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).
Flexible distributed control and protection system for industrial objects –Consumers of electric power Điều khiển phân tán linh hoạt bảo vệ hệ thống điện công nghiệp – Hộ tiêu thụ điện 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 hiệu sử dụng điện tiết kiệm lượng bật nước ta Thực hệ thống thông minh cho việc tính toán kiểm soát nguồn tài lượng điện trở thành giải pháp hiệu vấn đề Các vấn đề kiểm soát dự báo mức tiêu thụ lượng sở đáp ứng nhu cầu nội cho nhiệm vụ độc lập Nhìn chung, hệ thống đề nghị liên quan đến việc kiểm soát tính toán nguồn điện cung cấp cho người tiêu thụ điện Để tiếp cận phát triển hệ thống khái niệm sở mạng lưới thông minh ứng dụng công nghệ phẩn mền kỹ thuật cao chuyên dụng cho phép tối ưu hóa chi phí điện, tái phân phối điện kịp thời điều chỉnh đặc tính lưới điện đề cập Việc kiểm soát nguồn điện thiết bị giám sát tiếp nhận chuyển giao thông tin đến máy chủ cài đặt vị trí kết nối người tiêu thụ tới mạng lưới nguồn điện Máy chủ thu thập, tích lũy lưu trữ thông tin trang bị phần mềm chuyên dụng cho phép tối ưu hóa tải, ngăn ngừa tải phát triển tình khẩn cấp hệ thống cung cấp điện hệ thống đề nghị thực sở ngành công nghiệp hạt nhân Introduction Giới thiệu: Current 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 Ngày phát triển kinh tế quốc gia đòi hỏi cần thiết để đảm bảo chất lượng cao đáng tin cậy điện cung cấp tiêu thụ Hệ thống sản xuất truyền tải nước sử dụng nhiều phương pháp kiểm soát chất lượng nguồn điện hệ thống chẩn đoán thông số riêng biệt đối tượng hệ thống lượng cung cấp thị trường việc giải vấn đề tiết kiệm lượng phức tạp lão hóa rõ rệt thiết bị lượng, chi phí sữa chữa cao điều kiện khắc nghiệt tồn thị trường lượng đất nước Theo số liệu trình bày "chiến lược lượng Nga cho giai đoạn đến năm 2030" [1], chưa nhận tiềm quản lý công nghệ tiết kiệm lượng đạt đến 40% khối lượng tổng tiêu thụ lượng nội Sử dụng hiệu nguồn lượng bao gồm, trước hết, kiểm soát nghiêm ngặt tiêu dùng sử dụng hệ thống tính toán tiên tiến Một định hướng giảm tổn thất điện việc thực hệ thống toán thông minh cung cấp khả tính toán chất lượng điện cung cấp hạn chế tải trọng Như ví dụ để kiểm tra nhà máy điện hạt nhân (NPP) [2] Một nhiệm vụ xuất sắc để dự báo mức tiêu thụ lượng điện cho việc đáp ứng nhu cầu nội NPP cho thời gian định Consumption 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 preordered 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 lượng điện đáp ứng nhu cầu phụ trợ giải thích số lượng lớn người tiêu dùng điện đảm bảo hoạt động thiết bị máy điện hạt nhân tòa nhà hành NPP thu mua điện để trang trải tiêu dùng nội từ hệ thống cung cấp điện thống dựa mức tiêu thụ lượng dự báo Cho dù NPP tiêu thụ toàn điện định trước vượt giới hạn định mức phụ thuộc vào độ xác dự báo Trong trường hợp dự báo không xác độ lệch từ giới hạn phân bổ nguồn cung cấp điện máy điện hạt nhân bị buộc phải trả tiền phạt Hiện mô hình toán học chưa soạn thảo cho phép đánh giá với độ 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 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 điện để trang trải tiêu dùng nội giai đoạn dự báo thời gian Tăng độ xác dự báo đạt tích lũy thông tin chi tiết người tiêu dùng lượng điện ( thiết bị, nhà xưởng / phân khu) sở liệu chung người tiêu dùng Hệ thống xây dựng sở khái niệm gọi mạng lưới thông minh Các công nghệ lưới điện thông minh đại diện cho hệ thống tối ưu hóa chi phí điện cho phép phân phối lại điện kịp thời thay đổi đặc tính lưới điện Ở cấp độ quy trình công nghệ gói lưới điện, người tiêu dùng nhà sản xuất điện hệ thống tự động thống sử dụng phương tiện chuyên dụng kỹ thuật cao Vai trò vị trí hệ thống Sự bố trí chung hệ thống phân phối, tính toán kiểm soát lượng điện cung cấp hình Hệ thống phân phối điện bao gồm toàn chuỗi từ sản xuất (điện) tới khách hàng tiêu thụ cuối cấp sở (công ty) giữ mức cao Nhiệm vụ cho cấp độ để cung cấp điện chất lượng cao cho sở mà gián đoạn nguồn cung cấp, để giảm khả xảy trộm cắp điện Mức tiêu thụ điện phát triển cho sở cấp độ Hệ thống tự động để kiểm soát toan nguồn lượng (điện) đề cập đến phân phối điện sở quy cấp độ thứ hai Nhiệm vụ cho cấp độ tự động thu thập liệu cho toán thương mại điện 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 functioning 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 cấp độ người tiêu dùng (cơ sở) sử dụng phần mền kế toán Hệ thống đề xuất đề cập đến cấp độ thứ ba Các nhiệm vụ cho cấp độ thứ ba để thực đánh giá phức tạp hoạt động lưới điện cung cấp điện cấp độ tiêu thụ điện cho phép đảm bảo trì an toàn đường dây cáp điện, thiết bị điện, tạo khuyến nghị liên quan đến việc tối ưu hóa kết nối tải, lưu trữ phân tích liệu điện tiêu thụ cho phần tử lưới Cấu trúc bố trí hệ thống