ROZWÓJ SYSTEMÓW CZASU RZECZYWISTEGO DLA CELÓW
STEROWANIA DYSPOZYTORSKIEGO W KDM

Jerzy Sawicki — Stowarzyszenie Elektryków Polskich

STRESZCZENIE : W referacie przedstawiono koncepcję i sposób realizacji komputerowego układu sterowania dyspozytorskiego dla Krajowej Dyspozycji Mocy (KDM) w Warszawie. System uruchomiono w 1971 roku w oparciu o amerykańskie komputery firmy Control Data Corporation. Oprogramowanie użytkowe do pracy w trybie on-line opracowano w całości w KDM przy udziale pracowników naukowych Instytutu Energetyki i Politechniki Wrocławskiej. W referacie opisano system komputerów (sprzęt), główne programy użytkowe czasu rzeczywistego oraz urządzenia do łączności z systemem elektroenergetycznym, tj. układy telemechaniki oraz zasady współpracy nimi. Podano również wybrane informacje dotyczące układów komputerowych w ODM i zakres współpracy z tymi jednostkami. System KDM był stopniowo modernizowany w zakresie urządzeń peryferyjnych oraz pomocniczych i użytkowany w zasadzie bezawaryjnie; pracował do 1993 roku, tj. 22 lata.

1. Wstęp

Pierwsze zastosowania informatyki dla potrzeb systemów energetycznych obejmowały głównie zagadnienia ich projektowania, analizy pracy i jej optymalizacji. Jak to wynika m.in. z poprzednich referatów, rosnąca moc komputerów pozwalała na realizację tych zadań dla coraz bardziej złożonych układów w coraz krótszym czasie.

Dzięki tym obliczeniom wykonywanym dla różnych horyzontów czasowych można było zapewnić wielowariantowe programy pracy dla kierowania ruchem systemu elektroenergetycznego zarówno na poziomie regionalnym jak i krajowym. Jednakże nawet najlepsze systemy nie były zdolne do bieżącego kierowania ruchem i rozwiązywania nieoczekiwanie powstających zjawisk często występujących w wielkich systemach elektroenergetycznych.

Rozwój informatyki związany z pojawianiem się coraz szybszych komputerów, przy rosnącej ich mocy obliczeniowej, a jednocześnie stałej miniaturyzacji, spowodował powstanie klasy maszyn on-line, mogących wspomagać procesy technologiczne, a nawet sterować nimi w tzw. czasie rzeczywistym. W drugiej połowie lat 60-tych pojawiły się w świecie pierwsze koncepcje wykorzystania ich do częściowej automatyzacji procesu dyspozytorskiego. W tym miejscu warto również wspomnieć o próbach wykorzystania do tego celu elektronicznych układów logicznych o logice okablowanej (polski system Logister – projekt DUK w ODM Katowice), jednakże nie nadążały one za szybkim rozwojem układów informatycznych.

Próby realizacji systemów sterowania dyspozytorskiego podejmowane w różnych krajach Europy i USA opierały się na wykorzystaniu tzw. minikomputerów, tj. maszyn wówczas średniej wielkości z pamięcią do 128 kB, słowem na ogół 16-bitowym, arytmetyce stałoprzecinkowej, ale za to wyposażonych w specjalne układy wejścia/wyjścia do komunikacji z procesem technologicznym. W kraju wiązano duże nadzieje z powstającym właśnie minikomputerem K-202, ale jak pamiętamy ścieżka ta nie okazała się realna i to z przyczyn pozatechnicznych.

Istotnym czynnikiem, który dopomógł KDM w zainicjowaniu realnych działań w tym kierunku okazały się organizowane przez Zarząd Główny SEP i EdF “Dni Elektrotechniki Francuskiej” (26/29-06-1967 w Warszawie). W imprezie uczestniczyło wiele osób z SEP-u, ze świata nauki (w tym prof. Stefan Bernas) oraz przedstawiciele energetyki różnego szczebla, i oczywiście liczni przedstawiciele KDM i ODM. Na konferencji przedstawiono m.in. realizowaną przez EdF koncepcję informatyzacji i automatyzacji dyspozycji mocy na szczeblu centralnym (Paryż) i w 6 okręgach (m.in. Paryż, Lille, Nantes, Tuluza). System ten opierał się na francuskich komputerach CII (Compagnie Internationale d’Informatique) i należał w tym czasie do przodujących w świecie. Francuzi liczyli na nasze zainteresowanie podobnym systemem, co uprawdopodobniały dobre stosunki między obydwoma przedsiębiorstwami energetycznymi.

