АББ Ревю 3 2011

Корпоративный технический журналРевю

AББ 3 |11

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

Вопросытехнологий

2 AББ Ревю 3|11

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.

Содержание

7 13

19

26

32

41

51

58

64

Экономное производствоЧасть 1. Экономное расходование энергии

Практичность и эффективностьНовые инверторы АББ для фотоэлектрических систем

Усовершенствованная защита энергосетиСистемы cвязи для релейной защиты следующего

поколения

Энергия в розливГидроаккумулирующая электростанция для решения

задач энергоснабжения и оптимизации использования

тарифов

Интеллектуальные технологии в энергоснабженииПрименение интеллектуального оборудования дает

дополнительные преимущества распределительным

компаниям и потребителям

Программные архитектуры на долгосрочнуюперспективуИнтеллектуальные программные архитектуры формируют

потребительскую ценность и защищают

капиталовложения в краткосрочной, среднесрочной

и долгосрочной перспективах

Интеллектуальные методы увеличения добычиКомплексное управление операциями – безопасная и

выгодная эксплуатация отдаленных и зрелых

месторождений

Контроль выбросов на основе моделиPEMS: система контроля, которая использует методы

искусственного интеллекта для снижения вредного

влияния на окружающую среду

Эффективное накопление энергииАдаптер беспроводной связи АББ FieldKey с низким

энергопотреблением

В центревнимания –производство

Энергетика иэнергоснабже-ние

Энерго- сбережение

3Содержание

AББ Ревю 3|11 4

Клас РитофДиректор по технологиям компании АББ.

технологии интеллектуального управления

энергосистемами. В этой статье мы акцентирова-

ли внимание на экономическом эффекте

внедрения низковольтного оборудования с

интеллектуальными функциями.

Переходя от планирования городов к архитекту-

ре программного обеспечения, мы показываем,

как АББ использует различные методы и

инструменты для повышения рациональности (с

точки зрения расходования природных ресурсов)

и удобства технической поддержки программно-

го обеспечения. Значимость этого аспекта будет

расти по мере усложнения и расширения

функциональных возможностей программного

обеспечения.

Продолжая тему, связанную с программным

обеспечением, мы представляем систему

текущего контроля, которая использует искус-

ственный интеллект для прогнозирования

выбросов и в конечном счете позволяет снизить

вредное воздействие на окружающую среду. Эта

система была успешно внедрена на одном из

крупнейших газоперерабатывающих заводов в

мире.

В промышленных системах связи наблюдается

тенденция к упрощению и сокращению доли

проводных соединений. Вследствие большого

количества датчиков и исполнительных механиз-

мов, распределенных по технологическому

оборудованию, проводные соединения являются

источником ошибок и дополнительных расходов.

Системы беспроводной связи уже хорошо

зарекомендовали себя, однако АББ идет дальше,

предлагая новый адаптер Field key, который

обеспечивает поддержку соединений wirlessHART

без использования отдельного источника

питания.

Я надеюсь, что этот выпуск АББ Ревю позволит

вам совершить интересное и увлекательное

путешествие в мир новейших технологий АББ.

Приятного чтения!

Клас Ритофт,

Директор по технологиям

Компания АББ.

Уважаемый читатель,

Компания АББ предлагает обширный и постоян-

но растущий ассортимент продукции. Он

включает в себя множество изделий и систем

— от микропереключателей до многофункцио-

нальных систем управления и электрификации.

Однако компания предлагает не только оборудо-

вание, но и услуги по проектированию, диагно-

стике, техническому обслуживанию и поддержке.

Являясь информационным органом подразделе-

ния НИОКР компании АББ, журнал АББ Ревю

регулярно публикует отчеты и аналитические

статьи по различным технологиям, применяемым

компанией. В настоящем выпуске «Вопросы

технологий» мы раскрываем ряд ключевых

аспектов технологий на примере нескольких

областей их применения.

За последние годы фотоэлектрические системы

были значительно усовершенствованы. Сочета-

ние государственных поощрительных инициатив,

роста осведомленности в вопросах защиты

окружающей среды и снижения цен привело к

повышению привлекательности использования

солнечных панелей в жилых домах. Помимо

меньшего размера и мощности, одно из основ-

ных отличий домашних систем от крупных

фотоэлектрических установок заключается в

том, что интерфейс таких систем должен быть

более простым и удобным, поскольку средний

пользователь не является профессиональным

техником или инженером. Именно эта особен-

ность и была учтена при разработке нового

инвертора АББ для батарей солнечных панелей.

В предыдущих выпусках АББ Ревю обсуждались

вопросы расширения интеллектуальных функций

электроэнергетических систем в свете повыше-

ния требований к сетям передачи и распределе-

ния электроэнергии. Среди прочих тем рассма-

тривался вопрос сохранения энергии с целью

компенсации неравномерности потребления.

Гидроаккумулирующие электростанции представ-

ляют единственную технологию накопления

энергии, применяемую в более или менее

значительных масштабах. Применение современ-

ных 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

распределения электроэнергии, которая

рассматривает возможности применения

интеллектуальных технологий управления

электроэнергетическими системами на этом

уровне. Королевский морской порт в Стокгольме

— это городской район, где нашли применение

От редактора

Вопросы технологий

5От редактора


7Экономное производство

тации и услуги по анализу информации в

области энергетики.

Более двух третей респондентов являют-

ся руководителями высшего звена. По

роду своих должностных обязанностей

респонденты в основном отвечают за

стратегию и развитие бизнеса, финансы,

общее руководство, а также операцион-

ную деятельность и производство. Около

58% участников опроса представляют

предприятия с годовым доходом 500 млн

долларов США и более. Исследование

сфокусировано исключительно на произ-

водственном и энергетическом секторах в

наиболее широко представленных отрас-

лях промышленности.

В январе-феврале 2011 года агент-

ство Economist Intelligence Unit

провело опрос 348 руководите-

лей высшего звена (в основном из

Северной Америки, Азиатско-Тихоокеан-

ского региона и Западной Европы), чтобы

получить сведения о планируемых капита-

ловложениях в повышение энергоэффек-

тивности производственных процессов, о

проблемах, с которыми они сталкиваются

при оценке таких капиталовложений, а так-

же 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 про-

граммы углубленных интервью и исследо-

ваний, касающихся энергоэффективности

в промышленности. Кроме того, данное ис-

следование базируется на отдельном все-

стороннем анализе мировых моделей энер-

гопотребления в семи энергоемких

отраслях, проведенном компанией

Enerdata, которая предоставляет консуль-

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.

Часть 1. Экономное расходование энергии

Экономное производство

титульная фотография

Завод опреснения и очистки воды в кибуце

Пальмахим. Процесс опреснения воды

отличается большой энергоемкостью. АББ

поставила энергосбе регающие приводы для

этого завода. Вклад АББ в водоснабжение

обсуждается в АББ Ревю 4/2011.


внимания на вопросы энергоэффективно-

сти, скорее всего, в долгосрочной пер-

спективе продемонстрируют снижение

финансовых показателей. В свою очередь,

предприятия, постоянно изыскивающие

новые возможности для повышения эф-

фективности использования энергии, ско-

рее всего, опередят своих конкурентов.

В целом, 88% производителей заявляют,

что в ближайшие два десятилетия энерго-

эффективность в промышленности будет

ключевым фактором успешности бизнеса.

Причины этого в основном кроются в по-

вышении конкурентоспособности, осно-

ванном на более низких издержках произ-

водства, особенно для компаний,

работающих в энергоемких отраслях про-

мышленности. Инвестируя капитал в энер-

госберегающие технологии, компании пре-

жде всего ищут финансовую отдачу.

Практические решения, не являющиеся

оптимальными с точки зрения эффектив-

ности, широко распространены во всей от-

расли, поэтому потенциал для экономии за

счет повышения эффективности использо-

вания энергии достаточно велик. Согласно

мнению 59% участников опроса, при со-

ставлении финансово-экономического

обоснования капиталовложений цены на

энергию являются одним из самых суще-

ственных факторов.

В дополнение к интернет-опросу агентство

Economist Intelligence Unit провело 15 углу-

бленных интервью с руководителями круп-

ных предприятий, политиками и специали-

стами по энергоэффективности в

промышленности. Выводы из этих интер-

вью приведены во всех трех статях.

На долю промышленности приходится

около трети конечного энергопотребления

в мире, причем примерно 60% из этого ко-

личества расходуется в развивающихся

странах. В результате расширения объе-

мов производства общее энергопотребле-

ние 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 суще-

ствует множество возможностей для по-

вышения эффективности использования

энергии.

На этом фоне предприятия сталкиваются с

перспективой глобальных ограничений,

включая ограничение доступа к энергии и

лимиты на выбросы двуокиси углерода. Та-

ким образом, повышение энергоэффек-

тивности уже не является факультативным

процессом, а скорее необходимой предпо-

сылкой для долгосрочного финансового

роста. Те компании, которые не обращают

Практические ре-шения, не являю-щиеся оптималь-ными с точки зрения эффектив-ности, широко рас-пространены во всей отрасли, по-этому потен циал для экономии за счет повышения эффектив- ности использова-ния энергии доста-точно велик.

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.


(82%), чем руководители из развитых стран

(67%). «Мы полагаем, что большее внима-

ние к энергоэффективности в развиваю-

щихся странах обусловлено тем, что энер-

гия является там дефицитным ресурсом»,

— говорит Прадип Монга, директор под-

разделения по энергетике и изменению

климата в Организации Объединенных На-

ций по промышленному развитию (UNIDO).

Действительно, результаты исследования

подтверждают больший интерес к пробле-

мам эффективного использования энергии

в странах, которые используют больше

всего энергии рис. 3 и рис. 4.

Почему повышение энергоэффективности

играет определяющую роль в повышении

рентабельности в долгосрочной перспек-

тиве? Во-первых, вследствие значительно-

го снижения расходов. Дуг Мэй, вицепре-

зидент подразделения по энергетике и

изменению климата компании The Dow

Chemical (США), говорит, что усилия его

компании по повышению энергоэффек-

тивности, предпринимаемые с 1994 года,

шающим фактором, определяющим при-

быльность предприятия.

Отклонения в результатах свидетельству-

ют о различиях в специфике компаний,

принявших участие в опросе. Например,

82% руководителей компаний, работаю-

щих в энергоемких отраслях промышлен-

ности, таких как металлургическая, хими-

ческая и нефтехимическая, цементная,

целлюлозно-бумажная и алюминиевая,

считают, что эффективность использова-

ния энергии на сегодня является ключе-

вым фактором, определяющим рентабель-

ность предприятиям

рис. 1 (по сравне-

нию с 67% в менее

энергоемких отрас-

лях). Четкое осозна-

ние роли энергоэф-

ф е к т и в н о с т и ,

возможно, отража-

ет такие особенно-

сти энергоемких

сегментов, как

большая доля рас-

ходов на энергию в

общих расходах,

наметившаяся в по-

следнее время не-

стабильность цен на энергию и их повыше-

ние, а также относительно малая

рентабельность рис. 2.

Если оценивать мнения опрошенных с точ-

ки зрения регионов, то руководители из

развивающихся стран более четко выра-

жают согласие с тем, что энергоэффектив-

ность является ключевым фактором успе-

ха для производственных предприятий

«В наших операциях в Индии на долю

энергии приходится примерно от 50 до

55% прямых затрат по превращению сы-

рья в готовую продукцию», — говорит Са-

тиш Агарвал, директор отдела корпоратив-

ного 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 энергоэффек-

тивности на своих заводах примерно 12

млн долларов США. Эти капиталовложе-

ния были потрачены, в том числе, на уста-

новку теплообменников для котлов и си-

стем ускоренного испарения с понижением

давления для сбора и использования тех-

нологического тепла, а также на изоляци-

онные материалы для уменьшения тепло-

вых потерь. Эти последние

капиталовложения являются частью дол-

госрочной инициативы, которая на данный

момент позволила добиться примерно

40%-ного сокращения энергопотребления.

На фоне усиления конкуренции, роста цен

на энергоносители и ужесточения устанав-

ливаемых регламентирующими органами

нормативов энергоэффективность являет-

ся одним из важнейших факторов успеха в

отрасли, и это понимает не только Сатиш

Агарвал. Действительно, среди руководи-

телей производственного сектора, приняв-

ших участие в опросе, 72% ответили «пол-

ностью согласен» или «скорее, согласен»

на вопрос о том, является ли энергоэф-

фективность ключевым фактором успеха

для современного производства. Оцени-

вая перспективы на ближайшие два деся-

тилетия, 88% респондентов считают, что

именно энергоэффективность станет ре-

На долю промышленности приходится около трети ко-нечного энергопотребления в мире, причем примерно 60% из этого количества расходует ся в развивающих-ся странах.

процент (%)

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

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

предприятия

Энергоэффективность уже является ключевымфактором успеха для производственных предприятий

Решение о капиталовложениях в повышениеэнергоэффективности должно приниматься с учетом

специфики каждого конкретного случая

Производственным предприятиям нужны болеечеткие критерии того, что дает энергоэффек-

тивность в их отраслях

Налогоплательщики должны нести большую часть расходов по обеспечению соблюдения компаниями

требований по энергоэффективности

Полностью согласен

Не имею определенного мнения на этот счет

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

53 34 9 2 1 1

33

37

37

11

39

40

40

20

19

12

11

16

6

8

8

22

2

2

1

28

1

1

3

2

Скорее согласен

Скорее не согласен

Совершенно не согласен

Не знаю


Помимо перечисленных выше преиму-

ществ, усилия по повышению энергоэф-

фективности производственных процес-

сов часто приносят и другие выгоды. К ним

относятся уменьшение простоев оборудо-

вания и увеличение циклов технического

обслуживания, рост производительности,

повышение качества продукции, упроще-

ние соблюдения требований строительных

и природоохранных кодексов, улучшение

здоровья работников и повышение безо-

пасности, а также выгоды, касающиеся ис-

следований и внедрения инноваций. Этими

так называемыми «сопутствующими выго-

дами», по словам Эллиота, не стоит пре-

небрегать: «Мы видим, что выгода, не свя-

занная с энергией, как правило, в три-пять

раз превышает экономию от энергосбере-

жения», — говорит он.

Несмотря на то что руководители отрасли

признают важность вклада энергоэффек-

тивности в долгосрочную рентабельность,

относительно низкая энергоэффектив-

ность производственных процессов по-

прежнему остается нормой во многих сек-

торах промышленности. В некоторых

случаях это обусловлено неэффективно-

стью управления оборудованием и произ-

водством в целом — в своей простейшей

форме эта неэффективность может про-

являться в непрерывной работе двигате-

лей независимо от того, используются они

или нет. В других случаях это связано с не-

эффективностью самого оборудования.

Терри Мак-Каллион, директор по энерго-

эффективности и изменению климата в

Европейском банке реконструкции и раз-

вития (ЕБРР) в Лондоне, выражает это про-

сто: «Кажется, что в некоторых отраслях

обеспечили общую экономию средств в

размере примерно 9,4 млрд долларов

США. «Энергоэффективность является

источником, который никогда не иссяка-

ет», — заявляет он.

Сопутствующие преимущества повыше-

ния энергоэффективности

Снижение расходов — это только одна

сторона медали. В действительности за

громкими цифрами, например такими, ко-

торые приводит The Dow Chemical, скрыва-

ется ряд других преимуществ повышения

энергоэффективности в промышленности,

которые оказывают влияние на долгосроч-

ные финансовые показатели. Например,

уменьшив энергопотребление в производ-

ственных процессах, компании могут без-

болезненно выдержать относительно бо-

лее существенное повышение цен на

энергоносители, что является очевидным

конкурентным преимуществом. «[Повыше-

ние] эффективности расходования энер-

гии является одним из наиболее эффек-

тивных подходов к управлению рисками,

которые компания-производитель может

предпринять в текущей рыночной ситуа-

ции», — комментирует Нил Эллиот, заме-

ститель директора в Американском совете

по энергосберегающим технологиям

(ACEEE). С ним соглашается Луис Фариас,

вице-президент по энергетике и измене-

нию климата мексиканской цементной

компании CEMEX: «Доля затрат на энер-

гию является весьма значительной в об-

щей сумме расходов на производство це-

мента, — говорит он. — Поэтому экономия

энергии обеспечивает повышение пред-

сказуемости наших будущих доходов и де-

нежных потоков».

Ведущие предпри-ятия тщательно изучают вопросы, касающиеся энер-гоэффективности своих производ-ственных опера-ций.

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.

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.

Рост ВВП Промышленное энергопотребление

1990–2008 гг. (%) 1990–2008 гг. (%)

Великобритания 54 -7

США 66 4

Индия 205 63

Китай 485 172

промышленности насосы и двигатели име-

ют только два рабочих режима: включен и

выключен». По оценкам отраслевых экс-

пертов, около двух третей мирового расхо-

да электроэнергии в промышленности по-

требляется электродвигателями. И тем не

менее, в 2009 году в Европе для приводов

среднего напряжения с регулируемой ча-

стотой вращения (которые повышают КПД

промышленных электродвигателей на 40–

60% благодаря регулированию их скоро-

сти), уровень проникновения на рынок, по

оценкам фирмы Frost & Sullivan, составлял

всего 13%.

Поэтому неудивительно, что возможности

для энергосбережения в промышленности

настолько велики. Согласно анализу, про-

веденному UNIDO, потенциал энергосбе-

режения в производственных процессах

ряда отраслей достигает 50% от текущего

уровня энергопотреблениям рис. 5. Реали-

зация этого потенциала может привести, в

общей сложности, к экономии от 230 до

260 млрд долларов США в год. Согласно

данным UNIDO, эта экономия эквивалент-

на сокращению общепроизводственных

расходов на 3–4%.

В поисках финансовой отдачи

Неудивительно, что с учетом такого потен-

циала экономии в сфере энергосбереже-

ния руководители, по результатам опроса

которых составлен данный отчет, ставят на

первое место очевидность финансовой от-

дачи от любых вложений средств в повы-

шение энергоэффективности. Как прави-

ло, руководители высшего звена

оценивают эту отдачу по сроку окупаемо-

сти (рассчитываемому как сумма капиталь-


ловложениях в повышение эффективно-

сти, 59% респондентов называют стои-

мость энергии. Среди представителей

энергоемких производств этот показатель

составляет 67%, а для менее энергоемких

– 57% рис. 6.

Показательным примером являются капи-

таловложения, сделанные компанией

Apollo Tyres. Говорит Аджай Матур, гене-

ральный директор Бюро по энергоэффек-

тивности (BEE) при Правительстве Индии:

«Стоимость энергоснабжения в индийской

промышленности очень высока. И если го-

ворить о будущем применительно к Индии,

то цены на энергию будут только увеличи-

ваться. Поэтому для тех отраслей, в кото-

рых энергия явля-

ется значительной

составляющей се-

бестоимости про-

дукции, управление

энергопотреблени-

ем становится

крайне важным

фактором, опреде-

ляющим их конку-

рентоспособность».

Изменчивость цен и

долгосрочные тенденции их изменения, а

также текущие цены являются важными

факторами, которые учитываются произ-

водственными компаниями при рассмо-

трении решений о капиталовложениях.

«Скачки цен вызывают беспокойство, —

говорит Стив Шульц, руководитель между-

народного отдела корпоративной энерге-

тики в компании 3M (США), выпускающей

промышленные и потребительские товары.

— Но тот факт, что ценовая тенденция

ных затрат, деленная на годовую эконо-

мию) или по внутренней норме возврата

капитальных вложений. Например, в марте

2011 года индийская цементная компания

UltraTech Cement разместила заказ на си-

стемы рекуперации отходящего тепла сто-

имостью 90 млн долларов США. Л. Раджа-

секар, исполнительный президент

компании, предполагает, что эти затраты

полностью окупятся примерно через

шесть-восемь лет. Однако во многих слу-

чаях срок окупаемости вложений капитала

в энергосберегающие технологии состав-

ляет всего шесть месяцев.

Когда руководители отрасли анализируют

финансово-экономическое обоснование

капиталовложений в повышение эффек-

тивности использования энергии, в игру

вступает ряд важных внешних факторов.

Один из них — цена энергии. Эксперты по-

лагают, что чем больше доля расходов на

энергию в общем объеме производствен-

ных издержек, тем более привлекательны-

ми с финансовой точки зрения являются

капиталовложения в повышение энерго-

эффективности. При выборе основных

факторов, влияющих на решения о капита-

В 2009 году в Европе для при-водов среднего напряжения с регулируемой ча стотой враще-ния уровень проникновения на рынок составлял всего 13%.

5 Какова потенциальная экономия?

В своем рабочем докладе «Global Energy Efficiency Benchmarking – An Energy Policy Tool» (Сравнительный анализ энергоэффектив ности в мире – инструмент политики в области энергетики), опублико-ванном в ноябре 2010 года, Организация Объединенных Наций по промышленному развитию (UNIDO) оценила текущий потенциал энергосбереже ния в обрабатыва-ющей промышленности и на нефтеперера-батывающих заводах примерно в 23–26% от текущего общего промышленного энергопо-требления в мире.

Потенциал энергоэффективности в развитых странах составляет приблизитель-но 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 развивающих-ся странах составляет не менее 165 млрд долл. США.

Во всем мире наибольший потенциал экономии в абсолютном выражении сконцентрирован в энергоемких отраслях, таких как металлургическая, целлюлозно- бумажная, цементная и химическая. Тем не менее, в процентном отношении наиболь-ший потенциал экономии распределен по менее энергоемким отраслям. В некоторых из них, с учетом значительной распростра-ненности небольших заводов, использую-щих устарев шие технологии, потенциал экономии достигает 40–50%.

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

Источник: Международное энергетическое агентство (IEA)

Китай

Индия

США

Великобритания

0 100 200 300 400 500 600

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

-20

Эн

ерго

по

треб

лен

ие

в п

ро

мы

шл

енн

ост

и,

19

90

–20

08

гг.

(изм

енен

ие

в %

)

Рост ВВП, 1990–2008 гг. (%)

имела и имеет нарастающий характер, по-

могает частично снять эту обеспокоен-

ность».

Помимо цен на энергию, респонденты на-

звали и другие факторы, влияющие на их

решение вкладывать средства в повыше-

ние энергоэффективности, включая госу-

дарственное регулирование в области

энергетики — этот фактор выделили 27%

руководителей. Некоторые законы прямо

или косвенно затрагивают использование

энергии в промышленности. Другим фак-

тором, влияющим на решения о капита-

ловложениях в повышение энергоэффек-

тивности, является желание улучшить

имидж компании — этот фактор назвали

27% руководителей. Важность этого фак-

тора повышается по мере того, как растет

общественное признание вопросов, каса-

ющихся необходимости защиты окружаю-

щей среды.

Перечень этих факторов меняется от кон-

тинента к континенту, от региона к региону

и от завода к заводу, что объясняет, поче-

му 76% респондентов считают, что реше-

ние о капиталовложениях в повышение

энергоэффективности должно принимать-

ся с учетом специфики каждого конкрет-

ного случая. Одним из руководителей, ко-

торый согласен с этим утверждением,


нову для соблюдения экологических и дру-

гих требований по обеспечению

устойчивого развития. Другими словами,

капиталовложения в повышение энерго-

эффективности в промышленности крайне

важны не только для краткосрочного по-

вышения рентабельности, но и для улучше-

ния финансовых показателей в долгосроч-

ной перспективе. Несмотря на опыт и

мнения руководителей, политиков и экс-

пертов 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 усло-

виях неустойчивых, но при этом растущих

мировых цен на энергию эффективность

производства особенно важна для компа-

ний, работающих в энергоемких отраслях

промышленности, где высока вероятность

колебаний себестоимости продукции, а

рентабельность относительно мала. Ком-

пании признают это, однако многие из них

продолжают работать на неэффективном

оборудовании или использовать неэффек-

тивные методы управления оборудовани-

ем. Основной причиной разрыва между

осознанием выгод от повышения эффек-

тивности и реальными капиталовложения-

ми является недостаток информации.

