АББ Ревю 3 2011

AББ

Ревю

3 | 11 Корпоративный технический журнал

Преобразователь солнечной энергии для жилого дома 13 Сглаживание пиков энергопотребления с помощью гидроаккумулирующей ГЭС 26 Эффективные решения для архитектуры программного обеспечения 41 Искусственный интеллект защищает окружающую среду 58

Вопросы технологий

Фотография на обложке этого номера АББ Ревю была сделана на угольном складе экологически чистой угольной электростанции. АББ поставляет компоненты и системы для энергоснабжения и автоматизации таких предприятий, повышая эффективность использования электроэнергии и их производительность. На внутренней стороне обложки изображен завод сжиженного природного газа компании Statoil на острове Мелкойя в северной части Норвегии, который был полностью оснащен системами энергоснабжения и автоматизации производства компании АББ.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­2

AББ Ревю 3|11

Содержание

Энергосбережение

7

13

Экономное производство

Энергетика и энергоснабжение

19

Усовершенствованная защита энергосети

В центре внимания – производство

26

32

41

51

58

64

Часть 1. Экономное расходование энергии

Практичность и эффективность Новые инверторы АББ для фотоэлектрических систем

Системы cвязи для релейной защиты следующего поколения

Энергия в розлив Гидроаккумулирующая электростанция для решения задач энергоснабжения и оптимизации использования тарифов

Интеллектуальные технологии в энергоснабжении Применение интеллектуального оборудования дает дополнительные преимущества распределительным компаниям и потребителям

Программные архитектуры на долгосрочную перспективу Интеллектуальные программные архитектуры формируют потребительскую ценность и защищают капиталовложения в краткосрочной, среднесрочной и долгосрочной перспективах

Интеллектуальные методы увеличения добычи Комплексное управление операциями – безопасная и выгодная эксплуатация отдаленных и зрелых месторождений

Контроль выбросов на основе модели PEMS: система контроля, которая использует методы искусственного интеллекта для снижения вредного влияния на окружающую среду

Эффективное накопление энергии Адаптер беспроводной связи АББ FieldKey с низким энергопотреблением

Содержание

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­3

От редактора

Вопросы технологий Уважаемый читатель,

Клас Ритоф Директор по технологиям компании АББ.

Компания АББ предлагает обширный и постоян-

технологии интеллектуального управления

но растущий ассортимент продукции. Он

энергосистемами. В этой статье мы акцентирова-

включает в себя множество изделий и систем

ли внимание на экономическом эффекте

— от микропереключателей до многофункцио-

внедрения низковольтного оборудования с

нальных систем управления и электрификации.

интеллектуальными функциями.

Однако компания предлагает не только оборудо-

Переходя от планирования городов к архитекту-

вание, но и услуги по проектированию, диагно-

ре программного обеспечения, мы показываем,

стике, техническому обслуживанию и поддержке.

как АББ использует различные методы и

Являясь информационным органом подразделе-

инструменты для повышения рациональности (с

ния НИОКР компании АББ, журнал АББ Ревю

точки зрения расходования природных ресурсов)

регулярно публикует отчеты и аналитические

и удобства технической поддержки программно-

статьи по различным технологиям, применяемым

го обеспечения. Значимость этого аспекта будет

компанией. В настоящем выпуске «Вопросы

расти по мере усложнения и расширения

технологий» мы раскрываем ряд ключевых

функциональных возможностей программного

аспектов технологий на примере нескольких

обеспечения.

областей их применения.

Продолжая тему, связанную с программным

За последние годы фотоэлектрические системы

обеспечением, мы представляем систему

были значительно усовершенствованы. Сочета-

текущего контроля, которая использует искус-

ние государственных поощрительных инициатив,

ственный интеллект для прогнозирования

роста осведомленности в вопросах защиты

выбросов и в конечном счете позволяет снизить

окружающей среды и снижения цен привело к

вредное воздействие на окружающую среду. Эта

повышению привлекательности использования

система была успешно внедрена на одном из

солнечных панелей в жилых домах. Помимо

крупнейших газоперерабатывающих заводов в

меньшего размера и мощности, одно из основ-

мире.

ных отличий домашних систем от крупных

В промышленных системах связи наблюдается

фотоэлектрических установок заключается в

тенденция к упрощению и сокращению доли

том, что интерфейс таких систем должен быть

проводных соединений. Вследствие большого

более простым и удобным, поскольку средний

количества датчиков и исполнительных механиз-

пользователь не является профессиональным

мов, распределенных по технологическому

техником или инженером. Именно эта особен-

оборудованию, проводные соединения являются

ность и была учтена при разработке нового

источником ошибок и дополнительных расходов.

инвертора АББ для батарей солнечных панелей.

Системы беспроводной связи уже хорошо

В предыдущих выпусках АББ Ревю обсуждались

зарекомендовали себя, однако АББ идет дальше,

вопросы расширения интеллектуальных функций

предлагая новый адаптер Field key, который

электроэнергетических систем в свете повыше-

обеспечивает поддержку соединений wirlessHART

ния требований к сетям передачи и распределе-

без использования отдельного источника

ния электроэнергии. Среди прочих тем рассма-

питания.

тривался вопрос сохранения энергии с целью

Я надеюсь, что этот выпуск АББ Ревю позволит

компенсации неравномерности потребления.

вам совершить интересное и увлекательное

Гидроаккумулирующие электростанции представ-

путешествие в мир новейших технологий АББ.

ляют единственную технологию накопления энергии, применяемую в более или менее

Приятного чтения!

значительных масштабах. Применение современных приводов позволяет более эффективно использовать эту технологию. На примере проекта в г. Авче (Словения), мы демонстрируем вклад, который могут внести такие приводы. Далее следует статья, касающаяся уровня

Клас Ритофт,

распределения электроэнергии, которая

Директор по технологиям

рассматривает возможности применения

Компания АББ.

интеллектуальных технологий управления электроэнергетическими системами на этом уровне. Королевский морской порт в Стокгольме — это городской район, где нашли применение

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­4

AББ Ревю 3|11

От редактора

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­5

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­6

AББ Ревю 3|11

Экономное производство Часть 1. Экономное расходование энергии КРИСтОФЕР ВАттс — Поскольку наш мир покидает долгую эпоху изобилия энергии и входит в эпоху ограничения энергопотребления, перед государством, бизнесом и обществом встает множество сложных проблем. Среди них — разрешение конфликта между повышением уровня жизни в развивающихся странах благодаря росту промышленного производства и необходимостью уменьшить отрицательное воздействие производственной деятельности по всему миру на окружающую среду. Один из подходов к решению этой проблемы заключается в повышении эффективности использования энергии в основных производственных процессах.

В

январе-феврале 2011 года агентство Economist Intelligence Unit провело опрос 348 руководителей высшего звена (в основном из Северной Америки, Азиатско-Тихоокеанского региона и Западной Европы), чтобы получить сведения о планируемых капиталовложениях в повышение энергоэффективности производственных процессов, о проблемах, с которыми они сталкиваются при оценке таких капиталовложений, а также о факторах, которые могут повлиять на эффективность использования энергии в промышленности в ближайшие годы. Это первая из трех публикуемых в журнале АББ Review статей, основанных на результатах этого исследования, а также на итогах программы углубленных интервью и исследований, касающихся энергоэффективности в промышленности. Кроме того, данное исследование базируется на отдельном всестороннем анализе мировых моделей энергопотребления в семи энергоемких отраслях, проведенном компанией Enerdata, которая предоставляет консуль-

тации и услуги по анализу информации в области энергетики. Более двух третей респондентов являются руководителями высшего звена. По роду своих должностных обязанностей респонденты в основном отвечают за стратегию и развитие бизнеса, финансы, общее руководство, а также операционную деятельность и производство. Около 58% участников опроса представляют предприятия с годовым доходом 500 млн долларов США и более. Исследование сфокусировано исключительно на производственном и энергетическом секторах в наиболее широко представленных отраслях промышленности.

Титульная фотография Завод опреснения и очистки воды в кибуце Пальмахим. Процесс опреснения воды отличается большой энергоемкостью. АББ поставила энергосбе­р егающие приводы для этого завода. Вклад АББ в водоснабжение обсуждается в АББ Ревю 4/2011.

Экономное производство

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­7

1 82% руководителей энергоемких сегментов промышленного производства согласны с тем, что энергоэффективность имеет решающее значение для прибыльности предприятия. Это завод компании Qassim Cement, эффективность которого значительно возросла благодаря внедрению систем электрификации и автоматизации, а также приводов производства компании АББ.

Практические решения, не являющиеся оптимальными с точки зрения эффективности, широко распространены во всей отрасли, поэтому потен­циал для экономии за счет повышения эффективности использования энергии достаточно велик.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­8

AББ Ревю 3|11

В дополнение к интернет-опросу агентство Economist Intelligence Unit провело 15 углубленных интервью с руководителями крупных предприятий, политиками и специалистами по энергоэффективности в промышленности. Выводы из этих интервью приведены во всех трех статях. На долю промышленности приходится около трети конечного энергопотребления в мире, причем примерно 60% из этого количества расходуется в развивающихся странах. В результате расширения объемов производства общее энергопотребление промышленности продолжает расти, и эта тенденция, вероятно, продолжится в ближайшие десятилетия благодаря росту уровня жизни в развивающихся странах. Между тем, во многих регионах мира и во многих отраслях промышленности существует множество возможностей для повышения эффективности использования энергии. На этом фоне предприятия сталкиваются с перспективой глобальных ограничений, включая ограничение доступа к энергии и лимиты на выбросы двуокиси углерода. Таким образом, повышение энергоэффективности уже не является факультативным процессом, а скорее необходимой предпосылкой для долгосрочного финансового роста. Те компании, которые не обращают

внимания на вопросы энергоэффективности, скорее всего, в долгосрочной перспективе продемонстрируют снижение финансовых показателей. В свою очередь, предприятия, постоянно изыскивающие новые возможности для повышения эффективности использования энергии, скорее всего, опередят своих конкурентов. В целом, 88% производителей заявляют, что в ближайшие два десятилетия энергоэффективность в промышленности будет ключевым фактором успешности бизнеса. Причины этого в основном кроются в повышении конкурентоспособности, основанном на более низких издержках производства, особенно для компаний, работающих в энергоемких отраслях промышленности. Инвестируя капитал в энергосберегающие технологии, компании прежде всего ищут финансовую отдачу. Практические решения, не являющиеся оптимальными с точки зрения эффективности, широко распространены во всей отрасли, поэтому потенциал для экономии за счет повышения эффективности использования энергии достаточно велик. Согласно мнению 59% участников опроса, при составлении финансово-экономического обоснования капиталовложений цены на энергию являются одним из самых существенных факторов.

2 Осознание необходимости повышения энергоэффективности в промышленности (ответы в рамках опроса, 348 респондентов) Полностью согласен

Скорее согласен

Не имею определенного мнения на этот счет

В течение следующих двух десятилетий именно энергоэффективность будет ключевым фактором, определяющим прибыльность производственного предприятия

Скорее не согласен

53

Энергоэффективность уже является ключевым фактором успеха для производственных предприятий

33

Совершенно не согласен

Не знаю

34

9

39

19

Решение о капиталовложениях в повышение энергоэффективности должно приниматься с учетом специфики каждого конкретного случая

37

40

12

Производственным предприятиям нужны более четкие критерии того, что дает энергоэффективность в их отраслях

37

40

11

Налогоплательщики должны нести большую часть расходов по обеспечению соблюдения компаниями требований по энергоэффективности

0

«В наших операциях в Индии на долю энергии приходится примерно от 50 до 55% прямых затрат по превращению сырья в готовую продукцию», — говорит Сатиш Агарвал, директор отдела корпоративного производства на заводе компании Apollo Tyres в г. Гургаон на севере Индии. Это одна из причин, почему за последние три года или около того, компания Apollo Tyres вложила в повышение энергоэффективности на своих заводах примерно 12 млн долларов США. Эти капиталовложения были потрачены, в том числе, на установку теплообменников для котлов и систем ускоренного испарения с понижением давления для сбора и использования технологического тепла, а также на изоляционные материалы для уменьшения тепловых потерь. Эти последние капиталовложения являются частью долгосрочной инициативы, которая на данный момент позволила добиться примерно 40%-ного сокращения энергопотребления. На фоне усиления конкуренции, роста цен на энергоносители и ужесточения устанавливаемых регламентирующими органами нормативов энергоэффективность является одним из важнейших факторов успеха в отрасли, и это понимает не только Сатиш Агарвал. Действительно, среди руководителей производственного сектора, принявших участие в опросе, 72% ответили «полностью согласен» или «скорее, согласен» на вопрос о том, является ли энергоэффективность ключевым фактором успеха для современного производства. Оценивая перспективы на ближайшие два десятилетия, 88% респондентов считают, что именно энергоэффективность станет ре-

11

20

10

20

16

30

40

22

50 процент (%)

шающим фактором, определяющим прибыльность предприятия. Отклонения в результатах свидетельствуют о различиях в специфике компаний, принявших участие в опросе. Например, 82% руководителей компаний, работающих в энергоемких отраслях промышленности, таких как металлургическая, химическая и нефтехимическая, цементная, целлюлозно-бумажная и алюминиевая, считают, что эффективность использования энергии на сегодня является ключевым фактором, определяющим рентабельность предприятиям рис. 1 (по сравнению с 67% в менее энергоемких отраслях). Четкое осознание роли энергоэффективности, возможно, отражает такие особенности энергоемких сегментов, как большая доля расходов на энергию в общих расходах, наметившаяся в последнее время нестабильность цен на энергию и их повышение, а также относительно малая рентабельность рис. 2.

6

8

8

28

60

70

80

21 1

2 1

2

1

1 3

2

90

100

(82%), чем руководители из развитых стран (67%). «Мы полагаем, что большее внимание к энергоэффективности в развивающихся странах обусловлено тем, что энергия является там дефицитным ресурсом», — говорит Прадип Монга, директор подразделения по энергетике и изменению климата в Организации Объединенных Наций по промышленному развитию (UNIDO). Действительно, результаты исследования подтверждают больший интерес к проблемам эффективного использования энергии в странах, которые используют больше всего энергии рис. 3 и рис. 4.

На долю промышленности приходится около трети ко­ нечного энергопотребления в мире, причем примерно 60% из этого количества расходует­ся в развивающихся странах.

Если оценивать мнения опрошенных с точки зрения регионов, то руководители из развивающихся стран более четко выражают согласие с тем, что энергоэффективность является ключевым фактором успеха для производственных предприятий

Почему повышение энергоэффективности играет определяющую роль в повышении рентабельности в долгосрочной перспективе? Во-первых, вследствие значительного снижения расходов. Дуг Мэй, вицепрезидент подразделения по энергетике и изменению климата компании The Dow Chemical (США), говорит, что усилия его компании по повышению энергоэффективности, предпринимаемые с 1994 года, Экономное производство

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­9

Ведущие предприятия тщательно изучают вопросы, касающиеся энергоэффективности своих производственных операций.

3 Развивающиеся рынки с точки зрения энергетики За последние несколько десятилетий в экономике развитых стран произошел структурный сдвиг — от производства к услугам. В настоящее время сектор услуг в большинстве развитых стран значительно превосходит производственный сектор по размерам и опережает по темпам роста. Сектор услуг, конечно же, потребляет значительно меньше энергии на единицу объема производства по сравнению с производственным сектором, — но когда дело доходит до энергоемкости, то экономика развитых стран становится все менее энергоемкой. Сегодня развивающиеся страны доминируют в области глобального промышленного энергопотребления в силу ряда причин.

Великобритания США Индия Китай

обеспечили общую экономию средств в размере примерно 9,4 млрд долларов США. «Энергоэффективность является источником, который никогда не иссякает», — заявляет он. Сопутствующие преимущества повышения энергоэффективности Снижение расходов — это только одна сторона медали. В действительности за громкими цифрами, например такими, которые приводит The Dow Chemical, скрывается ряд других преимуществ повышения энергоэффективности в промышленности, которые оказывают влияние на долгосрочные финансовые показатели. Например, уменьшив энергопотребление в производственных процессах, компании могут безболезненно выдержать относительно более существенное повышение цен на энергоносители, что является очевидным конкурентным преимуществом. «[Повышение] эффективности расходования энергии является одним из наиболее эффективных подходов к управлению рисками, которые компания-производитель может предпринять в текущей рыночной ситуации», — комментирует Нил Эллиот, заместитель директора в Американском совете по энергосберегающим технологиям (ACEEE). С ним соглашается Луис Фариас, вице-президент по энергетике и изменению климата мексиканской цементной компании CEMEX: «Доля затрат на энергию является весьма значительной в общей сумме расходов на производство цемента, — говорит он. — Поэтому экономия энергии обеспечивает повышение предсказуемости наших будущих доходов и денежных потоков». ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­10

AББ Ревю 3|11

Рост ВВП 1990–2008 гг. (%) 54 66 205 485

Помимо перечисленных выше преимуществ, усилия по повышению энергоэффективности производственных процессов часто приносят и другие выгоды. К ним относятся уменьшение простоев оборудования и увеличение циклов технического обслуживания, рост производительности, повышение качества продукции, упрощение соблюдения требований строительных и природоохранных кодексов, улучшение здоровья работников и повышение безопасности, а также выгоды, касающиеся исследований и внедрения инноваций. Этими так называемыми «сопутствующими выгодами», по словам Эллиота, не стоит пренебрегать: «Мы видим, что выгода, не связанная с энергией, как правило, в три-пять раз превышает экономию от энергосбережения», — говорит он. Несмотря на то что руководители отрасли признают важность вклада энергоэффективности в долгосрочную рентабельность, относительно низкая энергоэффективность производственных процессов попрежнему остается нормой во многих секторах промышленности. В некоторых случаях это обусловлено неэффективностью управления оборудованием и производством в целом — в своей простейшей форме эта неэффективность может проявляться в непрерывной работе двигателей независимо от того, используются они или нет. В других случаях это связано с неэффективностью самого оборудования. Терри Мак-Каллион, директор по энергоэффективности и изменению климата в Европейском банке реконструкции и развития (ЕБРР) в Лондоне, выражает это просто: «Кажется, что в некоторых отраслях

Во-первых, за последние годы экономика в развивающихся странах переориентировалась с сельского хозяйства на производство. Во-вторых, недавний экономический рост привел к повышению спроса на инфраструктуру и здания, что в свою очередь потребовало большого количества цемента, стали и других энергоемких материалов. И в-третьих, население развивающихся стран составляет около 80% мирового населения. Эти основные тенденции нашли свое отражение в статистических данных Международного энергетического агентства, касающихся экономического роста и промышленного энергопотребления. Эти данные изложены в следующей таблице и проиллюстрированы на рис. 4.

Промышленное энергопотребление 1990–2008 гг. (%) -7 4 63 172

промышленности насосы и двигатели имеют только два рабочих режима: включен и выключен». По оценкам отраслевых экспертов, около двух третей мирового расхода электроэнергии в промышленности потребляется электродвигателями. И тем не менее, в 2009 году в Европе для приводов среднего напряжения с регулируемой частотой вращения (которые повышают КПД промышленных электродвигателей на 40– 60% благодаря регулированию их скорости), уровень проникновения на рынок, по оценкам фирмы Frost & Sullivan, составлял всего 13%. Поэтому неудивительно, что возможности для энергосбережения в промышленности настолько велики. Согласно анализу, проведенному UNIDO, потенциал энергосбережения в производственных процессах ряда отраслей достигает 50% от текущего уровня энергопотреблениям рис. 5. Реализация этого потенциала может привести, в общей сложности, к экономии от 230 до 260 млрд долларов США в год. Согласно данным UNIDO, эта экономия эквивалентна сокращению общепроизводственных расходов на 3–4%. В поисках финансовой отдачи Неудивительно, что с учетом такого потенциала экономии в сфере энергосбережения руководители, по результатам опроса которых составлен данный отчет, ставят на первое место очевидность финансовой отдачи от любых вложений средств в повышение энергоэффективности. Как правило, руководители высшего звена оценивают эту отдачу по сроку окупаемости (рассчитываемому как сумма капиталь-

Энергопотребление в промышленности, 1990–2008 гг. (изменение в %)

4 Промышленное энергопотребление в странах с развивающейся экономикой растет быстрее, чем в развитых странах.

В своем рабочем докладе «Global Energy Efficiency Benchmarking – An Energy Policy Tool» (Сравнительный анализ энергоэффектив­ности в мире – инструмент политики в области энергетики), опубликованном в ноябре 2010 года, Организация Объединенных Наций по промышленному развитию (UNIDO) оценила текущий потенциал энергосбереже­ния в обрабатывающей промышленности и на нефтеперерабатывающих заводах примерно в 23–26% от текущего общего промышленного энергопотребления в мире.

200 180

Китай

160 140 120 100 80 Индия

60 40 20 США

0

Великобритания

-20 0

100

200 300 400 Рост ВВП, 1990–2008 гг. (%)

500

600

Источник: Международное энергетическое агентство (IEA)

ных затрат, деленная на годовую экономию) или по внутренней норме возврата капитальных вложений. Например, в марте 2011 года индийская цементная компания UltraTech Cement разместила заказ на системы рекуперации отходящего тепла стоимостью 90 млн долларов США. Л. Раджасекар, исполнительный президент компании, предполагает, что эти затраты полностью окупятся примерно через шесть-восемь лет. Однако во многих случаях срок окупаемости вложений капитала в энергосберегающие технологии составляет всего шесть месяцев. Когда руководители отрасли анализируют финансово-экономическое обоснование

ловложениях в повышение эффективности, 59% респондентов называют стоимость энергии. Среди представителей энергоемких производств этот показатель составляет 67%, а для менее энергоемких – 57% рис. 6. Показательным примером являются капиталовложения, сделанные компанией Apollo Tyres. Говорит Аджай Матур, генеральный директор Бюро по энергоэффективности (BEE) при Правительстве Индии: «Стоимость энергоснабжения в индийской промышленности очень высока. И если говорить о будущем применительно к Индии, то цены на энергию будут только увеличиваться. Поэтому для тех отраслей, в которых энергия является значительной составляющей себестоимости продукции, управление энергопотреблением становится крайне важным фактором, определяющим их конкурентоспособность». Изменчивость цен и долгосрочные тенденции их изменения, а также текущие цены являются важными факторами, которые учитываются производственными компаниями при рассмотрении решений о капиталовложениях. «Скачки цен вызывают беспокойство, — говорит Стив Шульц, руководитель международного отдела корпоративной энергетики в компании 3M (США), выпускающей промышленные и потребительские товары.

— Но тот факт, что ценовая тенденция

В 2009 году в Европе для приводов среднего напряжения с регулируемой ча­стотой вращения уровень проникновения на рынок составлял всего 13%. капиталовложений в повышение эффективности использования энергии, в игру вступает ряд важных внешних факторов. Один из них — цена энергии. Эксперты полагают, что чем больше доля расходов на энергию в общем объеме производственных издержек, тем более привлекательными с финансовой точки зрения являются капиталовложения в повышение энергоэффективности. При выборе основных факторов, влияющих на решения о капита-

5 Какова потенциальная экономия?

Потенциал энергоэффективности в развитых странах составляет приблизительно 15–20%, однако в развивающихся странах этот потенциал выше и составляет примерно 30–35%. Согласно докладу экономия в промышленно развитых странах может достигать 65 млрд долл. США и более. Потенциал экономии в развивающихся странах составляет не менее 165 млрд долл. США. Во всем мире наибольший потенциал экономии в абсолютном выражении сконцентрирован в энергоемких отраслях, таких как металлургическая, целлюлознобумажная, цементная и химическая. Тем не менее, в процентном отношении наибольший потенциал экономии распределен по менее энергоемким отраслям. В некоторых из них, с учетом значительной распространенности небольших заводов, использующих устарев­шие технологии, потенциал экономии достигает 40–50%.

имела и имеет нарастающий характер, помогает частично снять эту обеспокоенность». Помимо цен на энергию, респонденты назвали и другие факторы, влияющие на их решение вкладывать средства в повышение энергоэффективности, включая государственное регулирование в области энергетики — этот фактор выделили 27% руководителей. Некоторые законы прямо или косвенно затрагивают использование энергии в промышленности. Другим фактором, влияющим на решения о капиталовложениях в повышение энергоэффективности, является желание улучшить имидж компании — этот фактор назвали 27% руководителей. Важность этого фактора повышается по мере того, как растет общественное признание вопросов, касающихся необходимости защиты окружающей среды. Перечень этих факторов меняется от континента к континенту, от региона к региону и от завода к заводу, что объясняет, почему 76% респондентов считают, что решение о капиталовложениях в повышение энергоэффективности должно приниматься с учетом специфики каждого конкретного случая. Одним из руководителей, который согласен с этим утверждением, Экономное производство

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­11

6 Основные факторы, которые окажут влияние на вложение средств в повышение энергоэффективности промышленности в течение следующих трех лет (каждому из 348 респондентов было предложено дать максимум три варианта ответа)

Анализ затрат и результатов каждого капиталовложения, включая анализ безубыточности

59% 58%

Цена на энергию Государственное законодательство и нормативы в области энергетики Желание улучшить имидж компании путем демонстрации заинтересованности в защите окружающей среды

27% 26%

Лучшие практические решения в моей отрасли

21%

Давление со стороны заказчиков и/или акционеров в отношении сокращения расходов

20%

Желание стимулировать внедрение инноваций в производственные процессы Ожидание ужесточения нормативов, регулирующих использование энергии и/или выбросы углерода

19% 11% 11%

Местное законодательство и нормативы в области энергетики Давление со стороны негосударственных организаций и/или активистов по сокращению энергопотребления

7% 2%

Другое (укажите, что именно)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

проценты (%)

является Андреас Генц, старший вице-президент по энергетике финской целлюлозно-бумажной компании Stora Enso. «Наши машины выглядят одинаково, но все они изготовлены по индивидуальным заказам, — говорит он. — Поэтому меры по повышению их энергоэффективности также должны определяться индивидуально». По мере того как промышленность сталкивается с проблемами адаптации к реалиям эпохи ограничения энергопотребления, ведущие предприятия внимательно анализируют энергоэффективность своих производственных операций. Усилия, предпринимаемые для анализа, контроля и постоянного улучшения энергоэффективности, позволяют сэкономить деньги в краткосрочной перспективе. В долгосрочной перспективе такие усилия повышают конкурентоспособность, стимулируют внедрение инноваций и создают прочную ос-

Другим фактором, влияющим на реше­ ния о капиталовло­ жениях в повышение энергоэффективно­сти, является жела­ние улучшить имидж компании. ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­12

AББ Ревю 3|11

нову для соблюдения экологических и других требований по обеспечению устойчивого развития. Другими словами, капиталовложения в повышение энергоэффективности в промышленности крайне важны не только для краткосрочного повышения рентабельности, но и для улучшения финансовых показателей в долгосрочной перспективе. Несмотря на опыт и мнения руководителей, политиков и экспертов по другим вопросам, опрошенных для составления данного отчета, практика использования неоптимальных решений по- прежнему широко распространена. Эффективность использования энергии позволяет снизить затраты и повысить конкурентоспособность компаний. В условиях неустойчивых, но при этом растущих мировых цен на энергию эффективность производства особенно важна для компаний, работающих в энергоемких отраслях промышленности, где высока вероятность колебаний себестоимости продукции, а рентабельность относительно мала. Компании признают это, однако многие из них продолжают работать на неэффективном оборудовании или использовать неэффективные методы управления оборудованием. Основной причиной разрыва между осознанием выгод от повышения эффективности и реальными капиталовложениями является недостаток информации. Сюда относится отсутствие информации о новейших технологиях и альтернативных путях повышения эффективности, о сравнительных тестах по эффективности и об окупаемости конкретных проектов. Статья «Экономное расходование энергии» представляет первую из трех

частей отчета «Экономное производство». Данный отчет был подготовлен и составлен агентством Economist Intelligence Unit и утвержден компанией АББ. В следующей статье из этой серии, которая будет опубликована в следующем номере АББ Review, более подробно рассматривается вопрос о том, почему стремление к улучшениям в промышленности попрежнему остается недостаточно сильным. Вся ответственность за содержание отчета лежит на Economist Intelligence Unit. Выводы и мнения, высказанные в докладе, могут не совпадать с точкой зрения спонсора. Более подробную информацию по вопросам энергоэффективности в промышленности, коммунальном хозяйстве, инженерных системах зданий и на транспорте см. на сайте www.abb.com/ energyefficiency. Агентство Economist Intelligence Unit выражает признательность всем участникам опроса и руководителям, чьи высказывания процитированы в отчете.

