Создание информационной системы управления производством и коммерческой диспетчеризации энергообъектов

Коряков А.Ф.
выпускник группы MBA CIO-27
Школа IT-менеджмента
РАНХиГС при Президенте РФ

Объектом исследования и автоматизации процессов в данной работе выбрана компания ЗАО «Комплексные энергетические системы» (Integrated Energy Systems, КЭС-холдинг) - крупнейшая в России частная компания, которая работает в сфере электроэнергетики.  Компания создана в декабре 2002 года для реализации стратегических инвестиционных программ в российской электроэнергетике.

КЭС владеет стратегическими/контрольными пакетами акций и осуществляют управление в 4-х ТГК (ТГК-5, ТГК-6, ТГК-9, ВоТГК).  Компания занимает 5 место по установленной мощности среди электроэнергетических компаний РФ и является  крупнейшим в России производителем тепловой энергии. В числе стратегических направлений деятельности КЭС: производство тепловой и электроэнергии; развитие генерирующих мощностей; энерготрейдинг; розничные продажи электрической и тепловой энергии.

«Генерация» — Общая установленная мощность электростанций КЭС-Холдинга около 16 тыс. МВт. В 2010 году ТЭЦ КЭС-Холдинга выработали около 62 млрд кВтч электроэнергии.

«Тепло» — Холдинг занимает 12% рынка централизованного теплоснабжения России. Выработка тепла ТЭЦ КЭС-Холдинга в 2010 году составила 120 млн Гкал.

«Ритейл» — Клиентами энергосбытовых компаний КЭС являются более 10 млн физических и около 62 тыс. юридических лиц.

После реформы РАО ЕЭС новый менеджмент генерирующих компаний поставил перед собой приблизительно похожие задачи для повышения эффективности, т.к. в целом уровень переданных в управление компаний оказался одинаковым, а условия функционирования их на рынке - общими и достаточно жесткими. Основные направления повышения эффективности бизнеса, явно выделяемые большинством управляющих компаний, стали задачи максимального увеличения прибыльности при сохранении уровня надежности компаний, как системообразующих и стратегически важных субъектов российской экономики. Возникли задачи улучшения корпоративного управления компаний, получения максимального эффекта масштаба при слиянии в управление нескольких энергетических активов, а также задачи, предписанные регуляторами и законодательством.

Все эти задачи, безусловно, могут быть решены наиболее быстро и рационально с помощью современных решений автоматизации различных процессов.

В этой связи перед компаниями в области информационных технологий, телекоммуникаций и связи, возник общий и достаточно приоритетный блок автоматизируемых и высокотехнологичных задач, соответственно относящихся к разных группам бизнес холдинга: генерация, передача энергии, сбыт.

Наиболее актуальными темами автоматизации оказались следующие:

- Развитие автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) для обеспечения надежной и безопасной работы оборудования, поддержания современного уровня АСУТП, систем учета и контроля состояния объектов.

- Создание систем по работе на оптовом рынке электроэнергии и мощности (ОРЭМ).

- Создание хранилищ данных и наборов функциональных модулей для дальнейшей автоматизации работы на ОРЭМ.

В 2010-11г. для реализации этих задач в состав  портфеля стратегических ИТ-проектов холдинга  были  включены следующие темы:

• Создание единой централизованной системы  сбора технологической информации (ЦСТИ).
• Создание системы моделирования ТЭС и оптимизации режимов работы технологического оборудования (СМиОР). 

ЦСТИ должна обеспечить  сбор в реальном времени ключевой технологической информации,  включая данные от АСУТП, АИИСи ТМ объектов генерации (данные о выработке тепловой и электрической энергии, потреблении топлива),  диспетчерские графики,  индикаторы  БР, РСВ и т.п.

Эти данные помещаются в хранилище технологической информации, и используются в модели технологического процесса и коммерческой диспетчеризации.

Данные из ЦСТИ являются основой для системы моделирования ТЭС и оптимизации режимов работы технологического оборудования. В рамках системы производится эффективное моделирование плановых и фактических режимов работы ТЭС во всём диапазоне нагрузок, выбор оптимального состава и режима работы оборудования, расчет и сравнительный анализ фактических и нормативных технико-экономических показателей (ТЭП) работы объекта генерации, оптимизация распределения тепловой и электрической нагрузки.

Основная цель внедрения комплексной системы управления генерацией – повышение эффективности работы КЭС-Холдинга в целом и оптимизация загрузки генерирующего оборудования с точки зрения максимизации маржинальной прибыли и/или минимизации затрат на топливо.

Предметом исследования в данной работе является поиск технических решений для построения информационной  системы управления производством электрической и тепловой энергии на предприятиях тепловой электрогенерации (ТЭС) и коммерческой диспетчеризации энергообъектов.

