Wymagania i zadania współczesnych systemów informatycznych sterowania i wspomagania pracy jednostek wytwórczych w Krajowym Systemie Energetycznym

Każdy system IT powinien być odpowiednio dopasowany do struktury, zakresu zadań, wielkości oraz znaczenia danej jednostki dla bezpiecznej i niezawodnej pracy całego systemu. Również wymagania stawiane Krajowemu Systemowi Elektroenergetycznemu (KSE) przez Unię Europejską wpływają na powstawanie nowych rozwiązań informatycznych. Dodatkowo każda modyfikacja systemu informatycznego niesie za sobą konieczność analiz związanych z bezpieczeństwem informatycznym i podatnością poszczególnych podsystemów, jak i całego systemu, na potencjalną możliwość ataku cybernetycznego.

Dla właściwego działania całego systemu istotne jest bezpieczne przechowywanie, zarządzanie i łatwy dostęp do pozyskiwanych danych. W tym celu wykonywane są audyty bezpieczeństwa obejmujące sprawdzanie urządzeń, oprogramowania oraz zasad postępowania [1, 2].

Wymagania i zadania poszczególnych systemów informatycznych wspomagających i zarządzających pracą elektrowni w Krajowym Systemie Energetycznym [KSE]

Głównymi wymaganiami stawianymi systemom informatycznym elektrowni są:

• rozliczanie mocy osiągalnej,
• organizacja dostaw i zużycie paliw,
• wspomaganie eksploatacji urządzeń,
• wsparcie pracy dyżurnego inżyniera elektrowni,
• kontrola pracy elektrowni na szczeblu państwowym,
• wsparcie działań badawczych, procesów finansowo-ekonomicznych, kadrowych i administracyjnych.

Wszystkie elektrownie funkcjonujące w Polsce wchodzą w skład KSE.

W celu wytworzenia odpowiedniej ilości energii elektrycznej warunkiem koniecznym jest to, by węzły wytwórcze lub pojedyncze źródła generacyjne w pełni współpracowały ze sobą wymieniając odpowiednią ilość danych i informacji dla realizacji swoich zadań. Obecne warunki produkcji energii elektrycznej narzucają konieczność centralnego zarządzania pracą źródeł wytwórczych.

Sytuacja ta będzie się zmieniać i komplikować w przypadku pojawienia się większościowego udziału źródeł generacji rozproszonej o znacznej dynamice zmian mocy generowanej i nieprzewidywalnej dyspozycyjności [2].

Z biegiem lat, wraz z postępującą informatyzacją przemysłu, dawny telefoniczny system obsługi utrzymania ruchu został zastąpiony przez system teleinformatyczny. W polskim Krajowym Systemie Energetycznym (KSE) funkcjonuje tzw. System Informatyczny Rynku Energii (SIRE). System ten został zaprojektowany przez Operatora Systemu Przesyłowego (OSP). Stanowi on narzędzie warunkujące właściwe działanie rynku energii.

Częściami składowymi SIRE są moduły informatyczne, które przetwarzają dane związane głównie z obsługą rynku bilansującego. SIRE obejmuje:

• systemy komputerowe, stosowane w celu gromadzenia i przechowywania danych
• oraz systemy wykorzystywane do wymiany informacji między Operatorem Systemu Przesyłowego a uczestnikami rynku.

W ten sposób wymieniane są informacje między uczestnikami rynku a Operatorem Systemu Przesyłowego.

Z kolei System Wymiany Informacji Rynku Energii (WIRE) oraz System Operatywnej Współpracy z Elektrowniami (SOWE) zapewniają bezpieczną wymianę informacji technicznych i handlowych [5].

W dalszej części artykułu zostaną szerzej omówione wymagania i zadania wybranych modułów informatycznych, które sterują pracą i zapewniają prawidłowe funkcjonowanie jednostek wytwórczych centralnie dysponowanych (JWCD) ze względu na wdrożenie systemu LFC (Load Frequency Control). System LFC w założeniu zastępuje poprzedni system ARCM (System Automatycznej Regulacji Częstotliwości i Mocy).

