Flexible distributed control and protection system for industrial objects –Consumers of electric power Điều khiển phân phối và bảo vệ hệ thống điện công nghiệp – Hộ tiêu thụ điện năng. bài báo khoa học được dịch lại từ các tác giả của Nga, bài này đề cập tới vấn đề cách thức quản lý và tiếc kiệm điện năng bằng các hệ thống máy tính và các thiếc bị công nghệ PLC (Power Line Communication).
Trang 1Flexible distributed control and protection system for industrial objects –Consumers of electric power
Điều khiển phân tán linh hoạt và bảo vệ hệ thống điện công nghiệp –
Hộ tiêu thụ điện năng.
E.N Alontseva ∗, P.A Belousov
Obninsk Institute for Nuclear Power Engineering, NRNU MEPhI, 1, Studgorodok, Obninsk, Kaluga Region
249040, Russia
Available online xxx
Abstract
Problems of efficient use of electric power and energy saving remain to be outstanding in our country Implementation of smart systems for accounting and control
of energy resources becomes the efficient solution of these problems The problem of control and forecasting consumption of energy by the facility to cover internal needs represents an independent task In general, systems are suggested which pertain to the control and accounting of energy resources supplied to the consumer of electric power Approach to the development of system on the basis of concept of smart grids using dedicated complex of technical and software products allowing optimizing electric power expenditures, re-distributing electric power and promptly adjusting electric power grid characteristics is addressed in the present paper Electric power supply control and monitoring devices receiving and transferring information to the server are installed in the places of connection of consumers to electric power supply grids Server collects, accumulates and stores the information and is equipped with dedicated software allowing optimizing the load, preventing overloading and development of emergency situations within the electric power supply system Such systems are suggested to be implemented
by the facilities of nuclear industry
Tóm Tắt
Các vấn đề về hiệu quả sử dụng điện năng và tiết kiệm năng lượng vẫn là nổi bật ở nước ta Thực hiện hệ thống thông minh cho việc tính toán và kiểm soát các nguồn tài năng lượng điện trở thành giải pháp hiệu quả của những vấn đề này Các vấn đề kiểm soát
và dự báo mức tiêu thụ năng lượng bởi các cơ sở đáp ứng nhu cầu nội bộ cho là một nhiệm vụ độc lập Nhìn chung, hệ thống được đề nghị đó liên quan đến việc kiểm soát và tính toán nguồn điện năng cung cấp cho người tiêu thụ điện Để tiếp cận sự phát triển hệ thống trên khái niệm cơ sở về mạng lưới thông minh ứng dụng các công nghệ phẩn mền
kỹ thuật cao và chuyên dụng cho phép tối ưu hóa chi phí điện, tái phân phối điện và kịp thời điều chỉnh các đặc tính lưới điện được đề cập trong bài này Việc kiểm soát nguồn điện và các thiết bị giám sát tiếp nhận và chuyển giao thông tin đến máy chủ được cài đặt
ở các vị trí kết nối của người tiêu thụ tới mạng lưới nguồn điện Máy chủ thu thập, tích lũy và lưu trữ các thông tin và được trang bị phần mềm chuyên dụng cho phép tối ưu hóa tải, ngăn ngừa quá tải và sự phát triển của tình huống khẩn cấp trong hệ thống cung cấp điện hệ thống như vậy đang đề nghị được thực hiện bởi các cơ sở của ngành công nghiệp hạt nhân
Trang 2Current day development of the
national economy neces- sitates the need
to ensure high-quality and reliable energy
supply and energy consumption
Domestically manufactured and imported
systems using diverse methods of control
of electric power supply quality and
systems for diagnostics of separate
parameters of objects of the energy
system are offered on the market
Achieving resolution of the problem of
energy saving is further complicated by
pronounced ageing of energy equipment,
high costs of repairs of such equip- ment
and severe conditions existing on the
energy market of the country According
to the data presented in the “Energy
strategy of Russia for the period until
2030”[1] , not yet realized managerial
and technological potential of energy
sav- ing reaches up to 40% of the overall
volume of internal energy consumption
Efficient use of energy resources implies,
first of all, strict control of consumption