Кристофер Ваттс (автор) Авива Фрейдман (редактор) Агентство Economist Intelligence Unit Запросы просим отправлять Марку Кертису по адресу: mark.curtis@ch.abb.com АBB Corporate Communication Цюрих, Швейцария

Практичность и эффективность Новые инверторы АББ для фотоэлектрических систем

юкка нурми — Озабоченность вопросами глобального потепления и взлетевшими ценами на нефть и газ, по всей видимости, приведет к расширению использования возобновляемых источников энергии, что позволит более полно удовлетворить потребности растущего мирового энергопотребления. Наша планета всегда была щедро одарена ресурсами главного источника возобновляемой энергии — излучением солнца. Простейший способ использования солнечной энергии заключается в применении фотоэлементов. Эти элементы вырабатывают постоянный ток, который затем преобразуется в переменный ток. Это преобразование осуществляется с помощью инвертора. Инверторы АББ предназначены для фотоэлектрических систем, устанавливаемых в основном в жилых, а также в небольших и средних по размеру коммерческих зданиях. В новой серии инверторов реализованы встроенные функции защиты, что снижает потребность в дорогостоящих и занимающих много места внешних защитных устройствах и корпусах большого размера. Практичность и эффективность

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­13

1 Инвертор АББ PVS300

T

Экран с информацией о выработке солнечной энергии предназначен для предоставления необходимых данных тем, кто использует льготные тарифы1 или заинтересован в их использовании. Льготные тарифы предусмотрены во многих странах для стимулирования экологически чистой выработки энергии, например солнечной энергии рис. 3. Встроенный регистратор данных отображает и сохраняет точные данные о выработке энергии за день, неделю, месяц и год и рассчитан на срок до 24 лет. Кроме того, инвертор рассчитывает эквивалентный объем выбросов CO2. Для тех, кто хочет получить более подробные сведения о выработке солнечной энергии, может быть предоставлена детальная техническая информация.

Титульная фотография Теперь новый инвертор АББ, предназначенный для фотоэлектрических систем, устанавливаемых в жилых домах, а также в небольших и средних по размеру коммерческих зданиях, снабжен встроенными функциями защиты.

Основным компонентом инвертора PVS300 является блок управления, оснащенный удобным графическим дисплеем, отображающим три информационных экрана: экран оценки интенсивности солнечного излучения, экран с информацией о выработке энергии и экран справки/меню для настройки устройства. Символ солнца указывает на интенсивность солнечного

Для объяснения назначения различных экранных форм и возможностей настройки устройства имеются специальная кнопка «Help» (Справка) и встроенное руководство пользователя. Система отображения информации поддерживает до 24 языков. Ввод в эксплуатацию, состоящий всего из четырех простых шагов, выполняется под руководством мастера ввода в

Сноска 1 Льготные тарифы на подключение (feed-intariffs, FiT) — это инструмент, предназначенный для поощрения использования возобновляемых источников энергии и ускорения достижения точки сетевого паритета. При использовании льготных тарифов на подключение, удовлетворяющие установленным критериям поставщики электроэнергии из возобновляемых источников (включая энергоустановки в жилых домах и административных зданиях) получают за всю выработанную электроэнергию оплату по повышенному тарифу.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­14

AББ Ревю 3|11

излучения (10 лучей обозначают яркое солнце на безоблачном небе, один луч — дождь рис. 2, а ночью инвертор переходит в спящий режим, в котором он потребляет менее 1 Вт.

Предлагаемый АББ ассортимент инверторов для солнечных батарей – это широкий спектр устройств, от небольших однофазных нверторов до центральных инверторов мощностью несколько сотен киловатт.

ехнологические разработки постоянно повышают КПД и экономическую эффективность фотоэлектрических систем. Компания АББ уже давно является лидером в области инверторов и преобразователей питания и использует знания и опыт в этой области для создания передовых и высококачественных технических решений для фотоэлектрических энергосистем. Предлагаемый АББ ассортимент инверторов для солнечных батарей — это широкий спектр устройств, от небольших однофазных инверторов до центральных инверторов мощностью несколько сотен киловатт. Новинка в предлагаемом ассортименте, инвертор PVS300 рис. 1, обладает мощностью от 3,3 до 8 кВт, что позволяет применять его в жилых зданиях, а также в малых и средних коммерческих зданиях. Его полнофункциональная конструкция обеспечивает надежность и безопасность, особенно в установках, включающих в себя несколько инверторов.

2 Изображения на дисплее, понятные даже ребенку

3 Для тех, кто хочет получить более широкую картину выработки солнечной энергии, может быть предоставлена подробная техническая информация

3a. И нформация о выработке солнечной энергии

3b. П ри нажатии кнопки «Help» (Справка) на экран выводится пояснение по различным экранным формам

эксплуатацию, который запускается при первом включении инвертора. Настройку инвертора можно легко выполнить с помощью меню, которое похоже на меню повседневно используемых устройств, таких как мобильные телефоны.

пользуемых в большинстве традиционных фотоэлектрических систем.

Дисплей можно отсоединить от инверторам рис. 4 и 5 и установить отдельно — за пределами помещения, где установлен инвертор, для дистанционного контроля показателей инвертора. Дисплей также можно подключить к инвертору по беспроводному каналу связи — передатчик и приемник уже сопряжены на заводе-изготовителе, поэтому пользователю не придется выполнять сложную настройку, которая часто бывает необходима при установлении беспроводных соединений. Применяемые технологии и частотный диапазон аналогичны тем, что используются в беспроводных метеостанциях, однако обеспечивается большая дальность действия (по сравнению с Bluetooth) и меньшая потребляемая мощность (по сравнению с Wi-Fi) Встроенная защита Тщательная проработка дизайна, конструкции и компоновки инвертора АББ позволила учесть интересы системных интеграторов и установщиков фотоэлектрических систем. В частности, встроенная всесторонняя защита исключает необходимость во внешних компонентах, ис-

Инверторы PVS300 имеют мощность от 3,3 до 8 кВт, а полнофункциональная конструкция делает их надежными и безопасными, особенно в установках, включающих в себя несколько инверторов.

Токи короткого замыкания, возникающие в незаземленных системах при двух замыканиях на землю или замыкании между фазами, могут повредить компоненты системы или вызвать чрезмерный нагрев некоторых ее частей. Систему необходимо защитить от этой относительно редкой неполадки с помощью предохранителей в отрицательной и положительной ветвях кабельных соединений.

Кроме того, встроенная всесторонняя защита исключает необходимость во внешних компонентах, используемых в большинстве традиционных фотоэлек­трических систем. Кроме того, солнечные батареи подвержены воздействию атмосферы и могут выйти из строя в результате броска напряжения, вызванного ударом молнии. Для снижения этих рисков в каждой из ветвей необходимо установить устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Сопротивление этих устройств зависит от приложенного напряжения. Например, при нормальной работе их соПрактичность и эффективность

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­15

Топология с фиксированной нейтралью (NPC) в сочетании с запатентованной АББ схемой модуляции позволила создать эффективный инвертор с минимальными токами утечки и максимальным допустимым напряжением постоянного тока.

4 Инвертор PVS300 подходит для использования в жилых и коммерческих зданиях

5 Дисплей PVS300 можно установить отдельно для дистанционного контроля

6 Встроенный переключатель постоянного тока, предохранители и устройства защиты от перенапряжения под главной крышкой

противление чрезвычайно велико и снижается лишь в случае перенапряжения, отводя соответствующие токи на землю. К сожалению, стандартные УЗИП не работают должным образом в фотоэлектрических системах. Поэтому были разработаны специальные УЗИП для фотоэлектрических систем с высоким номинальным напряжением постоянного тока и низким предельно допустимым током короткого замыкания. Как правило, эти защитные устройства помещаются в отдельную распределительную коробку между модулями солнечных батарей и инвертором.

и средств на выбор, проектирование и установку внешних устройств защиты и корпусов для них рис. 6. Компактная интегрированная система удобна для системных интеграторов и установщиков благодаря эффективному использованию свободного места — это качество системы особенно ценится в установках с несколькими инверторами. Рациональная конструкция инвертора удобна и для конечных пользователей, поскольку значительно упрощает процедуру поиска и устранения неполадок, а также снижает затраты времени на ремонт неисправного инвертора. Например, встроенный микропроцессор контролирует работу внутренних защитных устройств (таких как предохранители и УЗИП) и немедленно выводит

Встроенная в инвертор АББ PVS300 защита позволяет избежать затрат времени ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­16

AББ Ревю 3|11

7 Инвертор PVS300 – топология с полномостовой схемой и фиксированной нейтралью (NPC)

+

Фильтр LCL

Сеть

8 Фотоэлектрическая система с паразитной емкостью Блок управления ШИМ

+

L1 ФЭ C PVg

на дисплей инвертора сообщения об обнаруженных неполадках (также возможна передача этой информации по электронной почте через Интернет). После получения такого сообщения можно быстро и безопасно заменить вышедшие из строя компоненты, например съемные модули разрядников для защиты от перенапряжений. Наконец, уменьшение материалоемкости инвертора является одним из основных факторов снижения выбросов CO2 в течение всего срока службы изделия. Безупречные характеристики Инвертор АББ основан на полномостовой схеме с фиксированной нейтралью (NPC) рис. 7, которая, в сочетании с запатентованной АББ схемой модуляции, обеспечивает высокую эффективность работы инвертора с минимальным током утечки и высоким максимально допустимым постоянным напряжением. Высокая эффективность обусловлена простотой конструкции, что можно проиллюстрировать на примере, в котором сравниваются некоторые аспекты конструкции традиционных солнечных инверторов с PVS300. Например, в традиционных инверторах используется дополнительный повышающий преобразователь на входе или повышающий трансформатор на выходе, а в инверторе АББ используется только один каскад преобразования постоянного тока в переменный. Устранение дополнительных каскадов преобразования повышает не только эффективность, но также и надежность системы. Повышение эффективности достигается с помощью интеллектуальной логики спящего режима и

современных материалов, таких как аморфные сплавы, из которых изготовлены сердечники выходного LCL-фильтра. Типовая незаземленная фотоэлектрическая система показана нам 8. Солнечные батареи всегда подключаются к заземлению через паразитную емкость (CPVg). Любая переменная составляющая напряжения UN вызовет протекание тока через эту емкость на землю. Если напряжение на конденсаторе содержит высокочастотные составляющие, они могут стать причиной возникновения высокочастотных блуждающих токов на землю, которые, в свою очередь, могут вызвать проблемы с электромагнитной совместимостью либо с течением времени ухудшить характеристики солнечных модулей или даже вывести их из строя. Запатентованная компанией АББ схема модуляции устраняет из UN высокочастотные составляющие, которые вносят некоторые инверторы из числа предлагаемых на рынке. Постоянное напряжение, создаваемое солнечной энергетической системой, зависит от конфигурации системы, температуры и интенсивности солнечного излучения. Благодаря широкому входному диапазону по постоянному току инвертор АББ позволяет использовать самые разные конфигурации последовательного и параллельного соединений и различные типы солнечных панелей. Высокое максимальное постоянное напряжение допускает подключение большего количества последовательно соединенных модулей, что в свою очередь снижает затраты и потери в кабелях постоянного тока. Инвертор PVS300 был впервые представлен участникам рынка в 2010 году — на

+ + U DC Инвертор U AB + UN -

L2

+ Фильтр ЭМП

Ug

∼

-

Высокое постоянное напряжение позволяет увеличить количество последовательно подсоединяемых модулей, что дает возможность снизить потери в кабелях постоянного тока и сократить расходы.

крупнейшей в мире выставке, посвященной солнечной энергетике, Intersolar в Мюнхене. Это событие последовало за успешным запуском в производство (годом ранее) основного семейства инверторов компании АББ для фотоэлектрических электростанций.

Юкка Нурми АBB Solar Inverters Хельсинки, Финляндия jukka.nurmi@fi.abb.com

Практичность и эффективность

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­17

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­18

AББ Ревю 3|11

Усовершенствованная защита энергосети Системы cвязи для релейной защиты следующего поколения

ромео комино, михаэль штритматтер – Системы релейной защиты и автоматики (РЗА) жизненно необходимы для обеспечения надежности и экономичности современных электроэнергетических систем. С развертыванием новых недетерминированных технологий Ethernet/IP в глобальных сетях, службы энергоснабжения по всему миру обеспокоены возможными нарушениями в работе защитной сигнализации, которая обеспечивает быструю и избирательную изоляцию неполадок в электрической сети. На основе обширного опыта в области применения РЗА и средств связи для решения задач энергоснабжения компания АББ разработала новые интерфейсы для своей платформы по передаче команд РЗА – системы NSD570, обеспечив

Н

арушения и отказы в электроэнергетических системах могут привести к серьезным падениям напряжения и отключениям электроснабжения, которые могут затронуть целые регионы или даже страны. Сильная зависимость современного общества от электричества не позволяет допускать такие перебои в подаче электроэнергии, поскольку они сказываются на повседневной жизни и имеют существенные экономические последствия. Поэтому очень важно избегать серьезных нарушений электроснабжения любыми возможными способами. Ключевым элементом для изоляции и быстрого устранения неполадок является рациональный подход к защите.

безопасную, надежную и безотказную работу оборудования защитной сигнализации по глобальным Ethernet/ IP-сетям.

Титульная фотография Электроэнергетические службы обеспокоены возможными нарушениями в работе защитной сигнализации на подстанциях, обусловленными недетерминированным характером обмена данными по сетям Ethernet.

Чтобы удовлетворять нормативам по устранению неполадок, системы защиты должны соответствовать установленным требованиям по чувствительности, времени отклика, избирательности и надежности. Схемы защиты, в частности для высоковольтных линий электропередачи, без использования средств связи редко отвечают всем этим требованиям. Типовая архитектура системы защиты для высоковольтной линии передач состоит из трех основных компонентов: защитных реле, оборудования cвязи для передачи сигналов релейной защиты противоаварийной автоматики и системы

связи рис. 1. Оборудование cвязи исполняет роль физического интерфейса между телекоммуникационной инфраструктурой и защитными реле. Крайне важно обеспечить передачу сигналов, генерируемых защитными реле («команд»), а также соблюдение требований по времени отклика и избирательности в случае отключения электропитания.

Чтобы удовлетворять нормати­вам по устранению неполадок, системы защиты должны соот­ветствовать установленным требованиям по чувствитель­ ности, времени отклика, изби­ рательности и надежности. Усовершенствованная защита энергосети

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­19

Возможные нарушения связи не могут ни привести к имитации команды, которая не была передана (защищенность), ни внести ненадлежащие задержки или заблокировать фактически переданные команды (надежность).

1 Типичная архитектура системы защиты Подстанция А

Оборудование/ функциональные модули защиты

Подстанция Б

Линия высокого напряжения

Оборудование/ функциональные модули для передачи сигналов команд РЗА

Система связи

Оборудование/ функциональные модули для передачи сигналов команд РЗА

Оборудование/ функциональные модули защиты

Система РЗА

Критерии для оборудования связи: защита, надежность и время передачи сигнала Поскольку любая система связи подвержена воздействию различных помех и факторов, ухудшающих качество связи (таких, как дрожание сигнала и ошибки в битах в цифровых сетях или шум от коронарных разрядов и изменчивость затухания в каналах связи, использующих линии электропередачи), характеристики оборудования cвязи в условиях возмущений, воздействующих на канал связи, определяются такими показателями, как защищенность, надежность и время передачи. Важным критерием является пропускная способность аналоговых линий связи и скорость передачи данных цифровых каналов или Ethernet. Чем шире полоса пропускания или скорость передачи данных, тем меньше время передачи, которое может быть достигнуто с помощью оборудования cвязи.

ответствующий сигнал управления (защищенность), а также не допускать внесения излишних задержек и блокировки команд, которые были фактически переданы (надежность). Поэтому все оборудование cвязи должно отвечать соответствующим требованиям по защищенности, надежности и времени передачи, определенным в стандарте IEC 60834-1 [1]. Защищенность, надежность, время передачи и полоса пропускания (или скорость передачи данных) являются взаимосвя-

Системы cвязи для передачи команд релейной защиты и противоаварийной автоматики АББ следующего поколения NSD570 используют Ethernetсоединения через интерфейс 10/100 Мбит/с.

Для системы релейной защиты первостепенное значение имеет способность cистемы связи исключать ситуации, в которых нарушения в канале связи могут привести к имитации команды на приемном конце линии, если не был передан со­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­20

AББ Ревю 3|11

занными параметрами. Требования высокой защищенности и надежности, малого времени передачи и узкой полосы пропускания (или низкой скорости передачи данных) являются противоречивыми. В результате акцент следует делать либо на надежности, либо на защищенности, либо на времени передачи, в зависимости от используемой схемы защиты, то есть в зависимости от того, для передачи каких ко-

2 Ethernet-интерфейс глобальной сети NSD570 типа G3LE

манд используется cистема связи — разрешающих, отключающих или блокирующих. Другим важным критерием является доступность самого канала связи для выполнения необходимой функции в любой момент времени в течение заданного интервала [2]. Уровень доступности системы связи, используемой для для передачи сигналов команд РЗА, должен составлять не менее 99,99%. Для достижения этой важной цели необходимо глубокое знание прикладных технологий связи. Кроме того, существенное значение имеют архитектура сети, реализация механизмов автоматического устранения отказов или самовосстановления, а также методы дублирования и резервирования. Помимо доступности канала связи важную роль также играют электромагнитная совместимость (ЭМС) системы РЗА и ее защищенность от помех, возникающих в результате быстрых переходных процессов и других внешних возмущений. Архитектура системы РЗА и соответствующего оборудования должна выдерживать воздействие помех именно в тот момент, когда возникает неисправность в системе электропитания, то есть тогда, когда наиболее востребована ее способность надежно передавать команды. Телемеханика РЗА с использованием различных сред и каналов передачи данных Для реализации телемеханики РЗА можно

использовать различные среды передачи данных. Вследствие того, что по-прежнему широко применяются двухточечные линии связи, на сегодняшний день преобладают следующие среды передачи: – линии высокочастотной связи по проводам линий электропередачи (ВЧ ЛЭП); – оптоволоконные линии связи; – медные провода/сигнальные кабели; – СВЧ-радиолинии. Интерфейс между оборудованием телемеханической защиты и терминалом связи представляет собой либо аналоговую схему с полосой пропускания, соответствующей голосовому частотному диапазону, либо цифровой/оптический каскад с определенной скоростью передачи данных, например 64 кбит рис. 3. Оборудование для передачи сигналов команд РЗА АББ следующего поколения NSD570 предлагает полный набор интерфейсов для подключения систем связи, как уже упоминалось выше, и поддерживает подключение к сети Ethernet через интерфейс 10/100 Мбит/с. Эти интерфейсы рассматриваются ниже. Не является ли развертывание Ethernet/ IP-сетей угрозой для будущего РЗА? Системы РЗА используют каналы связи, обеспечивающие детерминированные задержки передачи сигнала и имеют неизменную во времени постоянную полосу пропускания или скорость передачи данных, без каких- либо отклонений запаздывания сигнала. Методы статического

Системы cвязи для передачи команд релейной защиты обычно исполь­зуют каналы связи, обеспечивающие детерминирован­ ные задержки пере­дачи сигнала и име­ют постоянную полосу пропуска­ ния.

Сноска 1 Сеть на основе плезиохронной цифровой иерархии (PDH) — это сеть, в которой разные потоки данных почти, но не полностью, синхронизированы.

Усовершенствованная защита энергосети

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­21

3 Среда передачи и каналы связи, используемые NSD570

и а й си чес л гн ки ал й

Команды системы защиты

-

-

Et

he

rn

et

-

Оптическое волокно

Оптическое волокно

анал ого сигн вый ал

-

Станция Б Станция В

Мультиплексор

Радиоканал

-

Медные провода

NSD570

Мультиплексор

й ц сиг ески ч ти ал оп сигн

ан ан ал ал о ог с и в ы й го ов гн ый а ци си ан л ф ал гн си ров ог ал с гн ой ци игн овы ал фр ал й оп сиг ово т н

Мультиплексор Мультиплексор

ВЧ ЛЭП

ЛЭП

оал ог гн ал си ан вый ал ый н иг ый й ов с о ог в ов ал ого л фр ал ал н а й ан ан сиг ово ци сигн р л иф на

ВЧ ЛЭП

4 Задача – организовать релейную защиту через Ethernet/IP-сети

-

ый о го в анал гнал си

Et

he

IP-сеть

Компания АББ, ве­д ущий поставщик систем релейной защиты и автомати­к и, разработала для платформы NSD570 новый набор интер­ф ейсов, предназна­ченных для реали­зации функций защитной сигнали­зации и дистанци­о нного управления по Ethernet/IP-сетям.

rn

et

NSD570 Станция A Команды системы защиты

Ethernet/IPсеть

NSD570 Станция Д

NSD570

мультиплексирования, такие как плезиохронная цифровая иерархия (PDH) и синхронная цифровая иерархия (SDH), отвечают этому требованию — они в течение многих десятилетий применялись электроэнергетическими службами в своих глобальных сетях связи. С появлением новых технологий передачи на основе статистического мультиплексирования, которые используют методы выделения полосы пропускания по требованию или по принципу «лучшее из возможного», службы энергоснабжения по всему миру обеспокоены тем, что при использовании этих новых технологий связи реализация строгих требований к характеристикам систем РЗА может оказаться под угрозой. Это вызывает особую обеспокоенность в случаях, когда электроэнергетические службы полагаются на услуги связи, предоставляемые сторонними компаниями (то есть когда каналы связи не находятся под полным контролем самих служб). Как следствие, при использовании IP/ Ethernet-сетей для защитной сигнализации необходимо предусматривать функции контроля доступности и качества каналов связи, проложенных через глобальную сеть, а также функции извещения защитного оборудования о невозможности надежной передачи команд на другой конец линии связи рис. 4. Инновационные решения для систем передачи сигналов команд РЗА следующего поколения Компания АББ, ведущий поставщик систем телемеханической защиты, разработала для платформы NSD570 новый набор интерфейсов, предназначенных для реализации функций защитной сигнализации

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­22

AББ Ревю 3|11

Станция Г

NSD570

и дистанционного управления по Ethernet/ IP-сетям рис. 2. Были представлены два следующих инновационных модуля: – Ethernet-интерфейс глобальной сети NSD570 типа G3LE: – управляющий интерфейс локальной сети NSD570 типа G3LM. Ethernet-интерфейс глобальной сети NSD570 типа G3LE: – новый интерфейс линии связи для передачи до восьми одновременных/независимых команд по Ethernet/IP-сетям рис. 3.

– функции текущего контроля и передачи аварийных сигналов, аналогичные функциям, применяемым в существующих интерфейсах линии связи NSD570 (доступность и качество канала связи, задержка при сквозной передаче сигнала, адресация терминалов). Управляющий интерфейс локальной сети NSD570 типа G3LM: – преемник существующего интерфейса управления для удаленного доступа с дополнительными функциями, такими как поддержка простого протокола управления сетью (SNMP) и виртуальной локальной сети (VLAN), и усовершенствованными мерами информационной безопасности, такими как аутентификация и ведение журналов регистрации событий; – служит для дистанционного контроля/ управления модулями телемеханической защиты в стойке и другими модулями через шину RS-485 (позволяющую объединить несколько стоек) рис. 5. Каждый из этих модулей оснащен электрическим портом (10/100 Мбит/с) и оптическим портом (100 Мбит/с) со сменными компактными приемопередатчиками (SFP) для подключения к Ethernet/IP-сети рис. 6.

5 Защищенный удаленный доступ к NSD570

Станционная шина RS-485

6 Новый подключаемый модуль G3LE/G3LM для платформы РЗА АББ NSD570

Подстанция

Подстанция

Рабочая станция

Один NSD570, оснащенный сетевым интерфейсом

Ethernet ЛВС подстанции

Шлюз

Внутренняя корпоративная сеть или глобальная сеть (Интернет)

Ноутбук

Ethernet-интерфейс глобальной сети NSD570 (G3LE) – надежная система защитной сигнализации с использованием Ethernet/IP-сетей Вместо простого преобразования существующего синхронного канала со скоростью передачи данных 64 кбит/с цифровой системы NSD570 в Ethernet-пакеты был разработан протокол, позволяющий уменьшить запаздывание и снизить требования к полосе пропускания. Помимо команд передачи сигналов РЗА, полезное содержимое такого пакета включает несколько полей данных, которые позволяют передавать результаты измерений ключевых параметров, включая время передачи и коэффициент потери пакетов. Все полезное содержимое защищено алгоритмом аутентификации (заявка на патент в стадии рассмотрения), который обеспечивает защиту информации от различных угроз. Подсистема контроля постоянно следит за качеством и доступностью канала связи Сеть с коммутацией пакетов подвержена воздействию различных факторов, которые могут увеличить время передачи сигнала.