2. Koncepcja systemu i realizacja w KDM

Omówiony wyżej cykl spotkań przyczynił się do intensyfikacji prowadzonych już wcześniej w KDM i ODM prac rozwojowych w zakresie informatyzacji dyspeczingu. Postanowiono jednocześnie zapewnić dla KDM odpowiednią bazę informatyczną do obliczeń w trybie off-line dla potrzeb projektowania i zarządzania, gdyż użytkowana wtedy maszyna ODRA 1204 należąca do Instytutu Energetyki nie była już w stanie zaspokoić stale rosnących potrzeb. Kierownictwu resortu udało się na ten cel zabezpieczyć kwotę około jednego miliona USD, co umożliwiło rozpoczęcie procedur przetargowych. Jedną z trudności przy wyborze niezbędnego sprzętu i jego dostawcy okazały się przepisy związane z obowiązującym wówczas embargiem ze strony państw NATO.

Założenia i wstępny projekt systemu opracowano z inicjatywy dyrektora naczelnego KDM, dr Mieczysława Toronia w Dyrekcji Technicznej KDM (DT) kierowanej przez dr Jana Gajewskiego. Dr Toroń miał za sobą duże doświadczenie w realizacji ODM Katowice, a także bardzo dobrą znajomość rozwiązań brytyjskich w tym zakresie. Dyrektor Techniczny KDM, dr Gajewski miał ogromne doświadczenie w dziedzinie obliczeń sieci elektrycznych (m.in. pionierski program GARO). W DT w programie uczestniczyły : Dział Informatyki w zakresie obliczeń off-line (dr Gładyś), Dział Telekomunikacji (Marian Jaworski) i Dział Czasu Rzeczywistego (Jerzy Sawicki). Ten ostatni w składzie początkowo 5 osób (Jerzy Sawicki, Krystyna Maksymiuk, Adam Romatowski, Cezary Szwejkowski i Jerzy Tabaka), które wcześniej przygotowywały różne obliczenia niezbędne dla bieżących prac dyspozytorskich. W pracach tych uczestniczyli również pracownicy Centrum Informatyki – Stanisław Mikołajczyk oraz Jacek Zwoliński, a później także pracownicy Politechniki Wrocławskiej – Zdzisław Kremens i Kazimierz Wilkosz. W projektowaniu nowego systemu opierano się głównie na różnorodnych międzynarodowych materiałach konferencyjnych. Znaczną pomocą okazał się też 4-miesięczny staż autora niniejszego referatu w dyspozycji mocy EdF w roku 1970.

Ostatecznie w wyniku przetargu podjęto decyzję zakupu sprzętu znanej amerykańskiej firmy Control Data Corporation (CDC), rezygnując przy tym ze współpracy z EdF. Należy podkreślić, że firma CDC zainstalowała już w europejskich energetykach kilka takich systemów, m.in. w Austrii, Holandii i Szwajcarii. Do celów obliczeń off-line wybrano komputer średniej klasy – CDC 3170 (nota bene będący przez długi czas największym w Warszawie).

Do pracy w czasie rzeczywistym zakupiono tzw. “System Controller” CDC SC-1774. Był to minikomputer o pamięci 64 kB, słowie 16-bitowym, cyklu 1,5 µs i arytmetyce stałoprzecinkowej. W skład systemu wchodziły ponadto 2 konsole dysków wymiennych po ok. 5 MB, urządzenia wejścia/wyjścia na taśmie papierowej oraz konsola operatorska w postaci typowego dalekopisu USA (Teletyp). Było to zresztą urządzenie wielkie, powolne i hałaśliwe.

Istotnymi elementami układu informatycznego były ponadto:

- łącznik do współpracy komputerów 3170 i 1774,
- układ wejść analogowych dla 128 pomiarów,
- układ wejść/wyjść cyfrowych dla współpracy z telemechaniką – 16 wejść,

- drukarki dyspozytorskie do raportów (IBM – 2 sztuki),
- monitory dyspozytorskie (2 sztuki).

 

Rys. 1 Fragment m.c. CDC – SC 1774

Te ostatnie elementy zasługują na szczególną uwagę. W tym czasie nie istniały jeszcze monitory o możliwościach graficznych zbliżonych do używanych obecnie. Dostarczone konsole opierały się na odwzorowaniu wektorowym i na ekranach z pamięcią podtrzymującą zarówno teksty jak i rysunki wektorowe na zasadzie fluorescencji. Obrazy nie były zbyt wyraźne, jednakże pozwalały na zaprogramowanie i odwzorowanie różnych typów rozdzielni i stacji. Niestety ich projektowanie było dosyć skomplikowane i pracochłonne. Same monitory mimo małych ekranów miały wielkie rozmiary, a zwłaszcza głębokość.

Kontrakt nie przewidywał dostarczenia specjalnego oprogramowania dyspozytorskiego, a jedynie drivery dla wejść/wyjść analogowych i cyfrowych oraz dla łącznika pomiędzy maszynami 3170 i 1774. Przewidziano również, poza niezbędnym szkoleniem sprzętowym i programowym z krótkimi praktykami w działających dyspozycjach europejskich, tzw. support obejmujący 20 tygodni pomocy programowej ekspertów firmy CDC na żądanie KDM. Jak potwierdziła praktyka, był to istotny czynnik pomocny w uruchamianiu niestandardowego i skomplikowanego sprzętu i oprogramowania.

