CC BY
8ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ НА
ОСНОВЕ IOT ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДСТАНЦИИ
В РЕСПУБЛИК ЕКАЗАХСТАН
М.Н.Калимолдаев,Ж.У.Шермантаева,Г.З.Зиятбекова
Казахский национальный университет им.аль-Фараби
050040, Республика Казахстан, Алматы
УДК
DOI:10.24412/cl-35066-023-1-15-21
В данной статье разработанасистема мониторинга на основе IoT для электрической под
станции в Республике Казахстан. В данное времяработа энергосистем чрезвычайно важна
по времени, для большинства приложений управления и мониторинга необходимо учиты
вать связь с низкой частотой. Для приложений мониторинга и управления энергетическими
системами в реальном времени интернет вещей рассматривается как основная функция. Для
принятия более эффективных решений с точки зрения как по техническим, так и по финан
совым вопросам, система мониторинга является основной формой для записи информации
электрической подстанции, а также своевременного принятия эффективных решении для
системных операторов. Система включает в себя функции платформу интернета вещей с
учетом потребностей высокоскоростных приложений реального времени при использова
нии единого источника времени с высоким разрешением в качестве эталона как для стаци
онарных, так и для переходных условий.
Ключевые слова:интернетвещей(IoT), удаленный мониторинг, системы реального
времени, интеллектуальные сети, контроллер управления.
Введение
Сжигание ископаемого топлива является и будет самым важным источником искус
ственного производства энергии.Уголь по-прежнему является ключевым мировым энерге
тическим ресурсом, и, по оценкам, в течение примерно 50лет он по-прежнему будет зани
мать доминирующее положение. Энергия составляет около 21% валового внутреннего про
дукта (ВВП) страны и примерно 62
%ее экспорта [1]. Интересно, что уголь составляет
около половины энергобаланса Казахстана (50%в 2018г.), за ним следуют нефть и природ
ный газ (оба с долей 25%), тогда как доля природного газа в общем конечном потреблении
(ОКП) в 2018г.составляла всего 13%[2].
Производство электрической энергии в Казахстане осуществляют 207 электрических
станций различныхформ собственности. По состоянию на 1января2023г. общая установ
ленная мощность электростанций Казахстана составляет 24523,7МВт, располагаемая мощ
ность–20761,7МВт.
Для статьи также использовалирасчета устойчивости ЭЭС теория второго метода Ля
пунова была достаточно раскрыта в известной монографии А.М.Ляпунова. Кроме того,
Е.А.Барбашина,
Б.П.
Демидовича,
Г.Н.Дубошина,
В.И.Зубова,
Г.Н.Каменкова,
Н.Н.Красовского, А.М.Летова, А.И.Лурье, И.Г.Малкина, К.П.Персидского, В.В.Ру
мянцева, Н.Г.Четаева
(рассмотрено в работах В.Г.Веретенникова, А.А.Воронова,
А.А.Мартынюка идр.).
В настоящее время в связи с развитием средств высококачественной вычислительной
техники, эффективными средствами решения системных проблем считаются информацион
16
Проблемы оптимизации сложных систем–2023
ные системы. Вопросам применения информационных систем длясистемного анализа по
священы работы М.К.Чиркова, С.П.Маслова, В.Н.Петрова, Д.Марка, К.Мак Гоуэна. Во
прос создания информационных систем различной направленности методом системного
анализа с использованием современных объектно-ориентированных программных языков и
технологий баз данныхГ.Шилдта, Ч.Петцольда, Дж.Рихтера, В.В.Кульба, Г.Хансена,
Т.Коноллиидр.Полностью раскрыто в работахМайо, М.Лутца,В.В.Воронова, А.Г.Ма
миконова, Т.Хальпина, Т.Моргана идр. А вопрос создания специальных информационных
систем для электроэнергетических комплексов рассматривается на самом низком уровне.
Некоторые аспекты, направленные на создание и развитие информационной системы элек
троэнергетических
комплексов
для
технологии
SmartGrid
рассмотрены
в
работах
Б.Б.Кобца,И.О.Волковой, Б.Ф.Вайнзихера идр.
