CC BY
104
УДК 620.9:658.26
ОТКРЫТАЯ ИНТЕГРАЦИОННАЯ СРЕДА INTERPSS КАК ОСНОВА IT-ИНФРАСТРУКТУРЫ SMART GRID
л _ о
Л.В. Массель1, К.С. Бахвалов2
1 2
' Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130. 1Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены основные определения концепции Smart Grid, описаны цели и предпосылки её создания. Сформулирована одна из ключевых задач, требующих решения для формирования новой модели энергосистемы на базе этой концепции. Описываются возможности разрабатываемой в рамках международного проекта, при участии авторов, открытой современной интеграционной среды InterPSS для решения электроэнергетических задач. Рассмотрена открытая модель данных InterPSS (ODM), а также применение алгоритмов унаследованного ПК ДАКАР и их отладки в InterPSS с целью создания ядра мультиагентной системы, которая являлась бы основой IT-инфраструктуры Smart Grid и обеспечивала выполнение функций анализа и контроля функционирования электроэнергетической системы на базе концепции Smart Grid. Ил. 4. Библиогр. 12 назв.
Ключевые слова: Smart Grid; унаследованное программное обеспечение; программные комплексы; открытая интеграционная среда моделирования.
OPEN INTEGRATED ENVIRONMENT INTERPSS AS A BASIS OF SMART GRID IT-INFRASTRUCTURE
L.V. Massel, K.S. Bakhvalov
1 ?
'■2Melentiev Energy Systems Institute SB RAS, 130 Lermontov St., Irkutsk, 664033. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk,664074.
The paper presents basic definitions of Smart Grid conception, describes the objectives and background of its creation. It defines one of the key tasks to be solved in order to form a new model of the power system based on this conception, describes the capabilities of the modern open integrated environment InterPSS, which is being developed within the international project with immediate participation of the authors, for solving total energy problems. The authors consider an open data model InterPSS (ODM), as well as the use of the algorithms of legacy software package Dakar and their debugging in InterPSS in order to create a core of the multi-agent system, which would form the basis of Smart Grid IT-infrastructure and provide the functions of analysis and control for the electrical power system based on the Smart Grid conception. 4 figures. 14 sources.
Key words: Smart Grid; legacy software; software packages; open integrated simulation environment.
В настоящее время в России наблюдается растущий интерес к интенсивно развивающемуся в последнее десятилетие во всем мире направлению преобразования электроэнергетики, получившему название Smart Grid («умная сеть», «умная энергетическая система», англ.). Smart Grid за рубежом - общепринятый термин, однозначная интерпретация которого в России, тем не менее, не выработана. Материалы зарубежных публикаций [8] отражают многообразие взглядов и позиций в отношении Smart Grid, что обусловлено, в первую очередь, различием целей и ожиданий от развития этого направления у широкого круга заинтересованных сторон, включающего государство, компании - производители оборудования, энергетические компании.
Развитие концепции Smart Grid - это не только новейшие разработки в области энергетического оборудования, а также использование новейших технологий в области информационного и программного обеспечения. Smart Grid с точки зрения информационных технологий практически не рассматривается в том объеме, который необходим. Возможности современных информационных технологий позволяют создавать развитую ИТ-инфраструктуру, обладающую гибкостью, расширяемостью, возможностью работы в разных операционных системах. К тому же технологии мультиагентного моделирования позволяют использовать интеллектуальные системы для управления силовым оборудованием. В статье концепция Smart Grid рассматривается с точки зрения информационных
1Массель Людмила Васильевна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой автоматизированных систем, тел.: (3952) 405165, 89148736049, e-mail: massel@isem.sei.irk.ru
Massel Lyudmila, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Automated Systems, tel.: (3952) 405165, 89148736049, e-mail: massel@isem.sei.irk.ru
2Бахвалов Кирилл Сергеевич, аспирант, тел.: 89501407867, e-mail: kbakhvalov@yandex.ru Bakhvalov Kirill, Postgraduate, tel.: 89501407867, e-mail: kbakhvalov@yandex.ru
технологий, определяются предпосылки создания современной ИТ-инфраструктуры Smart Grid и предлагаются пути решения данной проблемы.