Na rys. 1. przedstawiono schematycznie przepływ informacji od jednostek wytwórczych centralnie dysponowanych do OSP.

W relacji odwrotnej (OSP do JWCD) polecenia regulacyjne na potrzeby systemu LFC mogą być przesyłane kanałem podstawowym lub rezerwowym. Istnieje również możliwość (w przypadku awarii systemu LFC) przejścia na sygnał regulacyjny Y1 systemu ARCM [3].

System Operatywnej Współpracy z Elektrowniami (SOWE)

SOWE, zgodnie z wytycznymi polskiego rynku energii elektrycznej, wspomaga realizację planów produkcji energii elektrycznej oraz rejestruje rzeczywiste zdarzenia w KSE. Podstawowym zadaniem systemu jest więc operatywne planowanie i sterowanie wytwarzaniem energii.

Przekazywanie danych odbywa się między Operatorem Systemu Przesyłowego a elektrowniami (rys. 1.).

Operator Systemu Przesyłowego pełni funkcję administratora węzła centralnego. Węzeł ten jest oparty na centralnej bazie danych, w której następuje gromadzenie danych konfiguracyjnych systemów komunikacyjnych, adresatów komunikatów oraz gromadzenie dokumentów podlegających wymianie. Natomiast w elektrowniach zlokalizowane są węzły lokalne systemu, które komunikują się węzłem centralnym i realizują wymianę danych.

Informacje biznesowe są przekazywane w postaci dokumentów elektronicznych. Dokumenty przesyłane są między Operatorem Systemu Przesyłowego a elektrowniami. Format dokumentów w systemie SOWE jest zgodny ze standardem dokumentów XML.

System SOWE umożliwia komunikację Operatora z elektrowniami w fazach okresowego i bieżącego planowania dyspozycyjności jednostek wytwórczych oraz sterowania wytwarzaniem energii.

Między Operatorem Sytemu Przesyłowego a elektrowniami zgłaszane są remonty, ubytki i praca w trybie wymuszeń i pomiarów, niesprawność układu regulacji, praca poza siecią.

W tab. 1. przedstawiono wymianę komunikatów między OSP a elektrowniami. W tab. 2. przedstawiono komunikaty tworzące Bieżący Plan Koordynacyjny Dobowy.

Czytaj też: Stacje transformatorowe z SF6 jako innowacyjny element Smart Grids >>>

W celu realizacji powyższych zadań SOWE został zaprojektowany jako system wielowarstwowy o charakterze rozproszonym. Podstawowe warstwy tego systemu to: warstwa komunikacji z systemami zewnętrznymi, komunikacji z systemami wewnętrznymi, archiwizacji komunikatów i dokumentów, dystrybucji komunikatów oraz publikacji dokumentów [5].

Podstawowe systemy wspomagania utrzymania ruchu elektrowni

Informatyzacja elektrowni, a w szczególności służb utrzymania ruchu, oparta jest na systemach typu DCS (Distributed Control System). Wszystkie dane pomiarowe z każdego procesu przekazywane są poprzez moduły wejściowe do jednostki centralnej systemu DCS.

Jednostka centralna dystrybuuje dane do poszczególnych sterowników, realizujących algorytmy regulacji.

Połączenie wszystkich urządzeń w sieć powoduje, że każde urządzenie może uzyskać informację pozyskiwaną bądź przetworzoną przez inne urządzenie/urządzenia. Tym samym zapewniona jest wymiana informacji i dostęp każdego urządzenia do wszystkich węzłów procesu. Rozproszony System Sterowania stanowi układ rozproszonych sieci komputerów, które realizują kompleksowe sterowanie procesem, odbywające się w czasie quasi-rzeczywistym. Dla koordynacji zadań w systemie istnieje baza danych punktów procesowych. Odwołując się do poszczególnych punktów (węzłów) procesowych realizowany jest dostęp każdego urządzenia do każdej informacji [10].

Kolejnym systemem informatycznym, z jakiego korzystają pracownicy Utrzymania Ruchu w elektrowniach, jest Power Generation Information Manager (PGIM).

