Разработка ПО для систем управления энергоресурсами с целью повышения энергоэффективности предприятий

«Автоматизация и ИТ в энергетике» №5/2010

Статья опубликована в журнале «Автоматизация и ИТ в энергетике» №5/2010

Молянов Р.В. – инженер Департамента АСУ ТП НПФ «КРУГ»

Рассматриваются вопросы внедрения систем управления энергоресурсами, обеспечивающих не только удобство отслеживания и планирования энергопотребления, но и позволяющих повысить энергоэффективность предприятия.

В условиях глобальной конкуренции и современного состояния экологии трудно переоценить влияние энергетики на все сферы деятельности человека. Сложно представить такую сферу, которая не была бы связана с использованием того или иного вида топливно-энергетических ресурсов. Вследствие этого возникает проблема эффективного расходования энергоресурсов с целью достижения как экономического, так и экологического эффекта.

Достижение экологического эффекта тесно связано с экономией энергоресурсов, так как использование любого вида энергоресурса сопровождается загрязняющими выбросами дыма, радиоактивного загрязнения, а также утечками тепла, электричества или топлива. Так как повышение энергоэффективности промышленных предприятий, генерирующих и сетевых компаний, сферы ЖКХ снижает общий экологический вред, программы энергосбережения поддерживаются как российскими экологическими организациями, так и международными программами мероприятий по снижению загрязнения окружающей среды.
Экономический эффект достигается за счет снижения удельной энергоемкости выпускаемой продукции или услуги, тем самым снижая себестоимость ее производства.

Снижение энергетических издержек предприятия на единицу выпускаемой продукции может быть достигнуто путем:

• использования оборудования / технологий, обладающих максимальным КПД
• оптимальной загрузки производственного оборудования
• изменения режима работы оборудования / персонала в соответствии с тарифной схемой расчетов за энергию
• снижения потерь энергии
• снижения непроизводственных расходов энергии
• повышения КПД систем освещения, отопления и вентиляции.

Выбор оптимальной энергетической политики предприятия и отслеживание показателей энегроэффективности требует наличия многофункциональной автоматизированной системы учета и планирования электро- и теплопотребления. Использование автоматизированных систем даёт возможность отслеживать ситуацию, составлять и анализировать энергетический баланс предприятия, производить статистический анализ и прогнозирование затрат, обеспечивая возможность выбора оптимальной энергетической стратегии развития предприятия для достижения максимального экономического и экологического эффекта. Для решения подобных задач выделился отдельный класс программного обеспечения – ПО АСУ ТЭР (программное обеспечение автоматизированных систем управления топливно-энергетическими ресурсами) / EMS (Energy Management Software).
Данный класс программного обеспечения представлен на мировом рынке такими компаниями, как Energy Lens, Abraxas Energy Consulting, Optima Energy Management, Good Steward Software, SW EEMG, MetsoDNA EMS. Некоторые из этих компаний осуществляют свою деятельность и на территории РФ, при этом российские производители данный сектор рынка еще не освоили. Программное обеспечение, произведённое в России с учётом российской специфики, действующих нормативных документов, использующее более дешевые сопутствующие программные продукты российского производства, может составить реальную конкуренцию иностранным продуктам как в самой России, так и на территории стран СНГ.

Функции АСУ ТЭР
Программное обеспечение класса АСУ ТЭР должно выполнять следующие основные функции: сбор данных, обработку данных, визуализацию, документирование, диспетчеризацию.
Под функцией сбора данных понимается опрос источников данных, в качестве которых могут выступать как интеллектуальные приборы, так и внешние серверы, ведущие непосредственный опрос. Обработка данных включает первичную обработку (контроль достоверности, вычисление среднего и др.), выполняемую сразу после сбора данных, а также более сложную (статистическая обработка, планирование и т.д.), выполняемую периодически.
Функция документирования предназначена для автоматизированного ведения отчетов в соответствии с отраслевыми требованиями.
Функция визуализации обеспечивает наглядное представление как текущего энергопотребления по контролируемым объектам, так и ретроспективные данные и расчетные показатели, позволяющие выявить самые энергоемкие потребители и определить пути снижения энергопотребления.
Функция диспетчеризации для подобных систем является необязательной, однако она позволяет существенно расширить область применения системы за счёт оперативного реагирования на изменения текущей ситуации.

В настоящее время функции АСУ ТЭР чаще всего реализуются средствами SCADA-систем в рамках внедрения АСУ ТП. Однако реализация функций учета и управления ТЭР в составе АСУ ТП имеет ряд недостатков, таких как отсутствие обобщенных данных по предприятию (наличие в каждой АСУ ТП данных только по показателям, входящим в АСУ ТП), отсутствие единой формы представления (из-за реализации различных АСУ ТП разными SCADA-системами), отсутствие единого подхода в реализации функций АСУ ТЭР (в разных АСУ ТП они могут быть реализованы в различном объеме), отсутствие гибкости (для изменения состава и/или реализации функций АСУ ТЭР требуется внесение изменений в несколько АСУ ТП, что требует финансовых и/или трудовых затрат, а иногда и вовсе невозможно) и т.д. Таким образом, АСУ ТЭР выступает как система уровня управления предприятием (АСУП), оставаясь тесно связанной с АСУ ТП (рисунок 1).