using advanced accounting systems One
of the directions is the reduction of losses
of electric power due to the
implementation of smart accounting
systems providing the possibility of
accounting the quality of electric power
supplied and limiting the load
As an example let us examine
nuclear power plant (NPP) [2] One of
the outstanding tasks is to forecast
electric power consumption for coverage
of internal needs of the NPP for the given
period of time
Giới thiệu:
Ngày nay sự phát triển của nền kinh
tế quốc gia đòi hỏi sự cần thiết để đảm bảo chất lượng cao và đáng tin cậy của điện năng cung cấp và tiêu thụ Hệ thống sản xuất và truyền tải trong nước sử dụng nhiều phương pháp của kiểm soát chất lượng nguồn điện và hệ thống chẩn đoán các thông số riêng biệt của các đối tượng trong hệ thống năng lượng được cung cấp trên thị trường việc giải quyết được vấn đề tiết kiệm năng lượng thì phức tạp hơn bởi lão hóa rõ rệt của thiết bị năng lượng, chi phí sữa chữa cao và điều kiện khắc nghiệt tồn tại trên thị trường năng lượng của đất nước Theo số liệu được trình bày trong "chiến lược năng lượng của Nga cho giai đoạn đến năm 2030" [1], chưa nhận ra tiềm năng quản lý và công nghệ của tiết kiệm năng lượng đạt đến 40% khối lượng tổng tiêu thụ năng lượng nội bộ Sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng bao gồm, trước hết, kiểm soát nghiêm ngặt của tiêu dùng sử dụng
hệ thống tính toán tiên tiến Một trong những định hướng là giảm tổn thất điện năng do việc thực hiện hệ thống thanh toán thông minh cung cấp các khả năng của tính toán chất lượng điện năng cung cấp và hạn chế tải trọng
Như một ví dụ để chúng tôi kiểm tra nhà máy điện hạt nhân (NPP) [2] Một trong những nhiệm vụ xuất sắc là để dự báo mức tiêu thụ năng lượng điện cho việc đáp ứng nhu cầu nội bộ của NPP cho thời gian nhất định
Trang 3Consumption of electric power to cover
auxiliary needs is explained by the large
number of consumers of electric power
ensuring functioning of NPP equipment
and administrative buildings NPP
procures electric power to cover internal
consumption from the united electric
power supply system based on the
forecasted energy consumption Whether
the NPP will consume the whole
pre-ordered electric-power or will exceed (or
will fall short of) the allocated limits
depends on the accuracy of the forecast
In case of inaccurate forecasting and
deviation from the allocated limits of
electric power supply the NPP will be
forced to pay a penalty
At present no mathematical models have yet been devel-oped allowing evaluating with high enough precision Tiêu thụ năng lượng điện đáp ứng nhu cầu phụ trợ được giải thích bởi một số lượng lớn người tiêu dùng điện năng đảm bảo hoạt động của thiết bị máy điện hạt nhân và các tòa nhà hành chính NPP thu mua điện để trang trải tiêu dùng nội bộ từ
hệ thống cung cấp điện thống nhất dựa trên mức tiêu thụ năng lượng được dự báo Cho dù các NPP sẽ tiêu thụ toàn bộ điện định trước hoặc sẽ vượt quá giới hạn định mức phụ thuộc vào độ chính xác của
dự báo Trong trường hợp dự báo không chính xác và độ lệch từ các giới hạn phân
bổ các nguồn cung cấp điện máy điện hạt nhân sẽ bị buộc phải trả tiền phạt
Trang 4Hiện nay không có mô hình toán
học vẫn chưa được soạn thảo những cho
phép đánh giá với độ chính xác cao
the need in electric power to cover
internal consumption for the fore-casted
period of time Enhancement of accuracy
of forecasting is achievable due to the
accumulation of detailed informa- tion
about each of the consumers of electric
power (piece of equipment, workshop
and/or subdivision) and generation of
database of the consumers Such systems
are built on the ba- sis of the concept of
the so-called smart grids The smart grid
technology represents the system
optimizing energy expendi- tures and
allowing re-distributing electric power
and promptly changing characteristics of
the electrical grid At the level of
technological process bundling of
electrical grids, consumers and producers
of electricity within the united automated
sys- tem takes place using dedicated
complex of technical means
Role and place of the proposed system
General layout of systems for
distribution, accounting and control of
electric power is provided in Fig 1.