Szkolenia w zakresie sprzętu odbyło w CDC 5 osób, które przez wiele lat uczestniczyły w eksploatacji obu maszyn i rozbudowie całego systemu – byli to: Grzegorz Wojciechowski (kierownik działu) oraz Ryszard Kosiarski, Zbigniew Mąka, Adam Romatowski i Jerzy Twardowski.

Ze względów finansowych opisywana inwestycja objęła jedynie KDM. W międzyczasie na poziomie ODM podejmowano pionierskie próby wykorzystania krajowego sprzętu do tego celu (m.c. ODRA-1325), jednakże wysiłki te dawały wtedy tylko ograniczone efekty. Natomiast należy podkreślić efektywne działania wszystkich ODM dla rozbudowy telemechaniki na swoim obszarze, co miało znaczenie dla identyfikacji całego systemu elektroenergetycznego. Istotnym krokiem w rozwoju ODM była instalacja w latach 1979 – 1981 w ośrodku Katowickim systemu PDP-11/34 z wyspecjalizowanym oprogramowaniem firmy Landis & Gyr.

3. Problemy łączności z obiektem i operatorem

Współpraca z obiektem jest podstawową funkcją w układach czasu rzeczywistego, w szczególności w systemach rozproszonych terytorialnie. W systemie elektroenergetycznym łączność z obiektem mogły zapewnić jedynie układy telemechaniki, które już wcześniej były instalowane do odczytu bezpośredniego (za pomocą mierników i rejestratorów), przez Dział Łączności, kierowany przez Mariana Jaworskiego (z udziałem m.in. Bogumiła Rudnickiego i Witolda Kołosowskiego). Te wcześniejsze działania nakierowane były na bezpośredni użytek personelu ruchowego. Stąd ścisła współpraca obu działów (tj. Łączności i Czasu Rzeczywistego) stała się kluczem do sukcesu całego przedsięwzięcia.

Podstawowe dla dyspozytorów mocy pomiary to moce czynne i bierne w liniach przesyłowych (zwłaszcza granicznych), sumaryczne moce czynne i bierne poszczególnych elektrowni oraz wartości napięć w newralgicznych punktach systemu elektroenergetycznego, a także stany liczników energii na liniach międzynarodowych.

Natomiast w zakresie telesygnalizacji wymagane są informacje o pozycji łączników w nadzorowanej sieci 400 kV i 220 kV, stan załączenia ważniejszych generatorów i niektóre inne wybrane sygnały i alarmy. W okręgowych ośrodkach dyspozytorskich (ODM) wykorzystuje się ponadto lokalne informacje z sieci 110 kV.

Do początku lat 70-tych system telemetrii opierał się wyłącznie o układy analogowe. Po stronie nadawczej wartość mierzona przetwarzana była na prąd stały o zakresie równym najczęściej ±  5 mA, a następnie na ciąg impulsów prostokątnych zmieniających się w zakresie 5 ÷ 15 Hz. Impulsy te były przesyłane odpowiednim kanałem łączności, np. za pomocą urządzenia telefonii nośnej, a następnie w punkcie odbiorczym przetwarzane z powrotem na prąd stały i wprowadzane do wejścia analogowego komputera, a także często do dodatkowych kontrolnych mierników wskazujących i rejestrujących. Mierniki te, wykorzystywane jako podstawowe przed uruchomieniem systemów komputerowych, pozostawiono częściowo jako układy rezerwowe. Dla większych stacji energetycznych urządzenia analogowe były dość kłopotliwe w instalacji i obsłudze, mimo to ich łączna ilość przekraczała 100 sztuk na poziomie KDM (na poziomie ODM było ich znaczne więcej).

W drugiej połowie lat 70-tych rozpoczęto instalowanie telemechaniki cyfrowej, za pomocą której w jednym kanale łączności można było przesyłać kilkadziesiąt pomiarów i powyżej stu sygnałów binarnych dla telesygnalizacji. Dane te wprowadzane były bezpośrednio poprzez wejście cyfrowe do komputera, tj. bez dodatkowych przetworników odbiorczych. Urządzenia te, początkowo importowane z f-my Landys & Gyr (Telegyr 102, Telegyr 707), a następnie produkcji IASE (UTJ-64) zapewniły niemal pełne odwzorowanie stanu systemu elektroenergetycznego w KDM i w większości ODM do końca lat 70-tych.

Poza pomiarami telemetrycznymi do komputera wprowadzano także pewne wybrane wielkości lokalne jak częstotliwość, czasy astronomiczny i elektryczny, sygnały regulacyjne dla ARC i inne wielkości pozwalające na szczegółową analizę i ocenę pracy systemu elektroenergetycznego.

