WYBRANE ZAGADNIENIA Z SYSTEMÓW INFORMATYCZNYCH W ZAKŁADACH ENERGETYCZNYCH

Transkrypt

1 WYBRANE ZAGADNIENIA Z SYSTEMÓW INFORMATYCZNYCH W ZAKŁADACH ENERGETYCZNYCH A A PAMUŁA 1), JERZY S. ZIELIŃSKI 1,2) 1) Katedra Informatyki Uniwersytetu Łódzkiego, ul. Matejki 22/26, Łódź, 2) Wprowadzenie Wyższa Szkoła Informatyki, ul. Rzgowska 17, Łódź Specyficzne właściwości elektroenergetyki wymienione m.in. w [Ziel03d] oraz deregulacja sektora energetycznego [Ziel03a] wpływają na warunki działania zakładów energetycznych. Celem deregulacji prowadzonej w skali globalnej, o różnym stopniu zaawansowania w poszczególnych krajach, jest tworzenie rynku energii, a co zatem idzie, demonopolizacja sektora. Z uwagi na techniczne uwarunkowania, sieć przesyłowa, którą w naszym kraju zarządzają Polskie Sieci Elektryczne S.A., pozostaje naturalnym monopolem, natomiast z zakładów energetycznych zostanie wydzielona obsługa handlowa odbiorców i powierzona zewnętrznym jednostkom. Dodatkowym utrudnieniem w pracy zakładów energetycznych jest wprowadzenie zasady TPA (Third Party Access) oznaczająca swobodę wyboru dostawcy energii przez odbiorcę, energii, którą zakład musi dostarczyć odbiorcy poprzez własną sieć. Równolegle do deregulacji rozwija się inny proces, istotnie zmieniający warunki zarządzania elektroenergetyką: jest to powstawanie coraz większej liczby rozproszonych źródeł energii (głównie odnawialnej) przy-

2 łączanych do sieci rozdzielczej, co stwarza również nowe wymagania odnośnie do rozwiązań technicznych w tych sieciach. Te nowe uregulowania i procesy implikują dodatkowe wymagania odnośnie do sprawnego działania systemu informacyjnego w zakładzie energetycznym, co wymaga nowych rozwiązań w systemach informatycznych zarządzania, wspomagających pracę zakładu. Zastosowania komputerów w elektroenergetyce Wymienione w [Ziel03d] specyficzne właściwości elektroenergetyki poszukującej efektywnych narzędzi do szeroko rozumianego przetwarzania obszernych zbiorów danych, wyjaśnia wczesne, bo już w końcu lat 50- tych, zastosowanie komputerów w energetyce. W początkowym okresie poświęcono wiele uwagi doskonaleniu metod numerycznych stosowanych w analizie ustalonych przepływów mocy w rozległych systemach elektroenergetycznych. Świadectwem rozwoju informatyki w elektroenergetyce było organizowanie Power System Computer Conference (PSCC), z których pierwsza odbyła się w 1963 roku w Londynie. W początkowym okresie zastosowania komputerów w elektroenergetyce dotyczyły dwóch obszarów: zarządzania i zastosowań inżynierskich [Ziel03e]. Pierwszy z tych obszarów wykształcił Energy Management System, EMS, który w miarę upływu czasu powiększał listę wykonywanych zadań. Drugi obszar- zastosowania inżynierskie wiązał się z wprowadzaniem zabezpieczeń cyfrowych na początku lat siedemdziesiątych w USA oraz z obliczeniami inżynierskimi. Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej komputerów te dwa obszary coraz częściej przenikają się wzajemnie tworząc systemy SCADA/EMS (Sys-

