CC BY
64
УДК 372.862
Леонов Андрей Петрович
ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Россия, Томск1 Кандидат технических наук, доцент E-Mail: leonov_ap@elti.tpu.ru
Сидоренко Александра Александровна
ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Россия, Томск Магистрант E-Mail: alexandra.nko@gmail.com
Образовательный модуль «Информационные кабельные системы в SMART GRID»
Аннотация: В соответствии с планами модернизации и инновационного развития отечественного электросетевого комплекса требуется решение ряда задач по подготовке инженеров и менеджеров в электроэнергетике нового поколения. В настоящее время актуальным является разработка и внедрение в образовательный процесс соответствующих образовательных программ. Создание высокоинтегрированных интеллектуальных системообразующих и распределительных электрических сетей нового поколения требует подготовки специалистов для решения поставленных задач. В работе приведено описание разработанных авторами учебно-методических материалов образовательного модуля «Информационные кабельные системы в Smart Grid» (использовано в учебном процессе 2012/2013 подготовки магистров профиля «Кабельная техника, электроизоляционные материалы и системы», направление 140400 «Электроэнергетика и электротехника»). Особое внимание уделено описанию современных типов кабелей Profibus, а также особенностям организации локальной системы двухсторонней передачи данных. Отмечена практическая направленность учебного блока, показана его структура и состав, проанализированы результаты обучения и приобретаемые компетенции, обозначена необходимость увеличения объема и совершенствования теоретической части модуля, а также тем практических и лабораторных работ. Работа выполнена при технической поддержке холдинга «LAPPGROUP» (г. Штутгарт, Германия).
Ключевые слова: Smart Grid; образовательный модуль; учебные материалы;
информационные кабельные системы; кабельная сеть; Profibus; энергосбережение; подготовка специалистов.
Идентификационный номер статьи в журнале 28PVN214
1 634050, г. Томск, проспект Ленина, дом 30
Масштабные планы модернизации и инновационного развития электросетевого комплекса, проводимые в нашей стране, требуют решения задач по подготовке инженеров и менеджеров в электроэнергетике нового поколения. В соответствии с государственным планом повышение энергоэффективности в России к 2020 году должно составить 40%. В области энергосбережения можно выделено три основных стратегических направления [1, 2,
3]:
• содействие сокращению спроса на электроэнергию: повышение энергетической эффективности путем экономии и снижения потребления, а также обеспечения индивидуальной ответственности людей;
• повышение доли использования альтернативных источников энергии;
• повышение культуры в области энергосбережения.
Развитие и внедрение высокоинтегрированных интеллектуальных системообразующих и распределительных электрических сетей нового поколения (Smart Grid) способствует реализации каждого из трех направлений [4, 5].
Подтверждением намерений строить и развивать в России интеллектуальную энергетику служит утверждение приоритета данного направления на уровне Президента и Правительства [6]. Сама задача начать планировать внедрение технологий Smart Grid была поставлена Федеральной Сетевой Компании ЕЭС несколько лет назад, и в настоящее время существует два различных подхода к «интеллектуализации» сети. В первом случае рассматриваются вопросы модернизации инфраструктуры для улучшения характеристик существующих сервисов, а создание интеллектуальной энергетики, в свою очередь, - как смена технологического и социо-культурного уклада отрасли. Во втором - упор делается на подготовку квалифицированных специалистов для развития интеллектуальных энергосистем [7, 8, 9]. В связи с этим работы, связанные с созданием и совершенствованием учебнометодической базы для подготовки квалифицированных специалистов в области интеллектуальных кабельных сетей являются достаточно актуальными и востребованными.
В 2012 году ОАО «ФСК ЕЭС» была разработана модель инновационного центра компетенций и программа подготовки стажеров по системной инженерии интеллектуальных энергосистем. Программа предусматривает вовлечение студентов, аспирантов и преподавателей различных вузов в экосистему инновационного развития отрасли, создание уникальных баз знаний, формирование новых инженерных практик и обучение подходам, методам и инструментам системной инженерии [10]. В общем случае под Smart Grid принято понимать набор программно-аппаратных средств (ПАС), которые способствуют повышению эффективности передачи и распределения электроэнергии [11]. Схематично набор всех компонентов в Smart Grid показан на рис.1.
