ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина VI, брой 5, 2014

Комуникациите на бъдещето в Smart Grid

В началото на 21 век електроенергийната промишленост е отново на прага на революционна трансформация, полагайки усилия за осигуряване на прехода и приобщаване към нуждите на дигиталното общество. Консуматорите на електроенергия са заобиколени от среда, в която информацията е мигновено достъпна, лесна за търсене, богата и разнообразна, сигурна и почти винаги налична. Потребителите изискват по-висока надеждност, по-големи възможности за избор и постоянен поток на информация при непроменящи се или дори по-ниски цени. Визията на IntelliGrid архитектурата за електроенергийна система на бъдещето е за система, съставена от многобройни автоматизирани преносни и разпределителни системи, работещи координирано, ефикасно и надеждно.

Aрхитектурата IntelliGrid е замислена да интегрира две системи от електроенергийната промишленост – системата за доставяне на електроенергия и информационната система (комуникации, мрежи и интелигентни устройства), която я контролира. В миналото системата за доставяне на електроенергия е била фокусирана върху дейности в рамките на електроенергийната промишленост. За ефективно постигане на поставените цели, обаче, електрическата система трябва да разчита все повече и на информационната система. Тези две системи следва да се развиват паралелно и да включват авангардни комуникационни и мрежови технологии, работещи с интелигентно оборудване и алгоритми, за изпълнение на все по-сложни системни функции.

В случай, че съществува комуникационен канал в една електрическа мрежа, IntelliGrid идентифицира голям брой приложения, които са директно свързани със системата за управление търсенето на електроенергия. Една от специфичните функции е автоматично отчитане на електроенергията (AMR). Чрез нея се извършва мониторинг на товара, откриват се повреди, осъществяват се дистанционни включвания и изключвания, измерва се продължителността на прекъсване на електрозахранването и т.н. Други функции се отнасят към управление на клиентските повиквания, ценообразуване в реално време и енергийноефективно управление на сгради и съоръжения. В допълнение, клиентската комуникационна инфраструктура дава възможност за оптимизиране на фидерното напрежение, откриване на паднали проводници, изолиране на повреден фидер и повторното му включване, разпределен енергиен контрол и изолиране, SCADA системи и други.

IntelliGrid информационни среди за управление търсенето на електроенергия
Всяка една от многобройните взаимносвързани функции дефинира собствен набор от функционални и нефункционални изисквания. Една архитектура не осъществява единствено просто свързване на списъци от детайлни изисквания за всяка функция. Функциите често имат взаимноизключващи се изисквания и една добра архитектура трябва да е достатъчно гъвкава, за да бъдат приспособени такива несъвместими аномалии. IntelliGrid разработва т.н. „среди“, които се дефинират като информационни среди, където информационните обмени на функции имат по същество близки изисквания за изграждане, включително конфигурационни и качествени изисквания, както и такива за сигурност и управление на данни. Тези среди отразяват изискванията на информационните обмени, но не показват непременно местоположението на приложенията или базите данни, въпреки че те могат да окажат влияние върху информационните обмени и следователно - върху средата. IntelliGrid Архитектурата дефинира 21 броя среди, които напълно описват комуникационните изисквания за информационни обмени. Управлението на търсенето на електроенергия и всички допълнителни услуги, които се предоставят от него, са свързани с няколко от тези среди. Ще разгледаме накратко някои от най-важните среди и типичните приложения.

Среда номер 9 включва изисквания за комуникации между контролните центрове и доставчиците на енергийни услуги (ESP). Типични приложения в тази среда са водене на преговори в реално време за цена на електроенергия, сумарни клиентски измервания, както и интелигентен анализ на данните за бъдеща употреба в маркетингови операции. Това е бизнес-към-бизнес среда (B2B) среда със стриктни изисквания за сигурност и договорно ниво за своевременност, водене на записи и одитиране. Друга една среда, тази с номер 11, обхваща изискванията за това, което традиционно се нарича търговско или индустриално измерване, и включва изискванията за всеки обмен на данни, който се осъществява директно между контролните центрове и клиентите. Типични приложения в тази среда са измерванията при големи клиенти, контролът на разпределени енергийни ресурси и намаляването на натоварването. Тази среда също се характеризира като B2B среда, но включва по-скоро операционни, отколкото финансови данни. Следващата важна среда, номер 15, включва комуникационни изисквания между разпределените енергийни ресурси и организациите, които трябва да извършват мониторинг и контрол. Отличителна характеристика на тази среда е събирането на информация от многобройни малки генератори на доставчици на енергийни услуги, включително от възобновяема енергия, малки хидрогенератори, когенерация и други. Тук се включват и управлението на търсене на електроенергия и настройките на качеството й. Особено важно изискване е да няма намеса на неоторизиран персонал при процеса на обмен на информация. Една сравнително нова среда е тази с номер 17. Тя обхваща изискванията за комуникации между клиентите (жилищни, търговски или индустриални) и включва типични приложения за координиране на клиентски товари, например при стартиране на компресори за охладителни инсталации, и управление на мини мрежи. Характеризира се с високо ниво на сигурност, тъй като данните преминават през границите на клиентските организации.