3 tem Control And Data Acquisition/EMS), będące współcześnie otwartymi systemami informatycznymi.. Komputeryzacja elektroenergetyki stała się procesem penetrującym wszystkie jej obszary, umożliwiając efektywne działanie w warunkach deregulowanego rynku energii. Warto jednak zwrócić uwagę na dwa związane z tym procesem fakty: niezawodne działanie systemów komputerowych wymaga wysokiej jakości energii elektrycznej, natomiast szerokie zastosowanie komputerów osobistych pogarsza jakość energii elektrycznej dostarczanej odbiorcom. Informatyczne systemy zarządzania w zakładach energetycznych Nieunikniona potrzeba komputeryzacji zakładów energetycznych pociąga za sobą wysokie nakłady finansowe, co wymaga przemyślanej strategii rozwoju informatyki [Ziel03c]. Np. w USA wykazano konieczność zarządzania portfelem zamówień w obszarze informatyki, gdyż w latach zaobserwowano u amerykańskich dystrybutorów szybszy wzrost nakładów na informatykę od wzrostu dochodu (2,3% w 1997 r., 3,7% w 2000 r.). Przyhamowanie rozwoju gospodarczego w USA wymaga optymalizacji inwestycji informatycznych, co implikuje potrzebę dokładnego zrozumienia celu, który chce się osiągnąć. Cel ten może być osiągnięty również przy wykorzystaniu starego systemu, skojarzonego np. z istniejącym systemem informatycznym u innego dystrybutora. Dominującą obecnie grupą systemów informatycznych niezbędnych w zarządzaniu przedsiębiorstwem dystrybucyjnym w warunkach rynkowych są systemy klasy ERP (Enterprise Resource Planning), z którymi współpracują następujące podsystemy: ASP (Applications Service Provi-

4 der), BSP (Business Service Provider), IB4e (Innovation Before Excellence), RCM (Revenue and Cost Management), WMS ( Work Management System). Powszechność stosowania tych systemów w różnych przedsiębiorstwach energetycznych jest źródłem wielu praktycznych spostrzeżeń przedstawionych w dalszym ciągu w zarysie. Deregulacja wymogła od zakładów dystrybucyjnych skupienie szczególnej uwagi na odbiorcach, co znalazło swoje odbicie w rozwoju szeregu podsystemów informatycznych, które należą do CIS (Customer Information System), który można uznać za następcę systemu DSM (Demand Side Management), poszerzonego o szereg nowych funkcji. Istotną właściwością systemu CIS jest istnienie dwustronnej komunikacji z odbiorcą, dla której wykorzystuje się różne media: łączność telefoniczną, przewody linii nn 1, Internet, a ostatnio telefonię komórkową. Efektywność tego systemu uzależniona jest od stosowania inteligentnych liczników energii elektrycznej, umożliwiających dialog z odbiorcą w systemie AMR (Automated Meter Reading). Ponadto w obszarze obsługi odbiorców są również CRM (Customer Relationship Management) i obsługa reprezentacji odbiorców, CSR (Customer Service Representative). Ankieta przeprowadzona wśród 40% dystrybutorów w USA i Kanadzie wykazała, że średni wiek systemu CIS waha się od 2,5 do 8,5 lat, zaś systemu CRM od 1,5 do 4 lat, w zależności od formy własności przedsiębiorstwa (spółka akcyjna, spółka cywilna, samorząd). W USA istniejące systemy CIS są zintegrowane z innymi w dużym stopniu: z AMR (47-1 W [Paul06] zasygnalizowano prowadzenie w USA badań nad wykorzystaniem sieci gazowej jako medium doprowadzającego szerokopasmowy Internet i inne usługi w zakresie przesyłania danych do odbiorców.

5 66)%, GIS (35 66)%, ERP (65 80)% oraz z systemami bezprzewodowymi (20 40)%. Wraz z utrzymującym się zainteresowaniem rynku systemami CIS, zwiększa się potrzeba konsolidacji tych systemów z systemami rozliczeniowymi w jeden system obsługi klienta. Kolejną rysującą się tendencją jest rozszerzanie funkcji CIS, wiążące ten system z innymi (również technicznymi). Operacje na rynku w warunkach deregulacji wymagają systemu zarządzania ryzykiem ETRM (Energy Trading and Risk Management) wbudowanego w system informatyczny zarządzania przedsiębiorstwem. W USA prowadzi się prace nad projektem hurtowego rynku energii (wholesale electricity market design -SMD) wymagający od systemu informatycznego wszystkich cech nowoczesności; szacuje się, że koszt SMD przekroczy 100 milionów dolarów. Obsługa klienta wymaga szybkiej reakcji na jego reklamacje, dlatego tworzenie centrów obsługi klienta, Call Center CC, staje się niezbędne w dla dystrybutora działającego na rynku energii. CC migrują z ośrodka kasowego do CICs (Customer Interaction Centers), dystrybutorzy są otwarci na outsourcing niektórych funkcji CC, inwestują w nowe technologie takie, jak: CTI (Computer Telephony Integration), IVR ( Interactive Voice Response) oferując więcej kanałów obsługi odbiorców; obniża to koszt transakcji poniżej dolara w przypadku IVR i poniżej 50 centów przy użyciu sieci www. Powyższe działania są kosztowne, a nie zawsze przynoszą oczekiwane rezultaty, dlatego zaproponowano koncepcję inteligentnej obsługi odbiorcy CS-IQ ( Customer Service- Intelligence Quotient). Koncepcja ta wymaga dokładnej analizy zdarzeń powodujących koszty w obsłudze odbiorcy, znalezienia związków przyczynowych zda-

