по сторонам света, учет и использование воздушных потоков и т.д.) и применения современных строительных технологий и материалов. Для активного сбережения энергии применяют автоматизированные системы управления инфраструктурой здания, которые создают и поддерживают необходимый микроклимат с учетом различных факторов: присутствие человека, индивидуальные потребности, требования к качеству воздуха и др.
Можно ли назвать зеленое здание "умным домом"? И да, и нет. Технологии умного дома направлены на создание механизмов эффективного взаимодействия человека с жилым пространством, позволяющих обеспечить желаемые условия автоматически или по команде пользователя. Системы автоматизации в соответствии с внешними и внутренними условиями должны задавать режимы работы всех инженерных систем и электроприборов.
Умные дома – это hi-tech технологии, позволяющие строить домашнюю автоматизацию из отдельных компонентов, выбирать только те функции, которые действительно нужны. Модульная структура позволяет создавать системы невысокой стоимости. Другой важной особенностью умного дома является интеграция в единый комплекс систем безопасности (пожарно-охранной сигнализации, видеонаблюдения, контроля доступа, оповещения, дистанционного открытия ворот и шлагбаумов) и создание централизованных пунктов удаленного контроля и управления системами, включая возможность доступа к ним по сети Internet.
Умный дом – это вершина айсберга, делающая наш дом по-настоящему интерактивным. А зеленое строительство – это прочный фундамент, основа для энергосбережения и энергоэффективности, бережного отношения к окружающей среде. Очевидно, что представленные технологии не стоит рассматривать отдельно друг от друга. Только их совместное использование существенно повышает привлекательность конечной цели.
Стоимость энергоэффективности
Под энергоэффективностью здания понимают степень рациональности использования энергетических ресурсов для достижения оптимального микроклимата. Заданные показатели энергоэффективности могут быть достигнуты различными способами. Так, например, реконструкция термоизоляции здания, модернизация систем отопления, кондиционирования воздуха и освещения, позволяет экономить до 60 % энергии. Однако у таких инвестиций есть недостаток – период окупаемости. Он составляет от 10 до 50 лет. Другой способ относительно быстрого сокращения энергопотребления ̶ это внедрение системы автоматизации здания. В результате, экономия энергии может достигать 30 %, а период окупаемости – от нескольких месяцев до 10 лет.
Влияние автоматизации на энергоэффективность здания оценивается в соответствии с европейским стандартом EN 15232, который предоставляет универсальный метод расчета экономической целесообразности автоматизации здания. Стандарт классифицирует здания (рис.1), разделяя их на эксплуатационные профили: жилые, учебные, офисы, больницы, гостиницы, рестораны, торговые центры, производственные помещения. Это позволяет учитывать суточные графики нагрузки при принятии решения об объеме и "месте" автоматизации. После проверки на соответствие уровня автоматизации стандарту EN 15232 зданию присваивается класс энергоэффективности от A до D. Наивысшим является класс A, а здания, не прошедшие экспертизу на соответствие классу С, не могут считаться зелеными. Стоимость инвестиций в абсолютных цифрах оценивается на основе статистики реализованных проектов. В зависимости от региона она составляет от 50 до 150 долл. за 1 кв. метр, или 3-7 % от стоимости строительства.
Опыт автоматизации зданий
Система мониторинга инженерных систем здания ОДУ Юга
Начиная с 2009 г. ЗАО "Монитор Электрик" развивает компетенции в сфере реализации проектов автоматизации зданий и сооружений. Одним из них стал проект по созданию Системы мониторинга инженерных систем (СМИС) здания Филиала ОАО "СО ЕЭС" ОДУ Юга, расположенного в г. Пятигорск.
