В Г Трегуб, А О Куник - Використання технології opc в ав¬томатизації енергоблоків теплових електростанцій - страница 1

Страницы:
1 

2010 / 6

УДК 681.518.3

В.Г. Трегуб, А.О. Куник

ВИКОРИСТАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ OPC В АВ­ТОМАТИЗАЦІЇ ЕНЕРГОБЛОКІВ ТЕПЛОВИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ

Вступ

Ефективне і економічне керування об'єк­тами теплової енергетики є одним із пріоритет­них напрямів для науки нашої країни. Вартість електричної енергії стає все більш і більш зна­чущим чинником у конкурентній боротьбі на ринку енергопостачання. Зокрема, одним із найважливіших теплоенергетичних об'єктів є енергоблок. У 70-х роках минулого сторіччя ак­тивно проходив процес оснащення вітчизняної електроенергетики потужними тепловими елек­тростанціями і електроцентралями з енергобло­ками потужністю 250, 300, 500 і 800 МВт. Всі вони проектувались з міркувань високої еконо­мічності і роботи в базових режимах. В той же час, графік споживання електроенергії в окре­мих енергосистемах внаслідок ряду економічних і соціальних причин почав розущільнюватися, що спричинило істотні перепади між значення­ми навантаження і значні перетоки потужнос­тей між енергосистемами. Цей процес триває і понині. Ситуацію ускладнює той факт, що близь­ко 70 % енергоблоків, які працюють у нашій країні, вже перевищили граничний ресурс робо­ти, а половина взагалі перебуває за межею зносу [1]. Типовою є ситуація, коли великий енерго­блок бере участь у регулюванні частоти в енер­госистемі. У такому випадку основне завдання регулювання енергосистеми полягає в тому, щоб виробляти електроенергію згідно із спожи­ванням, яке безперервно змінюється. По суті, єдиним джерелом інформації про невідповід­ність вироблення електроенергії споживання є відхилення частоти в енергосистемі від номіналь­ного значення. Структура системи керування потужністю енергоблока значною мірою визна­чається графіком навантаження енергосистеми та енергоблока. Однак цей графік дає лише се­реднє значення навантаження, у той час як дій­сне енергоспоживання може, у певних межах, змінюватись, що вимагає постійного регулю­вання частоти. Підвищення якості регулювання частоти — це першочергова задача для віт­чизняної енергетики [2, 3]. Розв'язання її дасть можливість підвищити експортний потенціал поставок електроенергії Україною. Важкі на­слідки системних аварій в електроенергетиці, що відбувались за останні десятиріччя в бага­тьох великих енергосистемах світу, ставлять пе­ред дослідниками і науковцями як одну з най­важливіших проблем проблему розробки авто­матизованих систем керування (АСК), що здат­ні забезпечити високу надійність та стійкість роботи енергосистем і енергетичних об'єднань [4]. Також необхідно відзначити, що сама існу­юча модель функціонування вітчизняної енер­госистеми, хоча й відповідає значною мірою єв­ропейським стандартам, потребує подальшого вдосконалення і модифікації згідно з вимогами євроспільноти [5, 6]. Один із шляхів вирішення зазначених проблем — побудова стійких і надій­них АСК для енергосистем та їх компонентів використання технології OPC (OLE for process control), що знайшло висвітлення в [7—10].

Постановка задачі

Мета статті — показати можливі переваги від використання сучасних програмних засобів при керуванні енергоблоками на основі запро­понованого авторами підходу. У статті також розглядаються можливості підвищення еконо­мічної ефективності енергоблока і ефективнос­ті керування ним за рахунок використання АСК на базі технологій OPC.

Технологія ОРС та її використання

Енергоблок теплової електростанції — це складний багатозв'язний об'єкт керування з роз­поділеними параметрами, характеристики якого в статиці і динаміці залежать від великої множи­ни факторів, таких, як вид палива, зміни в на­вантаженні, структура внутрішньої схеми і т.п.