Теоретическая часть: Дан обзор тенденций по построению систем управления производством на промышленных предприятиях, описаны основные функции данных систем и их место в иерархии автоматизированных систем управления предприятием (Рис.1).

Рис.1. Реализации MES-системы на производстве и ее взаимосвязи с системами управления верхнего и нижнего уровня.

Методическая часть: Описаны предпосылки внедрения систем управления производством в энергетической отрасли, определены методики выбора систем  и их основной функционал, а также цели применения  и взаимосвязи с системами управления верхнего и нижнего уровня.

На рисунке 2 представлена схема взаимосвязей основных модулей систем управления энергохолдингом – систем нижнего уровня (АСУТП, АИИС) с системами управления производством ( ЦСТИ, СМиОР) и системами верхнего уровня на базе решений SAP ERP

Практическая часть: Определены функциональные заказчики от бизнеса, требования к информационным системам управления производством, описан выбор информационных систем, а также технические, архитектурные и функциональные схемы решений, приведены спецификации программного обеспечения и оборудования для их реализации, определены функции информационных систем. Сделан расчет эффективности инвестиций и сроков окупаемости проекта.

Решение по единой централизованной системы  сбора технологической информации (ЦСТИ) строится на базе программных продуктов семейства PI System компании OSisoft. Кроме того, используются программные продукты компаний Microsoft.

Основными компонентами системы являются:

1. PI Enterprise Server Professional - промышленная система хранения технологической информации. Реализует следующие функции:
• сбор и консолидацию  данных при помощи набора РI-интерфейсов и централизованного хранилища (РI-сервер);
• ведение информационной модели при помощи компонента PI Analysis Fгamework (AF);
• выполнение разнообразных расчетов при помощи модулей PI AF и PI Advaпced Computing Engine (АСЕ);
• интеграцию с реляционными базами данных при помощи OLE DB СОМ Connector;
• визуализацию данных при помощи портальных компонентов WebParts.



Рис.2.  Взаимосвязь систем ЦСТИ, СМиОР и ERP

2. Microsoft  SQL Server - промышленная  СУБД,  используется для хранения   информационной модели, плановых данных, данных технологического портала, организации обработки макетов.
3. Microsoft Office ShaгePoint Server (MOSS) 2007 - nлатформа для создания технологического портала,  интегрируемая  с  хранилищем  на  базе  PI  Enterprise  Server  при  помощи  WebParts.

ЦСТИ представляет собой иерархическую распределенную систему, состоящую из центрального узла - ПТК центрального узла ЦСТИ и узлов сбора ЦСТИ,  устанавливаемых на тепловых электростанциях.

В процессе внедрения ЦСТИ в 2011-2012г. было проведено техническое проектирование системы, произведена поставка и наладка оборудования центрального узла и узлов сбора, проведено обучение персонала функциональных заказчиков системы.

В результате создания ЦСТИ  на объектах ОАО «ТГК-6» (пилотное внедрение в холдинге) были в соответствии с техническим заданием было реализовано следующее:

• Создана ИТ-инфраструктура центрального узла ЦСТИ в ЦОД на Сормовской ТЭЦ.
• Созданы узлы сбора на всех ТЭЦ, входящих в объем проекта.
• Созданы интерфейсы и линии связи к источникам данных на всех ТЭЦ, с обеспечением безопасного получения информации. 
• Обеспечена передача данных от источников в центральный узел ЦСТИ с заданным интервалом
• Обеспечена наладка и настройка ПО серверов и клиентских рабочих мест

Решение по созданию системы моделирования ТЭС и оптимизации режимов работы технологического оборудования (СМиОР) базируется   на основе специализированного решения iOPT компании iRM/OpenLink. iOPT состоит из следующих блоков:

• iOPT Общий;
• iOPT Оптимизация;
• iOPT Торговля (модуль Управления рисками);
• iOPT Прогнозирование.

Оптимизационный блок позволяет разрабатывать и реализовывать математические модели для различных типов электростанций, которые на основе заданной или считываемой с регистрирующих устройств исходной информации решают следующие задачи:

• оптимизация режимов работы оборудования станций с целью максимизации дохода станции с учетом прогноза цен РСВ;
• выбор оптимального состава оборудования (с учетом пусковых затрат), и расчет оптимального распределения нагрузки между агрегатами при обеспечении заданного отпуска электроэнергии с целью получения максимального маржинального эффекта;
• оптимальное распределение нагрузки между агрегатами при выполнении торгового графика;
• осуществление расчета приростов затрат на топливо при изменениях нагрузки;
• расчет оптимального предложения на РСВ исходя из различных вариантов нагрузки, изменения рыночных цен, других сценарных условий. Подобные вычисления производятся с помощью функции «Анализ чувствительности», которая позволяет проводить расчет различных вариантов за один запуск системы оптимизации;
• проводить планирование и оптимизацию закупки и расходов топлива на долговременный период (формирование оптимальных энерготопливных балансов (ЭТБ)).