Рисунок 1 – Взаимодействие систем

Взаимодействие АСУ ТЭР с АСУП и АСУ ТП можно в общем случае описать так:

• АСУ ТП являются для АСУ ТЭР источником данных о текущем / ретроспективном значении измеряемых параметров
• хранение данных по АСУ ТЭР возможно как в БД АСУП, так и в БД АСУ ТП
• результаты выполненных АСУ ТЭР расчетов доступны системам обоих уровней
• просмотр данных в виде таблиц и графиков доступен пользователям корпоративной сети, а при необходимости и сети Интернет.

Программное обеспечение АСУ ТЭР может представлять собой набор программных модулей. К числу базовых программных модулей, реализующих основные функции системы, относятся:

• модуль связи с базами данных
• модуль расчетов
• модуль визуализации
• среда разработки АСУ ТЭР.

Дополнительно АСУ ТЭР может иметь сервисные модули:

• оффлайн-связи (при невозможности в реальном времени связаться с системами АСУ ТП/ АСКУЭ/ ИП или системами АСУП)
• конвертирования данных (для веб-публикации сторонними приложениями, для экспорта данных в сторонние системы)
• удаленного администрирования АСУ ТЭР и разграничения доступа
• Web-сервер доступа к АСУ ТЭР
• оповещения (e-mail, sms и др.).

Рассмотрим более подробно основные модули ПО АСУ ТЭР (рисунок 2).

Модуль расчетов
Модуль расчётов предназначен для выполнения обсчета основных показателей энергоэффективности, и в зависимости от сферы применения должен содержать различные библиотеки функций расчета. Для предприятий, потребляющих электрическую и тепловую энергию, более важны функции учета энергоемкости отдельных установок и технологических линий для выявления возможностей изменения загрузки и режима работы оборудования в целях снижения затрат энергии.

Для предприятий энергетики параметрами эффективности являются такие величины, как:

• показатели выработки пара и распределение его энергии между выработкой электроэнергии, теплофикационным и производственным отборами, а также параметры пара на выхлопе
• количество выработанной электроэнергии
• потери электро- и тепловой энергии при передаче
• затраты энергии на собственные нужды.

Для сферы ЖКХ, а также и для предприятий обоих указанных выше типов показателями энергоэффективности являются показатели экономичности систем освещения, вентиляции, отопления, кондиционирования, электроснабжения, а также показатели потерь электричества и тепла через изоляцию проводки и теплоизоляцию здания.

Для реализации модуля расчетов требуется произвести анализ и разработать библиотеки функций расчета, обеспечивающие:

• расчет основных показателей
• выявление и анализ причин повышенной энергоемкости
• краткосрочное (3, 15, 60 мин и т.д.) и долгосрочное (неделя, месяц и т.д.) планирование потребления/выработки энергии
• планирование пусков, останова, ремонта оборудования с минимизацией упущенной прибыли
• планирование мероприятий по энергосбережению с расчетом затрат и окупаемости различных вариантов стратегии модернизации
• расчет и планирование в условиях наличия данных не в полном объеме (вследствие остановов, аварий и т.д.).

Следует выработать оптимальные комбинации библиотек для различных сфер применения, обеспечивающие необходимый и достаточный набор функций, позволяющий реализовать гибкую и функциональную систему.

Модуль связи
Модуль связи необходим в системе АСУ ТЭР для выполнения операций с данными. Через модуль связи в системе обеспечиваются:

• доступ к текущим и историческим данным по контролируемым параметрам путем опроса серверов АСУ ТП (OPC DA/HAD; OBDC; SQL и т.д.)
• опрос интеллектуальных измерительных приборов
• связь с БД, выступающей хранилищем данных самой АСУ ТЭР (собственная БД или внешняя)
• связь с внешними БД для предоставления им результатов расчетов и выполнения диспетчерского управления.

Рисунок 2 - Структура ПО и функции модулей

Для реализации модуля связи с БД требуется произвести анализ и выбрать один или несколько протоколов доступа к данным, обеспечивающих необходимый и достаточный уровень совместимости с распространенными и/или перспективными протоколами обмена данными, одновременно с этим предоставляющих функционал, требуемый для нормальной работы системы АСУ ТЭР.

Модуль визуализации
Модуль визуализации предназначен для предоставления пользователям системы текущих и ретроспективных данных в различных формах представления, позволяя осуществлять функцию документирования показателей.

Среда разработки
Среда разработки АСУ ТЭР является набором программных инструментов, позволяющих на базе библиотек типовых элементов быстро и качественно разрабатывать, а также оперативно обслуживать и модернизировать систему.

Выводы
Внедрение систем управления энергоресурсами обеспечивает не только удобство отслеживания и планирования энергопотребления, снижая тем самым расход человеческих и экономических ресурсов, но и позволяет существенно повысить энергоэффективность предприятия.

Учитывая высокий потенциал экономической отдачи от повышения энергоэффективности при том, что удельная энергоемкость ВВП в странах СНГ в 2-2,5 раза выше среднемирового, разработка программного обеспечения класса СУЭ является перспективной.

При разработке программного обеспечения АСУ ТЭР предстоит решить следующие проблемы:

• определить требуемый набор основных и вспомогательных функций системы для различных сфер применения
• проработать оптимальную архитектуру программного обеспечения
• разработать библиотеки функций, обеспечивающих удобство и полноту выполнения расчетов
• разработать визуальное и интуитивно понятное средство разработки систем
• разработать базовые библиотеки шаблонов, обеспечивающие быструю разработку систем, состоящих из типовых объектов.