Wzrost liczby odbieranych pomiarów wymusił unowocześnienie systemu komunikacji operator-maszyna co było niezbędne dla pełnego wykorzystania napływających informacji. Umożliwiło to pojawienie się na rynku nowych urządzeń peryferyjnych. W pierwszym rzędzie były to krajowe drukarki mozaikowe DZM–180, które zastąpiły na punkcie dyspozytorskim wcześniej używane powolne i hałaśliwe maszyny do pisania produkcji IBM. Jeszcze bardziej istotne było wprowadzenie nowych monitorów znakowych (umożliwiających również obrazowanie schematów i wykresów) zapewniających szybki i łatwy i dostęp do wszystkich informacji zawartych w bazie danych systemu, co zrealizowano pod koniec lat 70-tych. Kolejnym krokiem była instalacja zespołu komputerów PC pracujących w sieci Novell dostępnych zarówno dla dyspozytorów jak i innych upoważnionych użytkowników, poczynając od kierownictwa. Sieć Novell uruchomiono w drugiej połowie lat 80-tych. Sieć ta w istotny sposób usprawniła i przyśpieszyła dostęp do danych systemowych dla wszystkich zainteresowanych pracowników.

Istotną rozbudową systemu w połowie lat 70-tych była instalacja drugiej, rezerwowej jednostki centralnej 1774 wraz z niezbędnymi interfejsami i układami pomocniczymi. Umożliwiło to zastosowanie automatycznego rezerwowania systemu przy pomocy układu restartu, co było konieczne dla utrzymywania ciągłej pracy całego systemu, pomimo ewentualnych zakłóceń sprzętowych lub zawieszeń softwarowych.

4. OPROGRAMOWANIE SYSTEMU

4.1. Oprogramowanie podstawowe

Oprogramowanie komputera on-line — CDC 1774 realizowane było głównie w makroasamblerze, co znacznie utrudniało adaptację programów standardowych. Szczególnie kłopotliwe było dostrojenie łącznika międzymaszynowego, sprawiającego wiele trudności nawet personelowi instalacyjnemu CDC. Łącznik ten spełniał w systemie dwie główne funkcje:

● umożliwiał wydruk programów pisanych i uruchamianych na CDC-1774 na drukarce wierszowej maszyny 3170,
● zabezpieczał transfer zebranych danych on-line celem ich archiwizacji oraz wykorzystania do dalszych szczegółowych analiz statystycznych i do bieżącego programowania pracy systemu elektroenergetycznego za pomocą m.c. CDC 3170.

Kolejną trudnością było dopasowanie przetwornika analogowego, a zwłaszcza cyfrowego do parametrów istniejącej telemechaniki. Jednak największym problemem eksploatacyjnym okazało się utrzymywanie poprawnej pracy nadajników telemechaniki w obiektach energetycznych. Dopiero systematyczna rejestracja pomiarów w komputerach pozwoliła wykryć szereg zadawnionych błędów istniejących w dokumentacji pomiarów i ich ustawieniu. Główne stwierdzone błędy to niewłaściwa lokalizacja pomiaru, błędny zakres, błędna polaryzacja itp. Należy podkreślić, że po gruntownym ich poprawieniu, błędy często pojawiały się znowu po pracach eksploatacyjnych w obwodach wtórnych w obiektach.

4.2. Oprogramowanie użytkowe on-line

Podstawą oprogramowania systemów on-line są tzw. układy SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition. Realizują one główne funkcje współpracy z kontrolowanym obiektem oraz nadzoru nad całym kontrolowanym procesem. Obejmują one także systemy współpracy z operatorem kierującym danym procesem. Poniżej przedstawione są główne funkcje realizowane przez system SCADA maszyny cyfrowej CDC 1774 w PDM.

Kolekcja i archiwizacja pomiarów. Funkcja ta obejmuje zadania tradycyjnie realizowane przez jednego z dyżurnych operatorów. W wielkich systemach dyspozytorskich jest to absorbujące zadanie często realizowane w niezbyt precyzyjny sposób. Dane zbierane w wielu obiektach, przekazywane telefonicznie i zapisywane ręcznie, nigdy nie były z sobą ściśle synchronizowane, a różnice w czasach odczytu mogły wynosić nawet kilka minut. Również ich dokładność nie zawsze była poprawna z uwagi na różne omyłki przy odczytach i ich przekazywaniu. Ponadto dane zbierane były zawsze z opóźnieniem, zazwyczaj 2 do 4 godzin.

W systemie SCADA dane pomiarowe z przetworników zbierane są permanentnie, a ich rozbieżność czasowa nie przekracza na ogół kilkunastu sekund, co zależy od długości cyklu przetworników i telemechaniki. Dane rejestrowane są zazwyczaj w wybranych cyklach kilkuminutowych, a archiwizowane na stałe z reguły co 15 lub 30 minut. Dodatkowo w dowolnym czasie można zebrać i zapisać bieżący stan pomiarów na życzenie, np. w sytuacji awaryjnej, przy przełączeniach lub przy innych niespodziewanych zmianach warunków pracy.