Це викликає невеликі, але постійні і швид­кі зміни потужності. Також потрібно відзначи­ти, що керування енергоблоком дуже ускладню­ється у випадку, коли використовується тверде паливо, оскільки при цьому він перебуває під постійним впливом випадкових збурень.

Додаткову складність у керування енерго­блоками вносить той факт, що протягом доби навантаження істотно змінюється, досить часто різниця між мінімальним і максимальним зна­ченнями навантаження становить 1,5—1,6 раза. У зв'язку з цим до сучасних енергоблоків став­ляться підвищені вимоги із забезпечення стійкос­ті в широкому регулювальному діапазоні. Це зав­дання ускладнюється,  якщо  енергоблок береучасть у регулюванні частоти в енергосистемі, вимоги до прийманості і стійкості у всьому регу­лювальному діапазоні значно зростають [11]. Під прийманістю енергоблоків розуміють їх здатність до швидкої зміни навантаження та участі в пер­винному і вторинному регулюванні частоти в рамках енергосистеми. На сьогодні підвищення ефективності і точності регулювання частоти в енергосистемі є однією з першочергових задач для дослідників, оскільки економіка України не­се значні втрати щороку через неможливість уча­сті в енергосистемах Європи. Наприклад, стабілі­зація частоти струму в ОЕС України з відхилен­нями ± 0,1 Гц не дає можливості енергосистемі підключитися для паралельної роботи з Об'єд­наною енергосистемою Європи, збільшити екс­порт електроенергії та залучити кошти для робіт з модернізації енергетичної галузі.

На рис. 1 зображено схему керування енер­гоблоком при використанні таких скорочень: К — котел, Т — турбіна, Г — генератор, ЕС — енергосистема, Е — енергоблок, АСК — авто­матизована система керування.

Від ЕС

АСКЕ

АСКК

АСКТ

АСКГ

До ЕС

 

Теплова

 

Механічна

 

Електрична

 

К

енергія

Т

енергія

Г

енергія

ЕС

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема перетворення енергії і елементи керування енерго­блоком

Як бачимо, енергоблок функціонує в рамках енергосистеми і йому притаманна вертикальна і горизонтальна інтеграції в рамках енергосисте­ми. Крім того, потужний енергоблок як об'єкт керування відрізняється тим, що жоден із засо­бів, які використовуються для підвищення його стійкості і прийманості, не може самостійно впоратися з усіма завданнями, що стоять перед системою керування. Тільки одночасне застосу­вання широкого комплексу засобів може забез­печити високу прийманість енергоблока та роз­ширити його участь у регулюванні частоти.

Розглянемо переваги, які дає використання технології OPC у розв'язанні задачі побудови АСК енергоблоком теплової електростанції. Ти­повий енергоблок являє собою складний, багато­вимірний і багатозв'язний об'єкт регулювання, яким керує АСК енергоблока [10]. Крім безпосе­редньо самих завдань регулювання, на АСК енер­гоблока покладені завдання програмного керу­вання, пуску і зупинки, контролю та архівуван­ня, завдання забезпечення безпеки і технологіч­них захистів і блокувань. У даний час пріоритет­ним напрямком є не побудова нових енергобло­ків, а модернізація і продовження терміну екс­плуатації вже побудованих [7], тому особливої актуальності набувають завдання автоматичної діагностики і пошуку несправностей (англ. troub­leshooting). За останні два десятиліття на об'єктах енергетики в нашій країні фактично не прово­дяться заходи щодо планової модернізації облад­нання АСК ТП, тому загальний технічний рівень таких завдань знаходиться на рівні 80-х—початку 90-х років минулого сторіччя. Як правило, АСК ТЕС побудовані за традиційною схемою з вико­ристанням  багатоконтурних ПІ/ПІД-регу-ляторів [12]. Таке рішення розраховане на функціонування об'єкта керування в номі­нальних режимах і мало придатне для функ­ціонування в умовах збурень та швидких змін навантажень. Саме тому для забезпе­чення задач енергозбереження та енерго-ефективності функціонування енергоблоків ТЕС і галузі в цілому потрібна модернізація існуючих АСК з використанням сучасних програмних та інформаційних технологій.