Electric power distribution systems
covering the whole chain from
production (generation) of electric power
to the final consumer at the level of
facility (company) occupy the upper
level The task for this level is to supply
high-quality electric power to the facility
without disruptions in the supplies, to
reduce the probability of theft of electric
power Rates of electric power
consumption are developed for the
facility at this level Au- tomated systems
for control and accounting of electric power resources (electric power) referring to the distribution of elec- tric power within the facility are attributed to
đủ nhu cầu trong điện để trang trải tiêu dùng nội bộ trong giai đoạn dự báo thời gian Tăng độ chính xác dự báo có thể đạt được do sự tích lũy các thông tin chi tiết về mỗi người tiêu dùng năng lượng điện ( thiết bị, nhà xưởng và / hoặc phân khu) và cơ sở dữ liệu chung của người tiêu dùng Hệ thống như vậy được xây dựng trên cơ sở các khái niệm gọi là mạng lưới thông minh Các công nghệ lưới điện thông minh đại diện cho hệ thống tối ưu hóa chi phí điện và cho phép phân phối lại điện và kịp thời thay đổi đặc tính của lưới điện Ở cấp độ quy trình công nghệ gói lưới điện, người tiêu dùng
và nhà sản xuất điện trong các hệ thống
tự động thống nhất sử dụng các phương tiện chuyên dụng kỹ thuật cao
Vai trò và vị trí của hệ thống
Sự bố trí chung của hệ thống phân phối, tính toán và kiểm soát năng lượng điện được cung cấp trong hình 1 Hệ thống phân phối điện bao gồm toàn bộ chuỗi từ sản xuất (điện) tới khách hàng tiêu thụ cuối cùng ở cấp cơ sở (công ty) giữ mức cao hơn Nhiệm vụ cho cấp độ này là để cung cấp điện chất lượng cao cho cơ sở mà không có sự gián đoạn trong nguồn cung cấp, để giảm khả năng xảy ra trộm cắp điện Mức tiêu thụ điện năng được phát triển cho các cơ sở ở cấp
độ này Hệ thống tự động để kiểm soát và thanh toan của các nguồn năng lượng (điện) đề cập đến sự phân phối điện trong
Trang 5cơ sở được quy về cấp độ thứ hai Nhiệm
vụ cho cấp độ này là tự động thu thập dữ
liệu cho thanh toán thương mại điện năng
the second level The task for this level is
to automatically collect the data for
commercial accounting of electric power
at the level of con- sumer (facility) using
installed accounting devices
The proposed system refers to the
third level The task for the third level is
to perform complex assessment of
func-tioning of electric power supply grids at
the level of electric power consumer
allowing ensuring safe maintenance of
ca- ble power lines, electrical equipment,
generating recommen- dations pertaining
to the optimization of connection of load,
storage and analysis of the data on the
consumed electric power for each
element of the grids
Architecture and arrangement of the
system
Small innovation enterprise
affiliated to the Obninsk In- stitute for
Nuclear Power Engineering of the
NRNU MEPhI pursues the developmqnt
of flexible distributed system for control
and protection of final users of electric
power at the industrial objects General layout of the system is provided in Fig 2
ở cấp độ của người tiêu dùng (cơ sở) sử dụng các phần mền kế toán
Hệ thống đề xuất đề cập đến cấp độ thứ ba Các nhiệm vụ cho cấp độ thứ ba
là để thực hiện đánh giá phức tạp của các hoạt động của lưới điện cung cấp điện ở cấp độ của tiêu thụ điện cho phép đảm bảo duy trì an toàn của đường dây cáp điện, thiết bị điện, tạo ra khuyến nghị liên quan đến việc tối ưu hóa kết nối của tải, lưu trữ và phân tích các dữ liệu trên điện tiêu thụ cho mỗi phần tử của lưới