6 rzenie-skutek, identyfikacji grup odbiorców pod względem kosztów ich obsługi i poszukiwania odpowiedzi na pytanie o sposób optymalizacji obsługi odbiorców. Wyniki badań w USA podają m.in. krańcowe koszty roczne obsługi odbiorcy które wynoszą od 25,50 $ do 46,50 $. Niektóre przedsiębiorstwa powierzają część funkcji CC i CIS firmom zewnętrznym (outsourcing). Obecnie rozróżnia się 3 generacje centrów sterowania CC, charakreryzując je następująco: pierwsza generacja to autonomiczne, stosujące duże komputery (mainframe), słabo powiązane z innymi partnerami; druga generacja to rozproszone, heterogeniczne systemy, słabo powiązane z innymi; trzecia generacja to rozproszone, heterogeniczne systemy o rozmytych granicach, silnie powiązane z innymi; następna generacja to CC z oprogramowaniem obiektowym (technologia agentów). Ta nowa generacja winna rozwiązywać następujące zagadnienia: uwzględniać stałą ewolucję celów, metod i wymagań, pracę systemu elektroenergetycznego bliską dopuszczalnej granicy, szybkie starzenie się technologii komputerowych. Zwraca się uwagę na fakt, że obecne CC muszą być odporne na zniszczenie, utratę łączności i nieuprawniony dostęp. Interesujący proces w zakresie informatycznych systemów zarządzania w elektroenergetyce, polegający na stopniowym poszerzeniu funkcji systemów klasy ERP w kierunku e-business, np. przez wdrożenie systemu regulowania rachunków drogą elektroniczną, e-billing EB, jednak proces ten nie przebiega łatwo, ponieważ nie daje on większych korzyści odbiorcom. Zastosowanie EB przez jednego z dostawców energii do 1 miliona odbiorców, odbierającego dziennie reklamacji, przy koszcie jednego rachunku 1,35 $, o rocznym dochodzie 2,2 miliarda

7 $, wykazało, że użytkowanie przez 5% odbiorców Internetu daje w ciągu roku łączne oszczędności rzędu 2 milionów dolarów. Istotną rolę w rozliczeniach EB z odbiorca odgrywają elektroniczne liczniki umożliwiające automatyczny odczyt, Automated Meter Reading AMR. Dużo uwagi poświęca się również wyborowi najodpowiedniejszych narzędzi programowych, np. rozważany jest paradygmat software agents, który prawdopodobnie znajdzie się w nowych pakietach EMS. To podejście pozwala na elegancką implementację przy obliczeniach równoległych, umożliwia elastyczniejszą wymianę danych pomiędzy różnymi uczestnikami rynku energii. Uznano za uzasadnioną potrzebę stosowania programowania obiektowego we wspomaganiu rozwiązywania problemów elektroenergetyki. Istnieje prototyp interesującego oprogramowania CAR (Community Activity Room) przedstawiającego graficznie zakres operacji na rynku energii. W rozwoju zastosowań informatyki w elektroenergetyce szczególnie wyraźnie zaznacza się wzrost zastosowań narzędzi sztucznej inteligencji i innych nowych narzędzi., identyfikacja i estymacja stanu, badanie jakości energii, w eksploatacji i planowaniu, monitorowaniu i diagnostyce systemu Przeglądy literatury publikowane m.in. w [Ziel03d], wskazują na stały rozwój zastosowań narzędzi sztucznej inteligencji w elektroenergetyce i są podstawą do następujących wniosków: sztuczne sieci neuronowe i układy hybrydowe zdecydowanie dominują we wspomaganiu działania elektroenergetyki, przy czym logika rozmyta, algorytmy genetyczne i ewolucyjne, transformacja falkowa, symulowane wyżarzanie, metoda Tabu serach odgrywają istotna rolę w układach hybrydowych o wzrastającym stopniu złożoności;