Сюда относится отсутствие информации о

новейших технологиях и альтернативных

путях повышения эффективности, о срав-

нительных тестах по эффективности и об

окупаемости конкретных проектов.

Статья «Экономное расходование

энергии» представляет первую из трех

является Андреас Генц, старший вице-пре-

зидент по энергетике финской целлюлоз-

но-бумажной компании Stora Enso. «Наши

машины выглядят одинаково, но все они

изготовлены по индивидуальным заказам,

— говорит он. — Поэтому меры по повы-

шению их энергоэффективности также

должны определяться индивидуально».

По мере того как промышленность сталки-

вается с проблемами адаптации к реалиям

эпохи ограничения энергопотребления, ве-

дущие предприятия внимательно анализи-

руют энергоэффективность своих произ-

водственных операций. Усилия,

предпринимаемые для анализа, контроля и

постоянного улучшения энергоэффектив-

ности, позволяют сэкономить деньги в

краткосрочной перспективе. В долгосроч-

ной перспективе такие усилия повышают

конкурентоспособность, стимулируют вне-

дрение инноваций и создают прочную ос-

Другим фактором, влияющим на реше-ния о капиталовло-жениях в повыше-ние энерго-эффективно сти, является жела ние улучшить имидж компании.

частей отчета «Экономное производство».

Данный отчет был подготовлен и состав-

лен 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 по-

прежнему остается недостаточно силь-

ным.

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:

[email protected]

АBB Corporate Communication

Цюрих, Швейцария

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

Государственное законодательство и нормативы в области энергетики

Желание улучшить имидж компании путем демонстрации заинтересованности в защите окружающей среды

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

Желание стимулировать внедрение инновацийв производственные процессы

Ожидание ужесточения нормативов, регулирующихиспользование энергии и/или выбросы углерода

Давление со стороны негосударственных организацийи/или активистов по сокращению энергопотребления

Местное законодательство и нормативы в области энергетики

Другое (укажите, что именно)

Лучшие практические решения в моей отрасли

Цена на энергию

проценты (%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

59%

58%

27%

26%

21%

20%

19%

11%

11%

7%

2%

13Практичность и эффективность

Практичность и эффективность

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.

Новые инверторы АББ для фото- электрических систем


Сноска1 Льготные тарифы на подключение (feed-in-

tariffs, FiT) — это инструмент, предназначен-ный 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 электро-энергию оплату по повышенному тарифу.

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.

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.

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

T ехнологические разработки по-

стоянно повышают КПД и эконо-

мическую эффективность фото-

электрических систем.

Компания АББ уже давно является лиде-

ром в области инверторов и преобразо-

вателей питания и использует знания и

опыт в этой области для создания пере-

довых и высококачественных техниче-

ских решений для фотоэлектрических

энергосистем. Предлагаемый АББ ассор-

тимент инверторов для солнечных бата-

рей — это широкий спектр устройств, от

небольших однофазных инверторов до

центральных инверторов мощностью не-

сколько сотен киловатт. Новинка в пред-

лагаемом 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 сред-

них коммерческих зданиях. Его полно-

функциональная конструкция обеспечи-

вает надежность и безопасность,

особенно в установках, включающих в

себя несколько инверторов.

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

1 Инвертор АББ PVS300

Предлагаемый АББ ассортимент ин-верторов для сол-нечных батарей – это широкий спектр устройств, от небольших одно-фазных нверторов до центральных инверторов мощно-стью несколько сотен киловатт.

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


пользуемых в большинстве традиционных

фотоэлектрических систем.

Токи короткого замыкания, возникающие

в незаземленных системах при двух замы-

каниях на землю или замыкании между

фазами, могут повредить компоненты си-

стемы или вызвать чрезмерный нагрев не-

которых ее частей. Систему необходимо

защитить от этой относительно редкой не-

поладки с помощью предохранителей в

отрицательной и положительной ветвях

кабельных соединений.

Кроме того, солнечные батареи подвер-

жены воздействию атмосферы и могут

выйти из строя в результате броска на-

пряжения, вызванного ударом молнии.

Для снижения этих рисков в каждой из

ветвей необходимо установить устрой-

ство защиты от импульсных перенапряже-

ний (УЗИП). Сопротивление этих устройств

зависит от приложенного напряжения.

Например, при нормальной работе их со-

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.

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, кон-

струкции и компоновки инвертора АББ

позволила учесть интересы системных ин-

теграторов и установщиков фотоэлектри-

ческих систем. В частности, встроенная

всесторонняя защита исключает необхо-

димость во внешних компонентах, ис-

Инверторы PVS300 имеют мощность от 3,3 до 8 кВт, а полнофункцио-нальная конструк-ция делает их на-дежными и безопасными, осо-бенно в установ-ках, 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. Информация о выработке солнечной

энергии

3b. При нажатии кнопки «Help» (Справка) на

экран выводится пояснение по

различным экранным формам

Кроме того, встроенная всесторон-няя защита исключает необходи-мость во внешних компонентах, ис-пользуемых в большинстве традиционных фотоэлек трических систем.


и средств на выбор, проектирование и

установку внешних устройств защиты и

корпусов для них рис. 6. Компактная ин-

тегрированная система удобна для си-

стемных интеграторов и установщиков

благодаря эффективному использованию

свободного места — это качество систе-

мы особенно ценится в установках с не-

сколькими инверторами. Рациональная

конструкция инвертора удобна и для ко-

нечных пользователей, поскольку значи-

тельно упрощает процедуру поиска и

устранения неполадок, а также снижает

затраты времени на ремонт неисправного

инвертора. Например, встроенный микро-

процессор контролирует работу внутрен-

них защитных устройств (таких как предо-

хранители и УЗИП) и немедленно выводит

противление чрезвычайно велико и сни-

жается лишь в случае перенапряжения,

отводя соответствующие токи на землю.

К сожалению, стандартные УЗИП не ра-

ботают должным образом в фотоэлектри-

ческих системах. Поэтому были разрабо-

таны специальные УЗИП для

фотоэлектрических систем с высоким но-

минальным напряжением постоянного

тока и низким предельно допустимым то-

ком короткого замыкания. Как правило,

эти защитные устройства помещаются в

отдельную распределительную коробку

между модулями солнечных батарей и ин-

вертором.

Встроенная в инвертор АББ PVS300 за-

щита позволяет избежать затрат времени

5 Дисплей PVS300 можно установить отдельно для дистанционного контроля

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

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


современных материалов, таких как

аморфные сплавы, из которых изготовле-

ны сердечники выходного LCL-фильтра.

Типовая незаземленная фотоэлектриче-

ская система показана нам 8. Солнечные

батареи всегда подключаются к заземле-

нию через паразитную емкость (CPVg

). Лю-

бая переменная составляющая напряже-

ния UN вызовет протекание тока через эту

емкость на землю. Если напряжение на

конденсаторе содержит высокочастотные

составляющие, они могут стать причиной

возникновения высокочастотных блужда-

ющих токов на землю, которые, в свою

очередь, могут вызвать проблемы с элек-

тромагнитной совместимостью либо с те-

чением времени ухудшить характеристики

солнечных модулей или даже вывести их

из строя. Запатентованная компанией

АББ схема модуляции устраняет из UN вы-

сокочастотные составляющие, которые

вносят некоторые инверторы из числа

предлагаемых на рынке.

Постоянное напряжение, создаваемое

солнечной энергетической системой, за-

висит от конфигурации системы, темпера-

туры и интенсивности солнечного излуче-

ния. Благодаря широкому входному

диапазону по постоянному току инвертор

АББ позволяет использовать самые раз-

ные конфигурации последовательного и

параллельного соединений и различные

типы солнечных панелей. Высокое макси-

мальное постоянное напряжение допу-

скает подключение большего количества

последовательно соединенных модулей,

что в свою очередь снижает затраты и по-

тери в кабелях постоянного тока.

Инвертор PVS300 был впервые представ-

лен участникам рынка в 2010 году — на

на дисплей инвертора сообщения об об-

наруженных неполадках (также возможна

передача этой информации по электрон-

ной почте через Интернет). После получе-

ния такого сообщения можно быстро и

безопасно заменить вышедшие из строя

компоненты, например съемные модули

разрядников для защиты от перенапряже-

ний. Наконец, уменьшение материалоем-

кости инвертора является одним из ос-

новных факторов снижения выбросов

CO2 в течение всего срока службы изде-

лия.

Безупречные характеристики

Инвертор АББ основан на полномостовой

схеме с фиксированной нейтралью (NPC)

рис. 7, которая, в сочетании с запатенто-

ванной АББ схемой модуляции, обеспечи-

вает высокую эффективность работы ин-

вертора с минимальным током утечки и

высоким максимально допустимым посто-

янным напряжением.

Высокая эффективность обусловлена

простотой конструкции, что можно проил-

люстрировать на примере, в котором

сравниваются некоторые аспекты кон-

струкции традиционных солнечных инвер-

торов с PVS300. Например, в традицион-

ных инверторах используется

дополнительный повышающий преобра-

зователь на входе или повышающий

трансформатор на выходе, а в инверторе

АББ используется только один каскад

преобразования постоянного тока в пере-

менный. Устранение дополнительных ка-

скадов преобразования повышает не

только эффективность, но также и надеж-

ность системы. Повышение эффективно-

сти достигается с помощью интеллекту-

альной логики спящего режима и

Высокое постоян-ное напряжение позволяет увели-чить количество последовательно подсоединяемых модулей, что дает возможность сни-зить потери в кабе-лях постоянного тока и сократить расходы.

8 Фотоэлектрическая система с паразитной емкостью

Блокуправления

ШИМ

ИнверторФильтр

ЭМП ∼UDC

CPVg

UN

UAB

L1

+ +

+

-

Ug-

+

-

-L2

ФЭ

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

ФильтрLCL Сеть

+

+

крупнейшей в мире выставке, посвящен-

ной солнечной энергетике, Intersolar в

Мюнхене. Это событие последовало за

успешным запуском в производство (го-

дом ранее) основного семейства инверто-

ров компании АББ для фотоэлектриче-

ских электростанций.

юкка Нурми

АBB Solar Inverters

Хельсинки, Финляндия

[email protected]


19Усовершенствованная защита энергосети

Н арушения и отказы в

э л е к т р о э н е р г е т и ч е с к и х

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.

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 удовлетво-рять нормати вам по устранению неполадок, систе-мы защиты долж-ны соот вет-ствовать установленным требованиям по чувствитель-ности, времени отклика, изби-рательности и надежности.

РОМЕО КОМИНО, МИхАЭль штРИтМАт-

тЕР – Системы релейной защиты и

автоматики (РЗА) жизненно необходимы

для обеспечения надежности и экономич-

ности современных электроэнергетиче-

ских систем. С развертыванием новых

недетерминированных технологий

Ethernet/IP в глобальных сетях, службы

энергоснабжения по всему миру обеспо-

коены возможными нарушениями в работе

защитной сигнализации, которая обеспе-

чивает быструю и избирательную изоля-

цию неполадок в электрической сети. На

основе обширного опыта в области

применения РЗА и средств связи для

решения задач энергоснабжения компа-

ния АББ разработала новые интерфейсы

для своей платформы по передаче команд

РЗА – системы NSD570, обеспечив

безопасную, надежную и безотказную

работу оборудования защитной сигнали-

зации по глобальным Ethernet/ IP-сетям.

Усовершенствованная защита энергосети


Электроэнергетические службы обеспокоены

возможными нарушениями в работе защитной

сигнализации на подстанциях, обусловленными

недетерминированным характером обмена

данными по сетям Ethernet.

Системы cвязи для релейной защиты следующего поколения


ответствующий сигнал управления (защи-

щенность), а также не допускать внесения

излишних задержек и блокировки команд,

которые были фактически переданы (на-

дежность).

Поэтому все оборудование cвязи должно

отвечать соответствующим требованиям

по защищенности, надежности и времени

передачи, определенным в стандарте IEC

60834-1 [1].

Защищенность, надежность, время пере-

дачи и полоса пропускания (или скорость

передачи данных) являются взаимосвя-

занными параметрами. Требования высо-

кой защищенности и надежности, малого

времени передачи и узкой полосы пропу-

скания (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 за-

висимости от того, для передачи каких ко-

Критерии для оборудования связи:

защита, надежность и время передачи

сигнала

Поскольку любая система связи подвер-

жена воздействию различных помех и

факторов, ухудшающих качество связи

(таких, как дрожание сигнала и ошибки в

битах в цифровых сетях или шум от коро-

нарных разрядов и изменчивость затуха-

ния в каналах связи, использующих линии

электропередачи), характеристики обору-

дования cвязи в условиях возмущений,

воздействующих на канал связи, опреде-

ляются такими показателями, как защи-

щенность, надеж-

ность и время

передачи.

Важным критерием

является пропуск-

ная способность

аналоговых линий

связи и скорость

передачи данных

цифровых каналов

или Ethernet. Чем

шире полоса пропу-

скания или ско-

рость передачи

данных, тем меньше время передачи, кото-

рое может быть достигнуто с помощью

оборудования cвязи.

Для системы релейной защиты первосте-

пенное значение имеет способность

cистемы связи исключать ситуации, в ко-

торых нарушения в канале связи могут

привести к имитации команды на прием-

ном конце линии, если не был передан со-

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

1 типичная архитектура системы защиты

Подстанция А Подстанция БЛиния высокого напряжения

Система РЗА

Оборудование/функциональные модули защиты

Оборудование/функциональные

модули для передачи сигналов команд РЗА

Система связи

Оборудование/функциональные

модули для передачи сигналов команд РЗА

Оборудование/функциональные модули защиты

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).


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 прово-

дам линий электропередачи (ВЧ ЛЭП);

– оптоволоконные линии связи;

– медные провода/сигнальные кабели;

– СВЧ-радиолинии.

Интерфейс между оборудованием теле-

механической защиты и терминалом свя-

зи представляет собой либо аналоговую

схему с полосой пропускания, соответ-

ствующей голосовому частотному диапа-

зону, либо цифровой/оптический каскад с

определенной скоростью передачи дан-

ных, например 64 кбит рис. 3.

Оборудование для передачи сигналов ко-

манд РЗА АББ следующего поколения

NSD570 предлагает полный набор интер-

фейсов для подключения систем связи,

как уже упоминалось выше, и поддержи-

вает подключение к сети Ethernet через

интерфейс 10/100 Мбит/с. Эти интерфей-

сы рассматриваются ниже.

Не является ли развертывание Ether-

net/ IP-сетей угрозой для будущего

РЗА?

Системы РЗА используют каналы связи,

обеспечивающие детерминированные за-

держки передачи сигнала и имеют неиз-

менную во времени постоянную полосу

пропускания или скорость передачи дан-

ных, без каких- либо отклонений запазды-

вания сигнала. Методы статического

манд используется cистема связи — раз-

решающих, отключающих или

блокирующих.

Другим важным критерием является до-

ступность самого канала связи для вы-

полнения необходимой функции в любой

момент времени в течение заданного ин-

тервала [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 архи-

тектура сети, реализация механизмов ав-

томатического устранения отказов или

самовосстановления, а также методы ду-

блирования и резервирования.

Помимо доступности канала связи важ-

ную роль также играют электромагнитная

совместимость (ЭМС) системы РЗА и ее

защищенность от помех, возникающих в

результате быстрых переходных процес-

сов и других внешних возмущений. Архи-

тектура системы РЗА и соответствующего

оборудования должна выдерживать воз-

действие помех именно в тот момент, ког-

да возникает неисправность в системе

электропитания, то есть тогда, когда наи-

более востребована ее способность на-

дежно передавать команды.

телемеханика РЗА с использованием

различных сред и каналов передачи

данных

Для реализации телемеханики РЗА можно

Системы cвязи для передачи команд релейной защиты обычно исполь зуют каналы связи, обе-спечивающие детерминирован-ные задержки пере дачи сигнала и име ют постоянную полосу пропуска-ния.

2 Ethernet-интерфейс глобальной сети NSD570 типа G3LE

Сноска

1 Сеть на основе плезиохронной цифровой

иерархии (PDH) — это сеть, в которой разные

потоки данных почти, но не полностью,

синхронизированы.


мультиплексирования, такие как плезиох-

ронная цифровая иерархия (PDH) и син-

хронная цифровая иерархия (SDH), отве-

чают этому требованию — они в течение

многих десятилетий применялись элек-

троэнергетическими службами в своих

глобальных сетях связи.

С появлением новых технологий передачи

на основе статистического мультиплекси-

рования, которые используют методы вы-

деления полосы пропускания по требова-

нию 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 ока-

заться под угрозой. Это вызывает особую

обеспокоенность в случаях, когда элек-

троэнергетические службы полагаются на

услуги связи, предоставляемые сторонни-

ми компаниями (то есть когда каналы свя-

зи не находятся под полным контролем

самих служб).

Как следствие, при использовании IP/

Ethernet-сетей для защитной сигнализа-

ции необходимо предусматривать функ-

ции контроля доступности и качества ка-

налов связи, проложенных через

глобальную сеть, а также функции изве-

щения защитного оборудования о невоз-

можности надежной передачи команд на

другой конец линии связи рис. 4.

Инновационные решения для систем

передачи сигналов команд РЗА

следующего поколения

Компания АББ, ведущий поставщик си-

стем телемеханической защиты, разрабо-

тала для платформы NSD570 новый набор

интерфейсов, предназначенных для реа-

лизации функций защитной сигнализации

Компания АББ, ве дущий постав-щик систем релей-ной защиты и автомати ки, разра-ботала для плат-формы NSD570 новый набор интер фейсов, предназна ченных для реали зации функций защитной сигнали зации и дистанци онного управления по Ethernet/IP-сетям.

3 Среда передачи и каналы связи, используемые NSD570

ВЧ ЛЭП ВЧ ЛЭП

Мульти-плексор


ЛЭП

Радио-канал

Оптическоеволокно

Оптическоеволокно

Медныепровода

-

-

-

-

-

-

аналоговыйсигнал аналоговый

сигнал

Ethernet Ethernet

Командысистемызащиты

Командысистемызащиты

анал

огов

ый

сигн

ал

анал

ого-

вый

сигн

ал

аналого-

вый

сигналанал

огов

ый

сигн

алци

фро

вой

сигн

алоп

тиче

ский

сигн

ал

аналоговый

сигнал

цифровой

сигнал

оптический

сигнал

аналоговый сигнал



IP-сеть

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

Станция Б

Станция A

Станция ДСтанция Г

Станция В

NSD570

NSD570

NSD570NSD570

NSD570

Ethernet/IP-сеть

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 пе-

редачи до восьми одновременных/не-

зависимых команд по Ethernet/IP-сетям

рис. 3.

– функции текущего контроля и переда-

чи аварийных сигналов, аналогичные

функциям, применяемым в существую-

щих интерфейсах линии связи NSD570

(доступность и качество канала связи,

задержка при сквозной передаче сиг-

нала, 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 виртуаль-

ной локальной сети (VLAN), и усовер-

шенствованными мерами информаци-

онной безопасности, такими как

аутентификация и ведение журналов

регистрации событий;

– служит для дистанционного контроля/

управления модулями телемеханиче-

ской защиты в стойке и другими моду-

лями через шину RS-485 (позволяющую

объединить несколько стоек) рис. 5.

Каждый из этих модулей оснащен элек-

трическим портом (10/100 Мбит/с) и оп-

тическим портом (100 Мбит/с) со смен-

ными компактными приемопере-

датчиками (SFP) для подключения к

Ethernet/IP-сети рис. 6.

циф

рово

йси

гнал

цифровой

сигнал


Обеспечение надежной передачи

команд

Сразу после получения команды от за-

щитных реле, Ethernet-интерфейс гло-

бальной сети NSD570 приступает к от-

правке серии «отключающих» пакетов,

разделенных короткими интервалами

времени. Это обеспечивает быстрый при-

ем пакетов на удаленном устройстве

NSD570 даже при очень плохих условиях

прохождения сигнала в канале (то есть

при высоком коэффициенте потери паке-

тов). После этой начальной последова-

тельности Ethernet-интерфейс NSD570

продолжает отправлять «отключающие»

пакеты, но в более низком темпе, установ-

ленном для «кон-

трольных» пакетов.

Если команда сни-

мается защитным

реле, с этого мо-

мента начинается

отправка «кон-

трольных» пакетов.

Прием лишь одного

правильного «от-

ключающего» паке-

та на удаленном устройстве NSD570 вы-

зывает срабатывание настроенных

выходов реле в соответствии с команда-

ми, полученными в пакете.

Настройка приоритета для срочной

передачи сигналов команд РЗА

Поскольку команды РЗА являются сроч-

ными, они должны быть переданы через

сеть как можно быстрее. И IP, и Ethernet

имеют средства для установки приорите-

тов и соответствующей обработки трафи-

ка с высоким приоритетом. Ethernet-

интерфейс NSD570 обеспечивает

настройку приоритета Ethernet/IP с помо-

щью следующих параметров: «ToS» — тип

Ethernet-интерфейс глобальной сети

NSD570 (G3LE) – надежная система

защитной сигнализации с

использованием Ethernet/IP-сетей

Вместо простого преобразования суще-

ствующего синхронного канала со скоро-

стью передачи данных 64 кбит/с цифро-

вой системы NSD570 в Ethernet-пакеты

был разработан протокол, позволяющий

уменьшить запаздывание и снизить тре-

бования к полосе пропускания.

Помимо команд передачи сигналов РЗА,

полезное содержимое такого пакета

включает несколько полей данных, кото-

рые позволяют передавать результаты из-

мерений ключевых параметров, включая

время передачи и коэффициент потери

пакетов.

Все полезное содержимое защищено ал-

горитмом аутентификации (заявка на па-

тент в стадии рассмотрения), который

обеспечивает защиту информации от раз-

личных угроз.

Подсистема контроля постоянно

следит за качеством и доступностью

канала связи

Сеть с коммутацией пакетов подвержена

воздействию различных факторов, кото-

рые могут увеличить время передачи сиг-

нала.

Ethernet-интерфейс NSD570 постоянно

отслеживает доступность и качество ка-

нала связи с помощью специальных «кон-

трольных» пакетов, которые отправляют-

ся через заданные пользователем

интервалы времени. Если измеренное

время передачи или коэффициент потери

пакетов превышают заданные пользова-

телем пороговые значения или если канал

становится полностью недоступным, пе-

редается аварийный сигнал.

5 Защищенный удаленный доступ к NSD570

Шлюз

Ноутбук

ЛВС подстанции

Рабочаястанция

Станционная шина RS-485

Один NSD570,оснащенныйсетевым интерфейсом

Подстанция Подстанция

Внутренняя корпоративная сеть

илиглобальная сеть (Интернет)

Ethernet

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

С целью выявления возмож-ных несанкционированных манипуляций с системой на ранних стадиях все дей-ствия пользователя реги-стрируются.

обслуживания на уровне 3 протокола IP и

«VLAN tagging» — идентификатор и прио-

ритет кадра Ethernet на уровне 2.

Доказанная эффективность в

неблагоприятных условиях

Показатель защиты в наихудших условиях

(вероятность поступления нежелательной

команды или Puc

) для отключающих ко-

манд, передаваемых через цифровые си-

стемы связи, в соответствии со стандар-

том IEC 60834-1 равен Puc

< 1E-08. Для

нового протокола, реализованного в

NSD570, можно математически вывести

значение Puc

< 1E-18.