Концепция Smart Grid. В соответствии с трактовкой, сформулированной Европейской технологической платформой, Smart Grid понимается как «электрические сети, удовлетворяющие будущим требованиям по энергоэффективному и экономичному функционированию энергосистемы за счет скоординированного управления и при помощи современных двусторонних коммуникаций между элементами электрических сетей, электрическими станциями, аккумулирующими устройствами и потребителями» [9]. Министерство энергетики США позиционирует Smart Grid как «полностью автоматизированную энергетическую систему, обеспечивающую двусторонний поток электрической энергии и информации между электрическими станциями и устройствами повсеместно. Smart Grid за счет применения новейших технологий, инструментов и методов наполняет электроэнергетику «знаниями», позволяющими резко повысить эффективность функционирования энергетической системы...» [8]. Наиболее полно общую функционально-технологическую идеологию этой концепции, по-видимому, отражает сформулированное IEEE определение Smart Grid как концепции полностью интегрированной, саморегулирующейся и самовосстанавливающейся электроэнергетической системы, имеющей сетевую топологию и включающей все генерирующие источники, магистральные и распределительные сети и все виды потребителей электрической энергии, управляемые единой сетью информационно-управляющих устройств и систем в режиме реального времени [6].
Последние десятилетия характеризуются бурным развитием техники, экономики и общества, в которых происходят кардинальные изменения. К числу наиболее существенных изменений в развитии общества и экономики, влияющих в том числе на энергетическую отрасль, можно отнести следующие:
1. Дефицит источников электрической энергии.
2. Постоянно растущие требования к надежности и качеству электроснабжения со стороны потребителей.
3. Постоянное повышение стоимости электрической энергии во всем мире.
4. Старение и нарастающий дефицит квалифицированных кадров в энергетической отрасли.
5. Рост требований заинтересованных сторон к результатам деятельности энергетических компаний.
6. Требования экологической и промышленной безопасности функционирования энергетических объектов.
7. Снижение общесистемных затрат.
Учет всех этих факторов и связанных с ними рисков развития электроэнергетики требует пересмотра традиционных подходов, принципов и механизмов ее функционирования, выработки новых, способных обеспечить устойчивое развитие, повышение потре-
3 IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers, англ.)—^нститут^нженеровэлектратехники^электроник^
бительских свойств и эффективности использования энергии. Это решение требует разработки новой концепции инновационного развития электроэнергетики, которая, с одной стороны, соответствовала бы современным взглядам, целям и ценностям социального и общественного развития, формирующимся и ожидаемым потребностям людей и общества в целом, а с другой — максимально учитывала основные тенденции и направления научно-технического прогресса во всех отраслях, сферах жизнедеятельности общества. Такой концепцией стала Smart Grid.
ИТ-базис концепции Smart Grid. Технология Smart Grid подразумевает использование не только новых технологий в области силового оборудования, но и новейших разработок в области информационного обеспечения, направленных на качественное улучшение технико-экономических показателей. Далее концепция Smart Grid будет рассмотрена именно с точки зрения информационных технологий.
Внедрение концепции Smart Grid повлечет главным образом изменения в ИТ-инфраструктуре в результате существенного увеличения объема передаваемых и требуемых данных. Прогнозируется, что количество информации, ежедневно поступающей из энергетической системы на базе концепции Smart Grid, будет составлять более 2% от общего объема данных системы. В первом же году работы электросетевые компании будут вынуждены увеличить размеры памяти на местах или в центральной базе данных на 400% [8]. Зарубежными компаниями и исследовательскими организациями был проведен анализ влияния Smart Grid на ИТ-технологии и стратегию их оптимального использования, основанный на определении элементов через функции, каждая из которых занимает свое собственное место в логическом блоке. В физическом мире, где системы (ИТ или Smart Grid) материальны, один логический блок становится частью одного физического компонента или, возможно, состоит из нескольких физических компонентов. Поэтому логический анализ более доступен и интересен. Представленный ниже перечень логических систем отражает возможности работы энергетической системы на базе концепции Smart Grid: Распределенная система мониторинга и контроля; Распределенная система мониторинга подстанции; Автоматическая система выключения; Распределенная система текущего контроля за генерацией; Автоматическая система измерения протекающих процессов; Система управления измерениями; Распределенная система прогнозирования; Рабочая система управления Smart. В настоящее время более половины из рассмотренных систем существуют только в проекте.
