Решения по энергосбережению: информационная система

Материал из Руководство по устройству электроустановок

Перейти к: навигация , поиск
Общие правила проектирования электроустановок
Подключение к распределительной сети высокого напряжения
Подключение к низковольтной распределительной сети
Руководство по выбору архитектуры сети высокого и низкого напряжения
Распределение в системах низкого напряжения
Защита от поражения электрическим током
Выбор сечения и защита проводников
Низковольтная распределительная аппаратура
Защита от перенапряжений в низковольтных сетях
Энергоэффективность в электрических сетях
Компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник
Управление гармониками
Особые источники питания и нагрузки
Электроустановки жилых помещений и коттеджей
Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Содержание


У большинства организаций уже установлена определенная часть информационной системы, несмотря на то, что она так не называется. Следует отметить, что в современном постоянно меняющемся мире любая разрабатываемая информационная система должна выполнять следующую функцию – обеспечивать управляющий персонал необходимым объемом информации. Подобная система в области энергетики должна обеспечивать сбор и отображение информации об энергетических параметрах на любом уровне организации с использованием современных каналов связи.

Объективные данные о распределении и расходе энергии могут стать преимуществом организации в конкурентной борьбе. В большинстве компаний уже работает IT-персонал, задачей которого является обслуживание высокотехнологичных коммуникационных систем. Эти люди могут стать важными игроками при построении энергетической информационной системы, т.к. могут обеспечить возможность мониторинга и обмен данными в организации.


Коммуникационная сеть на уровне продукта, оборудования или организации

Структурная схема работы энергетической информационной системы представлена как замкнутая круговая диаграмма (см. рис. K23).


Рис K23.jpg


Рис. K23: Структура информационной системы


Различные устройства могут использоваться для сбора данных с измерительных и защитных модулей, установленных в распределительных щитах, например, устройства Schneider Electric Transparent Ready™.

Протокол обмена данных Modbus

Протокол обмена данными Modbus широко применяется для обмена данными в промышленном оборудовании, соединенном каналами связи, например RS 485, Ethernet (интерфейс TCP/IP) или модемным соединением (GSM, радиоканал и т.д.). Данный протокол широко используется в измерительных и защитных устройствах для электрических сетей.

Изначально созданный фирмой Schneider Electric, в настоящее время протокол Modbus является открытым стандартом, регулируемым независимой организаций Modbus-IDA, полностью открывающей разрабатываемые спецификации протокола. Являясь промышленным стандартом с 1979 года, протокол Modbus обеспечивает обмен данными между миллионами устройств.
Специальная комиссия интернет разработок (IETF) одобрила выделение специального порта (502) в протоколе TCP/IP специально для обмена информацией между различными устройствами, подключенными к сети Internet/Intranet с использованием протокола Modbus TCP/IP.

Протокол Modbus обеспечивает обмен информацией между двумя устройствами, используя структуру запрос-ответ, включающую в себя возможность чтения/записи (функции).
Запрос создается единственным в сети сервером (master), ответ формируется и отправляется одним из клиентов (slave), к которому был адресован запрос (см. рис. K24).
Каждому устройству-клиенту, подключенному к сети обмена данных с использованием протокола Modbus, присваивается свой идентификатор, называемый адресом клиента, принимающий значения от 1 до 247.
Мастер-устройство, например web-сервер, установленный в электрощите, постоянно отправляет запросы клиентским устройствам, содержащие их точный адрес, код функции, объем необходимой информации из памяти клиентского устройства и ее адрес. Запрос и ответ не могут превышать по размеру 253 байт каждый.

Отвечает на запросы мастер-устройства только тот клиент, которому адресован запрос. Обмен данными всегда инициируется мастер-устройством (в данном случае web-сервером). Подобная архитектура обмена данных называется режимом мастер-клиент (Master-Slave) протокола Modbus.
Структура запрос-ответ подразумевает, что мастер-устройство сможет получить всю необходимую ему информацию от клиентского устройства, после того как отправит запрос.
Мастер-устройство может успешно обрабатывать запросы и ответы только в случае полной совместимости всех устройств в сети. Также можно посчитать максимальное количество устройств, подключенных к мастеру, чтобы обеспечить приемлемое время ответа на запрос, особенно по низкоскоростному интерфейсу RS 485.