2Постановка задачи
Многие исследователи изучают концепцию IoT, его приложения и безопасность с ис
пользованием IoT [3, 4]. Этот статья направлена на внедрение системы, в которой электри
ческие устройства можно безопасно контролировать с помощью технологии IoT (например,
из любой точки Республики).
В данное время с помощью проводных или беспроводных соединений в целях комму
никацииможнос разными объектами обмениваться данными черезинтернетвещей (IoT).
Сбор данных, передачи и обработки в сети реального времени–этоинтернетвещей(IIoT).
В настоящее время IIoT участвует в разработке интеллектуальных сетей во многих прило
жениях. В [1] разработали систему дистанционного мониторинга ЭКГи экологических по
казателей в жилых помещениях, интегрированную в более широкую инфраструктуру интер
нета вещей (IoT).
На рис.1 показана структурная схема платформыинтернетавещей, поддерживающей
домашнюю интеллектуальную сеть. Легкие носимые датчики ЭКГ и другие датчикиокру
жающей среды собирают данные и отправляют их в режиме реального времени по беспро
водному протоколу (ZigBee, Bluetooth, WiFi) на шлюз, подключенный к домашнему марш
рутизатору ADSL (рис.1).
В статье [2] исследована новая система мониторинга лекарственных средствинтернета
вещей (IoT)для непрерывного и одновременного онлайн-определения двух основных ане
стетиков, например пропофола и парацетамола, в неразбавленной сыворотке крови чело
века. На рис.2 показанасистема интернета вещей для непрерывного и одновременного
Рис.1–Структурная схема платформы
интернетавещей, поддерживающаядомашнюю
интеллектуальную сеть [1]
Рис. 2. Системы интернета вещей
для непрерывного и одновременного обнару
жения анестетиков в режиме онлайн[2]
М. Н. Калимолдаев, Ж. У. Шермантаева, Г. З. Зиятбекова
17
обнаружения анестетиков в режиме онлайн. Как виднонарис.2,система состоит из изго
товленной на заказ электронной печатной платы на базе Raspberry Pi (RPi), которая управ
ляет и считывает сигнал с электрохимической сенсорной платформы, интегрированной в
жидкостную систему.Интернет вещей (IoT),предложенныйв 1999г.Кевин Эштон, был
применен в различных областях,такихкак сельское хозяйство, дорожное движение и элек
тросети [3, 4].
В статье [5] обсуждается обзор литературыоприменении промышленногоинтернета
вещей (IIoT)в различных промышленных областях. IIoT можно понимать как встроенную
систему, использующую сеть реального времени для содействия функционированию про
изводственных процессов [6]. Благодаря возможностяминтернетавещей в режиме реаль
ного времени многие системымониторинга и управления внедрили IoT в различных обла
стях [7]. В статье [8] представлен дизайн промышленной системыинтернетавещей (IIoT)
для поддержки крупномасштабного и непрерывного мониторинга состояния устройств и
анализа в системах управления технологическими процессами. В статье [9] представлена
система управления на основе интернета вещей для интеллектуального точного земледелия
и ведения сельского хозяйства в сельской местности.Общая производительность может
быть повышенас точки зрения энергопотребления и задержки. В статьях [10,11] интернет
вещей также в значительной степени применяется к электроэнергетике и энергетическим
системам на всех уровнях. В статье [12] IoT применяется для приложения smart grid для
доступа к данным в режиме реальноговремени для трансформаторов с целью повышения
надежности, производительности, КПД подстанции. В статье [13] набор датчиков реализо
ван на силовой подстанции с платформой интернета вещей для продвижения стандарта кон
троля температуры в промышленности.
На рис.3 показана схема архитектуры си
стемы. Система состоит из двух интерфей
сов: первый–это интерфейс между устрой
ством мониторинга (беспроводным ретранс
лятором) и преобразователем протоколов;
второй–интерфейс между преобразователем
протоколов и шлюзом унифицированного до
ступа. Эта часть включает режим передачи
Рис. 3–Схема архитектуры системы [13]
электрической сети и сети общего пользова
ния. Электрическая сеть использует стан
дартный протокол интерфейса энергетической системы, а сеть общего пользования соответ
ствует стандарту сети общего пользования.В [14] представлена недорогая система монито
ринга и управления энергопотреблением с использованием устройствинтернетавещей.