2. Системы управления
(электрически
аппараты и программное обеспечение)
1. Измерительные приборы и
Smart
3. Силовые ка б ельные линии
(передача и распределение эл ектр о эн ер гии)^
>гии)
Рис. 1. Компоненты интеллектуальной системы Smart Grid
В настоящее время на базе сильнейших ВУЗов страны проводятся работы, связанные с созданием и совершенствованием учебно-методической базы для подготовки квалифицированных специалистов в области Smart Grid не только в сфере систем управления, информационно-коммуникационных технологий и системной инженерии, но и в сфере подсистем обмена информацией. Следует отметить: именно кабельные системы являются той «основой», на которой строятся все основные компоненты информационно-вычислительных комплексов предприятий и организаций.
В соответствии с концепцией развития Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, на базе кафедры Электромеханических комплексов и материалов при технической поддержке холдинга «LAPPGROUP» (г.Штутгарт, Германия), был разработан комплекс учебно-методических материалов для реализации образовательного модуля «Интеллектуальные кабельные системы (ИКС) в Smart Grid». Основой для разработки данного образовательного модуля стало имеющееся на кафедре ЭКМ оборудование: стенды Industrial Ethernet, лабораторный стенд «Power Chain», вычислительные машины, устройства для обеспечения видеонаблюдения (web-камеры).
Образовательный модуль «ИКС в Smart Grid» содержит учебно-методические материалы, направленные на совершенствование учебно-методической и лабораторной базы для подготовки студентов по профилю «Кабельная техника, электроизоляционные материалы и системы».
Модуль состоит из трех блоков:
• Блок 1. «Структура, основные элементы и принципы взаимодействия устройств
в Smart Grid»;
• Блок 2. «Каналы передачи данных для формирования информационного ядра Smart Grid»;
• Блок 3. «Изучение кабельной системы централизованного управления на примере сетей PROFIBUS».
Каждый блок имеет идентичную структуру и включает в себя теоретический материал по теме, методические рекомендации для пошаговой реализации лабораторных работ, практическое занятие, перечень вопросов для входного и итогового контроля знаний, пример расчета практических задач. Рассматриваются следующие аспекты организации интеллектуальных кабельных систем [12]:
физическая основа инфраструктуры ИКС в Smart Grid;
назначение основных типов
конструктивные особенности, классификация, кабелей, применяемых в Smart Grid;
основные критерии выбора типа кабеля;
типы каналов передачи данных;
существующие методики расчета параметров кабелей связи;
конструктивное исполнение и назначение кабельных изделий, применяемых в сетях PROFIBUS;
возможность применения смешанных конфигураций (одновременного использования различных типов каналов связи).
Целью первого блока является освоение студентами необходимых знаний о физической основе инфраструктуры интеллектуальных кабельных систем. Изучение основных видов кабелей, применяемых для организации подсистемы обмена информацией, их конструктивных особенностей, классификации и назначения.
Второй блок посвящен изучению различных типов каналов передачи данных, применяемых в Smart Grid. В данном разделе при выполнении лабораторной работы «Изучение среды передачи данных в ИКС на примере организации видеонаблюдения за объектом» студенты смогут сами на практике ознакомиться сразу с двумя из них: проводным
- на основе LAN кабеля и беспроводным - Wi-Fi каналом связи [13, 14, 15, 16]. Примером практической задачи является организация системы двухстороннего видеонаблюдения через локальную информационную сеть (незащищенная беспроводная сеть для передачи видеопотока с веб-камеры, установленной на лабораторном стенде, на встроенный видеосервер ноутбука, рис. 2).
Рис. 2. Подключение локальной сети
Следующим этапом освоения модуля является выполнение лабораторной работы «Изучение среды передачи данных в ИКС на примере организации видеонаблюдения за объектом», в которой студенты получают навыки организации системы двухстороннего видеонаблюдения на базе локальной проводной и беспроводной сетей для передачи данных.
В качестве дистанционно управляемого объекта используется учебно-лабораторный стенд «Power Chain», представляющий рабочую модель энергетической траковой цепи с управлением от частотного преобразователя Danfoss (отображаемое изображение, полученное после организации ИКС, приведено на рис.3).
1921680 3 • Упмалек** *Jk
Рис. 3. Пример видеопотока при удаленном управлении объектом (слева - стенд управления Industrial Ethernet, справа - объект управления стенд Power Chain)
Целью третьего блока является изучение конструктивного исполнения и назначения кабельных изделий, применяемых в перспективных сетях PROFIBUS. PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) - это открытая промышленная сеть полевого уровня, отвечающая требованиям международных стандартов IEC 61 158/EN 50 170, предназначенная для построения систем распределенного ввода-вывода, а также обмена данными между системами автоматизации
[17, 18].