Рис K24.jpg


Рис. K24: Коды функций позволяют отправлять или получать данные. Программная проверка ошибок передачи CRC16 позволяет повторить обмен данными в случае их повреждения при передаче и обеспечить передачу ответа только устройством, которому был адресован запрос


Сеть Intranet

Обмен данными в промышленности обычно налаживается через существующую корпоративную сеть организации с использованием современных web-технологий.

Современная IT-технология обеспечивает совместимость и независимость работы различных задач: организации используют корпоративную IT-сеть для работы с офисными приложениями, печати документов, резервного копирования данных, контроля доступа, управления производством, бизнес-планирования, удаленного доступа и т.д. При этом работа многочисленных различных программных продуктов с использованием одной и той же сети передачи данных не представляет какие-либо технические проблемы.

Если в организации уже есть некоторое количество компьютеров, серверов и принтеров, соединенных в локальную сеть с использованием широко распространенного интерфейса Ethernet, то в этом случае возможна быстрая установка информационной системы, позволяющей получать энергетическую информацию от оборудования, установленного в электрощитах распределительной сети. При этом не требуется специальное программное обеспечение – достаточно обычного интернет браузера.

Информация от измерительного оборудования передается по стандартным сетям Ethernet на скорости до 1 Гб/с. Для построения таких сетей передачи данных обычно используются медная витая пара или оптоволоконный кабель, с помощью которых можно обеспечить подключение устройств в любых точках коммерческих или промышленных зданий.

Если в организации создана Intranet локальная сеть для электронной почты или совместного использования данных, то в подавляющем большинстве случаев используется наиболее распространенных протокол TCP/IP.

Протокол передачи данных TCP/IP был разработан для широко использующихся web-сервисов, таких как HTTP, чтобы получать доступ к web-сайтам, SMTP для передачи электронных сообщений и т.д.


Рис K37.jpg


Данные электрических измерений, записанные промышленным web-сервером, установленным в электрическом щите, могут быть просмотрены с использованием стандартного протокола TCP/IP в существующей сети передачи данных, что позволяет максимально снизить затраты на создание и содержание сети. Этот принцип используется оборудованием Scheider Electric Transparent Ready™ для обеспечения передачи данных по энергоэффективности. Оборудование электрического щита автономно и не требует установки каких-либо дополнительных IT-систем или компьютера. Все данные, относящиеся к энергоэффективности, записываются и могут быть получены привычным способом через интернет, GSM, телефон и прочие каналы связи.

Безопасность

Установка системы мониторинга позволяет ответственному персоналу быть более информированным и обеспечивает большую безопасность труда, т.к. работникам больше не требуется получать доступ в электрические щиты и осуществлять стандартные проверки электрического оборудования – надо просто просмотреть данные измерений. В этих условиях коммуникационные системы дают работникам компании определенные преимущества и уверенность, что они не допустят ошибки.
Кроме того, использование систем мониторинга позволяет электрикам, механикам, постоянному и приходящему персоналу работать в одной команде в полной безопасности.

В зависимости от секретности данных, IT-специалист просто присваивает определенные права доступа для каждого конкретного работника.

Обслуживание локальной сети

В распоряжении IT специалистов компании есть все технические возможности для добавления и последующего контроля устройств в локальной сети организации.

В связи с тем, что системы мониторинга используют широко распространенные web-стандарты передачи данных, частным случаем которых является протокол Modbus TCP/IP, а также то, что они спроектированы с использованием современных, защищенных от вирусов, технологий, IT-специалистам не требуется дополнительно заботиться об обеспечении производительности и безопасности (вирусы, взлом) локальной сети в связи с установкой системы мониторинга.