Новый Ethernet-интерфейс NSD570 типа

G3LE прошел всесторонние испытания в

сети, построенной на основе Ethernet-

коммутаторов АББ серии AFS. Даже в ус-

ловиях имитации всплеска трафика с ис-

пользованием пакетов разного размера и

перегрузки на нескольких участках сети

время передачи не превысило 4 мс и со-

ставило в среднем около 2,5 мс.

Для проверки надежности работы устрой-

ства при крайне неблагоприятных услови-

ях в Ethernet/IP-сети, то есть при коэффи-

циенте потери пакетов (PLR) не менее

10%, была оценена надежность передачи

команд (характеризующаяся вероятно-


В настоящее время соответствующая тре-

бованиям стандарта IEC 61850 внутри-

станционная система связи на основе

Ethernet-шины используется только для

передачи сигналов управления и автома-

тизации. 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 при-

нимать сообщения GOOSE 3, соответству-

ющие IEC 61850-8-1, которые передают

реле защиты с интерфейсом GOOSE.

Более того, с целью обсуждения и опре-

деления 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 от-

чет, касающийся обеспечения такой связи

через глобальную сеть [3]. В соответствии

с описанным в данном докладе подходом,

предусматривающим использование

«шлюзов», сигналы защиты GOOSE мож-

но передавать через глобальную сеть на

удаленный модуль NSD570 через любой

аналоговый, цифровой/оптический или

Ethernet-канал рис. 3.

При использовании интерфейса локаль-

ной сети G3LS с поддержкой GOOSE воз-

можна смешанная работа традиционных

реле защиты и реле защиты, отвечающих

требованиям IEC 61850: По одному и тому

Управляющий интерфейс локальной

сети NSD570 (G3LM) — безопасное

удаленное подключение и текущий

контроль

Вместе с Ethernet-интерфейсом глобаль-

ной сети G3LE был представлен новый ин-

терфейс локальной сети NSD570 типа

G3LM, обеспечивающий удаленный до-

ступ 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.

Кроме того, были

реализованы функ-

ции, повышающие

уровень информа-

ционной безопас-

ности и позволяю-

щие заказчикам

эксплуатировать

систему передачи

сигналов команд

РЗА NSD570 с под-

держкой новых

стандартов, таких

как NERC CIP. Для шифрования и аутенти-

фикации доступа пользователей исполь-

зуется протокол Secure Socket Layer (SSL).

Кроме того, новая система администри-

рования пользователей позволяет настра-

ивать отдельные учетные записи пользо-

вателей и индивидуально назначать

пользователям права доступа. С целью

выявления возможных несанкциониро-

ванных манипуляций с системой на ран-

них 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 подстанция-

ми, стало стимулом для внедрения на под-

станциях локальных сетей на основе стан-

дарта Ethernet.

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 —коэффициент битовых ошибок

BER < 1.1E-05 2.3E-05 3.5E-05 1.2E-04 –

Макс. фактическоевремя передачи

Tac ≤ 4 мс 5 мс 6 мс 8 мс 10 мс

Правильный выбор архитектуры Ethernet/IP-сети и ее надлежащая настройка являют-ся необходимым условием, гаранти-рующим низкий коэффициент по-тери пакетов и ми-нимальные за-держки.

Система является полностью интегрированной, то есть не требует никаких внешних устройств, которые нуждают-ся в отдельном источнике пи-тания и пользовательском интерфейсе для управления.

стью пропуска команды или Pmc

). При раз-

ных значениях PLR было отправлено

большое количество отключающих паке-

тов, при этом в течение определенного

времени (Tac

) фиксировалось количество

не дошедших до получателя команд, на

основе которого было рассчитано значе-

ние Pmc

. Для сравнения была оценена на-

дежность на основе коэффициента бито-

вых ошибок (BER), выведенного из

соответствующего коэффициента потери

пакетов рис. 7.

Результаты этих испытаний в сочетании с

дополнительными натурными испытания-

ми в Ethernet/IP-сетях электроэнергетиче-

ских служб, подтвердили, что новый

Ethernet- интерфейс глобальной сети АББ

типа G3LE соответствует требованиям,

установленным для цифрового оборудо-

вания 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 задан-

ные коэффициент потери пакетов и за-

держка передачи сигнала между двумя

терминалами NSD570 не будут превыше-

ны. Если это требование не выполняется,

NSD570 немедленно сообщает об ухудше-

нии качества связи через сеть.


Выводы

Система NSD570, созданная с примене-

нием новейших технологий компании

АББ, представляет собой перспективную

платформу, которая может быть интегри-

рована в глобальную Ethernet/IP-сеть или

в локальную сеть подстанции путем про-

стой замены/добавления одного модуля.

NSD570 — это полнофункциональная си-

стема, отвечающая требованиям к интер-

фейсу релейной защиты и линии связи.

Система является полностью интегриро-

ванной, то есть не требует внешних

устройств, которые нуждаются в отдель-

ном источнике питания и пользователь-

ском 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 обору-

дование, соответствующее стандарту IEC

61850, то есть совместимость «традици-

онных» подстанций с подстанциями стан-

дарта IEC 61850 через существующие ка-

налы релейной защиты NSD570.

Архитектура NSD570 отвечает требовани-

ям заказчиков, планирующих перенести

свою глобальную сетевую инфраструкту-

ру на Ethernet/IP-сети. Например, они мо-

гут параллельно использовать интерфей-

сы с цифровыми линиями связи и сетью

Ethernet, постепенно укрепляя доверие к

новой среде передачи. Для этой цели

предусмотрен экономичный режим защи-

ты путей передачи сигналов по схеме

«1+1», не требующий дублирования ин-

терфейсов реле с устройствами защиты.

Для построения схемы требуется лишь

подключить к той же стойке интерфейс

второй линии, используемой в качестве

резервного канала связи.

Ромео Комино

Михаэль штритматтер

АBB Power Systems

System Group Utility Communications

Баден, Швейцария

[email protected]

[email protected]

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.

Таким образом, модуль NSD570 компании

АББ с его открытой архитектурой подго-

товлен к дальнейшему совершенствова-

нию с учетом развития стандартов IEC

61850 как для внутристанционной связи,

так и для связи между подстанциями.

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 – интернет-протокол

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

Система NSD570, созданная с приме нением но-вейших технологий компа нии АББ, представ ляет со-бой пер спективную платформу, кото-рая может быть инте грирована в гло бальную Ethernet/IP-сеть или в ло кальную сеть под станции путем про стой за-мены/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.


СтИВ ОВЕРт – Последние достижения в области силовой

электроники и электрических машин открывают новое

направление в развитии крупных гидроаккумулирующих

сооружений. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС),

оснащенные приводами с регулируемой частотой вращения,

обеспечивают несколько преимуществ по сравнению с

обычными системами с постоянной частотой вращения.

Регулирование частоты вращения осуществляется с помощью

асинхронных электрических машин двойного питания,

управляемых системами возбуждения переменного тока. Эти

системы подают на ротор низкочастотный трехфазный ток и

регулируют частоту вращения или активную и реактивную

мощность машин. ГАЭС в Авче (Словения) является первой

электростанцией в Европе, где внедрена установка с

регулируемой частотой вращения, оснащенная современной

трехуровневой системой преобразования напряжения на

тиристорах с интегрированным управлением (IGCT). Подраз-

деление силовых преобразователей среднего напряжения

компании АББ Switzerland выполнило работы по проектирова-

нию электрической и механической частей, монтажу и вводу в

эксплуатацию системы возбуждения переменного тока PCS

8000, включая трансформатор возбуждения. После успешного

ввода в эксплуатацию установка была сдана заказчику,

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

тации с апреля 2010 года.

Гидроаккумулирующая электростанция для решения задач энергоснабжения и оптимизации использования тарифов

Энергия в розлив

27Энергия в розлив

зует накопленную воду для выработки элек-

троэнергии. Используя такой процесс нако-

пления энергии, атомные и угольные

электростанции могут постоянно работать в

оптимальном эксплуатационном режиме,

даже в периоды низкого потребления элек-

троэнергии. Кроме того, накопление энер-

гии позволит уменьшить влияние дорогосто-

ящих и неэффективных изменений уставок

при выработке электроэнергии на теплоэ-

лектростанциях.

Местоположение ГАЭС Авче — рядом с го-

статочный объем генерирующих мощностей.

Для непрерывного электроснабжения и

предотвращения аварийных отключений

электричества также необходимо соблю-

дать действующие правила сети электропе-

редачи.

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 воз-

ведение первой

в стране гидро-

аккумулирую-

щей электро-

станции (ГАЭС).

Гидроаккумули-

рующие соору-

жения позволя-

ют накапливать

большое количе-

ство энергии в

периоды дей-

ствия низких цен

(особенно по ночам и в выходные дни), за

счет преобразования электрической энер-

гии в потенциальную с помощью насоса. В

периоды высокого потребления, когда цены

на электроэнергию велики, станция исполь-

П римерно две трети электроэнер-

гии в Словении вырабатывается

на атомных и угольных электро-

станциях, а одна треть – на гидро-

электростанциях, главным образом русло-

вого типа. Эти генерирующие мощности в

основном покрывают базисную и полупико-

вую нагрузку. В этих условиях трудно обе-

спечить регулирование выработки электро-

энергии в зависимости от спроса. Страна

сталкивается с недостатком пиковых энер-

гетических мощностей для покрытия перио-

дов высокого энергопотребления и избыт-

ком мощностей в периоды низкого

потребления, особенно ночью и в выходные

дни. Большая разница между ценами на

электроэнергию в периоды пикового и ми-

нимального потребления отрицательно вли-

яет на общую стоимость энергии. В то же

время, поскольку Словения граничит с Ита-

лией, Хорватией и Австрией, она находится

на перекрестке международных энергетиче-

ских потоков в новой европейской сети ли-

ний электропередачи. Сеть Словении долж-

на нести свою долю ответственности за

международную передачу энергии. Чтобы

удовлетворить потребности и ожидания по-

требителей, необходимо обеспечить надле-

жащую взаимосвязь между регионами и до-

Основным преимуществом си стем с регулируемой частотой вращения является возможность регулирования активной мощно сти в режиме насоса.


Вид на верхний резервуар ГАЭС Авче и

окружающий пейзаж..


сти вообще невозможна. При использова-

нии систем с регулируемой частотой враще-

ния 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 экономиче-

ских преимуществах.

Реверсивные насос-турбины Фрэнсиса, как

правило, разрабатываются с учетом номи-

нального напора и номинальной мощности

машины. В связи с непрерывным изменени-

ем эффективного напора фактическая ра-

бочая точка при использовании систем с

фиксированной частотой вращения обычно

находится в окрестностях расчетной, не со-

впадая с ней. Поэтому насос-турбины с фик-

сированной частотой вращения чаще всего

не достигают уровня оптимальной эффек-

тивности. В режиме генератора при частич-

ной нагрузке эффективность насос-турбины

можно повысить путем регулировки частоты

вращения в зависимости от требуемой мощ-

ности и фактического напора. А в режиме

насоса оптимальный режим работы насос-

турбины 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 во-

дохранилище и в период выработки элек-

троэнергии и увеличить КПД цикла насос-

родом Нова Горица вблизи западной грани-

цы страны, имеет преимущество в виде на-

личия существующего нижнего резервуара

на реке Соча, а также гористого рельефа с

большим разбросом по высоте . Кроме того,

распределительная подстанция обеспечива-

ет электрическое подсоединение электро-

станции к существующей северопримор-

ской линии электропередачи (ЛЭП)

напряжением 110 кВ, которая, в свою оче-

редь, подсоединена к расположенной в не-

скольких километрах трансграничной ЛЭП,

идущей в Италию. ГАЭС также будет обе-

спечивать поддержку развития обычных

ГЭС в регионе. При возведении ГАЭС были

построены верхний резервуар, подводящий

тоннель, расширительный резервуар, на-

порный трубопровод и здание электростан-

ции. Здание электростанции, находящееся

на левом берегу реки Соча, состоит из шах-

ты глубиной 80 м и верхних строений. В шах-

те установлены реверсивный насос-турбина

и двигатель-генератор с вспомогательным

оборудованием. В здании электростанции

также установлены система возбуждения,

автоматические выключатели, трансформа-

торы, дизель- генератор, аккумуляторные

батареи, подвижные краны и другое обору-

дование.

Оптимизация работы ГАЭС

Стремясь добиться максимально эффек-

тивной работы ГАЭС, компания SENG при-

няла решение установить на ней реверсив-

ный агрегат мощностью 195 МВА с

регулируемой частотой вращения. Возмож-

ность регулирования частоты вращения в

генерирующей установке ГАЭС дает ряд

преимуществ по сравнению с традиционны-

ми системами с постоянной частотой вра-

щения. В классических решениях, где син-

хронные машины работают с постоянной

частотой вращения, схема возбуждения по-

зволяет регулировать только реактивную

мощность. Во время выработки электроэ-

нергии активную мощность можно регули-

ровать только механически, используя на-

правляющий аппарат. В режиме насоса

регулировка поглощенной активной мощно-

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

Алгоритмы управ-ления, используе-мые для преобра-зователей частоты, постоянно совер-шенствовались на протяжении более чем тридцати лет.

Гидроаккумулирующие сооружения по-зволяют накапливать большое количе-ство энергии в периоды низкого энерго-потре бления. В периоды высокого потребления станция использует нако-пленную воду для выработки электро-энергии.

турбины на ГАЭС Авче до более чем 77%.

Основным преимуществом системы с регу-

лируемой частотой вращения является воз-

можность регулирования активной мощно-

сти в режиме насоса — на ГАЭС Авче

регулировка осуществляется в диапазоне от

65 до 100% от номинальной мощности. Воз-

можность регулирования поглощенной ак-

тивной мощности в режиме насоса обеспе-

чивает гибкое управление накоплением

энергии в зависимости от доступной мощ-

ности из электросети, несмотря на колеба-

ния доступной мощности из-за разницы

между выработкой и потреблением электро-

энергии. Гибкость управления позволяет оп-

тимизировать эксплуатацию хранилища за

счет увеличения накопленной энергии за

единицу времени, а также благодаря значи-

тельному сокращению количества пусков-

остановов 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 (си-

стемные услуги). При использовании обыч-

ных установок с постоянной частотой вра-

щения предоставление этих услуг

осуществляется отдельно, путем запуска

генераторной установки в периоды малого

потребления и низких цен на электроэнер-

гию. Очевидно, что выработка электроэнер-

гии в периоды действия низких цен нераци-

ональна с финансовой точки зрения,

поэтому гидроаккумулирующие сооруже-

ния, где применяются установки с регулиру-

емой частотой вращения, обеспечивают

максимальные экономические преимуще-

ства, повышая доходы за счет оптимизации

режимов насоса и генератора, а также пре-

доставления системных услуг.

Регулирование мощности в машинах с регу-

лируемой частотой вращения также будет

играть важную роль при добавлении других

генерирующих мощностей, использующих

энергию из возобновляемых источников,

например энергию ветра. Даже в тех случа-

ях, когда выработка энергии на таких элек-

тростанциях является предсказуемым про-


управления и преобразователя, трансфор-

матором возбуждения и пусковым блоком

рис. 2. В сферу ответственности компании

АББ также входили проектирование, управ-

ление проектом, изготовление и проведение

заводских приемочных испытаний на заво-

де-изготовителе, а также монтаж оборудова-

ния и ввод его в эксплуатацию на объекте.

Весь проект был реализован на базе произ-

водственной площадки подразделения АББ

Automation Products, расположенной в г. Тур-

ги (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 монта-

жа и ввода в эксплуатацию на объекте. Про-

граммное обеспечение системы управле-

ния, включающее функции защиты

преобразователя и трансформатора воз-

буждения, было протестировано на заводе-

изготовителе с использованием программ-

но-аппаратного моделирования в режиме

реального времени. Это также позволило

сократить сроки ввода в эксплуатацию на

объекте, исключив из них время на прове-

Благодаря тому что в установках с регулиру-

емой частотой вращения управление актив-

ной и реактивной мощностью осуществля-

ется раздельно, появляется возможность

внести дополнительный вклад в стабиль-

ность электросети. Для электростанций, где

применяются установки с регулируемой ча-

стотой вращения, не требуется стабилиза-

тор энергосистемы. Регулирование актив-

ной мощности машины повышает

стабильность и обеспечивает быструю ре-

акцию на возмущения в электросети. Уста-

новки с регулируемой частотой вращения

выступают в качестве амортизирующих эле-

ментов для всей электросети: они поглоща-

ют колебания мощности, создаваемые син-

хронными генераторами. Электронное

регулирование частоты вращения суще-

ственно снижает время реакции по сравне-

нию с механическим регулированием с по-

мощью гидравлических систем привода

направляющего аппарата. Благодаря отсут-

ствию потребности в синхронизации часто-

ты вращения установки с частотой электро-

сети, станция с такими установками может

исполнять роль на-

копителя для сгла-

живания кратко-

с р о ч н ы х

возмущений. Эти

превосходные воз-

можности управле-

ния можно исполь-

зовать для

стабилизации ЛЭП

большой протяжен-

ности.


АББ PCS 8000

В число компонентов, поставленных компа-

нией АББ для проекта ГАЭС Авче, входил

преобразователь возбуждения переменного

тока вместе с подсистемой защиты блока

цессом, объемы выработки электроэнергии

могут не соответствовать потреблению.

ГАЭС является наиболее крупным и эконо-

мически выгодным решением для интегра-

ции источников энергии периодического

действия в действующую электрическую

сеть. Кроме того, применение гидроаккуму-

лирующих сооружений позволяет умень-

шить выбросы парниковых газов на газотур-

бинных электростанциях в периоды пиковой

выработки электроэнергии.


АББ

Установка с регулируемой частотой враще-

ния для ГАЭС включает асинхронную элек-

трическую машину двойного питания (DFIM).

В асинхронных машинах двойного питания

используется трехфазное подключение

фазного ротора через контактные кольца.

Регулирование частоты вращения осущест-

вляется с помощью низкочастотного трех-

фазного переменного тока от системы воз-

буждения, подаваемого на ротор. Частота

то- ков в роторе определяется разницей

между фактической скоростью вращения и

синхронной скоростью, зависящей от ча-

стоты электросети. Система возбуждения

переменного тока PCS 8000 фактически ре-

гулирует скольжение ротора относительно

синхронной скорости. В то же время век-

торное управление токами возбуждения по-

зволяет регулировать не только скорость/

активную мощность, но также и напряже-

ние/реактивную мощность машины. Управ-

ление напряжением/реактивной мощностью

осуществляется так же, как и в традицион-

ных системах возбуждения постоянного

тока, например АББ Unitrol® для синхронных

машин. Управление последовательностями

пуска/торможения машины выполняется с

помощью той же системы возбуждения пе-

ременного тока PCS 8000. Дополнительный

пускатель не требуется.

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

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

2 Принципиальная схема системы возбуждения переменного тока

DFIM

Насос-турбина

Защитамашины

Блокохлаждения

Отображение аварийных сигналов и

событий

Управление изащита

(AC 800PEC)

Система управлениягенератором/двигателем

Сеть 50 Гц

Трансформаторвозбуждения

2x

Промежуточное звено постоянного тока

ARUПреобразователь системы

возбуждения переменного тока

Объем поставки системы возбуждения переменного тока

Пусковойблок

INU

IGCT IGCT


скольку они сочетают преимущества запи-

раемых тиристоров (GTO) и биполярных

транзисторов с изолированным затвором

(IGBT). Потери в состоянии проводимости у

IGCT такие же низкие, как у запираемых ти-

ристоров, а время переключения между со-

стояниями так же мало, как у биполярных

транзисторов с изолированным затвором.

Благодаря монолитной структуре IGCT де-

монстрируют при перегрузках такое же по-

ведение, как обычные и запираемые тири-

сторы. В случае отказа полупроводникового

прибора в кремниевой пластине формиру-

ется проводящий канал. В состоянии отказа

такое поведение обеспечивает механиче-

скую целостность корпуса полупроводнико-

вого прибора, а также формирование пути

подачи тока в цепь ротора (в установках с

регулируемой частотой вращения), исклю-

чая опасное превышение напряжения рото-

ра. Не все предлагаемые на рынке полупро-

водниковые приборы демонстрируют такое

же отказоустойчивое поведение.

Блок управления системы возбуждения пе-

ременного тока создан на основе контрол-

лера АББ AC 800PEC, специально разрабо-

танного для высокоскоростного управления

силовыми полупроводниковыми приборами.

Шкаф управления содержит оборудование

контроллера AC 800PEC, а также все необ-

ходимые устройства ввода/вывода для под-

системы управления генератором/двигате-

лем, преобразователя возбуждения

переменного тока, трансформатора воз-

буждения, системы охлаждения и транс-

форматоров напряжения/тока. Контроллер

AC 800PEC принадлежит к широко распро-

страненному семейству АББ 800xA и соче-

тает мощный центральный процессор и

большую программируемую пользователем

логическую матрицу, что позволяет приме-

нять AC 800PEC для управления силовой

электроникой, предъявляющей повышен-

чем тридцати лет. Полученный опыт помог

выработать конкретные требования к обо-

рудованию для гидроаккумулирующих соо-

ружений и служит гарантией надежного и

безопасного внедрения и эксплуатации ма-

шины.

Технология преобразования напряжения

АББ основана на полупроводниковых тири-

сторах IGCT, собранных в трехуровневые

силовые электронные блоки (PEBB) рис. 6.

Из этих блоков собираются преобразовате-

ли. Согласно требованиям проекта ГАЭС

Авче, конфигурация системы возбуждения

переменного тока PCS 8000 содержит две

трехфазные системы в блоке активного вы-

прямителя (ARU) и одну трехфазную систему

в блоке инвертора (INU), подсоединенном к

одному промежуточному звену постоянного

токам рис. 7. Так называемая «12-импульс-

ная топология активного выпрямителя» ха-

рактеризуется типовыми преимуществами в

отношении коэффициента гармоник. Блок

инвертора имеет четыре параллельно сое-

диненных фазовых вывода для подачи тре-

буемых токов ротора при работе в номи-

нальном режиме, включая резерв для

переходных состояний. Соединение двух

инверторов напряжения через промежуточ-

ное звено постоянного тока обеспечивает

высокую эксплуатационную гибкость.

Управление частотой, напряжением и коэф-

фициентом мощности можно осуществлять

независимо на каждой из сторон, подача

реактивной мощности в систему возбужде-

ния не требуется. В промежуточном звене

постоянного тока предусмотрен блок огра-

ничения напряжения (VLU). Задача блока

VLU — поддерживать напряжение в проме-

жуточном звене постоянного тока в задан-

ных пределах.

Полупроводниковые приборы IGCT олице-

творяют применение передовых технологий

в преобразователях высокой мощности, по-

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

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

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

дение тестов.


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 постав-

лено в 1970-х. Технология VSC применяется

компанией АББ в целом ряде устройств,

включая блоки межсистемной связи для же-

лезных дорог, статические компенсаторы

реактивной мощности (STATCOM), статиче-

ские преобразователи частоты для энергос-

набжения, а также (с начала 1990-х годов)

системы возбуждения переменного тока

для асинхронных электрических машин

двойного питания и вращающихся преобра-

зователей частоты. Компания АББ устано-

вила более двадцати преобразователей воз-

буждения переменного тока и обладает

обширным опытом работы с асинхронными

электрическими машинами двойного пита-

ния. Алгоритмы управления, используемые

для преобразователей частоты, постоянно

совершенствовались на протяжении более


ме предусмотрен пусковой блок, который

увеличивает подаваемое на ротор напряже-

ние 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 по-

хож на процессы для синхронных машин.