Системи за управление на търсенето на електроенергия
Въз основа на създадените среди, IntelliGrid предлага набор от изисквания на високо ниво за системите за управление на търсенето на електроенергия, които помагат за постигане на оперативна съвместимост с други системи, споделящи същата инфраструктура. Тези изисквания са структурирани в 5 категории. Първата категория включва конфигурационни изисквания. В нея се осъществяват взаимодействия между няколко клиента и много сървъри, както и peer-to-peer взаимодействия, при които всяка страна има еднакви права и възможности за иницииране на комуникационни сесии. Поддържат се и честа смяна на конфигурацията и/или местоположението на крайни устройства или потребители, възможности за разпространение и взаимодействия в рамките на ограничена среда, например подстанция или контролен център.

Втората категория е свързана с качеството на изискванията за обслужване. Тя осигурява средна скорост за изпращане на съобщенията през 10sec, поддържа договореното ниво на своевременност като данните трябва да бъдат налични в точно определено време или в рамките на точно определен прозорец от време. Осигурява се средна наличност на информационните потоци от 99%, което е приблизително 3.5 дни прекъсвания на електрозахранването годишно. Следващата важна категория включва изисквания за сигурност. Чрез нея се обезпечават различни услуги свързани с идентифициране на потребителя, оторизиране на контрол за достъп, информационна цялост, конфиденциалност, осигуряване на сигурност, одитиране, прилагане на политика по сигурността, активиране на защитна стена, възможност за преминаване от един протокол към друг и др. Изискванията за управление на мрежата и системата представляват друга категория, осигуряваща управлението на медийни, транспортни и комуникационни възли, както и управлението на крайни устройства и приложения. Тази категория поддържа и процедури за валидиране на данни. Последната, пета категория включва изисквания за управление на данни. Чрез нея се поддържа управлението на големи обеми от потоци от данни, процедури за валидиране на данни, устойчиви и синхронизирани данни, своевременен достъп до данни от различни потребители, чести промени в типа на обменените данни, специфични стандартизирани модели на данни и др.

Принципи за проектиране
За да бъде изградена една архитектура, са необходими водещи принципи, идентифициращи отделните съставни части и показващи как те се свързват заедно. Един от най-важните принципи за интегриране на системата в IntelliGrid е концепцията за Технологично Независима Архитектура (TIA). TIA e неутрална технология и може да осигури успешно интегриране на различни приложения в съоръженията, без да изисква промени във вътрешните действия на приложенията. Тя може да постигне, също така, високи нива на оперативна съвместимост и приложимост посредством вграден интелект за автоматично конфигуриране и самооткриване. Структурата на TIA е съставена от 3 ключови информационно моделиращи елемента. Първият от тях се нарича Общи Услуги, който, от своя страна, се разделя на 4 категории, а именно на услуги за управление на системите и мрежите, управление и обмен на данни, общи платформи и обща сигурност. Друг елемент са общите информационни модели, чрез които се обменят общи данни между услуги и приложения. Тук се включва предложеният формат на данни, атрибутите на данни и техните зависимости. Генеричните интерфейси са третият информационно моделиращ елемент. Те са механизъм за обмен на информация от общи информационни модели и отговарят за начина за обмен на данни като специфицират набор от стандартни глаголи като взимам, настройвам, докладвам, което позволява различните приложения да комуникират помежду си. Тези общи информационно моделиращи елементи са ключ към постигане на оперативна съвместимост от по-високо ниво за електроенергийните разпределени информационни системи. Ще разгледаме подробно всеки един от тези елементи. Общите услуги са дефинирана функционалност, получена чрез идентифициране на пресичащите се разпределени информационни изисквания, и позволяват компонентите да бъдат третирани като черни кутии. Така се подобрява гъвкавостта, тъй като компонентите са по-малко зависими от това как работи всеки един от тях. Все пак, използването на Общи Услуги не намалява от само себе си сложността при работа с различни платформи като Java, .Net или Web Services. Освен това, Общите Услуги не се занимават непременно с непоследователността в значението на данните. Накрая, Общите Услуги не третират непоследователността, причинена от различни механизми за достъп до данните, такива като четене/записване на данни или абониране за данни. За да се преодолее семантичната разнородност, се използва общ информационен модел като общ език, чрез който комуникират всички услуги, а за да се преодолее платформената разнородност се изисква генеричен интерфейс. Генеричният интерфейс може да се реализира върху всяка платформа. Докато различните реализации на генеричния интерфейс не са оперативно съвместими, осъществяването на графично представяне на информацията от една специфична платформа към друга такава е лесно и добре познато. Инженерите създават един информационен модел, за да опишат по-точно значението на набор от термини. Информационният модел описва събрани, взаимосвързани реални обекти от гледна точка на класове, атрибути и връзки, като предоставя уникални имена и дефиниции за всеки един обект. Данните, които обичайно се използват в електроенергийните системи, се описват с EPRI/IEC Общ Информационен Модел (CIM). Този модел съдържа типове обекти като подстанции, прекъсвачи, заявки за работа и други данни, които са типични за EMS, SCADA, DMS и други системи за управление. Наскоро, Общият Информационен Модел бе разширен и вече предоставя възможност за резервиране на преноса и информация за планиране на електроенергията. Ползата от създаване на информационни модели се изразява в това, че те подобряват разбирането и продуктивността на данните и позволяват да бъдат автоматизирани задачи по монтажа, настройката и поддръжката на електросъоръженията.

