System rejestracji i analizy zdarzeń, zakłóceń oraz trendów

Transkrypt

1 System rejestracji i analizy zdarzeń, zakłóceń oraz trendów Zbigniew Kochel Tadeusz Melecki Mariusz Talaga Michał Kaźmierczak Energotest Sp. z o.o. 1. Wprowadzenie Zmiany własnościowe i organizacyjne zachodzące w elektroenergetyce zawodowej i w przemyśle rodzą nowe potrzeby w obszarze rejestracji i analizy procesów i parametrów pracy urządzeń. Zaspokajanie tych potrzeb jest możliwe dzięki rozwojowi mikroprocesorowych urządzeń i narzędzi informatycznych. Cele i oczekiwania stawiane przed systemami rejestracji i analiz na obiektach są zróżnicowane. Zwyczajowo system rejestracji i analiz zdarzeń oraz zakłóceń kojarzy się z jednym głównym celem, czyli identyfikacją przyczyn pojawiających się stanów zakłóceniowych i awaryjnych. Artykuł przedstawia koncepcję centralnego systemu rejestracji i analizy zdarzeń, zakłóceń i trendów w układach elektroenergetycznych takich obiektów, jak elektrownie, elektrociepłownie, duże zakłady przemysłowe, stacje przesyłowe i rozdzielcze KSE. Taki system może być wykorzystywany do wielu różnych celów, w tym do: szybkiego i precyzyjnego analizowania i ustalania przyczyn awarii rozległych, tworzenia wiarygodnych dokumentów poawaryjnych, np. dla celów ubezpieczeniowych, statystycznej analizy stanów awaryjnych i zakłóceniowych dla celów diagnostyki i profilaktyki, oceny pracy urządzeń automatyki elektroenergetycznej i energoelektroniki, oceny zmiany stanu technicznego urządzeń podstawowych, monitorowania rozruch urządzeń, automatyzacji raportowania. Na każdym obiekcie występują ponadto charakterystyczne potrzeby związane z jego specyfiką technologiczną. Dlatego system centralnej rejestracji i analizy zdarzeń, zakłóceń oraz trendów projektuje się z uwzględnieniem indywidualnych oczekiwań i uwarunkowań obiektu. 2. Podstawowe uwarunkowania i problemy 2.1. Uwarunkowania Podstawowe uwarunkowania ograniczające możliwości systemu są związane ze sposobem rejestracji. W rejestratorach analogowych, nr 3-4 (13-14)