8 narzędzia sztucznej inteligencji wraz z towarzyszącymi mogą również wspierać wybrane, bardzo ważne funkcje systemu, np. skracanie czasu wyłączania zwarć w systemie; większość opisywanych przykładów dotyczy prototypów we wczesnej fazie tworzenia, ty, niemniej proces rozwoju zastosowań narzędzi sztucznej inteligencji i dołączania nowych narzędzi trwa. W literaturze można znaleźć szereg interesujących danych z USA i Kanady dotyczących nakładów na najważniejsze inwestycje IT przedsiębiorstwach energetycznych 2003 roku: systemy zintegrowane 40%, dalej bazy i hurtownie danych 22%, kolejno: bezpieczeństwo- 8%, technologia bezprzewodowa 6%, portale i serwery po 5%, systemy zarządzania 4%. Średnie nakłady na systemy informatyczne w procencie uzyskanego przychodu u dystrybutorów; wynosiły one odpowiednio: w ,3%, w ,9%, w ,1%, w ,7%, zaś w 2001 obniżyły się do poziomu 2,8%. Specyficzne właściwości systemów elektroenergetycznych, podane m.in. w [Ziel03d], implikują konieczność rozszerzania zastosowań informatyki w zakładach energetycznych, a z drugiej strony zmienia się praktyka w zakresie rozwoju IT w krajach rozwiniętych. Postępuje proces odchodzenia od scentralizowanych do rozproszonych systemów z uwagi na koszty i ekonomiczne przyczyny IT przestało być centrum zysku [PaZi04]. Szereg ZE w USA zastosowało outsourcing wybranych funkcji informatycznych uzyskując wyraźne oszczędności. Dla przykładu BC Hydro Utility dzięki przekazaniu zarządzania personelem, zakupów, i obsługi klientów, przesunęło 1564 pracowników do innych prac i ocze-

9 kuje 180 milionów oszczędności w ciągu 10 lat; szczególne oszczędności przynosi przeniesienie działań za granicę (Indie, Filipiny, Karaiby). Wzrastające zagrożenie ze strony zewnętrznych ataków, tendencja ograniczania kosztów są głównymi przyczynami outsourcingu ochrony systemów IT [PaZi04]. Rozwój złożonych sieci komputerowych w przedsiębiorstwach elektroenergetycznych utrudnia zapewnienie im bezpieczeństwa i większość z nich poszukuje Manager Security Provider (MSP). MSP stosują Instruction Detection Systems (IDS) monitorujący przepływ informacji wychwytując odchylenia od wzorców. Najlepsi MSP zapewniają zakładowi energetycznemu: możliwość korelacji i porównywania różnych punktów monitoringu i wykrywanie włamań, doświadczonych ekspertów oraz możliwość połączenia doświadczenia ekspertów z nowoczesną techniką dla wykrywania zakłóceń, zdolność dostarczenia wyspecjalizowanych systemów monitorujących. Zastosowania komputerów w technice Zastosowania komputerów wspomagających działania techniczne w zakładach dystrybucyjnych mają miejsce w dwóch obszarach: obliczeń inżynierskich oraz w eksploatacji (sterowaniu) sieci rozdzielczej [Ziel03c]. Eksploatacja sieci wspomagana jest nowoczesnymi rozwiązaniami cyfrowymi w zakresie monitorowania, systemów zabezpieczeń i sterowania, stanowiącymi elementy nowoczesnych systemów EMS/SCADA. Ponadto systemy informacji przestrzennej, GIT (Geospatial Information Technology), oraz systemy zarządzania wyłączeniami - OMS (Outage Management System) pozwalają w istotny sposób skrócić

