Программно-вычислительный комплекс «ОЦЕНКА» для расчетов текущего режима ЭЭС по телеинформации в составе подсистемы оперативного управления режимами
, , Эм Л. В.
Институт систем энергетики им. СО РАН, Иркутск
1.Введение
В середине 90-х годов новые структурные и экономические условия в электроэнергетике привели к дальнейшему развитию принципов и задач автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ) ЕЭС России. В настоящее время развитие АСДУ продолжается в трех основных направлениях:
перевод АСДУ на новую платформу (вычислительная техника и стандартное программное обеспечение);
развитие и совершенствование систем сбора и передачи данных;
переработка на новую платформу эксплуатировавшегося ранее программного обеспечения и разработка новых функциональных задач.
Всю АСДУ ЕЭС можно разделить на 3 подсистемы:
1. подсистема автоматического управления, работающая в реальном времени и в закрытом режиме, то есть без участия человека;
2. подсистема оперативного управления режимами (ОУР), работающая в реальном времени (on-line) и в открытом режиме, то есть с участием технологического персонала;
3. подсистема планирования режимами, работающая вне реального времени с участием технологического персонала, которая позволяет наряду с основной функцией – анализом и планированием режимов ЕЭС – осуществлять режим расширенного реального времени – функции тренажера диспетчера.
В данной статье приводится описание программно-вычислительного комплекса (ПВК) «Оценка», разработанного в ИСЭМ СО РАН [1] и предназначенного для решения задачи оценивания состояния (ОС) ЭЭС в подсистеме ОУР. Также рассматриваются вопросы интеграции ПВК в оперативно-информационный управляющий комплекс (ОИУК) ЭЭС.
На рис.1. приведена блок - схема подсистемы ОУР и взаимосвязи основных блоков в подсистеме. Поясним назначение некоторых из блоков:
оперативно-информационный комплекс (ОИК) осуществляет прием, обработку хранение и отображение оперативной информации;
база данных (БД) обеспечивает хранение, обмен данных и результатов, необходимых для работы основных функциональных блоков;
блок “Графика ” осуществляет функции графического редактора схем (в том числе подготовка данных) и визуализации результатов работы функциональных блоков, в том числе на географическую карту;
блок “Оценка состояния” на основе модели сети, телеизмерений (ТИ) и телесигналов (ТС) формирует модель текущего режима ЭЭС в реальном времени;
основные функциональные блоки (1-6) на основе модели текущего режима ЭЭС осуществляют контроль за режимом и коррекцию по критериям надежности, допустимости и экономичности.
Рис.1. Блок-схема подсистемы ОУР ЭЭС
2.Описание ПВК «Оценка».
2.1 Назначение и основные функции
ПВК «Оценка»- это сложный многофункциональный комплекс, предназначенный для расчета текущего режима ЭЭС (модулей и фаз узловых напряжений, перетоков активных и реактивных мощностей) по данным телеизмерений (ТИ) ряда параметров режима и телесигналов (ТС) о положении коммутационной аппаратуры с помощью методов оценивания состояния.
ПВК может использоваться:
· для автоматизированной обработки контрольных замеров;
· для расчета текущего режима ЭЭС, на основе которого затем выполняются функции оперативного контроля и анализа режимов, оперативного анализа надежности, оперативной коррекции режима и другие функции оперативного управления;
· для накопления статистики поступающих ТИ, позволяющей показать качество системы сбора данных.
В составе ПВК решаются следующие задачи, входящие в комплекс ОС в реальном времени:
· достоверизация ТС и оперативное формирование текущей расчетной схемы;
· анализ наблюдаемости текущей расчетной схемы;
· обнаружение грубых ошибок в ТИ;
· фильтрация случайных погрешностей ТИ, т. е. получение их оценок и дорасчет неизмеренных параметров;
· идентификация дисперсий измерений, необходимых для задания весовых коэффициентов в задаче ОС, уточнение некоторых параметров схемы замещения, например, коэффициентов трансформации;
· ведение архивов значений ТИ с признаками достоверности и их оценок;
· расчёт и анализ значений потерь активной мощности в сети, а также предлагаются сервисные функции, осуществляющие ввод и редактирование исходной информации из файлов ПВК или из базы данных, отображение результатов расчетов в табличной и графической форме, организацию двусторонней связи между ПЭВМ и ОИКом, статистическую обработку архива достоверности ТИ в табличном и графическом виде.