Для підвищення ефективності і якості регулювання енергоблока пропонується тех­нологія OPC. Вона дає можливість одержу­вати і передавати по уніфікованому прото­колу дані від будь-яких пристроїв, які під­тримують дану технологію, і будувати уні­версальну систему обміну даними в рамках обчислювальної мережі. Можливість систе­ми керування енергоблоком мати доступ до всієї необхідної технологічної інформації є дуже при­вабливою в світлі того, що практично всі сучасні програмні та технічні засоби автоматизації (дат­чики, ПЛК, SCADA-системи і т.д.) і технологіч­не обладнання можуть обмінюватися інформаці­єю за допомогою локальних обчислювальних ме­реж (ЛОМ). Тому або споживач взагалі не несе додаткових витрат на побудову такої системи, або вони невеликі і "не помітні" на фоні загаль­ної вартості. Слід враховувати той факт, що ал­горитми, які використовуються при керуванніенергоблоками в складі ЕС, склалися де-факто півстоліття тому і мало задовольняють вимоги су­часного ринку. Зміні ж алгоритмічного забезпе­чення подібних систем керування перешкоджає відсутність систем збору інформації в рамках ЕС. Фактично сучасна АСК енергоблока являє собою (або, принаймні, повинна бути такою) інтегральну систему керування, якій притаманна як верти­кальна, так і горизонтальна інтеграція в єдину енергосистему, але практична реалізація такої ін­теграції в переважній більшості випадків залишає бажати кращого. Технологія ОРС, у свою чергу, чудово зарекомендувала себе як засіб інтеграції різнорідних систем [13]. Крім того, вона дасть можливість більш ефективно вирішувати не тіль­ки технічні, а й економічні завдання керування і до того ж без додаткових витрат на обладнання.

Підсумуємо переваги, які дає використан­ня технології OPC, а саме:

• дає змогу побудувати єдину мережу збо­ру і обробки інформації в рамках вже існуючої локальної обчислювальної мережі без додатко­вих витрат на обладнання;

• дає можливість більш оперативно і точ­но обчислювати критерії техніко-економічної ефективності функціонування енергоблока та окремого устаткування;

• за допомогою даної технології можлива більш широка і повна інтеграція АСК енерго­блока в енергосистему;

• наявність інтеграції різних систем у рам­ках енергосистеми теоретично спричиняє під­вищення якості регулювання частоти в енерго­системі та економічної ефективності її роботи;

• постійна наявність актуальної техноло­гічної інформації дасть змогу за допомогою за­собів обчислювальної техніки реалізувати сис­тему автоматичної діагностики і пошуку не­справностей технологічного обладнання;

• розширює діапазон доступної АСК енер­гоблока інформації, яка може бути використа­на для задач економічного керування, а також для підвищення ефективності останнього;

• спрощує реалізацію завдань технологіч­ного контролю та архівування.

На рис. 2 зображено пропоновану схему інтеграції АСК ТП енергоблока з існуючими інформаційними системами інших енергобло­ків та операторів енергоринку. На базі вже іс­нуючих ліній зв' язку за допомогою технології OPC формується єдина віртуальна "шина" да­них. У ній збираються дані від усіх учасників процесу вироблення електроенергії, починаючи з прямих виробників і закінчуючи організація­ми, що займаються обліком і контролем від­пущеної споживачам електроенергії. При цьо­му кожному суб'єкту, підключеному до такої системи, будуть доступні всі необхідні йому дані для здійснення ефективного та економіч­ного виконання власних функцій. Участь енер­гоблока в такій мережі дасть можливість йому мати доступ до оперативних даних інших систем станції та енергосистем, тим самим значно зни­жувати рівень невизначеності зовнішніх парамет­рів. Це дає змогу керувати енергоблоком з біль­шою ефективністю і меншими затратами за ра­хунок розширення можливостей прогнозування зміни навантаження, зменшити знос обладнан­ня і витрату палива. Крім того, наявність подіб­ної системи значною мірою спрощує завдання діагностики і запобігає несправностям.