System został zaprojektowany w celu uproszenia procedur zarządzenia produkcją.System umożliwia zbieranie i bezpieczne przechowywanie danych ze wszystkich procesów realizowanych podczas produkcji energii. Dane te mogą być analizowane. Możliwe są symulacje różnych stanów pracy.System zawiera funkcje alarmów i zarządzania zdarzeniami, wizualizuje i analizuje parametry procesowe, eksportuje dane do innych aplikacji w celu obliczenia wydajności i optymalizacji harmonogramu pracy oraz umożliwia dostęp do krytycznych danych w przedsiębiorstwie [10].

EDS (Enterprise Data Server) jest systemem pobierającym bieżące dane procesowe z systemu sterowania i publikującym te dane dla OSP, kadry zarządzającej oraz analityków. Przedstawia on dane w postaci grafik procesowych, trendów i raportów.

Dane dostępne są w interfejsie graficznym aplikacji terminala EDS oraz w przeglądarce internetowej. Mogą więc być interaktywnie wyświetlane oraz analizowane w czasie quasi-rzeczywistym zarówno na monitorach komputerów biurowych jak i na urządzeniach przenośnych. Kompleksowa platforma EDS operuje danymi czasu rzeczywistego oraz danymi historycznymi. Integruje dane zdalnej wizualizacji, tworzy grafiki procesowe, trendy oraz alarmy. Z poziomu autoryzowanych stacji komputerowych możliwy jest jednoczesny podgląd wielu systemów. Dane pozyskiwane są z wielu źródeł i przesyłane do centralnego serwera danych. System jest również zintegrowany z programem kalkulacyjnym MS Excel [9].

Ostatnim analizowanym i omawianym systemem, wspomagającym pracę służb utrzymania ruchu w elektrowni jest system klasy ERP (Enterprise Resource Planning – planowanie zasobów przedsiębiorstwa). System ten ma na celu maksymalizację zdolności wytwórczych, dyspozycyjności oraz optymalizację kosztów.

Często zdarza się, że informacje w danym przedsiębiorstwie lub zakładzie pracy są rozproszone w kilku bazach danych lub kilku programach. Taka sytuacja występuje też w węzłach elektrownianych. W wielu przypadkach bazy danych to systemy wyspowe lub samodzielne (niezintegrowane i działające niezależnie od siebie). Potrzebna jest więc jedna baza, która zapewni dostęp do wszystkich informacji gromadzonych w systemach na elektrowni.

Dzięki swoim właściwościom system ERP wspomaga gospodarkę remontową elektrowni, planowanie utrzymania ruchu oraz koordynuje wszystkie rodzaje zleceń roboczych, czyli profilaktykę i naprawy. Umożliwia przez to skrócenie czasu pracy ekip technicznych oraz elastyczne zarządza czasem ich pracy.Zbieranie i kontrolowanie danych w systemie może być realizowane za pośrednictwem urządzeń PDA.System umożliwia dostęp do danych historycznych i wspomaga podejmowanie decyzji dotyczących nowych inwestycji i modernizacji urządzeń [8].

Główne układy regulacyjne i ich interakcja z Operatorem Systemu

Regulacja pierwotna mocy czynnej jest realizowana bezpośrednio w węzłach wytwórczych i ma za zadanie utrzymywanie w obszarze synchronicznym równowagi pomiędzy mocą wytwarzaną a sumą odbiorów i strat przesyłowych.

Stosowne działania są podejmowane przez układy regulacyjne w czasie kilku sekund i oddziałują na regulatory turbin. Natomiast w celu realizacji zadania regulacji wtórnej w KSE został wdrożony system LFC (Load Frequency Control) [7].

Przez regulację wtórną należy rozumieć działania polegające na aktywowaniu mocy w wybranych JWCD w horyzoncie minutowym.

Takie działania powinny spowodować sprowadzenie częstotliwości oraz mocy wymiany międzysystemowej do określonych wartości poprzedzających zakłócenie równowagi z równoczesnym odbudowaniem możliwości regulacji pierwotnej.

W założeniach LFC jest w pewnym sensie standardem systemu automatycznej regulacji częstotliwości i mocy [3]. Jego zadaniem jest prowadzenie i monitoring bloków energetycznych pracujących w polskiej sieci elektroenergetycznej. W przyszłości system ten zastąpi SOWE.