Технологии, используемые сегодня, не могут выполнить задачи, необходимые для улучшения интерфейса «человек - машина» для оказания помощи операторам и охвата растущего объема собираемых данных, их использования в режиме, близком к реальному времени. Решением проблемы могло бы послужить создание интегрированного программного комплекса для организации работы всех вышеописанных логических систем, позволяющих в полной мере ис-
пользовать возможности энергетической системы на базе концепции Smart Grid.
Разработка программных комплексов (ПК) по моделированию электрических режимов энергосистем долгое время выполнялась различными отечественными научно-исследовательскими организациями: ВНИИЭ, НИИПТ, ИСЭМ и др. Поскольку каждая из них руководствовалась собственными требованиями к ПК, формированию входной и выходной информации, математическим моделям и методам решения задач, это привело к тому, что в настоящее время в проектных и эксплуатационных организациях в электроэнергетике применяется довольно обширный набор разнообразных ПК: RASTRWIN, Mustang, ДАКАР, АНАРЭС, ЭРА и др. Однако единого программного комплекса, обеспечивающего большую часть задач, решаемых в процессе проектирования и эксплуатации объектов, в отрасли электроэнергетики не существует.
В итоге при проведении однотипных расчетов с использованием различных ПК неизбежны случаи получения противоречивых результатов, особенно при расчетах электромеханических переходных процессов, что может приводить к ошибкам при выборе настроек противоаварийной автоматики и релейной защиты. В большинстве случаев данные продукты созданы с использованием процедурных языков программирования, таких как Фортран и С. Программное обеспечение, разработанное с использованием такого подхода, как известно, трудно поддерживать, расширять и интегрировать в другие системы и тем более использовать в качестве одной из составляющих Smart Grid. В настоящее время эти технологии и системы не удовлетворяют современным требованиям. Системы, обладающие такими свойствами, относятся к категории унаследованных (legacy systems) - это системы, по тем или иным причинам переставшие удовлетворять изменившимся потребностям применений, которые, тем не менее, продолжают использоваться ввиду больших затруднений, возникающих при попытке их замены [7]. Для продолжения их эксплуатации необходим, как правило, реинжиниринг этих систем [1-4]. В конечном итоге они должны быть заменены на новые системы, основанные на современных объектно-ориентированных языках программирования, таких как Java или C #, использующих компонентный подход.
Возможности современных информационных технологий позволяют создавать программные комплексы нового поколения, которые могли бы быть использованы в качестве ПК, в полной мере удовлетворяющих потребностям работы энергетической системы на базе концепции Smart Grid. Такие ПК должны отвечать определенным требованиям, разрабатываться в соответствующей архитектуре и технологиях, обладать гибкостью, расширяемостью, возможностью переноса на другие платформы. Распространение идеологии Open Source диктует переход от «монолитных» систем к компонентным, от закрытых систем к вычислительным серверам приложений, вследствие чего необходимо рассмотреть технологии, с помощью которых можно осуществить реализацию этих требований.
Как было сказано выше, единого программного комплекса на базе концепции Smart Grid, позволяющего организовать работу всех логических систем, в полной мере использующих возможности энергетической системы, не существует. Авторами предлагается использовать для разработки такого ПК мультиагентный подход.
В основе этого подхода лежит использование интеллектуальных агентов в качестве компонентов мультиагентного программного комплекса. «Агент» -это метафора, используемая в агентно-ориентированных системах, являющихся результатом синтеза технологий объектно-ориентированного программирования и искусственного интеллекта [5]. Агентно-ориентированное программирование можно рассматривать как специальный класс объектно-ориентированного программирования. Особенность агентно-ориентированного программирования состоит в том, что оно фиксирует состояние агентов с помощью определенных компонентов, называемых убеждениями (beliefs), возможностями, выбором и, если необходимо, другими подобными характеристиками [6]. В основе концепции построения мультиагентных систем лежит понятие агента, которого можно рассматривать как некий автономно функционирующий и обладающий целенаправленным поведением программный компонент.