Ethernet-интерфейс NSD570 постоянно отслеживает доступность и качество канала связи с помощью специальных «контрольных» пакетов, которые отправляются через заданные пользователем интервалы времени. Если измеренное время передачи или коэффициент потери пакетов превышают заданные пользователем пороговые значения или если канал становится полностью недоступным, передается аварийный сигнал.

Обеспечение надежной передачи команд Сразу после получения команды от защитных реле, Ethernet-интерфейс глобальной сети NSD570 приступает к отправке серии «отключающих» пакетов, разделенных короткими интервалами времени. Это обеспечивает быстрый прием пакетов на удаленном устройстве NSD570 даже при очень плохих условиях прохождения сигнала в канале (то есть при высоком коэффициенте потери пакетов). После этой начальной последовательности Ethernet-интерфейс NSD570 продолжает отправлять «отключающие» пакеты, но в более низком темпе, установленном для «контрольных» пакетов. Если команда снимается защитным реле, с этого момента начинается отправка «контрольных» пакетов.

обслуживания на уровне 3 протокола IP и «VLAN tagging» — идентификатор и приоритет кадра Ethernet на уровне 2. Доказанная эффективность в неблагоприятных условиях Показатель защиты в наихудших условиях (вероятность поступления нежелательной команды или Puc) для отключающих команд, передаваемых через цифровые системы связи, в соответствии со стандартом IEC 60834-1 равен Puc < 1E-08. Для нового протокола, реализованного в NSD570, можно математически вывести значение Puc < 1E-18.

С целью выявления возможных несанкционированных манипуляций с системой на ранних стадиях все действия пользователя регистрируются.

Прием лишь одного правильного «отключающего» пакета на удаленном устройстве NSD570 вызывает срабатывание настроенных выходов реле в соответствии с командами, полученными в пакете.

Настройка приоритета для срочной передачи сигналов команд РЗА Поскольку команды РЗА являются срочными, они должны быть переданы через сеть как можно быстрее. И IP, и Ethernet имеют средства для установки приоритетов и соответствующей обработки трафика с высоким приоритетом. Ethernetинтерфейс NSD570 обеспечивает настройку приоритета Ethernet/IP с помощью следующих параметров: «ToS» — тип

Новый Ethernet-интерфейс NSD570 типа G3LE прошел всесторонние испытания в сети, построенной на основе Ethernetкоммутаторов АББ серии AFS. Даже в условиях имитации всплеска трафика с использованием пакетов разного размера и перегрузки на нескольких участках сети время передачи не превысило 4 мс и составило в среднем около 2,5 мс. Для проверки надежности работы устройства при крайне неблагоприятных условиях в Ethernet/IP-сети, то есть при коэффициенте потери пакетов (PLR) не менее 10%, была оценена надежность передачи команд (характеризующаяся вероятноУсовершенствованная защита энергосети

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­23

Правильный выбор архитектуры Ethernet/IP-сети и ее надлежащая настройка являются необходимым условием, гарантирующим низкий коэффициент потери пакетов и минимальные задержки.

стью пропуска команды или Pmc). При разных значениях PLR было отправлено большое количество отключающих пакетов, при этом в течение определенного времени (Tac) фиксировалось количество не дошедших до получателя команд, на основе которого было рассчитано значение Pmc. Для сравнения была оценена надежность на основе коэффициента битовых ошибок (BER), выведенного из соответствующего коэффициента потери пакетов рис. 7. Результаты этих испытаний в сочетании с дополнительными натурными испытаниями в Ethernet/IP-сетях электроэнергетических служб, подтвердили, что новый Ethernet- интерфейс глобальной сети АББ типа G3LE соответствует требованиям, установленным для цифрового оборудования РЗА в соответствии с IEC 60834-1, и даже превосходит их. Для надежной передачи команд требуется надлежащая архитектура Ethernet/IP-сети и настройка, гарантирующая, что заданные коэффициент потери пакетов и задержка передачи сигнала между двумя терминалами NSD570 не будут превышены. Если это требование не выполняется, NSD570 немедленно сообщает об ухудшении качества связи через сеть. ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­24

AББ Ревю 3|11

7 Выдержка из результатов тестирования (Ethernet-интерфейс глобальной сети NSD570, тип G3LE) Надежность

Pmc <

1E-02

1E-02

1E-03

1E-03

1E-04

Состояние канала – коэффициент потери пакетов

PLR <

1%

2%

3%

10%

10%

Состояние канала — BER < коэффициент битовых ошибок

1.1E-05

2.3E-05

3.5E-05

1.2E-04

–

Макс. фактическое время передачи

4 мс

5 мс

6 мс

8 мс

10 мс

Tac ≤

Управляющий интерфейс локальной сети NSD570 (G3LM) — безопасное удаленное подключение и текущий контроль Вместе с Ethernet-интерфейсом глобальной сети G3LE был представлен новый интерфейс локальной сети NSD570 типа G3LM, обеспечивающий удаленный доступ к оборудованию NSD570 через Ethernet/IP- сети. Встроенный агент SNMP передает на станции управления сетью информацию об аварийных сигналах и оборудовании, используя интерфейс SNMP, построенный на основе открытых стандартов.

В настоящее время соответствующая требованиям стандарта IEC 61850 внутристанционная система связи на основе Ethernet-шины используется только для передачи сигналов управления и автоматизации. Сигналы защиты по-прежнему передаются от реле к реле и от реле к устройству РЗА по проводам. Однако был разработан новый модуль NSD570 типа G3LS, который позволит в будущем принимать сообщения GOOSE 3, соответствующие IEC 61850-8-1, которые передают реле защиты с интерфейсом GOOSE.

Система является полностью интегрированной, то есть не требует никаких внешних устройств, которые нуждаются в отдельном источнике питания и пользовательском интерфейсе для управления.

Кроме того, были реализованы функции, повышающие уровень информационной безопасности и позволяющие заказчикам э к с п л уа т и р о в а т ь систему передачи сигналов команд РЗА NSD570 с поддержкой новых стандартов, таких как NERC CIP. Для шифрования и аутентификации доступа пользователей используется протокол Secure Socket Layer (SSL). Кроме того, новая система администрирования пользователей позволяет настраивать отдельные учетные записи пользователей и индивидуально назначать пользователям права доступа. С целью выявления возможных несанкционированных манипуляций с системой на ранних стадиях все действия пользователя регистрируются. Готовность NSD570 для перспективных областей применения в соответствии с IEC 61850 Введение IEC 61850 2, международного стандарта для связи между подстанциями, стало стимулом для внедрения на подстанциях локальных сетей на основе стандарта Ethernet.

Более того, с целью обсуждения и определения расширения стандарта IEC 61850 для связи между подстанциями были сформированы новые рабочие группы IEC. В марте 2010 года в рамках IEC 61850-90-1 был выпущен технический отчет, касающийся обеспечения такой связи через глобальную сеть [3]. В соответствии с описанным в данном докладе подходом, предусматривающим использование «шлюзов», сигналы защиты GOOSE можно передавать через глобальную сеть на удаленный модуль NSD570 через любой аналоговый, цифровой/оптический или Ethernet-канал рис. 3. При использовании интерфейса локальной сети G3LS с поддержкой GOOSE возможна смешанная работа традиционных реле защиты и реле защиты, отвечающих требованиям IEC 61850: По одному и тому

Сокращения

BER

Bit Error Rate – коэффициент битовых ошибок

CIP

Critical Infrastructure Protection – защита важных элементов инфраструктуры

EMC

Electromagnetic Compatibility (EMC) – электромагнитная совместимость (ЭМС)

GOOSE Generic Object Oriented Substation Events – объектная модель типовых событий на подстанциях IEC

International Electrotechnical Commission – Международная электротехническая комиссия

IP

Internet Protocol – интернетпротокол

LAN

Local Area Network – локальная вычислительная сеть, ЛВС

MUX

Multiplexer – Мультиплексор

NERC

North American Electric Reliability Corporation – Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения

PDH

Plesiochronous Digital Hierarchy – плезиохронная цифровая иерархия

PLC

Power Line Carrier – канал высокочастотной связи по проводам линий электропередачи

PLR

Packet Loss Rate – коэффициент потери пакетов

SDH

Synchronous Digital Hierarchy – синхронная цифровая иерархия

SFP

Small Form-factor Pluggable – стандарт сменных компактных устройств

SNMP

Simple Network Management Protocol – простой протокол управления сетью

S/S

Substation – подстанция

ToS

Type of Service – тип обслуживания

VLAN

Virtual Local Area Network – виртуальная локальная вычислительная сеть

WAN

Wide Area Network – глобальная вычислительная сеть, ГВС

Выводы Система NSD570, созданная с применением новейших технологий компании АББ, представляет собой перспективную платформу, которая может быть интегрирована в глобальную Ethernet/IP-сеть или в локальную сеть подстанции путем простой замены/добавления одного модуля.

NSD570 — это полнофункциональная система, отвечающая требованиям к интерфейсу релейной защиты и линии связи. Система является полностью интегрированной, то есть не требует внешних устройств, которые нуждаются в отдельном источнике питания и пользовательском интерфейсе для управления. Система позволяет использовать уже установленные «традиционные» защитные реле с командными входами/выходами контактного типа через любые доступные каналы связи параллельно с новыми реле защиты типа GOOSE (IEC 61850) через тот же канал, который использует NSD570. Благодаря этому NSD570 поддерживает поэтапный перевод подстанций на оборудование, соответствующее стандарту IEC 61850, то есть совместимость «традиционных» подстанций с подстанциями стандарта IEC 61850 через существующие каналы релейной защиты NSD570. Архитектура NSD570 отвечает требованиям заказчиков, планирующих перенести свою глобальную сетевую инфраструктуру на Ethernet/IP-сети. Например, они могут параллельно использовать интерфейсы с цифровыми линиями связи и сетью Ethernet, постепенно укрепляя доверие к новой среде передачи. Для этой цели предусмотрен экономичный режим защиты путей передачи сигналов по схеме «1+1», не требующий дублирования интерфейсов реле с устройствами защиты. Для построения схемы требуется лишь подключить к той же стойке интерфейс второй линии, используемой в качестве резервного канала связи.

же каналу NSD570 можно параллельно передавать команды GOOSE и команды на управление контактами. Помимо этого, сообщения GOOSE от одной подстанции можно передавать на другую подстанцию в виде команды управления контактами. Ромео Комино

Таким образом, модуль NSD570 компании АББ с его открытой архитектурой подготовлен к дальнейшему совершенствованию с учетом развития стандартов IEC 61850 как для внутристанционной связи, так и для связи между подстанциями.

Михаэль Штритматтер АBB Power Systems System Group Utility Communications Баден, Швейцария romeo.comino@ch.abb.com michael.strittmatter@ch.abb.com

Система NSD570, созданная с приме­нением новейших технологий компа­нии АББ, представ­ляет собой пер­с пективную платформу, которая может быть инте­грирована в гло­бальную Ethernet/IP-сеть или в ло­кальную сеть под­с танции путем про­с той замены/добавления одного модуля.

Список литературы [1] IEC publication 60834-1 “Teleprotection Equipment of Power Systems – Performance and Testing – Part 1: Command Systems”.

[2] Protection using Telecommunications, Cigre Joint Working Group 34/35.11, August 2001 [3] IEC publication 61850-90-1 “Use of IEC 61850 for the communication between substations”.

Сноски 2 См. также специальный отчет АББ Review по стандарту IEC 61850 (отчет можно загрузить со страницы www.abb.com/abbreview).

3 GOOSE: объектная модель типовых событий на подстанциях — это модель управления, определенная стандартом IEC 61850 для передачи данных о событиях.

Усовершенствованная защита энергосети

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­25

Энергия в розлив Гидроаккумулирующая электростанция для решения задач энергоснабжения и оптимизации использования тарифов СтИВ ОВЕРт – Последние достижения в области силовой

электростанцией в Европе, где внедрена установка с

электроники и электрических машин открывают новое

регулируемой частотой вращения, оснащенная современной

направление в развитии крупных гидроаккумулирующих

трехуровневой системой преобразования напряжения на

сооружений. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС),

тиристорах с интегрированным управлением (IGCT). Подраз-

оснащенные приводами с регулируемой частотой вращения,

деление силовых преобразователей среднего напряжения

обеспечивают несколько преимуществ по сравнению с

компании АББ Switzerland выполнило работы по проектирова-

обычными системами с постоянной частотой вращения.

нию электрической и механической частей, монтажу и вводу в

Регулирование частоты вращения осуществляется с помощью

эксплуатацию системы возбуждения переменного тока PCS

асинхронных электрических машин двойного питания,

8000, включая трансформатор возбуждения. После успешного

управляемых системами возбуждения переменного тока. Эти

ввода в эксплуатацию установка была сдана заказчику,

системы подают на ротор низкочастотный трехфазный ток и

компании SENG d.o.o., и находится в промышленной эксплуа-

регулируют частоту вращения или активную и реактивную

тации с апреля 2010 года.

мощность машин. ГАЭС в Авче (Словения) является первой ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­26

AББ Ревю 3|11

П

римерно две трети электроэнергии в Словении вырабатывается на атомных и угольных электростанциях, а одна треть – на гидроэлектростанциях, главным образом руслового типа. Эти генерирующие мощности в основном покрывают базисную и полупиковую нагрузку. В этих условиях трудно обеспечить регулирование выработки электроэнергии в зависимости от спроса. Страна сталкивается с недостатком пиковых энергетических мощностей для покрытия периодов высокого энергопотребления и избытком мощностей в периоды низкого потребления, особенно ночью и в выходные дни. Большая разница между ценами на электроэнергию в периоды пикового и минимального потребления отрицательно влияет на общую стоимость энергии. В то же время, поскольку Словения граничит с Италией, Хорватией и Австрией, она находится на перекрестке международных энергетических потоков в новой европейской сети линий электропередачи. Сеть Словении должна нести свою долю ответственности за международную передачу энергии. Чтобы удовлетворить потребности и ожидания потребителей, необходимо обеспечить надлежащую взаимосвязь между регионами и до-

статочный объем генерирующих мощностей. Для непрерывного электроснабжения и предотвращения аварийных отключений электричества также необходимо соблюдать действующие правила сети электропередачи. Исходя из этих соображений, компания Soske Elektrarne Nova Gorica d.o.o. (SENG), входящая в словенскую энергетическую группу HSE (Holdinga Slovenske Elektrarne), приняла решение вложить средства в возведение первой в стране гидроа к к у м ул и р у ю щей электростанции (ГАЭС). Гидроаккумулирующие сооружения позволяют накапливать большое количество энергии в периоды действия низких цен (особенно по ночам и в выходные дни), за счет преобразования электрической энергии в потенциальную с помощью насоса. В периоды высокого потребления, когда цены на электроэнергию велики, станция исполь-

зует накопленную воду для выработки электроэнергии. Используя такой процесс накопления энергии, атомные и угольные электростанции могут постоянно работать в оптимальном эксплуатационном режиме, даже в периоды низкого потребления электроэнергии. Кроме того, накопление энергии позволит уменьшить влияние дорогостоящих и неэффективных изменений уставок при выработке электроэнергии на теплоэлектростанциях.

Основным преимуществом си­стем с регулируемой частотой вращения является возможность регулирования активной мощно­сти в режиме насоса. Местоположение ГАЭС Авче — рядом с го-

Титульная фотография Вид на верхний резервуар ГАЭС Авче и окружающий пейзаж..

Энергия в розлив

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­27

Гидроаккумулирующие сооружения по­ зволяют накапливать большое количество энергии в периоды низкого энергопотре­бления. В периоды высокого потребления станция использует накопленную воду для выработки электроэнергии. родом Нова Горица вблизи западной границы страны, имеет преимущество в виде наличия существующего нижнего резервуара на реке Соча, а также гористого рельефа с большим разбросом по высоте . Кроме того, распределительная подстанция обеспечивает электрическое подсоединение электростанции к существующей североприморской линии электропередачи (ЛЭП) напряжением 110 кВ, которая, в свою очередь, подсоединена к расположенной в нескольких километрах трансграничной ЛЭП, идущей в Италию. ГАЭС также будет обеспечивать поддержку развития обычных ГЭС в регионе. При возведении ГАЭС были построены верхний резервуар, подводящий тоннель, расширительный резервуар, напорный трубопровод и здание электростанции. Здание электростанции, находящееся на левом берегу реки Соча, состоит из шахты глубиной 80 м и верхних строений. В шахте установлены реверсивный насос-турбина и двигатель-генератор с вспомогательным оборудованием. В здании электростанции также установлены система возбуждения, автоматические выключатели, трансформаторы, дизель- генератор, аккумуляторные батареи, подвижные краны и другое оборудование. Оптимизация работы ГАЭС Стремясь добиться максимально эффективной работы ГАЭС, компания SENG приняла решение установить на ней реверсивный агрегат мощностью 195 МВА с регулируемой частотой вращения. Возможность регулирования частоты вращения в генерирующей установке ГАЭС дает ряд преимуществ по сравнению с традиционными системами с постоянной частотой вращения. В классических решениях, где синхронные машины работают с постоянной частотой вращения, схема возбуждения позволяет регулировать только реактивную мощность. Во время выработки электроэнергии активную мощность можно регулировать только механически, используя направляющий аппарат. В режиме насоса регулировка поглощенной активной мощно­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­28

AББ Ревю 3|11

сти вообще невозможна. При использовании систем с регулируемой частотой вращения активная и реактивная мощность установки регулируется с помощью системы возбуждения переменного тока и в режиме насоса, и в режиме генератора. Это дает ряд технических преимуществ, которые, в конечном счете, выражаются в экономических преимуществах. Реверсивные насос-турбины Фрэнсиса, как правило, разрабатываются с учетом номинального напора и номинальной мощности машины. В связи с непрерывным изменением эффективного напора фактическая рабочая точка при использовании систем с фиксированной частотой вращения обычно находится в окрестностях расчетной, не совпадая с ней. Поэтому насос-турбины с фиксированной частотой вращения чаще всего не достигают уровня оптимальной эффективности. В режиме генератора при частичной нагрузке эффективность насос-турбины можно повысить путем регулировки частоты

Алгоритмы управ­ ления, используе­ мые для преобразователей частоты, постоянно совершенствовались на протяжении более чем тридцати лет. вращения в зависимости от требуемой мощности и фактического напора. А в режиме насоса оптимальный режим работы насостурбины может определяться на основе фактического напора или в зависимости от доступной мощности из электросети. Это позволило расширить рабочий диапазон установки в период накачивания воды в водохранилище и в период выработки электроэнергии и увеличить КПД цикла насос-

1 Здание электростанции Авче находится на берегу реки Соча, рядом с нижним резервуаром

турбины на ГАЭС Авче до более чем 77%. Основным преимуществом системы с регулируемой частотой вращения является возможность регулирования активной мощности в режиме насоса — на ГАЭС Авче регулировка осуществляется в диапазоне от 65 до 100% от номинальной мощности. Возможность регулирования поглощенной активной мощности в режиме насоса обеспечивает гибкое управление накоплением энергии в зависимости от доступной мощности из электросети, несмотря на колебания доступной мощности из-за разницы между выработкой и потреблением электроэнергии. Гибкость управления позволяет оптимизировать эксплуатацию хранилища за счет увеличения накопленной энергии за единицу времени, а также благодаря значительному сокращению количества пусковостановов по сравнению с установками с фиксированной частотой вращения. Кроме того, регулирование активной мощности дает возможность даже в режиме насоса вносить определенный вклад в первичное регулирование частоты в электросети (системные услуги). При использовании обычных установок с постоянной частотой вращения предоставление этих услуг осуществляется отдельно, путем запуска генераторной установки в периоды малого потребления и низких цен на электроэнергию. Очевидно, что выработка электроэнергии в периоды действия низких цен нерациональна с финансовой точки зрения, поэтому гидроаккумулирующие сооружения, где применяются установки с регулируемой частотой вращения, обеспечивают максимальные экономические преимущества, повышая доходы за счет оптимизации режимов насоса и генератора, а также предоставления системных услуг. Регулирование мощности в машинах с регулируемой частотой вращения также будет играть важную роль при добавлении других генерирующих мощностей, использующих энергию из возобновляемых источников, например энергию ветра. Даже в тех случаях, когда выработка энергии на таких электростанциях является предсказуемым про-

2 Принципиальная схема системы возбуждения переменного тока

3 Система возбуждения переменного тока АББ PCS 8000 в контейнере, установленная в здании электростанции

Сеть 50 Гц

Защита машины Блок охлаждения Трансформатор возбуждения 2x

Система управления генератором/ двигателем Отображение аварийных сигналов и событий

Управление и защита (AC 800PEC) Промежуточное звено постоянного тока

Пусковой блок DFIM

IGCT

IGCT

ARU

INU

Преобразователь системы возбуждения переменного тока

Насостурбина

Объем поставки системы возбуждения переменного тока

цессом, объемы выработки электроэнергии могут не соответствовать потреблению. ГАЭС является наиболее крупным и экономически выгодным решением для интеграции источников энергии периодического действия в действующую электрическую сеть. Кроме того, применение гидроаккумулирующих сооружений позволяет уменьшить выбросы парниковых газов на газотурбинных электростанциях в периоды пиковой выработки электроэнергии. Система возбуждения переменного тока АББ Установка с регулируемой частотой вращения для ГАЭС включает асинхронную электрическую машину двойного питания (DFIM). В асинхронных машинах двойного питания используется трехфазное подключение фазного ротора через контактные кольца. Регулирование частоты вращения осуществляется с помощью низкочастотного трехфазного переменного тока от системы возбуждения, подаваемого на ротор. Частота то- ков в роторе определяется разницей между фактической скоростью вращения и синхронной скоростью, зависящей от частоты электросети. Система возбуждения переменного тока PCS 8000 фактически регулирует скольжение ротора относительно синхронной скорости. В то же время векторное управление токами возбуждения позволяет регулировать не только скорость/ активную мощность, но также и напряжение/реактивную мощность машины. Управление напряжением/реактивной мощностью осуществляется так же, как и в традиционных системах возбуждения постоянного тока, например АББ Unitrol® для синхронных машин. Управление последовательностями пуска/торможения машины выполняется с помощью той же системы возбуждения переменного тока PCS 8000. Дополнительный пускатель не требуется.

Благодаря тому что в установках с регулируемой частотой вращения управление активной и реактивной мощностью осуществляется раздельно, появляется возможность внести дополнительный вклад в стабильность электросети. Для электростанций, где применяются установки с регулируемой частотой вращения, не требуется стабилизатор энергосистемы. Регулирование активной мощности машины повышает стабильность и обеспечивает быструю реакцию на возмущения в электросети. Установки с регулируемой частотой вращения выступают в качестве амортизирующих элементов для всей электросети: они поглощают колебания мощности, создаваемые синхронными генераторами. Электронное регулирование частоты вращения существенно снижает время реакции по сравнению с механическим регулированием с помощью гидравлических систем привода направляющего аппарата. Благодаря отсутствию потребности в синхронизации частоты вращения установки с частотой электросети, станция с такими установками может исполнять роль накопителя для сглаживания краткос р о ч н ы х возмущений. Эти превосходные возможности управления можно использовать для стабилизации ЛЭП большой протяженности.

управления и преобразователя, трансформатором возбуждения и пусковым блоком рис. 2. В сферу ответственности компании АББ также входили проектирование, управление проектом, изготовление и проведение заводских приемочных испытаний на заводе-изготовителе, а также монтаж оборудования и ввод его в эксплуатацию на объекте. Весь проект был реализован на базе производственной площадки подразделения АББ Automation Products, расположенной в г. Турги (Швейцария). Завод-изготовитель в Турги занимается поставкой систем возбуждения переменного тока PCS 8000 по всему миру. Система возбуждения переменного тока была поставлена в контейнере, где также были смонтированы преобразователь, блок управления, блок защиты и блок водяного охлаждения рис. 3, 4, 5. Агрегат был собран и прошел полый цикл испытаний на заводе АББ, что позволило сократить сроки монтажа и ввода в эксплуатацию на объекте. Программное обеспечение системы управления, включающее функции защиты преобразователя и трансформатора воз-

Система возбуждения переменного тока АББ PCS 8000 В число компонентов, поставленных компанией АББ для проекта ГАЭС Авче, входил преобразователь возбуждения переменного тока вместе с подсистемой защиты блока

буждения, было протестировано на заводеизготовителе с использованием программно-аппаратного моделирования в режиме реального времени. Это также позволило сократить сроки ввода в эксплуатацию на объекте, исключив из них время на прове-

Гидроаккумулирующие соору­ жения позволяют уменьшить выбросы парниковых газов на газотурбинных электростан­ циях в периоды пиковой выработки электроэнергии.