Тем не менее, в обоих случаях, поскольку

двигатель/генератор является асинхронной

машиной, выполнять синхронизацию уста-

новки на синхронной частоте вращения не

требуется. Следует учитывать только напря-

жение на статоре и угол расхождения между

фазами на обеих сторонах автоматического

выключателя генератора.

Полное совершенство

ГАЭС Авче, оснащенная установкой с регу-

лируемой частотой вращения и системой

возбуждения переменного тока АББ PCS

8000, дает важные преимущества и опера-

тору объекта, компании SENG d.o.o., и опе-

ратору электросети. Станция полностью от-

вечает требованиям электросети, имеет

оптимальное географическое положение и

демонстрирует превосходные экономиче-

ские показатели рис. 8. Станция вырабаты-

вает пиковую энергию со сдвигом относи-

тельно периодов низкого потребления,

обеспечивает гибкость работы на открытом

рынке электроэнергии и предоставляет пер-

вичные резервы для системных услуг управ-

ления сетью, одновременно стабилизируя

работу близлежащих ЛЭП. Благодаря мало-

му 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 мгновен-

но подключиться к электросети в случае

внезапного возникновения дисбаланса. Не-

возможно также переоценить широчайшие

возможности для развития туризма в зоне

верхнего резервуара, который делает живо-

писный ландшафт в этом районе Словении

еще более привлекательным.

Стив Оберт

АBB Automation Products Турги, Швейцария

[email protected]

Функции текущего контроля и защиты пре-

образователя и трансформатора возбужде-

ния запрограммированы в отдельном кон-

троллере AC 800PEC (контроллер защиты).

Тем не менее, в целях обеспечения безопас-

ности оборудования основные функции за-

щиты также запрограммированы и в кон-

троллере управления, обеспечивая

резервирование основной схемы защиты.

Используя служебный ПК, местный персо-

нал или сотрудники АББ выполняют все не-

обходимые операции по обслуживанию про-

граммного обеспечения и диагностике; при

наличии соответствующего подключения к

сети Интернет эти операции также можно

выполнять дистанционно. Функция удален-

ного доступа позволила сотрудникам АББ

прямо из своего офиса осуществлять актив-

ную поддержку испытаний асинхронной

электрической машины с двойным питани-

ем, проводимых на объекте во время ввода

установки в эксплуатацию. Специалисты

АББ могли задавать уставки по мощности и

скорости в соответствии с результатами ис-

пытаний на объекте, которые передавались

им по телефону. Это позволило сократить

численность персонала АББ на объекте,

снизив таким образом затраты на ввод в

эксплуатацию. Управление последователь-

ностями пуска/торможения машины выпол-

няется с помощью той же системы возбуж-

дения переменного тока PCS 8000, при этом

дополнительный пускатель не требуется.

Функция пуска для режима двигателя, а так-

же последовательности синхронизации и

торможения полностью интегрированы в

программное обеспечение системы возбуж-

дения переменного тока PCS 8000. В систе-

ные требования к алгоритмам управления.

Алгоритмы управления АББ включают в

себя контуры управления для скорости/ак-

тивной мощности и напряжения/реактивной

мощности, промежуточного звена постоян-

ного тока, последовательностей пуска/оста-

нова и синхронизации, а также модули

управления вспомогательными системными

устройствами, такими как блоки водяного

охлаждения, вентиляторы охлаждения и пр.

Более того, контроллер AC 800PEC (кон-

троллер управления) управляет обменом

данными с вышестоящей системой управле-

ния и блоком управления схемы возбужде-

ния/регулятора, передавая рабочие уставки.

8 Плотина и прекрасный вид на окрестности ГАЭС Авче

Благодаря отсут-ствию потребности в синхро низации частоты вращения установки с ча-стотой электросети, станция с такими уста новками может исполнять роль на-копителя для сгла-живания кратко-срочных возмущений.

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

2 x 3 фазы3-уровневыеинверторы

4 x 3 фазы3-уровневыеинверторы

Пусковой блокDFIM

Звенопостоянноготока

ФВЧ

Система возбужденияпеременного тока

Трансформаторвозбуждения

Блокограничения

напряже-ния (VLU)


ше штрафов и компенсаций приходится

выплачивать энергосбытовым компаниям.

Основными критериями при проектирова-

нии реконструкции Королевского морско-

го порта Стокгольма, были сокращение

перебоев в энергоснабжении и повыше-

ние его качества. При разработке проекта

были учтены следующие требования:

– сброс нагрузки во избежание отключе-

ния энергоснабжения, когда энергоси-

стема находится в критическом

состоянии;

– предотвращение отключений энергос-

набжения из-за перегрузки;

– минимальные последствия отключений

В следствие изменений в законо-

дательстве Швеции и общего

ужесточения нормативов по

всей Европе энергосбытовые

компании вынуждены принимать меры

для сокращения сроков времени переры-

вов энергоснабжения в распределитель-

ных сетях. Частота и длительность пере-

боев в энергоснабжении оценивается, как

правило, с помощью таких показателей,

как индекс средней частоты прерываний

энергоснабжения (SAIFI) и индекс средней

длительности прерываний энергоснабже-

ния (SAIDI). Чем реже происходят перебои

и чем меньше их продолжительность, тем

ниже значения этих индексов и тем мень-

ПЕтР ГУРьЕВ, ЭНРИКО РАГАйНИ — В Королевском морском

порту Стокгольма реализуется первый в швеции крупный проект

по внедрению интеллектуальной энергосистемы. Часть

городской территории, состоящая из трех районов, включая

порт, будет реконструирована с учетом критериев

«интеллектуального города». Выработка энергии из

возобновляемых источников, проживание в «разумных» домах и

использование электромобилей — это лишь некоторые

современные технологии, которые будут применяться в этом

экологически чистом городе будущего. В сотрудничестве с

компанией Fortum, одной из крупнейших в Северной Европе

компаний по выработке и распределению тепла и электричества,

АББ разрабатывает новый подход к распределению

электроэнергии. Компания Fortum изучает различные

возможности для реализации этого проекта, возникшие

благодаря появлению концепции интеллектуальной

энергосистемы. Для проектов такого типа необходимо

проведение технико-экономического расчёта, в рамках которого

оцениваются технологии интеллектуальной энергосистемы,

которые можно использовать для повышения надежности

электросети и сокращения времени простоя. Расчеты

показывают, что преимущества при использовании оборудования

с интеллектуальными функциями, выражающиеся в снижении

потерь прибыли и уменьшении штрафов, оправдывают

капиталовложения в это оборудование.

Применение интеллектуального оборудования дает дополнительные преимущества распределительным компаниям и потребителям

Интеллектуальные технологии в энергоснабжении


Концепция реконструкции района, публикуется

с разрешения муниципалитета Стокгольма и

компании Aaro Designsystem

энергоснабжения из-за короткого

замыкания;

– минимальная стоимость владения

(включая расходы на первоначальную

закупку оборудования, эксплуатацион-

ные издержки, затраты на техническое

обслуживание и компенсации за

последствия неполадок);

– малый период окупаемости.

33Интеллектуальные технологии в энергоснабжении

Интеллектуальные технологии в энергоснабжении


тролировать в реальном времени.

Среди продукции АББ имеется широкий

ассортимент устройств дистанционного

управления и контроля сетей низкого на-

пряжения, таких как измерители мощно-

сти с функциями обмена данными, кото-

рые можно устанавливать вместе с

электромеханическими выключателями

или выключателями с предохранителями.

Такое решение особенно хорошо подхо-

дит для модернизации существующих

подстанций. Одно из передовых решений,

достоинством которого является макси-

мальная компактность, — это автомати-

ческий выключатель со встроенным бло-

ком измерения мощности. Это устройство

сочетает в себе средства защиты, изме-

рения и обмена данными.

Дистанционный контроль позволяет со-

кратить время обнаружения неполадок и

восстановления энергоснабжения. Одна-

ко в случае короткого замыкания энергос-

набжение 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 возникнове-

нии аварии в одной секции фидера, кото-

рая устраняется соответствующим защит-

ным устройством, все нижестоящие

секции этого фидера отключаются от ис-

точника энергоснабжения, что может ли-

шить электричества нескольких потреби-

предохранителей предусматривают ис-

пользование автоматических электроме-

ханических выключателей, что в некото-

рых случаях улучшает координированность

защиты. На крупных станциях возможно

использование двух трансформаторов

вместо одного. Все традиционные схемы

могут также оказаться недостаточно эф-

фективными вследствие ручного управле-

ния устранением неполадок и отсутствия

контроля.

Тем не менее, с помощью современных

технологий традиционные схемы можно

улучшить, особенно электронные компо-

ненты и средства связи. В проектах с ин-

теллектуальным управлением энергоси-

стемами, таких как проект реконструкции

Королевского морского порта в Стокголь-

ме, для оснащения сетей низкого напря-

жения используются оборудование и рас-

пределительная аппаратура с функциями

дистанционного контроля и управления.

Помимо этого, схема энергосистемы ос-

нована на резервированных фидерах с

усовершенствованной координацией

средств защиты.

Дистанционный контроль и управление

оборудованием во многих ситуациях обе-

спечивает значительное сокращение вре-

мени простоя. В случае короткого замы-

кания информация об аварии немедленно

передается оператору, который принима-

ет соответствующие меры. Передаваемая

информация может содержать данные о

величине действующих сверхтоков и на-

пряжений, которые полезны для выявле-

ния места аварии. Кроме того, дистанци-

онный контроль позволяет

оптимизировать работу энергосистемы. В

случае перегрузки или в ситуации, близ-

кой к отключению энергоснабжения, ког-

да энергопотребление становится слиш-

ком высоким, можно отключить некоторые

нагрузки. Выработку энергии из возоб-

новляемых источников, например, с по-

мощью солнечных батарей, можно кон-

1 Сравнение вариантов реализации подстанций низкого напряжения

Выводы традиционная схема (без

контроля, без резервирования)

Автоматические выключатели с

функциями контроля/управления

Резервированные фидеры с

улучшенной селективностью и

функциями контроля/управления

Простота + - -

Начальные капиталовложения Небольшие Средние Высокие

Срок выявления неполадки Длительный Короткий Короткий

Срок восстановления энергоснабжения

Оченьдлительный

Длительный* Очень короткий

Дистанционный контроль – + +

Дистанционное управление – + +

* - зависит 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.

Дистанционный контроль позволяет оптимизировать работу энерго- системы.

Усовершенствование традиционных

схем

Традиционные установки низкого напря-

жения имеют свои достоинства и недо-

статки. Традиционное устройство транс-

форматорной подстанции среднего и

низкого напряжения для непромышлен-

ных потребителей обычно предусматрива-

ет применение радиальных фидеров и

плавких предохранителей, которые защи-

щают каждый из отходящих фидеров низ-

кого напряжения. Преимущества такой

конструкции — низкая стоимость и на-

дежная защита от коротких замыканий и

перегрузок. С другой стороны, из-за от-

сутствия средств дистанционного контро-

ля и управления работы по восстановле-

нию энергоснабжения выполняются

вручную и иногда могут занимать длитель-

ное время. Фактически оператор может

оставаться в неведении относительно

возникновения неполадки в течение не-

скольких минут или даже часов.

Альтернативные схемы вместо плавких


Резервированные фидеры обычно исполь-

зуются в распределительных сетях средне-

го напряжения, где фидеры, как правило,

проектируются в виде петель, которые мо-

гут быть запитаны с обоих концов. Каждый

фидер разбит на сегменты, разделенные

автоматическими выключателями-разъе-

динителями. Фидер может работать как

замкнутый контур, если все выключатели

замкнуты, или как разомкнутый контур,

если один из выключателей разомкнут, при

этом фактически формируются два ради-

альных фидера, каждый из которых пита-

ется от отдельной станции. При обнаруже-

нии короткого замыкания размыкается

только часть автоматических выключате-

лей (в зависимости

от места возникно-

вения неполадки),

отсоединяя неис-

правную секцию от

энергосистемы и

сохраняя при этом

подключение всех

остальных нагру-

зок.

Работа в режиме

замкнутого контура обеспечивает макси-

мальные эксплуатационные преимуще-

телей. Поскольку, согласно последним

требованиям, количество потребителей,

пострадавших от неполадки, должно быть

сведено к минимуму, при разработке рас-

пределительной сети можно применить

специальную стратегию, предусматрива-

ющую использование новых технологий,

например резервированных фидеров ав-

томатических выключателей с функцией

улучшенной защиты. Надежность энер-

госнабжения можно значительно повы-

сить за счет применения в сети низкого

напряжения резервированных фидеров,

которые предоставляют две альтернатив-

ных линии для подключения к энергоси-

стеме каждого потребителя. Кроме того,

каждый фидер разбит на секции, разде-

ленные выключателями или разъедините-

лями. От источника энергоснабжения от-

ключаются только аварийные секции. В

сочетании со схемами с улучшенной се-

лективностью, реализованными с помо-

щью автоматических выключателей с ин-

теллектуальными функциями, такая

архитектура позволяет в крайне сжатые

сроки восстановить энергоснабжение

всех нагрузок, которые не были напрямую

затронуты аварией в соответствующей

секции фидера рис. 1.

Надёжность энергоснабжения можно значительно повысить за счет применения в сети низкого напряжения резерви-рованных фидеров.

ства с точки зрения сокращения переры-

вов в энергоснабжении. В этом режиме

обеспечивается автоматическое обнару-

жение и отсоединение аварийной секции

фидера, не затрагивая энергоснабжение

всех остальных секций. Для этого требу-

ются становящиеся всё более и более

привычными в сетях среднего напряже-

ния компоненты с направленной защитой.

Для приобретения аналогичных возмож-

ностей у фидеров низкого напряжения

можно использовать автоматические вы-

ключатели с направленной защитой и ло-

гической блокировкой. Каждый выключа-

тель распознает направление тока

короткого замыкания и посылает выше-

стоящему выключателю сигнал блокиров-

2 Автоматический выключатель АББ Tmax XT4, разработанный для интеллектуальных энергосистем


ных отключений и последствий любых не-

поладок, является селективность. Други-

ми словами, это способность

выключателей определить место возник-

новения неполадки и отключить только

определенную часть сети. Выполнить это

требование достаточно сложно, особенно

в случае фидеров малой мощности, для

которых характерны применение автома-

тических выключателей в литом корпусе,

благодаря своим компактным размерам,

большой длительности прерываний энер-

госнабжения и более эффективно ограни-

чению потока короткого замыкания. До

недавнего времени для таких устройств

не существовало ни одной системы с зон-

ной селективностью. Чтобы предотвра-

тить размыкание выключателей, операции

обнаружения аварии и обработки сигна-

лов должны быть выполнены менее чем за

1 мс, что было невозможно для существу-

ющих встроенных защитных устройств.

Недавним прорывом в области техноло-

гий для сетей низкого напряжения стала

разработка компанией АББ специальной

системы защиты с быстрой блокировкой,

которая позволяет разъединителям авто-

матически идентифицировать и отсоеди-

нить неисправную секцию фидера менее

чем за 5 мс. Эта защитная система, назы-

ваемая системой раннего обнаружения и

устранения неполадок (EFDP), применяет-

ся в автоматических выключателях с ли-

тым пластмассовым корпусом Tmax

T4-T6

мощностью от 320 до 1000 А рис. 2. При-

ки размыкания, то есть сигнал, который

предотвращает размыкание. Блокирую-

щий сигнал затем распространяется от од-

ного выключателя к другому, по всему фи-

деру вплоть до питающей станции.

Выключатель секции, непосредственно за-

тронутой аварией, немедленно изолирует

её, не получив аналогичного сигнала. Если

фидер запитан с обоих концов, такой же

процесс происходит в обоих направлени-

ях. В результате два выключателя, имею-

щие непосредственное отношение к затро-

нутой неполадкой секции, размыкаются, а

все остальные выключатели остаются зам-

кнутыми, обеспечивая энергоснабжение

всех нагрузок, не затронутых аварией. В

автоматических выключателях низкого на-

пряжения с направленной защитой и логи-

ческой блокировкой реализованы техноло-

гии, исключительные права на которые

принадлежат компании АББ. Первона-

чально эти технологии были разработаны

для систем энергоснабжения особой важ-

ности, таких как морские силовые установ-

ки, и в настоящее время они находят при-

менение в других областях, например, в

качестве элементов интеллектуальных

энергосистем. Встроенная направленная

защита реализована во всех воздушных

автоматических выключателях АББ низко-

го напряжения, таких как Emax E1–E6 и X1

с минимальным номинальным током 630 А

[1].

Наиболее важным требованием для

уменьшения количества незапланирован-

Автоматические выключатели спо-собны определить место возникнове-ния аварии и от-ключить только определенную часть сети.

4 Сравнение последствий отключения энергоснабжения для разных сценариев

Причина отключения энергоснабже-ния

Затраты в случае отключения энергоснабжения %

традиционнаясхема

ВариантА

ВариантБ

Перегрузка Компенсация бытовым потребителям 50% 0% 0%

Компенсация коммерческим потребителям 50% 0% 0%

Работа ремонтной бригады 100% 0% 0%

Короткоезамыкание

Компенсация бытовым потребителям 50% 33% 33%

Компенсация коммерческим потребителям 50% 33% 0%

Работа ремонтной бригады 100% 100% 100%

3 традиционная и рекомендуемые схемы подстанций и распределительной сети низкого напряжения

Традиционныйвариант

Вариант А(частичная защита)

Вариант Б(полная защита)

БП БП БП

БП БП

БП БП

КП 3 КП 3КП 1 КП 1

БП БПКП 2 КП 2

БП

БП

КП 3

КП 1

БП КП 2

M


пенсации в соответствии с законодатель-

ством Швеции, то такая компенсация

рассматривается в случае, если отключе-

ние продлится более 12 часов. Сумма

компенсаций для бытовых потребителей

является фиксированной и умеренной по

величине в масштабе общей суммы рас-

ходов, которых можно избежать.

Работа бригады технического обслужи-

вания

Если отключения энергоснабжения удаст-

ся избежать, то работа ремонтной брига-

ды не потребуется. Расходы на работы

ремонтной бригады не слишком велики,

но увеличиваются с каждым часом отклю-

чения и являются вторыми по величине в

общих расходах, которых можно избе-

жать.

Расширенная автоматизация фидеров

для подстанций и распределительных

сетей низкого напряжения

Для соблюдения требований, установлен-

ных проектом, были предложены два воз-

можных варианта реализации подстанции

и распределительной сети низкого напря-

жениям рис. 3. Предложенные варианты

имеют минимально возможную стоимость

и соответствуют установленным требова-

ниям.

Также рассматри-

вается и традици-

онный сценарий,

который использу-

ется для сравнения

с вариантами рас-

ширенной автома-

тизации фидеров А

и Б. В традицион-

ном сценарии по-

казаны три ком-

мерческих потребителя, которые

распределены по двум нерезервирован-

ным фидерам. Энергосбытовая компания

не обязана выплачивать компенсации за

отключения, произошедшие по вине по-

требителей, однако компенсации должны

выплачиваться, если отключение стало

результатом повреждения кабеля, обе-

спечивающего энергоснабжение потреби-

теля. В случае короткого замыкания или

перегрузки в любой секции любого фиде-

ра средняя компенсация, которую должна

будет выплатить энергосбытовая компа-

ния, составляет 50% от общей компенса-

ции, выплачиваемой в случае отключения

энергоснабжения всех трех коммерческих

потребителей.

Вариант А иллюстрирует схему с резерви-

рованным фидером и распределительны-

ми коробками, используемыми для под-

ключения секций резервированного

менение автоматических выключателей с

системой EFDP обеспечивает зонную се-

лективность. Каждый выключатель, обна-

руживший короткое замыкание, передает

вышестоящим включателям сигнал блоки-

ровки размыкания, гарантируя тем са-

мым, что будет разомкнут только тот вы-

ключатель, который непосредственно

связан с участком, где обнаружена ава-

рия. Кроме того, при таком подходе от

энергосистемы отключается наименьший

участок сети.

Экономическая модель и срок окупае-

мости

На этапе предварительного исследования

проекта реконструкции Королевского

морского порта в Стокгольме компания

АББ разработала схему принятия реше-

ний с несколькими сценариями автомати-

зации фидеров на основе информации о

потребителях и функциональных требова-

ний.

Чтобы проиллюстрировать один из сцена-

риев, показать его преимущества и оце-

нить срок окупаемости, были сделаны

следующие допущения о расходах, свя-

занных с отключением энергоснабжения.

Эти расходы можно частично или полно-

стью исключить.

Компенсация коммерческим потреби-

телям

Если предположить, что потребителем яв-

ляется небольшой магазин или ресторан,

то нормальный рабочий день такого ком-

мерческого потребителя будет составлять

не менее 12 часов. Это означает, что для

такого потребителя максимальный срок

отсутствия энергоснабжения составляет

12 часов в день. Компенсации коммерче-

ским потребителям относятся к числу са-

мых 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 быто-

вые потребители, которые потребуют ком-

Используя систему раннего обнаруже-ния и устранения неполадок (EFDP), автоматические выключатели пере-дают вышестоя-щим выключателям сиг нал блокировки размыкания, гаран тируя тем самым, что будет разом кнут только тот вы ключатель, который непосред-ственно связан с участком, где об-наружена авария.

Если отключения энергос-набжения удастся избе жать, то работа ремонтной бригады не потребуется.

фидера. Такое решение обеспечивает

полную защиту от перегрузки и частичную

защиту коммерческих и бытовых потреби-

телей от коротких замыканий. Это означа-

ет, что отключения могут произойти в од-

ной из трех секций резервированного

фидера и без энергоснабжения останутся

только бытовые и коммерческие потреби-

тели в этой секции. Таким образом, сред-

няя компенсация, выплачиваемая как бы-

товым, так и коммерческим потребителям,

составит лишь 33% от общей компенса-

ции, 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 автома-

тических выключателя, что позволяет по-

давать питание на каждую шину с любого


нии перегрузок оба варианта, по сути,

аналогичны. Если сеть имеет низкую ве-

роятность короткого замыкания вслед-

ствие, 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 распре-

делительная компания может избежать,

для случая перегрузки, рассматриваются

варианты А и Б в сравнении с традицион-

ным 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 сравне-

нию с традиционным сценарием, показа-

ны на рис. рис. 6. Если сеть не обслужи-

вает коммерческих потребителей или

обслуживает коммерческих потребите-

лей, которые могут потребовать лишь не-

большую компенсацию в случае отключе-

ния энергоснабжения, рекомендуется

применять вариант А.

Срок окупаемости

Чтобы оценить срок окупаемости обору-

дования, важно иметь в виду, что эконо-

мическая модель базируется на факторах

риска, которые определяют вероятность

возникновения определенных неполадок

и возможную частоту их повторения. Для

направления. Кроме того, на всей линии

до питающей станции используются ин-

теллектуальные автоматические выклю-

чатели с направленной защитой. Такое

решение обеспечивает полную защиту от

перегрузки, частичную защиту бытовых

потребителей от коротких замыканий и

полную защиту коммерческих потребите-

лей. Вероятность короткого замыкания на

шинах внутри шкафа, как правило, очень

мала. Если короткое замыкание происхо-

дит в одной из трех секций внутри резер-

вированного фидера, энергосбытовая

компания должна будет выплатить быто-

вым потребителям компенсацию, состав-

ляющую в среднем 33% от общей воз-

можной компенсации, выплачиваемой в

случае отключения энергоснабжения всех

потребителей, и будет освобождена от

любых компенсаций коммерческим по-

требителям.

Сводка по отключениям и компенсациям,

выплачиваемым распределительной ком-

панией в случае применения различных

вариантов, показана на рис. рис. 4.