LFC pracuje w środowisku rozproszonym, integruje w sieci jednostki wytwórcze centralnie dysponowane oraz realizuje sterowania regulatora centralnego. Każda jednostka stanowi w sieci LFC autonomiczny odrębny element.

Jeśli dana jednostka jest oficjalnie dopuszczona przez OSP do pracy w środowisku produkcyjnym LFC, uczestniczy ona w procesie regulacji mocy.

Podstawowym zadaniem regulatora centralnego jest utrzymanie równowagi między mocą wytwarzaną a zapotrzebowaniem.

W systemie LFC wprowadzono pojęcie węzła lokalnego. Węzeł ten tworzy obiekt generacyjny, na terenie którego zintegrowane mogą być różne technologie wytwórcze.

„Węzeł lokalny” prowadzi dialog z automatyką blokową i poprzez realizację sterowania z OSP przekazuje zwrotnie informację dotyczącą wielkości pomiarowych i paramentów pracy jednostek wytwórczych.

Ze względu na swoją rolę najważniejszymi wymogami stawianymi przed LFC są:

• niezawodność działania układu,
• redundancja typu „hot spare” (gorąca rezerwa)
• oraz przejście z czasu lokalnego (w SOWE) na czas na czas UTC (w LFC).

Konieczne jest również zapewnienie obsługi różnorodnych wariantów tras komunikacyjnych z kilkoma (podstawowe, rezerwowe i testowe) lokalizacjami OSP, rejestrowanie i raportowanie głównych aktywności w systemie oraz wykorzystanie protokołu ICCP-TASE.2 w procesie wymiany danych z OSP.

Dzięki systemowi LFC KSE może szybciej osiągać stabilizację po wystąpieniu w nim zakłóceń.

Praca w czasie quasi-rzeczywistym zapewnia bardzo szybką „mobilizację” dostępnych JWCD, a standaryzacja rozwiązań technologicznych daje możliwość stworzenia jednolitej globalnej infrastruktury komunikacyjnej [3].

Schematycznie struktura teleinformatyczna na potrzeby systemu LFC została przedstawiona na rys. 2.

Drugim ważnym procesem regulacyjnym, skorelowanym m.in. z pracą węzłów wytwórczych, jest proces regulacji napięcia i mocy biernej w SEE. Jest on realizowany przez układy ARNE/ARST (Układ Automatycznej Regulacji Napięcia Elektrowni/Automatycznej Regulacji Stacji Transformatorowej).

Układy typu ARNE mają za zadanie w sposób automatyczny sterować pracą węzła wytwórczego i urządzeń skorelowanych w zakresie regulacji napięcia na szynach zbiorczych przyelektrownianych rozdzielni WN oraz realizować gospodarkę mocą bierną poprzez sterowanie generacją i rozpływem mocy biernej w węźle.

Takie funkcjonalności mają na celu zapewnienie osiągnięcia właściwych parametrów energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowni i dostarczanej do systemu.

Powyższe cele układ ARNE realizuje poprzez wykorzystanie możliwości regulacyjnych wszystkich urządzeń i układów regulacyjnych. Dotyczy to zarówno elektrowni, jak i rozdzielni mających wpływ na tę regulację, takich jak:

• generatory elektrowni,
• transformatory sprzęgające systemy szyn zbiorczych rozdzielni WN;
• transformatory blokowe z regulacją przekładni pod obciążeniem (rzadziej spotykane w KSE).

W automatykę regulacji napięcia ARST wyposażone są więc stacje systemowe, międzysystemowe oraz stacje odbiorcze.

Układ ARST jest autonomiczny i posiada niezależne:

• bezpośredni pomiar położenia przełączników zaczepów,
• pomiary wielkości napięcia oraz prądu bezpośrednio z przekładników,
• obwody sterowania przełącznikami zaczepów oraz akwizycję stanu łączników sterujących.