Oczywiście system taki nie jest zawsze bezbłędny. Wymaga on stałego nadzoru i kontroli parametrów oraz ścisłej synchronizacji zmian dokonywanych w obiekcie energetycznym (inwestycje, remonty) i w punkcie dyspozytorskim.

Zbierane dane były przechowywane w m.c. 1774 zasadniczo przez 4 doby, a następnie przesyłane były do m.c. 3170 celem ich archiwizacji i opracowania statystyk i prognoz.

Wykrywanie zmian stanów połączeń i działania sygnalizacji. Funkcja ta kontrolowała i rejestrowała wszelkie zmiany przesyłanych sygnałów dwustanowych tj. położenia łączników, alarmów i ewentualnie stanu innych kontrolowanych elementów. Każda taka zmiana była rejestrowana wraz z podaniem czasu jej wystąpienia i przekazywana do odpowiednich urządzeń wyjściowych, np. na monitory i drukarki. Podstawowymi urządzeniami nadzorowanymi były łączniki w sieci 400 i 220 kV, wyłączniki większych generatorów pracujących w sieciach o napięciu poniżej 220 kV, sygnały przeciążeń wybranych elementów sieci. W oparciu o tę funkcję działały programy SCHEMA i STACJE wyświetlające lub drukujące aktualne schematy stacji i wybranych fragmentów sieci z pełną identyfikacją ich stanu.

Program bilansu systemu. Był to program obliczający saldo współpracy z zagranicą oraz sumaryczny bilans krajowy wytwarzanej mocy i zapotrzebowania. Program ten obliczał na bieżąco oraz drukował co 30 minut na drukarkach dyspozytorskich całkowity bilans mocy czynnej systemu wg wielkości mocy mierzonych, a także odchylenie salda wymiany z zagranicą od planu. Z uwagi na brak opomiarowania w elektrowniach przemysłowych, oraz bardzo małych elektrowniach wodnych i cieplnych, ich dane wprowadzane były wg planu pracy, co w praktyce nie powodowało większych uchybów (w paru przypadkach dane te przesyłane były zbiorczo z ODM telemetrycznie). Dodatkowo dane te można było korygować na bieżąco wg otrzymywanych meldunków.

Program obliczania salda wymiany energii z zagranicą. Program obliczał wartości wymiany energii czynnej na poszczególnych liniach międzynarodowych w interwałach 30-minutowych w oparciu o stany liczników energii w stacjach granicznych, a następnie ich łączne saldo z rozbiciem na poszczególne kraje współpracujące. Informacje o stanach liczników przesyłane były za pomocą telemechaniki cyfrowej. Wyniki nie były używane do bezpośrednich rozliczeń międzynarodowych, a jedynie wykorzystywane do korekty regulacji mocy i częstotliwości, statystyki KDM oraz do bieżącej kontroli poprawności tych przepływów, a także do identyfikowania ewentualnych rozbieżności pomiarów mocy i energii celem szybkiego usunięcia powstałych błędów pomiarowych.

Program dziennika dyspozytorskiego. Program zapewniał ciągłą rejestrację datowanych zdarzeń systemowych takich jak przełączenia, a także przekroczenia parametrów dopuszczalnych i wielkości planowych. Program pozwalał na wprowadzanie komentarzy określających przyczynę zdarzenia, jego zakres i ewentualne skutki, a także przewidywany czas powrotu do stanu normalnego.

Program raportu dyspozytorskiego. Dane bilansu systemu drukowane były systematycznie w odstępach 30 lub 60 minut, a także na żądanie, na drukarkach dyspozytorskich. Odstępstwa od planu oraz błędy lub braki pomiarów były odpowiednio sygnalizowane. Na tej samej drukarce prezentowano również dane o stanie pracy sieci (moce czynne i bierne, napięcia) w postaci tabulogramów, na których były zaznaczone również wartości przekroczeń wielkości przepływów i napięć w stosunku do wartości dopuszczalnych lub planowanych.

Szczegółowe dane dotyczące przepływów mocy i wielkości napięć w postaci schematów graficznych prezentowane były w różnym układzie przez programy SIEC, WEZLY, LINIE i MAPA. Po rozbudowie systemu monitorów programy te stały się dostępne dla wszystkich uprawnionych dla dowolnych przedziałów czasu.

Dynamiczna baza systemu elektroenergetycznego. Przedstawione wyżej programy wymagały stworzenia specjalnej bazy danych, umożliwiającej stały dostęp programom użytkowym do aktualnych wartości wszystkich zmieniających się stale parametrów systemu. Mimo limitów wynikających z ograniczonego miejsca i prędkości działania komputera, stworzono system umożliwiający łatwy i szybki dostęp do wszystkich informacji ruchowych, tj, pomiarów i informacji dwustanowych. W projekcie uwzględniono ponadto fakt, że parametry systemu ulegają częstym zmianom (zmiany konfiguracji sieci, zmiany w telemechanice, zmiany zakresów itp.), co wymagało utworzenia prostych i pewnych algorytmów poprawiania danych tylko w jednym miejscu systemu komputerowego.