Возможность работы со сторонними организациями

При необходимости, учитывая вопросы конфиденциальности, можно привлекать к наблюдению за параметрами электрической сети партнеров по энергосистеме: поставщиков электроэнергии, монтеров, строителей, проектировщиков или службы Schneider Electric. В случае установки системы мониторинга появляется возможность удаленного наблюдения, анализа и, при необходимости, консультаций для энергопотребляющих компаний. Существующее web-оборудование позволяет отправлять собранные данные по электронной почте или через web-страницы для получения дополнительных консультаций.


От мониторинга и управления электрическими сетями к интеллектуальному оборудованию

Уже много лет системы управления и телеметрии строятся на базе автоматических централизованных SCADA-систем. Установка подобных систем (п. 3 рис. K25) применяется только в особых случаях в связи с высоким энергопотреблением и чувствительностью к качеству питания. Основанные на технологиях автоматизации, SCADA-системы обычно разрабатываются и внедряются специалистами по системной интеграции. Высокая стоимость, необходимость наличия персонала высокого класса для работы с подобными системами, стоимость модернизации при изменении схемы энергоснабжения обычно отпугивает потенциальных пользователей. Другой вариант (п. 2, рис. K25) может быть более гибко и быстро внедрен в соответствии с требованиями электротехнического персонала и имеет гораздо меньший срок окупаемости. Тем не менее, в связи с применением централизованной архитектуры системы, ее стоимость также может оказаться достаточно высокой.

В некоторых случаях варианты 2 и 3, представленные на рис. K25, могут сосуществовать, предоставляя наиболее точную информацию для персонала.

В настоящее время доступен еще один вариант информационной системы (п. 1, рис. K25). Он представляет собой начальный этап внедрения вариантов 2 и 3, но при этом вполне работоспособен и обладает достаточной функциональностью.


Рис K25.jpg


Рис. K25: Классификация систем мониторинга


Уровень 1

Интеллектуальная система телеметрии и управления (рис. K26)

Основанный на современных web-технологиях, данный вариант системы появился недавно и является начальной точкой глобальных систем диспетчеризации. При использовании широко распространенных web-технологий появляется возможность быстро внедрять существующие разработки в области коммуникаций и бесплатное программное обеспечение.

При использовании интеллектуальной системы телеметрии и телемеханики электротехнический персонал может получить доступ к параметрам электрической сети в любой точке организации, что дает целый ряд преимуществ.

При необходимости доступ к параметрам может быть получен через интернет из любой точки мира.


Рис K26.jpg


Рис. K26: Архитектура интеллектуальной системы управления и телеметрии


Уровень 2

Специализированная система телеметрии и управления (рис. K27)

Предназначенная для электротехнического персонала, эта система представляет собой централизованный сервер, на котором могут быть отражены все необходимые параметры для каждой конкретной конфигурации электрической сети. Указанная архитектура информационной системы требует более низкого уровня квалификации персонала по сравнению с приведенной выше. Все существующие распределительные устройства включены во встроенную библиотеку элементов, поэтому система может быть легко настроена для работы с любой конфигурацией электрической сети. Кроме того, начальная стоимость подобной системы минимальна, т.к. не требует проектирования и внедрения специалистом высокого класса.


Рис K27.jpg



Рис. K27: Специализированная система телеметрии и управления


Уровень 3

Универсальная централизованная система телеметрии и управления (рис. K28)

Данный вариант представляет собой систему, основанную на стандартных устройствах автоматизации, таких как SCADA, и шлюзах. Обычно этот вариант используется в случаях, когда крайне необходимо обеспечить бесперебойность питания. В этом случае надежность электросистемы является крайней необходимостью и может быть обеспечена либо автоматически, либо за счет наличия на объекте круглосуточного дежурного персонала. Для обеспечения максимальной надежности такие системы часто строят с учетом того, что они должны выдерживать без видимого эффекта как минимум один отказ оборудования, такого как SCADA или коммуникационный модуль.