На рис.4 показана схема
архитектуры системы монито
ринга и управления интерне
том вещей. В данной схеме ин
теллектуальные узлы были раз
работаны для взаимодействия
Рис.4–Схема архитектуры системы мониторинга
и управления интернетомвещей
различными аппаратными ком
понентами с целью отправки
данных об энергопотреблении
18
Проблемы оптимизации сложных систем–2023
с часовыми интервалами в экземпляр реляционной базы данных MySQL, размещенный на
Amazon Web Услуги. Как только данные будут вставлены и сохранены в базе данных, их
можно будет прочитать из приложения IOS. Кроме того, приложение IOS обладает функци
ональностью отправки данных в базу данных для изменения статуса устройства (например,
включено/выключено), которые затем интеллектуальные узлы могут интерпретировать и
отвечать, чтобы удовлетворить запрос(см.рис.4).
В статье [15] представлены системы мониторинга и приведения в действие электриче
ской энергии, разработанный для домашних условий. Эта система основана на 6LoWPAN
для подключения кинтернетусети интеллектуальных объектов с двумя технологиями
уровня 2: IEEE 802.156.4 и связь по линии электропередачи.
На рис.5 продемонстрирована система мониторинга и приведения в действие электри
ческой энергии. Система состоит из:1)узлов интернета вещей (т.е. датчика окружающей
среды, модуля панели и смарт-штекера);2)шлюза для подключения интернета вещей кин
тернету; 3)сервера приложений и клиентов, подключенных кинтернету.
В работе [16] разработана система визуального мониторинга для дистанционного управ
ления электрической подстанцией, обеспечивающая наблюдение за окружающей средой
для системных операторов.
Рис.5–Система мониторинга и приведения в
действие электрической энергии [15]
Рис. 6–Интегрированная система монито
ринга электрической подстанцией [16]
На рис.6 показана интегрированная система мониторинга электрической подстанции.
Нарис.6 видно, чтосистема состоит из захвата изображений, которые вы хотите отслежи
вать, обработки захваченных изображений, защищенного от несанкционированного доступа
хранения захваченных изображений и предоставления захваченных изображений, доступ
ных через корпоративную сетьCTEEP зарегистрированным пользователям.
Рис.7–Система онлайн-мониторинга
подстанции [17]
В статье[17] представлена система онлайн-мо
ниторинга высоковольтного оборудования на под
станции, которая могла бы помочь системным опе
раторам иметь лучшее представление о соответ
ствующем оборудовании.На рис.7 показана систе
ма онлайн-мониторинга подстанции, которая пред
ставляет
собой распределенную
иерархическую
структуру, состоящую из уровня процесса, уровня
блока/отсека, уровня станции, центра удаленного
мониторинга. Технологический уровень состоит из
всех устройств контроля или датчиков трансформа
М. Н. Калимолдаев, Ж. У. Шермантаева, Г. З. Зиятбекова
19
торов, реакторов, автоматических выключателей, GISs (распределительное устройство с га
зовой изоляцией), MOAs (разрядник из оксида металла), вводов ит.д.
В работе[18] разработали новую систему диспетчерского мониторинга для подстанций
длявыявленияошибок в цифровой коммутации. В статье [19] разработана электронная си
стема регистрации характеристик событий повышения потенциала заземления энергоси
стемы (георадар) во время замыканий на землю. Эта система позволяет выявить неисправ
ность критически важных компонентов системы заземления, о чем свидетельствует суще
ственное изменение измеренного импеданса. Система также устанавливает частоту событий
георадара, позволяя оценить вероятностный характер замыканий на землю, связанных с
установкой.