Предусмотрены два режима работы программы ОС: циклический и диалоговый.
В циклическом режиме выполняется автоматический перезапуск программы ОС с интервалом, не меньшим, чем время обновления массивов текущих значений телеинформации в ОИКе. В настоящее время для ЦДУ ЕЭС время обновления массивов ТИ и ТС составляет 10сек, а время перезапуска задачи ОС - задаётся оператором.
В диалоговом режиме работы предусмотрен дружественный интерфейс ПВК с пользователем, позволяющий:
· определять перечень задач, решаемых в составе комплекса ОС;
· выполнять корректировку входных данных;
· проводить расчеты по текущим массивам телеинформации или по массивам, выбираемым из архива ОИКа за определенную дату и время;
· осуществлять просмотр и анализ полученных результатов, в том числе работать с архивом результатов ОС, формируемым при работе задачи в пакетном режиме,
· а также выполнять ряд других функций, необходимых технологу.
2.2 Алгоритмы решения.
Задачи, решаемые на базе оценки состояния в реальном времени, предъявляют высокие требования к быстродействию используемых алгоритмов ОС, их надежности и качеству получаемого решения.
В ПВК «Оценка» реализованы методы ОС, основанные на использовании так называемых контрольных уравнений (КУ) [2]. Эти методы позволяют на единой методической основе решить все задачи, входящие в комплекс ОС в реальном времени. В то же время необходимость быстрого получения решения, а в ряде случаев невозможность получения однозначного решения с помощью численных методов, реализованных в ПВК, привели к необходимости использования методов искусственного интеллекта (ИИ) - искусственных нейронных сетей (ИНС) и генетических алгоритмов (ГА) при решении некоторых задач, входящих в состав ПВК ОС. В частности, ИНС используются для классификации ТИ на достоверные и ошибочные в группах сомнительных измерений, а также для достоверизации критических измерений, не вошедших в КУ [3]. ГА также используются в задаче достоверизации ТИ, заменяя численный метод идентификации плохих данных, связанный с перебором множества комбинаций ошибочных и достоверных ТИ и требующий больших вычислительных затрат [4].
2.3 Технические характеристики ПВК.
Функциональные модули комплекса «Оценка» были разработаны единожды, но затем адаптированы к архитектуре вычислительной техники, работающей под разными операционными системами. Следовательно, комплекс удовлетворяет требованиям программной переносимости.
ПВК «Оценка», с точки зрения программирования, это комплекс, состоящий из хорошо зарекомендовавших себя, отлаженных программ, написанных на Fortran’е. Язык Fortran существует уже почти полвека, но и сегодня не теряет своей актуальности. Главным образом – благодаря тому, что за это время накоплено огромное количество программ и библиотек, написанных на Fortran’е. Надо отметить, что именно акцент языка Fortran на вычислениях с плавающей точкой всегда являлся приоритетным при разработке программ технического профиля; он же стал причиной феноменального долголетия языка. Существуют возможности “осовременить” тексты, так как язык Fortran продолжает развиваться. В России сложилось так, что для разработки Fortran-приложений на ПК применяли MS Fortran PowerStation (FPS). ПВК «Оценка», скомпилированный сначала в среде FPS1.0 (Fortran-эмуляции 32-разрядной линейки) под DOS, затем был переведён под Windows в среде FPS 4.0 .
ПВК «Оценка» в новых информационно-технологических условиях достаточно просто переносится с одного вида вычислительной техники на другой. При этом соблюдаются принципы открытых систем, применяются новые версии языка программирования Fortran, предусматривается в перспективе использование параллельного Fortran’а. Всё вышеперечисленное позволяет ускорить время расчётов, что является необходимым требованием работы ПВК в реальном времени.
