science-review.ru
Введение
Современные энергетические системы претерпевают значительные изменения, обусловленные ростом потребления энергии, интеграцией возобновляемых источников энергии и развитием интеллектуальных сетей (Smart Grids). Эти факторы приводят к усложнению структуры энергосистем и увеличению количества взаимодействующих компонентов, что предъявляет повышенные требования к точности и оперативности учета электрической энергии и мощности [1]. В условиях глобализации и цифровой трансформации энергетики особое значение приобретает эффективное управление энергопотреблением и обеспечение надежности энергоснабжения.
Традиционные методы учета электрической энергии, основанные на разрозненных системах и несовместимых форматах данных, не всегда обеспечивают необходимый уровень эффективности и прозрачности [2]. Это связано с тем, что разные участники энергетического рынка используют собственные системы и стандарты для сбора и обработки данных, что затрудняет интеграцию информации и приводит к возникновению ошибок и неточностей. В результате возникают сложности в управлении энергопотреблением, планировании развития сети и обеспечении баланса между производством и потреблением энергии.
Важность стандартизации и унификации данных в энергетике подчеркивается в работах по цифровой трансформации электроэнергетики [3]. И.А. Головинский отмечает, что отсутствие общих стандартов и согласованной терминологии приводит к фрагментации информационного пространства и препятствует эффективному обмену данными между участниками рынка [3]. Это создает необходимость разработки единых информационных моделей и стандартов, которые обеспечат совместимость различных систем и приложений.
Common Information Model (CIM) представляет собой стандартизованный способ описания компонентов энергетической системы и их взаимодействий, что способствует унификации данных и улучшению процессов обмена информацией [4]. CIM-модель разрабатывается в рамках международных стандартов МЭК 61970 и МЭК 61968 и предоставляет общую терминологию и структуру данных для энергетических систем [5]. Использование CIM-модели позволяет создавать единое информационное пространство, облегчая интеграцию различных систем и повышая прозрачность и управляемость энергетических процессов [6].
Гармонизация CIM-модели с другими международными стандартами, такими как МЭК 61850 и SCL (Substation Configuration Language), расширяет возможности интеграции и обеспечивает совместимость на разных уровнях энергетической системы [4, 6]. Внедрение CIM-модели способствует улучшению взаимодействия между системами управления, автоматизации и учета, что особенно важно в контексте развития интеллектуальных энергосистем [7].
Однако внедрение CIM-модели сопряжено с рядом проблем и вызовов. П. Черкасский и С. Попов выделяют риски, связанные с техническими сложностями, необходимостью обновления оборудования и программного обеспечения, а также с вопросами информационной безопасности [5]. Кроме того, существуют организационные барьеры, связанные с сопротивлением изменениям со стороны персонала и необходимостью обучения новым методам работы [8].
Важным аспектом является адаптация CIM-модели к национальным стандартам и требованиям. И.А. Головинский указывает на проблемы несоответствия между международными и национальными стандартами, что может препятствовать эффективному внедрению CIM-модели в конкретной стране [3]. Для преодоления этих препятствий необходимо проводить работу по гармонизации стандартов и разработке национальных нормативных документов, учитывающих специфику национальной энергетической системы.
Дополнительную сложность представляет интеграция CIM-модели с существующими системами учета и управления. Н.В. Максимов, В.И. Широков и А.Ю. Шаманин предлагают подход к разработке онтологий на основе стандартов ISO 15926 и IEC 61970 для унификации данных и обеспечения семантической совместимости [9]. Это позволяет создать более гибкую и адаптивную информационную систему, способную интегрировать разнородные данные и приложения.
В условиях развития интеллектуальных энергосистем особое значение приобретает архитектурная модель интеллектуальной энергетической системы (Smart Grid Architecture Model, SGAM) [6, 10]. А.В. Иванов, В.С. Чайкин и Е.Н. Соснина рассматривают SGAM как инструмент системной инженерии, позволяющий визуализировать и анализировать взаимодействие между различными компонентами энергетической системы [6]. Использование SGAM в сочетании с CIM-моделью способствует более эффективному планированию и управлению энергетическими процессами.