Энергия в розлив

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­29

4 Вид на внутренний зал электростанции с системой возбуждения переменного тока АББ PCS 8000

5 Трансформатор возбуждения переменного тока с тремя шинопроводами (слева, окрашены в желтый цвет) для питания первичных обмоток и 6 шин для 12-импульсного активного выпрямителя

дение тестов. Система возбуждения переменного тока АББ построена на основе современной трехуровневой топологии преобразования напряжения (VSC). Силовые электронные преобразователи частоты компании АББ опираются на давние традиции. Первое поколение этих систем было поставлено в 1970-х. Технология VSC применяется компанией АББ в целом ряде устройств, включая блоки межсистемной связи для железных дорог, статические компенсаторы реактивной мощности (STATCOM), статические преобразователи частоты для энергоснабжения, а также (с начала 1990-х годов) системы возбуждения переменного тока для асинхронных электрических машин двойного питания и вращающихся преобразователей частоты. Компания АББ установила более двадцати преобразователей возбуждения переменного тока и обладает обширным опытом работы с асинхронными электрическими машинами двойного питания. Алгоритмы управления, используемые для преобразователей частоты, постоянно совершенствовались на протяжении более ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­30

AББ Ревю 3|11

6 Преобразователь возбуждения переменного тока PCS 8000 с тиристорами IGCT AC в контейнере

чем тридцати лет. Полученный опыт помог выработать конкретные требования к оборудованию для гидроаккумулирующих сооружений и служит гарантией надежного и безопасного внедрения и эксплуатации машины. Технология преобразования напряжения АББ основана на полупроводниковых тиристорах IGCT, собранных в трехуровневые силовые электронные блоки (PEBB) рис. 6. Из этих блоков собираются преобразователи. Согласно требованиям проекта ГАЭС Авче, конфигурация системы возбуждения переменного тока PCS 8000 содержит две трехфазные системы в блоке активного выпрямителя (ARU) и одну трехфазную систему в блоке инвертора (INU), подсоединенном к одному промежуточному звену постоянного токам рис. 7. Так называемая «12-импульсная топология активного выпрямителя» характеризуется типовыми преимуществами в отношении коэффициента гармоник. Блок инвертора имеет четыре параллельно соединенных фазовых вывода для подачи требуемых токов ротора при работе в номинальном режиме, включая резерв для переходных состояний. Соединение двух инверторов напряжения через промежуточное звено постоянного тока обеспечивает высокую эксплуатационную гибкость. Управление частотой, напряжением и коэффициентом мощности можно осуществлять независимо на каждой из сторон, подача реактивной мощности в систему возбуждения не требуется. В промежуточном звене постоянного тока предусмотрен блок ограничения напряжения (VLU). Задача блока VLU — поддерживать напряжение в промежуточном звене постоянного тока в заданных пределах. Полупроводниковые приборы IGCT олицетворяют применение передовых технологий в преобразователях высокой мощности, по-

скольку они сочетают преимущества запираемых тиристоров (GTO) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Потери в состоянии проводимости у IGCT такие же низкие, как у запираемых тиристоров, а время переключения между состояниями так же мало, как у биполярных транзисторов с изолированным затвором. Благодаря монолитной структуре IGCT демонстрируют при перегрузках такое же поведение, как обычные и запираемые тиристоры. В случае отказа полупроводникового прибора в кремниевой пластине формируется проводящий канал. В состоянии отказа такое поведение обеспечивает механическую целостность корпуса полупроводникового прибора, а также формирование пути подачи тока в цепь ротора (в установках с регулируемой частотой вращения), исключая опасное превышение напряжения ротора. Не все предлагаемые на рынке полупроводниковые приборы демонстрируют такое же отказоустойчивое поведение. Блок управления системы возбуждения переменного тока создан на основе контроллера АББ AC 800PEC, специально разработанного для высокоскоростного управления силовыми полупроводниковыми приборами. Шкаф управления содержит оборудование контроллера AC 800PEC, а также все необходимые устройства ввода/вывода для подсистемы управления генератором/двигателем, преобразователя возбуждения переменного тока, трансформатора возбуждения, системы охлаждения и трансформаторов напряжения/тока. Контроллер AC 800PEC принадлежит к широко распространенному семейству АББ 800xA и сочетает мощный центральный процессор и большую программируемую пользователем логическую матрицу, что позволяет применять AC 800PEC для управления силовой электроникой, предъявляющей повышен-

7 Подробная схема системы возбуждения переменного тока PCS 8000 с одним модулем промежуточного звена постоянного тока для повышения стабильности системы и обеспечения ее компактности

4 x 3 фазы 3-уровневые инверторы

8 Плотина и прекрасный вид на окрестности ГАЭС Авче

2 x 3 фазы Звено постоянного 3-уровневые инверторы тока

Блок ограничения напряжения (VLU) ФВЧ

Пусковой блок DFIM Трансформатор возбуждения

Система возбуждения переменного тока

ные требования к алгоритмам управления. Алгоритмы управления АББ включают в себя контуры управления для скорости/активной мощности и напряжения/реактивной мощности, промежуточного звена постоян-

Благодаря отсутствию потребности в синхро­низации частоты вращения установки с ча­ стотой электросети, станция с такими уста­новками может исполнять роль накопителя для сглаживания краткосрочных возмущений. ного тока, последовательностей пуска/останова и синхронизации, а также модули управления вспомогательными системными устройствами, такими как блоки водяного охлаждения, вентиляторы охлаждения и пр. Более того, контроллер AC 800PEC (контроллер управления) управляет обменом данными с вышестоящей системой управления и блоком управления схемы возбуждения/регулятора, передавая рабочие уставки.

Функции текущего контроля и защиты преобразователя и трансформатора возбуждения запрограммированы в отдельном контроллере AC 800PEC (контроллер защиты). Тем не менее, в целях обеспечения безопасности оборудования основные функции защиты также запрограммированы и в контроллере управления, обеспечивая резервирование основной схемы защиты. Используя служебный ПК, местный персонал или сотрудники АББ выполняют все необходимые операции по обслуживанию программного обеспечения и диагностике; при наличии соответствующего подключения к сети Интернет эти операции также можно выполнять дистанционно. Функция удаленного доступа позволила сотрудникам АББ прямо из своего офиса осуществлять активную поддержку испытаний асинхронной электрической машины с двойным питанием, проводимых на объекте во время ввода установки в эксплуатацию. Специалисты АББ могли задавать уставки по мощности и скорости в соответствии с результатами испытаний на объекте, которые передавались им по телефону. Это позволило сократить численность персонала АББ на объекте, снизив таким образом затраты на ввод в эксплуатацию. Управление последовательностями пуска/торможения машины выполняется с помощью той же системы возбуждения переменного тока PCS 8000, при этом дополнительный пускатель не требуется. Функция пуска для режима двигателя, а также последовательности синхронизации и торможения полностью интегрированы в программное обеспечение системы возбуждения переменного тока PCS 8000. В систе-

ме предусмотрен пусковой блок, который увеличивает подаваемое на ротор напряжение на этапе пуска. Это позволяет запустить и синхронизировать машину при работе в насосном режиме менее чем за 4,5 минуты. В режиме генератора рабочий процесс похож на процессы для синхронных машин. Тем не менее, в обоих случаях, поскольку двигатель/генератор является асинхронной машиной, выполнять синхронизацию установки на синхронной частоте вращения не требуется. Следует учитывать только напряжение на статоре и угол расхождения между фазами на обеих сторонах автоматического выключателя генератора. Полное совершенство ГАЭС Авче, оснащенная установкой с регулируемой частотой вращения и системой возбуждения переменного тока АББ PCS 8000, дает важные преимущества и оператору объекта, компании SENG d.o.o., и оператору электросети. Станция полностью отвечает требованиям электросети, имеет оптимальное географическое положение и демонстрирует превосходные экономические показатели рис. 8. Станция вырабатывает пиковую энергию со сдвигом относительно периодов низкого потребления, обеспечивает гибкость работы на открытом рынке электроэнергии и предоставляет первичные резервы для системных услуг управления сетью, одновременно стабилизируя работу близлежащих ЛЭП. Благодаря малому времени пуска в режимах генератора и насоса, оператор сети держит асинхронную электрическую машину двойного питания на ГАЭС Авче (даже если она отключена от сети) в качестве резерва, готового мгновенно подключиться к электросети в случае внезапного возникновения дисбаланса. Невозможно также переоценить широчайшие возможности для развития туризма в зоне верхнего резервуара, который делает живописный ландшафт в этом районе Словении еще более привлекательным. Стив Оберт АBB Automation Products Турги, Швейцария steve.aubert@ch.abb.com Энергия в розлив

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­31

Интеллектуальные технологии в энергоснабжении Применение интеллектуального оборудования дает дополнительные преимущества распределительным компаниям и потребителям Петр Гурьев, ЭНРИКО РАГАйНИ — В Королевском морском

электроэнергии. Компания Fortum изучает различные

порту Стокгольма реализуется первый в Швеции крупный проект

возможности для реализации этого проекта, возникшие

по внедрению интеллектуальной энергосистемы. Часть

благодаря появлению концепции интеллектуальной

городской территории, состоящая из трех районов, включая

энергосистемы. Для проектов такого типа необходимо

порт, будет реконструирована с учетом критериев

проведение технико-экономического расчёта, в рамках которого

«интеллектуального города». Выработка энергии из

оцениваются технологии интеллектуальной энергосистемы,

возобновляемых источников, проживание в «разумных» домах и

которые можно использовать для повышения надежности

использование электромобилей — это лишь некоторые

электросети и сокращения времени простоя. Расчеты

современные технологии, которые будут применяться в этом

показывают, что преимущества при использовании оборудования

экологически чистом городе будущего. В сотрудничестве с

с интеллектуальными функциями, выражающиеся в снижении

компанией Fortum, одной из крупнейших в Северной Европе

потерь прибыли и уменьшении штрафов, оправдывают

компаний по выработке и распределению тепла и электричества,

капиталовложения в это оборудование.

АББ разрабатывает новый подход к распределению

В

следствие изменений в законодательстве Швеции и общего ужесточения нормативов по всей Европе энергосбытовые компании вынуждены принимать меры для сокращения сроков времени перерывов энергоснабжения в распределительных сетях. Частота и длительность перебоев в энергоснабжении оценивается, как правило, с помощью таких показателей, как индекс средней частоты прерываний энергоснабжения (SAIFI) и индекс средней длительности прерываний энергоснабжения (SAIDI). Чем реже происходят перебои и чем меньше их продолжительность, тем ниже значения этих индексов и тем мень-

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­32

AББ Ревю 3|11

ше штрафов и компенсаций приходится выплачивать энергосбытовым компаниям. Основными критериями при проектировании реконструкции Королевского морского порта Стокгольма, были сокращение перебоев в энергоснабжении и повышение его качества. При разработке проекта были учтены следующие требования: – сброс нагрузки во избежание отключения энергоснабжения, когда энергосистема находится в критическом состоянии; – предотвращение отключений энергоснабжения из-за перегрузки; – минимальные последствия отключений

энергоснабжения из-за короткого замыкания; – минимальная стоимость владения (включая расходы на первоначальную закупку оборудования, эксплуатационные издержки, затраты на техническое обслуживание и компенсации за последствия неполадок); – малый период окупаемости.

Титульная фотография Концепция реконструкции района, публикуется с разрешения муниципалитета Стокгольма и компании Aaro Designsystem

Интеллектуальные технологии в энергоснабжении

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­33

1 Сравнение вариантов реализации подстанций низкого напряжения Выводы

Простота

Традиционная схема (без контроля, без резервирования)

Автоматические выключатели с функциями контроля/ управления

Резервированные фидеры с улучшенной селективностью и функциями контроля/ управления

+

-

-

Начальные капиталовложения

Небольшие

Средние

Высокие

Срок выявления неполадки

Длительный

Короткий

Короткий

Срок восстановления энергоснабжения

Очень длительный

Длительный*

Очень короткий

Дистанционный контроль

–

+

+

Дистанционное управление

–

+

+

* - з ависит от конфигурации автоматического выключателя, наличия параллельных выключателей и причины отключения энергоснабжения

Дистанционный контроль и управ­ ление оборудова­ нием во многих ситуациях обеспе­ чивает значитель­ ное сокращение времени простоя.

Усовершенствование традиционных схем Традиционные установки низкого напряжения имеют свои достоинства и недостатки. Традиционное устройство трансформаторной подстанции среднего и низкого напряжения для непромышленных потребителей обычно предусматривает применение радиальных фидеров и плавких предохранителей, которые защищают каждый из отходящих фидеров низкого напряжения. Преимущества такой конструкции — низкая стоимость и надежная защита от коротких замыканий и перегрузок. С другой стороны, из-за отсутствия средств дистанционного контроля и управления работы по восстановлению энергоснабжения выполняются вручную и иногда могут занимать длительное время. Фактически оператор может оставаться в неведении относительно возникновения неполадки в течение нескольких минут или даже часов. Альтернативные схемы вместо плавких ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­34

AББ Ревю 3|11

предохранителей предусматривают использование автоматических электромеханических выключателей, что в некоторых случаях улучшает координированность защиты. На крупных станциях возможно использование двух трансформаторов вместо одного. Все традиционные схемы могут также оказаться недостаточно эффективными вследствие ручного управления устранением неполадок и отсутствия контроля. Тем не менее, с помощью современных технологий традиционные схемы можно улучшить, особенно электронные компоненты и средства связи. В проектах с интеллектуальным управлением энергосистемами, таких как проект реконструкции Королевского морского порта в Стокгольме, для оснащения сетей низкого напряжения используются оборудование и распределительная аппаратура с функциями дистанционного контроля и управления. Помимо этого, схема энергосистемы основана на резервированных фидерах с усовершенствованной координацией средств защиты. Дистанционный контроль и управление оборудованием во многих ситуациях обеспечивает значительное сокращение времени простоя. В случае короткого замыкания информация об аварии немедленно передается оператору, который принимает соответствующие меры. Передаваемая информация может содержать данные о величине действующих сверхтоков и напряжений, которые полезны для выявления места аварии. Кроме того, дистанционный контроль позволяет оптимизировать работу энергосистемы. В случае перегрузки или в ситуации, близкой к отключению энергоснабжения, когда энергопотребление становится слишком высоким, можно отключить некоторые нагрузки. Выработку энергии из возобновляемых источников, например, с помощью солнечных батарей, можно кон-

тролировать в реальном времени. Среди продукции АББ имеется широкий ассортимент устройств дистанционного управления и контроля сетей низкого напряжения, таких как измерители мощности с функциями обмена данными, которые можно устанавливать вместе с электромеханическими выключателями или выключателями с предохранителями. Такое решение особенно хорошо подходит для модернизации существующих подстанций. Одно из передовых решений, достоинством которого является максимальная компактность, — это автоматический выключатель со встроенным блоком измерения мощности. Это устройство сочетает в себе средства защиты, измерения и обмена данными.

Дистанционный контроль позволяет оптимизировать работу энергосистемы. Дистанционный контроль позволяет сократить время обнаружения неполадок и восстановления энергоснабжения. Однако в случае короткого замыкания энергоснабжение не может быть восстановлено до тех пор, пока ремонтная бригада не выявит и не устранит причину неполадки. В традиционном варианте радиальные фидеры не предусматривают резервные линии энергоснабжения: при возникновении аварии в одной секции фидера, которая устраняется соответствующим защитным устройством, все нижестоящие секции этого фидера отключаются от источника энергоснабжения, что может лишить электричества нескольких потреби-

2 Автоматический выключатель АББ Tmax XT4, разработанный для интеллектуальных энергосистем

телей. Поскольку, согласно последним требованиям, количество потребителей, пострадавших от неполадки, должно быть сведено к минимуму, при разработке распределительной сети можно применить специальную стратегию, предусматривающую использование новых технологий, например резервированных фидеров автоматических выключателей с функцией улучшенной защиты. Надежность энергоснабжения можно значительно повысить за счет применения в сети низкого напряжения резервированных фидеров, которые предоставляют две альтернативных линии для подключения к энергосистеме каждого потребителя. Кроме того, каждый фидер разбит на секции, разделенные выключателями или разъединителями. От источника энергоснабжения отключаются только аварийные секции. В сочетании со схемами с улучшенной селективностью, реализованными с помощью автоматических выключателей с интеллектуальными функциями, такая архитектура позволяет в крайне сжатые сроки восстановить энергоснабжение всех нагрузок, которые не были напрямую затронуты аварией в соответствующей секции фидера рис. 1.

Резервированные фидеры обычно используются в распределительных сетях среднего напряжения, где фидеры, как правило, проектируются в виде петель, которые могут быть запитаны с обоих концов. Каждый фидер разбит на сегменты, разделенные автоматическими выключателями-разъединителями. Фидер может работать как замкнутый контур, если все выключатели замкнуты, или как разомкнутый контур, если один из выключателей разомкнут, при этом фактически формируются два радиальных фидера, каждый из которых питается от отдельной станции. При обнаружении короткого замыкания размыкается только часть автоматических выключателей (в зависимости от места возникновения неполадки), отсоединяя неисправную секцию от энергосистемы и сохраняя при этом подключение всех остальных нагрузок. Работа в режиме замкнутого контура обеспечивает максимальные эксплуатационные преимуще-

ства с точки зрения сокращения перерывов в энергоснабжении. В этом режиме обеспечивается автоматическое обнаружение и отсоединение аварийной секции фидера, не затрагивая энергоснабжение всех остальных секций. Для этого требуются становящиеся всё более и более привычными в сетях среднего напряжения компоненты с направленной защитой. Для приобретения аналогичных возможностей у фидеров низкого напряжения можно использовать автоматические выключатели с направленной защитой и логической блокировкой. Каждый выключатель распознает направление тока

Надёжность энергоснабжения можно значительно повысить за счет применения в сети низкого напряжения резервированных фидеров. короткого замыкания и посылает вышестоящему выключателю сигнал блокиров-

Интеллектуальные технологии в энергоснабжении

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­35

3 Традиционная и рекомендуемые схемы подстанций и распределительной сети низкого напряжения Традиционный вариант

Вариант А (частичная защита)

Вариант Б (полная защита)

M БП

БП

БП БП

БП КП 3 КП 1

БП КП 3

КП 1

БП

БП

КП 3

КП 1

БП

БП

КП 2

БП

БП

КП 2

КП 2

4 Сравнение последствий отключения энергоснабжения для разных сценариев Причина отключения энергоснабжения Перегрузка

Короткое замыкание

Автоматические выключатели спо­ собны определить место возникнове­ ния аварии и отключить только определенную часть сети.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­36

AББ Ревю 3|11

Затраты в случае отключения энергоснабжения %

Традиционная схема

Вариант А

Вариант Б

Компенсация бытовым потребителям

50%

0%

0%

Компенсация коммерческим потребителям

50%

0%

0%

Работа ремонтной бригады

100%

0%

0%

Компенсация бытовым потребителям

50%

33%

33%

Компенсация коммерческим потребителям

50%

33%

0%

Работа ремонтной бригады

100%

100%

100%

ки размыкания, то есть сигнал, который предотвращает размыкание. Блокирующий сигнал затем распространяется от одного выключателя к другому, по всему фидеру вплоть до питающей станции. Выключатель секции, непосредственно затронутой аварией, немедленно изолирует её, не получив аналогичного сигнала. Если фидер запитан с обоих концов, такой же процесс происходит в обоих направлениях. В результате два выключателя, имеющие непосредственное отношение к затронутой неполадкой секции, размыкаются, а все остальные выключатели остаются замкнутыми, обеспечивая энергоснабжение всех нагрузок, не затронутых аварией. В автоматических выключателях низкого напряжения с направленной защитой и логической блокировкой реализованы технологии, исключительные права на которые принадлежат компании АББ. Первоначально эти технологии были разработаны для систем энергоснабжения особой важности, таких как морские силовые установки, и в настоящее время они находят применение в других областях, например, в качестве элементов интеллектуальных энергосистем. Встроенная направленная защита реализована во всех воздушных автоматических выключателях АББ низкого напряжения, таких как Emax E1–E6 и X1 с минимальным номинальным током 630 А [1]. Наиболее важным требованием для уменьшения количества незапланирован-

ных отключений и последствий любых неполадок, является селективность. Другими словами, это способность выключателей определить место возникновения неполадки и отключить только определенную часть сети. Выполнить это требование достаточно сложно, особенно в случае фидеров малой мощности, для которых характерны применение автоматических выключателей в литом корпусе, благодаря своим компактным размерам, большой длительности прерываний энергоснабжения и более эффективно ограничению потока короткого замыкания. До недавнего времени для таких устройств не существовало ни одной системы с зонной селективностью. Чтобы предотвратить размыкание выключателей, операции обнаружения аварии и обработки сигналов должны быть выполнены менее чем за 1 мс, что было невозможно для существующих встроенных защитных устройств. Недавним прорывом в области технологий для сетей низкого напряжения стала разработка компанией АББ специальной системы защиты с быстрой блокировкой, которая позволяет разъединителям автоматически идентифицировать и отсоединить неисправную секцию фидера менее чем за 5 мс. Эта защитная система, называемая системой раннего обнаружения и устранения неполадок (EFDP), применяется в автоматических выключателях с литым пластмассовым корпусом Tmax T4-T6 мощностью от 320 до 1000 А рис. 2. При-

менение автоматических выключателей с системой EFDP обеспечивает зонную селективность. Каждый выключатель, обнаруживший короткое замыкание, передает вышестоящим включателям сигнал блокировки размыкания, гарантируя тем самым, что будет разомкнут только тот выключатель, который непосредственно связан с участком, где обнаружена авария. Кроме того, при таком подходе от энергосистемы отключается наименьший участок сети. Экономическая модель и срок окупаемости На этапе предварительного исследования проекта реконструкции Королевского морского порта в Стокгольме компания АББ разработала схему принятия решений с несколькими сценариями автоматизации фидеров на основе информации о потребителях и функциональных требований. Чтобы проиллюстрировать один из сценариев, показать его преимущества и оценить срок окупаемости, были сделаны следующие допущения о расходах, связанных с отключением энергоснабжения. Эти расходы можно частично или полностью исключить.

пенсации в соответствии с законодательством Швеции, то такая компенсация рассматривается в случае, если отключение продлится более 12 часов. Сумма компенсаций для бытовых потребителей является фиксированной и умеренной по величине в масштабе общей суммы расходов, которых можно избежать. Работа бригады технического обслуживания Если отключения энергоснабжения удастся избежать, то работа ремонтной бригады не потребуется. Расходы на работы ремонтной бригады не слишком велики, но увеличиваются с каждым часом отключения и являются вторыми по величине в общих расходах, которых можно избежать. Расширенная автоматизация фидеров для подстанций и распределительных сетей низкого напряжения Для соблюдения требований, установленных проектом, были предложены два возможных варианта реализации подстанции и распределительной сети низкого напряжениям рис. 3. Предложенные варианты имеют минимально возможную стоимость и соответствуют установленным требованиям. Также рассматривается и традиционный сценарий, который используется для сравнения с вариантами расширенной автоматизации фидеров А и Б. В традиционном сценарии показаны три коммерческих потребителя, которые распределены по двум нерезервированным фидерам. Энергосбытовая компания не обязана выплачивать компенсации за отключения, произошедшие по вине потребителей, однако компенсации должны выплачиваться, если отключение стало результатом повреждения кабеля, обеспечивающего энергоснабжение потребителя. В случае короткого замыкания или перегрузки в любой секции любого фидера средняя компенсация, которую должна будет выплатить энергосбытовая компания, составляет 50% от общей компенсации, выплачиваемой в случае отключения энергоснабжения всех трех коммерческих потребителей. Вариант А иллюстрирует схему с резервированным фидером и распределительными коробками, используемыми для подключения секций резервированного

Используя систему раннего обнаруже­ ния и устранения неполадок (EFDP), автоматические выключатели пере­ дают вышестоящим выключателям сиг­нал блокировки размыкания, гаран­тируя тем самым, что будет разом­кнут только тот вы­ключатель, который непосредственно связан с участком, где обнаружена авария.

Если отключения энергос­ набжения удастся избе­жать, то работа ремонтной бригады не потребуется.

Компенсация коммерческим потребителям Если предположить, что потребителем является небольшой магазин или ресторан, то нормальный рабочий день такого коммерческого потребителя будет составлять не менее 12 часов. Это означает, что для такого потребителя максимальный срок отсутствия энергоснабжения составляет 12 часов в день. Компенсации коммерческим потребителям относятся к числу самых значительных статей потенциальных расходов, которые могут быть частично или полностью исключены с помощью предлагаемого решения. Компенсация бытовым потребителям Если предположить, что от отключения энергоснабжения могут пострадать бытовые потребители, которые потребуют ком-

фидера. Такое решение обеспечивает полную защиту от перегрузки и частичную защиту коммерческих и бытовых потребителей от коротких замыканий. Это означает, что отключения могут произойти в одной из трех секций резервированного фидера и без энергоснабжения останутся только бытовые и коммерческие потребители в этой секции. Таким образом, средняя компенсация, выплачиваемая как бытовым, так и коммерческим потребителям, составит лишь 33% от общей компенсации, выплачиваемой в случае отключения энергоснабжения всех потребителей. Вариант Б иллюстрирует схему, в которой коммерческие потребители подключены к резервированному фидеру при помощи небольших шкафов с шинами. В каждом шкафу установлены два входных автоматических выключателя, что позволяет подавать питание на каждую шину с любого

Интеллектуальные технологии в энергоснабжении

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­37

6 Суммарные расходы, которые можно исключить, если длительность отключения составляет от 1 до 12 часов при использовании варианта Б

80,000

80,000

70,000

70,000 Расходы, вызванные отключением электроснабжения (в шведских кронах)

Расходы, вызванные отключением электроснабжения (в шведских кронах)

5 Суммарные расходы, которые можно исключить, если длительность отключения составляет от 1 до 12 часов при использовании варианта А или Б

60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0

60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1

2

Длительность отключения электроснабжения (ч)

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Компенсация бытовым потребителям (в случае кратковременной перегрузки, вар. А и Б)

Компенсация бытовым потребителям (в случае короткого замыкания, вариант Б)

Работа ремонтной бригады (в случае кратковременной перегрузки, вар. А и Б)

Компенсация коммерческим потребителям (в случае короткого замыкания, вариант Б)

Компенсация коммерческим потребителям (в случае кратковременной перегрузки, вар. А и Б)

Выбор подходящего решения определя­ется вероятностью возникновения раз­личных типов нештатных ситуаций, а также величиной компенсации, под­лежащей уплате в каждом конкретном случае.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­38

3

Длительность отключения электроснабжения (ч)

AББ Ревю 3|11

направления. Кроме того, на всей линии до питающей станции используются интеллектуальные автоматические выключатели с направленной защитой. Такое решение обеспечивает полную защиту от перегрузки, частичную защиту бытовых потребителей от коротких замыканий и полную защиту коммерческих потребителей. Вероятность короткого замыкания на шинах внутри шкафа, как правило, очень мала. Если короткое замыкание происходит в одной из трех секций внутри резервированного фидера, энергосбытовая компания должна будет выплатить бытовым потребителям компенсацию, составляющую в среднем 33% от общей возможной компенсации, выплачиваемой в случае отключения энергоснабжения всех потребителей, и будет освобождена от любых компенсаций коммерческим потребителям. Сводка по отключениям и компенсациям, выплачиваемым распределительной компанией в случае применения различных вариантов, показана на рис. рис. 4. Выбор варианта А или Б каждого конкретного случая определяется вероятностью возникновения различных типов нештатных ситуаций (перегрузки или короткого замыкания), а также величиной компенсации, подлежащей уплате в каждом конкретном случае. В случае короткого замыкания выбор варианта А приведет к более длительному, в среднем, отключению коммерческих потребителей по сравнению с вариантом Б, поэтому вариант Б может быть предпочтительнее. В отноше-

нии перегрузок оба варианта, по сути, аналогичны. Если сеть имеет низкую вероятность короткого замыкания вследствие, например, прокладки кабелей в кабелепроводах с физической защитой, а вероятность перегрузки высока, можно порекомендовать вариант А. Эти факторы следует оценивать с учетом стоимости оборудования, которая в случае варианта А ниже. На рис. 5 показана сводная информация по суммарным расходам, которых распределительная компания может избежать, для случая перегрузки, рассматриваются варианты А и Б в сравнении с традиционным решением (с учетом предположений для данной экономической модели). Суммарные расходы распределительной компании, которые могут быть исключены в результате применения варианта Б для случая короткого замыкания по сравнению с традиционным сценарием, показаны на рис. рис. 6. Если сеть не обслуживает коммерческих потребителей или обслуживает коммерческих потребителей, которые могут потребовать лишь небольшую компенсацию в случае отключения энергоснабжения, рекомендуется применять вариант А. Срок окупаемости Чтобы оценить срок окупаемости оборудования, важно иметь в виду, что экономическая модель базируется на факторах риска, которые определяют вероятность возникновения определенных неполадок и возможную частоту их повторения. Для

8 Срок окупаемости варианта Б при исключении коротких замыканий различной длительности и частоты

Капиталовложения в оборудование (в шведских кронах)

3 часа отключения Вариант Б 2 часа отключения Вариант А

1 час отключения

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Количество отключений энергоснабжения

существующих сетей с низкими показателями качества энергоснабжения ожидаемый срок окупаемости можно оценить, используя архивные записи о длительности отключений, вызванных разными причинами. В этом случае при применении вариантов А и Б энергосбытовая компания будет сталкиваться с таким же количеством отключений, что и в прошлом, однако будет нести меньшие финансовые потери. Общий срок окупаемости оборудования зависит от частоты и длительности отключений, которые происходят в определенном резервированном фидере в результате перегрузки рис. 7. Срок окупаемости в случае применения только варианта Б при коротких замыканиях отличается от оценки для вариантов А и Б из-за неизбежности некоторых потерь рис. 8. Указанные сроки окупаемости зависят от количества и типа потребителей,

Применение интел­ лектуальных техно­ логий в рассмотрен­ ных сценариях для проекта реконструк­ ции Королевского морского порта в Стокгольме предоставляет энергосбытовой компании преимущества в виде экономии и повышения надеж­ ности.