В качестве инструментальных средств для создания мультагентной системы предлагается использовать открытую интеграционную среду InterPSS. InterPSS - современная программная среда для решения задач в области проектирования энергетических систем с использованием языка программирования Java. InterPSS является кроссплатформенным приложением и может быть запущена на разных программных платформах, таких как Windows, Linux и Unix. На данном этапе работы предлагается рассмотреть возможность использования алгоритмов унаследованного ПК ДАКАР [2] и их отладки в InterPSS с целью создания ядра мультиагентной системы, которая являлась бы основой ИТ-инфраструктуры Smart Grid. Впоследствии в качестве ядра интеллектуальных агентов предполагается использовать алгоритмы программных модулей унаследованного ПК ДАКАР (например, модуль расчета режимов).
InterPSS (Internet technology based Power System Simulator) - международный проект, направленный на развитие интернет-технологий, связанных с созданием программного обеспечения для проектирования, анализа и моделирования энергетических систем. Проект разрабатывается командой программистов из Соединенных Штатов Америки, Китая, Канады. С апреля 2011 года в этот список включен ИСЭМ СО РАН, являющийся единственным разработчиком с российской стороны (в институте проект ведет лаборатория информационных технологий в энергетике, которую представляют авторы). В проекте задействованы современные технологии, такие как Java, Xml, the Eclipse platform и другие системы с открытым кодом. Открытая архитектура системы позволяет внедрять компоненты, созданные другими разработчиками, с целью
улучшения ее функциональности и, что не менее важно, позволяет интегрировать свои собственные компоненты в другие системы. В настоящее время в !п-terPSS реализованы функции, связанные с расчетом переменного тока и нагрузки, короткого замыкания и динамической устойчивости. В ближайшее время планируется разработка модулей для расчета гармоник, динамической стабильности, надежности и других модулей для моделирования энергетических систем. Архитектура системы InterPSS показана на рис. 1.
которые можно легко настроить и заменить. Компоненты InterPSS конфигурируются и/или интегрируются через компонент Spring Framework. В качестве средств разработки InterPSS используются свободные интегрированные среды разработки приложений NetBeans IDE, Eclipse IDE. Ядро системы состоит из объектной модели моделирования энергетических систем и набора интерфейсов, позволяющих разработчикам взаимодействовать с ядром системы. Архитектура системы реализована таким образом, что ядро систе-
ш Û
m
с
и
® CÛ
+J
О)
Z
Simulation Algorithm Plugins nterPSS Power System Simulation Framework InterPSS f Power System Simulation \ I Object iulodel ) Integration Plugins
GUI Plugins I/O Plugins
Eclipse EMF
The Spring Framework
ш
0
1 ?3 ш
Рис. 1. Архитектура системы InterPSS
Ядром системы является среда моделирования электроэнергетических систем (power system simulation framework), основанная на объектной модели отображения энергетических систем (power system simulation object model). Для описания этой модели в среде Eclipse EMF используется язык UML. Архитектура InterPSS направлена на создание гибкой и расширяемой программной системы. Поскольку с открытым исходным кодом системы преимущественно работали профессионалы, она проста в обслуживании, что является важным достоинством системы. Алгоритмы моделирования, графический интерфейс пользователя (GUI), модули ввода / вывода (I/O) реализованы в виде автономно настраиваемых модулей (плагинов),
мы может легко расширяться или интегрироваться в другие системы как отдельный компонент.
Традиционно системы моделирования энергетических систем имеют фиксированный формат входных данных. В отличие от них, InterPSS не имеет фиксированного формата входных данных. Вместо этого InterPSS предоставляет набор плагинов, так называемые адаптеры входных файлов (Input File Adapters), для ввода данных в формате InterPSS. Кроме того, довольно легко разрабатываются собственные адаптеры входных файлов для загрузки данных определенного формата в InterPSS. Пример интерфейса системы показан на рис. 2.