Генерични интерфейси са механизмите, използвани за обмен на данни, определяни от приложния интерфейс. Все пак, интерфейсът, предоставен от едно приложение, е с ограничени възможности. Съществуващите интерфейси не излагат данните в контекста на един общ модел данни, валиден за няколко приложения. Освен това, те не предоставят средства за откриване кои бизнес обекти се обслужват от отделен компонент, различен от основния списък от идентификации. За да се открие какви данни обработва едно приложение, е необходим общ обменен механизъм. Чрез въвеждане на генерични интерфейси се определя как точно се обменят данните. На практика, генеричните интерфейси включват 4 типа интерфейси. Първият от тях е интерфейс за създаване на връзки за съответствие между имена и идентификации и обратно. Следващият интерфейс е ориентиран към заявки и отговори и поддържа браузване и изпращане на заявки към произволно асоциирани и структурирани данни, включително схема (клас) и информация за обекти. Друг тип интерфейс е ориентиран към публикуване/абониране и поддържа йерархично браузване на обектна и схемна информация. Този интерфейс може да се използва като Приложен Програмен Интерфейс (API) към XML форматирани съобщения. Приложенията използват генерични интерфейси, за да се свържат директно едно с друго или към интеграционна структура като шина за съобщения или склад за данни. Технологично неутралният интерфейс позволява приложенията да бъдат проектирани независимо от възможностите на основната инфраструктура.

Генеричните интерфейси осигуряват няколко вида ключови функционалности за plug&play инфраструктура. Първият вид е свързан с факта, че интерфейсите са генерични и са независими от категорията на приложението и интеграционната технология. Това благоприятства за многократното използване на приложенията, поддържащи тези интерфейси. Друг вид функционалност е за интерфейси, които поддържат обявяване/откриване на схемата. Схемите са откриваеми, така че може да се извърши компонентно конфигуриране чрез използване на програмни кодове и да се избегне голяма част от ръчното конфигуриране. При следващата ключова функционалност интерфейсите поддържат и представят пространство от имена на бизнес обектите. Всеки компонент описва бизнес обекта, който поддържа в контекста на общото пространство от имена, което е споделено от всички приложения, например като общия модел на електроенергийна система EPRI (CIM). Не е достатъчно да се покаже само схемата от данни за приложението, а трябва да се посочат и отделните прекъсвачи, трансформатори и др. , върху които работи приложението. Така се премахва ръчното конфигуриране и се предоставя възможност на електроинженерите да разберат как са организирани данните и какъв е достъпът до тях.

Препоръчителни технологии за внедряване на IntelliGrid
Необходимо е да бъдат хармонизирани съществуващите общи услуги, информационни услуги и интерфейси, както и да се създадат нови стандарти, където е необходимо, така че електроенергийната промишленост „да говори“ общ комуникационен език, състоящ се от „съществителни имена“ и „глаголи“, които могат да бъдат преведени за различните технологии. Това е ключово изискване за по-високите нива на системна интеграция, които вече се създават. Друга технология за внедряване включва интегриране на сигурността, системите, управлението на мрежите и новите технологии, които твърде често са били считани за отделни задачи.Трябва да се извърши и унифициране на технологиите между електроенергийните мрежи за автоматизация, корпоративните мрежи и различните бизнес мрежи като те се свързват отново чрез общи информационни модели, услуги и интерфейси. Следва да не се забравя, че архитектурата на индустриалните нива е един процес, а не крайна точка. Изискванията и технологиите се променят непрекъснато. Въпреки че водещите принципи трябва да останат постоянни, допуска се прилагането на променящи се индивидуални решения. Основана на определени принципи за проектиране, IntelliGrid свързва проектните насоки с препоръчаните технологии, които най-добре обединяват посочените принципи и отговарят на идентифицираните изисквания. Архитектурата IntelliGrid осигурява основата за работа на Smart Grid и предлага оптимизиран подход за създаване на бъдещи версии. Ще бъдат реализирани много дългосрочни ползи чрез внедряване на IntelliGrid принципите и препоръчаните технологии. Без съмнение, IntelliGrid ще създаде важни разклонения за авангардни електроенергийни приложения. Внимателното планиране на една отворена и базирана на стандарти система ще осигури интегриране на авангардните системи, като по този начин ще реализира IntelliGrid визията за Smart Grid на бъдещето.