10 czas trwania awarii i wyłączenia odbiorców. Rozwiązania te mają za zadanie zwiększenie niezawodności systemu elektroenergetycznego poprzez odpowiednią strukturę systemu informatycznego. Automatyzacja stacji zapewnia obecnie możliwość zbierania danych i sterowania stacją (SCADA), zastosowanie mikroprocesorowych układów zabezpieczeń, zastąpienie tradycyjnych tablic synoptycznych graficznym interfejsem użytkownika GUI (Graphical User Interface) dostępnym z PC, zastosowanie różnych sensorów dostarczających sygnałów do GUI i SCADA. Podkreśla się potrzebę wprowadzenia do stacji bezobsługowych multimedialnej sieci RTU (Remote Terminal Unit) oraz skupia się uwagę na dwóch zagadnieniach: łączności i modernizacji systemu zabezpieczeń. Przewiduje się następujące trendy w automatyzacji stacji: wzrost zastosowań LAN ogólnego przeznaczenia, stosującego międzynarodowy, standardowy protokół, zastosowanie Internetu i Intranetu, zastosowanie technologii agenta oraz zdalne utrzymywanie bazy danych. Automatyzacja (bądź modernizacja) stacji implikuje konieczność ponoszenia dużych kosztów; dla przykładu koszty budowy współczesnej stacji przy założonym poziomie niezawodności 99,98% są wyższe od kosztów tradycyjnej stacji (ok.1,5 razy), przez co iloraz koszty/korzyści jest wysoki. Niemniej koszty te są usprawiedliwione korzyściami, które w przypadku zintegrowanego systemu (sterowania i zabezpieczeń) wynoszą ok. (20 30)%, zapewniają lepsze wykorzystanie majątku i zwiększają elastyczność i skuteczność systemu. Powodzenie eksploatacji komputerowego systemu sterowania zależy od dwóch ważnych czynników: niezawodności sprzętu i oprogramowania oraz systemu łączności na różnych poziomach sterowania.

11 Konieczność sprawnej obsługi odbiorców powoduje wzrost zastosowań w świecie systemów MC (Mobile Computing); w 2002 roku ponad 250 dystrybutorów w świecie stosowało MC głównie w szeroko rozumianej obsłudze odbiorców. W przyszłości przewiduje się następujące kierunki rozwoju MC: wzrost użytkowania Internetu przez odbiorców, wspomaganie dodatkowych funkcji zarządczych, integrację z GIS-em, pojawienie się zróżnicowanych mniejszych terminali przenośnych. Rozwojowi tego systemu towarzyszy stopniowe obniżanie się kosztów, np. koszt MC na jednego użytkownika, wynoszący w 2000 roku (7 do 12) tysięcy $ w przyszłości zmaleje do (2 do 4) tysięcy $, zaś zwrot nakładów inwestycyjnych z (2 do 4) lat zmaleje do (18 do 24) miesięcy. Współdziałanie GIS (Geographic Information System) i MC jest efektywne np. w USA i Kanadzie w pierwszym kwartale 2002 roku wykonano projekty z tej dziedziny za 55 milionów $, zaś od kwietnia do lipca tegoż roku za 72,555$. Informatyzacja krajowych zakładów energetycznych Podobnie do opisanych wyżej tendencji, komputeryzacja krajowych zakładó energetycznych rozwija się w dwóch obszarach: informatycznych systemów zarządzania i wspomagania procesów technicznych, przy czym ze względu na barierę sprzętową zastosowania inżynierskie przez długi okres były wyraźnie ograniczone. Obsługa informatyczna procesów zarządzania rozpoczęła się od przetwarzania danych służących wystawianiu rachunków dla odbiorców energii elektrycznej w trybie outsourcingu (głównie w ośrodkach ZETO). W początkach lat 90-tych nastąpiła kolejna faza komputeryzacji zakładów energetycznych dzięki co-