Спецификой задачи оценивания состояния ЭЭС является её самодостаточность – обработка телеинформации, пришедшей в ОИК на момент времени t и определение состояния ЭЭС на этот момент t. Далее данные архивируются и по запросу диспетчера или технолога могут быть вызваны на экран для анализа и принятия управляющего решения. Каждый оперативно-информационный комплекс (ОИК) располагает своими средствами вывода на экран любой необходимой информации. Рассматривается ли отечественный ОИК, разработанный для нужд энергосистемы ещё для мини-ЭВМ, или это пакет программного обеспечения системы SCADA – в каждом из них предусмотрена возможность просмотра результатов расчёта прикладных программ. Следовательно, работа по переносу программ комплекса заключается не в перенастройке интерфейса, главное – поддержание в рабочем состоянии функциональных модулей.
С другой стороны, как самостоятельный продукт, ПВК «Оценка» в Windows-версии окружён интерфейсом – управляющей оболочкой, написанной в объектно-ориентированной среде Delphi. Известно, что ведутся разработки по созданию Delphi под операционной средой Unix, значит, можно говорить о будущем переносе этой оболочки и на суперминиЭВМ Risc System (RS/6000) (подробнее об этом в п.3).
Интерфейсная оболочка ПВК разработана в обьектно-ориентированной среде Delphi. Благодаря этой среде можно:
· осуществлять высокопроизводительный обмен данными с различными базами данных, в частности, с СУБД Oracle;
· организовывать взаимодействие с системами сбора данных и средствами визуализации системы SCADA;
· создавать платформонезависимую версию комплекса ОС, работоспособную не только в различных версиях операционной системы Windows, но и в некоторых клонах Unix (Linux, Aix).
Для циклических расчетов на суперминиЭВМ RS/6000 разработана версия ПВК «Оценка» в вычислительной среде Аix.
Предусмотрен расчет схем размерностью 3000узлов, 6000связей, 10000 ТИ.
Временные характеристики ПВК: Для схемы размерностью 500 узлов, 700 связей, 2000 ТИ время решения на ПЭВМ Pentium-II составляет около 10 сек, на ЭВМ RS/6000 – 2-3 сек.
3. Cовременное состояние оперативно-информационного управляющего комплекса (ОИУК). Интеграция ПВК «Оценка» в систему SCADA
Основными компонентами программных средств сетевого ОИУК являются операционная система, сетевая среда и ОИК (или SCADA - Supervisory Control And Data Asquisition) - широко внедряемая в настоящее время новая система сбора и обработки данных разработки ведущих зарубежных фирм Siemens, ABB. С 1993г. в ЦДУ ЕЭС России и ряде крупных ОДУ идёт внедрение суперминиЭВМ RS/6000 (Risc System) для передачи им функций оперативно-информационного комплекса. Математическое обеспечение SCADA поддерживает функционирование комплекса, выполняя оперативный контроль и отображение параметров режима. На рис.2 представлена структура ОУИКа в общем виде [5]:
Рис.2. Схема ОИУК на базе не однородной сети
1-UNIX-серверы SCADA (для обмена телеинформацией с устройствами телемеханики- вместо ЦППС-центральных приёмо-передающих станций),
2-UNIX-рабочие станции диспетчерских терминалов,
3-UNIX - серверы приложений,
4-маршрутизатор,
5-персональные компьютеры (ПЭВМ).
Неоднородность сети обусловлена внедрением в однородную сеть ПЭВМ крупных рабочих станций (РC).
Главные функции SCADA предусматривают:
· приём и обработку телеинформации;
· формирование базы данных реального времени и создание архивов;
· отображение информации на мониторах ПЭВМ в виде схем, таблиц, графиков и др.;
· документирование данных;
· решение диспетчерских задач (суточная ведомость, сводки и т. п.).
Для решения задач-приложений в локальной сети устанавливается один или несколько серверов приложений, реализованных либо на базе мощных ПЭВМ, либо на базе супер-миниЭВМ. Смысл архитектуры клиент/сервер в разделении вычислительных мощностей: сервер занимается только обработкой данных, организацией доступа к данным, их резервным копированием и восстановлением. Сервер размещается на отдельном мощном компьютере, клиенты располагаются на персональных компьютерах, объединённых локальной вычислительной сетью с сервером.