13

14

15

4 часа отключения

Капиталовложения в оборудование (в шведских кронах)

7 Срок окупаемости для вариантов А и Б при исключении перегрузок различной длительности и частоты

Вариант Б 3 часа отключения

2 часа отключения

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Количество отключений энергоснабжения

подключенных к резервированному фидеру, и от стоимости оборудования. Принятые допущения в отношении потребителей считаются типичными для шведского рынка. К допущениям также относятся цены на оборудование — это означает, что общий срок окупаемости может значительно сократиться в зависимости от скидок, которые могут быть предоставлены при приобретении оборудования. Решение о выборе варианта системы расширенной автоматизации фидеров (А или Б) зависит от оценки риска отключения энергоснабжения. Однако если применение решения А или Б сочтено целесообразным, то внедренная система предоставляет распределительной компании «страховую гарантию» того, что в случае любого отключения компенсации, пени и расходы будут либо исключены, либо значительно сокращены. Предложенные решения для расширенной автоматизации фидеров имеют относительно малый срок окупаемости и могут существенно улучшить показатели качества энергоснабжения в существующих распределительных сетях низкого напряжения. Такие решения очень хорошо сочетаются с потребностями интеллектуальных энергосистем, обеспечивая дистанционный контроль и управление в сочетании с высокой надежностью и минимальными последствиями отключений энергоснабжения. Системы таких типов рекомендуются для энергосистем с высокой вероятностью перегрузки и большим размером компенсации, выплачиваемой коммерческим потребителям в случае отключений. Срок службы оборудования составляет примерно 20 лет, что делает его полезным и выгодным усовершенствованием для сетей низкого напряжения, имеющим к тому же относительно малый срок окупаемости, который не характерен для распределительных систем такого типа.

Применение интеллектуальных технологий в рассмотренных сценариях для проекта реконструкции Королевского морского порта в Стокгольме предоставляет энергосбытовой компании преимущества в виде экономии и повышения надежности и, разумеется, позволяет потребителям заниматься своими личными делами и бизнесом, не беспокоясь о сбоях в энергоснабжении.

Петр Гурьев АBB Global Trainee Program Цюрих, Швейцария petr.guryev@ch.abb.com Энрико Рагайни АББ Low Voltage Products Бергамо, Италия enrico. ragaini@it.abb.com

Список литературы [1] Viaro, F. Breaking News: User-Friendly products that satisfy new customer requirements and reduce environmental impact. ABB Review 3/2004, 27–31.

Дополнительная информация Дополнительную информацию о системе раннего обнаружения и устранения неполадок (EFDP) можно найти в технической статье АББ по применению новых технологий «Low voltage selectivity with АББ circuit- breakers» (Селективность в сетях низкого напряжения и автоматические выключатели АББ), номер документа 1 SDC007100G0204.

Интеллектуальные технологии в энергоснабжении

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­39

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­40

AББ Ревю 3|11

Программные архитектуры на долгосрочную перспективу Интеллектуальные программные архитектуры формируют потребительскую ценность и защищают капиталовложения в краткосрочной, среднесрочной и долгосрочной перспективах альдо данино, пиа штолль, роланд вайс — объем и сложность программного обеспечения, применяемого в настоящее время практически во всех продуктах компании АББ, значительно выше, чем когда-либо раньше, и эта тенденция набирает силу. Более того, некоторые продукты представляют собой исключительно программное обеспечение. таким образом, промышленное программное обеспечение становится все более сложным и играет все более важную роль в производстве, а удобство его сопровождения и самодостаточность в долгосрочной перспективе являются важнейшими факторами окупаемости капиталовложений в течение всего срока его службы. Поэтому важно, чтобы это программное обеспечение создавалось на основе надлежащим образом спроектированной и долговечной архитектуры.

Титульная фотография Сложное программное обеспечение лежит в основе большей части явных и скрытых технологий, используемых в нашей повседневной жизни. Например, за привычной глазу городской средой скрыт целый мир сложных и незаменимых программ­ных систем. Независимо от того, управляет ли программное обеспечение инженерными системами 100-этажного здания или обеспечивает глобальную поддержку торговли акциями в одной из компаний, работающих в этом здании, все программные системы имеют один важный общий компонент: надежную и устойчивую программную архитектуру.

М

ир, в котором мы живем, основан на чрезвычайно сложной паутине технологий: наши электросети обеспечивают точную сбалансированность огромного парка генерирующих и распределительных систем и предоставляют нам гарантированное электропитание простым щелчком переключателя; фантастически сложная цепь технологических чудес обеспечивает транспортировку молекул нефти из подводного месторождения к заправочному пистолету на местной бензоколонке; каждый товар, который мы приобретаем и используем, попадает к нам в результате поразительно сложной последовательности скоординированных действий, которые по большей части скрыты от нас. Будучи потребителями, мы непосредственно взаимодействуем только с верхушкой этого технологического айсберга.

зачастую играющих критически важную роль, лежит программное обеспечение. При этом объем и сложность программного обеспечения теперь намного выше, чем когда-либо раньше, и эта тенденция не проявляет никаких признаков снижения — фактически мы наблюдаем обратную ситуацию. Некоторые продукты АББ представляют собой исключительно программное обеспечение. В других продуктах программное обеспечение и аппаратные компоненты тесно взаимодействуют друг с другом, кроме того, в целом ряде продуктов про-

Для адекватной окупаемости капиталовложений производ­ ственная система, значитель­ ную часть которой составляет программное обеспечение, должна поддерживать свои функциональные возможности на протяжении десятилетий.

АББ поставляет множество продуктов, которые незаметно формируют материальную инфраструктуру нашего общества. В основе многих объектов этой инфраструктуры,

граммное обеспечение встроено в аппаратные средства. Эти продукты встречаются практически в любых промышленных

Программные архитектуры на долгосрочную перспективу

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­41

Архитекторы должны понимать, как измене­ния в бизнес-среде заказчика могут повлиять на требова­ния к архитектуре программного обеспечения.

отраслях: в коммунальном хозяйстве, в обрабатывающей промышленности (целлюлозно-бумажной, нефтегазовой, нефтехимической, фармацевтической, химической и пр.), а также в промышленных установках широкого назначения. Широкое применение программного обеспечения значительно повышает приспособляемость изделий к меняющимся условиям эксплуатации, наделяет их мощным потенциалом для принятия решений и способствует более высокой степени автономии систем. Это, в свою очередь, меняет функции операторов — вместо использования своих знаний для ручной установки параметров управления они осуществляют надзор за работой оборудования, выполняют тонкую настройку и ведут поиск неполадок. Современная производственная система может управлять технологическим процессом с минимальным вмешательством оператора и самостоятельно взаимодействовать со множеством других систем предприятия. Дополнительные преимущества функционального объединения проявляются в случае, когда программные компоненты используют такие способы взаимодействия друг с другом, которые недоступны аппаратной части. В целом, применение программного обеспечения создает для заказчиков АББ дополнительную потребительскую ценность. С точки зрения характеристик сложных программных систем можно выделить два крайне важных аспекта: удобство его сопровождения и самодостаточность в долгосрочной перспективе. Для адекватной окупаемости капиталовложений (как заказчиков, так и организаций-разработчи­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­42

AББ Ревю 3|11

ков) производственная система, значительную часть которой составляет программное обеспечение, должна обеспечивать возможность экономичной эксплуатации и сохранять полную работоспособность на протяжении десятилетий, то есть система должна быть полностью самодостаточной. За столь долгое время самодостаточность системы будет сталкиваться с различными проблемами: появление новых или радикальное изменение используемых технологий; возникновение новых требований заинтересованных сторон; возникновение новых организационных структур и реорганизации; уход специалистов, обладающих важными знаниями; изменение бизнес-целей. Кроме того, системы, интенсивно использующие ПО, часто имеют неотъемлемые врожденные особенности, которые оказывают существенное влияние на архитектуру ПО и будущие разработки. Если организация в прошлом точно предсказала текущие потребности заинтересованных сторон и соответствующим образом составила задание на разработку, то реализация изменений, отражающих актуальные потребности, должна быть достаточно простой. Таким же образом, современные организации должны прогнозировать будущие потребности заинтересованных сторон и выбирать для решения наиболее важные задачи.

Таким образом, самодостаточность системы связана не только со структурными элементами ПО и их взаимодействием, но также и с окружающей корпоративной средой, включая такие ее аспекты, как организационная структура, вид деятельности, тактика и область охвата [1]. Для решения всех описанных выше проблем и сохранения целостности сложных программных систем на протяжении, возможно, нескольких десятилетий, должно быть выполнено одно очень важное условие: для этих систем необходимо выбрать надежную программную платформу. И здесь решающую роль играет архитектор ПО. Архитектура программного обеспечения Изучение архитектуры программного обеспечения сводится по большей части к изучению программных структур и их взаимодействия друг с другом. Это началось в 1968 году, когда Эдсгер Дейкстра представил свою работу, посвященную многозадачной операционной системе THE, и ввел в обращение термин «разработка программного обеспечения» (Software Engineering). Дейкстра представил многоуровневую структуру ПО, которая предлагала широкие возможности для контроля качества системы, связав тем самым понятие «контролепригодности» качества ПО с элементами архитектуры ПО [2]. Двадцать лет спустя Мэри Шоу описала различные стили архитектуры ПО [3]. Она писала: «... важные решения связаны с видами модулей и подсистем, которые следует использовать, а также с тем, как эти модули и подсистемы организованы. Уровень этой организации, то есть уровень архитектуры ПО, требует новых абстракций, которые отражают существенные свойства первичных подсистем и способы их взаимодействия».

Для этого архитекторы должны понимать, как изменения в бизнес-среде заинтересованных сторон могут повлиять на требования к архитектуре программного обеспечения. Например, на промышленные системы, интенсивно использующие ПО, часто воздействуют слияния и поглощения компаний — в таких ситуациях обычно возникает необходимость объединения нескольких систем в одну или совместное использование общего ядра. Кроме того, к заинтересованным сторонам могут относиться заказчики, конечные пользователи, разработчики, УИНСТОН черчилль, журнал TIME, 12 сентября 1960 г. руководители проектов и производственных направлений, инженеры по эксплуатации и другие специалисты с разными Шоу описала общие методы решения кони зачастую противоречивыми ожиданиями. кретных проблем и концепции для решеАрхитектор должен объединить требова- ния отдельной проблемы. Примером пония всех сторон и согласовать их с техни- следнего подхода является модель ческими и экономическими ограничения- разработки архитектуры Blackboard, в коми. торой используется общая база знаний (рабочая область), постепенно обновляе-

«Мы формируем свои дома, затем дома формируют нас».

1 Архитектура системы и визуальное представление кода с использованием плана города в качестве аналогии

мая группой специалистов разного профиля, начиная с описания проблемы и заканчивая ее решением. Этот подход применялся, например, для решения проблем на ранних стадиях разработки ПО распознавания речи. С формальной точки зрения стандарт ISO/ IEC 42010:2007 определяет архитектуру системы следующим образом: «Базовая организационная структура системы, воплощенная в ее компонентах и их взаимосвязях друг с другом и с рабочей средой, а также принципы, определяющие ее устройство и развитие». Архитектуру программного обеспечения можно представить в виде города, где составляющие ее элементы являются зданиями. В реальном мире безопасность здания можно обеспечить, например, наличием только одного входа, охраняемого привратником, который спрашивает пароль для пропуска в здание. С точки зрения ПО это означает, что следует предусмотреть только одну возможность доступа к программному компоненту из безопасных, уполномоченных источников. Исследователи архитектуры ПО находятся в постоянном поиске новых путей для разработки планов своих «городов» с целью повышения удобства, безопасности, производительности, надежности и энергоэффективности программного обеспечения. Эта «городская» аналогия была использована на практике для визуального представления архитектуры, где компоненты/

пакеты представлены районами, а классы — зданиями, размеры которых определяются параметрами кода, например его размером или сложностью (radedty.mf.usi.ch) рис. 1. Разработка архитектуры системы является процессом, поскольку она состоит из предписанной последовательности шагов, заключающихся в создании или изменении компонентов архитектуры с учетом набора ограничений. Разработка архитектуры системы также является дисциплиной, поскольку имеется определенный объем знаний, которые используются для предоставления практикующим специалистам сведений о наиболее эффективных способах разработки на основе набора ограничений. Архитектура системы в первую очередь касается внутренних интерфейсов между компонентами системы или подсистемами, а также взаимодействия между системой и внешней средой, в частности — пользователями.

Архитектуру программного обеспечения можно представить в виде города, где составляющие ее элементы являются зданиями.

Архитектурные шаблоны промышленных программных систем АББ Кристофер Александер — известный архитектор и исследователь. В своей книге «Строительство на века» (The Timeless Way of Building), опубликованной в 1979 году, он описывает общие архитектурные шаблоны в пространстве, событиях и существовании человека на любых уровнях детализации. По словам Александера, «...каждый шаблон описывает проблему, которая возникает в рассматриваемой области снова Программные архитектуры на долгосрочную перспективу

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­43

2 Методология выбора архитектуры программного обеспечения

Обеспечение соответствия реализации системы выбранной архитектуре Разработка и внедрение системы на базе выбранной архитектуры

Анализ или оценка архитектуры

Создание бизнес-модели системы

Определение целей и стимулов для создания системы

Архитектура программного обеспечения

Анализ требований к архитектуре

Документирование и распространение нформации об архитектуре

3 Графический интерфейс пользователя

Принятие решений о выборе архитектуры

и снова, а затем определяет суть решения этой проблемы, позволяя вам использовать предложенное решение». Размышления Александера в отношении шаблонов для зданий вдохновили многих архитекторов, входящих в сообщество разработчиков программного обеспечения. Архитектурные шаблоны программного обеспечения описывают основные решения для задач в области программного обеспечения, которые возникают снова и снова. Александер концентрирует внимание на удобстве, а именно на ощущениях, испытываемых пользователями зданий, однако если речь заходит об архитектурных шаблонах программного обеспечения, то здесь учитываются такие качества ПО, как безопасность, производительность, надежность, доступность, удобство обслуживания и т. п. В промышленных программных системах АББ применяются различные архитектурные шаблоны. Перечислим некоторые из

Архитектура «клиент-сервер» Архитектура «клиент-сервер» реализует распределенную схему работы приложений, в которой задачи и рабочие нагрузки разделены между поставщиками услуг (серверами) и инициаторами запросов на обслуживание (клиентами). Зачастую клиенты и серверы работают в общей компьютерной сети на разных аппаратных компонентах. Компьютер для сервера — это высокопроизводительное устройство, на котором запущена одна или несколько серверных программ, разделяющих доступные ресурсы между несколькими клиентами. Клиент не делится своими ресурсами, но передает на сервер запросы на предоставление информации или выполнение определенных функций. Таким образом, клиенты инициируют сеансы связи с серверами, которые ожидают поступления запросов от клиентов [4]. Архитектура с управлением по событиям Событие определяется как существенное изменение определенного состояния системы (например, событием является поступление информации от компонентов подсистемы ввода/вывода). Архитектура с управлением по событиям может применяться в разработке и внедрении систем, которые р а с п р о с т р а н я ют сведения о событиях между слабо связанными программными и аппаратными компонентами и службами. Система с управлением по событиям обычно состоит из генераторов событий и потребителей со-

Оценка и разработка архитектуры программного обеспечения в компании АББ основаны на ряде важных принципов, составляющих определенную методологию. наиболее часто встречающихся: клиентсервер, управление по событиям, многоуровневая структура, работа с данными. Эти шаблоны кратко описаны ниже.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­44

AББ Ревю 3|11

бытий. Потребители событий инициируют ответные действия, как только происходит определенное событие. Такая архитектура обеспечивает более высокую скорость реакции, поскольку системы с управлением по событиям по определению предназначены для работы в средах, где действуют непредсказуемые и асинхронные факторы [5]. Многие системы АББ работают в условиях непрерывно действующих процессов поступления внешних данных, их обработки и выполнения соответствующих операций, решая такие задачи, как управление технологическими процессами или производством. Многоуровневая архитектура Многоуровневая или n-уровневая архитектура представляет собой архитектуру «клиент-сервер», в которой пользовательский интерфейс, системные ресурсы для обработки и управление данными являются логически разделенными процессами. Например, многоуровневая архитектура используется в промежуточном ПО, обслуживающем запросы на передачу данных между пользователем и базой данных. Наиболее распространенной является трехуровневая архитектура. Понятия слоя и уровня часто используются как синонимы, хотя многие согласятся с тем, что «слой» представляет собой механизм логического, а «уровень» физического структурирования системы [6]. Архитектура для работы с данными В архитектуре такого типа центральную роль играют базы данных, поскольку здесь в качестве ядра обычно используется система управления базами данных (СУБД). Эти системы содержат набор хранимых процедур, которые выполняются на серве-

4 Критически важная система

рах баз данных и используют табличную логику. Подход, ориентированный на базы данных, в первую очередь подразумевает использование функций индексации, обработки транзакций, контроля целостности, восстановления и обеспечения безопасности, которые реализуются в высокопроизводительных системах управления базами данных [7]. Принципы формирования архитектуры программного обеспечения, используемые в АББ Оценка и разработка архитектуры программного обеспечения в компании АББ основаны на ряде важных принципов, составляющих определенную методологию [8] рис. 2: Создание бизнес-модели системы Бизнес-модель определяет требования к системе и предоставляет основу для определения необходимых качеств ПО. Определение целей и стимулов создания системы Руководствуясь бизнес-моделью, следует определить цели и ключевые стимулы создания системы. Это можно сделать, например, в ходе семинара по показателям качества. Эти стимулы следует принять во внимание при анализе требований к системе и при разработке архитектурных решений проекта. Анализ требований к архитектуре Требования обычно разделяют на две части: функциональные и нефункциональные (качественные). Функциональные требования к архитектуре определяют основные функциональные возможности системы, а нефункциональные требования (или показатели качества) — требования к поведению системы и к ее качеству, например удобство использования или производительность.

Принятие решений о выборе архитектуры Требуемые показатели качества системы определяют тип ее архитектуры. В систему встраиваются модули, реализующие конкретные тактические приемы, которые обеспечивают достижение этих показателей. Документирование и распространение информации об архитектуре Для эффективного использования в процессе разработки программного обеспечения архитектура должна быть подробно документирована, а ее описание должно быть доведено до сведения всех заинтересованных сторон с учетом их подготовки (разработчики, тестировщики, заказчики, руководители и т. д.). Кроме того, документация должна содержать описание процесса принятия решений, который используется для выбора целевой архитектуры. Анализ или оценка архитектуры Архитектуру ПО необходимо оценивать с точки зрения качеств, которыми она обладает, чтобы убедиться в том, что система удовлетворяет потребностям заинтересованных сторон. Эффективными инструментами для оценки архитектуры ПО являются программные средства, основанные на сценариях проверок. Разработка и внедрение системы на базе выбранной архитектуры Наличие полного набора четко составленных документов, описывающих архитектуру, является необходимым требованием для того, чтобы архитекторы и разработчики программного обеспечения неукоснительно придерживались выбранных архитектурных принципов. Обеспечение соответствия реализации системы выбранной архитектуре Рабочие процессы организации должны обеспечивать поддержку как кода, так и архитектуры, особенно когда система введена в эксплуатацию.

Рабочие процессы организации должны обеспечивать поддержку как кода, так и архитектуры.

Использование методик оценки архитектуры программного обеспечения в АББ Методика, описанная на рис. 2, используется в АББ различными способами. Во-первых, для оценки степени соответствия архитектуры выпускаемого продукта установленным в соответствии с ожиданиями рынка показателям качества. Это особенно важно ввиду того, что ожидания заказчиков с течением времени меняются. Во- вторых, для оценки новых и перспективных технологий, которые можно использовать для перепроектирования или усовершенствования существующих продуктов. В-третьих, для разработки новой или модернизации существующей архитектуры продукта с целью соблюдения ожидаемых заказчиком показателей по качеству и функциональным возможностям. Наконец, методику оценки архитектуры можно использовать для проверки и утверждения разработанной архитектуры путем оценки сформированных архитектурных сценариев. Ниже приведены примеры для этих четырех случаев, которые основаны на проектах, реализованных корпоративным исследовательским отделом

Программные архитектуры на долгосрочную перспективу

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­45

Замена графического пользовательского интерфейса позволила заказчику достичь поставленных бизнес-целей и получить ряд преимуществ, включая снижение эксплуатационных расходов, расширение возможностей по масштабированию системы и улучшение ее характеристик.

АББ совместно с различными подразделениями АББ. Оценка архитектуры существующего продукта В институте Software Engineering Institute (SEI) в Питтсбурге (США) был разработан метод анализа компромиссных решений в архитектуре (Architecture Tradeoff Analysis Method, ATAM). АББ использует этот метод для оценки архитектуры новых и существующих программных продуктов. Результат анализа показывает, как различные показатели качества согласуются друг с другом и какую бизнес-модель они поддерживают. В описанном здесь случае у заказчиков исследования с применением метода ATAM имелись вопросы, касающиеся использования инструмента генерации кода для встраиваемых программных модулей. Поскольку разработчики механизма генерации кода были сосредоточены на переносимости модулей, не было понятно, обеспечивают ли эти модули оптимальную производительность. Благодаря применению метода ATAM выяснилось, что данный механизм генерировал код с использованием архитектуры, производительность которой можно было немного повысить за счет небольшого ухудшения переносимости. Проведенный с помощью метода ATAM анализ используемой заказчиком бизнес-модели показал, что переносимость больше не имеет столь высокого приоритета, какой был актуален во время разработки данного инструмента. результаты анализа показали, что заказчик может сконцентрировать внимание на оптимизации производительности ПО, а не на его переносимости, без ухудшения своих коммерческих показателей. ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­46

AББ Ревю 3|11

Оценка перспективных программных технологий В рамках другого проекта оценивались перспективные программные технологии, которые могли быть использованы для создания нового графического интерфейса пользователя рис. 3 системы управления операциями. Замена графического пользовательского интерфейса позволила заказчику достичь поставленных бизнесцелей и получить ряд преимуществ, включая снижение эксплуатационных расходов, расширение возможностей по масштаби-

Заказчик понял, что можно сконцентрировать внимание на оптимизации производительности программного обеспечения, а не на его переносимости, без ухудшения коммерческих показателей. рованию системы и улучшение ее характеристик. Все эти улучшения были непосредственно выражены в показателях качества ПО, используемых для создания различных архитектурных и технологических вариантов реализации системы и их оценки. Был проведен анализ архитектуры системы с учетом выбранных технологий. Для

подразделения, которое инициировало проведение оценки этих технологий, был определен набор требований к архитектуре. Из набора выявленных требований при участии сотрудников подразделения было выбрано подмножество требований, на основе которых был создан сценарий, который, в свою очередь, использовался для оценки указанных технологий посредством разработки прототипов. На основании результатов, полученных при создании прототипов, были отобраны две конкурирующие технологии с соответствующими вариантами архитектуры. В конечном итоге, после дальнейшего анализа прототипов была выбрана одна из этих технологий. Разработка новой архитектуры Методика проектирования на основе показателей С помощью методики проектирования на основе показателей была разработана архитектура системы, объединяющей критически важный продукт АББ рис. 4 с целым рядом сторонних приложений и извлекающей данные из этих приложений для последующего использования [9]. При разработке архитектуры системы учитывались следующие факторы. Во-первых, система должна была обеспечивать полную интеграцию с широким спектром приложений сторонних разработчиков. Во-вторых, система должна была обеспечивать возможность сбора большого количества данных из сторонних приложений. В-третьих, было необходимо, чтобы пользователи воспринимали эту систему как быстродействующую. Эти факторы были использованы для определения следующих основных показателей качества системы: интегрируемость, масштабируемость, производительность и

5 Несколько проблем, касающихся качества, в одной задаче [1]

Проблема в области качества: безопасность

Задача: «Изменить [Спецификация]»

6 Копия экрана программы для работы с USAP-шаблонами

Проблема в области качества: удобство использования

Зона ответственности — безопасность: система должна разрешать или запрещать определенные работы с [спецификация]

Зона ответственности — удобство использования: система должна предоставлять способ доступа к [спецификация]

Часть системы, которая разрешает или запрещает работу с [спецификация]

Часть системы, которая предоставляет доступ к [спецификация]

[Спецификация]

безопасность. Требования к качеству были затем использованы для создания сценариев, необходимых для формирования и оценки различных вариантов архитектуры системы, а также для выбора лучшего из них. После выбора архитектуры был создан прототип системы, который был продемонстрирован заказчикам. Эта демонстрация стала отличным способом для получения их согласия на разработку окончательного варианта системы.

Архитектурные шаблоны, обеспечивающие удобство использования На следующем примере разработки новой архитектуры рассматривается вопрос обеспечения удобства использования. С одной пользовательской задачей в программной системе может быть связано несколько проблем, касающихся качества рис. 5. Часто приходится искать компромисс между безопасностью и удобством использования. Безопасность характеризуется способностью предотвращать несанкционированный доступ пользователей, а удобство использования обеспечивает простоту доступа пользователей, имеющих соответствующие полномочия. В архитектурных шаблонах, обеспечивающих удобство использования (USAP-шаблоны), для общих подзадач, которые должна реализовать программная система, чтобы обеспечить удобство использования основной задачи, применяется термин «зона ответственности». Для каждой зоны ответственности USAP-шаблон предоставляет указания по реализации архитектуры рис.