Объединенное диспетчерское управление энергосистемами Юга – это структурное подразделение Системного оператора Единой энергетической системы Российской Федерации, которое управляет режимом объединенной энергосистемы на территории 13 субъектов РФ совместно с шестью региональными диспетчерскими центрами. Двенадцатиэтажное административное здание ОДУ Юга с прилегающей территорией является сложным архитектурно-техническим комплексом с развитой электрической, инженерно-технической и телекоммуникационной инфраструктурой, обеспечивающей бесперебойную деятельность персонала ОДУ. Работы по созданию СМИС были разделены естественным образом на два этапа: 1) разработка проектно-сметной и рабочей документации; 2) реализация технических решений и ввод системы в эксплуатацию. Проектные документы были разработаны в соответствии с ГОСТом 34.201 "Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Виды, комплектность и обозначение документов при создании автоматизированных систем". До начала проекта в здании функционировало девять разрозненных инфраструктурных инженерных систем, частично управляемых локальными контроллерами SIMATIC S7-200 и S7-300 фирмы Siemens. В соответствии с техническим заданием количество контроллеров SIMATIC было увеличено до 18, добавлены связи с существующим контроллером ОВЕН ТРМ32 системы теплоснабжения и контроллером WAGO 750-841 системы безопасности, а также было организовано взаимодействие с тепловычислителями ТЕПЛОКОМ ВКТ-7.
СМИС объединила следующие инженерные системы: электроснабжения, гарантированного и бесперебойного электроснабжения, водоснабжения, горячего водоснабжения, холодоснабжения, отопления, теплоснабжения, кондиционирования, вентиляции и дымоудаления. В качестве SCADA-системы был выбран оперативно-информационный комплекс СК-2007, разработанный ЗАО "Монитор Электрик". Связь SCADA и контроллеров SIMATIC была организована с помощью программного шлюза на базе технологии OPC (OLE for Process Control). В качестве OPC сервера был использован программный продукт KEPServerEX компании KepWare. Обмен телеинформацией с контроллером ОВЕН был организован по протоколу ModВus TCP/RTU. Взаимодействие с ВКТ-7 обеспечено с помощью специализированных OPC серверов от ТЕПЛОКОМ. Дополнительными источниками информации выступили ИБП общего пользования Symmetra PX 160 кВт и Symmetra PX 80 кВт фирмы APC (получение данных по протоколу SNMP) и серверы оперативно-информационного комплекса диспетчерского уровня ОДУ Юга (получение данных по протоколу IEC 60870-5-104).
Проект определил объемы собираемой информации, правила и ее визуализации в виде мнемосхем, графиков и аварийных сообщений, перечень оперативных звуковых и sms оповещений. Всего было разработано 13 мнемосхем технологических процессов, 25 схем отображения графиков загрузки оборудования и учета потребления энергоресурсов, описано более 100 аварийно-предупредительных сообщений. Информационная модель определена иерархической структурой из 493 технологических объектов, 40 источников информации, 47 специализированных наборов обмена данными, 461 телеизмерения, 1553 телесигналов и 38 команд телеуправления. Аналитическая часть проекта представлена 400 логическими расчетами. Вся собранная и рассчитанная информация хранится в долгосрочном архиве системы в течение одного года. При необходимости администратор может увеличить период долгосрочного хранения и настроить правила прореживания избыточной информации. В соответствии с требованиями регламентов заказчика об обеспечении заданной отказоустойчивости СК-2007 был внедрен в виде программно-аппаратного кластера, в котором основной и резервный сервер имеют полностью идентичную информационную модель и архивы данных. Серверы автоматически синхронизируются в режиме, приближенном к реальному времени. В случае отказа основного сервера, резервный автоматически переключает потоки данных на себя с минимальной потерей наблюдаемости системы (не более 20 секунд). Кроме этого, алгоритмы верификации данных и контроля источников информации в постоянном режиме отслеживают качество данных. В случае подозрения на некачественную телеметрию, они информируют оператора специальным предупредительным сообщением. В соответствии с проектом организованы основное и резервное автоматизированные рабочие места (АРМ) оператора инженерных систем (рис.2).
