ВВЕДЕНИЕ В КУРС «ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМАМИ»
В1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ УПРАВЛЕНИИ ЭНЕРГОСИСТЕМАМИ
Правилами технической эксплуатации электрических станций (ЭСТ), электрических (ЭС) и тепловых (ТС) сетей [1] эн ергопроизводство, распределение и отпуск энергии потребителю считаются основными задачами энергообъектов.
Энергосистема является основным звеном энергопроизводства и представляет собой сложный комплекс ЭСТ, ЭС и ТС, характеризующийся общностью режимов работы и централизованным оперативно-диспетчерским управлением.
Нормальное функционирование энергосистем в целом и отдельных энергообъектов принципиально невозможно без использования различных по назначению и исполнению систем управления, контроля, связи, и в том числе систем передачи производственной информации. Так, на рис. В1 показан график задач и использования различных систем, необходимых при автоматическом и автоматизированном управлении энергосистемами. Из анализа приведённых на рисунке сведений следует, что при управлении энергосистемами и энергообъединениями практически используются все известные виды связи, а круг задач, решаемых при управлении, весьма широк. При создании региональных и более крупных энергообъединений возникает необходимость и в спутниковых системах связи. Кроме того, помимо оперативной информации требуется передавать статистические данные (и информацию), необходимые для планирования деятельности энергопредприятий. В цитированных выше правилах [1] сформулированы требования к номенклатуре комплексов технических средств, образующих автоматизированные системы управлении (АСУ) технологическими процессами (АСУТП), автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ) и АСУ производством электрической и тепловой энергии (АСУП). Особое внимание уделено датчикам информации, каналам связи, устройствам телемеханики, аппаратуре передачи данных и прочим техническим средствам.
Общими задачами названных технических средств являются сбор, обработка (преобразование), хранение и передача различных видов информации. Эта общность задач позволяет представить различные системы, и в частности системы передачи информации в обобщённом виде (в виде обобщенных структурных схем). Следует отметить, что указанные задачи «позволяют» также классифицировать как системы, так и устройства. При этом в основе классификации лежит признак функционального назначения.
Рис. В1. Виды систем связи и типы решаемых задач в энергообъединениях
Любой процесс управления «связан» с получением (сбором) информации, её обработкой (переработкой), временным или долговременным хранением информации результата обработки, с её передачей и последующим использованием обработанной информации (её реализацией).
Чтобы исключить некорректности в изложении учебного материала и трактовке понятий, дадим основные определения.
Сообщение (сведения, данные) - результат действия некоторого материального объекта или форма его состояния, непосредственно подлежащие передаче другому материальному объекту. Существенным в этом определении является то, что сообщение имеет материальную основу и подлежит передаче. Сообщением же может быть как результат целенаправленного действия, так и результат случайного действия, который отображается состоянием объекта То, что не подлежит передаче, не является «сообщением».
Сведения (или часть сообщения), которые заранее неизвестны получателю, представляют собой информацию, называются информацией. Отсюда следует, что сообщения, которые известны получателю информации, не представляют никакой ценности для получателя и не несут информацию. Из этого определения также следует, что сообщения (сведения) могут содержать (нести, передавать) разное количество информации, а само количество информации зависит от вероятности появления сообщений.
Материальный объект, которому передаётся информация, называют приемником или получателем информации, а порождающий информацию объект - источником информации. Получатель информации использует (реализует) полученную информацию по её назначению. Обычно источник и приёмник информации разнесены в пространстве, т.е. располагаются на различном (часто весьма значительном) расстоянии. При этом возникает дополнительная задача обеспечения верности (достоверности) передаваемой информации, так как при передаче информация может быть искажена внешними воздействиями. Эти внешние (относительно системы), приводящие к искажению информации воздействия, принято называть помехами.
Помехи, как правило, носят случайный характер и их источник заранее неизвестен.
Для «зашиты» информации от помех в системах предусматривается ряд преобразований сигналов. Этими преобразованиями сигналам придаются такая форма и структура, которые позволяют передавать информацию без ошибок (искажений) при наличии помех.
Сигнал - это материальный носитель информации, между параметрами которого и передаваемым сообщением существует однозначное информационное соответствие. При всех преобразованиях (формы и структуры) сигнала содержащееся в нём количество информации должно оставаться и остается неизменным.