12 raz szerszemu stosowania komputerów PC. W ciągu kilkunastu następnych lat miał miejsce żywiołowy rozwój niekompatybilnych podsystemów informatycznych, charakterystyczny dla braku jednolitej polityki rozwoju informatyki w elektroenergetyce. Od kilku lat kolejne zakłady energetyczne zakupują systemy informatyczne (najczęściej SAP) przy czym zakupy te w wielu przedsiębiorstwach nie są prowadzone w sposób profesjonalny. Wysokie koszty powodują uruchamianie tylko niektórych modułów, co obok niewłaściwie prowadzonego procesu poprzedzającego wdrożenie, nie tworzy nowej jakości we wspomaganiu zarządzania zakładem. Wdrażane systemy informatyczne z reguły nie współpracują z istniejącymi systemami czasu rzeczywistego, co również ogranicza możliwe do osiągnięcia efekty komputeryzacji. Ograniczone środki finansowe, nieprecyzyjnie określone warunki działania energetyki (powolne procesy prywatyzacyjne) deregulacja energetyki związana z tworzeniem rynku energii są przyczynami zbyt wolnego wdrażania światowych tendencji związanych z komputeryzacją zakładów dystrybucyjnych. Można jednak zauważyć przykłady wprowadzania nowych rozwiązań, jak na przykład tworzenie Call Center w Zakładzie Energetycznym w Olsztynie [Frąc04]. Komputeryzacja zakładów energetycznych jest kosztowna, na przykład koszt modernizacji układu zabezpieczeń w stacji WN/Śn (wysokie napięcie/średnie napięcie) wynosi od Є (urządzenia analogowe i cyfrowe) do Є (zabezpieczenia cyfrowe).

13 Zakończenie Dokonany powyżej przegląd zastosowań komputerów w elektroenergetyce poddawanej procesom deregulacji i wprowadzającej rozproszone źródła energii elektrycznej do sieci rozdzielczej, jest podstawą do określenia następujących głównych kierunków rozwoju informatycznych systemów w krajowej elektroenergetyce: Rozszerzenie obszaru działania SI na sieci rozdzielcze średniego i niskiego napięcia, umożliwiające dwustronną komunikację w trybie on-line z każdym odbiorcą energii elektrycznej oraz monitoring parametrów technicznych sieci. Włączenie do SI nowych partnerów o zróżnicowanych potrzebach informacyjnych, którzy pojawią się na lokalnych rynkach energii. Przyszłe zastosowania komputerów w elektroenergetyce są bardzo rozległe, ale szybkie zmiany technologii nie pozwalają przewidzieć nowych możliwości. Wymogi powstającego rynku energii i pojawienia się na nim zachodnich przedsiębiorstw energetycznych wymuszą przyspieszenie rozwoju nowoczesnych zastosowań komputerów w krajowych zakładach energetycznych. Literatura [Frąc04] Frąc E.: Centrum Informacji (Call Center) w Zakładzie Energetycznym S.A. w Olsztynie. Biuletyn Informacyjny PTPIRE, 03/2004, 8-15.

14 [PaZi04] [Paul06] [Ziel03a] [Ziel03b] [Ziel03d] [Ziel03e] [Ziel03f] Pamuła A., Zieliński J.S.: Outsourcing w elektroenergetyce. Monografia Eksploatacja systemów informatycznychod teorii do praktyki. MIKOM, Warszawa 2004, Paulson L.D.: Will We Access the Internet via Gas Pipes? Computer, February 2006, 23. Zielinski J.S.: Deregulacja a komputeryzacja zakładów elektroenergetycznych. Biuletyn Informacyjny PTPIRE, 03/2003, Zieliński J.S.: Komputerowe wspomaganie zarządzania w zakładach energetycznych. ibid, 04/2003, 3-7. Zieliński J.S.:Zarządzanie wiedzą w elektroenergetyce. Monografia Zarządzanie wiedzą we współczesnych organizacjach, Wyższa Szkoła Handlu i Prawa im. Ryszarda Łazarskiego w Warszawie, 2003, Zieliński J.S.: Elektroenergetyka i komputery. 50 lat pracy naukowej Jerzego S. Zielińskiego. Sesja jubileuszowa, Biblioteka Łódź, 2004, Zieliński J.S.: AI in Power Systems. AICM 04, Łódź, September 14th, 2004, Wygłaszający referat: Jerzy S. Zieliński Katedra Informatyki Uniwersytet Łódzki ul. Matejki 22/ Łódź