Энергоэффективность также является важным фактором, и устанавливаемая система должна предоставлять возможность управлять распределением электроэнергии и контролировать ее качество. Также эта система должна обеспечивать необходимую электрическую защиту, чтобы предотвратить любое повреждение дорогостоящего электротехнологического оборудования. Кроме того, часто необходим обмен информацией с автоматизированными системами управления оборудованием, особенно через удаленное управление двигателями среднего и низкого напряжений. Наиболее подходящей для указанных условий кажется система PowerLogic SCADA, совместимая с Modbus или МЭК 61850.


Рис K28.jpg


Рис. K28: Универсальная система телеметрии и управления в реальном времени

Электронная поддержка

Установка информационной системы для улучшения энергоэффективности очень быстро оправдывает себя материально. Срок окупаемости подобных систем в области электроэнергетики обычно составляет менее двух лет.

Дополнительным, недооцененным на сегодняшний день преимуществом информационных систем является использование современных коммуникационных технологий в электроэнергетическом секторе – появляется возможность удаленного регулярного мониторинга и анализа электрической сети сторонними организациями через интернет, что позволяет решить следующие проблемы:

  • Заключение контракта на поставку электроэнергии. Обладая достаточным объемом информации, можно провести экономический анализ потребления электроэнергии и, в зависимости от него, произвести смену поставщика электроэнергии или тарифа. При этом нет необходимости ждать годового отчета о потреблении энергии.
  • Контроль электрических параметров через интернет. Параметры электрической сети организации преобразуются в относительные величины и могут быть просмотрены на специальной web-странице широким кругом потребителей, что позволяет более рационально планировать нагрузку и проводить анализ распределения мощности.
  • Комплексная диагностика неисправностей в электрической сети, необходимая для технического специалиста. Подобная функция редко доступна через интернет.
  • Мониторинг потребления электроэнергии и предупреждение в случае возникновения неожиданных всплесков потребления.
  • Снижение стоимость эксплуатационных расходов, часть из которых перестает быть необходимой.

Повышение энергоэффективности больше не проблема, с которой организации сталкиваются самостоятельно. Существуют организации, готовые помочь в ее решении, когда в этом возникнет необходимость. Главным условием подобной помощи обычно является наличие результатов измерений в электрической сети организации и их доступность через интернет.

Внедрение информационной системы может быть разбито на этапы. Сначала могут быть оснащены ключевые места электрической сети. Постепенно набор средств измерения и управления может расширяться, делая систему более точной и увеличивая количество точек контроля.

Компании предоставляется выбор: привлечь стороннюю организацию для анализа данных электрической сети, провести анализ самостоятельно или воспользоваться обоими вариантами одновременно.

Также организация сможет выбрать: контролировать электрическую сеть самостоятельно или привлечь стороннюю организацию для контроля качества электроэнергии и нагрузки на электрическую сеть с целью увеличения срока службы оборудования.


Рис K29.jpg


Пример: Schneider Electric предлагает электронные средства для визуализации нагрузки и анализа цены электроэнергии. Это упрощает задачи собственников недвижимости, географически расположенных в различных местах, обеспечивая понятной информацией о стоимости и использовании энергии для всех географических положений. Система преобразует данные о потреблении энергии пользователем в понятную информацию, доступ-ную всем внутренним пользователям. Она позволяет контролировать расходы, демонстрируя клиентам как они используют энергию.

Система должна обеспечивать различную функциональность, как то:

  • доступ к данным энергопотребления и их анализ;
  • прошлые и ожидаемые счета;
  • сравнение тарифов;
  • анализ затрат в случае изменения схемы работы, например, изменения времени работы нагрузок, снижения потребления на известную величину и т.д.;
  • автоматическое оповещение о неисправности;
  • сохранение отчетов;
  • определение эффективности потребления энергии, приведенной к другим величинам, например, площади помещений, времени работы, единиц выпущенной продукции и т.д.;
  • данные о потреблении дополнительных услуг, помимо электроэнергии: газа, воды и т.д.


Рис. K29: Пример типового решения