Рис. 2. Интерфейс системы InterPSS (фрагмент)
Основным преимуществом среды МегРвБ относительно других программных продуктов является ее универсальность, то есть среда при необходимости может использоваться не только для проектирования энергетических систем, но и для решения других энер-
также отношения между ними. Представленные в С1М объекты по своей природе являются абстрактными и могут использоваться широким рядом приложений. Отношения между классами модели показаны на рис. 3.
гетических задач за счет своей открытой архитектуры, что позволяет внедрять алгоритмы, разработанные другими программистами, с целью улучшения ее функциональности и увеличения объема решаемых задач. Также к преимуществам стоит отнести крос-сплатформенность, за счет чего система может функционировать под управлением различных операционных систем.
На первых этапах проектирования сложных, включающих широкий спектр задач программных комплексов необходимо определить, в каком виде будут храниться данные. При разработке модели необходимо учитывать, что данные, используемые одним программным комплексом, должны использоваться и другими ПК, что, в свою очередь, обеспечивает взаимодействие разных ПК. Эта проблема не нова и рассматривалась, например, в [3]. Для ее решения международными организациями разработана общая информационная модель энергетических объектов, которая рассматривается ниже.
Общая информационная модель энергетических объектов. Сложные автоматизированные распределенные системы управления электроэнергетическими системами требуют формализации всех этапов проектирования. Международными организациями OMG (Object Management Group) и IEC (International Electrotechnical Commission) было принято решение о разработке общей информационной модели энергетических объектов CIM (Common Information Model) из-за отсутствия формализованных процедур анализа и проектирования. В результате была создана модель, представляющая все наиболее существенные объекты электроэнергетического предприятия. Модель включает открытые классы и атрибуты этих классов, а
Рис. 3. Отношения между классами модели CIM
Каждый класс в CIM содержит атрибуты, которые его описывают и идентифицируют. В описания классов включены только те атрибуты, которые представляют общий интерес для приложений.
Для удобства классы распределены по нескольким пакетам. IEC 61970-301 определяет базовый набор пакетов, которые дают логическое представление физических свойств информации системы EMS, включая Центральную часть (Core), Топологию (Topology), Линии (Wires), Отключение (Outage), Защиту (Protection), Измерения (Measurements), Модель нагрузки (Load Model), Генерацию (Generation) и Домен - область определения (Domain). Часть IEC 61970-302 определяет пакеты Планирования (Energy Scheduling), Управления резервами (Reservation) и Финансы (Financial). Часть IEC 61970-303 определяет пакет SCADA.
CIM включает классы и атрибуты, которые будут использованы при обмене между различными приложениями. Цель создания модели CIM - хранить только общие свойства, из которых могут быть получены подробно проработанные реализации. В CIM изменение значения или области определения некоторого атрибута происходит намного проще, чем изменение определения класса. Это делает модель более универсальной, потому что можно поддержать более широкий класс требований, и более стабильной, потому что новые требования могут быть удовлетворены без изменения модели.
Открытая модель данных ODM. Если CIM разрабатывалась для проектирования/описания физической структуры электрической сети, то есть предоставления информации о физическом размере сети, географическом положении, описании электрических
параметров, включенных в модель, то ОйМ проектировалась для описания логической составляющей сети. С1М и ОйМ проектировались для разных целей, но это не значит, что модель С1М не может содержать в себе данные для анализа энергетических систем, которые используются в ОйМ. Данные для анализа могут быть извлечены и использованы, однако модель С1М имеет большую размерность, что очень усложняет процесс анализа, вследствие чего был разработан адаптер, позволяющий извлекать данные из модели С1М и адаптировать их для работы с моделью ОйМ. Схема работы представлена на рис. 4.
Рис. 4. Схема извлечения данных из модели CIM
По мере продвижения к современной энергетической системе на базе концепции Smart Grid модель данных ODM позволит избежать перегрузки данными, которые могут помешать системным операторам в понимании реальных режимов функционирования сети. Поддерживающие такие технологии компьютеры будут способны принимать обширный поток данных в режиме, близком к реальному времени, обрабатывая эти данные с помощью различных аналитических программ, и экспертных систем, предоставляя оператору список рекомендуемых действий.