Cấu trúc và bố trí hệ thống
Doanh nghiệp nhỏ trực thuộc Obninsk In- stitute for Nuclear Power Engineering of the NRNU MEPhI theo đuổi sự phát triển của hệ thống phân phối linh hoạt để kiểm soát và bảo vệ những người sử dụng điện mức sau cùng tại các công trình công nghiệp Sơ đồ bố trí chung của hệ thống được cung cấp trong hình 2
Trang 6Electrical power supply control
devices are preliminarily installed at the
point of connection of consumers to the
elec- tric power supply system [3] In
order to connect the device a package of
data containing parameters for setting up
the device is transmitted using powerline
communications net- work (PLC),
commands are issued to switch electrical
power supply on (off), to measure
electrical voltage, current and wattage
The package of data on the status of the
device and values of controlled
parameters is transmitted at preset time
intervals over the local network The
device is capable to switch of electric
power supply in automatic mode in case
of development of emergency situations,
overloading and fail- ures of the electric
power supply grids The device
control-ling electric power supply to the
consumers of electric power is capable to
implement the functions of protection of
con- sumer’s (consumers’) devices and
the electric power supply grids and to
transmit the data containing values of
controlled parameters [4]
In case of impossibility to use
PLC-network local commu- nication PLC-network
between other devices can be realized
using radio transmission channel (e.g
433 or 868 MHz) or other data
communication technologies (for
instance, Ethernet net- work, wireless
Wi-Fi, Zigbee network)
Thiết bị kiểm soát nguồn cung cấp năng lượng điện được cài đặt sơ bộ tại các điểm kết nối của người tiêu dùng với
hệ thống cung cấp điện [3] Để kết nối các thiết bị một gói dữ liệu chứa các thông số cho việc cài đặt các thiết bị được truyền sử dụng mạng lưới thông tin liên lạc đường dây (PLC), lệnh này được ban hành để đóng ngắt nguồn điện ON (OFF), đo điện áp, đo dòng điện và công suất Các gói dữ liệu về tình trạng của thiết bị và giá trị của các thông số điều khiển được truyền ở khoảng thời gian định trước qua mạng nội bộ Thiết bị này
có khả năng đóng ngắt nguồn điện năng
ở chế độ tự động trong trường hợp có tình huống khẩn cấp phát sinh, quá tải và
hư hỏng mạng lưới điện Thiết bị kiểm soát nguồn điện cấp cho người tiêu thụ điện có khả năng để thực hiện các chức năng bảo vệ thiết bị nơi tiêu thụ điện, mạng lưới nguồn điện và truyền tải dữ liệu có chứa các giá trị của các thông số điều khiển [4]
Trong trường hợp dùng mạng thông tin cục bô PLC giữa các thiết bị thì có thể được thực hiện bằng cách sử dụng những kênh truyền dẫn vô tuyến (e.g 433 or
868 MHz) hoặc các công nghệ truyền dữ liệu khác (ví dụ, mạng Ethernet, không dây WiFi, Zigbee mạng)
Trang 7If signal converter module is added
to the device retrans- mission unit is thus
obtained allowing configuring the
chan-nel (for instance, Ethernet network,
wireless Wi-Fi, Zigbee network) for data
communication from all devices to the
ex- ternal data storage server where
collection, processing and storage of all
data are performed and scenarios for
control of devices (equipment) are
generated External server imple- ments
collection, accumulation and storage of
information and is equipped with
dedicated software [5] for accounting the
quantity of consumed electric power in
time, quality of sup- plied electric power,