Система обеспечивает возможность моделирования блочных ТЭС и ТЭС с поперечными связями, конденсационных и теплофикационных (ГРЭС, ТЭЦ и т.д.), рынков по электроэнергии и топливу, линий передач.

Прогнозный модуль iRM iPRO - это модуль, использующий наиболее прогрессивную модель для прогнозирования временных рядов, позволяющую наиболее точно определять будущее значения необходимых  параметров. Что позволяет с минимальной погрешностью планировать изменение, объемов и цен. Алгоритм, используемый для прогнозирования различных параметров, позволяет учитывать множество факторов влияния на них, в том числе и ценовую составляющую и, таким образом, предугадывать изменения параметров в различные промежутки  времени.

В результате работ по полномасштабному внедрению системы математического моделирования ТЭС предполагается достичь следующих результатов:

• Максимизация маржинальной прибыли при производстве тепловой и электроэнергии
• Минимизация затрат на расходуемое топливо

Кроме того, реализовать следующие функции:

• Функцию нахождения оптимального почасового графика генерации электроэнергии для каждой ГТП по критерию максимальной маржинальной прибыли от продажи электроэнергии при заданных суточном лимите газа и цен на топливо, прогнозных значениях цены РСВ, объемах и тарифах РД, объемах и тарифах на отпуска тепла и состава основного оборудования
• Функцию оптимизации распределения электрической и тепловой нагрузки на по критерию минимизации расхода топлива при заданном составе основного оборудования, безусловном выполнении заданного почасовых графиков генерации электрической энергии и отпуска тепла потребителям

В результате напряженной работы многих сотрудников ЗАО «КЭС», ОАО «ТГК-6», сервисных ИТ-компаний КЭС-холдинга – ООО «Стратегические бизнес-системы», ООО «Группа ВИСТА», системных интеграторов - компаний КРОК, СтинсКоман – был создан масштабный проект по построению системы управления производством крупнейшего частного энергохолдинга России. Этот проект позволил создать решение, объединяющее в единой базе производственных параметров данные о выработке тепловой и электрической энергии десятков ТЭС, входящих в энергохолдинг, а также создание математических моделей агрегатов ТЭС, позволяющих оптимизировать производственные процессы.  Создано единое пространство производственной и технологической информации, позволяющее управлять производством и выработкой энергии не только одного агрегата, а всеми ТЭС холдинга в целом, оптимизируя загрузку технологического оборудования, четко соблюдая диспетчерские графики и обеспечивая экономию топлива, расходы на которое являются основной составляющей затрат тепловой генерации на производство энергии.

Создана общая структура данных единой системы хранения производственной и технологической информации, прозрачной автоматизированной схемы формирования отчетов, что дает полную картину состояния производства, обеспечивает возможность получения дополнительной прибыли и дает возможность компетентного управления энергообъектами в реальном режиме времени из диспетчерского центра холдинга.

Таким образом, обеспечен промежуточный слой системы управления холдинга – между разнородными, историческими локальными системами АИИС КУЭ, системами телемеханики и АСУТП, системами учета тепловой энергии и учета топлива (газа) – которые объединила ЦСТИ и позволила дать информацию для проверки и уточнения математических моделей агрегатов ТЭС, и уровнем ERP системы холдинга на базе SAP.

Экономический эффект от внедрения данных систем, судя по самым пессимистичным расчетам, значительно превышает вложенные инвестиционные средства и обеспечивает быстрый возврат инвестиций – менее чем за год промышленной эксплуатации системы (от 4 до 8 месяцев).

В настоящий момент внедрение системы только завершается, и практических результаты, а также подтверждение оценок экономического эффекта еще  пока трудно проверить, но по предварительным оценкам технических руководителей филиалов ОАО «ТГК-6»  и коммерческих диспетчеров КЭС-Трейдинга - инструмент очень полезен в текущей работе, связанной с контролем ситуации на ТЭС, как объектах повышенной опасности. Кроме того, расчеты  ТЭП и маржинальной прибыли на основании ретроспективных данных по ТЭС, где внедрено решение по СМиОР, с применением математической модели и ее рекомендаций по оптимальному использованию технологического оборудования, дает очень высокие результаты – повышение маржинальной прибыли до 8-12%.  Какие же реальные практические результаты появятся от внедрения данного проекта – покажет время, и очень скоро.