Układ ARST wykorzystuje standardowo dostępne sterowniki, które są używane w systemach nadzoru węzłów wytwórczych i stacji elektroenergetycznych. Jest wyposażony we własny terminal HMI ARST.

Terminal ten służy do miejscowego (lokalnego) wprowadzania wartości zadanych w procesie regulacji, sterowania i graficznej prezentacji działania procesu.

Sterownik ARST współpracuje z Systemem Sterowania i Nadzoru stacji.

Współpraca powinna być oparta na następujących założeniach: układ umożliwia przekazywanie poszczególnych parametrów procesu regulacji do SSiN oraz pobieranie z SSiN wartości zadanych dla tego procesu.

Podobnie jak przypadku systemu LFC połączenia teleinformatyczne z SSiN wykorzystują drogi podstawowe i redundantne.

Układ regulacji ARST jest przygotowany do współpracy w trybie koordynacji procesów regulacji obejmujących kilka sąsiednich węzłów z układami ARNE.

Możliwe jest również sterowanie zdalne, realizowane z poziomu MK SORN w ODM (połączenie dedykowane), z poziomu Dyster w ODM i KDM (połączenie poprzez SSiN) oraz z poziomu CN i RCN.

Regulacja ARST w stacjach przyelektrownianych rozpoczyna się z chwilą osiągnięcia wartości granicznych, w zakresie regulacyjnym generatorów. W sieci przesyłowej o dużej koncentracji stacji odbiorczych i węzłów wytwórczych, układy regulacji ARNE/ARST poszczególnych węzłów stacyjnych są ze sobą skoordynowane.

Oprogramowanie algorytmu układu ARST zostało stworzone z wykorzystaniem graficznych języków programowania zgodnie z normą IEC 81131-3 [6].

Wnioski i propozycje nowych funkcjonalności analizowanych systemów

Głównym celem artykułu jest przybliżenie wymagań i zadań wybranych systemów teleinformatycznych mających na celu pozyskiwanie danych i informacji oraz właściwe zarządzanie pracą węzłów wytwórczych i jednostek generacyjnych w KSE. Przeanalizowanie tych zadań oraz funkcjonalności obecnych modułów podsystemów informatycznych wspomagających wytwarzanie energii KSE prowadzi do możliwości wskazania propozycji poszerzenia zadań tych modułów o nowe funkcje.

Z przeprowadzonej analizy wynika, że z punktu widzenia części „elektrycznej” procesu wytwarzania, systemy informatyczne węzłów wytwórczych są mocno rozbudowane, skorelowane i zinformatyzowane. Odczuwa się jednak mniejszy udział „zinformatyzowania” w procesach wymiany danych informacji dotyczących procesów skorelowanych z wytwarzaniem energii elektrycznej. Przykładem tego jest m.in. problem gospodarki paliwowej.

Ze względu na bezpieczeństwo pracy Krajowego Systemu Elektroenergetycznego PSE S.A. musi podejmować działania mające na celu ocenę stanu zapasów paliw. Wynika to z potrzeby posiadania wiedzy o potencjalnych zagrożeniach w pracy KSE. Zgodnie z otrzymanymi informacjami, Operator Systemu pozyskuje dane m.in. dotyczące dostaw, zużycia oraz zapasów paliw poszczególnych wytwórców.

Dane pozyskiwane są w cyklu dobowym za pośrednictwem zamiejscowych komórek organizacyjnych. Dane te służą dalszym wyliczeniom, między innymi obliczeniom odchyleń od zapasów obowiązkowych.

Na całość funkcjonowania systemu elektroenergetycznego mają wpływ nie tylko systemy informatyczne związane z parametrami techniczno-ruchowymi, ale również ich funkcjonalności pomocnicze, związane z monitorowaniem zasobami.

W myśl art. 10 ust. 1e ustawy Prawo energetyczne, od dnia 11 marca 2010 roku przedsiębiorstwa energetyczne zobowiązane są do informowania PSE S.A. o stanie zapasów i zużyciu paliw [4].

Brak jest odpowiednich regulacji prawnych definiujących tryb i formę przekazywania informacji, a także sposób weryfikacji ich poprawności. Skutkiem tego ukształtowała się praktyka informowania PSE S.A. o dostawach, zużyciu i zapasach paliw w sposób operatywny, na podstawie danych uzyskiwanych przede wszystkim drogą telefoniczną.