control of switching electrical power
sup-ply control devices on and off This
information is used for analysis and
identification of dependences, plotting
graphs, charts, diagrams and tables For
example, it is possible to store and plot
the profile (several profiles) of energy
con- sumption for each device
controlling electric power supply
Additional information about the
consumer is stored by the external server
including database of devices, diagram of
the electric power supply grid (drawing
of the electric power sup- ply grid and its
characteristics), rights of the consumers
to access the information, as well as
auxiliary data required for calculations
Nếu mô-đun chuyển đổi tín hiệu được lắp vào các thiết bị phát lại chuẩn thì cho phép cấu hình của kênh (ví dụ, mạng Ethernet, không dây WiFi, mạng Zigbee) cho truyền thông dữ liệu từ tất cả các thiết bị đến máy chủ lưu trữ dữ liệu bên ngoài là nơi thu gom, xử lý và lưu trữ tất cả dữ liệu được thực hiện và cách thức để kiểm soát các thiết bị (thiết bị) được tạo ra Máy chủ bên ngoài thực hiện thu thập, tích lũy và lưu trữ thông tin và được trang bị phần mềm chuyên dụng [5]
để hạch toán số lượng điện năng tiêu thụ trong thời gian, chất lượng điện năng cung cấp, kiểm soát các thiết bị điều khiển đóng ngắn nguồn điện cung cấp “
ON or OFF” Thông tin này được sử dụng để phân tích và xác định sự phụ thuộc, vẽ biểu đồ, biểu đồ, sơ đồ và bảng biểu Ví dụ, nó có thể lưu trữ và biểu đồ đặc tính (several profiles) của điện năng tiêu thụ cho mỗi thiết bị điều khiển nguồn điện cung cấp Hơn nữa, thông tin
về người tiêu thụ điện được lưu trữ bởi máy chủ bên ngoài bao gồm cơ sở dữ liệu của các thiết bị, sơ đồ của lưới điện cung cấp điện (bản vẽ của lưới điện cung cấp điện năng và đặc tính của nó), quyền lợi của người tiêu dùng để truy cập thông tin, cũng như dữ liệu phụ trợ cần thiết cho tính toán
Trang 8By entering the identifier and the
password using Ethernet network or
Internet operator obtains access to the
analysis of information communicated to
the data repository of the server, to
on-line monitoring of electric power
consumption, account- ing of electric
power consumption by separate electric
power supply control devices, and,
consequently, by equipment or device
connected to the electric power supply
grids, and to control of quality of
supplied electric power Operator also
can optimize the load, conduct remote
control of switching on (off) of electric
power supply devices, diagnose failures,
take and implement decisions on the
setting time intervals for operation of
equipment, set limitations on the
consumed elec- tric power The system
allows implementing on-line control of
electric power consumption and
forecasting the volumes of required
needs in electric power for the preset
time period take and implement decisions
on the setting time intervals for operation
of equipment, set limitations on the
consumed elec- tric power The system
allows implementing on-line control of
electric power consumption and
forecasting the volumes of required
needs in electric power for the preset
time period