6. Компания АББ провела исследование USAP-шаблонов для самодостаточных промышленных программных систем и внесла свой вклад в виде расширенного

метода исследования и программного инструмента, который создает визуальное представление зон ответственности, выделенных в рамках применения данного метода. Инструмент, обеспечивающий визуализацию зон ответственности, выступает в качестве «хранилища опыта» [10], где содержатся предназначенные для многократного использования и представленные в виде контрольного списка архитектурные знания для набора сценариев взаимодействия с системной средой. Были созданы три сценария с контрольным списком из сорока двух зон ответственности, описывающим рекомендуемые корректировки архитектуры для реализации требований по удобству использования. Один из сценариев описывал взаимодействие между системой и окружающей средой («Аварийный сигнал и событие»). Два архитектора АББ, которые использовали этот инструмент в течение шести часов оценили, что затраченное на работу с этим инструментом время сэкономило им пять недель, позволив намного быстрее разобраться в предъявляемых требованиях по удобству использования [11]. Наибольшее значение имеют три следующих аспекта этого исследования: – Шаблоны, обеспечивающие удобство использования, описаны преимущественно на уровне зон ответственности. Они не зависят от реализации и заставляют архитекторов задуматься о том, как определенная зона ответственности связана со структурой существующей системы; – Использование текстовых описаний для инструкций по реализации вместо диаграмм было хорошо воспринято

Два архитектора АББ, которые использовали этот инструмент в течение шести часов, оценили, что затраченное на работу с этим инструментом время сэкономило им пять недель, позволив намного быстрее разобраться в предъявляемых требованиях по удобству использования.

Программные архитектуры на долгосрочную перспективу

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­47

«Когда мы строим, давайте думать, что мы строим навечно». Джон Раскин, 1849 г.

архитекторами АББ. В первой из групп, охваченных исследованием, архитекторы не слишком хорошо отнеслись к инструкциям, представленным в виде диаграмм. Благодаря использованию текстовых инструкций этот инструмент позволяет архитекторам исследовать отдельно взятый аспект шаблона вместо того, чтобы заставлять их сопоставлять всю визуальную диаграмму шаблона со своим проектом для выявления недостатков; – Использование подхода, предусматривающего проверку всех пунктов контрольного списка, позволяет архитекторам проработать все аспекты шаблона. Кроме того, данный инструмент для работы с USAP-шаблонами не привязан только к шаблонам, обеспечивающим удобство использования. Его можно использовать для оценки любого показателя качества, требования к которому могут быть выражены в виде набора зон ответственности (например, зоны ответственности по безопасности). Таким образом, одни и те же части системы можно оценить по зонам ответственности, связанным с безопасностью и удобством использования. Проверка и утверждение новой архитектуры Группа разработчиков, ответственная за крупномасштабное обновление программной системы АББ, приложила значительные усилия для создания новой архитектуры для следующей версии системы. Поскольку в процессе создания архитектуры принимал участие корпоративный исследовательский отдел АББ, для проведения оценки архитектуры был выбран независимый аудитор. Эта внешняя компания использовала составленную проектной группой документацию по архитектуре и материалы семинара по показателям качества для определения базовых требований к системе. Затем представители проверяющей компании провели интервью со ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­48

AББ Ревю 3|11

7 Принцип триединства корпоративной самодостаточности

Экономическая самодостаточность

Экологическая самодостаточность

всеми заинтересованными сторонами, включая руководство коммерческого и производственного отделов и системных архитекторов. После анализа материалов и проведенных интервью независимые эксперты представили свои выводы. Основные результаты: – Основные архитектурные решения по новой архитектуре были взвешенными и учитывали основные цели проекта.

– В некоторых разделах документации по архитектуре были обнаружены неточности, поэтому во избежание ошибочных проектных решений требуется определенная доработка документации.

– Обоснование проектных решений не вошло в документацию по архитектуре. Отсутствие этой информации затрудняет будущее развитие системы и допускает отклонения от целевой архитектуры. В целом семинар и выводы независимых экспертов укрепили доверие заинтересованных сторон к новой архитектуре, а также указали на вопросы, требующие дополнительного внимания и дальнейшей доработки. Самодостаточность архитектур программного обеспечения Как видно из предыдущего обсуждения архитектуры ПО, в данной дисциплине особое внимание уделяется самодостаточности архитектуры. Какие аспекты требуют внимания для обеспечения максимальной самодостаточности? В 1849 году Джон Раскин писал: «Когда мы строим, давайте думать, что мы строим навечно». Тогда Раскин имел в виду архитектуру зданий, однако это его высказывание и сегодня сохраняет свою актуальность в сфере программного обеспечения. В самодостаточной архитектуре, рассчитанной на долгосрочное поддержание функциональных возможностей, внимание акцентируется на процессе и конечном продукте, и если продукт с течением вре-

Социальная самодостаточность

мени может «состариться», то работоспособность процесса должна быть сохранена. Этот процесс может повторяться без каких-либо значительных внешних воздействий. В строительной отрасли самодостаточность архитектуры характеризуется по крайней мере пятью ключевыми составляющими: – Техническая самодостаточность: возможно ли освоение навыков и передача их другим специалистам и доступны ли необходимые инструменты?

– Организационная самодостаточность: имеется ли структура, которая позволяет объединить усилия различных заинтересованных сторон, не прибегая, например, по каждому поводу к помощи независимых экспертов?

– Финансовая самодостаточность: будут ли доступны финансовые средства или зачет услуг для оплаты необходимых работ?

– Экологическая самодостаточность: не приведет ли выбранный подход к истощению природных ресурсов и загрязнению окружающей среды?

– Социальная самодостаточность: вписываются ли данные процесс и продукт в общественные каноны и удовлетворяют ли они потребностям общества? Экономическая самодостаточность представляет собой один из принципов «триединства» [12], определяющих корпоративную самодостаточность – рис. 7. С точки зрения экономической самодостаточности для систем, интенсивно использующих ПО, наиболее важную роль играют три из указанных выше свойств: техническая, организационная и финансовая самодостаточность. Техническая самодостаточность систем, интенсивно использующих ПО, достигается за счет выбора технологий, которые не только реализуют необходимые качества, но также формируют платформу для поддержания работоспособности и развития

систем с длительным сроком службы. Наиболее важными являются такие факторы, как навыки разработчиков и совместимость с продуктами других компаний. Организационная самодостаточность обеспечивает доступность необходимых ресурсов (кадровых и инструментальных) для будущего развития наиболее эффективным способом. Финансовая самодостаточность обеспечивает получение организацией ожидаемых доходов от разработанного программного обеспечения. Важно обеспечить внедрение и поддержку рабочих процессов, позволяющих сократить непроизводительные расходы, например затраты на повторное выполнение работ, компенсацию низкого качества и т. д. Архитектуры программного обеспечения могут также способствовать обеспечению экологической самодостаточности рис. 7. На этот фактор влияют структуры и взаимодействия программной системы. Архитектура программного обеспечения, учитывающая требования по ограничению энергопотребления продукта, увеличивает экологический капитал. Социальная самодостаточность может быть повышена, если архитектура построена с учетом упрощения повседневной деятельности разработчиков и, кроме того, обеспечивает их стимулирование и мотивацию. Обзор В проектных подразделениях АББ систематическому подходу к разработке архитектуры программного обеспечения придается особое значение. Большинство проектных подразделений ввели роль ар-

хитектора программного обеспечения и расширяют применение методик разработки архитектуры, таких как проектирование на основе показателей. В то же время АББ продолжает исследовать пути совершенствования архитектуры как дисциплины в областях, где у АББ имеется определенный потенциал, например: – Выявление и систематизация лучших практических рекомендаций по разработке систем (например, распределенных систем управления) с учетом самодостаточности как высокоприоритетного показателя качества.

– Оценка преимуществ и применимости архитектур различных программных продуктов в качестве основы для разработки программного обеспечения в АББ, а также содействие расширению систематического и крупномодульного повторного использования программных блоков.

– Разработка методов принятия проектных решений на ранних стадиях процесса разработки, вместо использования практики моделирования с использованием большого количества прототипов. Для развития этого направления АББ приняла участие в финансируемом государством научноисследовательском проекте Q-Impress (www.q-impress.eu), посвященном выработке целевых прогнозов по изменению показателей качества, таких как производительность, надежность и удобство сопровождения.

– Создание концепций перспективных систем автоматизации для расширения модульности, повышения удобства сопровождения, масштабируемости и переносимости.

Большинство проектных подразделений ввели роль архитектора программного обеспечения и расширяют применение методик разработки архитектуры, таких как проектирование на основе показателей.

Альдо данино Отдел корпоративных исследований АББ Raleigh, NC, United States aldo.dagnino@us.abb.com Пиа Штолль Центр корпоративных исследований АББ Vasteras, Sweden pia.stoll@se.abb.com Роланд Вайс Центр корпоративных исследований АББ Ladenburg, Germany roland.weiss@de.abb.com

Список литературы [1] Stoll, P. (2009 г.), Exploring Sustainable Industrial Software System Development within the Software Architecture Environment (Обзор разработки самодостаточных промышленных программных систем в среде проектирования архитектуры программного обеспечения), Malardalen University Press, Vasteras, Sweden.

[2] Dijkkstra, E. (1 968 г.). The Structure of the T.H.E.-Multiprogramming System (Структура многозадачной операционной системы T.H.E.), Communications of the ACM 11, 5:341-46.

3] M. Shaw, Larger scale systems require higher-level abstractions (Для более крупных систем требуются абстракции более высокого уровня), материалы 5-го международного симпозиума по спецификации и разработке программного обеспечения, 1 989 г.

[4] Berson, A. (1 996 г.), Client/server Architecture (Архитектура клиент-сервер), McGraw-Hill, Inc., New York, NY, Second Edition.

[5] Hanson, J. (2005 г.), Event-driven Services in SOA (Службы с управлением по событиям в SOA). Javaworld. 31е января. http://www.javaworld.com/ javaworld/jw-01-2005/jw-01 31-soa.html (получено 2009/9/16) [6] Urgaonkar, B., Pacifici, G., Shenoy, P., Spreitzer, M. и Tantawi, A. (2005 г.), An Analytical Model for Muliti-tier internet services and its applications (Аналитическая модель многоуровневых интернет-служб и ее применение), материалы конференции SIGMETRICS за 2005 г.

[7] Manuel, P. D. и AlGhamdi, J. (2003 г.), A data-centric Design for n-tier Architecture (Разработка n-уровневой архитектуры для работы с данными), Information Sciences, том 1 50, выпуск 3-, апрель, стр. 1 95-06.

[8] Bass, L., Clements, P., Kazman, R. (2003 г.), Software Architecture in Practice (Архитектура программного обеспечения на практике), Second Edition.

Addison-Wesley, Pearson Education Inc. Boston, MA. [9] Shaw, M. и Garlan, D. (1 996 г.), Software Architecture: Perspectives on an Emerging Discipline (Архитектура программного обеспечения: перспективы новой дисциплины), Prentice Hall.

[10] Basili, V. R., Caldeira, G. и Rombach, H. D. (1 994 г.), Encyclopedia of Software Engineering (Энциклопедия разработки программного обеспечения), глава: The Experience Factory (Хранилище опыта), Wiley.

[11] Stoll, P., Bass, L., John, B. E. и Golden, E. (2009 г.), Supporting Usability in Product Line Architectures (Обеспечение удобства использования в линейках программных продуктов), материалы 1 3й международной конференции по линейкам программных продуктов (SPLC), Сан-Франциско, США, август 2009 г.

[12] Dy l lick, T. и Hockerts, K. (2002 г.), Beyond the business case for corporate sustainability (По ту сторону бизнес-модели корпоративной самодостаточности), журнал Business Strategy and the Environment, 11:1 30-41, 2002 г.

Программные архитектуры на долгосрочную перспективу

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­49

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­50

AББ Ревю 3|11

Интеллектуальные методы увеличения добычи Комплексное управление операциями – безопасная и выгодная эксплуатация отдаленных и зрелых месторождений Катрин Хилмен и Эспен С торкаас — по мере старения

добычи нефти и газа на подводных месторождениях и с

существующих месторождений нефти и газа объем добычи

помощью внутрискважинных технологий, а также для выработ-

снижается, а характеристики пластов и пластовой жидкости

ки новых базовых принципов дистанционного текущего контро-

становятся более сложными. В свою очередь, новые месторож-

ля, управления активами и технического обслуживания.

дения, как правило, расположены в отдаленных местностях с

Описанные проблемы можно решить с помощью технологий

суровыми климатическими условиями. Эти проблемы послужи-

комплексного управления операциями (КУО), и АББ предлагает

ли стимулом для разработки новых подходов к увеличению

широкий ассортимент решений в этой области.

П

одразделения разведки и добычи нефти и газа продолжают сталкиваться с проблемами, которые снижают рентабельность производственных процессов и эксплуатации систем безопасности с использованием датчиков, вычислительных мощностей, средств диагностики и связи. По мере старения месторождений объем добычи на них снижается, что приводит к увеличению эксплуатационных расходов. На новых месторождениях, расположенных в отдаленных местностях с суровыми климатическими условиями, например на арктических или глубоководных месторождениях, возникают свои специфические проблемы. Среди стимулов для нововведений можно выделить следующие факторы: – экономические факторы (сокращение операционных расходов, увеличение нефтеотдачи пластов и увеличение общего объема добычи);

– географические факторы (сложные климатические условия, отдаленное местоположение); – безопасность и контроль за окружающей средой (воздействие опасных факторов, обеспечение надежности, ограничение выбросов). Технологический прогресс также вносит свои коррективы, постоянно расширяя доступные технические возможности. Описанные выше проблемы в сочетании с достижениями в перспективных технологиях вызвали появление новых подходов к разработке запасов нефти и газа. Примерами могут служить разработка спутниковых месторождений и подводные врезки, «интеллектуальные скважины» и внутрискважинные работы, а также повышенный интерес к дистанционному текущему контролю, применению организационных моделей со встроенной системой управления активами и внедрению принципов

технического обслуживания мирового класса. Комплексное управление операциями (КУО) — это собирательное понятие, которое связано с некоторыми из описанных здесь проблем и используется крупными игроками в нефтегазовом секторе под такими названиями, как «интеллектуальные месторождения», «цифровые месторождения», «интеллектуальная энергетика» и т. д. Концепции и решения КУО можно использовать, начиная с самых ранних этапов разработки месторождения и вплоть до завершения добычи.

Титульная фотография Чтобы получить максимальную отдачу от промышленной установки, будь то шельфовый комплекс или показанный здесь перерабатывающий комплекс, необходимо обеспечить сбор всех доступных данных и использовать их для решения поставленных задач.

Интеллектуальные методы увеличения добычи

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­51

1 Различные этапы, роли и обязанности, связанные достижением цели по увеличению добычи

Производство

Этапы проекта

Концепция

Комплексное управление операциями Генеральный подрядчик/ оператор

Предварительное проектирование

Инженерное проектирование

Монтаж и ввод в эксплуатацию

Оператор по проектированию и материально-техническому снабжению

Проектирование, материально-техническое снабжение и строительство

На основе технологий КУО компания АББ разработала ряд решений, методик и услуг, ориентированных на повышение безопасности, защиту здоровья и окружающей среды и увеличение объемов добычи. На рис. 1 показаны различные этапы, роли и обязанности, связанные с достижением цели по увеличению добычи. Исполняя роль подрядчика по КУО или поставщика инженерно-технических услуг в рамках реализации проекта, компания АББ, помимо выполнения своих основных обязательств, обеспечит ускорение запуска, снижение численности персонала, улучшение исполнения производственных операций и повышение эксплуатационной готовности. К примерам можно отнести продление срока службы благодаря тому, что АББ реализует свой обширный опыт управления производственными операциями на этапах выбора концепции, проектирования, ввода в эксплуатацию, запуска и оптимизации. Среди других областей, где АББ может применить свои ценные знания — стратегии управления технологическими процессами, управление обработкой аварийных сигналов, оснащение диспетчерской, моделирование жизненного цикла, обеспечение функциональной целостности системы, обеспечение и оптимизация бесперебойной подачи нефти/газа и пр. Элементы комплексного управления операциями Компания АББ предлагает широкий ассортимент технологий и услуг для оптимизации добычи, эксплуатации и технического обслуживания на любом участке технологической цепочки — от скважин до транспортных магистралей. Основные компоненты рис. 2: – инфраструктура обеспечения безопасности, связи и передачи данных; – системы сбора данных и доступа к ним, в том числе программное обеспечение для дистанционной технической поддержки;

AББ Ревю 3|11

Эксплуатация и оптимизация

Подрядчик по КУО, услуги сопровождения жизненного цикла

Компания АББ предлагает широкий ассортимент технологий и услуг для оптимизации добычи, эксплуатации и технического обслуживания на любом участке технологической цепочки – от скважин до транспортных магистралей.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­52

Запуск

Оператор и партнеры по проектированию и материально-техническому снабжению

– интеллектуальные системы управления и оптимизации добычи и производственных операций; – системы текущего контроля состояния оборудования, диагностики и составления отчетов. В этом контексте компания АББ намеревается стать партнером по сопровождению жизненного цикла и поставщиком интегрированных систем. Центр продуктов и решений для КУО разработал ряд решений и предложений по технической поддержке, которые дополняют технологии АББ и сторонних поставщиков, используемые для добычи нефти и газа, в частности для эксплуатируемых шельфовых и подводных добывающих комплексов. Чтобы в полной мере воспользоваться этими предложениями, требуется привлечение группы разнопрофильных специалистов, а также знания и профессиональная подготовка в области технологий и оборудования для добычи нефти и газа. Решения для нефтяной, газовой и нефтехимической промышленности охватывает следующие области: – управление добычей и технологическими процессами и их оптимизация; – обеспечение полноты безопасности и управление аварийными сигналами; – интегрированные системы для дистанционного контроля и управления; – инфраструктура сетей связи и информационной безопасности; – системы и службы текущего контроля состояния оборудования; – текущий контроль выбросов и повышение энергоэффективности; – многоэтапное обеспечение и оптимизация бесперебойной подачи нефти/ газа; – интеллектуальные системы управления подводными добывающими комплексами; – системы сбора и хранения данных,

2 Дистанционная поддержка и КУО обеспечиваются надлежащей инфраструктурой активов и устройством объектов. В частности, важную роль играет интеграция средств измерений и автоматизации, информационных технологий и связи с системами управления эксплуатацией и техническим обслуживанием. Удаленный объект Поддержка поставщиков

Бизнессистемы

Наземный центр управления

Дистанционные Экспертные службы ресурсы

Скважины Производственные операции Техническое обслуживание Логистика

Наземная поддержка производственных операций

Внешняя поддержка и отчетность

Планирование

Инженерная поддержка и техническое обслуживание

Местный объект

Эксплуатация и управление Имитаторы и испытания

Шельфовые комплексы

Электрическое оборудование

Хранение и погрузка/разгрузка

Электрическое оборудование

Генератор AVR

Подводное оборудование

Технологические процессы

Модель технологического процесса

Безопасность

Измерительное оборудование

Телекоммуникационное оборудование

Телекоммуникационное оборудование

AVR Генератор Шина Fieldbus

Ограничитель тока Трансформаторы ВН Распределительные панели НН

Внутренние элегазовые распределительные устройства

Шина Fieldbus Измерители температуры

Датчики давления Массовые (серт. SIL2) расходомеры Кориолиса Шина Fieldbus

Приводы ЭлектроВН двигатели ВН

Трансформаторы НН Распределение НН

Наземные комплексы

Датчики с выносной мембраной

УВЧ-радио

Метеорология

Радар

Inmarsat C ЛВС

VHF FM DSC VHF AM HF/MF DSC

Расходомер с переменным сечением

NDB

Многофункциональная консоль

Система ТВнаблюд-я

Развлекательная система

Система спутниковой связи

Система контроля движения и гироскопы

Маршрутизатор

Структурированная кабельная система

УАТС

NAVTEX AIS

Электродвигатели НН

Электродвигатели НН

рабочая среда для организации взаимодействия; – услуги по поддержанию требуемых характеристик управления технологическими процессами на протяжении всего срока службы оборудования; – системы беспроводных измерений Комплексное управление операциями: преимущества Возврат дополнительных капиталовложений в инфраструктуру, как правило, осуществляется на этапе эксплуатации. Потенциальная ценность КУО выражается в следующем: – увеличение объемов добычи (3–5%); – сокращение производственных потерь, отсрочка истощения месторождения или увеличение добычи (20–40%); – снижение расходов на эксплуатацию и техническое обслуживание (15–30%); – повышение уровня безопасности за счет снижения рисков и улучшения условий труда; преимущества в области логистики и транспортного обслуживания; – сокращение выбросов, повышение энергоэффективности, улучшение

Расходомеры Вентури

Аналитические приборы

Электромагнитные расходомеры

наблюдения за окружающей средой и контроля морских операций. Системы связи и передачи данных и топология системы Основные компоненты системы поддержки КУО для комплекса, эксплуатируемого на море, соответствуют требованиям иерархии 5-го уровня стандарта ISA 95 мв рис. 3: – эффективный архив и инфраструктура интеграции данных с соответствующими функциями подключения и интерфейсами для сбора и распространения всех рабочих данных; – эффективная и защищенная инфраструктура информационных и телекоммуникационных сетей, обеспечивающая удаленный доступ, текущий контроль и поддержку средств совместной работы; – многофункциональная система управления активами, обеспечивающая принятие мер по техническому обслуживанию и поддержанию требуемого уровня характеристик всех ключевых систем и производственных установок;

Радио на кранах

Дублированные системы оповещения

– приложения для оптимизации и управления повседневными операциями; – общий пользовательский интерфейс; – помещения для совместной работы и рабочие станции.

Технологии комплексного управления операциями являются подмножеством решений, методик и услуг, направленных на увеличение объемов добычи нефти и газа. В дополнение к этим техническим компонентам для максимального использования возможностей КУО необходимы так-

Интеллектуальные методы увеличения добычи

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­53

3 Основная топология информационных систем, отражающая уровни интеграции согласно ISA.95

Доверенная зона

Демилитаризованная зона

Потенциально враждебная зона

Интернет ISA.95 Помещения для совместной работы/офис

4 Сервер безопасных обновлений

Теперь более подробно рассмотрим некоторые аспекты деятельности АББ в области оптимизации добычи, управления активами и обеспечения безопасности. Оптимизация добычи Разработка подводных месторождений, включая глубоководную добычу и подключение небольших месторождений к существующей инфраструктуре, становится все более важным видом деятельности для нефтегазовой промышленности, поскольку позволяет компенсировать спад добычи. Одной из главных задач в области разработки подводных месторождений является оптимизация добычи; например, повышение нефтеотдачи пластов для подводных месторождений, как правило, на 10–15% ниже, чем у скважин с надводным устьевым оборудованием. Разработанная АББ система обеспечения и оптимизации бесперебойной подачи нефти/газа (FAOS) предназначена для управления, текущего контроля, оптими­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­54

AББ Ревю 3|11

Офисная сеть

Общий архив

Производственная информационная система Общая/внешняя инфраструктура Архив

Приложения

Приложения

PIN Распределенная система управления

Система сбора данных

Актив 1

же соответствующие рабочие процессы и концепции управления производственными операциями в сочетании с определенной организацией и культурой мышления, соответствующего принципам КУО. Также необходимыми компонентами являются междисциплинарные процессы принятия решений и сотрудничество между различными подразделениями организации или даже между эксплуатирующей компанией и поставщиками товаров и услуг.

5

Приложения Веб-портал

Архив

Сеть производственной информации

Система сбора данных Электро- Сторонние Сторонние системы системы системы Сеть управления техпроцесСистема Система сами Система сбора сбора сбора данных данных данных

Актив n

зации и регулирования подачи нефти/ газа. Основные компоненты системы: – Управление. Запатентованная АББ система AFC (Active Flowline Control) осуществляет управление работой и стабилизацию рабочих характеристик скважин и трубопроводов с целью обеспечить стабильную и бесперебойную добычу. Кроме того, при проведении испытаний скважин система AFC с высокой точностью управляет работой скважин и трубопроводов, обеспечивая тем самым получение ценной информации для оптимизации добычи. Другие функции управления AFC включают защиту скважин от быстрых изменений давления во время запуска, а также защиту нижестоящего оборудования от перегрузки.

– Текущий контроль добычи. Текущий контроль скважин и трубопроводов имеет жизненно важное значение, особенно для предотвращения закупоривания трубопроводов вследствие образования гидратов. Помимо замороженной смеси углеводородов и воды есть также целый ряд других факторов, затрудняющих прохождение потока, среди которых образование парафинов, отложение твердых частиц и образование пробок, от которых также требуется защита. С помощью математических моделей реального времени можно спрогнозировать многие из этих факторов, а также получить данные для программ оптимизации производства.

Станции операторов

3

2

Распределенная система управления

Сервер связи

Сеть управления техпроцессами

1 0

Для простых случаев АББ располагает собственной моделью, на основе которой создана система Well Monitoring System (WMS) для текущего контроля трубопроводов и скважин. Система основана на стационарной модели и может быть использована для расчета нефтеотдачи пласта во всей системе, а также для предупреждения о возможных препятствиях на пути потока. Для более сложных систем, где большое значение могут иметь динамические характеристики, следует использовать наиболее совершенный имитатор многофазного потока OLGA Online (поставляется партнером АББ, компанией SPT Group).

– Оптимизация. После реализации функций текущего контроля и управления можно переходить к оптимизации с использованием результатов первичных (физических) и вторичных измерений. Возможна реализация самых разных стратегий оптимизации — от целевых решений, например оптимизации газлифта, до систем упреждающего управления на основе общей модели, таких как «cpmPl us Predict & Control» компании АББ. Для оптимизации в более долгосрочной перспективе системы текущего контроля добычи могут предоставить ценные данные для моделирования пласта (Eclipse).

– Управление техническим обслуживанием. В связи с тяжелыми последствиями любой неполадки в оборудовании и большими затратами в случае привлечения дистанционно управляемых

4 Профилактическое обслуживание все чаще рассматривается как ключ к решению задачи экономичной эксплуатации сложных активов, таких как эти установки для подводной добычи.

аппаратов или судов для ремонта скважин, техническое обслуживание оборудования, работающего на морском дне, требует тщательного планирования. Таким образом, своевременное выявление возникающих неисправностей и проведение технического обслуживания может стать решающим фактором успеха. Система FAOS предоставляет многофункциональные инструменты для оптимального управления техническим обслуживанием.