2 które ciągle jeszcze funkcjonują, w szczególności w przemyśle, podstawowymi ograniczeniami są: mała dokładność rejestracji, niska jakość zapisów, brak możliwości automatycznego obliczania innych wielkości w oparciu o wielkości mierzone, brak możliwości precyzyjnego porównywania przebiegów z różnych rejestratorów. W urządzeniach mikroprocesorowych najpoważniejszym wyzwaniem jest optymalne zarządzanie dużą ilością danych. Zarejestrowane przebiegi, zdarzenia oraz wielkości pomiarowe i wyliczone nie są dostępne w jednym spójnym systemie. Dla ich pozyskania operator/specjalista jest często zmuszony do sięgania do wielu źródeł. Z tego powodu musi korzystać z różnych firmowych oprogramowań producentów urządzeń automatyki elektroenergetycznej (AEE) i energoelektronicznych (EE). Dostęp do tych danych jest skomplikowany i długotrwały. Pozyskane zapisy zazwyczaj nie są synchronizowane w czasie. W trakcie analizy przyczyn awarii operator podejmuje decyzje służące ograniczeniu jej skutków na podstawie niepełnych, niezbyt szczegółowych informacji o przyczynach. Z powodu czasochłonnego pozyskiwania informacji z wielu urządzeń i ich zróżnicowanej jakości (dokładności, synchroniczności) nie można w sposób pewny ustalić przyczyn awarii. Kolejnym uwarunkowaniem, wynikającym z dążenia spółek energetycznych do maksymalizacji zysku, jest ograniczanie liczebności personelu różnych służb technicznych. Zmniejszanie kadry inżynierskiej z obszaru eksploatacji i utrzymania ruchu skutkuje także brakiem czasu na szkolenia, w tym na poznawanie nowych urządzeń czy programów. Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia 2.2. Ilość i różnorodność informacji Na dużych obiektach w systemach rejestracji i analizy są zbierane i przetwarzane olbrzymie ilości danych. Postęp w przesyłaniu informacji, tak w sieciach lokalnych, jak i rozległych sprawia, że zasób dostępnych danych rośnie w postępie geometrycznym. Równocześnie rośnie zapotrzebowanie na informacje wynikające z konieczności doskonalenia procesów technologicznych, możliwości oceny stanu urządzeń dla celów diagnostyki i profilaktyki, wdrażania nowych modeli zarządzania. Oznacza to potrzebę posiadania coraz dokładniejszych i wieloźródłowych danych (zdarzeń, przebiegów wielkości szybko- i wolnozmiennych) do prowadzenia analiz, statystyk, prognoz itp. Do konkretnych celów wykorzystuje się różne informacje: zdarzenia, zakłócenia, trendy. Mają one odmienną charakterystykę i źródło pochodzenia: Zdarzenia to oznakowane czasem informacje o zaistnieniu zjawiska, przykładowo: o działaniu układów automatyki, zmianie stanu łączników, przekroczeniu dopuszczalnej wartości parametrów, awarii itp. Źródłem zdarzeń mogą być: rejestratory autonomiczne, sterowniki programowalne, urządzenia AEE: zabezpieczenia układy przełączania zasilań, regulacji napięcia, synchronizacji itp., urządzenia i układy EE: układy wzbudzenia i regulacji napięcia generatorów, przekształtniki, układy kompensacji mocy biernej itp. Każde z tych źródeł rejestruje od kilkudziesięciu do kilkuset różnego typu zdarzeń. Pojedyncze zdarzenie jest informacją krótką (kilka bajtów) powstającą jedynie przy zmianach stanu układu lub w czasie awarii (relatywnie rzadko). Zakłócenia to sygnały mierzone z dużą częstotliwością (kilka khz) w ograniczonym czasie (kilku sekund) i przechowywane najczęściej w postaci plikowej. Źródłem sygnałów o zakłóceniach są dedykowane rejestratory lub moduły rejestracji zakłóceń w urządzeniach AEE i EE. Pojedyncze zakłócenie jest informacją długą (kilka megabajtów), powstającą w stanach zakłóceniowych lub awaryjnych pracy układu (relatywnie rzadko). Trendy to mierzone w sposób ciągły z małą częstotliwością (co kilka sekund, minut) wielkości elektryczne, fizyczne i wielkości wyliczane, dostępne w postaci ciągu próbek, uzupełnianego na bieżąco. Źródłem trendów mogą być dowolne urządzenia dostarczające dane pomiarowe i wielkości wyliczone. Proces rejestracji trendów (w tym znakowanie czasem) następuje w urządzeniach lokalnych, bądź w systemie. Dane do wyznaczania trendów napływają w sposób ciągły, a o ich ilości decyduje wyłącznie sposób archiwizacji i algorytm kompresji. Cechy te decydują o rozmiarach rejestracji trendów. Z zasady są to największe zasoby informacji podlegające archiwizacji. 106