Baza składała się z dwóch głównych zbiorów, które modelowały zbiór węzłów sieci tj. stacji oraz zbiór elementów podłużnych (linii, transformatorów, generatorów). Oba zbiory były powiązane ze sobą zgodnie z rzeczywistą topologią systemu i jego opisem (nazwy stacji, linii i pól). Zbiory zawierały także odniesienia do wielkości telemetrycznych i stanów telemechaniki. Jednocześnie program analizy zmian telesygnalizacji, przy jej aktualizacji określał od razu rzeczywistą topologię stacji tj. liczbę niezależnych węzłów, ich symbole i połączenia zewnętrzne tworząc aktualny model obiektu. Dzięki tej bazie wszystkie programy użytkowe mogły bezpośrednio generować aktualne rysunki stacji oraz dowolnych części sieci do bezpośredniego odwzorowania na ekranie lub na drukarce.

Program automatycznej regulacji mocy i częstotliwości (ARCM). Program ten w oparciu o wartości planowanego i rzeczywistego salda wymiany mocy i energii z zagranicą oraz rzeczywistej i planowanej częstotliwości w systemie elektroenergetycznym, generował odpowiednie sygnały regulacyjne przesyłane do elektrowni biorących udział w procesie regulacji. Algorytm generowania tych sygnałów był zbliżony do algorytmu wcześniej stosowanego regulatora systemowego ARCM produkcji IASE Wrocław.

Program kontroli remontów. Program ten rejestrował wszelkie zmiany położenia łączników w sieciach 220 kV i 400 kV i określał rzeczywiste zmiany topologii tych sieci. W przypadkach, w których następowało całkowite wyłączenie z pracy (lub też załączenie) danego elementu sieci, tj. linii, transformatora lub generatora, element ten zostawał uznawany jako przekazany do remontu (lub z niego wycofany) w zarejestrowanym czasie. Dyspozytor zobowiązany był potwierdzić ten stan dodając przy tym powód zmiany (planowana lub nie), rodzaj ewentualnych prac i przewidywany ich okres.

Program tworzył od razu statystykę wyłączeń i remontów wszystkich kontrolowanych urządzeń oraz czytelne tablice postoju bloków w elektrowniach. Do programu były wcześniej wprowadzane plany remontów dla kontroli ich późniejszego wykonywania. Dla nielicznych urządzeń nie posiadających telesygnalizacji dane o wyłączeniach można było wprowadzać ręcznie; funkcja ta pozwalała również na aktualizację stanu urządzeń, których remont obejmował prace w obwodach wtórnych, np. przy samych układach telesygnalizacji.

Sterowanie elektrowni wodnych. Warunkiem uruchomienia telesterowania elektrowniami wodnymi było istnienie odpowiednich opcji w systemach telemechaniki i oczywiście w samych elektrowniach. Istotny był również rozdział tych funkcji pomiędzy ODM a KDM w taki sposób, aby wykluczyć ewentualną niejednoznaczność działania. Sterownie obejmowało uruchamianie i odstawianie generatorów oraz polecenia utrzymywania określonych poziomów mocy, np. minimum, optimum, maksimum. Nie była przewidziana ciągła regulacja mocy. Operator niższego szczebla, tj. operujący “bliżej” elektrowni mógł zawsze zablokować działania szczebla wyższego w przypadku wystąpienia jakichkolwiek zakłóceń. Telesterowaniem objęto elektrownie Żarnowiec, Porąbka-Żar i Żydowo.

5. PROGRAM ESTYMACJI STANU SYSTEMU

Estymacja stanu jest procesem pozwalającym na identyfikację stanu sieci (tj. obliczenie rozpływu mocy i poziomu napięć) w warunkach braku części pomiarów, ale gdy ogólna liczba pomiarów w systemie jest dostatecznie duża, tzn. występuje ich nadmiar, czyli tzw. redundancja. Im większy jest nadmiar pomiarów określony współczynnikiem redundancji r, wyrażonym wzorem

gdzie: m – liczba dostępnych pomiarów, n – liczba węzłów sieci, tym dokładniejszy jest rezultat obliczeń.

Estymacja może także identyfikować i korygować błędy wynikające z niedokładności danych wejściowych, które występują często w obliczeniach wykorzystujących dane przesyłane za pomocą telemetrii. Przyczyną tych błędów jest zazwyczaj ograniczona dokładność przetworników (2,5 % lub gorzej), niesynchroniczność pomiarów, przekroczenia zakresów, a ponadto usterki eksploatacyjne jak np. błędnie podane zakresy przetworników, zamieniona ich lokalizacja (zwłaszcza przy liniach dwutorowych), odwrotna polaryzacja pomiarów itp. Usterki te ze względów na oddalenie punktu pomiaru od miejsca jego wykorzystania są, jak wykazuje praktyka, trudne do identyfikacji i korekty. Ponadto raz usunięte często pojawiają się znowu przy różnych pracach eksploatacyjnych w obiekcie.