Выбор варианта А или Б каждого конкрет-

ного случая определяется вероятностью

возникновения различных типов нештат-

ных ситуаций (перегрузки или короткого

замыкания), а также величиной компенса-

ции, подлежащей уплате в каждом кон-

кретном случае. В случае короткого замы-

кания выбор варианта А приведет к более

длительному, в среднем, отключению

коммерческих потребителей по сравне-

нию с вариантом Б, поэтому вариант Б

может быть предпочтительнее. В отноше-

Выбор подходяще-го решения определя ется веро-ятностью возник-новения раз личных типов нештатных ситуаций, а также величиной компен-сации, под лежащей уплате в каждом конкретном случае.

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

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Длительность отключения электроснабжения (ч)

Рас

ход

ы,

вызв

анн

ые

отк

лю

чен

ием

эл

ектр

осн

абж

ени

я(в

шве

дск

их

кро

нах

)

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

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

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

80,000

70,000

60,000

50,000

40,000

30,000

20,000

10,000

01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Рас

ход

ы,

вызв

анн

ые

отк

лю

чен

ием

элек

тро

снаб

жен

ия

(в ш

вед

ски

х кр

он

ах)

80,000

70,000

60,000

50,000

40,000

30,000

20,000

10,000

0

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

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

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

Длительность отключения электроснабжения (ч)


подключенных к резервированному фиде-

ру, и от стоимости оборудования. Приня-

тые допущения в отношении потребите-

лей считаются типичными для шведского

рынка. К допущениям также относятся

цены на оборудование — это означает,

что общий срок окупаемости может зна-

чительно сократиться в зависимости от

скидок, которые могут быть предоставле-

ны при приобретении оборудования. Ре-

шение о выборе варианта системы расши-

ренной автоматизации фидеров (А или Б)

зависит от оценки риска отключения

энергоснабжения. Однако если примене-

ние решения А или Б сочтено целесоо-

бразным, то внедренная система предо-

ставляет распределительной компании

«страховую гарантию» того, что в случае

любого отключения компенсации, пени и

расходы будут либо исключены, либо зна-

чительно сокращены.

Предложенные решения для расширен-

ной автоматизации фидеров имеют отно-

сительно малый срок окупаемости и могут

существенно улучшить показатели каче-

ства энергоснабжения в существующих

распределительных сетях низкого напря-

жения. Такие решения очень хорошо со-

четаются с потребностями интеллектуаль-

ных энергосистем, обеспечивая

дистанционный контроль и управление в

сочетании с высокой надежностью и ми-

нимальными последствиями отключений

энергоснабжения. Системы таких типов

рекомендуются для энергосистем с высо-

кой вероятностью перегрузки и большим

размером компенсации, выплачиваемой

коммерческим потребителям в случае от-

ключений. Срок службы оборудования со-

ставляет примерно 20 лет, что делает его

полезным и выгодным усовершенствова-

нием для сетей низкого напряжения, име-

ющим к тому же относительно малый срок

окупаемости, который не характерен для

распределительных систем такого типа.

существующих сетей с низкими показате-

лями качества энергоснабжения ожидае-

мый срок окупаемости можно оценить,

используя архивные записи о длительно-

сти отключений, вызванных разными при-

чинами. В этом случае при применении

вариантов А и Б энергосбытовая компа-

ния будет сталкиваться с таким же коли-

чеством отключений, что и в прошлом,

однако будет нести меньшие финансовые

потери. Общий срок окупаемости обору-

дования зависит от частоты и длительно-

сти отключений, которые происходят в

определенном резервированном фидере

в результате перегрузки рис. 7. Срок оку-

паемости в случае применения только ва-

рианта Б при коротких замыканиях отли-

чается от оценки для вариантов А и Б

из-за неизбежности некоторых потерь

рис. 8. Указанные сроки окупаемости за-

висят от количества и типа потребителей,

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

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Количество отключений энергоснабжения

1 час отключения

2 часа отключения


Вариант Б

Вариант А

Кап

ита

ло

вло

жен

ия

в о

бо

руд

ова

ни

е(в

шве

дск

их

кро

нах

)

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

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Количество отключений энергоснабжения



Вариант Б

Кап

ита

ло

вло

жен

ия

в о

бо

руд

ова

ни

е(в

шве

дск

их

кро

нах

)

Применение интел-лектуальных техно-логий в рассмотрен-ных сценариях для проекта реконструк-ции Королевского морского порта в Стокгольме предо-ставляет энергосбы-товой компании преимущества в виде экономии и повышения надеж-ности.


[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.


Применение интеллектуальных техноло-

гий в рассмотренных сценариях для про-

екта реконструкции Королевского мор-

ского порта в Стокгольме предоставляет

энергосбытовой компании преимущества

в виде экономии и повышения надежно-

сти и, разумеется, позволяет потребите-

лям заниматься своими личными делами и

бизнесом, не беспокоясь о сбоях в энер-

госнабжении.

Петр Гурьев

АBB Global Trainee Program Цюрих, Швейцария

[email protected]

Энрико Рагайни

АББ Low Voltage Products Бергамо, Италия enrico.

[email protected]


41Программные архитектуры на долгосрочную перспективу

М ир, в котором мы живем, осно-

ван на чрезвычайно сложной

паутине технологий: наши

электросети обеспечивают

точную сбалансированность огромного

парка генерирующих и распределительных

систем и предоставляют нам гарантиро-

ванное электропитание простым щелчком

переключателя; фантастически сложная

цепь технологических чудес обеспечивает

транспортировку молекул нефти из подво-

дного месторождения к заправочному пи-

столету на местной бензоколонке; каждый

товар, который мы приобретаем и исполь-

зуем, попадает к нам в результате порази-

тельно сложной по-

следовательности

скоординирован-

ных действий, кото-

рые по большей ча-

сти скрыты от нас.

Будучи потребите-

лями, мы непосред-

ственно взаимодей-

ствуем только с

верхушкой этого

технологического

айсберга.

АББ поставляет

множество продук-

тов, которые неза-

метно формируют материальную инфра-

структуру нашего общества. В основе

многих объектов этой инфраструктуры,

зачастую играющих критически важную

роль, лежит программное обеспечение.

При этом объем и сложность программно-

го обеспечения теперь намного выше, чем

когда-либо раньше, и эта тенденция не

проявляет никаких признаков снижения —

фактически мы наблюдаем обратную ситу-

ацию.

Некоторые продукты АББ представляют

собой исключительно программное обе-

спечение. В других продуктах программ-

ное обеспечение и аппаратные компонен-

ты тесно взаимодействуют друг с другом,

кроме того, в целом ряде продуктов про-

граммное обеспечение встроено в аппа-

ратные средства. Эти продукты встреча-

ются практически в любых промышленных

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

АльДО ДАНИНО, ПИА штОлль, РОлАНД

ВАйС — объем и сложность программно-

го обеспечения, применяемого в настоя-

щее время практически во всех продуктах

компании АББ, значительно выше, чем

когда-либо раньше, и эта тенденция

набирает силу. Более того, некоторые

продукты представляют собой исключи-

тельно программное обеспечение. таким

образом, промышленное программное

обеспечение становится все более

сложным и играет все более важную роль

в производстве, а удобство его сопрово-

ждения и самодостаточность в долгосроч-

ной перспективе являются важнейшими

факторами окупаемости капиталовложе-

ний в течение всего срока его службы.

Поэтому важно, чтобы это программное

обеспечение создавалось на основе

надлежащим образом спроектированной

и долговечной архитектуры.

Интеллектуальные программные архитектуры формируют потребительскую ценность и защищают капиталовложения в краткосрочной, среднесрочной и долгосрочной перспективах

Программные архитектуры на долгосрочную перспективу


Сложное программное обеспечение лежит в

основе большей части явных и скрытых техноло-

гий, используемых в нашей повседневной жизни.

Например, за привычной глазу городской средой

скрыт целый мир сложных и незаменимых

программ ных 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 устойчи-

вую программную архитектуру.


Таким образом, самодостаточность систе-

мы связана не только со структурными

элементами ПО и их взаимодействием, но

также и с окружающей корпоративной

средой, включая такие ее аспекты, как ор-

ганизационная структура, вид деятельно-

сти, тактика и область охвата [1].

Для решения всех описанных выше про-

блем и сохранения целостности сложных

программных систем на протяжении, воз-

можно, нескольких десятилетий, должно

быть выполнено одно очень важное усло-

вие: для этих систем необходимо выбрать

надежную программную платформу. И

здесь решающую роль играет архитектор

ПО.

Архитектура программного обеспече-

ния

Изучение архитектуры программного обе-

спечения сводится по большей части к из-

учению программных структур и их взаи-

модействия друг с другом. Это началось в

1968 году, когда Эдсгер Дейкстра предста-

вил свою работу, посвященную многоза-

дачной операционной системе THE, и ввел

в обращение термин «разработка про-

граммного обеспечения» (Software

Engineering). Дейкстра представил многоу-

ровневую структуру ПО, которая предлага-

ла широкие возможности для контроля

качества системы, связав тем самым поня-

тие «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 моду-

лей и подсистем, которые следует исполь-

зовать, 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 первич-

ных подсистем и способы их взаимодей-

ствия».

Шоу описала общие методы решения кон-

кретных проблем и концепции для реше-

ния отдельной проблемы. Примером по-

следнего подхода является модель

разработки архитектуры Blackboard, в ко-

торой используется общая база знаний

(рабочая область), постепенно обновляе-

ков) производственная система, значи-

тельную часть которой составляет

программное обеспечение, должна обе-

спечивать возможность экономичной экс-

плуатации и сохранять полную работоспо-

собность на протяжении десятилетий, то

есть система должна быть полностью са-

модостаточной.

За столь долгое время самодостаточность

системы будет сталкиваться с различными

проблемами: появление новых или ради-

кальное изменение используемых техноло-

гий; возникновение новых требований за-

интересованных сторон; возникновение

новых организационных структур и реорга-

низации; уход специалистов, обладающих

важными знаниями; изменение бизнес-це-

лей. Кроме того, системы, интенсивно ис-

пользующие ПО, часто имеют неотъемле-

мые врожденные особенности, которые

оказывают существенное влияние на архи-

тектуру ПО и будущие разработки. Если

организация в прошлом точно предсказа-

ла текущие потребности заинтересован-

ных сторон и соответствующим образом

составила задание на разработку, то реа-

лизация изменений, отражающих актуаль-

ные потребности, должна быть достаточно

простой. Таким же образом, современные

организации должны прогнозировать буду-

щие потребности заинтересованных сто-

рон и выбирать для решения наиболее

важные задачи.

Для этого архитекторы должны понимать,

как изменения в бизнес-среде заинтересо-

ванных сторон могут повлиять на требова-

ния к архитектуре программного обеспече-

ния. Например, на промышленные

системы, интенсивно использующие ПО,

часто воздействуют слияния и поглощения

компаний — в таких ситуациях обычно воз-

никает необходимость объединения не-

скольких систем в одну или совместное

использование общего ядра.

Кроме того, к заин-

тересованным сто-

ронам могут отно-

ситься заказчики,

конечные пользова-

тели, разработчики,

руководители про-

ектов и производ-

ственных направлений, инженеры по экс-

плуатации и другие специалисты с разными

и зачастую противоречивыми ожиданиями.

Архитектор должен объединить требова-

ния всех сторон и согласовать их с техни-

ческими и экономическими ограничения-

ми.

Архитекторы долж-ны понимать, как измене ния в биз-нес-среде заказчи-ка могут повлиять на требова ния к архитектуре про-граммного обеспе-чения.

«Мы формируем свои дома, затем дома формируют нас».УИНСТОН ЧЕРЧИЛЛь, журнал TIME, 12 сентября 1960 г.

отраслях: в коммунальном хозяйстве, в об-

рабатывающей промышленности (целлю-

лозно-бумажной, нефтегазовой, нефтехи-

мической, фармацевтической, химической

и пр.), а также в промышленных установках

широкого назначения.

Широкое применение программного обе-

спечения значительно повышает приспо-

собляемость изделий к меняющимся усло-

виям эксплуатации, наделяет их мощным

потенциалом для принятия решений и спо-

собствует более высокой степени автоно-

мии систем. Это, в свою очередь, меняет

функции операторов — вместо использо-

вания своих знаний для ручной установки

параметров управления они осуществляют

надзор за работой оборудования, выпол-

няют тонкую настройку и ведут поиск непо-

ладок. Современная производственная

система может управлять технологическим

процессом с минимальным вмешатель-

ством оператора и самостоятельно взаи-

модействовать со множеством других си-

стем предприятия.

Дополнительные преимущества функцио-

нального объединения проявляются в слу-

чае, когда программные компоненты ис-

пользуют такие способы взаимодействия

друг с другом, которые недоступны аппа-

ратной части. В целом, применение про-

граммного обеспечения создает для заказ-

чиков АББ дополнительную

потребительскую ценность.

С точки зрения характеристик сложных

программных систем можно выделить два

крайне важных аспекта: удобство его со-

провождения и самодостаточность в дол-

госрочной перспективе. Для адекватной

окупаемости капиталовложений (как за-

казчиков, так и организаций-разработчи-


пакеты представлены районами, а классы

— зданиями, размеры которых определя-

ются параметрами кода, например его раз-

мером 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 си-

стемы также является дисциплиной, по-

скольку имеется определенный объем зна-

ний, которые используются для

предоставления практикующим специали-

стам сведений о наиболее эффективных

способах разработки на основе набора

ограничений. Архитектура системы в пер-

вую очередь касается внутренних интер-

фейсов между компонентами системы или

подсистемами, а также взаимодействия

между системой и внешней средой, в част-

ности — пользователями.

Архитектурные шаблоны промышлен-

ных программных систем АББ

Кристофер Александер — известный ар-

хитектор 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 существова-

нии человека на любых уровнях детализа-

ции. По словам Александера, «...каждый

шаблон описывает проблему, которая воз-

никает в рассматриваемой области снова

мая группой специалистов разного профи-

ля, начиная с описания проблемы и закан-

чивая ее решением. Этот подход

применялся, например, для решения про-

блем 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, во-

площенная в ее компонентах и их взаимос-

вязях друг с другом и с рабочей средой, а

также принципы, определяющие ее устрой-

ство и развитие».

Архитектуру программного обеспечения

можно представить в виде города, где со-

ставляющие ее элементы являются здани-

ями. В реальном мире безопасность зда-

ния можно обеспечить, например,

наличием только одного входа, охраняемо-

го привратником, который спрашивает па-

роль для пропуска в здание. С точки зре-

ния 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 раз-

работки планов своих «городов» с целью

повышения удобства, безопасности, про-

изводительности, надежности и энергоэф-

фективности программного обеспечения.

Эта «городская» аналогия была использо-

вана на практике для визуального пред-

ставления архитектуры, где компоненты/

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

Архитектуру про-граммного обеспе-чения можно пред-ставить в виде города, где состав-ляющие ее элемен-ты являются здани-ями.


бытий. Потребители событий инициируют

ответные действия, как только происходит

определенное событие. Такая архитектура

обеспечивает более высокую скорость ре-

акции, поскольку системы с управлением

по событиям по определению предназна-

чены для работы в средах, где действуют

непредсказуемые и асинхронные факторы

[5]. Многие системы АББ работают в усло-

виях непрерывно действующих процессов

поступления внешних данных, их обработ-

ки и выполнения соответствующих опера-

ций, решая такие задачи, как управление

технологическими процессами или произ-

водством.

Многоуровневая архитектура

Многоуровневая или n-уровневая архитек-

тура представляет собой архитектуру «кли-

ент-сервер», в которой пользовательский

интерфейс, системные ресурсы для обра-

ботки и управление данными являются ло-

гически разделенными процессами. На-

пример, многоуровневая архитектура

используется в промежуточном ПО, обслу-

живающем запросы на передачу данных

между пользователем и базой данных.

Наиболее распространенной является

трехуровневая архитектура. Понятия слоя

и уровня часто используются как синони-

мы, хотя многие согласятся с тем, что

«слой» представляет собой механизм логи-

ческого, а «уровень» физического структу-

рирования системы [6].

Архитектура для работы с данными

В архитектуре такого типа центральную

роль играют базы данных, поскольку здесь

в качестве ядра обычно используется си-

стема управления базами данных (СУБД).

Эти системы содержат набор хранимых

процедур, которые выполняются на серве-

Архитектура «клиент-сервер»

Архитектура «клиент-сервер» реализует

распределенную схему работы приложе-

ний, в которой задачи и рабочие нагрузки

разделены между поставщиками услуг

(серверами) и инициаторами запросов на

обслуживание (клиентами). Зачастую кли-

енты и серверы работают в общей компью-

терной сети на разных аппаратных компо-

нентах. Компьютер для сервера — это

высокопроизводительное устройство, на

котором запущена одна или несколько

серверных программ, разделяющих до-

ступные ресурсы между несколькими кли-

ентами. Клиент не делится своими ресур-

сами, но передает на сервер запросы на

предоставление информации или выпол-

нение определенных функций. Таким обра-

зом, 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 си-

стемы (например,

событием является

поступление ин-

формации от ком-

понентов подсисте-

мы ввода/вывода).

Архитектура с

управлением по со-

бытиям может при-

меняться в разра-

ботке и внедрении

систем, которые

распространяют

сведения о событиях между слабо связан-

ными программными и аппаратными ком-

понентами и службами. Система с управ-

лением по событиям обычно состоит из

генераторов событий и потребителей со-

3 Графический интерфейс пользователя

Оценка и разработка архитек-туры программного обеспече-ния в компании АББ основаны на ряде важных принципов, составляющих определенную методологию.

2 Методология выбора архитектуры программного обеспечения

Созданиебизнес-модели

системы

Архитектурапрограмм-

ногообеспечения

Документиро-вание и

распростране-ние нформацииоб архитектуре

Определениецелей и

стимулов длясозданиясистемы

Принятиерешений о

выбореархитектуры

Обеспечениесоответствияреализации

системывыбранной

архитектуре

Анализ илиоценка

архитектуры

Разработка ивнедрениесистемы на

базевыбранной

архитектуры

Анализтребований кархитектуре

и снова, а затем определяет суть решения

этой проблемы, позволяя вам использо-

вать предложенное решение».

Размышления Александера в отношении

шаблонов для зданий вдохновили многих

архитекторов, входящих в сообщество

разработчиков программного обеспече-

ния. Архитектурные шаблоны программно-

го обеспечения описывают основные ре-

шения для задач в области программного

обеспечения, которые возникают снова и

снова. Александер концентрирует внима-

ние на удобстве, а именно на ощущениях,

испытываемых пользователями зданий,

однако если речь заходит об архитектур-

ных шаблонах программного обеспечения,

то здесь учитываются такие качества ПО,

как безопасность, производительность,

надежность, доступность, удобство обслу-

живания и т. п.

В промышленных программных системах

АББ применяются различные архитектур-

ные шаблоны. Перечислим некоторые из

наиболее часто встречающихся: клиент-

сервер, управление по событиям, многоу-

ровневая структура, работа с данными.

Эти шаблоны кратко описаны ниже.


Принятие решений о выборе архитектуры

Требуемые показатели качества системы

определяют тип ее архитектуры. В систему

встраиваются модули, реализующие кон-

кретные тактические приемы, которые обе-

спечивают достижение этих показателей.

Документирование и распространение

информации об архитектуре

Для эффективного использования в про-

цессе разработки программного обеспе-

чения архитектура должна быть подробно

документирована, а ее описание должно

быть доведено до сведения всех заинтере-

сованных сторон с учетом их подготовки

(разработчики, тестировщики, заказчики,

руководители и т. д.). Кроме того, докумен-

тация должна содержать описание про-

цесса принятия решений, который исполь-

зуется для выбора целевой архитектуры.

Анализ или оценка архитектуры

Архитектуру ПО необходимо оценивать с

точки зрения качеств, которыми она обла-

дает, чтобы убедиться в том, что система

удовлетворяет потребностям заинтересо-

ванных сторон. Эффективными инстру-

ментами для оценки архитектуры ПО явля-

ются программные средства, основанные

на сценариях проверок.

Разработка и внедрение системы на

базе выбранной архитектуры

Наличие полного набора четко составлен-

ных документов, описывающих архитекту-

ру, является необходимым требованием

для того, чтобы архитекторы и разработчи-

ки программного обеспечения неукосни-

тельно придерживались выбранных архи-

тектурных принципов.

Обеспечение соответствия реализации

системы выбранной архитектуре

Рабочие процессы организации должны

обеспечивать поддержку как кода, так и

архитектуры, особенно когда система вве-

дена в эксплуатацию.

рах баз данных и используют табличную

логику. Подход, ориентированный на базы

данных, в первую очередь подразумевает

использование функций индексации, обра-

ботки транзакций, контроля целостности,

восстановления и обеспечения безопасно-

сти, которые реализуются в высокопроиз-

водительных системах управления базами

данных [7].

Принципы формирования архитектуры

программного обеспечения, используе-

мые в АББ

Оценка и разработка архитектуры про-

граммного обеспечения в компании АББ

основаны на ряде важных принципов, со-

ставляющих определенную методологию

[8] рис. 2:

Создание бизнес-модели системы

Бизнес-модель определяет требования к

системе и предоставляет основу для опре-

деления необходимых качеств ПО.

Определение целей и стимулов созда-

ния системы

Руководствуясь бизнес-моделью, следует

определить цели и ключевые стимулы соз-

дания системы. Это можно сделать, напри-

мер, в ходе семинара по показателям каче-

ства. Эти стимулы следует принять во

внимание при анализе требований к систе-

ме и при разработке архитектурных реше-

ний проекта.

Анализ требований к архитектуре

Требования обычно разделяют на две ча-

сти: функциональные и нефункциональные

(качественные). Функциональные требова-

ния к архитектуре определяют основные

функциональные возможности системы, а

нефункциональные требования (или пока-

затели качества) — требования к поведе-

нию системы и к ее качеству, например

удобство использования или производи-

тельность.

4 Критически важная система

Рабочие процессы организации долж-ны обеспечивать поддержку как кода, так и архи-тектуры.

Использование методик оценки

архитектуры программного обеспече-

ния в АББ

Методика, описанная на рис. 2, исполь-

зуется в АББ различными способами.

Во-первых, для оценки степени соответ-

ствия архитектуры выпускаемого продук-

та установленным в соответствии с ожи-

даниями рынка показателям качества.

Это особенно важно ввиду того, что ожи-

дания заказчиков с течением времени

меняются. Во- вторых, для оценки новых

и перспективных технологий, которые

можно использовать для перепроектиро-

вания или усовершенствования суще-

ствующих продуктов. В-третьих, для раз-

работки новой или модернизации

существующей архитектуры продукта с

целью соблюдения ожидаемых заказчи-

ком показателей по качеству и функцио-

нальным возможностям. Наконец, мето-

дику оценки архитектуры можно

использовать для проверки и утвержде-

ния разработанной архитектуры путем

оценки сформированных архитектурных

сценариев. Ниже приведены примеры

для этих четырех случаев, которые осно-

ваны на проектах, реализованных корпо-

ративным исследовательским отделом


подразделения, которое инициировало

проведение оценки этих технологий, был

определен набор требований к архитекту-

ре. Из набора выявленных требований при

участии сотрудников подразделения было

выбрано подмножество требований, на ос-

нове которых был создан сценарий, кото-

рый, в свою очередь, использовался для

оценки указанных технологий посредством

разработки прототипов. На основании ре-

зультатов, полученных при создании про-

тотипов, были отобраны две конкурирую-

щие технологии с соответствующими

вариантами архитектуры. В конечном ито-

ге, после дальнейшего анализа прототипов

была выбрана одна из этих технологий.