На рис.9 показанасистемамониторинга в реальном времени,состоящаяиз ПЛК и пер
сонального компьютера (ПК). ПЛК отслеживает 12 аналоговых данных, состоящих из ре
альной мощностии потока реактивной мощности от шести фидеров, состояния шести авто
матических выключателей и одного синхронизирующего сигнала от утилиты для синхрони
зации с 15-минутным периодом расчета потребности утилиты. Эти данные обновляются
каждые 0,1с и передаютсяна компьютер в диспетчерской. ПК анализирует и записывает
данные и отправляет необходимые команды в ПЛК. Для связи между ПЛК и ПК использу
ются две пары витых кабелей и модем малой дальности действия.На рис.9показана одно
строчная схема системы когенерации. В статье [21] показана система мониторинга транс
форматоров на подстанции в режиме реального времени с использованием приложения базы
данных. Использование базы данных реального времени обеспечивает быстрое хранение
данных о температуре в режиме реального времени, а также интеллектуальную обработку и
анализ данных. Также реализованы функции внешнего отображения и сигнализации в ре
жиме реального времени, что усиливает управление безопасностью подстанции.
На рис.10 представленасистема мониторинга трансформаторов на подстанции в ре
жиме реального времени с использованием приложения базы данных.Система мониторинга
горячих точек разделена на три части, включая центр управления, базовые станции передачи
данных и точки беспроводныхдатчиков температуры. Центр управления системой монито
ринга hotspot состоит из консоли управления и программного обеспечения для настройки.
Панель управления предоставляет полную платформу управления программными функци
ями, которая объединяет различные протоколы связи, графический интерактивный интер
фейс и полную и стабильную базу данных.
Рис. 9–Система мониторинга в реальном
времени на подстанции для обнаружения
низкочастотных колебаний мощности
на соединительных линиях [20]
Рис.10–Система мониторинга трансформато
ров на подстанции в режиме реального
времени с использованием приложения
базыданных [21]
20
Проблемы оптимизации сложных систем–2023
Заключение
В этой статье разработанасистема мониторинга на основе интернета вещей дляподстан
ции. Разработаны два вариантасистемы мониторинга на основе IoT для электрической под
станции:одна на встроенном в FPGA контроллере, а другая–на встроенном ESP32. В ре
жиме реального времени все параметры на подстанции–напряжение, частота, мощность,
состояние автоматического выключателя и температуратрансформатора–контролируются
в режиме реального времени. Разработан контроллер управления подстанции, где меха
низмы запуска также запрограммированы. Через некоторое время механизмы срабатывают,
данные записываются контроллером и передаются на сетевой накопитель. GPS промышлен
ногостандарта применяется для обеспечения временных меток высокого разрешения и
функций синхронизации. Встроенный в FPGA контроллер обеспечивает высокоскоростные
и надежные функции сбора и обработки данных. С помощью платформыинтернетавещей
данные передаютсяи хранятся через локальную сеть. Системные операторы могут удаленно
получать доступ к данным в режиме реального времени и извлекать данные из SAN в сети.
Также разработанодиспетчерское управлениеподстанциейэнергосистемыв SCADA. В
дальнейших работах будут реализованы экспериментальные работы по данной тематике для
последующего анализа.
Списоклитературы
1.The World Bank
DataBank.URL:https://databank.worldbank.org/reports.aspx?source=2
&country=KAZ.
2.Официальный сайт МАЭ
.URL:https://www.iea.org/reports/kazakhstan-energy-profile.
3.YangS., GaoB., JiangL., JinJ., GaoZ., MaX.,WooW. L. IoT structured Long-Term
wearable social sensing for mental wellbeing//IEEE Internet of Things Journal.2019.Vol.6,
No.2.P.3652–3662.DOI:10.1109/JIOT.2018.2889966.
4.Ahmed N., DeD.,HussainM. I. Internet of things (IoT) for smart precision agriculture and
farming in rural areas//IEEE Internet of Things Journal.2018. Vol.5, No.6. P.4890–4899. DOI:
10.1109/JIOT.2018.2879579.
5.HambardeP.,VarmaR.,JhaS. The survey of real time operating system: RTOS//Proc.
ICESC, Nagpur(India), 2014. P.34–39.
6.Du S., Liu B., Ma H., Wu G., Wu P. IIoT-Based intelligent control and management system
for motorcycle endurance test
//
IEEE Access.
2016.
Vol.6,
iss.2.
P.30567–30576.
DOI:
10.1109/ACCESS.2018.2841185.