FAOS обеспечивает выполнение всех вышеперечисленных функций и объединяет их в единый интегрированный комплекс. Это гарантирует максимальное использование возможностей взаимодействия между различными элементами. Например, результаты фактических измерений, выполняемых системой текущего контроля, можно использовать в качестве (вторичных) переменных управления для системы AFC. Кроме того, система AFC может служить платформой для формирования множества уставок, передаваемых модулем оптимизации. Помимо прочего, такая интеграция обеспечивает наличие единого пользовательского интерфейса, который можно использовать как для быстрого обзора основных данных, так и для детального анализа, выполняемого опытными пользователями. Система FAOS включена в состав инфраструктуры комплексного управления операциями АББ, поэтому вся инфор-

мация доступна через корпоративную сеть. Для защиты данных заказчика АББ предлагает широкий спектр консалтинговых услуг по безопасности, обеспечивающих защиту конфиденциальности, доступности и целостности данных местных активов и сети системы автоматизации. При этом обеспечивается соблюдение корпоративных, государственных и международных стандартов, а также разрабатываются эффективные технические решения и процедуры. Кроме того, предлагаются стандартные готовые решения по защите, позволяющие определить базовые уровни для оценки рисков, связанных с системами промышленной автоматизации. Система управления активами и услуги сопровождения жизненного цикла Профилактическое обслуживание все чаще рассматривается как ключ к экономически эффективному техническому обслуживанию рис. 4. Этот метод предполагает, что управление операциями технического обслуживания осуществляется на основе достоверного прогноза по износу оборудования. Профилактическое обслуживание также обеспечивает надежность и целостность оборудования. Это особенно ценно для морских и удаленных объектов, где затраты на персонал и транспортные расходы весьма значительны. Этот метод также обеспечивает снижение затрат за счет сокращения внеплановых простоев, обеспечивая работу в

Система FAOS гарантирует максимальное использование возможностей взаимодействия между различными элементами.

режимах, близких к расчетным пределам, а также более упорядоченное планирование технического обслуживания. Ключом к техническому обслуживанию на основе оценки состояния оборудования являются технологии текущего контроля и составления отчетов в реальном времени. Система комплексного управления активами компании АББ предоставляет общую инфраструктуру для объединения данных о техническом обслуживании, поступающих от отдельных систем. Во всех основных компонентах электрических, измерительных, управляющих и телекоммуникационных систем АББ предусмотрены функции интеллектуального текущего контроля и диагностики, которые могут использоваться системой управления активами. Функции долгосрочного текущего контроля предоставляют важную информацию о состоянии оборудования, подлежащих выполнению задачах и возможностях для улучшения характеристик. Также возможна интеграция сторонних систем. Система управления активами предоставляет доступ к этим функциям в реальном времени, осуществляет текущий контроль и диагностику, реализует функции планирования, а также подключение к системе управления предприятием (ERP). Основное преимущество заключается в возможности отображения всех уместных данных о техническом обслуживании через единый пользовательский интерфейс. Удобная возможность сравнения пере-

Интеллектуальные методы увеличения добычи

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­55

5 Oбзор технологий комплексного управления операциями АББ в нефтегазовой сфере

АББ разрабатывает и поставляет полнофункциональные информационные инфраструктуры для безопасной интеграции производственных и офисных сетей с целью обеспечения постоянного местного и дистанционного доступа к данным в режиме реального времени. Для достижения высокой работоспособности, производительности и качества производства АББ предлагает широкий спектр современных систем управления технологическими процессами и обеспечения бесперебойной подачи нефти/ газа, а также программное обеспечение и услуги по настройке контуров управления

Компания АББ разработала пакет приложений для текущего контроля поведения пластов,динамики потоков, технологический условий и характеристик оборудования на всем месторождении.

Архитектура и защита информационных систем

Обеспечение бесперебойной подачи нефти/газа и интеллектуальное управление технологическими процессами

Текущий контроль условий и характеристик

Информационная управленческая система предлагает функции управления, хранения данных и составления отчетов для широкого спектра прикладных задач.

Управление информацией

Высококвалифицированные специалисты АББ проводят углубленные исследования и аудиты, выполняют анализ и оказывают услуги, призванные улучшить работу и увеличить производительность.

Консультации, услуги и НИОКР

Профилактическое обслуживание все чаще рассматривается как ключ к экономически эффективному техническому обслуживанию.

крывающихся функций текущего контроля позволяет принимать более обоснованные решения. Безопасность АББ располагает полным ассортиментом решений по сопровождению жизненного цикла и услуг в области обеспечения безопасности и управления аварийными сигналами, включая подготовку к аварийным ситуациям и критерии оценки эффективности, оптимизацию проектов и услуг, приложения для составления отчетов и технического обслуживания систем, а также интегрированные системы управления и безопасности (ИСУБ). Все эти решения соответствуют отраслевым стандартам и используют передовой опыт. Важность «мягких» факторов Накопленный на данный момент опыт комплексного управления операциями показал, что организационные изменения и

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­56

AББ Ревю 3|11

мышление людей, особенно если они стремятся к приобретению новых знаний и навыков, играют важную роль в успехе предприятия. Фактически более 80% затрачиваемых усилий приходится на эту область. Влияние на собственную деятельность Стремление к внедрению комплексного управления операциями (КУО) повлияло и на саму компанию АББ. Подразделение АББ Services приспосабливается к этой тенденции в отрасли благодаря установлению партнерских отношений с заказчиками, принятию новых концепций обслуживания, а также улучшению продуктов и услуг, поддерживающих КУО. Новые стратегии в области договоров, например заключение договоров с условиями, зависящими от достигнутых показателей, предусматривающих полный спектр услуг в предельном варианте, открывают новые возможности для бизнеса. Среди других

примеров — системы электрификации и интеллектуального управления подводными комплексами. Выгоды от применения Одна из первых компаний, внедривших КУО, добилась значительного снижения себестоимости добычи на небольшом месторождении в Северном море, где наблюдается тенденция к падению объемов добычи. Основной вклад в снижение эксплуатационных расходов и увеличение прогнозируемых объемов добычи был сделан благодаря внедрению «мягкого» варианта КУО, то есть проведению организационных изменений, которые были охотно приняты сотрудниками, заинтересованными в продлении срока эксплуатации производственной площадки. АББ является партнером этого оператора по всей программе реорганизации и обеспечивает проведение собеседований и управление изменениями, а также внедряет технологии дистанционной поддержки операций. С момента начала сотрудничества этот крупный заказчик определил стандартные рабочие процессы, роли и обязанности и ввел новую организационную модель для шельфовых месторождений, основываясь главным образом на своем опыте, полученном в результате этого партнерства.

На месторождении Ormen Lange время безотказной работы «увеличилось на 4–5 дней в год». Недавно одна из рабочих групп АББ, специализирующаяся на оптимизации технологических процессов и операций добычи путем внедрения КУО, реализовала проект, который существенно повлиял на работу завода на месторождении Shell Ormen Lange. Группа оказала услуги по контролю показателей технологических процессов, моделированию, настройке, вводу в эксплуатацию и запуску. Полученные преимущества выразились в увеличении количества эксплуатационных дней, уменьшении отклонений, повышении энергоэффективности и сокращении выбросов. Время безотказной работы «увеличилось на 4-5 дней в год». Размер полученной экономии можно оценить, если

учесть, что в период пиковой добычи Ormen Lange будет вырабатывать около 20 млрд стандартных м газа в год, что эквивалентно общему энергопотреблению Норвегии. Компания Statoil также выиграла от партнерства с АББ и разработки технологий для оптимизации добычи: после внедрения технологий КУО для контроля содержания песка на месторождении Gullfaks в году был получен дополнительный доход в размере 300 млн долларов США (15 000 баррелей удерживаемого объема в день). В 2004 году доход увеличился еще на 190 млн долларов США (3,8 млн баррелей). Ключевым фактором стало создание системы контроля эрозии на основе технологических и производственных данных в сочетании с моделями штуцеров, обеспечивающими активное улавливание песка. В статье SPE 94511 [1] компания Statoil сообщила следующее: «В течение года на месторождении Statfjord был получен дополнительный доход в размере 95 млн долларов США (1,9 млн баррелей)». Эти огромные суммы основаны на цене в 60 долларов США за баррель; выгода от внедрения КУО в последнее время выражается в значительно больших цифрах. Выигрыш в области безопасности за счет более точного текущего контроля содержания песка и более достоверных оценок эрозии, а также благодаря определению допустимых уровней содержания песка для разных состояний скважины на таком зрелом месторождении обладает высокой ценностью сам по себе. Это отличный пример получения выгоды благодаря сочетанию эффективных технологий с изменениями в организации операционного управления и адаптации к новой стратегии. Комплексное управление операциями для будущего Ассортимент продукции АББ для реализации комплексного управления операциями (рис. 5) позволяет увеличить пропускную способность, снизить энергопотребление и сократить эксплуатационные затраты за счет эффективного использования имеющейся информации, включая данные технологических процессов, полученные в режиме реального времени, и данные текущего контроля состояния активов. КУО дает возможность значительно оптимизировать добычу имеющихся запасов нефти и газа. Технологии КУО отлично зарекомендовали себя в финансовом плане, их значимость для неф-тегазового сектора будет продолжать расти по мере развития этой отрасли.

В течение 2004 года на месторождении Statfjord был получен дополнительный доход в размере 95 млн долларов США (1,9 млн баррелей).

Катрин Хилмен Эспен Сторкаас АBB Integrated Operations Products and Solutions Center N00603 Oslo, Norway katrine.hilmen@no.abb.com espen.storkas@no.abb.com

Список литературы [1] http://www05.abb.com/global/scot/ scot267.nsf/veritydisplay/b23bba112053 485585257894004ca8cf/$file/ormen_ lange_mars2011.pdf [2] http://www02.abb.com/global/seitp/ seitp161.nsf/0/66864703b31245cbc125 71f70031820e/ $file/SPE+94511.pdf

Интеллектуальные методы увеличения добычи

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­57

Контроль выбросов на основе модели СУКВ: система контроля, использующая методы искусственного интеллекта для снижения вредного влияния на окружающую среду нунсио бонавита, федерико каллеро — получение

непрерывного контроля выбросов (снКВ), обеспечивающая

точной, достоверной и своевременной информации о фактиче-

непрерывный сбор данных с помощью быстродействующих

ских уровнях выбросов имеет решающее значение для приня-

приборов и отображение полученной информации в реальном

тия надлежащих мер по снижению выбросов до определенных

времени. недавно внимание заинтересованных сторон привлек-

законодательством уровней. Это обстоятельство в сочетании с

ла также другая система, известная как система упреждающего

необходимостью соблюдения постоянно растущих требований

контроля выбросов (сУКВ). сУКВ использует эмпирическую

со стороны регулирующих органов заставляет предприятия

модель для прогнозирования концентрации выбросов на основе

перерабатывающей промышленности внедрять системы

результатов обработки данных. Эта система была успешно

экологического менеджмента (сЭМ), которые осуществляют

внедрена как часть комплексной системы экологического

текущий контроль, сбор и обработку данных об окружающей

менеджмента на одном из крупнейших в мире газоперерабаты-

среде. существует несколько типов систем текущего контроля,

вающих заводов

но наиболее эффективной и надежной является система ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­58

AББ Ревю 3|11

В

соответствии с требованиями стандарта ISO 14001 цель внедрения системы экологического менеджмента (СЭМ) заключается в том, чтобы «помочь организации создать процедуры для определения политики и целей в области защиты окружающей среды, оценить их эффективность, обеспечить соответствие заявленной политике и целям и продемонстрировать это соответствие другим» [1]. В соответствии с этим типовая СЭМ реализует ряд функций, в том числе: – сбор и обработку данных, связанных с защитой окружающей среды; – предоставление основных экологических показателей; – планирование оценки экологических показателей; – расчет характеристик выбросов и составление отчетов; – учет записей и поддержку аудиторских проверок. Хорошо известной и надежной системой текущего контроля является система постоянного контроля выбросов (СПКВ), включающая оборудование для забора и транспортировки проб, анализатор, а так-

же устройства и программное обеспечение для регистрации и обработки данных. По применяемым методам системы СПКВ можно разделить на три типа [2] рис. 1: – экстракционные, использующие взятие физических проб из дымовой трубы; – инструментальные, которые используют методы локального автоматизированного инструментального контроля с применением различных принципов обнаружения для непрерывного или периодического измерения характеристик выбросов; – параметрические (возможная альтернатива для установки обычных СНКВ). Имеются два класса параметрических методов: с использованием косвенных параметров и с прогнозированием. Косвенные параметры можно использовать для определения соответствия источника установленной норме выбросов. Однако для получения значений этих параметров, как правило, требуется проведение тщательного тестирования и проверки. Прогнозирование параметров, с другой стороны, применяется в тех случаях, когда взаимосвязь между условиями технологического процесса и уровнями выбросов та-

кова, что она не может быть надлежащим образом описана одним параметром. Методы с прогнозированием параметров используют концепцию моделирования, которая в настоящее время играет важную роль в системах контроля выбросов рис.

2. Система упреждающего контроля выбросов (СУКВ), которую также называют логическим анализатором, не может измерять выбросы непосредственно. Вместо этого она используют эмпирическую модель для прогнозирования концентраций выбросов на основе обработки таких данных, как расход топлива, нагрузка, рабочее давление и температура окружающего воздуха. В действительности СУКВ

Титульная фотография Завод сжиженного природного газа (СПГ) компании Statoil на острове Мелкойя, рядом с городом Хаммерфест на севере Норвегии. АББ поставила полный комплект систем энергоснабжения и автоматизации на этот газоперерабатывающий завод. Газ на месторождении Snohvit («Белоснежка») извлекается с помощью подводных комплексов добычи, транспортируется по трубопроводам на завод, где охлаждается до перехода в жидкую фазу и подается на морские суда для транспортировки.

Контроль выбросов на основе модели

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­59

Для принятия надлежащих мер по сокращению выбросов до установленных законодательством уровней решающее значение имеет сбор точной и достоверной информации об уровнях выбросов. реализует единственно возможный способ непрерывного сбора данных (оценок) о выбросах в технологических установках, где отсутствует СНКВ и где применяется метод анализа в реальных условиях (периодический) или метод проведения кампаний по анализу выбросов. В таких случаях предприятие может взять в аренду портативную систему СНКВ, чтобы собрать данные о выбросах для построения и проверки моделей. После того как модели прошли сертификацию, СНКВ удаляется и заменяется на систему логического типа [4]. СУКВ также можно использовать в качестве резервной системы, если в качестве основной реализована СНКВ. Вне зависимости от выполняемой СУКВ роли эта система дает множество преимуществ при решении самых разных задач рис. 3. Примеры решения многих прикладных задач доказали, что программные системы обеспечивают такую же точность, что и аппаратные СНКВ. Кроме того, виртуальные анализаторы предлагают дополнительные функции [5]: – выявление ключевых переменных, влияющих на выбросы; – автоматическая проверка датчиков; – получение данных об уровне выбросов из архива в случае выхода из строя аппаратных средств; – дополнение и усовершенствование стратегий оптимизации технологических процессов. Согласно действующим нормативным требованиям, чтобы доказать соблюдение разрешенных пределов и отслеживать возможные нарушения, необходимо периодически проводить испытания в дымохо­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­60

AББ Ревю 3|11

1 Типовые конфигурации систем непрерывного контроля выбросов (СНКВ)

Системы непрерывного контроля выбросов (СНКВ)

ЭКСТРАКТИВНЫЕ

По исходному уровню

С разбавлением пробы

НЕЭКСТРАКТИВНЫЕ

С маршрутными датчиками

С точечными датчиками

Сухой метод

В дымоходе

С одним проходом

Влажный метод

Вне дымохода

С двумя проходами

де, а также вести постоянный контроль выбросов. Однако обычная СНКВ не может предвидеть нарушение предельных уровней загрязнения. С другой стороны, СУКВ позволяет инженерам выявлять зависимости между различными эксплуатационными параметрами, заранее предсказывать характеристики выбросов и принимать соответствующие меры по корректировке выбросов до возникновения нарушения. В разных странах мира по-разному относятся к методам, используемым для контроля выбросов: правила многих европейских стран в настоящее время явно побуждают к внедрению программных систем контроля выбросов в качестве резервных, в то время как в ряде штатов США в качестве альтернативного метода контроля допускается применение систем искусственного интеллекта, основанных на таких моделях, как модель упреждающего контроля в СУКВ. Основные технологии Поскольку рассматриваемый анализатор реализован по большей части программными средствами, успех реализации СУКВ во многом зависит от возможностей инструмента построения и реализации модели. Этот инструмент должен обеспечить наличие эффективных и надежных технологий моделирования вместе со всеми необходимыми функциями для сбора и обработки данных, тестирования модели и т. д. Одним из таких инструментов является разработанный АББ инновационный пакет программного обеспечения Inferential Modeling Platform (IMP), предназначенный для разработки и внедрения современных приложений, управляемых данными. Пакет IMP основан на двух отдельных рабочих средах: – IMP Model Builder для проектирования и разработки приложений;

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ

По косвенным параметрам

С прогнозированием параметров На основе базовых принципов На основе эмпирической модели

– IMP Online для интерактивного внедрения проекта и текущего контроля. В пакете IMP нашли применение новейшие технологии анализа данных и построения моделей (например, нейронные сети, генетические алгоритмы, множественная линейная регрессия, расчет сценариев), в том числе алгоритмы и инструменты, созданные на основе методов искусственного интеллекта, которые можно использовать с помощью обширного набора самых современных инструментов [6]. Эти инструменты встроены в удобную рабочую среду, спроектированную с учетом новейших концепций человеко-машинного интерфейса (ЧМИ). Пакет IMP загружается на компьютер, который посредством протокола OPC обменивается данными с распределенной системой управления, где содержатся переменные технологических процессов и данные анализатора (если СУКВ используется в качестве резервной системы). Используя данные технологических процессов в реальном времени, модели выводят расчетное значение соответствующих выбросов, которые можно контролировать с помощью специального ЧМИ или отправить обратно в интерфейс оператора распределенной системы управления. Применение СУКВ в промышленности В 2007 году компания АББ заключила договор на поставку комплексной системы экологического менеджмента, соответствующей требованиям Управления по охране окружающей среды (EPA), для завода крупного поставщика газа, расположенного в регионе Персидского залива. Этот завод, являющийся одним из крупнейших газоперерабатывающих предприятий в мире, имеет восемь газоперерабатывающих линий и две линии нагнетания газа с общим объемом подачи 99 млрд кубических метров в день. Завод выпускает сетевой газ, сжиженный при-

2 Моделирование играет важную роль в системах управления выбросами Моделирование используется для получения компактных математических выражений, описывающих поведение процесса или оборудования. Применяются два основных подхода: теоретический и эмпирический [3]. Теоретическая модель строится на основе научных принципов, таких как сохранение массы и энергии, а также на законах термодинамики, в то время как эмпирическая модель формируется математически на основе данных измерения параметров технологических процессов конкретной установки. В целом, моделирование позволяет в реальном времени получать точные оценки трудно измеряемых величин в реальном времени, выявлять скрытые или упущенные из виду зависимости, а также обеспечивает более глубокое понимание процесса. Расчетные количественные характеристики часто называют прогнозируемыми переменными, а модель — прогнозной моделью. Расширенные стратегии управления процессами обычно используют прогнозные модели. Взаимосвязь между входными данными (например, доступными измеряемыми переменными) и выходными данными (например, переменной, которую необходимо рассчитать) определяется на этапе построения модели. Специальное программное обеспечение используется для импорта, предварительной обработки и фильтрации наборов архивных данных, которые должны включать все доступные замеры оцениваемой физической величины. Полученную модель необходимо тщательно испытать и проверить в максимально широком спектре условий эксплуатации. По завершении этого процесса модель подключается к работающей системе для использования реальных данных технологического процесса. Как правило, эти данные проходят предварительную обработку с целью выявления переходных состояний и отбраковки возможных выбросов и неверных отсчетов. Выходные данные модели также подвергаются предварительной обработке для повышения надежности и точности результатов.

FI – 1 (t1) FI – 2 (t3)

...

...

FI – 12 (tn)

PI – 1 (t1) ... ...

PI – 2 (t2) ... ... ... ...

PI – 12 (t n) ... ...

Входной уровень

∑

Сигнал о необходимости проведения технического обслуживания Проверка качества технического обслуживания

Проведение анализа «что-если» в автономном режиме

fi (hi)

f

Выход

Интерактивный пакет

Автономный пакет

Непрерывное предоставление расчетных значений, если недоступна СНКВ

Снижение количества неполадок за счет предупреждений на ранних стадиях

Текущий контроль реакции на различные воздействия

Резервирование в течение нерабочих периодов

Реактивный текущий контроль

Диагностика анализаторов

родный газ (СПГ), конденсат и серу. Этот проект потребовал установки СПКВ (на временной основе), СУКВ и специализированной системы сбора данных для оценки выбросов с целью соблюдения нормативов по охране труда и безопасности, а также усовершенствования технологических процессов рис. 4. На объекте установлены две параллельные линии нагнетания газа, А и В, каждая из которых имеет по два двухступенчатых осевых компрессора, C101 и C102 рис. 5. Каждый компрессор приводится в движение газовой турбиной (ГТ), выбросы которой контролирует СУКВ. В ступенях высокого (ВД) и низкого (НД) давления используется товарный газ. Турбины высокого давления работают во всех случаях с постоянной скоростью, то есть близко к 100 процентам максимальной

(t n)

Построение модели Выходной уровень

wii

Моделирование выбросов для соблюдения нормативных ограничений

Повышение эксплуатационной готовности анализаторов

(t1) (t2)

Смещение

3 Возможные области применения СУКВ

Показатели для оценки практики эксплуатации и технического обслуживания

TI – 1 (t1) SO2 TI – 2 (t2) SO2 ... ... ... ...

TI – 12 (tn) SO 2

скорости. Скорость турбины низкого давления может изменяться в зависимости от условий работы оборудования, но в основном она определяется наличием товарного газа. В большинстве случаев эти две линии работают вместе, в режиме, близком к максимальной нагрузке. Однако в периоды отсутствия газа или при уменьшении подачи одна из двух линий работает с низкой нагрузкой или на малой скорости. Летом, при высоких температурах окружающего воздуха, общая эффективность системы понижается в целях уменьшения нагрузки на оборудование. На этом заводе СУКВ играет ключевую роль для контроля выбросов, поскольку эта система работает только для газовых турбин. Для разработки наиболее подходящей модели для СУКВ в каждом дымоходе в качестве временного анализатора

Система упреждающего контроля выбросов позволяет инженерам выявлять зависимости между различными эксплуатационными параметрами, заранее предсказывать характеристики выбросов и принимать соответствующие меры до возникновения нарушения. для сбора точных данных о выбросах была использована СНКВ, одновременно с помощью протокола OPC был организован сбор технологических данных непосредственно из распределенной системы управления установки. С целью охвата наиболее широкого диапазона рабочих условий сбор данных продолжался в течение примерно шести недель. Проектирование и проверка модели, а также обработка данных и действия по внедрению модели на объекте были выполнены с поКонтроль выбросов на основе модели

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­61

4 Обзор требуемой системы экологического менеджмента (СЭМ)

Диспетчерская cистема управления

Установка

5 Конфигурации блока турбокомпрессора Ступень низкого давления

Ступень высокого давления

Штаб-квартира компании

Подача газа

Газовая турбина

A-C101

СНКВ

Газовая турбина

A-C102

Выхлопные газы

Нагнетание газа

СУКВ

Газовая турбина

A-C101

Газовая турбина

A-C102

Товарный газ Дымоотвод

Данные выбросов

мощью пакета IMP компании АББ. Обработка данных является ключевым этапом процесса разработки эмпирической модели. Для начала с помощью сложных статистических и математических методов были определены набор входных переменных и оптимальный шаблон для модели установки. Важную роль играло определение оптимальной частоты дискретизации для моделирования, поскольку этот параметр должен удовлетворять

же взаимное влияние между входными (например, переменными технологического процесса) и выходными (например, объемами выбросов) параметрами. После завершения этапа обработки данных был выделен набор, содержащий примерно 1700 записей (состоящих из значений технологического процесса и величин, характеризующих выбросы в атмосферу, собранных с интервалом в 1 час) и 35 переменных, который был оценен как пригодный для создания эффективных моделей. В этот набор данных были включены: – основные параметры технологического процесса, такие как расход воздуха и газа на входе, расход подачи, нагрузка на компрессор, температура между ступенями турбины и температура выхлопных газов; – важные параметры окружающей среды, такие как температура и влажность воздуха; – результаты измерений выбросов загрязняющих веществ, таких как NOx, SO2, CO, CO2 и расход дымовых газов

Процесс оценки и сертификации в соответствии с требованиями Управления по охране окружающей среды (EPA) потребовал проведения 18 тестовых прогонов продолжительностью 30 минут каждый в двух различных режимах. двум целям: определение динамики и условий процесса и получение достаточного количества наборов данных для создания надежных и точных моделей. Пакет Imp предоставляет удобную среду для применения анализа главных компонентов (PCA) рис. 6, мощного метода, позволяющего инженерам выразить и проанализировать изменчивость системы, на основе которой они могут выделить из широкого диапазона параметров технологического процесса минимальное подмножество наиболее представительных переменных. Еще одно преимущество метода PCA состоит в том, что он позволяет оценивать различные величины, характеризующие технологический процесс, и аномальные условия эксплуатации, а так­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­62

AББ Ревю 3|11

Из нескольких вариантов, имеющихся в пакете IMP, был выбран метод с использованием нейронных сетей прямого распространения (FFNN), мощный инструмент моделирования с элементами искусственного интеллекта, поскольку, согласно предварительным оценкам, этот метод позволял получить наиболее точные, надежные и устойчивые модели. Каждый набор

моделей характеризовался несколькими структурами скрытых уровней, входными переменными, такими как упомянутые выше ключевые переменные процесса, и рядом различных параметров. Чтобы избежать чрезмерно близкой подгонки и гарантировать надлежащую устойчивость модели, 1700 входных значений были разделены на три подгруппы: обучение (50%); тестирование (25%) и проверка (25%). Специальная функция пакета IMP была использована для оценки чувствительности отдельно взятой входной переменной для оцениваемого типа выбросов. Система была интегрирована с распределенной системой управления, а для расчетных значений выбросов была настроена передача в СЭМ посредством последовательного протокола Modbus. Результаты и достижения После завершения установки уполномоченная независимая компания из США выполнила оценку и сертификацию системы в соответствии с требованиями Управления по охране окружающей среды (EPA). Этот процесс потребовал проведения 18 тестовых прогонов продолжительностью 30 минут каждый в двух различных режимах (т. е. девять тестов при 95% нагрузки на компрессор и остальные девять тестов — при 100% нагрузки). После каждого тестового прогона проводилось сравнение оценки выбросов, сделанной СУКВ, со значениями, полученными от СНКВ, что позволило определить относительную точность1 СУКВ. Поскольку каждая из полученных оценок соответ-

Сноска 1 1 Accuracy = n

n

Σ j=1

abs (Y j - Yj*)

Где: Yj – оценка СУКВ, Yj* – фактический состав, n – количество проб, отобранных для сравнения.