На рис. В2 приведена обобщённая структурная схема систем передачи информации. На схеме приняты следующие условные обозначения: УВв устройство ввода информации; КУ - кодирующее устройство. ПРд передатчик системы: ПРм - приёмник системы; ДКУ - декодирующее устройство и УВыв - устройство вывода (выдачи) информации
Рис. В2. Обобщённая структурная схема систем передачи информации
На рисунке направление передачи отображено линиями со стрелками, причём схема соответствует случаю, когда передача осуществляется в одном направлении от многих источников (Ν - число источников) к соответствующим получателям информации. На входы системы подаются воздействия (сигналы) от первичных преобразователей информации, роль которых могут играть не только всевозможные технические устройства и элементы, но и человек (человек-оператор, человек-диспетчер).
В функции УВв входит временное хранение входных сигналов и их преобразование с целью получения унифицированных «первичных» (для системы) подлежащих передаче сигналив. Обычно это сигналы в виде напряжения постоянного или переменного тока, нормированные по своим параметрам. Они могут быть аналоговыми или дискретными и имеют «форму» и «структуру». подверженную влиянию помех. Состав блока УВв меняется в зависимости от наличия либо отсутствия первичных преобразователей информации и назначения передаваемой информации.
Кодирующее устройство (КУ) придает первичным сигналам форму и структуру, допускающую возможность передачи сигналов в условиях помех, - «кодирует» первичные сигналы и, вместе с тем, информацию. В общем случае под «кодированием» понимают процесс преобразования сообщения в сигнал. (Понятия, связанные с «кодированием», будут рассмотрены более подробно в разделе 3 настоящего пособия). В результате кодирования образуются «кодированные сигналы», способные противостоять действию помех, и поэтому могут обеспечить желаемую верность передачи информации.
Передатчик (ГТРд) и приёмник (ПРм) системы в совокупности с линией связи образуют устройство связи. Основной функцией этого устройства является создание ( организация) требуемого числа каналов связи.
Материальная среда между передатчиком и приёмником системы называется линией связи. Линии связи могут быть «физическими» (проводными - электрическими или оптоволоконными) и «беспроводными», например лазерными, акустическими либо радиолиниями. Задача устройства связи - организовать па предоставленной (или выбранной) пинии связи необходимое число каналов связи.
Канал связи - это тракт (путь) независимой передачи сигналов (и информации) от конкретного источника к соответствующему получателю- приёмнику информации. Канал связи образуется набором технических средств и линией связи, создающих совместно эти независимые пути передачи. («Независимость» здесь понимается в смысле отсутствия взаимного влияния одного канала на другой.) Таким образом, канал связи «начинается» у конкретного источника информации и «кончается» у соответствующего приёмника этой информации. Так трактуется понятие канала связи в теории информации. В технике же часто под каналом связи понимают ту часть «пути», которая «проходит» по линии связи. Поэтому в литературных источниках можно встретить такие понятия, как «уплотнение линии связи» и даже «уплотнение канала (каналов) связи». Понимать при этом следует создание дополнительных каналов для передачи иных видов информации на уже имеющейся линии связи и соответственно канале связи. Создание каналов связи - одна из основных проблем как техники связи, так и систем передачи информации.
Как видно по структурной схеме, помехи действуют в линии связи, искажая передаваемые сигналы («линейные» сигналы), однако их действие всегда приводится к входу приёмника и проявляется в выходных его сигналах. Чтобы устранить влияние помех, в передатчике и приёмнике системы предусматривается ряд мер (и методов преобразований), направленных на обеспечение помехоустойчивости передачи-приёма сигналов. В блоке ПРд к таким методам относятся модуляция, фильтрация и усиление сигналов. На при ёмной стороне (в блоке ПР.м) этим целям служат усиление и фильтрация по частоте принимаемых сигналов, демодуляция сигналов. Кроме того, в приёмнике реализуются общие методы борьбы с помехами, например метод ШОУ (широкополосное усиление, ограничение по уровню, узкополосное усиление). Отметим, что помехи могут возникать и в блоках либо в связях между блоками системы - это так называемые внутренние помехи; однако эти помехи не учитывают, поскольку их можно устранить при конструировании и изготовлении устройств.
Основное назначение декодирующего устройства (ДКУ) реализовать процесс, обратный процессу кодирования. При декодировании принимаемые (кодированные) сигналы вновь преобразуются в первичные сигналы, соответствующие таким же сигналам на передающей стороне. В зависимости от выбранного кода возникающие пол действием помех ошибки могут быть обнаружены и даже исправлены. За счёт этого может быть обеспечена, высокая верность приёма информации и даже «секретность» ее передачи.