Стандарты IEC 61 158/ EN 50 170 определяют характеристики каналов связи, методы доступа к сети, протоколы передачи данных и требования к интерфейсам. В соответствии с требованиями стандартов в сети PROFIBUS поддерживается три стандартных протокола передачи данных:
• PROFIBUS-DP (Distributed Periphery - кодирование с использованием дифференциальных сигналов напряжения RS 485) - протокол скоростного циклического обмена данными между ведущим и ведомыми устройствами системы распределенного ввода-вывода.
• PROFIBUS-PA (Process Automation - кодирование с использованием сигналов силы тока) - протокол скоростного обмена данными между ведущим DP-устройством и приборами полевого уровня, расположенными в обычных или Ex-зонах.
• PROFIBUS-FMS (Field Bus Message Specification) - протокол обмена данными между системами автоматизации.
Преимуществами PROFIBUS являются:
• мощная открытая сеть полевого уровня, позволяющая устанавливать надежную связь в промышленных условиях;
• полностью стандартизованная система, позволяющая объединять в одной системе оборудование различных производителей;
• конфигурирование, поиск неисправностей и запуск из любой точки сети;
• непрерывный мониторинг компонентов сети с поддержкой простой и
эффективной системы диагностических сообщений;
• высокая степень защиты инвестиций благодаря возможности расширения
существующих сетевых решений;
• получение высокого коэффициента готовности за счет использования
резервированных оптических каналов связи с оптическими модулями связи OLM.
В разделе рассмотрены типы применяемых в PROFIBUS каналов связи: электрические, оптические и инфракрасные.
Лабораторная работа в данном разделе позволяет студентам получить навыки, необходимые для работы с программным обеспечением МСТ 10, предназначенным для автоматизации процесса управления и работы с преобразователями частоты (реализуется на стенде Power Chain).
Практический раздел модуля представлен методикой расчета первичных и вторичных параметров LAN кабелей категории 7, кабелей для промышленной сети PROFIBUS, а также параметров оптоволоконного кабеля: дисперсии, затухания, длины регенерационного участка. Разработаны методические рекомендации для пошаговой реализации лабораторных работ. Так же отмечены практические рекомендации по монтажу кабелей данного типа.
Таким образом, после освоения данного модуля студенты приобретают ряд важных и востребованных компетенций:
• способность и готовность осваивать новые системы взаимодействия устройств в Smart Grid (с использованием кабельных изделий различного типа);
• способность и готовность проведения измерений параметров технологических линий и агрегатов, осуществлять сервисно-эксплуатационные работы на объектах профессиональной деятельности;
• способность и готовность осуществлять выбор компонентов ИКС с учетом конкретных задач;
• способность и готовность проводить расчеты первичных и вторичных параметров кабелей категории LAN, PROFIBUS.
• способность и готовность организовывать систему двухсторонней передачи данных на базе локальной проводной/беспроводной сетей.
Каждый раздел обеспечен банком вопросов для проведения текущего и итогового контроля знаний. Данные учебно-методические материалы в 2013 году апробированы в учебном процессе подготовки магистров профиля «Кабельная техника, электроизоляционные материалы и системы» (направление 140400 «Электроэнергетика и электротехника»). В настоящее время на кафедре «Электромеханические комплексы и материалы» проводится работа по расширению тем практических и лабораторных работ, увеличению объема и совершенствованию теоретической части модуля «Информационные кабельные системы в SMART GRID.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10. 11. 12.
13.
14.
Б.В. Грызлов. Энергосбережение: выигрыш каждого // Журнал «Энергосовет», №8 (13) - 2010. - с.9.
B.В. Дорофеев, А.А. Макаров. Активно-адаптивная сеть - новое качество ЕЭС России // Энергоэксперт, 2009, № 4 (15).
И.О. Волкова, В.Р. Окороков, Б.Б. Кобец и др. «Концепция интеллектуальных энергосистем и возможности ее реализации в российской электроэнергетике» // Открытый семинар «Экономические проблемы энергетического комплекса». -М.: 2011, - 23-24 с.
Кобец Б.Б., Волкова И.О. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции Smart Grid. — М.: ИАЦ Энергия, 2010. — 208 с.
Н. Хаджсаид, Ж.-Кл. Сабоннадьер, Ж.-П. Ангелье, «Энергетические распределительные сети будущего: от наследия к инновациям», журнал «REE», №1, январь 2010 г., с. 81-95.
Электроэнергетика России 2030: Целевое видение / Под общ. ред. Б.Ф. Вайнзихера. - М.: Альпина Бизнес Бук, 2008.
C.С. Ледин «Интеллектуальные сети Smart Grid — будущее российской
энергетики» // Автоматизация и IT в энергетике. № 11 (16)
[Электронный ресурс]. - 2011. Режим доступа:
http://www.sicon.m/about/artides/?base=&news=16.1_свободный. - Загл. с экрана.