Dane o operatywnym, nieposiadającym odzwierciedlenia w dokumentach finansowo-księgowych stanie zapasów w przedsiębiorstwach energetycznych, udostępniane są między innymi Ministerstwu Energii oraz Urzędowi Regulacji Energetyki na bieżąco.

Dane te mają postać codziennych meldunków. Wykorzystywane są one do realizacji zadań z obszaru sprawozdawczości dobowej i okresowej.

Dla konwencjonalnych elektrowni cieplnych powstają między innymi: pełna informacja o sytuacji węglowej, dobowe informacje o zapasach węgla brunatnego, dobowa informacja o dostawie i zużyciu gazu ziemnego, dobowe informacje o zapasach oleju [11].

Biorąc pod uwagę powyższe wymagania należy rozważyć konieczność uzupełnienia funkcjonalności systemów utrzymania ruchu elektrowni o dodatkowy moduł, który w sposób automatyczny przekazywałby informacje dotyczące gospodarki paliwowej węzła wytwórczego do podmiotu zarządzającego pracą całego systemu elektroenergetycznego.

Proponowana funkcjonalność modułu obejmowałaby monitoring i transmisję danych dotyczących ilości paliwa w elektrowni, różnicy pomiędzy zapasem znajdującym się na terenie elektrowni, a nieprzekraczalnym zapasem krytycznym, zapotrzebowanie na paliwo w odniesieniu do prognoz wytwarzania energii, plany dostaw węgla do elektrowni z uwzględnieniem dat, godzin, ilości surowca, kosztów surowca i dostawy oraz instytucji odpowiedzialnej za dostawę.

• W pierwszym wariancie moduł tylko i wyłącznie przekazywałby informację o poziomie dostaw paliwa, jednak OSP nie mógłby w sposób bezpośredni lub pośredni wpływać na ilość surowca w zakładzie. Jedynym zadaniem modułu byłoby przekazywanie stanu faktycznego oraz symulacje prognozy zapotrzebowania.
• W drugim proponowanym wariancie OSP mógłby w pewien sposób „wymuszać” określony poziom rezerw na terenie węzła wytwórczego.

Zastosowanie proponowanego modułu dawałoby możliwość łatwego spełnienia wymagań wynikających z Ustawy Prawo energetyczne. Uzyskiwana w ten sposób informacja o zapasach paliwowych elektrowni mogłaby mieć również znaczący wpływ na zapewnienie wyższego poziomu bezpieczeństwa dostaw energii elektrycznej, szczególnie w sytuacjach kryzysowych. W takich stanach dostęp do tego typu informacji w trybie online może mieć kluczowe znaczenie dla stabilności pracy KSE.

Literatura

1. Graba J., Kurzak L., Lis T.: Systemy informatyczne w energetyce. Politechnika Częstochowska, Częstochowa 2007
2. Kalotka J., Pająk M.: Gospodarka remontowa elektrowni cieplnych. Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom 2006
3. Wojtanowicz D., Skakowski R., Ziaja E.: Sterowanie i monitoring obiektów energetycznych wg standardu LFC, XVII Międzynarodowa Konferencja Naukowa Aktualne Problemy w Elektroenergetyce APE'15, Jastrzębia Góra, 17-19 czerwca 2015
4. Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. - Prawo energetyczne (Dz.U. 1997 nr 54 poz. 348) ze zmianami
5. Standardy techniczne systemu SOWE wersja 6.0 (aktualizacja nr 1), strona internetowa www.pse.pl
6. Specyfikacja ARNE/ARST, strona internetowa www.pse.pl
7. Wymogi wobec JWCD na potrzeby wdrażania systemu LFC wersja 2.0, strona internetowa www.pse.pl
8. Strona internetowa www.ifsworld.com (dane dot. ERP)
9. Strona internetowa www.eds.tt.com.pl
10. Strona internetowa www.abb.com
11. Niepublikowane materiały Polskich Sieci Elektroenergetycznych S.A.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!