Z przyczyn podanych wyżej estymację wprowadzano coraz częściej do dyspozycji mocy na całym świecie, mimo znacznych trudności programowych i wdrożeniowych. KDM zleciło to zadanie Zakładowi Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej. Program estymacji opracowali i wdrożyli przy udziale KDM, w ramach swojej pracy doktorskiej, panowie Zdzisław Kremens i Kazimierz Wilkosz w latach 1981-85.

Z uwagi na to, że m.c. 1774 miała ograniczone możliwości obliczeniowe, program podzielony został na dwie części. Część pierwsza, w komputerze 1774, przygotowywała wstępnie skorygowane dane o topologii sieci i wielkościach mierzonych mocy i napięć. Automatyczna korekcja obejmowała także usunięcie pomiarów ewidentnie nie mieszczących się w zakresie oraz nie spełniających odpowiednio wybranych korelacji między pomiarami i stanami łączników. Tak przygotowane dane pomiarowe i topologiczne przesyłane były do m.c. 3170 dla dokonania właściwych obliczeń. Przesył danych inicjowany był przez operatorów obu maszyn. Rezultatem był wydruk rozpływu mocy na drukarce wierszowej oraz zapis archiwalny dla celów statystycznych. Na wynikach wskazane były brakujące i błędne pomiary wejściowe oraz prawidłowe wielkości estymowane, o ile można je było wyznaczyć.

Program był uruchamiany okresowo, zwłaszcza przy nietypowych układach pracy systemu elektroenergetycznego, gdyż pozwalał na dobrą analizę rzeczywistej pracy całej sieci. Ponadto stała obserwacja jego wyników pozwalała na skuteczne i szybkie monitorowanie pracy telemechaniki co znacznie przyśpieszało usuwanie jej usterek.

6. DALSZY ROZWÓJ SYSTEMU W KDM

W roku 1991 system CDC osiągnął wiek 20 lat, co jest dość długim okresem jak na komputer. Jednakże trzeba zaznaczyć, że czas życia układów sterowania złożonymi procesami technicznymi na całym świecie jest dość podobny. Wynika to z trudności wymiany większych elementów działającego procesu, co prowadzi zazwyczaj do konieczności realizacji całkowicie nowej inwestycji. W tej sytuacji prowadzono w KDM wstępne rozważania na temat niezbędnej modernizacji lub wymiany całego lub części systemu, pilnie śledząc międzynarodową praktykę w tym zakresie. Nie trzeba tu podkreślać, że ówczesna sytuacja polityczna i gospodarcza kraju nie otwierały pomyślnych perspektyw w tym zakresie.

Niespodziewane wydarzenie zdecydowało jednak o dalszym losie systemu czasu rzeczywistego w KDM. W dniu 13 marca 1993 roku został on unieruchomiony z powodu zapalenia się zasilacza jednego z istotnych elementów systemu. Dalsze jego użytkowanie, choćby tylko częściowe, okazało się niemożliwe. Dla tymczasowego zapewnienia pracy dyspozycji wykorzystano bezpośrednie pomiary wskazówkowe i cyfrowe otrzymywane z urządzeń telemechaniki, które znajdując się w osobnym pomieszczeniu nie uległy zniszczeniu.

Jednocześnie zamówiono natychmiast system zastępczy w postaci produkowanego w kraju, już od pewnego czasu, przez firmę ELKOMTECH systemu Ex opartego o serwery i PC firmy Dell, wykorzystywanego także wcześniej w paru ODM. System EX udało się uruchomić w ciągu kilkunastu tygodni, co zaspokoiło podstawowe potrzeby KDM. Jednocześnie zintensyfikowano prace nad projektem nowego systemu odpowiadającego ówczesnym wymaganiom i możliwościom.

W wyniku tych prac wybrano kompleksowy system opracowany przez amerykańską firmę Empros, związaną z niemieckim Siemensem. Ten nowoczesny system, nazwany DYSTER i obejmujący całość sprzętu i specjalistyczne oprogramowanie, został zainstalowany i uruchomiony na przełomie lat 95/96, co postawiło KDM w pierwszym szeregu europejskich dyspozycji mocy.

System DYSTER pracuje bez problemów, ale obecnie oczekuje na duże wyzwanie w postaci uruchomienia go w całości w nowej siedzibie KDM w Konstancinie.

7. PODSUMOWANIE

Przy próbach oceny zrealizowanego systemu należy oczywiście zachować właściwą perspektywę czasową. Parametry obecnych komputerów zmieniły się od lat 70-tych w skali jak 1 do 106, a może nawet i więcej. To samo dotyczy technik i rozwoju oprogramowania. Tym bardziej wyniki z tamtego okresu zasługują nadal na uznanie.