Итак, большое количество современных программных систем для анализа электроэнергетики в настоящее время представляют собой устаревшее с точки зрения информационных технологий и закрытое программное обеспечение, которое относится к категории унаследованного ПО. Для реинжиниринга одного из них (ДАКАР) предлагается использовать откры-
тую интеграционную среду InterPSS. Авторами рассмотрены возможности разрабатываемой в рамках международного проекта открытой современной интеграционной среды InterPSS для решения электроэнергетических задач. Предложена отладка алгоритмов унаследованного программного комплекса ДАКАР с целью создания мультиагентной системы на базе 1п-terPSS. Авторы представляют коллектив разработчиков InterPSS с российской стороны (работа по адаптации и развитию InterPSS выполняется сотрудниками лаборатории информационных технологий в энергетике ИСЭМ СО РАН под руководством Л.В. Массель).
InterPSS представляет простую в применении, но богатую функционально технологию, основанную на современном открытом программном обеспечении. InterPSS обладает открытой слабосвязной системной архитектурой. Это позволяет легко подключать различные компоненты к системе InterPSS для расширения её функциональности, а также использовать части системы в другом программном обеспечении.
Авторами проверена возможность использования среды InterPSS как универсальной основы для реинжиниринга унаследованных программных комплексов. Выполняются перевод форматов данных в открытую модель данных InterPSS (ODM) и реализация алгоритмов унаследованного программного комплекса ДАКАР (расчет стационарных и переходных режимов энергосистем). Работа согласована с ООО «Институт Энергосетьпроект» (г. Москва). На данный момент реализован русскоязычный пользовательский интерфейс, ведется работа над графическим редактором и системой ввода/вывода InterPSS.
Проект выполняется при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ № 10-07-264, № 11-07-192, № 12-07-359 и гранта Программы Президиума РАН №2. 2-2012.
Библиографический список
1. Бахвалов К.С. Реинжиниринг программного комплекса «Гармоники» для расчета несинусоидальных режимов в электрических сетях // Информационные и математические технологии в науке и управлении. Труды XIII Байкальской Всерос. конф. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2009. С. 118.
2. Лоханин Е.К. Разработка первой очереди технического задания на расчет и анализ стационарных и переходных режимов энергосистем (промежуточный отчет). Москва: ООО «Институт Энергосетьпроект», 2011. 175 с.
3. Максименко И.М., Карасев Ю.Д. Общая информационная модель энергетических объектов // Новое в Российской электроэнергетике (Электронный журнал) . 2004. № 1.
4. Массель Л.В., Подкаменный Д.В. Системный анализ и реинжиниринг унаследованного программного обеспечения // Наука и образование (электронное научно-техническое издание, эл. № ФС 77 - 30569, гос. рег. № 0421000025). № 4. Точка доступа: http://technomag.edu.ru. 2011.
5. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход. 2-е изд. / пер. с англ. М.: ИД «Вильямс», 2006. 1408 с.
6. Трахтенгерц Э.А. Субъективность в компьютерной поддержке управленческих решений. М.: СИНТЕГ, 2001. 256 с.
7. Энн Маккрори. Что такое унаследованные системы? // Computerworld. 1998. № 14.
8. Electric Power Research Institute, Electricity Sector Framework for the Future Volume I: Achieving the 21st Century Transformation/Washington, DC: Electric Power Research Institute, 2003.
9. European Commission Directorate-General for Research Information and Communication Unit European Communities: «European Technology Platform Smart Grids, Vision and Strategy for Europe's Electricity Networks of the future», European Communities, 2006.
10. «Grids 2030». A National Vision for Electricity's Second 100 years. Office of Electric Transmission and Distribution of USA Department of Energy, 2003.
11. The National Energy Technology Laboratory: «A vision for the Modern Grid», March 2007. URL: cnirellep0.3103601.html
12. URL: http://community.interpss.org/Home/overview