Клиентское программное обеспечение СК-2007 установлено на рабочих местах других специалистов ОДУ Юга, ответственных за эксплуатацию инженерных систем здания. Оператору СМИС предоставлены средства удаленного управления режимом работы технологических установок.
СК-2007 обеспечивает полноценную подсистему санкционирования доступа. Права предоставляются отдельно для функций просмотра информации, управления оборудованием и конфигурирования СМИС. В настоящее время заказчиком инициирован новый проект по созданию аналогичной системы для полнофункционального резервного диспетчерского центра ОДУ Юга (ПФРДЦ). В соответствии с требованиями заказчика системы образуют единое информационное пространство для операторов инженерных систем с возможностью дублирования функций управления. Система лицензирования СК-2007 способствует этому. Она не накладывает ограничений на объем обрабатываемых данных, что дает дополнительные выгоды для заказчика при необходимости масштабирования или поэтапного развития системы.
АСДУ инженерными системами здания РОСНАНО
В 2010 г. ЗАО "Монитор Электрик" выполнило работу по разработке проектной документации на создание Автоматизированной системы диспетчерского управления инженерными системами административного здания РОСНАНО, расположенного в г. Москва. Цель проекта была определена как создание Системы наблюдения и управления разнородными инженерными системами и проведение модернизации существующих систем автоматизации в соответствии с требованиями нового владельца здания. В процессе работы над проектом были найдены решения для управления следующими основными инженерными системами: электроснабжения, гарантированного и бесперебойного электроснабжения, отопления, водоснабжения и канализации, горячего водоснабжения, кондиционирования и вентиляции, теплоснабжения, холодоснабжения, дымоудаления. В общий контур контроля и управления были включены следующие смежные автоматизированные системы: пожарной сигнализации, оповещения о пожаре, электрочасофикации, АСДУ центра обработки данных, пожаротушения, Building Management System (система управления зданием).
Решения по управлению инфраструктурными системами здания были разработаны на базе программируемых логических контроллеров DESIGO PX фирмы Siemens. Сетевое взаимодействие спроектировано на основе стандартов BACnet/LON. Для доступа к существующему оборудованию, которое не поддерживает технологии BACnet/LON (например, для мониторинга коммутационных аппаратов ГРЩ здания и технологического учета электроэнергии), были разработаны решения с применением коммутаторов и конверторов протоколов фирмы MOXA. В качестве SCADA был выбран оперативно-информационный комплекс СК-2007 разработки ЗАО "Монитор Электрик". Всего при проектировании было проанализировано более 30 существующих инженерных систем и для каждой из них были найдены решения по интеграции данных в общее информационное пространство.
Энергетические инновации
Наш дом
Инжиниринговые компании и разработчики программного обеспечения всегда работают на стыке науки и искусства. Сколь-нибудь заметный успех невозможен без творческого подхода. Слова "инновационность" и "креативность" давно вошли в нашу языковую культуру и уже не режут слух, но слово "творчество" лучше. Оно передаёт смысл: была только идея или потребность, вы вложили душу, труд, знания, опыт и получили результат, нужный людям!
С момента основания ЗАО "Монитор Электрик" в марте 2003 г. мы арендовали помещения в здании ОДУ Юга. Дружественный коллектив профессионалов, развитая инфраструктура и соседство с одним из объектов внедрения программного обеспечения нашей разработки сыграли значительную роль в становлении и развитии нашей компании. Уже в 2004 году пришло осознание того факта, что реализация амбициозных планов невозможна без значительного увеличения численности сотрудников компании. И хотя проблема ещё только появилась на горизонте, начались поиски приемлемого решения. Вариант с арендой, который подходит большинству компаний, для центрального офиса практически сразу отпал. Современные технологии разработки программного обеспечения, а именно такие использует наша компания, невозможны без развитой инфраструктуры. Было принято решение о строительстве собственного здания. Новоселье состоялось в октябре 2009 г.
