Самоорганизация IT-Систем для электростанций: новое понимание системы Smart-MES для электростанций

В России функционируют более 300 электростанций, которые распределены между Генерирующими компаниями и территориально разбросаны. Все ТЭЦ и ГРЭС разные по технологии и составу оборудования. Электростанции относятся к категории непрерывного производства, т.е. каждую минуту для выработки электроэнергии и тепла сжигается определенное количество топлива. Общим для всех электростанций является подход технологов к их управлению, т.е. технологи условно работают с технологическими срезами, которые диктуются планом поставки электроэнергии и тепла в конкретные промежутки времени суток и с учётом их реализуемости.

Эти срезы отличаются по длительности и по числу участвующих в управлении параметров в зависимости от состава работающего оборудования. Но можно выделить общий принцип управления. На электростанции существуют стабильные и переходные процессы. Для стабильных и медленно меняющихся процессов можно принять длительность среза в полчаса, а для переходных процессов – одна минута.

Целью функционирования Генерирующей компании и электростанции является прибыль. Величина прибыли находится в прямой зависимости от качества выполнения плана поставки электроэнергии и тепла, от затрат топлива и безаварийности.

При управлении выработкой электроэнергии и тепла следует добиваться нулевого перерасхода топлива в каждом текущем срезе при оптимизации загрузки оборудования. Иными словами, для каждого выработанного количества электроэнергии и тепла существуют расчётные нормативные затраты топлива, и его фактические затраты не должны превышать эти нормативы. Для этого система решает следующие технологические задачи:

1) Автоматизированный ввод данных из существующих средств сбора информации.

На каждой из 300 электростанций имеются свои средства сбора данных с датчиков давления и температуры и со счётчиков электроэнергии: АСКУЭ, АСКУТ, АСКУГ (автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии, тепла, газа), АСУТП, «Пчела», «Дельта» и другие. Они все имеют разных разработчиков, различную идеологию и свои базы данных. Интервалы опроса датчиков – от нескольких секунд. Поэтому из всех этих баз данных нужно собрать необходимую информацию в единую базу с восстановлением недостающих сигналов в необходимые отрезки времени – минута или полчаса.

2) Ручной ввод суточных и месячных данных.

Месячный ввод данных используется для заведения плановых показателей для месячных задач. Суточный ввод используется для недостающих исходных параметров автоматизированного ввода и для условно-постоянных показателей. В этом случае суточные значения трансформируются в получасовые и минутные базы данных. А при необходимости для большей достоверности они могут обрабатываться регрессионными зависимостями вместе с параметрами, по которым присутствуют датчики.

3) Расчет ТЭП (технико-экономические показатели) оборудования и электростанции в целом.

Все технологические задачи оформляются в виде текстовых проектов на простом инженерном метаязыке технолога с помощью инструментального средства «Конструктор проектов» [3], где алгоритмы формируются с помощью шаблонов. Проект включает два основных описания задачи в табличном виде: описание колонок со станционными номерами однотипного оборудования (котел, турбина) и описание строк с исходными и расчётными показателями этого оборудования в следующем виде: обозначение, единица измерения, наименование, алгоритм расчёта.

После компиляции проектов автоматически создаются базы данных, экранные формы, отчёты и расчётные DLL-программы. В результате полный расчёт ТЭП (расчет фактических и нормативных ТЭП, отпуск тепла, затраты на собственные нужды и потери электроэнергии и тепла) любой электростанции выполняется менее 1 секунды.

4) Мониторинг текущего перерасхода топлива и других показателей на БЩУ (блочный щит управления).

Затраты топлива составляют более 50 % в себестоимости электроэнергии и тепла, поэтому минимизация этих затрат является основной целевой функцией управления производством электростанции. Только ликвидация неконтролируемого в настоящее время перерасхода топлива даст экономию в размере более 10 % его затрат.

Перерасход топлива выявляется в результате полного расчёта ТЭП. Постоянный мониторинг текущего перерасхода топлива на БЩУ создаёт принудительную мотивацию эксплуатационного персонала в экономии топлива. При отсутствии мониторинга любой высококвалифицированный персонал допускает перерасход топлива на каждом технологическом срезе, т. к. он об этом перерасходе ничего не знает.

Перерасход топлива за месяц суммируется из всех перерасходов в каждом срезе. Существующие в настоящее время месячные и суточные расчёты перерасхода топлива методологически неверны из-за криволинейности нормативных графиков. Игнорирование этого ведёт к сокрытию резерва увеличения энергоэффективности электростанций.

5) Выработка рекомендаций по оптимальной загрузке основного оборудования.

Здесь имеется несколько подходов оптимизации: симплексный метод решения системы линейных уравнений, метод динамической оптимизации на полной модели электростанции с минимаксной стратегией, метод ХОП (характеристика относительных приростов) оптимизации. Следует отметить, что решение системы линейных уравнений реализуется как обычная технологическая задача на текстовом проекте.

6) Расчёт необходимого прогнозного количества топлива.

Для расчёта прогнозного количества топлива обычно используются удельные затраты топлива на выработку электроэнергии и тепла. Но есть более точный метод расчёта, который использует информацию о технологических срезах в базе знаний при нулевом перерасходе топлива. Для этого достаточно задать планируемый график поставки электроэнергии и тепла, а также сведения о работающем оборудовании.

7) Анализ и выявление ложных срабатываний сигналов и ошибок оператора при аварийных ситуациях.

В данном случае с минимальным интервалом автоматизированного ввода данных сравнивается текущее состояние дискретных параметров с предыдущим. При выявлении изменения анализируется его корректность. В случае некорректности выдается сообщение на БЩУ. Дополнительно могут быть задействованы и аналоговые параметры. Алгоритмы корректности описываются также в текстовых проектах аналогично технологическим задачам.

8) Представление ретро- и текущей аналитики исходных и расчётных показателей.

Для аналитики представлено множество инструментов: обзор показателей с настройкой для других аналитических инструментов, оперативный журнал, оперативный мониторинг, экспресс-анализ с возможностью построения иерархических схем без графического редактора. При вызове аналитики из экранной формы автоматически формируется журнал по заданному показателю для всех единиц конкретного оборудования и выводится график. Аналитику можно просматривать в разрезе получасов за сутки, в разрезе суток за месяц, в разрезе месяцев за год, а также в разрезе вахт за месяц.

9) Передача необходимых данных на верхний уровень.

По Интернету может быть передана любая информация, включая и оперативные данные по перерасходу топливу и основным текущим показателям электростанции.

10) Формирование месячных отчётных документов.

Отчётные документы формируются как месячные задачи в виде текстового проекта. Месячные данные получаются накоплением суточных данных, а суточные и сменные – накоплением получасовых. Месячные данные по вахтам формируются из данных по сменам на основе графика вахт.

11) Построение электрических и тепловых графических схем с выводом динамической информации.

Графический векторный редактор позволяет создавать иерархические технологические схемы с представлением энергетических примитивов, рисунков и текстов. На эти схемы можно выводить текущую аналоговую и дискретную информацию.

12) Текущее внесение изменений в алгоритмы технологических задач.

Вся жизненность системы обеспечивается легкостью внесения любых изменений самими технологами в структуру расчётов и в алгоритмы задач. Все изменения вносятся посредством коррекции текстовых проектов с последующей их компиляцией.