Такая структура предусматривается для ЦДУ, ОДУ и крупных энергосистем. Более простая конфигурация, состоящая из однородной локальной сети персональных компьютеров, может быть использована для небольших энергосистем. Следует отметить, что вместо управляющей машины могут быть использованы контроллеры, которые осуществляют функции приема и первичной обработки данных телеметрии.
ПВК «Оценка» ориентирован на совместную работу с одним из вариантов системы SCADA (например, SCADA/SPECTRUM (Siemens), microSCADA (ABB), комплекс информационного обеспечения (КИО) – разработка ОДУ Сибири), в которой осуществляется прием ТИ и ТС от устройств телемеханики и их первичная обработка в темпе технологического процесса ЭЭС сек). Эти данные сохраняются в базе данных реального времени и архивах системы SCADA, а также на файл-сервере сети ПЭВМ и рабочих станций. Любая из ПЭВМ или РС, входящие в локальную вычислительную сеть, могут получить требуемые данные для решения технологических задач.
Исходной информацией для ПВК «Оценка» являются:
телеметрическая информация, псевдоизмерения,
адреса датчиков телемеханики,
параметры схемы сети,
ряд справочных и дорассчитанных данных (например, дисперсии телеизмерений),
ряд констант, необходимых непосредственно при вычислении (пороговые значения, максимальное число итераций вычислительного процесса, классы напряжений и др.).
Первые две составляющие исходной информации – это данные, поступающие в базу данных реального времени ОИКа (SCADA). Отсюда их и берёт комплекс «Оценка». На основе текущих значений ТС из базовой схемы формируется расчетная топологическая модель сети, для которой выполняется решение задачи ОС.
Остальная информация подлежит изменениям гораздо реже и может храниться в базе данных Oracle (или любой другой, используемой в этих целях). По SQL-запросу эта часть данных может быть взята из базы данных и использоваться для расчётов. Результаты вычислений комплекса «Оценка» архивируются и могут быть использованы другими программными приложениями или отображаться графическими средствами.
4.Выводы.
В ПВК «Оценка» реализованы алгоритмы, основанные на использовании контрольных уравнениях, позволяющие решать все задачи оценивания состояния на единой технологической основе и обеспечивать высокое быстродействие в темпе поступления телеизмерений (1 раз в 10 сек на ЭВМ RS/6000).
Достоверизация ТИ выполняется до решения задачи ОС, что, в отличие от апостериорной достоверизации, не требует многократного повторения задачи ОС. Сочетание метода КУ с методами ИИ обеспечивает экономичность и высокое быстродействие используемых алгоритмов, что делает их пригодными к использованию в задачах реального времени.
По сравнению с аналогичными зарубежными программами ПВК «Оценка» учитывает особенности российских энергосистем: слабую обеспеченность схемы телеизмерениями, использование псевдоизмерений в ненаблюдаемых фрагментах схемы, применение алгоритмов адаптации при изменении условий функционирования.
Получен платформонезависимый программный продукт, так как функциональные модули ПВК «Оценка» написаны на универсальный язык программирования Fortran.
ПВК «Оценка» легко может быть интегрирован в систему сбора и обработки данных типа SCADA, благодаря свойству открытости комплекса.
5. Литература
4. , , Эм Л. В., , Шелухин -вычислительный комплекс («Оценка») оценивания состояния ЭЭС в реальном времени. Электричество. 1999. №2. C.8 – 16.
5. , . Обнаружение плохих данных в телеизмерениях в электроэнергетических системах. Наука, Сиб. Предпр. РАН, Новосибирск.. 2000.
6. , Колосок телеизмерений в ЭЭС с помощью искусственных нейронных сетей. Электричество. 2000. №10. C.18 – 24.
7. , «Применение генетических алгоритмов при обработке телеизмерений в ЭЭС», Современные подходы к интеграции информационных технологий: Труды V Всероссийского семинара “Информационные технологии в энергетике», Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2001г, с124-133.
8. , , и др. Автоматизация диспетчерского управления в электроэнергетике. Издательство МЭИ, Москва, 2000.