Разработка новой архитектуры

Методика проектирования на основе пока-

зателей

С помощью методики проектирования на

основе показателей была разработана ар-

хитектура системы, объединяющей крити-

чески важный продукт АББ рис. 4 с целым

рядом сторонних приложений и извлекаю-

щей данные из этих приложений для по-

следующего использования [9]. При разра-

ботке архитектуры системы учитывались

следующие факторы. Во-первых, система

должна была обеспечивать полную инте-

грацию с широким спектром приложений

сторонних разработчиков. Во-вторых, си-

стема должна была обеспечивать возмож-

ность сбора большого количества данных

из сторонних приложений. В-третьих, было

необходимо, чтобы пользователи воспри-

нимали эту систему как быстродействую-

щую. Эти факторы были использованы для

определения следующих основных показа-

телей качества системы: интегрируемость,

масштабируемость, производительность и

Оценка перспективных программных

технологий

В рамках другого проекта оценивались

перспективные программные технологии,

которые могли быть использованы для

создания нового графического интерфей-

са пользователя рис. 3 системы управле-

ния операциями. Замена графического

пользовательского интерфейса позволила

заказчику достичь поставленных бизнес-

целей и получить ряд преимуществ, вклю-

чая снижение эксплуатационных расходов,

расширение возможностей по масштаби-

рованию системы и улучшение ее характе-

ристик. Все эти улучшения были непосред-

ственно выражены в показателях качества

ПО, используемых для создания различ-

ных архитектурных и технологических ва-

риантов реализации системы и их оценки.

Был проведен анализ архитектуры систе-

мы с учетом выбранных технологий. Для

АББ совместно с различными подразделе-

ниями 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 существу-

ющих программных продуктов. Результат

анализа показывает, как различные пока-

затели качества согласуются друг с другом

и какую бизнес-модель они поддерживают.

В описанном здесь случае у заказчиков ис-

следования с применением метода ATAM

имелись вопросы, касающиеся использо-

вания инструмента генерации кода для

встраиваемых программных модулей. По-

скольку разработчики механизма генера-

ции кода были сосредоточены на перено-

симости модулей, не было понятно,

обеспечивают ли эти модули оптимальную

производительность.

Благодаря применению метода ATAM вы-

яснилось, что данный механизм генериро-

вал код с использованием архитектуры,

производительность которой можно было

немного повысить за счет небольшого

ухудшения переносимости. Проведенный с

помощью метода ATAM анализ используе-

мой заказчиком бизнес-модели показал,

что переносимость больше не имеет столь

высокого приоритета, какой был актуален

во время разработки данного инструмен-

та. результаты анализа показали, что за-

казчик может сконцентрировать внимание

на оптимизации производительности ПО, а

не на его переносимости, без ухудшения

своих коммерческих показателей.

Заказчик понял, что можно сконцентри-ровать внимание на оптимизации произ-водительности про-граммного обеспе-чения, а не на его переносимости, без ухудшения коммер-ческих показателей.

Замена графического пользовательско-го интерфейса позволила заказчику до-стичь поставленных бизнес-целей и по-лучить ряд преимуществ, включая снижение эксплуатационных расходов, расширение возможностей по масшта-бированию системы и улучшение ее ха-рактеристик.


метода исследования и программного ин-

струмента, который создает визуальное

представление зон ответственности, выде-

ленных в рамках применения данного ме-

тода.

Инструмент, обеспечивающий визуализа-

цию зон ответственности, выступает в ка-

честве «хранилища опыта» [10], где содер-

жатся предназначенные для многократного

использования и представленные в виде

контрольного списка архитектурные зна-

ния для набора сценариев взаимодействия

с системной средой. Были созданы три

сценария с контрольным списком из соро-

ка двух зон ответственности, описываю-

щим рекомендуемые корректировки архи-

тектуры для реализации требований по

удобству использования. Один из сценари-

ев описывал взаимодействие между систе-

мой и окружающей средой («Аварийный

сигнал и событие»). Два архитектора АББ,

которые использовали этот инструмент в

течение шести часов оценили, что затра-

ченное на работу с этим инструментом

время сэкономило им пять недель, позво-

лив намного быстрее разобраться в предъ-

являемых требованиях по удобству ис-

пользования [11]. Наибольшее значение

имеют три следующих аспекта этого иссле-

дования:

– Шаблоны, обеспечивающие удобство

использования, описаны преимуще-

ственно на уровне зон ответственности.

Они не зависят от реализации и

заставляют архитекторов задуматься о

том, как определенная зона ответствен-

ности связана со структурой существу-

ющей системы;

– Использование текстовых описаний для

инструкций по реализации вместо

диаграмм было хорошо воспринято

безопасность. Требования к качеству были

затем использованы для создания сцена-

риев, необходимых для формирования и

оценки различных вариантов архитектуры

системы, а также для выбора лучшего из

них. После выбора архитектуры был соз-

дан прототип системы, который был про-

демонстрирован заказчикам. Эта демон-

страция стала отличным способом для

получения их согласия на разработку окон-

чательного варианта системы.

Архитектурные шаблоны, обеспечивающие

удобство использования

На следующем примере разработки новой

архитектуры рассматривается вопрос обе-

спечения удобства использования. С од-

ной пользовательской задачей в про-

граммной системе может быть связано

несколько проблем, касающихся качества

рис. 5. Часто приходится искать компро-

мисс между безопасностью и удобством

использования. Безопасность характери-

зуется способностью предотвращать не-

санкционированный доступ пользователей,

а удобство использования обеспечивает

простоту доступа пользователей, имеющих

соответствующие полномочия. В архитек-

турных шаблонах, обеспечивающих удоб-

ство использования (USAP-шаблоны), для

общих подзадач, которые должна реализо-

вать программная система, чтобы обеспе-

чить удобство использования основной за-

дачи, применяется термин «зона

ответственности». Для каждой зоны ответ-

ственности 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

6 Копия экрана программы для работы с USAP-шаблонами5 Несколько проблем, касающихся качества, в одной задаче [1]

Зона ответственности — безопасность:

система должна разрешать илизапрещать определенные работы с

[спецификация]

Часть системы, которая разрешает или запрещает работу с


Зона ответственности — удобство использования:

система должна предоставлять способ доступа к [спецификация]

Часть системы, которая предоставляет доступ к


[Спецификация]

Проблема вобласти качества:

безопасность

Проблема в областикачества: удобствоиспользования

Задача: «Изменить[Спецификация]»

Два архитектора АББ, которые ис-пользовали этот инструмент в тече-ние шести часов, оценили, что затра-ченное на работу с этим инструментом время сэкономило им пять недель, позволив намного быстрее разо-браться в предъяв-ляемых требовани-ях по удобству использования.


мени может «состариться», то работоспо-

собность процесса должна быть сохране-

на. Этот процесс может повторяться без

каких-либо значительных внешних воздей-

ствий. В строительной отрасли самодоста-

точность архитектуры характеризуется по

крайней мере пятью ключевыми составля-

ющими:

– Техническая самодостаточность:

возможно ли освоение навыков и

передача их другим специалистам и

доступны ли необходимые инструмен-

ты?

– Организационная самодостаточность:

имеется ли структура, которая позволя-

ет 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 пред-

ставляет собой один из принципов «трие-

динства» [12], определяющих корпоратив-

ную самодостаточность – рис. 7. С точки

зрения экономической самодостаточности

для систем, интенсивно использующих ПО,

наиболее важную роль играют три из ука-

занных выше свойств: техническая, орга-

низационная и финансовая самодостаточ-

ность.

Техническая самодостаточность систем,

интенсивно использующих ПО, достигает-

ся за счет выбора технологий, которые не

только реализуют необходимые качества,

но также формируют платформу для под-

держания работоспособности и развития

всеми заинтересованными сторонами,

включая руководство коммерческого и

производственного отделов и системных

архитекторов. После анализа материалов

и проведенных интервью независимые

эксперты представили свои выводы. Ос-

новные результаты:

– Основные архитектурные решения по

новой архитектуре были взвешенными и

учитывали основные цели проекта.

– В некоторых разделах документации по

архитектуре были обнаружены неточно-

сти, поэтому во избежание ошибочных

проектных решений требуется опреде-

ленная доработка документации.

– Обоснование проектных решений не

вошло в документацию по архитектуре.

Отсутствие этой информации затрудня-

ет будущее развитие системы и

допускает отклонения от целевой

архитектуры.

В целом семинар и выводы независимых

экспертов укрепили доверие заинтересо-

ванных сторон к новой архитектуре, а так-

же указали на вопросы, требующие допол-

нительного внимания и дальнейшей

доработки.

Самодостаточность архитектур про-

граммного обеспечения

Как видно из предыдущего обсуждения ар-

хитектуры ПО, в данной дисциплине осо-

бое внимание уделяется самодостаточно-

сти архитектуры. Какие аспекты требуют

внимания для обеспечения максимальной

самодостаточности?

В 1849 году Джон Раскин писал: «Когда мы

строим, давайте думать, что мы строим на-

вечно». Тогда Раскин имел в виду архитек-

туру зданий, однако это его высказывание

и сегодня сохраняет свою актуальность в

сфере программного обеспечения.

В самодостаточной архитектуре, рассчи-

танной на долгосрочное поддержание

функциональных возможностей, внимание

акцентируется на процессе и конечном

продукте, и если продукт с течением вре-

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

7 Принцип триединства корпоративной самодостаточности

Экономическаясамодостаточность

Экологическаясамодостаточность

Социальнаясамодостаточность

архитекторами АББ. В первой из групп,

охваченных исследованием, архитекто-

ры 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 диаграм-

му шаблона со своим проектом для

выявления недостатков;

– Использование подхода, предусматри-

вающего проверку всех пунктов

контрольного списка, позволяет

архитекторам проработать все аспекты

шаблона.

Кроме того, данный инструмент для рабо-

ты с USAP-шаблонами не привязан только

к шаблонам, обеспечивающим удобство

использования. Его можно использовать

для оценки любого показателя качества,

требования к которому могут быть выра-

жены в виде набора зон ответственности

(например, зоны ответственности по безо-

пасности). Таким образом, одни и те же ча-

сти системы можно оценить по зонам от-

ветственности, связанным с безопасностью

и удобством использования.

Проверка и утверждение новой архи-

тектуры

Группа разработчиков, ответственная за

крупномасштабное обновление программ-

ной системы АББ, приложила значитель-

ные усилия для создания новой архитекту-

ры для следующей версии системы.

Поскольку в процессе создания архитекту-

ры принимал участие корпоративный ис-

следовательский отдел АББ, для проведе-

ния оценки архитектуры был выбран

независимый аудитор. Эта внешняя компа-

ния использовала составленную проект-

ной группой документацию по архитектуре

и материалы семинара по показателям ка-

чества для определения базовых требова-

ний к системе. Затем представители про-

веряющей компании провели интервью со


Альдо данино

Отдел корпоративных исследований АББ

Raleigh, NC, United States

[email protected]

Пиа штолль

Центр корпоративных исследований АББ

Vasteras, Sweden

[email protected]

Роланд Вайс

Центр корпоративных исследований АББ

Ladenburg, Germany

[email protected]

хитектора программного обеспечения и

расширяют применение методик разра-

ботки архитектуры, таких как проектирова-

ние на основе показателей.

В то же время АББ продолжает исследо-

вать пути совершенствования архитектуры

как дисциплины в областях, где у АББ име-

ется определенный потенциал, например:

– Выявление и систематизация лучших

практических рекомендаций по

разработке систем (например, распре-

деленных систем управления) с учетом

самодостаточности как высокоприори-

тетного 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 программ-

ных блоков.

– Разработка методов принятия проект-

ных решений на ранних стадиях

процесса разработки, вместо использо-

вания практики моделирования с

использованием большого количества

прототипов. Для развития этого

направления АББ приняла участие в

финансируемом государством научно-

исследовательском 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.

систем с длительным сроком службы. Наи-

более важными являются такие факторы,

как навыки разработчиков и совмести-

мость с продуктами других компаний.

Организационная самодостаточность обе-

спечивает доступность необходимых ре-

сурсов (кадровых и инструментальных) для

будущего развития наиболее эффектив-

ным способом.

Финансовая самодостаточность обеспечи-

вает получение организацией ожидаемых

доходов от разработанного программного

обеспечения. Важно обеспечить внедре-

ние и поддержку рабочих процессов, по-

зволяющих сократить непроизводитель-

ные расходы, например затраты на

повторное выполнение работ, компенса-

цию низкого качества и т. д.

Архитектуры программного обеспечения

могут также способствовать обеспечению

экологической самодостаточности рис. 7.

На этот фактор влияют структуры и взаи-

модействия программной системы. Архи-

тектура программного обеспечения, учи-

тывающая требования по ограничению

энергопотребления продукта, увеличивает

экологический капитал. Социальная само-

достаточность может быть повышена, если

архитектура построена с учетом упроще-

ния повседневной деятельности разработ-

чиков и, кроме того, обеспечивает их сти-

мулирование и мотивацию.

Обзор

В проектных подразделениях АББ систе-

матическому подходу к разработке архи-

тектуры программного обеспечения при-

дается особое значение. Большинство

проектных подразделений ввели роль ар-

Большинство про-ектных подразде-лений ввели роль архитектора про-граммного обеспе-чения и расширяют применение мето-дик разработки архитектуры, таких как проектирова-ние на основе по-казателей.

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.


51Интеллектуальные методы увеличения добычи

КАтРИН хИлМЕН И ЭСПЕН С тОРКААС — по мере старения

существующих месторождений нефти и газа объем добычи

снижается, а характеристики пластов и пластовой жидкости

становятся более сложными. В свою очередь, новые месторож-

дения, как правило, расположены в отдаленных местностях с

суровыми климатическими условиями. Эти проблемы послужи-

ли стимулом для разработки новых подходов к увеличению

Комплексное управление операциями – безопасная и выгодная эксплуатация отдаленных и зрелых месторождений

Интеллектуальные методы увеличения добычи

П одразделения разведки и добы-

чи нефти и газа продолжают

сталкиваться с проблемами, ко-

торые снижают рентабельность

производственных процессов и эксплуа-

тации систем безопасности с использова-

нием датчиков, вычислительных мощно-

стей, средств диагностики и связи. По

мере старения месторождений объем до-

бычи на них снижается, что приводит к

увеличению эксплуатационных расходов.

На новых месторождениях, расположен-

ных в отдаленных местностях с суровыми

климатическими условиями, например на

арктических или глубоководных место-

рождениях, возникают свои специфиче-

ские проблемы. Среди стимулов для но-

вовведений 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 окружаю-

щей 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 техноло-

гиях вызвали появление новых подходов к

разработке запасов нефти и газа. Приме-

рами могут служить разработка спутнико-

вых месторождений и подводные врезки,

«интеллектуальные скважины» и внутри-

скважинные работы, а также повышенный

интерес к дистанционному текущему кон-

тролю, применению организационных мо-

делей со встроенной системой управле-

ния активами и внедрению принципов


Чтобы получить максимальную отдачу от

промышленной установки, будь то шельфовый

комплекс или показанный здесь перерабатываю-

щий комплекс, необходимо обеспечить сбор всех

доступных данных и использовать их для

решения поставленных задач.

технического обслуживания мирового

класса.

Комплексное управление операциями

(КУО) — это собирательное понятие, кото-

рое связано с некоторыми из описанных

здесь проблем и используется крупными

игроками в нефтегазовом секторе под та-

кими названиями, как «интеллектуальные

месторождения», «цифровые месторож-

дения», «интеллектуальная энергетика» и

т. д. Концепции и решения КУО можно ис-

пользовать, начиная с самых ранних эта-

пов разработки месторождения и вплоть

до завершения добычи.

добычи нефти и газа на подводных месторождениях и с

помощью внутрискважинных технологий, а также для выработ-

ки новых базовых принципов дистанционного текущего контро-

ля, управления активами и технического обслуживания.

Описанные проблемы можно решить с помощью технологий

комплексного управления операциями (КУО), и АББ предлагает

широкий ассортимент решений в этой области.


– интеллектуальные системы управления

и оптимизации добычи и производ-

ственных операций;

– системы текущего контроля состояния

оборудования, диагностики и составле-

ния отчетов.

В этом контексте компания АББ намере-

вается стать партнером по сопровожде-

нию жизненного цикла и поставщиком

интегрированных систем. Центр продук-

тов и решений для КУО разработал ряд

решений и предложений по технической

поддержке, которые дополняют техноло-

гии АББ и сторонних поставщиков, ис-

пользуемые для добычи нефти и газа, в

частности для эксплуатируемых шельфо-

вых и подводных добывающих комплек-

сов. Чтобы в полной мере воспользовать-

ся этими предложениями, требуется

привлечение группы разнопрофильных

специалистов, а также знания и профес-

сиональная подготовка в области техно-

логий и оборудования для добычи нефти и

газа.

Решения для нефтяной, газовой и нефте-

химической промышленности охватывает

следующие области:

– управление добычей и технологически-

ми процессами и их оптимизация;

– обеспечение полноты безопасности и

управление аварийными сигналами;

– интегрированные системы для дистан-

ционного контроля и управления;

– инфраструктура сетей связи и инфор-

мационной безопасности;

– системы и службы текущего контроля

состояния оборудования;

– текущий контроль выбросов и повыше-

ние энергоэффективности;

– многоэтапное обеспечение и оптимиза-

ция бесперебойной подачи нефти/

газа;

– интеллектуальные системы управления

подводными добывающими комплекса-

ми;

– системы сбора и хранения данных,

На основе технологий КУО компания АББ

разработала ряд решений, методик и ус-

луг, ориентированных на повышение без-

опасности, защиту здоровья и окружаю-

щей среды и увеличение объемов добычи.

На рис. 1 показаны различные этапы,

роли и обязанности, связанные с дости-

жением цели по увеличению добычи. Ис-

полняя роль подрядчика по КУО или по-

ставщика инженерно-технических услуг в

рамках реализации проекта, компания

АББ, помимо выполнения своих основных

обязательств, обеспечит ускорение запу-

ска, 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 операци-

ями на этапах выбора концепции, проек-

тирования, ввода в эксплуатацию, запу-

ска и оптимизации. Среди других

областей, где АББ может применить свои

ценные знания — стратегии управления

технологическими процессами, управле-

ние обработкой аварийных сигналов, ос-

нащение диспетчерской, моделирование

жизненного цикла, обеспечение функцио-

нальной целостности системы, обеспече-

ние и оптимизация бесперебойной подачи

нефти/газа и пр.

Элементы комплексного управления

операциями

Компания АББ предлагает широкий ас-

сортимент технологий и услуг для оптими-

зации добычи, эксплуатации и техниче-

ского обслуживания на любом участке

технологической цепочки — от скважин

до транспортных магистралей. Основные

компоненты рис. 2:

– инфраструктура обеспечения безопас-

ности, связи и передачи данных;

– системы сбора данных и доступа к ним,

в том числе программное обеспечение

для дистанционной технической

поддержки;

Компания АББ предлагает широ-кий ассортимент технологий и услуг для оптимизации добычи, эксплуата-ции и технического обслуживания на любом участке тех-нологической це-почки – от скважин до транспортных магистралей.

Этапы проекта КонцепцияПредварительное проектирование

ЗапускЭксплуатация и

оптимизацияИнженерное

проектированиеМонтаж и ввод в эксплуатацию

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


Подрядчик по КУО, услуги сопровождения жизненного цикла

Генеральный подрядчик/оператор

Оператор по проектированию и материально-техническому снабжению

Оператор и партнеры по проектированию и материально-техническому снабжению

Проектирование, материально-техническое снабжение и строительство

Производство


наблюдения за окружающей средой и

контроля морских операций.

Системы связи и передачи данных и

топология системы

Основные компоненты системы поддерж-

ки КУО для комплекса, эксплуатируемого

на море, соответствуют требованиям ие-

рархии 5-го уровня стандарта ISA 95 мв

рис. 3:

– эффективный архив и инфраструктура

интеграции данных с соответствующи-

ми функциями подключения и интер-

фейсами для сбора и распространения

всех рабочих данных;

– эффективная и защищенная инфра-

структура информационных и телеком-

муникационных сетей, обеспечиваю-

щая 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;

рабочая среда для организации

взаимодействия;

– услуги по поддержанию требуемых

характеристик управления технологи-

ческими процессами на протяжении

всего срока службы оборудования;

– системы беспроводных измерений

Комплексное управление операциями:

преимущества

Возврат дополнительных капиталовложе-

ний в инфраструктуру, как правило, осу-

ществляется на этапе эксплуатации. По-

тенциальная 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

– приложения для оптимизации и

управления повседневными операция-

ми;

– общий пользовательский интерфейс;

– помещения для совместной работы и

рабочие станции.

В дополнение к этим техническим компо-

нентам для максимального использова-

ния возможностей КУО необходимы так-

Технологии ком-плексного управле-ния операциями являются подмно-жеством решений, методик и услуг, направленных на увеличение объ-емов добычи нефти и газа.

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

Местный объект

Электрическое оборудование Измерительное оборудование телекоммуникационное оборудование

Бизнес-системы

Внешняя поддержка иотчетность

Инженерная поддержка и техническое обслуживание

Генератор Генератор

Ограничитель тока

Трансформаторы ВН

Трансфор-маторы

НН

Распре-деление

ННЭлектро-

двигатели НН

ПриводыВН

Электро-двигатели

ВН

Электро-двигатели НН

Распредели-тельные

панели НН

Внутренние элегазовые

распределительные устройства Массовые

расходомерыКориолиса

Измерителитемпературы

Расходомер спеременным

сечением

Аналитическиеприборы

Датчики с выносной мембраной

Датчики давления(серт. SIL2)

Электромагнитныерасходомеры

Дублированные системы

оповещенияРасходомеры

Вентури

AVR AVR

Эксплуатация и управление

Имитаторы и испытания

Шельфовыекомплексы

Наземныекомплексы

Наземная поддержкапроизводственных операций

Поддержкапоставщиков

Наземный центруправления

Скважины

Производствен-ные операции

Техническоеобслуживание

Логистика

Дистанционныеслужбы

Экспертныересурсы

Планирование

Электрическоеоборудование

Хранение и погрузка/разгрузка

Подводноеоборудование

Технологиче-ские процессы

БезопасностьТелекоммуникацион-

ное оборудование

Модельтехнологического

процесса

Шина Fieldbus

Шина Fieldbus

Шина FieldbusУВЧ-радио

Inmarsat C

VHF FM DSC

VHF AM

HF/MF DSC

NDB

NAVTEX

AIS

Радио на кранах

Метеоро-логия

Много-функцио-нальнаяконсоль

Радар Развлекатель-ная система

Системаспутниковой

связи

Маршрутиза-тор

УАТС

ЛВС

СистемаТВ-

наблюд-я

Система контроля движения и гироскопы

Структурирован-ная кабельная

система


Для простых случаев АББ располагает

собственной моделью, на основе которой

создана система Well Monitoring System

(WMS) для текущего контроля трубопро-

водов и скважин. Система основана на

стационарной модели и может быть ис-

пользована для расчета нефтеотдачи пла-

ста во всей системе, а также для преду-

преждения о возможных препятствиях на

пути потока. Для более сложных систем,

где большое значение могут иметь дина-

мические характеристики, следует ис-

пользовать наиболее совершенный ими-

татор многофазного потока OLGA Online

(поставляется партнером АББ, компанией

SPT Group).

– Оптимизация. После реализации

функций текущего контроля и управле-

ния можно переходить к оптимизации с

использованием результатов первич-

ных (физических) и вторичных измере-

ний. Возможна реализация самых

разных стратегий оптимизации — от

целевых решений, например оптимиза-

ции газлифта, до систем упреждающе-

го управления на основе общей

модели, таких как «cpmPl us Predict &

Control» компании АББ. Для оптимиза-

ции в более долгосрочной перспективе

системы текущего контроля добычи

могут предоставить ценные данные для

моделирования пласта (Eclipse).