Интеллектуальные энергосистемы: мотивация, ставки и перспективы //
Информационно-аналитический портал SmartGrid.ru [Электронный ресурс]. -
05.02.2013. Режим доступа: http://www.smartgrid.ru/tochka-zreniya/avtorskie-
kolonki/intellektualnye-energosistemy-motivaciya-stavki-i-perspektivy/, свободный.
- Загл. с экрана.
Готовим системных инженеров // Интеллектуальная сеть: Умные сети - Умная энергетика - Умная экономика [Электронный ресурс]. -04.03.2013. Режим доступа: http://www.grid2030.ru/161-6-1-58, свободный. - Загл. с экрана.
Е. Попова «Smart Grid: интеллектуальная электроэнергетика в мире и в России» // Лига.Net [Электронный ресурс]. - 10.04.2011. Режим доступа:
http://blog.liga.net/user/epopova/article/6445.aspx, свободный. - Загл. с экрана.
Отчет о разработке стратегической программы исследований технологической платформы «Интеллектуальная энергетическая система России» // Российское энергетическое агенство. - М.: 2012, с 18, 34.
Мультизадачная энергетическая инфраструктура // Интеллектуальная сеть: Умные сети - Умная энергетика - Умная экономика [Электронный ресурс]. -
07.02.2013. Режим доступа: http://www.grid2030.ru/161-6-1-54, свободный. -Загл. с экрана.
Витая пара // Lanset [Электронный ресурс]. - 2013. Режим доступа: http://www.lanset.ru/auxpage_twisted_pair/, свободный. - Загл. с экрана.
Классификация и характеристики ОВ // Экзамены ФДО [Электронный ресурс]. -2010. Режим доступа: http://extusur.net/content/3_optika/3_1_4.html, свободный. -Загл. с экрана.
15. Выбор оптического кабеля при проектировании магистрали СКС // СКС
(структурированная кабельная система): проектирование, расчет, монтаж, тестирование [Электронный ресурс]. - 13.12.09. Режим доступа:
Ы*р://оскс.т/?р=4812, свободный. - Загл. с экрана.
16. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахов И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.: Техносфера, 2005. - 592 с.
17. Промышленные сети и интерфейсы: РгойЬш // Энциклопедия АСУ ТП [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.bookasutp.ru/Chapter2_7.aspx, свободный. - Загл. с экрана.
18. М. Вольц. Организация пользователей PROFIBUS // Журнал "Мир компьютерной автоматизации", 1(1) [Электронный ресурс]. - 2011. Режим доступа: http://www.mka.m/?p=40885, свободный. - Загл. с экрана.
Рецензент: Фикс Наталья Павловна, к.пед.н., доцент кафедры Электроэнергетических сетей и электротехники, Томский политехнический университет.
Andrei Leonov
«National Research Tomsk Polytechnic University»
Russia, Tomsk
PhD in Technical Sciences, Assistant Professor E-Mail: leonov_ap@elti.tpu.ru
Alexandra Sidorenko
«National Research Tomsk Polytechnic University»
Russia, Tomsk Master's Degree Student E-Mail: alexandra.nko@gmail.com
The educational module «Data cable systems in Smart Grid»
Abstract: There are a number challenges on preparation of engineers for the Russian energy industry at the present time. This is related to the implementation of plans to modernize and development of the Russian power industry. One of these problems is the need to create new educational programs. Especially important to train the staff for highly integrated smart grid. The paper describes the Educational methods materials for the educational module "Data cable system in the Smart Grid» (used in 2012/2013 for Masters "Electric insulation and cable engineering", master’s program 140400 «Power engineering and Electrical Engineering"). Special attention is given to describing of modern types of cables Profibus and practical aspects of the local data network. The structure, composition of the module, the results of training and competence acquired have been describes. It’s shown of direction for development of the theoretical part, practical and laboratory work of the module. The work was done with the technical support of the holding «Lappgroup» (Stuttgart, Germany).
Keywords: Smart Grid; educational module; training materials; data cable systems; cable network; Profibus; energy-efficiency; training engineers.
Identification number of article 28PVN214
REFERENCES
1. B.V. Gryzlov. Jenergosberezhenie: vyigrysh kazhdogo // Zhurnal «Jenergosovet», №8 (13) - 2010. - s.9.
2. V.V. Dorofeev, A.A. Makarov. Aktivno-adaptivnaja set' - novoe kachestvo EJeS Rossii // Jenergojekspert, 2009, № 4 (15).