3 Rys. 1. Przykładowa struktura systemu ET dla elektrowni

4 Rys. 2. Przykładowa struktura systemu ET dla sieci przesyłowych i rozdzielczych

5 3. System centralnej rejestracji i analizy zdarzeń, zakłóceń oraz trendów Istotą systemu opracowanego przez Energotest (system ET) jest zebranie w uporządkowany sposób wszystkich koniecznych informacji z różnych źródeł rejestracji w jednej lub kilku bazach danych, a przede wszystkim zsynchronizowanie ich podstawy czasowej. Zastosowane narzędzia informatyczne z jednej strony zapewniają dogodną obsługę przez ujednolicenie sposobu prezentacji danych z różnych urządzeń, a z drugiej pozwalają na zaawansowaną filtrację zebranych informacji, zazwyczaj niedostępną w programach dedykowanych. W systemie ET informacja o zdarzeniach jest związana z obiektem, a nie z urządzeniem AEE generującym dane. Innymi słowy, informacją jest np. otwarcie konkretnego wyłącznika, a nie zmiana sygnału dwustanowego na wejściu zainstalowanego urządzenia AEE. Urządzenie jest tylko źródłem informacji, zaś system: identyfikuje informacje z obiektem, odpowiedni je klasyfikuje i archiwizuje, umożliwia spójną prezentację informacji pochodzących z wielu źródeł. System ET ma budowę hierarchiczną. Oznacza to, że system centralny, np. w elektrowni, jest oparty o podsystemy stworzone na poszczególnych blokach. System na bloku umożliwia zebranie i ujednorodnienie zapisów z autonomicznych rejestratorów oraz modułów rejestracji w blokowych układach i urządzeniach AEE: zabezpieczeń w układzie wyprowadzenia mocy bloku i potrzeb własnych, przełączania zasilań, wzbudzenia i regulacji napięcia generatora, synchronizacji, z analizatorów parametrów w rozdzielniach, regulatorów napięcia transformatorów itp. System ET dla elektrowni integruje informacje z podsystemów blokowych, potrzeb ogólnych elektrowni i przyelektrownianej stacji KSE. Tym sposobem powstaje rozproszony rejestrator, umożliwający kompleksowe nadzorowanie obiektu. W zakresie analizy stanów zakłóceniowych i awaryjnych system ET znacznie ułatwia i przyśpiesza przeprowadzenie analizy. Operator/dyżurny elektryk bezpośrednio po awarii lub wystąpieniu stanu zakłóceniowego szybko i wygodnie uzyskuje dokładnie te informacje, które są potrzebne do interpretowania zaistniałej sytuacji. Na etapie opracowywania systemu ET należy: określić cele, jakim system ma służyć, zdefiniować rodzaje danych, które będą konieczne do realizacji zdefiniowanych celów, określić źródła danych przy założeniu dodania nowych, dedykowanych rejestratorów i wykorzystaniu istniejących urządzeń AEE i EE. System ET może być opracowany i wdrożony na obiekcie podczas wprowadzania większego systemu sterowania i nadzoru bądź występuje jako niezależny moduł rejestracji i analiz. 4. Rozwiązania informatyczne w systemie ET Oprogramowanie składające się na system ET jest tworzone i doskonalone od szeregu lat. Jego elementami są specjalizowane pakiety, których zadaniem jest: komunikacja z autonomicznymi rejestratorami i modułami rejestracji w różnych urządzeniach AEE i EE, składowanie rejestracji w bazie danych SQL i synchronizowanie ich podstawy czasowej, synchronizowanie powiązanych ze sobą baz danych, analizowanie zakłóceń, analizowanie zdarzeń, analizowanie trendów. Oprogramowanie systemu ET cechuje się efektywną i nowatorską obróbką, przechowywaniem i analizą informacji. Do najważniejszych funkcjonalności systemu należą: automatyczne gromadzenie rejestracji ze wszystkich zdefiniowanych źródeł, efektywna kompresja plików rejestracji i synchronizacji baz danych, import i eksport przebiegów do plików w formacie Comtrade, tworzenie hierarchicznej struktury baz danych, stosowanie zaawansowanych metod filtracji przebiegów, pozwalających szybko wyszukać przebiegi spełniające ściśle określone kryteria, przeglądanie na wspólnym wykresie czasowym przebiegów pochodzących z rozmaitych rejestratorów o różnych częstotliwościach próbkowania, nr 3-4 (13-14)

6 łączenie rejestracji pochodzących z różnych rejestratorów w sekwencje, tj. grupy rejestracji pokrywających się lub zachodzących na siebie w czasie; dzięki temu jednoczesne lub prawie jednoczesne zadziałanie kilku rejestratorów jest przedstawiane w liście rejestracji jako jedna sekwencja, bogaty zestaw funkcji matematycznych, generacja plików PDF i przesyłanie ich pocztą ową; istnieje też zależna od lokalnych możliwości opcja powiadamiania przez SMS. 5. Rejestrator zdarzeń i zakłóceń RZ-40 System ET powinien powstawać na bazie niezależnych, wysokiej klasy rejestratorów zakłóceń i zdarzeń, takich jak rejestrator RZ-40. Urządzenie stanowi efekt wielu lat pracy Energotestu nad systemami sterowania i nadzoru, w tym rejestracją zdarzeń i zakłóceń w układach elektroenergetycznych. Pierwszy rejestrator mikroprocesorowy RZ-30 powstał w 1999 roku, a jego kolejna wersja ma symbol RZ-40 (rys. 5). Wśród cech wyróżniających rejestrator RZ-40 należy wymienić: brak jakichkolwiek ruchomych części mechanicznych (wentylatory, dyski), niski pobór mocy (<20W), błąd oznaczania czasu do 30 mikrosekund, częstość próbkowania do 16 khz, bezpośrednie podłączenie do sieci Ethernet, możliwość autonomicznej pracy (bez jednostki centralnej), wewnętrzny dysk CF na ok rejestracji, dostęp do zarejestrowanych plików COMTRADE przez FTP, możliwość pełnego sterowania urządzeniem przez panel czołowy, duża elastyczność w definiowaniu kryteriów wyzwoleń rejestracji (niezależne wyzwolenie dla rejestratora szybkozmiennego i wolnozmiennego). Rejestrator RZ-40 przeszedł z pozytywnym wynikiem procedurę aprobacyjną PSE Operator i został zakwalifikowany do stosowania na wszystkich typach stacji KSE. Procedura aprobacyjna została ustalona w 2007 r. przez Departament Infrastruktury Sieciowej (obecnie Departament Eksploatacji) PSE Operator. Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Pierwszy etap polegał na oficjalnym zadeklarowaniu danych technicznych zgłaszanego systemu rejestracji w formie Zestawienia danych gwarantowanych. W drugim etapie po pozytywnej weryfikacji zadeklarowanych danych gwarantowanych systemy były poddane sprawdzeniu parametrów podstawowych. Pozytywny wynik był przepustką do pełnych badań szczegółowych, według metodologii Instytutu Energetyki. Do badań zgłosiło się 11 producentów (6 krajowych i 5 zagranicznych), a do trzeciego etapu przeszły urządzenia 5 producentów (3 krajowych i 2 zagranicznych). Pozytywną ocenę uzyskały rozwiązania 3 krajowych producentów, w tym Energotestu. W sumie w elektroenergetyce i przemyśle pracuje już kilkaset rejestratorów produkcji Energotestu. 6. Podsumowanie i wnioski System ET jest innowacyjnym rozwiązaniem do zbierania i ujednorodnienia zapisów z autonomicznych rejestratorów i modułów rejestracji w układach i urządzeniach AEE i EE: zabezpieczenia, przełączanie zasilań, wzbudzenia i regulacja napięcia generatora, synchronizacja, analizatory parametrów w rozdzielniach, przekształtniki, regulatory napięcia transformatorów. Instalacja dodatkowych rejestratorów w systemie ET na najważniejszych, najbardziej newralgicznych urządzeniach i układach elektroenergetycznych obiektu zapewnia obok urządzeń AEE i EE redundantną rejestrację, szczególnie potrzebną w stanach awaryjnych. Pełny zasób zarejestrowanych synchronizowanych w czasie wielkości pomiarowych szybko- i wolnozmiennych, wielkości wyliczonych i zdarzeń umożliwia: szybką i precyzyjną analizę stanów awaryjnych i zakłóceniowych, zwłaszcza o rozległym charakterze, prowadzenie zaawansowanych analiz technicznych i zarządczych związanych z doskonaleniem procesów technologicznych, pogłębioną oceną stanu układów i urządzeń dla celów diagnostyki i profilaktyki, wdrażaniem nowych modeli zarządzania. Dla zagwarantowania zewnętrznego wsparcia inżynierskiego dla służb eksploatacyjnych i utrzymania ruchu obiektu, system ET udostępnia wszelkie danych w trybie offline i online. 110