Здание выделяется оригинальной архитектурой. Разрабатывая дизайн-проект мы размышляли следующим образом. Самый масштабный творец – природа. Лист дерева и дождевая капля, облако и крыло бабочки – все имеет плавные, округлые очертания. Но символ тупика – угол, отсутствия свободы – прямоугольная клетка. Мы говорим: "Обострение отношений", - и видим острый угол... Поэтому наше здание круглое. (рис.3)
Кроме дизайна, особое внимание уделялось бережному отношению к окружающей среде, сохранению растущего вокруг леса. Конструкция и инженерное обеспечение выполнены с учётом необходимости максимально экономного расходования энергии. Специальное покрытие витражных окон, энергосберегающее освещение, автоматическое поддержание температуры, оборудование для котельной с высоким КПД, централизованное охлаждение и вентиляция – вот далеко не полный перечень использованных энергосберегающих технологий.
Помня о классах энергоэффективности, мы планируем продолжать работы и делать наше здание еще более зеленым и умным. Однако не будем скрывать, на сегодняшний день технологии "умных домов" (smart house) нам любопытны, но рассматривать их как бизнес-проект считаем преждевременным. Свою миссию в части развития энергосбережения и энергоэффективности мы видим в разработке и продвижении программных продуктов для формирования пространства разумной энергии (intelligent energy).
Пространство разумной энергии
Представим себе ситуацию, когда при благоприятных климатических условиях зеленое и умное здание, использующее самостоятельно генерируемую энергию, не только обеспечивает свои потребности, но и производит избыток энергии. Например, это может происходить в летнее светлое время суток – вы на работе, дети в школе, автоматика работает по потребности, переводит систему обеспечения микроклимата в спящий режим, а у солнечных батарей на крыше дома как раз пик выработки электроэнергии. Что делать с избытком? Накапливать – дорого. Значит, отдавать соседям. Здесь, как минимум, вам придется установить измерительный прибор с возможностью учета передаваемой электроэнергии в двух направлениях, а инфраструктура передающих электросетей должна быть готова к такому поведению "потребителей" в сети. Но эти процессы выработки и передачи электроэнергии не могут происходить бесконтрольно, и системы оперативно-диспетчерского управления должны соответствовать требованиям времени и пройти свой естественный путь развития.
Сегодня технологии создания и использования информационных систем центров управления в электроэнергетике стоят на пороге революции. Мировое энергетическое сообщество ставит перед собой амбициозные цели упорядочивания и унификации технологий, применяемых в SCADA/EMS/DMS/MMS-системах различных производителей. Важнейшим результатом работы инженеров и экспертов МЭК, производителей и потребителей в этом направлении стал пакет стандартов CIM (Common Information Model – общая информационная модель), оформленный в документах IEC 61970 и IEC 61968. Однако в силу значительной трудоемкости реализации и внедрения платформы CIM, удовлетворяющей всем требованиям аналитических приложений для управления электрическими сетями и системами и невозможности одномоментной разработки и замены этих приложений на новые, появление SCADA/EMS/DMS/MMS-систем нового поколения только ожидается.
ЗАО "Монитор Электрик" – отечественная компания, занимающаяся разработкой и внедрением собственного программного обеспечения с учетом рекомендаций CIM. Оперативно-информационный комплекс СК-2007С продолжает традиции ОИК СК и обеспечивает полную поддержку CIM стандарта версии 14.
В разработке находится программный комплекс нового поколения СК11 – это уже не ОИК, а распределенная интеграционная платформа, основанная на СIM, обеспечивающая совместную работу технологически связанных программных комплексов центра управления, включая: SCADA и коммуникационные шлюзы, оперативные журналы, средства поддержки работы на ОРЭМ, тренажер диспетчера, пакеты приложений оценки состояния, сетевого анализа, мониторинга режимов работы силового оборудования и другие системы автоматизации бизнес-процессов. Мы убеждены, что СК11 будет лучшим решением для отечественных энергетических компаний, поскольку западные продукты не учитывают особенности российской электроэнергетики. В отличие от принятых на западе "плоских" систем управления, в России управление режимами и объектами электроэнергетических систем многоуровневое. В этих условиях необходимость актуализации физической модели данных в иерархически связанных центрах управления становится крайне сложной, но важной задачей. Для ее решения мы встраиваем в СК11 специализированные механизмы слияния моделей, их преобразования, локализации, распределенной актуализации, которые обеспечат целостность единой многоуровневой системы управления.