3. I.O. Volkova, V.R. Okorokov, B.B. Kobec i dr. «Koncepcija intellektual'nyh jenergosistem i vozmozhnosti ee realizacii v rossijskoj jelektrojenergetike» // Otkrytyj seminar «Jeko-nomicheskie problemy jenergeticheskogo kompleksa». - M.: 2011, -23-24 s.
4. Kobec B.B., Volkova I.O. Innovacionnoe razvitie jelektrojenergetiki na baze koncepcii Smart Grid. — M.: IAC Jenergija, 2010. — 208 s.
5. N. Hadzhsaid, Zh.-Kl. Sabonnad'er, Zh.-P. Angel'e, «Jenergeticheskie raspredelitel'nye seti budushhego: ot nasledija k innovacijam», zhurnal «REE», №1, janvar' 2010 g., s. 81-95.
6. Jelektrojenergetika Rossii 2030: Celevoe videnie / Pod obshh. red. B.F. Vajnzihera. -M.: Al'pina Biznes Buk, 2008.
7. S.S. Ledin «Intellektual'nye seti Smart Grid — budushhee rossijskoj jenergetiki» // Avtomatizacija i IT v jenergetike. № 11 (16) [Jelektronnyj resurs]. - 2011. Rezhim dostupa: http://www.sicon.ru/about/articles/?base=&news=16, svobodnyj. - Zagl. s jekrana.
8. Intellektual'nye jenergosistemy: motivacija, stavki i perspektivy // Informacionno-
analiticheskij portal SmartGrid.ru [Jelektronnyj resurs]. - 05.02.2013. Rezhim dostupa: http://www.smartgrid.ru/tochka-zreniya/avtorskie-kolonki/intellektualnye-
energosistemy-motivaciya-stavki-i-perspektivy/, svobodnyj. - Zagl. s jekrana.
9. Gotovim sistemnyh inzhenerov // Intellektual'naja set': Umnye seti - Umnaja jenergetika - Umnaja jekonomika [Jelektronnyj resurs]. -04.03.2013. Rezhim dostupa: http://www.grid2030.ru/161-6-1-58, svobodnyj. - Zagl. s jekrana.
10. E. Popova «Smart Grid: intellektual'naja jelektrojenergetika v mire i v Rossii» //
Liga.Net [Jelektronnyj resurs]. - 10.04.2011. Rezhim dostupa:
http://blog.liga.net/user/epopova/article/6445.aspx, svobodnyj. - Zagl. s jekrana.
11. Otchet o razrabotke strategicheskoj programmy issledovanij tehnologicheskoj platformy «Intellektual'naja jenergeticheskaja sistema Rossii» // Rossijskoe jenergeticheskoe agenstvo. - M.: 2012, s 18, 34.
12. Mul'tizadachnaja jenergeticheskaja infrastruktura // Intellektual'naja set': Umnye seti -Umnaja jenergetika - Umnaja jekonomika [Jelektronnyj resurs]. - 07.02.2013. Rezhim dostupa: http://www.grid2030.ru/161-6-1-54, svobodnyj. - Zagl. s jekrana.
13. Vitaja para // Lanset [Jelektronnyj resurs]. - 2013. Rezhim dostupa:
http://www.lanset.ru/auxpage_twisted_pair/, svobodnyj. - Zagl. s jekrana.
14. Klassifikacija i harakteristiki OV // Jekzameny FDO [Jelektronnyj resurs]. - 2010. Rezhim dostupa: http://extusur.net/content/3_optika/3_1_4.html, svobodnyj. - Zagl. s jekrana.
15. Vybor opticheskogo kabelja pri proektirovanii magistrali SKS // SKS (strukturirovannaja kabel'naja sistema): proektirovanie, raschet, montazh, testirovanie
[Jelektronnyj resurs]. - 13.12.09. Rezhim dostupa: http://ockc.ru/?p=4812, svobodnyj.
- Zagl. s jekrana.
16. Vishnevskij V.M., Ljahov A.I., Portnoj S.L., Shahov I.V. Shirokopolosnye besprovodnye seti peredachi informacii. M.: Tehnosfera, 2005. - 592 s.
17. Promyshlennye seti i interfejsy: Profibus // Jenciklopedija ASU TP [Jelektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://www.bookasutp.ru/Chapter2_7.aspx, svobodnyj. -Zagl. s jekra-na.
18. M. Vol'c. Organizacija pol'zovatelej PROFIBUS // Zhurnal "Mir komp'juternoj
avtomati-zacii", 1(1) [Jelektronnyj resurs]. - 2011. Rezhim dostupa:
http://www.mka.ru/?p=40885, svo-bodnyj. - Zagl. s jekrana.