7 Rys. 3. Struktura systemu ET dla zakładu przemysłowego Rys. 4. Struktura powiązań składników oprogramowania wchodzących w skład systemu ET

8 Rys. 5. Widok rejestratora RZ 40

9 Literatura [1] PSE Operator SA: Wymagania dla cyfrowych rejestratorów zakłóceń, systemów rejestracji zakłóceń, programów do analizy zakłóceń. Warszawa, czerwiec [2] Z. Kuran, S. Skrodzki, G. Kubiak: Badania jakościowe rejestratorów zakłóceń. Instytut Energetyki. Konferencja Zabezpieczenia Przekaźnikowe w Energetyce. Poznań, [3] T. Melecki: Archiwizacja i udostępnianie danych z systemów sterowania i nadzoru. [4] Instrukcja użytkowania rejestratora RZ-40. Energotest, Mgr inż. Zbigniew Kochel, absolwent Wydziału Mechaniczno-Energetycznego Politechniki Śląskiej. W latach pracował w Zakładach Pomiarowo-Badawczych Energetyki Energopomiar, między innymi na stanowiskach Dyrektora Zakładu Techniki Cieplnej i Gospodarki Elektroenergetycznej oraz Członka Zarządu Dyrektora ds. Strategii i Rozwoju. Obecnie dyrektor marketingu w Energotest sp. z o. o. Mgr inż. Tadeusz Melecki, absolwent elektroniki (specjalność komputerowe systemy sterowania) na Politechnice Śląskiej i studiów podyplomowych z zarządzania projektami. Od 15 lat w Energotest sp. z o.o. zajmuje się przygotowywaniem i wdrażaniem dużych aplikacji systemów nadzoru w branży elektroenergetycznej. Obecnie dyrektor ds. rozwoju odpowiedzialny za tworzenie rozwiązań technicznych i wdrażanie nowych technologii w branży elektroenergetycznej. Mgr inż. Mariusz Talaga, absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Śląskiej (1993 r.). Od 1994 roku jest pracownikiem Energotest sp. z o.o., obecnie pracuje na stanowisku kierownika Działu Konstrukcyjnego. Mgr Michał Kaźmierczak, absolwent Akademii Ekonomicznej w Katowicach, Uniwersytetu Warszawskiego i University of Illinois. Od 8 lat związany z Energotest sp. z o.o. (wcześniej Energotest-Energopomiar Sp. z o.o.), obecnie jako dyrektor sprzedaży, odpowiedzialny za sprzedaż na rynku przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej. nr 3-4 (13-14)