В то время как одна часть инженерно-технического сообщества занималась разработкой и обоснованием стандартов CIM, другая активно развивала направление "цифровых подстанций". Результатом стал стандарт IEC 61850, который помимо физической модели подстанции нового поколения предоставляет профиль и язык описания подстанции – SCL (Substation Configuration Language). SCL и CIM совпадают по структуре, также совпадает способ описания топологии электрической схемы. Но, несмотря на наличие общих элементов, изначально эти модели ориентировались на разное применение. В связи с этим CIM модель не может полностью заменить SCL, а SCL не может заменить CIM. Так, например, CIM содержит подробное описание электрических параметров схемы замещения элементов электрической сети, а в SCL такая информация отсутствует. Много внимания в SCL уделено модели данных интеллектуальных устройств: логические узлы, типы данных и др., что позволяет связывать логические функции в микропроцессорных устройствах с элементами силовой схемы подстанции, в СIM такая информация не востребована. Тем не менее, гармонизация стандартов IEC 61970, IEC 61968 и IEC 61850 и создание единой обобщенной модели является очень важной и перспективной задачей.
В мае 2010 г. Electric Power Research Institute (EPRI) опубликовал окончательный отчет на тему "Гармонизация международной электротехнической типовой информационной модели (CIM) и стандарта IEС 61850". В отчете EPRI подвел итоги многолетнему исследованию методов достижения соответствий между CIM и IEC 61850. Цель гармонизации – единая семантическая информационная модель, обеспечивающая возможность эффективного использования данных на всех уровнях хозяйственной и электрической модели электроэнергетической системы. Исследования EPRI были мотивированы идеями внедрения технологии "умных сетей" (Smart Grid).
В отчете EPRI определены необходимые решения для гармонизации моделей. Вероятно, они будут включены в новые версии стандартов. Кроме этого, EPRI предложил перечень прикладных задач, качество решения которых может быть выведено на новый уровень после объединения моделей. (рис.4)
Вот некоторые из этих задач:
- исходное формирование СIM модели на базе SCL файлов;
- проверка корректности настроек и моделирование защит на подстанции;
- оперативное изменение уставок защит и автоматики;
- повышение наблюдаемости системы;
- предоставление исходных данных для аналитических приложений;
- восстановление энергосистемы после аварий;
- мониторинг состояния первичного оборудования;
- повышение гибкости энергосистемы.
Согласование стандартов – вопрос времени. Однако уже сейчас, на базе программного обеспечения СК-2007С, а в дальнейшем на базе СК11, можно создавать системы с объединенными моделями энергосистем и подстанций. Это позволяет разрабатывать новые, более совершенные приложения для сетевого анализа, появляется возможность эффективнее контролировать режимы энергосистем и управлять ими. Современная энергетика становится интеллектуальной, умные сети способны перевернуть наши представления о передаче электроэнергии, а общая информационная модель – изменить технологию управления. Это значит, что электрические сети смогут обеспечить передачу избыточной энергии зеленого и умного дома в нужном направлении, а информационные продукты Монитор Электрик позволят управлять энергосистемами нового поколения гибко и эффективно.
Заключение
«С обыкновенного автомобиля сняли бензиновый двигатель и установили электромотор. Затем Тесла прикрепил под капот небольшую коробочку, из которой торчали два стерженька. Выдвинув их, Тесла сказал: «Так, теперь у нас есть энергия». (По страницам книги Ржонсницкого Б.Н. "Никола Тесла").»