– Управление техническим обслуживани-

ем. В связи с тяжелыми последствиями

любой неполадки в оборудовании и

большими затратами в случае привле-

чения дистанционно управляемых

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 бесперебой-

ную добычу. Кроме того, при проведе-

нии испытаний скважин система AFC с

высокой точностью управляет работой

скважин и трубопроводов, обеспечи-

вая 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 обору-

дования от перегрузки.

– Текущий контроль добычи. Текущий

контроль скважин и трубопроводов

имеет жизненно важное значение,

особенно для предотвращения

закупоривания трубопроводов вслед-

ствие 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.

же соответствующие рабочие процессы и

концепции управления производственны-

ми операциями в сочетании с определен-

ной организацией и культурой мышления,

соответствующего принципам КУО. Также

необходимыми компонентами являются

междисциплинарные процессы принятия

решений и сотрудничество между различ-

ными подразделениями организации или

даже между эксплуатирующей компанией

и поставщиками товаров и услуг.

Теперь более подробно рассмотрим неко-

торые аспекты деятельности АББ в обла-

сти оптимизации добычи, управления ак-

тивами и обеспечения безопасности.

Оптимизация добычи

Разработка подводных месторождений,

включая глубоководную добычу и подклю-

чение небольших месторождений к суще-

ствующей инфраструктуре, становится

все более важным видом деятельности

для нефтегазовой промышленности, по-

скольку позволяет компенсировать спад

добычи. Одной из главных задач в обла-

сти разработки подводных месторожде-

ний является оптимизация добычи; напри-

мер, повышение нефтеотдачи пластов для

подводных месторождений, как правило,

на 10–15% ниже, чем у скважин с надво-

дным устьевым оборудованием.

Разработанная АББ система обеспечения

и оптимизации бесперебойной подачи

нефти/газа (FAOS) предназначена для

управления, текущего контроля, оптими-

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

Помещения для совместной работы/офис

По

тен

ци

альн

овр

ажд

ебн

ая з

он

аД

еми

ли

тар

изо

ван

ная

зо

на

До

вер

енн

ая з

он

а

Общий архив

Сервер безопасныхобнов- лений

Приложения

Приложения Приложения

Система сбораданных

Система сбораданных

Система сбора

данных


данных


данных

Распреде-леннаясистемауправления

Сторонниесистемы

Электро-системы

Сторонниесистемы

Станцииоператоров

Сервер связи

Архив Архив

ISA.95

5

4

3

2

1

0

Офисная сеть

Производственная информационная система

Сеть производ-ственной

информации

Общая/внешняя инфраструктура

Актив 1 Актив n

PIN

Распределенная система управления

Сеть управления техпроцес-сами

Сеть управления техпроцес-сами

Веб-портал

Интернет


мация доступна через корпоративную

сеть.

Для защиты данных заказчика АББ пред-

лагает широкий спектр консалтинговых

услуг по безопасности, обеспечивающих

защиту конфиденциальности, доступно-

сти и целостности данных местных акти-

вов и сети системы автоматизации. При

этом обеспечивается соблюдение корпо-

ративных, государственных и междуна-

родных стандартов, а также разрабатыва-

ются эффективные технические решения

и процедуры. Кроме того, предлагаются

стандартные готовые решения по защите,

позволяющие определить базовые уровни

для оценки рисков, связанных с система-

ми промышленной автоматизации.

Система управления активами и услуги

сопровождения жизненного цикла

Профилактическое обслуживание все

чаще рассматривается как ключ к эконо-

мически эффективному техническому об-

служиванию рис. 4. Этот метод предпола-

гает, что управление операциями

технического обслуживания осуществля-

ется на основе достоверного прогноза по

износу оборудования. Профилактическое

обслуживание также обеспечивает на-

дежность и целостность оборудования.

Это особенно ценно для морских и уда-

ленных объектов, где затраты на персо-

нал и транспортные расходы весьма зна-

чительны. Этот метод также обеспечивает

снижение затрат за счет сокращения вне-

плановых простоев, обеспечивая работу в

аппаратов или судов для ремонта

скважин, техническое обслуживание

оборудования, работающего на

морском дне, требует тщательного

планирования. Таким образом,

своевременное выявление возникаю-

щих неисправностей и проведение

технического обслуживания может

стать решающим фактором успеха.

Система FAOS предоставляет много-

функциональные инструменты для

оптимального управления техническим

обслуживанием.

FAOS обеспечивает выполнение всех вы-

шеперечисленных функций и объединяет

их в единый интегрированный комплекс.

Это гарантирует максимальное использо-

вание возможностей взаимодействия

между различными элементами. Напри-

мер, результаты фактических измерений,

выполняемых системой текущего контро-

ля, можно использовать в качестве (вто-

ричных) переменных управления для си-

стемы AFC. Кроме того, система AFC

может служить платформой для форми-

рования множества уставок, передавае-

мых модулем оптимизации. Помимо про-

чего, такая интеграция обеспечивает

наличие единого пользовательского ин-

терфейса, который можно использовать

как для быстрого обзора основных дан-

ных, так и для детального анализа, выпол-

няемого опытными пользователями. Си-

стема FAOS включена в состав

инфраструктуры комплексного управле-

ния операциями АББ, поэтому вся инфор-

Система FAOS гарантирует максимальное использование возможностей взаимодействия между различными элементами.

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

режимах, близких к расчетным пределам,

а также более упорядоченное планирова-

ние технического обслуживания. Ключом

к техническому обслуживанию на основе

оценки состояния оборудования являются

технологии текущего контроля и состав-

ления отчетов в реальном времени.

Система комплексного управления акти-

вами компании АББ предоставляет об-

щую инфраструктуру для объединения

данных о техническом обслуживании, по-

ступающих от отдельных систем. Во всех

основных компонентах электрических, из-

мерительных, управляющих и телекомму-

никационных систем АББ предусмотрены

функции интеллектуального текущего

контроля и диагностики, которые могут

использоваться системой управления ак-

тивами. Функции долгосрочного текущего

контроля предоставляют важную инфор-

мацию о состоянии оборудования, подле-

жащих выполнению задачах и возможно-

стях для улучшения характеристик. Также

возможна интеграция сторонних систем.

Система управления активами предостав-

ляет доступ к этим функциям в реальном

времени, осуществляет текущий контроль

и диагностику, реализует функции плани-

рования, а также подключение к системе

управления предприятием (ERP).

Основное преимущество заключается в

возможности отображения всех уместных

данных о техническом обслуживании че-

рез единый пользовательский интерфейс.

Удобная возможность сравнения пере-


мышление людей, особенно если они

стремятся к приобретению новых знаний

и навыков, играют важную роль в успехе

предприятия. Фактически более 80% за-

трачиваемых 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 установ-

лению партнерских отношений с заказчи-

ками, принятию новых концепций обслу-

живания, а также улучшению продуктов и

услуг, поддерживающих КУО. Новые стра-

тегии в области договоров, например за-

ключение договоров с условиями, завися-

щими от достигнутых показателей,

предусматривающих полный спектр услуг

в предельном варианте, открывают новые

возможности для бизнеса. Среди других

крывающихся функций текущего контро-

ля позволяет принимать более обосно-

ванные решения.

Безопасность

АББ располагает полным ассортиментом

решений по сопровождению жизненного

цикла и услуг в области обеспечения без-

опасности и управления аварийными сиг-

налами, включая подготовку к аварийным

ситуациям и критерии оценки эффектив-

ности, оптимизацию проектов и услуг,

приложения для составления отчетов и

технического обслуживания систем, а так-

же 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 по-

казал, что организационные изменения и

Профилактическое обслуживание все чаще рассматрива-ется как ключ к экономически эф-фективному техни-ческому обслужи-ванию.

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.

Информационная управленческая система

предлагает функции управления, хранения

данных и составления отчетов для широкого

спектра прикладных задач.

Высококвалифицированные специалисты

АББ проводят углубленные исследования и

аудиты, выполняют анализ и оказывают

услуги, призванные улучшить работу и

увеличить производительность.

Консультации,

услуги и

НИОКР

текущий контроль

условий и

характеристик

Управление

информацией

Обеспечение бесперебойной

подачи нефти/газа и интеллектуальное

управление технологическими

процессами

Архитектура и

защита

информационных

систем


Катрин хилмен

Эспен Сторкаас

АBB Integrated Operations

Products and Solutions Center

N00603 Oslo, Norway

[email protected]

[email protected]

учесть, что в период пиковой добычи

Ormen Lange будет вырабатывать около

20 млрд стандартных м газа в год, что эк-

вивалентно общему энергопотреблению

Норвегии.

Компания Statoil также выиграла от пар-

тнерства с АББ и разработки технологий

для оптимизации добычи: после внедре-

ния технологий КУО для контроля содер-

жания 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 си-

стемы контроля эрозии на основе техно-

логических и производственных данных в

сочетании с моделями штуцеров, обеспе-

чивающими активное улавливание песка.

В статье SPE 94511 [1] компания Statoil

сообщила следующее: «В течение года на

месторождении Statfjord был получен до-

полнительный 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 вне-

дрения КУО в последнее время выражает-

ся в значительно больших цифрах. Выи-

грыш в области безопасности за счет

более точного текущего контроля содер-

жания 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 при-

мер получения выгоды благодаря сочета-

нию эффективных технологий с изменени-

ями в организации операционного

управления и адаптации к новой стратегии.


для будущего

Ассортимент продукции АББ для реали-

зации комплексного управления опера-

циями (рис. 5) позволяет увеличить про-

пускную способность, снизить

энергопотребление и сократить эксплуа-

тационные затраты за счет эффективно-

го использования имеющейся информа-

ции, включая данные технологических

процессов, полученные в режиме реаль-

ного времени, и данные текущего кон-

троля состояния активов. КУО дает воз-

можность значительно оптимизировать

добычу имеющихся запасов нефти и

газа. Технологии КУО отлично зареко-

мендовали себя в финансовом плане, их

значимость для неф-тегазового сектора

будет продолжать расти по мере разви-

тия этой отрасли.

примеров — системы электрификации и

интеллектуального управления подводны-

ми комплексами.

Выгоды от применения

Одна из первых компаний, внедривших

КУО, добилась значительного снижения

себестоимости добычи на небольшом ме-

сторождении в Северном море, где на-

блюдается тенденция к падению объемов

добычи. Основной вклад в снижение экс-

плуатационных расходов и увеличение

прогнозируемых объемов добычи был

сделан благодаря внедрению «мягкого»

варианта КУО, то есть проведению орга-

низационных изменений, которые были

охотно приняты сотрудниками, заинтере-

сованными в продлении срока эксплуата-

ции производственной площадки. АББ

является партнером этого оператора по

всей программе реорганизации и обеспе-

чивает проведение собеседований и

управление изменениями, а также внедря-

ет технологии дистанционной поддержки

операций. С момента начала сотрудниче-

ства этот крупный заказчик определил

стандартные рабочие процессы, роли и

обязанности и ввел новую организацион-

ную модель для шельфовых месторожде-

ний, основываясь главным образом на

своем опыте, полученном в результате

этого партнерства.

Недавно одна из рабочих групп АББ, спе-

циализирующаяся на оптимизации техно-

логических процессов и операций добычи

путем внедрения КУО, реализовала про-

ект, который существенно повлиял на ра-

боту завода на месторождении Shell

Ormen Lange. Группа оказала услуги по

контролю показателей технологических

процессов, моделированию, настройке,

вводу в эксплуатацию и запуску. Получен-

ные преимущества выразились в увеличе-

нии количества эксплуатационных дней,

уменьшении отклонений, повышении

энергоэффективности и сокращении вы-

бросов. Время безотказной работы «уве-

личилось на 4-5 дней в год». Размер полу-

ченной экономии можно оценить, если

На месторождении Ormen Lange время безотказной рабо-ты «увеличилось на 4–5 дней в год».

В течение 2004 года на месторож-дении Statfjord был получен дополни-тельный доход в размере 95 млн долларов США (1,9 млн баррелей).


[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


НУНСИО БОНАВИтА, ФЕДЕРИКО КАллЕРО — получение

точной, достоверной и своевременной информации о фактиче-

ских уровнях выбросов имеет решающее значение для приня-

тия надлежащих мер по снижению выбросов до определенных

законодательством уровней. Это обстоятельство в сочетании с

необходимостью соблюдения постоянно растущих требований

со стороны регулирующих органов заставляет предприятия

перерабатывающей промышленности внедрять системы

экологического менеджмента (сЭМ), которые осуществляют

текущий контроль, сбор и обработку данных об окружающей

среде. существует несколько типов систем текущего контроля,

но наиболее эффективной и надежной является система

непрерывного контроля выбросов (снКВ), обеспечивающая

непрерывный сбор данных с помощью быстродействующих

приборов и отображение полученной информации в реальном

времени. недавно внимание заинтересованных сторон привлек-

ла также другая система, известная как система упреждающего

контроля выбросов (сУКВ). сУКВ использует эмпирическую

модель для прогнозирования концентрации выбросов на основе

результатов обработки данных. Эта система была успешно

внедрена как часть комплексной системы экологического

менеджмента на одном из крупнейших в мире газоперерабаты-

вающих заводов

СУКВ: система контроля, использующая методы искусственного интеллекта для снижения вредного влияния на окружающую среду

Контроль выбросовна основе модели

59Контроль выбросов на основе модели

кова, что она не может быть надлежащим

образом описана одним параметром. Ме-

тоды с прогнозированием параметров ис-

пользуют концепцию моделирования, ко-

торая в настоящее время играет важную

роль в системах контроля выбросов рис.

2.

Система упреждающего контроля выбро-

сов (СУКВ), которую также называют ло-

гическим анализатором, не может изме-

рять выбросы непосредственно. Вместо

этого она используют эмпирическую мо-

дель для прогнозирования концентраций

выбросов на основе обработки таких дан-

ных, как расход топлива, нагрузка, рабо-

чее давление и температура окружающе-

го воздуха. В действительности СУКВ

же устройства и программное обеспече-

ние 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 использу-

ют методы локального автоматизиро-

ванного инструментального контроля с

применением различных принципов

обнаружения для непрерывного или

периодического измерения характери-

стик выбросов;

– параметрические (возможная альтер-

натива для установки обычных СНКВ).

Имеются два класса параметрических ме-

тодов: с использованием косвенных пара-

метров и с прогнозированием. Косвенные

параметры можно использовать для опре-

деления соответствия источника установ-

ленной норме выбросов. Однако для по-

лучения значений этих параметров, как

правило, требуется проведение тщатель-

ного тестирования и проверки. Прогнози-

рование параметров, с другой стороны,

применяется в тех случаях, когда взаи-

мосвязь между условиями технологиче-

ского процесса и уровнями выбросов та-

В соответствии с требованиями

стандарта ISO 14001 цель вне-

дрения системы экологического

менеджмента (СЭМ) заключает-

ся в том, чтобы «помочь организации соз-

дать процедуры для определения полити-

ки и целей в области защиты окружающей

среды, оценить их эффективность, обе-

спечить соответствие заявленной полити-

ке и целям и продемонстрировать это со-

ответствие другим» [1]. В соответствии с

этим типовая СЭМ реализует ряд функ-

ций, в том числе:

– сбор и обработку данных, связанных с

защитой окружающей среды;

– предоставление основных экологиче-

ских 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 по-

стоянного контроля выбросов (СПКВ),

включающая оборудование для забора и

транспортировки проб, анализатор, а так-


Завод сжиженного природного газа (СПГ) компа-

нии Statoil на острове Мелкойя, рядом с городом

Хаммерфест на севере Норвегии. АББ

поставила полный комплект систем энергоснаб-

жения и автоматизации на этот газоперерабаты-

вающий завод. Газ на месторождении Snohvit

(«Белоснежка») извлекается с помощью

подводных комплексов добычи, транспортирует-

ся по трубопроводам на завод, где охлаждается

до перехода в жидкую фазу и подается на

морские суда для транспортировки.


– IMP Online для интерактивного внедре-

ния проекта и текущего контроля.

В пакете IMP нашли применение новей-

шие технологии анализа данных и постро-

ения моделей (например, нейронные сети,

генетические алгоритмы, множественная

линейная регрессия, расчет сценариев), в

том числе алгоритмы и инструменты, соз-

данные на основе методов искусственно-

го интеллекта, которые можно использо-

вать с помощью обширного набора самых

современных инструментов [6]. Эти ин-

струменты встроены в удобную рабочую

среду, спроектированную с учетом новей-

ших концепций человеко-машинного ин-

терфейса (ЧМИ). Пакет IMP загружается

на компьютер, который посредством про-

токола OPC обменивается данными с рас-

пределенной системой управления, где

содержатся переменные технологических

процессов и данные анализатора (если

СУКВ используется в качестве резервной

системы). Используя данные технологиче-

ских процессов в реальном времени, мо-

дели выводят расчетное значение соот-

ветствующих 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 до-

говор на поставку комплексной системы

экологического менеджмента, соответ-

ствующей требованиям Управления по ох-

ране окружающей среды (EPA), для заво-

да крупного поставщика газа,

расположенного в регионе Персидского

залива. Этот завод, являющийся одним из

крупнейших газоперерабатывающих

предприятий в мире, имеет восемь газо-

перерабатывающих линий и две линии на-

гнетания газа с общим объемом подачи

99 млрд кубических метров в день. Завод

выпускает сетевой газ, сжиженный при-

де, а также вести постоянный контроль

выбросов. Однако обычная СНКВ не мо-

жет предвидеть нарушение предельных

уровней загрязнения. С другой стороны,

СУКВ позволяет инженерам выявлять за-

висимости между различными эксплуата-

ционными параметрами, заранее пред-

сказывать характеристики выбросов и

принимать соответствующие меры по

корректировке выбросов до возникнове-

ния нарушения. В разных странах мира

по-разному относятся к методам, исполь-

зуемым для контроля выбросов: правила

многих европейских стран в настоящее

время явно побуждают к внедрению про-

граммных систем контроля выбросов в

качестве резервных, в то время как в

ряде штатов США в качестве альтерна-

тивного метода контроля допускается

применение систем искусственного ин-

теллекта, основанных на таких моделях,

как модель упреждающего контроля в

СУКВ.

Основные технологии

Поскольку рассматриваемый анализатор

реализован по большей части программ-

ными средствами, успех реализации

СУКВ во многом зависит от возможно-

стей инструмента построения и реализа-

ции модели. Этот инструмент должен обе-

спечить наличие эффективных и

надежных технологий моделирования

вместе со всеми необходимыми функция-

ми для сбора и обработки данных, тести-

рования 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. Па-

кет IMP основан на двух отдельных рабо-

чих средах:

– IMP Model Builder для проектирования

и разработки приложений;

Для принятия над-лежащих мер по сокращению вы-бросов до установ-ленных законода-тельством уровней решающее значе-ние имеет сбор точной и достовер-ной информации об уровнях выбросов.

1 типовые конфигурации систем непрерывного контроля выбросов (СНКВ)

По исходномууровню

С разбавлениемпробы

С маршрутнымидатчиками

С точечнымидатчиками

По косвеннымпараметрам

С прогнозирова- нием параметров

Системы непрерывного контроля выбросов (СНКВ)

ЭКСТРАКТИВНЫЕ НЕЭКСТРАКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ

В дымоходе С одним проходомНа основе базовых

принципов

Вне дымохода С двумя проходами На основеэмпирической

модели

Сухой метод

Влажный метод

реализует единственно возможный спо-

соб непрерывного сбора данных (оценок)

о выбросах в технологических установках,

где отсутствует СНКВ и где применяется

метод анализа в реальных условиях (пери-

одический) или метод проведения кампа-

ний по анализу выбросов. В таких случаях

предприятие может взять в аренду порта-

тивную систему СНКВ, чтобы собрать

данные о выбросах для построения и про-

верки моделей. После того как модели

прошли сертификацию, СНКВ удаляется и

заменяется на систему логического типа

[4]. СУКВ также можно использовать в ка-

честве резервной системы, если в каче-

стве 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 за-

дач доказали, что программные системы

обеспечивают такую же точность, что и

аппаратные СНКВ. Кроме того, виртуаль-

ные анализаторы предлагают дополни-

тельные 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 технологиче-

ских процессов.

Согласно действующим нормативным

требованиям, чтобы доказать соблюдение

разрешенных пределов и отслеживать

возможные нарушения, необходимо пери-

одически проводить испытания в дымохо-


скорости. Скорость турбины низкого дав-

ления может изменяться в зависимости от

условий работы оборудования, но в ос-

новном она определяется наличием то-

варного газа. В большинстве случаев эти

две линии работают вместе, в режиме,

близком к максимальной нагрузке. Одна-

ко в периоды отсутствия газа или при

уменьшении подачи одна из двух линий

работает с низкой нагрузкой или на малой

скорости. Летом, при высоких температу-

рах окружающего воздуха, общая эффек-

тивность 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 подхо-

дящей модели для СУКВ в каждом дымо-

ходе в качестве временного анализатора

родный газ (СПГ), конденсат и серу. Этот

проект потребовал установки СПКВ (на

временной основе), СУКВ и специализи-

рованной системы сбора данных для

оценки выбросов с целью соблюдения

нормативов по охране труда и безопасно-

сти, а также усовершенствования техно-

логических процессов рис. 4.

На объекте установлены две параллель-

ные линии нагнетания газа, А и В, каждая

из которых имеет по два двухступенчатых

осевых компрессора, C101 и C102 рис. 5.

Каждый компрессор приводится в движе-

ние газовой турбиной (ГТ), выбросы кото-

рой контролирует СУКВ. В ступенях высо-

кого (ВД) и низкого (НД) давления

используется товарный газ. Турбины вы-

сокого давления работают во всех случа-

ях с постоянной скоростью, то есть близ-

ко к 100 процентам максимальной

Система упреждаю-щего контроля вы-бросов позволяет инженерам выяв-лять зависимости между различными эксплуатационными параметрами, зара-нее предсказывать характеристики вы-бросов и принимать соответствующие меры до возникно-вения нарушения.

3 Возможные области применения СУКВ

Текущий контроль реакции на различные

воздействия

Показатели для оценки практики эксплуатации

и технического обслуживания

Повышение эксплуатационной

готовности анализаторов

Проведение анализа «что-если» в

автономном режиме

Непрерывное предоставление

расчетных значений, если недоступна СНКВ

Моделирование выбросов для соблюдения нормативных

ограничений

Сигнал о необходимости проведения технического

обслуживания

Снижение количества неполадок за счет предупреждений на ранних

стадиях

Проверка качества технического обслуживания Резервирование в течение

нерабочих периодов

Диагностика анализаторов

Реактивный текущий контроль

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 формирует-

ся 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.

2 Моделирование играет важную роль в системах управления выбросами

Входной уровень Смещение

Автономный пакет

Интерактивныйпакет

Построение модели

Выходной уровеньwii

fi(h

i)

Выход∑ f

FI – 1 (t1) PI – 1 (t

1) ... ... TI – 1 (t

1) SO

2 (t

1)

FI – 2 (t3) PI – 2 (t

2) ... ... TI – 2 (t

2) SO

2 (t

2)

... ... ... ... ... ... ... ...FI – 12 (t

n) PI – 12 (t

n) ... ... TI – 12 (t

n) SO

2 (t

n)

для сбора точных данных о выбросах

была использована СНКВ, одновременно

с помощью протокола OPC был организо-

ван сбор технологических данных непо-

средственно из распределенной системы

управления установки. С целью охвата

наиболее широкого диапазона рабочих

условий сбор данных продолжался в тече-

ние примерно шести недель. Проектиро-

вание и проверка модели, а также обра-

ботка данных и действия по внедрению

модели на объекте были выполнены с по-


5 Конфигурации блока турбокомпрессора

Ступеньвысокогодавления

Ступеньнизкогодавления

Подача газа Нагнетание газа

Дымоотвод

Выхлопные газы

Товарный газ

A-C101

A-C101

Газоваятурбина




A-C102

A-C102

моделей характеризовался несколькими

структурами скрытых уровней, входными

переменными, такими как упомянутые

выше ключевые переменные процесса, и

рядом различных параметров. Чтобы из-

бежать чрезмерно близкой подгонки и га-

рантировать надлежащую устойчивость

модели, 1700 входных значений были раз-

делены на три подгруппы: обучение (50%);

тестирование (25%) и проверка (25%).