На жаль, на цьому шляху існують певні пе­решкоди. В основі найбільш поширеного стан­дарту OPC OPC DA (Data Access) — лежить технологія DCOM (Distributed Component Object Model), що визначає як багато переваг стандарту, так і його недоліки. При цьому OPC не має жод­них серйозних недоліків, за винятком тих, які притаманні DCOM. Що ж заважає зв'язуватися через ЛОМ/ГОМ (глобальна обчислювальна ме­режа) при використанні DCOM? Основна при­чина — це застосування міжмережевих екранів, або брандмауерів. Захист забезпечується тим, що весь мережевий обмін відбувається через брандмауер, і, якщо пакети, що йдуть через ме­режу, здаються йому підозрілими, їх проход­ження блокується. Технологія DCOM може ви­користовувати різні транспортні протоколи для передачі даних, у тому числі й ті, які придатні для глобальних мереж (наприклад, TCP/IP). Але мережеві екрани настроюються так, щоб істотно обмежити діапазон портів, через які можна вий­ти в глобальну мережу. Порти, використовувані DCOM, зазвичай потрапляють у список заборо­нених, а видалення їх із цього списку істотно знижує захист мережі проти зовнішніх атак. Для вирішення цієї проблеми компанія "Microsoft" пропонує використовувати протокол Tunneling TCP, який здійснює передачу даних через порт 80. Цей порт є стандартним портом для прото­колу HTTP (Hypertext Transfer Protocol) і тому він, як правило, відкритий. На жаль, це тягне за собою накладення більшої кількості обмежень і не є вирішенням проблеми. Програмні техноло­гії Microsoft гарантують успішний доступ через DCOM у двох випадках: або коли комп'ютери знаходяться в одному домені, або коли вони перебувають в одній робочій групі, причому в

Інші виробники та учас­ники ринку \збуту електроенергії^

Інформаційні системи, що функціонують у рамках ЕС

1

і!

Горизонтальна інтеграція

-чі-

Рис. 2. Схема інтеграції енергоблока в єдину інформаційну систему

останньому випадку на обидва комп'ютери треба зайти з однаковим ім'ям користувача. Як­що зазначені умови не виконано, то, як пока­зує практика, доступ може бути як дозволений, так і заборонений, причому останнє трапляється набагато частіше. Відповідно, використання про­токолу Tunneling TCP може дати надійний резуль­тат лише в межах одного домену, комп'ютери якого розділені брандмауерами. Підводячи під­сумки, слід відзначити, що реальне використання OPC обмежено одним доменом. У рамках нашого об'єкта керування — це, з великою ймовірністю, рівнозначно межам АСК ТП енергоблока.

На сьогодні можна виділити кілька варіантів вирішення проблеми, пов'язаної з DCOM. Най­більш доцільний варіант у даному випадку — ви­користання інших стандартів із сімейства OPC, таких, як OPC UA, OPC XML DA, OPC DX як проміжних ланок у ланцюжку між "джерелом" і "споживачем" інформації. Існують і інші підходи до вирішення цієї проблеми, такі, як, наприклад, використання нестандартних протоколів передачі даних [8]. Рішення з використанням ОРС хоча і буде далеко не найшвидкодіючим, зате забезпечу­ватиме легку масштабованість та розширюваність. Крім того, такий варіант більш-менш застрахова­ний від проблем сумісності з новими протокола­ми, коли такі з' являться, за допомогою додавання відповідних модулів у систему. Так само подібна система може виконувати роль середовища, в якому виконується координація між окремими системами керування в рамках об'єднаної енерго­системи, або, в більш загальному випадку, між окремими підсистемами регулювання в рамках АСК енергоблока. Варто додатково підкреслити, що інтеграція енергетичних систем таким спосо­бом має високу економічну ефективність, оскіль­ки не вимагає додаткових витрат на матеріальну частину забезпечення і використовує вже наявну апаратну базу та лінії зв'язку.