Таким образом, актуальность исследования применения CIM-модели для организации учета электрической энергии и мощности обусловлена необходимостью повышения эффективности и надежности энергетических систем. Унификация данных и стандартизация процессов учета позволяют снизить риски ошибок, улучшить качество управления энергопотреблением и обеспечить устойчивое развитие энергетики в условиях цифровой трансформации.
Настоящее исследование направлено на разработку методологии интеграции CIM-модели в системы учета электрической энергии, оценку ее влияния на оптимизацию энергетических процессов, а также анализ рисков и вызовов, связанных с ее внедрением.
Цель исследования – разработка методологии применения CIM-модели для организации учета электрической энергии и мощности в энергетических системах и оценка ее влияния на оптимизацию энергетических процессов.
Материалы и методы исследования
Для достижения целей исследования был проведен детальный анализ существующих стандартов и подходов к информационному моделированию в энергетическом секторе. Особое внимание уделено международным стандартам МЭК 61970 и МЭК 61968, которые тесно связаны с Common Information Model (CIM) и широко используются для описания энергетических систем на различных уровнях [5].
Стандарт МЭК 61970 определяет общую информационную модель для систем управления энергией (Energy Management System, EMS) и описывает обмен информацией между приложениями EMS. Он предоставляет основу для представления модели энергосистемы, включая топологию сети, характеристики оборудования и параметры режимов работы. В рамках МЭК 61970 определяются классы и атрибуты, которые позволяют стандартизировать описание компонентов энергосистемы, таких как генераторы, линии передачи, трансформаторы и другие элементы [5].
Стандарт МЭК 61968 ориентирован на информационный обмен между системами управления распределительными сетями (Distribution Management System, DMS) и другими корпоративными системами, включая биллинговые системы, системы управления активами и клиентские приложения. Он дополняет МЭК 61970, фокусируясь на процессах, специфичных для распределительных сетей, таких как управление отключениями, планирование технического обслуживания и интеграция данных потребителей [5].
В ходе обзора были изучены структуры данных, модели классов и механизмы обмена информацией, предложенные в этих стандартах. Особое внимание уделено тому, как они поддерживают интеграцию данных из различных источников и обеспечивают совместимость между разными системами и приложениями. Анализ показал, что стандарты МЭК 61970 и МЭК 61968 обеспечивают основу для разработки единой информационной модели энергетической системы, способной поддерживать процессы учета и управления энергопотреблением на высоком уровне точности и эффективности.
Изучены работы по гармонизации CIM-модели с другими международными стандартами, такими как МЭК 61850 и SCL (Substation Configuration Language) [3]. МЭК 61850 является стандартом для коммуникационных сетей и систем на подстанциях, определяющим модель данных и коммуникационные протоколы для систем автоматизации подстанций. Он обеспечивает стандартизацию интерфейсов между устройствами подстанций и системами управления, что важно для обеспечения интероперабельности и снижения затрат на интеграцию.
Гармонизация CIM-модели с МЭК 61850 позволяет создать непрерывную информационную цепочку от уровня оборудования на подстанциях до корпоративных систем управления и учета. SCL, являясь частью стандарта МЭК 61850, предоставляет язык для описания конфигурации подстанций и коммуникационных систем. Интеграция CIM и SCL обеспечивает согласованность моделей данных на разных уровнях и облегчает обмен информацией между системами управления, автоматизации и учета [3].
В процессе исследования были рассмотрены подходы к интеграции данных из моделей МЭК 61850 в CIM-модель, включая сопоставление классов и атрибутов, а также разработку механизмов преобразования данных. Это важно для обеспечения совместимости и непрерывности данных при переходе от уровня подстанций к верхнему уровню систем управления энергосистемой.
На основе проведенного анализа разработана методология интеграции CIM-модели в системы учета электрической энергии, включающая следующие ключевые этапы.
1. Выявление необходимых параметров для учета и управления энергопотреблением
На данном этапе проводился сбор и анализ требований к данным, необходимым для точного и эффективного учета электрической энергии и мощности. Это включало определение перечня измеряемых величин и параметров, важных для управления энергопотреблением, таких как:
− Измерение потребляемой и генерируемой мощности для анализа нагрузок и генерации.
− Учет потребляемой и произведенной электроэнергии.
− Мониторинг параметров качества электроэнергии и состояния сети.
− Анализ гармонических искажений, фликкера и других параметров.