Специальная функция пакета IMP была

использована для оценки чувствительно-

сти отдельно взятой входной переменной

для оцениваемого типа выбросов.

Система была интегрирована с распреде-

ленной системой управления, а для рас-

четных значений выбросов была настрое-

на передача в СЭМ посредством

последовательного протокола Modbus.

Результаты и достижения

После завершения установки уполномо-

ченная независимая компания из США

выполнила оценку и сертификацию систе-

мы в соответствии с требованиями Управ-

ления по охране окружающей среды

(EPA). Этот процесс потребовал проведе-

ния 18 тестовых прогонов продолжитель-

ностью 30 минут каждый в двух различ-

ных режимах (т. е. девять тестов при 95%

нагрузки на компрессор и остальные де-

вять тестов — при 100% нагрузки).

После каждого тестового прогона прово-

дилось сравнение оценки выбросов, сде-

ланной СУКВ, со значениями, полученны-

ми от СНКВ, что позволило определить

относительную точность1 СУКВ. Посколь-

ку каждая из полученных оценок соответ-

же взаимное влияние между входными

(например, переменными технологическо-

го процесса) и выходными (например,

объемами выбросов) параметрами.

После завершения этапа обработки дан-

ных был выделен набор, содержащий при-

мерно 1700 записей (состоящих из значе-

ний технологического процесса и величин,

характеризующих выбросы в атмосферу,

собранных с интервалом в 1 час) и 35 пе-

ременных, который был оценен как при-

годный для созда-

ния эффективных

моделей. В этот на-

бор 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, CO

2 и расход дымовых газов

Из нескольких вариантов, имеющихся в

пакете IMP, был выбран метод с использо-

ванием нейронных сетей прямого распро-

странения (FFNN), мощный инструмент

моделирования с элементами искусствен-

ного интеллекта, поскольку, согласно

предварительным оценкам, этот метод по-

зволял получить наиболее точные, надеж-

ные и устойчивые модели. Каждый набор

мощью пакета IMP компании АББ. Обра-

ботка данных является ключевым этапом

процесса разработки эмпирической мо-

дели. Для начала с помощью сложных

статистических и математических мето-

дов были определены набор входных пе-

ременных и оптимальный шаблон для мо-

дели установки. Важную роль играло

определение оптимальной частоты дис-

кретизации для моделирования, посколь-

ку этот параметр должен удовлетворять

двум целям: определение динамики и ус-

ловий процесса и получение достаточного

количества наборов данных для создания

надежных и точных моделей.

Пакет Imp предоставляет удобную среду

для применения анализа главных компо-

нентов (PCA) рис. 6, мощного метода, по-

зволяющего инженерам выразить и проа-

нализировать изменчивость системы, на

основе которой они могут выделить из

широкого диапазона параметров техноло-

гического процесса минимальное под-

множество наиболее представительных

переменных. Еще одно преимущество ме-

тода PCA состоит в том, что он позволяет

оценивать различные величины, характе-

ризующие технологический процесс, и

аномальные условия эксплуатации, а так-

Процесс оценки и сертифика-ции в соответствии с требо-ваниями Управления по охра-не окружающей среды (EPA) потребовал проведения 18 тестовых прогонов продолжи-тельностью 30 минут каждый в двух различных режимах.

Сноска

1 Accuracy =

Где: Yj – оценка СУКВ, Y

j* – фактический состав,

n – количество проб, отобранных для сравнения.

1n

abs (Yj - Y

j*)Σ

n

j=1

4 Обзор требуемой системы экологического менеджмента (СЭМ)

Установка

СНКВ

Данные выбросов

Диспетчерская cистема

управления

Штаб-квартира компании

СУКВ


network technology applied to refinery inferential

analyzer problems (Применение технологии

нейронных сетей для решения проблем

логического анализатора на нефтеперерабаты-

вающем 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 – упреж-

дающий 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.

В дополнение к указанным преимуще-

ствам, реализованные АББ функции мо-

делирования позволяют предприятиям

изучать возможности повышения эффек-

тивности эксплуатации в независимой ра-

бочей среде и определять оптимальные

подходы к реализации технологических

процессов. Эти функции также позволяют

проводить предварительное тестирова-

ние систем оптимизации с целью соблю-

дения требований местных экологических

нормативов.

Нунсио Бонавита

Федерико Каллеро

АBB SpA Genoa, Italy

[email protected]

[email protected]


[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

ствовала нормативам EPA, система была

сертифицирована и принята заказчиком

рис. 7.

Описанная выше инновационная СУКВ

является первой сертифицированной EPA

системой, основанной на применении тех-

нологий упреждающего контроля в регио-

не Персидского залива. Успешное вне-

дрение открывает путь для дальнейшего

применения системы в этом регионе. В

настоящее время технологии СУКВ про-

ходят испытания у другого крупного пред-

ставителя 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 си-

стемы:

– ее характеристики признаны природо-

охранными ведомствами, известными

на мировой арене;

– система упреждающего контроля

может повысить доступность традици-

онных СНКВ;

– СУКВ может заменить традиционные

анализаторы в случаях, когда СНКВ

отсутствует или не может быть

использована.

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

Инновационная си-стема упреждающе-го контроля выбро-сов является первой сертифици-рованной EPA си-стемой, основанной на применении тех-нологий упреждаю-щего контроля в регионе Персидско-го залива.

7 Результаты проекта внедрения СУКВ и полученный сертификат

Показатель 95% нагрузки 100% нагрузки

Кислород < 10% < 10%

NOx < 10% ≈15%

SO2 не обнаружено не обнаружено

(<1 млн-1) (<1 млн-1)

CO < 10% < 15%

CO2 < 10% < 10%


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 обслужива-

ния 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 доступ-

ной 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.

Эффективное извлечение энергии из контура 4...20 мААдаптер беспроводной связи АББ Field-Key с низким энергопотреблением


Компания АББ разработала методы,

направленные на снижение энергопотребления

адаптера FieldKey, что в свою очередь обеспечит

выгоду для многих отраслей.

65Эффективное извлечение энергии из контура 4...20 мА


честве двунаправленного моста между

данными HART, передаваемыми по прово-

дам, и WirelessHart.

Адаптер FieldKey можно подключить к лю-

бому участку контура 4...20 мА, использу-

емого устройством, а для снижения рас-

ходов на установку и техническое

обслуживание он использует автономное

питание. Иначе говоря, он автоматически

использует доступную энергию. Поэтому

при последовательном включении в уста-

новленный контур 4...20 мА рис. 2 этот

адаптер должен иметь возможность из-

влечь достаточное для своей работы ко-

личество энергии за счет создания паде-

ния напряжения в контуре. Фактически

это падение напряжения представляет со-

бой дополнительную потерю напряжения

в контуре, поэтому оно должно быть до-

статочно малым, чтобы не мешать работе

других устройств. Однако снижение по-

терь напряжения в контуре ведет к огра-

ничению доступной мощности. Чтобы пре-

одолеть это затруднение, компания АББ

искала способы, позволяющие ограни-

чить 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 предусма-

тривает включение в схему «виртуально-

го» питающего резистора. Снижение по-

требляемой мощности адаптера может

быть достигнуто путем оптимизации его

конструкции по энергопотреблению и, в

частности, за счет уменьшения тока утеч-

ки батареи конденсаторов, используемых

T ехнология передачи аналоговых

сигналов с помощью токового

контура 4...20 мА предусматри-

вает, как правило, наличие ис-

точника напряжения и сигнального

устройства, которое передает результаты

измерений или управляющие сигналы пу-

тем изменения величины тока в интервале

между 4 и 20 мА. любое устройство, вклю-

ченное последовательно в этот контур,

может считывать величину тока, а попутно

и передаваемое значение. Многие кон-

трольно-измерительные приборы с токо-

вым контуром 4...20 мА поддерживают

телекоммуникационный протокол HART

(протокол для магистральных адресуемых

удаленных преобразователей) [1].

Телекоммуникационный протокол HART

разработан в качестве дополнения к тех-

нологии передачи аналоговых сигналов и

реализуется путем наложения цифрового

сигнала на аналоговую токовую несущую

с использованием схемы частотной моду-

ляции (FSK). Полная реализация возмож-

ностей протокола HART (то есть подклю-

чение периферийных устройств к системе

управления и текущего контроля) в уста-

новках, эксплуатируемых во взрывоопас-

ных зонах, например, в обрабатывающей

Компания АББ разработала методы, направленные на сни-жение энергопотребления адаптера FieldKey и ограниче-ние его влияния на контур 4...20 мА.

промышленности, обходится слишком до-

рого рис. 1. В результате протокол HART

обычно используется только на этапах

монтажа и ввода в эксплуатацию, и важ-

ная информация, например характери-

стики контролируемого процесса или диа-

гностические 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 возмож-

ность реализации приложений контроля

состояния оборудования, на практике

80% парка установленного оборудования

не используют эту возможность. Чтобы

использовать информацию, которую мо-

гут передавать контрольно-измеритель-

ные приборы с помощью протокола HART,

для профилактического обслуживания и

управления активами, необходимо заме-

нить или переделать большинство уста-

новленных компонентов ввода/вывода и

связанной с ними проводки. Чтобы ис-

ключить этот доро-

гостоящий про-

цесс, компания

АББ разработала

б е с п р о в о д н о й

адаптер FieldKey,

который предлага-

ет экономичный и

безопасный способ

реализации прило-

жений дистанцион-

ного текущего кон-

т р о л я

технологических процессов и состояния

оборудования без ущерба для работы

стандартных контуров 4...20 мА [2]. Други-

ми словами, этот адаптер выступает в ка-

1 Возможности типового применения технологий HART на предприятии перерабатывающей промышленности

Плата ввода/вывода*

Шина Fieldbus*

Ethernet

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

ШинаFieldbus

Адаптер FieldKey

Рабочая станцияинженерной поддержки

Рабочая станциятехнического обслуживания

Система управления*

Беспроводнойшлюз HART

Барьер* Барьер*Встроенный барьер

системы ввода/вывода*

Устройство споддержкой HART





тивное регулирование падения напряже-

ния и управление виртуальным питающим

резистором осуществляется за счет обра-

ботки аналогового сигнала. Блок-схема

электронных компонентов показана на

рис. 4.

Проводной входной каскад состоит из мо-

дулятора HART и регулятора постоянного

напряжения. HART-модулятор осущест-

вляет модуляцию для протокола HART, а

также регулирует падение постоянного

напряжения, вносимое адаптером. Регу-

лятор постоянного тока формирует ста-

бильное напряжение постоянного тока,

которое подается на повышающий преоб-

разователь 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 (то-

кового контура 4...20 мА), которая не рас-

считана на это. Мощность, потребляемая

микросхемой WirelessHART при пиковой

нагрузке, превышает энергетические воз-

можности 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 мини-

мальным током в контуре и падением на-

пряжения на адаптере. Поэтому падение

напряжения в 1,5 В дает 6 мВт доступной

мощности. Поскольку падение напряже-

ния должно быть сведено к минимуму, до-

ступная мощность ограничена.

Для сглаживания пиков потребляемой

для сглаживания пиков расхода энергии.

Ограничение влияния на токовый

контур

Оптимизация падения напряжения

Основная идея адаптивного регулирова-

ния падения напряжения заключается в

изменении падения напряжения, вноси-

мого адаптером FieldKey, в зависимости

от величины тока, протекающего в конту-

ре. Поскольку ток определяется сигналь-

ным устройством, а для работы адаптера

требуется постоянная мощность около 5

мВт, то при более высоком токе для пита-

ния адаптера требуется меньшее напря-

жение, чем при низком. Кроме того, при

большом токе резистивные потери напря-

жения, вносимые проводкой, достигают

максимальных значений. Поэтому при 20

мА периферийному устройству доступно

минимальное напряжение, а при 4 мА —

максимальное. На практике проводка ча-

сто 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 на-

пряжения в контуре 4...20 мА вносит по-

следовательно подключенный питающий

резистор, который необходим для преоб-

разования тока в напряжение, и наоборот.

Этот резистор вносит падение напряже-

ния 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-

Являясь энергоак-кумулирующим устройством, адап-тер FieldKey вынуж-ден отбирать необ-ходимую для работы энергию из цепи, которая не рассчитана на это.

2 Установка беспроводного адаптера FieldKey

4...20mA

Несколько километров

Падение напряжение,внесенное адаптером

15V >10V

Беспроводнойадаптер

Распределительный шкаф- напряжение питания -

Сигнальное устройство- модулированный ток -

мощности необходима буферная емкость

на 6 мФ, однако при высоких температу-

рах в таком большом буфере возникает

ток утечки, который ведет к потерям энер-

гии. С учетом допустимых размеров необ-

ходимую 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 приме-

нение рис. 6, делая использование жид-

кого электролита недопустимым [3]. Аль-

тернативой является твердый электролит,

то есть конденсаторы на основе тантала и

оксида ниобия. Однако утечка по посто-

янному току (DCL) не является основной

целью оптимизации на рынке конденсато-

ров с твердым электролитом, в отличие от

эквивалентного последовательного со-

противления (ESR) или емкости. Мини-

мальный ток утечки на танталовых кон-

денсаторах обеспечивается при

эксплуатации конденсаторов под напря-

жением от 30 до 40% от номинального


буфере емкостью 6 мкФ, слишком велика,

поэтому применение барьера является

необходимым.

Традиционным решениям, таким как схе-

мы на основе диодов, свойственны боль-

шие потери напряжения, а применение

сложных схем, например интегральных

микросхем, не допускается органами по

сертификации, поскольку неполадки в та-

ких схемах трудно анализировать и в не-

штатных ситуациях система защиты долж-

на работать без питания. По этим

причинам компания АББ предложила но-

вый барьер с близкими к нулю потерями

мощности, который работает лучше, чем

схема на основе диодов.

утечки лишь 5,1 мкА н/к при 85°C и рабо-

чем 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 рабоче-

го напряжения 3,6 В и только на 20% для

10 В, что подтверждает результаты, опи-

санные в [4] другим поставщиком конден-

саторов.

Барьер для

блокировки

обратного тока

при низком

напряжении

В соответствии со

стандартами по ис-

кробезопасности

к о н д е н с а т о р ы

большой емкости

должны быть поме-

щены в защитный

корпус и подключаться к внешним элек-

тронным компонентам через барьер, бло-

кирующий обратный ток [3]. Это ограничи-

вает тепловую и электрическую энергию,

которая может высвободиться из конден-

саторов в случае неполадки и оказать

воздействие на компоненты за пределами

защитного корпуса. В соответствии с эти-

ми стандартами, энергия, запасенная в

Устройство, соответствующее требова-ниям по искробезопасности (ИБ), может эксплуатироваться в присутствии взры-воопасных газов без использования до-рогостоящих герметичных корпусов.

Минимальный ток утечки на танталовых конденсаторах обе-спечивается при эксплуатации конденсаторов под напряжени-ем от 30 до 40% от номиналь-ного значения.

3 Падение напряжения, вносимое адаптером FieldKey

1.6

1.4

1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

Ток в контуре (мА)

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Нап

ряж

ени

е (В

)

Модулятор HART

Искробезопасность

Преобразователь постоянного тока

Напряжение на адаптере

Линия питания 5 мВт

4 Блок-схема подключенного входного каскада

4...20 mA

ФНЧ

f

f

ФВЧ

Пад

ени

е н

апр

яжен

ия,

вн

есен

но

е ад

апте

ро

м

Защита отискрообра-

зования

Vloop

Iloop

Беспровод-ной модем

DC

DC

МодемHART

МодуляторHART

Регуляторпостоянного

тока

Датчик тока

Сноска

1 В данном случае рассматриваются

конденсаторы Kemet B45197A2477K509.

значения [4]. При более низком напряже-

нии ток утечки обусловлен в основном по-

терями в диэлектрике, а при более высо-

ком превалирует ток короткого

замыкания. Поэтому при внутреннем на-

пряжении питания 3 В конденсатор дол-

жен быть рассчитан на номинальное на-

пряжение 10 В.

Подходящая конденсаторная батарея мо-

жет быть составлена из 12 конденсаторов

Kemet 470 мкФ/10 В. В данном случае ток

утечки этих конденсаторов намного мень-

ше, чем указано в технических характери-

стиках. Например, для рабочего напряже-

ния 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 ра-

бочих характеристик определяет макси-

мальный 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


Традиционный подход предусматривает

использование нескольких кремниевых

диодов, соединенных последовательно

[5]. В некоторых регионах мира достаточ-

но двух диодов, в других обязательно при-

менение трех. Чтобы свести к минимуму

потери напряжения, используются диоды

Шоттки. Общее падение напряжения при

использовании трех последовательно со-

единенных диодов Шоттки при комнатной

температуре составляет около 0,5 В. Од-

нако при снижении температуры умень-

шается количество носителей заряда и

падение напряжения при заданном токе

увеличивается. В этом случае падение на-

пряжения 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) пове-

дение схемы защиты определяют только

нижние транзисторы и резисторы, верх-

ние транзисторы имеют обратное смеще-

ние и поэтому не пропускают ток. Нижние

транзисторы имеют прямое смещение и,

таким образом, работают в прямом актив-

ном режиме и насыщены. Поэтому общее

падение напряжения, вызванное тремя

транзисторами, очень мало при любой

температуре. Поскольку транзисторы на-

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).

Эти электронные схемы были разра-ботаны с использо-ванием итератив-ного подхода для оптимального рас-пределения энерге-тического потенци-ала с учетом различных режи-мов работы и кон-струкции устрой-ства.

сыщены, требуемый ток базы значительно

выше, чем для обычного прямого активно-

го режима. При этом подразумевается,

что на базу транзистора поступает нену-

левой ток эмиттера.

В обратном режиме (Vo > V

i и V

o > 0,6 В)

верхние транзисторы имеют прямое сме-

щение и пропускают ток. Они предназна-

чены для того, чтобы исключить пропуска-

ние тока транзисторами нижней группы за

счет создания обратного смещения. Это

необходимо потому, что биполярные тран-

зисторы являются относительно симме-

тричными. То есть коллектор и эмиттер

такого транзистора можно поменять ме-

стами, и он по-прежнему будет работать

как транзистор, хотя и с худшими характе-

ристиками. Это означает, что схема защи-

ты, состоящая только из нижних транзи-

сторов, не будет полностью блокировать

ток.

Для трех последовательно соединенных

диодов Шоттки с энергетическим КПД

около 48% при Vi = 1,5 В и L = 4 мА паде-

ние напряжения в прямом режиме при -

40°C равно примерно 0,78 В. В предлага-

емом решении с использованием

транзисторов при тех же условиях паде-

ние напряжения в прямом режиме состав-



[1] Спецификация физического уровня FSK, HART

Communication Foundation, август 1 999 г.

[2] Johnston, G., Unlocking stranded information: The

АББ WirelessHART upgrade FieldKey. (Извлече-

ние дополнительной информации. Беспровод-

ной адаптер АББ WirelessHART FieldKey), АББ

Review 4/2009, 27-32.

[3] Стандарт IEC 60079/11. Взрывоопасные среды

— 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

тантала и оксида ниобия), AVX Corporation.

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

simplicity itself (Искробезопасность — это

просто), Международная конференция по

электрической безопасности в опасных зонах

(103-105).

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

increasing the power available to an intrinsically

safe wireless HART FieldKey (О повышении

мощности для искробезопасного беспроводно-

го адаптера HART FieldKey), Международный

симпозиум IEEE по промышленной электрони-

ке.

ляет около 193 мВ, а потери по току — 69

мкА с энергетическим КПД около 85%.

Более подробное обсуждение и анализ

блокирующего барьера на основе транзи-

сторов можно найти в [6].

Эти электронные схемы были разработа-

ны с использованием итеративного подхо-

да для оптимального распределения

энергетического потенциала с учетом раз-

личных режимов работы (ожидание, демо-

дуляция и модуляция) и конструкции

устройства (аналоговое, цифровое). Ис-

пользуя методы, описанные в этой статье,

группа инженеров и ученых-исследовате-

лей разработала адаптер WirelessHart с

наименьшим падением напряжения среди

представленных на рынке аналогов.

Для получения дополнительной информации посе-

тите интернет-сайт: www.abb.com/fieldbus.

Янник Марет


Baden-Dattwil, Switzerland

[email protected]

Стефан У. Свенссон


Ludvika, Sweden

[email protected]

тило Мерлин

Системы измерений АББ Germany

[email protected]

Группа инженеров и ученых-исследо-вателей разработа-ла адаптер WirelessHart с наи-меньшим падением напряжения среди представленных на рынке аналогов.

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

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

44.6

14.5

5.42.7 0.3

25

°C_D

LC

_10

V_3

00

s

40

°C_D

LC

_10

V_3

00

s

60

°C_D

LC

_10

V_3

00

s

85

°C_D

LC

_10

V_3

00

s

25

°C_D

LC

_3,6

V_3

00

s

40

°C_D

LC

_3,6

V_3

00

s

60

°C_D

LC

_3,6

V_3

00

s

85

°C_D

LC

_3,6

V_3

00

s

0.7 2.1

5.1

Уте

чка

по

по

сто

янн

ом

у то

ку (

мкА

) 50

40

30

20

10

0

Измерение при 10 В в течение 300 с Измерение при 3,6 В в течение 300 с

8 Предложенная АББ схема барьера для блокировки обратного тока

Падение напряжения

Ii

Vi

I0

Vo

71

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 промыш-

ленноразвитых странах сталкиваются с проблемами устарева-

ния инфраструктуры, нуждающейся в модернизации для

удовлетворения растущего потребления и снижения потерь и

утечек, а также для соблюдения требований по энергосбереже-

нию и охране окружающей среды.

Номер 4/2011 журнала АББ Review будет посвящен технологи-

ям 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 проана-

лизированы пути повышения энергоэффективности водоснаб-

жения. В качестве нетрадиционных источников воды будут

рассмотрены опреснительные установки. Эти и другие темы

будут обсуждаться в номере 4/2011 журнала АББ Review.

Анонс

АББ Ревю 4|11

Редакционная коллегия

Клас РитофтДиректор по технологиямОтдел исследований, разработок и технологийгруппы АББ

Кларисса хэллерРуководитель отдела корпоративных связей

Рон ПопперРуководитель отдела корпоративной ответственности

Эеро ЯаскелаРуководитель экономического отдела группы

Андреас МоглестьюГлавный редактор журнала АББ Review [email protected]

ИздательАBB Review издается отделом исследований, разработок и технологий группы АББ.ABB Technology Ltd. АББ ReviewAffolternstrasse 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

типографияVorarlberger Verlagsanstalt GmbH AT-6850 Dornbirn/Austria

МакетDAVILLA AG Цюрих, Швейцария

Отказ от ответственностиСведения, 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.

ISSN: 1013-3119

www.abb.com/abbreview

Повышение энергоэффективности на 25%?

Конечно.

Комплексная автоматизированная система энергоснабжения компании АББ помогла крупнейшему алюминиевому заводу в Европе повысить энергоэффективность на 25% и одновременно увеличить производи-тельность. 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

Documents

АББ Ревю 3 2011