До сервера точного часу

Рис. 3. Типова структура ОРС-сервера

На рис. 3 зображено схему типового OPC-сер-вера, який може служити базовим елементом ме­режі в запропонованій вище концепції інтеграції.

Такий сервер повинен забезпечувати дві основні функції: збір даних у рамках великої виробничої одиниці і передачу цих даних ін­шим подібним серверам. Збір даних може здій­снюватися як за протоколами ОРС (від серве­рів, наданих виробниками обладнання), так і за специфічними протоколами обладнання або польової "шини". Отримана від технологічного обладнання інформація обробляється і зано­ситься в базу даних. Для забезпечення необхід­ної швидкодії передбачається використання сучасних промислових СУБД.

Оскільки сервер функціонує в рамках тери­торіально розподіленої обчислювальної мережізагальному випадку — різні технологічні об'єкти можуть бути дуже віддаленими один від одного), то для забезпечення актуальної і валідної інфор­мації повинно бути встановлено з'єднання з сер­вером точного часу. Безпека з'єднань з іншими серверами і конфіденційність інформації в гло­бальних обчислювальних мережах досягаються впровадженням модуля шифрування. Як канали передачі даних між такими серверами можна ви­користовувати існуючі канали телефонного зв' язку, інтернет, радіо та супутниковий зв'язок, кабельні мережі тощо в різних комбінаціях. Пе­ред обміном дані проходять "стиснення" (пере­дачі підлягають тільки ті дані, значення яких змінювалися за поточний період, повідомлення формується так, щоб отримати бітовий масив без " порожніх" місць у ньому), тому такий сервер відносно не вимогливий до пропускної здатності каналу передачі. Передбачається, що сервери з'єднані між собою в однорангову мережу, виді­лений "майстер" мережі відсутній.

Висновки

Використання ОРС-технологій в автоматиза­ції теплоенергетичних об'єктів, зокрема енерго­блоків, може принести значну економічну вигоду, підвищити стабільність енергосистеми і зменшити знос устаткування. Економічний ефект буде дося­гатись за рахунок зменшення кількості маневрів енергоблока при регулюванні частоти, і, як на­слідок, приведе до зменшення витрат палива і зносу обладнання [14]. Проте існує ряд проблем, які ускладнюють практичну реалізацію подібного рішення. Величезною проблемою є проблема в питаннях горизонтальної інтеграції (між різними суб'єктами підприємницької діяльності), оскільки передана технологічна інформація має конфіден­ційний характер і далеко не всі суб'єкти ринку згодні на її передачу кому б то не було.

З вертикальною інтеграцією в цьому плані ситуація простіша, тому що розподіл наванта­жень здійснює оператор енергосистеми відпо­відно до існуючих стандартів і має доступ до необхідної інформації. Існує так само проблемастандартизації, що породжує проблеми як з обміном інформації, так і з якістю виробленої електроенергії та її експортним потенціалом [3, 7]. Тим не менше, застосування подібних рі­шень може принести значну вигоду навіть у настільки обмежених умовах.

B. Г. Трегуб, А.А. Куник

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ OPC В АВ­ТОМАТИЗАЦИИ ЭНЕРГОБЛОКОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Рассматривались вопросы применения техноло­гии OPC для повышения эффективности функ­ционирования интегрированных АСУ энергобло­ков тепловых электростанций. Проведен анализ энергоблока как технологического объекта управ­ления и предложена концепция создания единой информационной системы энергоблока как части энергосистемы. Предложена также структура ти­пового OPC-сервера, который может быть исполь­зован в рамках описанной концепции.