7.Lazarescu M. T. Design of a WSN platform for long-term environmental monitoring for IoT
applications//IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems.2013.
Vol.3, No.1.P.45–54.DOI:10.1109/JETCAS.2013.2243032.
8.Wang G., Nixon M.,Boudreaux M. Toward cloud-assisted industrial IoT platform for large
scale continuous condition monitoring//Proceedings of IEEE.2019.Vol.107, iss.6.P.1193–
1205.DOI:10.1109/JPROC.2019.2914021.
9.Zhang F., Liu M.,Zhou Z.,Shen W. An IoT-based online monitoring system for continuous
steel casting//
IEEE Internet of Things Journal.
2016.
Vol.3,No.6.
P.1355–1363.
DOI:
10.1109/JIOT.2016.2600630.
М. Н. Калимолдаев, Ж. У. Шермантаева, Г. З. Зиятбекова
21
10.CollierS. E. The emerging enernet: convergence of the smart grid with the internet of
things
//
IEEE
Mag.
Industry
Application.
2016.
Vol.23,
iss.2.
P.12–16.
DOI:
10.1109/MIAS.2016.2600737.
11.BediG.,VenayagamoorthyG. K.,SighR.,BrooksR. R.,WangK. C. Review of internet
of things (IoT) in electric power and energy systems//IEEE IoT J.2018.Vol.5, iss.2.P.847–
870. DOI:10.1109/JIOT.2018.2802704.
12.JadhavR. V., LokhandeS. S.,Gohokar V. N. Monitoring of transformer parameters using
internet of things in smart grid//Proc. ICCUBEA, Pune(India), 2016.P.1-4.
13.TianY., PangZ.,WangW.,LiuL.,WangD. Substation sensing monitoring system based
on power internet of things//Proc. IEEE ITNEC, Chengdu(China), 2017.P.1613–1617.
14.HartmanW. T.,HansenA.,VasquezE.,EI-TawabS.,AltaiiK. Energy monitoring and
control using internet of things (IoT) system//Proc. SIEDS, VA(USA), 2018.P.13–18.
15.Oliveira L. M. L., Reis J., Rodrigues J. J. P. C., de Sousa A. F. IoT based solution for home
power energy monitoring and actuating//Proc. INDIN, Cambridge(UK), 2015.
16.BastosM. R.,MachadoS. S. L. Visual, real-time monitoring system for remote operation
of electrical substation//Proc. IEEE/PES T&D-LA, Sao Paulo(Brazil), 2011.
17.GaoQ.,GeW.,WangC.,ZhangJ.,GengB.,JiangX. High voltage equipment online
monitoring system of smart substation//Proc. IEEE PES ISGA, Tianjin(China), 2012.P.1–5.
18.ParkS., LeeE., LeeW. Y.H.,ShinJ. State estimation for supervisory monitoring of sub
stations
//
IEEE
Trans.
Smart
Grid.
2013.
Vol.4,
No.1.
P.406–410.
DOI:
10.1109/TSG.2013.2240322.
19.Bastian M. B., Carman W. D., Woodhouse D. J. Real-time monitoring of substation ground
potential rise and grounding system impedance using power system faults//IEEETrans. Industry
Application.2015.Vol.51, No.6.P.5298–5304.DOI:10.1109/TIA.2015.2425361.
20.LeeW.,GimJ.,ChenM.,WangS., R. Li.Development of a real-time power system
dynamic performance monitoring system//IEEETrans. Industry Application.
1997.Vol. 33,
No.4.P.1055–1060.DOI:10.1109/28.605748.
21.ZhaoF.,SunQ.,ZhanJ.,NieL.,XuZ. The real-time database application in transformer
substation hotspot monitoring system//Proc. ICACT, PyeongChang(SouthKorea), 2014.P.941–
944.
КалимолдаевМаксатНурадилович–д-р физ.-мат.наук,
академик
НАН,
проф.
Казахскогонациональногоуниверситетаим. аль-Фараби;
ШермантаеваЖазира Утегеновна–PhDКазахскогонационального
университетаим. аль-Фараби;
Зиятбекова Гулзат Зиятбеккызы–доцент, PhDКазахского
национальногоуниверситетаим. аль-Фараби