− Сбор данных о состоянии выключателей, трансформаторов и других компонентов для управления активами.
− Анализ потребительского поведения и прогнозирование нагрузок.
В процессе выявления параметров учитывались требования нормативно-правовых актов, стандартов, а также потребности различных заинтересованных сторон, включая операторов сетей, поставщиков электроэнергии и потребителей.
2. Модификация стандартной CIM-модели для соответствия специфическим требованиям учета
На основании выявленных параметров предлагается модификация стандартной CIM-модели:
− Разработка новых классов для представления специфических устройств или концепций, не охваченных стандартной моделью, например интеллектуальных счетчиков, устройств накопления энергии, возобновляемых источников энергии.
− Добавление новых атрибутов к существующим классам для хранения дополнительной информации, необходимой для учета и управления.
− Установление отношений между новыми и существующими классами для отражения реальных взаимодействий в энергосистеме.
При модификации модели особое внимание уделялось сохранению совместимости с существующими стандартами и обеспечению возможности дальнейшего расширения модели. Использовались методы объектно-ориентированного моделирования и инструменты для разработки UML-диаграмм.
3. Создание механизмов для обмена данными между существующими системами и CIM-моделью
Для обеспечения обмена данными между существующими системами учета и управления и новой CIM-моделью были разработаны механизмы интеграции, включающие:
− Выбор или разработку коммуникационных протоколов, обеспечивающих эффективную и безопасную передачу данных. Рассматривались протоколы, поддерживающие CIM, такие как IEC 61970-552 CIM XML и IEC 61968-9.
− Разработку программных модулей, преобразующих данные из форматов существующих систем в формат CIM и обратно. Это необходимо для обеспечения совместимости между системами, использующими разные стандарты и форматы данных.
− Использование технологий веб-служб (SOAP, RESTful API) для обеспечения доступа к данным CIM-модели и обмена информацией между приложениями.
− Проведение тестирования разработанных механизмов обмена данными на предмет корректности передачи и преобразования данных, а также производительности и надежности системы.
При внедрении CIM-модели были идентифицированы следующие возможные риски и вызовы.
Технические сложности
− Многие существующие системы и устройства могут не поддерживать новые стандарты и протоколы, требуемые для CIM. Это может потребовать значительных инвестиций в модернизацию инфраструктуры.
− Необходимость обеспечения интеграции с устаревшими системами, использующими проприетарные форматы данных и протоколы, может представлять техническую сложность.
− При увеличении объема данных и количества подключенных устройств необходимо обеспечить, чтобы система оставалась производительной и могла масштабироваться без потери качества обслуживания.
Проблемы стандартизации
− Существующие национальные стандарты могут отличаться от международных, что требует адаптации CIM-модели к специфике национальной энергетической системы [8].
− Различия в терминологии и определениях между разными стандартами и организациями могут затруднять унификацию данных и моделирование.
− Для эффективной адаптации и внедрения CIM-модели необходимо активное участие в национальных и международных органах по стандартизации.
Организационные барьеры
Сотрудники, привыкшие к текущим системам и процессам, могут сопротивляться внедрению новой модели. Для преодоления этого сопротивления требуется организовать обучение и повышение квалификации специалистов, чтобы они могли успешно работать с новыми инструментами и технологиями. Кроме того, внедрение CIM-модели может потребовать пересмотра и оптимизации существующих бизнес-процессов, что зачастую является сложным и затратным мероприятием.
Вопросы информационной безопасности
Расширение сетевых взаимодействий и интеграция различных систем повышают потенциальные риски киберугроз, что требует внедрения дополнительных мер защиты. Необходимо обеспечить соответствие системы законодательным требованиям в области защиты персональных данных и информационной безопасности.
В рамках исследования были предложены меры по минимизации указанных рисков. К ним относятся планирование поэтапного внедрения, проведение пилотных проектов, разработка программ обучения персонала и активное участие в деятельности по стандартизации.
Результаты исследования и их обсуждение
CIM-модель обеспечивает единый и стандартизированный способ описания компонентов энергетической системы и их взаимодействий. Это значительно облегчает обмен информацией между разными системами и устройствами, которые ранее могли использовать несовместимые форматы данных и протоколы [4]. В традиционных системах данные часто хранятся в отдельных базах данных со своими собственными структурами и форматами, что осложняет их интеграцию и обмен. Применение CIM-модели позволяет сформировать общую информационную базу, где каждый элемент системы описывается согласно общепринятым стандартам.