1. Корневой Ю.П., Півняк Г.Г. Новітні технології викори­стання вугілля в енергетиці // Вісн. НАН України. — 2006. — № 2. — С. 51—58.

2. Воронцов И. Перспективы экспорта украинской элек­троэнергии // Энергобизнес. — 2010. № 40.

C. 23—25.

3. Ковецкий В.М. Оценка маневренных возможностей электрогенерирующих установок для обеспечения качества электроэнергии // Пробл. загальної енерге­тики. — 2007. — № 16. — С. 47—53.

4. Ленневський Є.А. Дослідження методів з удоскона­лення систем управління об'єднаними енергосисте­мами // Там же. — № 15. — С. 56—61.

5. Концепція адаптації законодавства України до зако­нодавства Європейського Союзу, затверджена поста­новою Кабінету Міністрів України від 16 серпня 1999 р. №1496.

6. Програма інтеграції України до Європейського Сою­зу, схвалена Указом Президента України від 14 верес­ня 2000 року № 1072/2000 (8.3 "Енергетика". Роз­діл 8. "Секторальна політика").

7. Гінайло А.В. Стандарти для створення інтегрованих сис­тем управління електроенергетичними компаніями // Енергетика та електрифікація. — 2007. — № 3. — С. 3—10.

Рекомендована Радою теплоенергетичного факультету НТУУ "КПІ"

Перспективним напрямком дослідження може стати використання технології OPC в за­дачах регулювання частоти в рамках енергосис­теми та автоматичної діагностики і пошуку не­справностей.

V.G. Tregub, A.O. Kunyk

USING THE OPC TECHNOLOGY IN THE AUTO­MATION OF THERMAL POWER STATION UNITS

The paper deals with implementing the OPC tech­nology to increase the operation efficiency of the in­tegrated ACS thermal power station units. We ana­lyze the power generating unit as a technological control object. Specifically, we elaborate the con­cept of developing the integrated information sys­tem of the power generating unit as a part of the grid. We also propose the structure of the typical OPC server which can be used within this concept.

8. Баталин Г., Васютинский В. Создание распределен­ных систем сбора данных на основе стандарта OPC // Современные технологии автоматизации. — 2005. —

№ 2. — С. 84—88.

9. Бобков В.Б., Куник А.А. Web-базированный доступ к технологической информации на базе OPC c исполь­зованием ISAPI-расширений // Автоматизация & IT

в энергетике. — 2009. — № 4. — С. 20—24.

10. Колесников А.А., Веселов Г.Е., Попов А.Н. и др. Синер-гетические методы управления сложными системами: энергетические системы / Под ред. А.А. Колеснико­ва. — М.: Едиториал УРСС, 2005. — 224 с.

11. Дуель М.А. Автоматизированные системы управления энергоблоками с использованием средств вычисли­тельной техники. — М.: Энергоиздат, 1983. — 208 с.

12. Flynn D. Thermal power plant simulation and control. — London: The Institution of Electrical Engineers, 2003.

452 p.

13. Куцевич И.В., Григорьев А.Б. Стандарт OPC-путь к интеграции разнородных систем // Мир компьютер­ной автоматизации. — 2001. — № 1. — С. 12—18.

14. Дрьомін В.П. Аналіз витрат палива блоками ТЕС i можливостей їх економії при регулюванш електро-споживання // Пробл. загальної енергетики. — 2007. —

№ 17. — С. 73—77.

Надійшла до редакції 2 листопада 2010 року

Страницы:
1 


Похожие статьи

В Г Трегуб, А О Куник - Використання технології opc в ав¬томатизації енергоблоків теплових електростанцій