Doanh nghiệp nhỏ trực thuộc Obninsk In- stitute for Nuclear Power Engineering of the NRNU MEPhI theo đuổi phát triển hệ thống phân phối linh hoạt để kiểm soát bảo vệ người sử dụng điện mức sau công trình công nghiệp Sơ đồ bố trí chung hệ thống cung cấp hình Electrical 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 controlling 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 PLCnetwork local commu- nication 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 lượng điện cài đặt sơ điểm kết nối người tiêu dùng với hệ thống cung cấp điện [3] Để kết nối thiết bị gói liệu chứa thông số cho việc cài đặt thiết bị truyền sử dụng mạng lưới thông tin liên lạc đường dây (PLC), lệnh ban hành để đóng ngắt nguồn điện ON (OFF), đo điện áp, đo dòng điện công suất Các gói liệu tình trạng thiết bị giá trị thông số điều khiển truyền khoảng thời gian định trước qua mạng nội Thiết bị có khả đóng ngắt nguồn điện chế độ tự động trường hợp có tình khẩn cấp phát sinh, tải hư hỏng mạng lưới điện Thiết bị kiểm soát nguồn điện cấp cho người tiêu thụ điện có khả để thực chức bảo vệ thiết bị nơi tiêu thụ điện, mạng lưới nguồn điện truyền tải liệu có chứa giá trị thông số điều khiển [4] Trong trường hợp dùng mạng thông tin cục bô PLC thiết bị thực cách sử dụng kênh truyền dẫn vô tuyến (e.g 433 or 868 MHz) công nghệ truyền liệu khác (ví dụ, mạng Ethernet, không dây WiFi, Zigbee mạng) If signal converter module is added to the device retrans- mission unit is thus obtained allowing configuring the channel (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 supply 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 lắp vào thiết bị phát lại chuẩn cho phép cấu hình kênh (ví dụ, mạng Ethernet, không dây WiFi, mạng Zigbee) cho truyền thông liệu từ tất thiết bị đến máy chủ lưu trữ liệu bên nơi thu gom, xử lý lưu trữ tất liệu thực cách thức để kiểm soát thiết bị (thiết bị) tạo Máy chủ bên thực thu thập, tích lũy lưu trữ thông tin trang bị phần mềm chuyên dụng [5] để hạch toán số lượng điện tiêu thụ thời gian, chất lượng điện cung cấp, kiểm soát thiết bị điều khiển đóng ngắn nguồn điện cung cấp “ ON or OFF” Thông tin sử dụng để phân tích xác định phụ thuộc, vẽ biểu đồ, biểu đồ, sơ đồ bảng biểu Ví dụ, lưu trữ biểu đồ đặc tính (several profiles) điện tiêu thụ cho thiết bị điều khiển nguồn điện cung cấp Hơn nữa, thông tin người tiêu thụ điện lưu trữ máy chủ bên bao gồm sở liệu thiết bị, sơ đồ lưới điện cung cấp điện (bản vẽ lưới điện cung cấp điện đặc tính nó), quyền lợi người tiêu dùng để truy cập thông tin, liệu phụ trợ cần thiết cho tính toán By 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 online 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 Conclusion Việc sử dụng mạng Ethernet Internet nhân viên nhập tên mật có quyền truy cập vào thông tin phân tích để liên lạc đến kho lưu trữ liệu máy chủ, để giám sát trực tuyến điện tiêu thụ, tính toán điện tiêu thụ thiết bị kiểm soát nguồn cung cấp điện riêng biệt thiết bị kết nối với mạng lưới nguồn cung cấp điện để kiểm soát chất lượng điện cung cấp Người điều hành tối ưu hóa việc tải, thực điều khiển từ xa thiết bị ON( OFF) cung cấp điện, phán đoán phát hư hỏng,thực thi hành định khoảng thời gian thiết lập cho vận hành thiết bị, thiết lập định mức điện tiêu thụ Hệ thống cho phép thực điều khiển trực tuyến điện tiêu thụ dự báo mức nhu cầu điện cần thiết khoảng thời gian định trước thi hành định cài đặt khoảng thời gian cho thiết bị vận hành, đặt mức cao điện tiêu thụ Hệ thống cho phép thực điều khiển trực tuyến điện tiêu thụ dự báo mức nhu cầu điện cần thiết điện khoảng thời gian định sẵn 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 communication technologies) properties The system is intended for analysis of electric power consumption, planning and optimization 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 việc thực hệ thống tính toán thông minh với khả tính toán chất lượng điện cung cấp hạn chế tải trọng tạo thành nhiệm vụ quan trọng, bao gồm cả, đặc biệt sở thuộc ngành công nghiệp hạt nhân Hệ thống đề xuất đề cập đến phương tiện kỹ thuật để kiểm soát tính toán thông số mạng lưới cung cấp điện, đặc biệt mức tiêu thụ điện với khả kiểm soát thiết bị kết nối hệ thống sở hữu khả mở rộng (do việc sử dụng thiết bị chuẩn cho nguồn cung cấp điện) linh hoạt (sự kết hợp công nghệ truyền liệu khác nhau) tài sản Hệ thống nhằm để phân tích mức tiêu thụ điện năng, kế hoạch tối ưu hóa tải, thực thực tế giải pháp để cài đặt trước khoảng thời gian cho thiết bị vận hành để ngăn ngừa sử dụng trái phép điện References [1] Directive of the Government, Energeticheskaya strategiya Rossii na period 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.) (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, 2014 (in Russian)