Например, при передаче данных от интеллектуальных счетчиков к системам управления и биллинга использование CIM-модели обеспечивает согласованность данных, устраняет необходимость в разработке сложных преобразователей и снижает вероятность ошибок при обмене информацией. Это особенно актуально для крупных энергетических компаний, где различные подразделения могут применять разные системы и приложения. Стандартизация данных способствует более эффективному взаимодействию как между подразделениями компании, так и с внешними организациями, включая поставщиков оборудования, регуляторов и потребителей энергии.
Стандартизация данных и процессов учета с помощью CIM-модели уменьшает вероятность ошибок и несовместимостей, возникающих при использовании различных систем. В традиционных системах несоответствие форматов данных и различия в интерпретации параметров могут приводить к искажению информации и некорректным расчетам. CIM-модель позволяет точно и однозначно описывать параметры оборудования и процессов, обеспечивая более точный сбор и анализ данных.
Увеличение точности учета непосредственно отражается на финансовых показателях компании, поскольку позволяет корректно рассчитывать объемы потребления и производства электроэнергии, снижать потери и оптимизировать расходы. Помимо этого, точные данные необходимы для соблюдения нормативных требований и предоставления отчетности регуляторным органам.
Доступ к актуальным и точным данным благодаря CIM-модели существенно улучшает процессы прогнозирования и планирования энергопотребления [4]. Это становится возможным за счет анализа больших объемов данных из различных источников в едином формате. Системы прогнозирования могут использовать исторические данные о потреблении, данные о погодных условиях, информацию о состоянии оборудования и другие факторы для создания более точных моделей.
К примеру, операторы сетей могут эффективнее планировать нагрузки, предотвращать перегрузки и оптимизировать распределение ресурсов. Это особенно актуально при увеличении доли возобновляемых источников энергии, которые характеризуются нестабильностью генерации.
CIM-модель упрощает интеграцию систем управления и автоматизации, повышая гибкость и адаптивность энергетической системы [6]. Благодаря стандартизации данных становится возможным оперативно внедрять новые технологии и приложения, такие как системы управления спросом, интеллектуальные сети (Smart Grid), интеграция распределенной генерации и накопителей энергии.
Применение CIM-модели также способствует развитию сервисов для потребителей, например, предоставление им доступа к своим данным о потреблении в режиме реального времени, что стимулирует энергосбережение и повышение энергоэффективности.
В процессе исследования был проведен детальный анализ структур данных существующих систем учета и управления. Установлено, что различные системы используют разнообразные форматы данных, включая собственные проприетарные форматы, XML, CSV, а также различные протоколы передачи данных, такие как Modbus, DNP3, IEC 60870-5-104 и др. Это усложняет интеграцию и обмен данными между системами, особенно если они были разработаны разными поставщиками или в разное время.
К примеру, система управления распределительной сетью может использовать один формат данных, в то время как системы учета на подстанциях и у потребителей – другой. Это вынуждает разрабатывать промежуточные программные решения для преобразования и сопоставления данных, что повышает сложность системы и риск возникновения ошибок.
Для решения этих проблем были разработаны схемы сопоставления данных, позволяющие корректно преобразовывать и передавать данные в формате CIM. Этот процесс включал:
− Создание матриц соответствия, где каждому элементу данных в существующей системе соответствует определенный класс или атрибут в CIM-модели.
− Разработку правил преобразования данных, учитывающих различия в единицах измерения, форматах представления чисел, кодировках и других параметрах.
− Тестирование и валидацию схем сопоставления на реальных данных для обеспечения правильности преобразований и выявления возможных ошибок.
В ходе исследования предлагается разработать программные модули, обеспечивающие преобразование данных в формат CIM и обратное преобразование для совместимости с существующими системами. Эти модули реализуют разработанные схемы сопоставления и автоматизируют процесс обмена данными.
Прототипы были разработаны с использованием современных языков программирования и технологий, таких как Java, C#, и платформ для интеграции данных (например, Apache Camel, MuleSoft). Модули были протестированы на совместимость с различными системами и протоколами передачи данных.