Устройство вывода УВыв содержит преобразователи декодированных сигналов в сигналы, форму и вид которых способен воспринять конкретный
получатель информации, кроме того, здесь может быть предусмотрена буферная память декодированных сигналов на интервал времени, достаточный для фиксации получателем информации принятого сообщения.
Допустим, что схема (рис. В2) отображает структуру системы телеуправления (ТУ) разъединителями высоковольтной электрической сети. В этом случае источником информации ТУ является человек-диспетчер, а получателем информации - локальная автоматика, непосредственно управляющая разъединителями Диспетчер, выполнив подготовительные операции и приняв решение на передачу соответствующей команды, нажимает кнопку передачи. Система же автоматически формирует, передаёт, принимает, расшифровывает сигнал ТУ и доводит его к органу управления локальной автоматики конкретного разъединителя. Чаще всего в качестве такого органа используется электромагнитное реле постоянного либо переменного тока. Поэтому система ТУ (а именно блок УВыв) должна удержать, запомнит ь декодированный сигнал ТУ на интервал времени, достаточный для срабатывания указанного реле управления. После чего система и все её блоки должны перейти в начальное состояние, соответствующее отсутствию передачи команд.
Приведённый пример даёт возможность понять, что ограничиться передачей команд управления нельзя, поскольку убедиться в выполнении этих команд, т.е. получить подтверждение о выполнений команды, непременное и необходимое условие процесса управления. Поэтому реальные системы позволяют не только управлять «чем-либо», н о и контролировать состояние этого «что-либо». Другими словами, реальные системы управления, рассматриваемые как единое целое, выполняют несколько функций, являются комплексными, интегрированными. Передача информации в них осуществляется в двух направлениях - «прямом» и «образ ном», часто и в нескольких направлениях, если управляемые и контролируемые объекты рассредоточены в пространстве
Несмотря на всё многообразие используемых в энергосистемах (см. рис. B1) систем передачи информации, можно сформулировать ряд общих и обязательных требований к ним. Любая система передачи любого вида информации должна обеспечить:
- высокую верность и помехоустойчивость;
- высокую эффективность передачи;
- высокую экономичность передачи информации.
Первое требование понятно и легко объяснимо. Под эффективностью обычно понимают обеспечение максимальной скорости передачи при заданных требованиях к верности и помехоустойчивости. Это требование сводится к передаче максимального количества информации за минимальное время. Отметим, что первые два требования противоречивы, поскольку методы их обеспечения приводят к противоположным результатам. Поэтому приходится решать оптимизационную задачу, удовлетворяя одному требованию при возможном варианте достижения второго требования. Требование же на обеспечение высокой экономичности -заключается в минимизации аппаратурных и стоимостных затрат на передачу информации. Это требование решается на этапах технического проектирования и сводится к использованию типовых проектных решении и унифицированных технических средств.
В энергетике основными объектами управления являются процессы - технологические процессы производства энергии, процессы транспортировки и распределения энергии потребителям. По определению транспортировать означает перемещать в пространстве. Этой цели служат электрические и тепловые сети (ЭС и ТС). Поскольку процесс транспортирования, например электроэнергии, связан с преобразованием «качества» транспортируемого продукта (энергии), то можно говорить о технологическом процессе транспортирования. По определению, технологический процесс — это процесс получения «нового» продукта, продукта лучшего качества, на основе исходных продуктов (материалов) путём применения к этим материалам специальных технологических операций и процедур. выполняемых в определённой последовательности. При этом «продуктом», «материалом» может быть и информации, тогда можно вести речь о технологии обработки (переработки) информации или об информации иной технологии (ИТ).
Процессы, связанные с получением, обработкой и использованием (реализацией) информации, н азывают информационными процессами. А комплекс мероприятий, направленных на реализацию информационных процессов, сеть информационное обеспечение систем управления.
Изучаемая дисциплина имеет целью систематическое изложение вопросов и задач, возникающих при управлении энергосистемами, а также методов их решения на основе современных информационных технология [3]. Целью ИТ является получение качественно нового информационного продукта, отвечающего потребностям пользователя.