6 Подсистема построения моделей АББ OptimizeIT IMP Model Builder для обработки данных и моделирования СУКВ

7 Результаты проекта внедрения СУКВ и полученный сертификат Показатель 95% нагрузки

Кислород NOx SO2

CO CO 2

< 10% < 10% не обнаружено (<1 млн -1) < 10% < 10%

100% нагрузки

< 10% ≈15% не обнаружено (<1 млн -1) < 15% < 10%

ствовала нормативам EPA, система была сертифицирована и принята заказчиком рис. 7. Описанная выше инновационная СУКВ является первой сертифицированной EPA системой, основанной на применении технологий упреждающего контроля в регионе Персидского залива. Успешное внедрение открывает путь для дальнейшего применения системы в этом регионе. В настоящее время технологии СУКВ проходят испытания у другого крупного представителя нефтегазовой отрасли с целью получения разрешения на применение этой системы у правительств других стран Персидского залива и Средиземноморья. Многие видят преимущества применения легко адаптируемой интеллектуальной системы: – ее характеристики признаны природоохранными ведомствами, известными на мировой арене; – система упреждающего контроля может повысить доступность традиционных СНКВ; – СУКВ может заменить традиционные анализаторы в случаях, когда СНКВ отсутствует или не может быть использована.

В дополнение к указанным преимуществам, реализованные АББ функции моделирования позволяют предприятиям изучать возможности повышения эффективности эксплуатации в независимой рабочей среде и определять оптимальные подходы к реализации технологических процессов. Эти функции также позволяют проводить предварительное тестирование систем оптимизации с целью соблюдения требований местных экологических нормативов.

Нунсио Бонавита Федерико Каллеро АBB SpA Genoa, Italy nunzio.bonavita@it.abb.com federico.callero@it.abb.com

Список литературы [1] IISO 14001, http://www.iso1 4000-iso 14001 - environmental-management.com/14000.htm [2] Continuous emission monitoring systems for non-criteria pollutants (Системы непрерывного контроля выбросов для загрязняющих веществ без установленного предельно допустимого содержания), EPA Handbook, август 1 997 г.

[3] Bonavita N, Matsko T. (декабрь 1999 г.), Neural

Инновационная система упреждающего контроля выбросов является первой сертифицированной EPA системой, основанной на применении технологий упреждающего контроля в регионе Персидского залива.

network technology applied to refinery inferential analyzer problems (Применение технологии нейронных сетей для решения проблем логического анализатора на нефтеперерабатывающем заводе), журнал Hydrocarbon Engineering, стр. 33-38.

[4] Samdani G.S. (декабрь 1 994 г.), Software takes on air monitoring (Применение программного обеспечения для контроля качества воздуха), журнал Chemical Engineering, стр. 30-33.

[5] Bonavita, N., Formenton, A., Pavan, E. (2005 г.), Inferential modeling for environmental applications - the predictive emission monitoring approach (Логическое моделирование для решения задач в области охраны окружающей среды – упреждающий контроль выбросов), информационный обзор АББ.

[6] Bonavita, N., Martini, R., Matsko T. (июнь 2003 г.), Improvement in the performance of online control application via enhanced modeling techniques (Улучшение характеристик приложения интерактивного управления с помощью методов расширенного моделирования), материалы конференции ERTC Computing, Милан.

Контроль выбросов на основе модели

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­63

Эффективное извлечение энергии из контура 4...20 мА Адаптер беспроводной связи АББ FieldKey с низким энергопотреблением YЯННИК МАРЕТ, СТЕФАН У. СВЕНССОН, тило МЕРЛИН — многие из применяемых в промышленной автоматизации периферийных устройств с токовым контуром 4...20 мА поддерживают телекоммуникационный протокол HART (протокол для магистральных адресуемых удаленных преобразователей). Возможности этого протокола часто используются только на этапе ввода в эксплуатацию, поэтому при эксплуатации оборудования ценная информация, например характеристики контролируемого процесса или диагностические данные, остается недоступной. Чтобы передать эту информацию на рабочую станцию инженерной поддержки и технического обслуживания без ущерба для уже подключенных к контуру 4...20 мА устройств, компания АББ разработала специальный адаптер FieldKey, который предоставляет установленным HART-устройствам поддержку функций беспроводной связи (WirelessHart). Адаптер FieldKey передает данные через беспроводной шлюз и является первым устройством, реализующим поддержку WirelessHART, которое зарегистрировано организацией HART Communication. Энергию для своей работы этот адаптер извлекает из токового контура, к которому он подключен, однако иногда возникают обстоятельства, в которых доступной мощности недостаточно. Чтобы исключить возникновение таких ситуаций, АББ разработала методы, направленные на снижение энергопотребления адаптера FieldKey и ограничение его влияния на контур 4...20 мА.

Титульная фотография Компания АББ разработала методы, направленные на снижение энергопотребления адаптера FieldKey, что в свою очередь обеспечит выгоду для многих отраслей.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­64

AББ Ревю 3|11

Эффективное извлечение энергии из контура 4...20 мА

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­65

1 Возможности типового применения технологий HART на предприятии перерабатывающей промышленности Рабочая станция инженерной поддержки

Рабочая станция технического обслуживания

Ethernet Система управления*

Плата ввода/ вывода*

Шина Fieldbus*

Беспроводной шлюз HART

Шина Fieldbus Барьер*

Барьер*

Встроенный барьер системы ввода/вывода* Адаптер FieldKey

Устройство с поддержкой HART

Устройство с поддержкой HART

Устройство с поддержкой HART

Устройство с поддержкой HART

*Ф ункция связи HART, необходимая для доступа к информации периферийного устройства с рабочей станции инженерной поддержки или технического обслуживания

T

ехнология передачи аналоговых сигналов с помощью токового контура 4...20 мА предусматривает, как правило, наличие источника напряжения и сигнального устройства, которое передает результаты измерений или управляющие сигналы путем изменения величины тока в интервале между 4 и 20 мА. любое устройство, включенное последовательно в этот контур, может считывать величину тока, а попутно и передаваемое значение. Многие контрольно-измерительные приборы с токовым контуром 4...20 мА поддерживают телекоммуникационный протокол HART (протокол для магистральных адресуемых удаленных преобразователей) [1]. Телекоммуникационный протокол HART разработан в качестве дополнения к технологии передачи аналоговых сигналов и реализуется путем наложения цифрового сигнала на аналоговую токовую несущую с использованием схемы частотной модуляции (FSK). Полная реализация возможностей протокола HART (то есть подклю-

промышленности, обходится слишком дорого рис. 1. В результате протокол HART обычно используется только на этапах монтажа и ввода в эксплуатацию, и важная информация, например характеристики контролируемого процесса или диагностические данные, остается в периферийном устройстве. На практике многие компоненты, такие как барьеры, рассчитаны только на передачу в систему управления сигнала 4...20 мА. Несмотря на то, что недавние внедрения протокола HART предлагают возможность реализации приложений контроля состояния оборудования, на практике 80% парка установленного оборудования не используют эту возможность. Чтобы использовать информацию, которую могут передавать контрольно-измерительные приборы с помощью протокола HART, для профилактического обслуживания и управления активами, необходимо заменить или переделать большинство установленных компонентов ввода/вывода и связанной с ними проводки. Чтобы исключить этот дорогостоящий процесс, компания АББ разработала беспроводной адаптер FieldKey, который предлагает экономичный и безопасный способ реализации приложений дистанционного текущего конт р о л я технологических процессов и состояния оборудования без ущерба для работы стандартных контуров 4...20 мА [2]. Другими словами, этот адаптер выступает в ка-

Компания АББ разработала методы, направленные на снижение энергопотребления адаптера FieldKey и ограничение его влияния на контур 4...20 мА. чение периферийных устройств к системе управления и текущего контроля) в установках, эксплуатируемых во взрывоопасных зонах, например, в обрабатывающей ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­66

AББ Ревю 3|11

честве двунаправленного моста между данными HART, передаваемыми по проводам, и WirelessHart. Адаптер FieldKey можно подключить к любому участку контура 4...20 мА, используемого устройством, а для снижения расходов на установку и техническое обслуживание он использует автономное питание. Иначе говоря, он автоматически использует доступную энергию. Поэтому при последовательном включении в установленный контур 4...20 мА рис. 2 этот адаптер должен иметь возможность извлечь достаточное для своей работы количество энергии за счет создания падения напряжения в контуре. Фактически это падение напряжения представляет собой дополнительную потерю напряжения в контуре, поэтому оно должно быть достаточно малым, чтобы не мешать работе других устройств. Однако снижение потерь напряжения в контуре ведет к ограничению доступной мощности. Чтобы преодолеть это затруднение, компания АББ искала способы, позволяющие ограничить влияние вносимого адаптером FieldKey падения напряжения на контур 4...20 мА и снизить энергопотребление адаптера. С целью ограничить влияние адаптера на контур 4...20 мА был разработан новый адаптивный метод регулирования падения напряжения, который использует новую схему блокирующего барьера и предусматривает включение в схему «виртуального» питающего резистора. Снижение потребляемой мощности адаптера может быть достигнуто путем оптимизации его конструкции по энергопотреблению и, в частности, за счет уменьшения тока утечки батареи конденсаторов, используемых

2 Установка беспроводного адаптера FieldKey

Беспроводной адаптер 4...20mA Распределительный шкаф - напряжение питания -

15V

Падение напряжение, >10V внесенное адаптером

Сигнальное устройство - модулированный ток -

Несколько километров

для сглаживания пиков расхода энергии. Ограничение влияния на токовый контур Оптимизация падения напряжения Основная идея адаптивного регулирования падения напряжения заключается в изменении падения напряжения, вносимого адаптером FieldKey, в зависимости от величины тока, протекающего в контуре. Поскольку ток определяется сигнальным устройством, а для работы адаптера требуется постоянная мощность около 5 мВт, то при более высоком токе для питания адаптера требуется меньшее напряжение, чем при низком. Кроме того, при большом токе резистивные потери напряжения, вносимые проводкой, достигают максимальных значений. Поэтому при 20 мА периферийному устройству доступно минимальное напряжение, а при 4 мА — максимальное. На практике проводка часто имеет длину, близкую к максимально допустимой, и в результате напряжение на периферийном устройстве находится вблизи нижнего предела, допустимого для этого устройства. При этом создаваемое адаптером FieldKey падение напряжения при малых токах больше, чем при высоких рис. 3. Важный вклад в падение постоянного напряжения в контуре 4...20 мА вносит последовательно подключенный питающий резистор, который необходим для преобразования тока в напряжение, и наоборот. Этот резистор вносит падение напряжения до 2,5 В. Адаптер FieldKey заменяет этот резистор «виртуальным», который имеет сопротивление 240 Q в частотном диапазоне, используемом протоколом HART, и 0 Q при постоянном токе. Для снижения энергопотребления адап-

тивное регулирование падения напряжения и управление виртуальным питающим резистором осуществляется за счет обработки аналогового сигнала. Блок-схема электронных компонентов показана на рис. 4. Проводной входной каскад состоит из модулятора HART и регулятора постоянного напряжения. HART-модулятор осуществляет модуляцию для протокола HART, а также регулирует падение постоянного напряжения, вносимое адаптером. Регулятор постоянного тока формирует стабильное напряжение постоянного тока, которое подается на повышающий преобразователь постоянного тока. Снижение энергопотребления Оптимизация тока утечки батареи конденсаторов Адаптер FieldKey представляет собой энергоаккумулирующее устройство рис.

5. При этом необходимую для работы энергию он отбирает из внешней цепи (токового контура 4...20 мА), которая не рассчитана на это. Мощность, потребляемая микросхемой WirelessHART при пиковой нагрузке, превышает энергетические возможности контура 4...20 мА (например, для выполнения операции записи во флэш-память, которая может длиться 30 мс, требуется 100 мВт, а для операции беспроводной передачи данных, которая может занять 5 мс — 75 мВт). Фактически доступная мощность определяется минимальным током в контуре и падением напряжения на адаптере. Поэтому падение напряжения в 1,5 В дает 6 мВт доступной мощности. Поскольку падение напряжения должно быть сведено к минимуму, доступная мощность ограничена. Для сглаживания пиков потребляемой

Являясь энергоаккумулирующим устройством, адаптер FieldKey вынужден отбирать необходимую для работы энергию из цепи, которая не рассчитана на это. мощности необходима буферная емкость на 6 мФ, однако при высоких температурах в таком большом буфере возникает ток утечки, который ведет к потерям энергии. С учетом допустимых размеров необходимую емкость в 6 мФ могут обеспечить только электролитические конденсаторы. Некоторые специальные алюминиевые электролитические конденсаторы имеют очень малый ток утечки, но требования по искробезопасности исключают их применение рис. 6, делая использование жидкого электролита недопустимым [3]. Альтернативой является твердый электролит, то есть конденсаторы на основе тантала и оксида ниобия. Однако утечка по постоянному току (DCL) не является основной целью оптимизации на рынке конденсаторов с твердым электролитом, в отличие от эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) или емкости. Минимальный ток утечки на танталовых конденсаторах обеспечивается при эксплуатации конденсаторов под напряжением от 30 до 40% от номинального

Эффективное извлечение энергии из контура 4...20 мА

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­67

Устройство, соответствующее требованиям по искробезопасности (ИБ), может эксплуатироваться в присутствии взрывоопасных газов без использования дорогостоящих герметичных корпусов.

3 Падение напряжения, вносимое адаптером FieldKey

4 Блок-схема подключенного входного каскада 4...20 mA

Напряжение (В)

1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 4

6

8

10

12

14

16

18

Ток в контуре (мА) Модулятор HART

Напряжение на адаптере

Искробезопасность

Линия питания 5 мВт

20

22

Падение напряжения, внесенное адаптером

1.6 Модулятор HART

Подходящая конденсаторная батарея может быть составлена из 12 конденсаторов Kemet 470 мкФ/10 В. В данном случае ток утечки этих конденсаторов намного меньше, чем указано в технических характеристиках. Например, для рабочего напряжения 10 В указан ток утечки 14 мкА в расчете на конденсатор (н/к) при 25°C; при росте температуре до 85°C этот ток увеличивается в пять раз. При рабочем напряжении 3,6 В график изменения рабочих характеристик определяет максимальный ток утечки в размере 8,5 мкА н/к при 25°C, который также увеличивается в пять раз при росте температуры до 85°C. Однако измерения, выполненные Kemet на нескольких образцах, показали ток

Сноска 1 В данном случае рассматриваются конденсаторы Kemet B45197A2477K509.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­68

AББ Ревю 3|11

DC DC

Регулятор постоянного тока ФНЧ

Vloop f

Датчик тока

ФВЧ f

Преобразователь постоянного тока

значения [4]. При более низком напряжении ток утечки обусловлен в основном потерями в диэлектрике, а при более высоком превалирует ток короткого замыкания. Поэтому при внутреннем напряжении питания 3 В конденсатор должен быть рассчитан на номинальное напряжение 10 В.

Защита от искрообразования

утечки лишь 5,1 мкА н/к при 85°C и рабочем напряжении 3,6 В и значения до 55 мкА н/к при 85°C и рабочем напряжении 10 В рис. 7. Эти значения соответствуют снижению тока утечки на 90% для рабочего напряжения 3,6 В и только на 20% для 10 В, что подтверждает результаты, описанные в [4] другим поставщиком конденсаторов. Барьер для блокировки обратного тока при низком напряжении В соответствии со стандартами по искробезопасности конденсаторы большой емкости должны быть помещены в защитный корпус и подключаться к внешним электронным компонентам через барьер, блокирующий обратный ток [3]. Это ограничивает тепловую и электрическую энергию, которая может высвободиться из конденсаторов в случае неполадки и оказать воздействие на компоненты за пределами защитного корпуса. В соответствии с этими стандартами, энергия, запасенная в

Iloop Модем HART

Беспроводной модем

буфере емкостью 6 мкФ, слишком велика, поэтому применение барьера является необходимым. Традиционным решениям, таким как схемы на основе диодов, свойственны большие потери напряжения, а применение сложных схем, например интегральных микросхем, не допускается органами по

Минимальный ток утечки на танталовых конденсаторах обеспечивается при эксплуатации конденсаторов под напряжением от 30 до 40% от номинального значения. сертификации, поскольку неполадки в таких схемах трудно анализировать и в нештатных ситуациях система защиты должна работать без питания. По этим причинам компания АББ предложила новый барьер с близкими к нулю потерями мощности, который работает лучше, чем схема на основе диодов.

5 Адаптер FieldKey (NHU200-WL), установленный на контрольно-измерительных приборах

6 Искробезопасность Устройство, соответствующее требованиям по искробезопасности (ИБ), имеет значительное преимущество, заключающееся в том, что оно может эксплуатироваться в присутствии взрывоопасных газов без использования дорогостоящих герметичных корпусов. С другой стороны, нормативы по ИБ ограничивают энергию, которая может быть случайно высвобождена электронными устройствами. Одно из последствий этих ограничений состоит в том, что допускается применение конденсаторов только относительно небольшой емкости. Например, если напряжение на конденсаторах ограничено 5 В, то в устройствах, допущенных к эксплуатации в среде с присутствием летучих газов, суммарная емкость всех конденсаторов не должна превышать 100 мкФ. Есть два способа ограничения энергии, высвобождаемой конденсаторами: добавление последовательно подключенного резистора или ограничение потока энергии, поступающего в опасную зону, с помощью барьерных диодов. К сожалению, первому методу свойственны большие резистивные потери, а второму — существенное дополнительное падение напряжения. Существует один недостаток оптимизированного по мощности и искробезопасного контура 4...20 мА: повышение теоретической вероятности нарушения протекающего в контуре тока в случае отказа устройства. Адаптер FieldKey используется для расширения возможностей диагностики, но снижение надежности системы не допускается. Для вычисления среднего времени наработки на отказ различных конструктивных решений используется анализ видов, последствий и диагностики отказов (FMEDA).

Традиционный подход предусматривает использование нескольких кремниевых диодов, соединенных последовательно [5]. В некоторых регионах мира достаточно двух диодов, в других обязательно применение трех. Чтобы свести к минимуму потери напряжения, используются диоды Шоттки. Общее падение напряжения при использовании трех последовательно соединенных диодов Шоттки при комнатной температуре составляет около 0,5 В. Однако при снижении температуры уменьшается количество носителей заряда и падение напряжения при заданном токе увеличивается. В этом случае падение напряжения может вырасти до 1 В при 40°C. Решение, предложенное АББ (для трех ступеней защиты), показано на рис. -*8. В режиме прямого смещения (Vi > Vo) поведение схемы защиты определяют только нижние транзисторы и резисторы, верхние транзисторы имеют обратное смещение и поэтому не пропускают ток. Нижние транзисторы имеют прямое смещение и, таким образом, работают в прямом активном режиме и насыщены. Поэтому общее падение напряжения, вызванное тремя транзисторами, очень мало при любой температуре. Поскольку транзисторы на-

сыщены, требуемый ток базы значительно выше, чем для обычного прямого активного режима. При этом подразумевается, что на базу транзистора поступает ненулевой ток эмиттера. В обратном режиме (Vo > Vi и Vo > 0,6 В) верхние транзисторы имеют прямое смещение и пропускают ток. Они предназначены для того, чтобы исключить пропускание тока транзисторами нижней группы за счет создания обратного смещения. Это необходимо потому, что биполярные транзисторы являются относительно симметричными. То есть коллектор и эмиттер такого транзистора можно поменять местами, и он по-прежнему будет работать как транзистор, хотя и с худшими характеристиками. Это означает, что схема защиты, состоящая только из нижних транзисторов, не будет полностью блокировать ток.

Эти электронные схемы были разработаны с использованием итеративного подхода для оптимального распределения энергетического потенциала с учетом различных режимов работы и конструкции устройства.

Для трех последовательно соединенных диодов Шоттки с энергетическим КПД около 48% при Vi = 1,5 В и L = 4 мА падение напряжения в прямом режиме при 40°C равно примерно 0,78 В. В предлагаемом решении с использованием транзисторов при тех же условиях падение напряжения в прямом режиме составЭффективное извлечение энергии из контура 4...20 мА

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­69

7 Измерения тока утечки для шести конденсаторов емкостью 470 мкФ. Данные предоставлены компанией Kemet.

50 44.6 40 30

8 Предложенная АББ схема барьера для блокировки обратного тока

20 14.5 10

5.1

Измерение при 10 В в течение 300 с

Группа инженеров и ученых-исследователей разработала адаптер WirelessHart с наименьшим падением напряжения среди представленных на рынке аналогов.

Падение напряжения

85°C_DLC_3,6V_300s

2.1

0.7 60°C_DLC_3,6V_300s

25°C_DLC_3,6V_300s

85°C_DLC_10V_300s

60°C_DLC_10V_300s

40°C_DLC_10V_300s

0

0.3

40°C_DLC_3,6V_300s

5.4

2.7 25°C_DLC_10V_300s

Утечка по постоянному току (мкА)

Зависимость утечки по постоянному току от температуры для конденсатов 470 мкФ/10 В при напряжениях 10 и 3,6 В

Ii

I0

Vi

Vo

Измерение при 3,6 В в течение 300 с

ляет около 193 мВ, а потери по току — 69 мкА с энергетическим КПД около 85%. Более подробное обсуждение и анализ блокирующего барьера на основе транзисторов можно найти в [6]. Эти электронные схемы были разработаны с использованием итеративного подхода для оптимального распределения энергетического потенциала с учетом различных режимов работы (ожидание, демодуляция и модуляция) и конструкции устройства (аналоговое, цифровое). Используя методы, описанные в этой статье, группа инженеров и ученых-исследователей разработала адаптер WirelessHart с наименьшим падением напряжения среди представленных на рынке аналогов.

Список литературы [1] Спецификация физического уровня FSK, HART Communication Foundation, август 1 999 г.

[2] Johnston, G., Unlocking stranded information: The АББ WirelessHART upgrade FieldKey. (Извлечение дополнительной информации. Беспроводной адаптер АББ WirelessHART FieldKey), АББ Review 4/2009, 27-32.

[3] Стандарт IEC 60079/11. Взрывоопасные среды

Для получения дополнительной информации посетите интернет-сайт: www.abb.com/fieldbus.

— раздел 11: обеспечение искробезопасности оборудования. IEC 2006-2007.

[4] Zednicek, T. и др. (2009). Tire pressure monitoring system life time improvement by low leakage tantalum and NbO (Увеличение срока службы системы текущего контроля давления в шинах за счет применения конденсаторов на основе

Янник Марет Отдел корпоративных исследований АББ

тантала и оксида ниобия), AVX Corporation.

[5] Gaunt, D. (ноябрь 1 988 г.), Intrinsic safety-

Baden-Dattwil, Switzerland

simplicity itself (Искробезопасность — это

yannick.maret@ch.abb.com

просто), Международная конференция по электрической безопасности в опасных зонах

Стефан У. Свенссон Отдел корпоративных исследований АББ

(103-105).

[6] Maret, Y., Schrag, D., Bloch, R. (2011 г.), On

Ludvika, Sweden

increasing the power available to an intrinsically

stefan.u.svensson@se.abb.com

safe wireless HART FieldKey (О повышении мощности для искробезопасного беспроводно-

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­70

AББ Ревю 3|11

Тило Мерлин

го адаптера HART FieldKey), Международный

Системы измерений АББ Germany

симпозиум IEEE по промышленной электрони-

tilo.merlin@de.abb.com

ке.

Редакционная коллегия Клас Ритофт Директор по технологиям Отдел исследований, разработок и технологий группы АББ

Кларисса Хэллер Руководитель отдела корпоративных связей

Рон Поппер Руководитель отдела корпоративной ответственности

Эеро Яаскела Руководитель экономического отдела группы

Андреас Моглестью Главный редактор журнала АББ Review andreas. moglestue@ch.abb.com

Издатель АBB Review издается отделом исследований, разработок и технологий группы АББ.

ABB Technology Ltd. АББ Review Affolternstrasse 44 CH-8050 ZQrich Switzerland (Швейцария) Журнал АББ Review издается четыре раза в год на английском, французском, немецком, испанском, китайском и русском языках. АББ Review распространяется бесплатно среди тех, кого интересуют технологии и цели компании АББ. По вопросам оформления подписки обращайтесь в ближайшее представительство компании АББ. Подписку также можно оформить через Интернет на странице www. abb.com/abbreview. Частичная перепечатка или воспроизведение разрешается только при условии полного и точного указания источника публикации. Для полной перепечатки издания требуется письменное разрешение издателя. Издатель и владелец авторских прав (© 2011 г.) АББ Technology Ltd. Цюрих, Швейцария

Типография Vorarlberger Verlagsanstalt GmbH AT-6850 Dornbirn/Austria

Макет DAVILLA AG Цюрих, Швейцария

Отказ от ответственности Сведения, содержащиеся в данном издании, отражают точку зрения авторов и предназначены для использования исключительно в информационных целях. Читатели не должны действовать на основании этой информации, не получив предварительно профессиональную консультацию. Публикуя эти материалы, мы осознаем, что авторы не дают в них профессиональных рекомендаций или экспертных оценок по техническим и иным вопросам, и не несем никакой ответственности в связи с использованием этих материалов. Компании группы АББ не предоставляют никаких гарантий и не дают обещаний, явно выраженных или подразумеваемых, в отношении содержания или точности высказанных здесь точек зрения.

АББ Ревю 4|11

Вода Вода необходима для жизни. Однако запасы этого жизненно важного ресурса распределены неравномерно. Фактически одна шестая человечества не имеет доступа к чистой питьевой воде, а загрязненные источники водоснабжения остаются главной причиной болезней. Стремление к решению вопросов водоснабжения свойственно не только развивающимся странам. Многие города в промышленноразвитых странах сталкиваются с проблемами устаревания инфраструктуры, нуждающейся в модернизации для удовлетворения растущего потребления и снижения потерь и утечек, а также для соблюдения требований по энергосбережению и охране окружающей среды. Номер 4/2011 журнала АББ Review будет посвящен технологиям водоснабжения и вкладу АББ в этой области. В статьях этого выпуска будут обсуждаться вопросы, касающиеся измерительных технологий, приводов и насосов, а также управления сетями и систем управления. Также будут проанализированы пути повышения энергоэффективности водоснабжения. В качестве нетрадиционных источников воды будут рассмотрены опреснительные установки. Эти и другие темы будут обсуждаться в номере 4/2011 журнала АББ Review.

ISSN: 1013-3119 www.abb.com/abbreview

Анонс

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­71

Повышение энергоэффективности на 25%? Комплексная автоматизированная система энергоснабжения компании АББ помогла крупнейшему алюминиевому заводу в Европе повысить энергоэффективность на 25% и одновременно увеличить производительность. С помощью исследований и разработок, направленных на улучшение рабочих характеристик и экономию ресурсов, мы постоянно работаем над тем, чтобы сэкономить энергию и деньги. А также сохранить окружающую среду. www.abb.com/betterworld

Конечно.