При разработке модулей учитывались требования к производительности, масштабируемости и надежности. Были реализованы механизмы обработки ошибок, повторной передачи данных в случае сбоев, а также возможности расширения функциональности модулей для поддержки новых типов данных и протоколов.
Создание таких модулей позволяет постепенно интегрировать CIM-модель без необходимости мгновенной замены всех компонентов системы. Это особенно важно для крупных энергетических компаний с разветвленной инфраструктурой и множеством существующих систем. Постепенный переход снижает риски, связанные с внедрением новой технологии, и позволяет аккумулировать опыт и знания в процессе интеграции.
Необходимость обновления оборудования и программного обеспечения для поддержки CIM-модели является одним из основных технических вызовов. Некоторые устаревшие устройства и системы не поддерживают современные протоколы и стандарты, что требует их замены или модернизации [5]. Это может потребовать значительных финансовых вложений и времени.
Например, интеллектуальные счетчики и устройства автоматизации подстанций могут не поддерживать необходимые коммуникационные интерфейсы или протоколы обмена данными. Для решения этой проблемы может потребоваться установка дополнительных устройств-шлюзов или обновление программного обеспечения оборудования.
Различия в национальных и международных стандартах могут вызывать несовместимости и затруднять внедрение CIM-модели [3]. В некоторых случаях национальные стандарты могут иметь специфические требования или могут использоваться термины и определения, отличные от международных.
Необходима адаптация CIM-модели к специфике российской энергетической системы, включая перевод терминологии, учет национальных нормативных требований и интеграцию с национальными системами классификации и кодирования. Это требует участия экспертов в области стандартизации и может быть длительным процессом.
Необходимость перераспределения обязанностей и изменения бизнес-процессов может вызвать опасения у сотрудников относительно стабильности их рабочих мест и роли в организации. Для преодоления этого вызова важно проводить разъяснительную работу, демонстрировать преимущества новой системы и обеспечивать поддержку со стороны руководства.
Для решения проблем стандартизации предлагается провести адаптацию международных стандартов, включая CIM-модель, с учетом специфики национальной энергетики и законодательной базы [3].
Начало внедрения CIM-модели с пилотных проектов позволяет отработать методологию, выявить и устранить возможные проблемы на ограниченном участке, прежде чем масштабировать решение на всю организацию. Пилотные проекты могут быть реализованы на отдельных подстанциях, в региональных подразделениях или в рамках определенных процессов.
Постепенное расширение внедрения позволяет накапливать опыт, совершенствовать процессы и снижать риски, связанные с возможными техническими и организационными трудностями.
Заключение
В ходе данного исследования была разработана методология интеграции модели Common Information Model (CIM) в системы учета электрической энергии и мощности. Тщательное изучение существующих стандартов информационного моделирования в энергетике, таких как МЭК 61970 и МЭК 61968, а также их согласование с другими стандартами, включая МЭК 61850 и SCL, создало основу для формирования унифицированной информационной модели.
Предложенная методология включает определение необходимых параметров для учета и управления энергопотреблением, адаптацию стандартной CIM-модели под специфические требования учета и разработку механизмов обмена данными между существующими системами и CIM-моделью. Проведенное компьютерное моделирование этой методологии показало повышение точности учета и эффективности управления энергопотреблением.
В процессе исследования были выявлены риски и сложности при внедрении CIM-модели, включая технические трудности, проблемы стандартизации, организационные барьеры и вопросы информационной безопасности. Были предложены способы преодоления этих препятствий, такие как адаптация международных стандартов к национальным особенностям, проведение пилотных проектов и инвестирование в обучение персонала.
Внедрение разработанной методологии способствует оптимизации процессов учета и управления энергопотреблением, повышает эффективность работы энергетических систем и создает базу для развития интеллектуальных сетей (Smart Grids). Стандартизация и унификация данных облегчают интеграцию различных систем и приложений, способствуя повышению прозрачности и управляемости энергетических процессов.
Для успешного внедрения методологии необходимо продолжить работу над адаптацией стандартов, развитием инструментов интеграции и обучением специалистов. Будущие исследования могут быть направлены на практическое применение методологии в реальных энергетических компаниях, оценку экономической эффективности ее внедрения и изучение влияния на устойчивость и надежность энергосистем.