Как известно, в настоящее время широкое применение нашли методы, рассчитанные на обработку данных с помощью компьютеров и других средств микропроцессорной техники. Поэтому основными методами информационных технологий, позволяющих реализовать практически все операции и процедуры обработки информации, являются прог раммные методы либо методы, реализуемые программо-аппаратными комплексами. В свою очередь, прог раммн ая реализация невозможна без математического и алгоритмического описания процедур. В программно-аппаратных комплексах часть технологических процедур реализуется «аппаратно», т.е. с помощью различных схемотехнических решений на основе «традиционной» элементной базы систем. Примером новых информационных технологий может служить обработка информации с помощью «баз данных», а также с помощью программ «искусственного интеллекта».
Следует также заметить, что понятие «обработка» информации включает в себя и обработку данных с целью их воспроизведения для человека- оператора. В этом современные компьютеры и терминальные устройства, в
частности дисплейная техника, предоставляют человеку широкие возможности . Информацию можно воспроизводить в текстовой и графической форме различного вида и цвета (графики, гистограммы, диаграммы, рисунки, схемы и т.д.), а также в виде разнообразных таблиц. Использование этих «инструментальных средств» позволяет человек) достаточно быстро, просто воспринять и уяснить информацию и тем самым повысить оперативность управления и контроля.
Отметим ещё один аспект информационною обеспечения управления энергосистемами. Это касается проблемы установления взаимных связей между человеком и технической системой, между двумя (или несколькими) техническими системами, а также связей типа «человек человек». Следует констатировать, что роль человека всё больше и больше сводится к первоначальному запуску систем в состояние работоспособности с последующим контролем этого состояния и инициализации тех или иных режимов работы систем. Функции же непосредственного управления (и контроля) объектами (за объектами) передаются автоматическим устройствам и системам. В такой ситуации особую важность приобретают свойства («способности») человека и систем к возможности установления взаимной связи. Коммуникационные отношения особенно важны в энергообъединениях, где должны слаженно взаимодействовать и люди и технические системы. Совокупность технических систем (устройств) и линий связи, с помощью которых устанавливаются взаимные связи, образует коммуникационную сеть. Это понятие объединяет все сети, классифицируемые по видам передаваемой информации (сети передачи данных, телефонные сети, сети радиосвязи и т.д., в том числе и сеть Internet). В свою очередь, установление коммуникационных связей (отношений) требует специальных правил, согласно которым устанавливается взаимная связь, а также технических средств, реализующих эти правила. Указанные правила и названные технические средства образуют интерфейс систем или интерфейсы, одним из классификационных признаков которых является уровень или «ранг» связи.
Изложенный материал подчёркивает тот факт, что внедрение новых информационных технологий в процессы управления энергосистемами представляет собой актуальную задачу, от решения которой зависит уровень развития энергосистем и их совершенство. С другой стороны, это требует от специалистов повышения квалификации и приобретения соответствующих знаний.
В2. РЕКОМЕНДАЦИИ СТУДЕНТАМ-ЗАОЧНИКАМ
1. Уделите особое внимание задаче отбора из большого списка рекомендуемой литературы тех источников, которые будут Вам полезны при изучении того или иного раздела учебного материала Это обусловлено тем, что в настоящее время отсутствует учебное пособие, полностью соответствующее учебной программе курса. Ряд «подсказок» и рекомендаций приведены в [3].
- Активный и творческий подход к изучению учебного материала по данной дисциплине возможен только при достаточных знаниях ранее изученных общеинженерных и специальных дисциплин. Если Вы обнаружили пробел в своих знаниях, не поленитесь и вернитесь, проработайте пропущенный материал или раздел. Эти затраты времени и сил окупятся сторицей - «без хорошего фундамента добротный дом не построишь!».
- Настоятельно Вам рекомендуем ознакомиться (по возможности тщательно) с существующими на предприятии, где Вы работаете, системами управления, контроля, а также с используемыми системами связи (по видам связи). Уясните особенности функционирования систем и процессы получения (сбора), преобразования и использования информации того или иного вида. Совместно с коллегами постарайтесь сформулировать предложения (задачи) по совершенствованию указанных процессов на основе методов и средств современных информационных технологии.
- Не оставляйте без ответов все вопросы для самопроверки, которые Вам предлагаются в отдельных учебных пособиях и в методических указаниях, в частности, в учебной программе данной дисциплины [3]
- Постарайтесь выработать у себя (для себя) позиции системною подхода к изучаемому материалу! Старайтесь набрать не только «сумму знаний» по конкретному разделу и дисциплине в целом, но и подойдите творчески, критически к оценке предлагаемого Вам учебного материала. Руководствуйтесь при этом требованиями образовательного стандарта по Вашей специальности.