Việc sử dụng mạng Ethernet hoặc Internet nhân viên nhập tên và mật khẩu thì có được quyền truy cập vào các thông tin được phân tích để liên lạc đến kho lưu trữ dữ liệu của máy chủ, để giám sát trực tuyến của điện năng tiêu thụ, tính toán điện năng tiêu thụ bằng các thiết bị kiểm soát nguồn cung cấp điện riêng biệt và bằng các thiết bị kết nối với mạng lưới nguồn cung cấp điện và để kiểm soát chất lượng điện năng cung cấp Người điều hành cũng có thể tối ưu hóa việc tải, thực hiện điều khiển từ xa các thiết bị ON( OFF) của cung cấp điện, phán đoán phát hiện hư hỏng,thực hiện và thi hành các quyết định về các khoảng thời gian thiết lập cho vận hành của thiết bị, thiết lập định mức điện năng tiêu thụ Hệ thống cho phép thực hiện điều khiển trực tuyến của điện năng tiêu thụ và dự báo mức nhu cầu điện cần thiết trong khoảng thời gian định trước và thi hành các quyết định về cài đặt khoảng thời gian cho thiết
bị vận hành, đặt mức cao nhất điện năng tiêu thụ Hệ thống cho phép thực hiện điều khiển trực tuyến của điện năng tiêu thụ và dự báo mức nhu cầu điện năng cần thiết điện trong khoảng thời gian định sẵn
Trang 9Conclusion
Reduction of losses of electric power due
to the imple- mentation of smart
accounting systems with possibility of
ac- counting quality of supplied electric
power and limitation of load constitutes
an important task, including, in
particular, facilities belonging to nuclear
industry The proposed system refers to
technical means for control and
accounting of parameters of electric
power supply grids, in particular,
consumption of electric power with
possibility of control of connection of
devices The system possesses scalability
(due to the use of standard electric power
supply devices) and flexibility
(combination of different data
com-munication technologies) properties The
system is intended for analysis of electric
power consumption, planning and
op-timization of load, practical
implementation of solutions for
presetting time intervals for operation of
equipment and for preventing
unauthorized use of electric power
Kết luận
Giảm tổn thất điện năng do việc thực hiện hệ thống tính toán thông minh với khả năng tính toán chất lượng điện năng cung cấp và hạn chế tải trọng tạo thành một nhiệm vụ quan trọng, bao gồm cả, đặc biệt là các cơ sở thuộc ngành công nghiệp hạt nhân Hệ thống được đề xuất
đề cập đến phương tiện kỹ thuật để kiểm soát và tính toán các thông số của mạng lưới cung cấp điện, đặc biệt mức tiêu thụ điện năng với khả năng kiểm soát của các thiết bị kết nối hệ thống sở hữu khả năng
mở rộng (do việc sử dụng các thiết bị chuẩn cho nguồn cung cấp điện) và linh hoạt (sự kết hợp của công nghệ truyền dữ liệu khác nhau) tài sản Hệ thống này nhằm để phân tích mức tiêu thụ điện năng, kế hoạch và tối ưu hóa tải, thực hiện thực tế của các giải pháp để cài đặt trước khoảng thời gian cho thiết bị vận hành và để ngăn ngừa sử dụng trái phép điện
References
[1] Directive of the Government, Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2030 goda Rasporyazhenie Pravitelstva RF ot 13.11.2009 №1715-p [Energy strategy of Russia for the period until 2030 Direc- tive of the Government of the RF No 1715-r dated 13.11.2009], 2009 (in Russian)
[2] S.S Ledin , Autom Ind (Electron J.) 4 (2012) 23–26 (in Russian)
[3] Churkin E.G., Sidorov E.B., Belousov P.A., Alontseva E.N., Ustroystvo upravleniya elekropitaniem potrebiteley elektricheskoy energii [Power control device for
electricity consumers] Patent of the RF No 148507, 2014 (in Russian)
[4] Churkin E.G., Sidorov E.B., Belousov P.A., Mozhaev E.A., Alontseva E.N Smart energy Base Soft Certificate of computer program of the RF No 14852014616602,
2014 (in Russian)
[5] Churkin E.G., Sidorov E.B., Belousov P.A., Fomin A.I., Alontseva E.N Smart
energy Control Soft Certificate of computer program of the RF No 2014660141,
Trang 102014 (in Russian).