Możemy śmiało powiedzieć, że nasze osiągnięcia w tym zakresie miały liczący się poziom w skali europejskiej, co potwierdziły opinie uzyskane na międzynarodowych konferencjach [6], [9], [14]. Również uczestnictwo w innych konferencjach oraz spotkaniach komitetów i eksperckich grup międzynarodowych, np. organizowanych przez CIGRE i UNIPEDE potwierdzało, że realizacja systemu w KDM odpowiadała europejskim standardom w tej dziedzinie. Takie same wnioski wynikały z wizyt i zwiedzania podobnych instalacji europejskich i w USA w latach 70/90, jak również z ocen europejskich ekspertów wizytujących KDM.

Należy podkreślić, że KDM spełniał również wszystkie wymagania UCPTE związane ze współpracą równoległą z krajami Europy zachodniej w zakresie regulacji mocy i częstotliwości jak i wzajemną wymianą informacji ruchowych i statystycznych.

Niewątpliwie uzyskane wyniki i doświadczenia (zarówno pozytywne jak i krytyczne) pozwoliły na optymalny wybór projektu i realizacji nowego systemu DYSTER w połowie lat 90-tych, już w nowej sytuacji politycznej i ekonomicznej. Już to samo stwierdzenie pozwala na uznanie, że nasza ponad 20-letnia praca stanowiła istotny wkład w rozwój i postęp dyspeczingu w energetyce krajowej.

LITERATURA

1. Sawicki J., Automatyczna regulacja mocy we Francji. IASE Wrocław (opracowanie wewnętrzne), 1970.

2. Sawicki J., Toroń M.: Problemy ARC w krajowym systemie elektroenergetycznym. Państwowa Dyspozycja Mocy, Warszawa, 1971.

3. Sawicki J. - Projekt oprogramowania "On-line" maszyny cyfrowej CDC-1774. Praca naukowo badawcza. Instytut Energetyki, Warszawa, kwiecień 1973.

4. Sawicki J., Maksymiuk K.: System komputerowy czasu rzeczywistego dla PDM. Konferencja Naukowo Techniczna: "Nowe zadania telemetrii i telemechaniki w sieciach elektroenergetycznych". SEP – Energoprojekt, Poznań, 1974.

5. Toroń M., Sawicki J.: Zastosowanie techniki cyfrowej w Państwowej Dyspozycji Mocy. Konferencja naukowo techniczna: "Problemy zastosowania techniki cyfrowej w układach automatyki energetycznej". SEP – IASE, Wrocław, 1974.

6. Sawicki J., Kowalski A.: Implementation of automatic data-processing for the power system control in Poland. "UNIPEDE Data-processing conference". Madrid, October 1974.

7. Sawicki J.: Oprogramowanie systemu On-line w PDM. Międzynarodowe sympozjum krajów RWPG – CDU. Praha, 1975.

8. Sawicki J.: System komputerowy on-line w Państwowej Dyspozycji Mocy. Biuletyn postępu techniczno-ekonomicznego, Zjednoczenie Energetyki, Warszawa, 1975. nr 1 (34).

9. Toroń M., Sawicki J.: Development plans of the on-line control for the Polish Power System and the experience in its operation. IEE International Conference on "On-line Operation and Optimization of Transmission and Distribution Systems". London, June 1976.

10. Sawicki J.: Kierunki rozwoju dyspozytorskich systemów on-line w latach 1970 – 1980. Konferencja techniczno-naukowa: "Zastosowanie w energetyce informatyki ...". SEP – Warszawa, 1978.

11. Sawicki J.: Problemy komunikacji człowiek-maszyna cyfrowa w systemach sterowania dyspozytorskiego. III Międzynarodowa Konferencja Naukowa: "Aktualne problemy automatyki w energetyce". Politechnika Śląska, Gliwice, 1979.

12. Sawicki J.: Zagadnienia niezawodności i automatycznego rezerwowania dyspozytorskich systemów on-line. III Międzynarodowa Konferencja Naukowa: "Aktualne problemy automatyki w energetyce". Politechnika Śląska, Gliwice, 1979.

13. Kremens Z., Sawicki J.: Verification of the measurements of active power flow using methods of testing of the line measurement state. "Second International Symposium on Security of Power System Operation - SPSO 81". Politechnika Wrocławska, Wrocław, June 1981.

14. Sawicki J., Wilkosz K.: Fast method for identification of bad data of active power flows in power network. CIGRE - IFAC Symposium: "Control applications for power system security". Florence, September 1983.

15. Sawicki J., Zwoliński J.: Strukturalna Baza Danych – dynamiczny model systemu elektroenergetycznego. Sympozjum: "Metody Matematyczne w Elektroenergetyce, Zakopane '83". SEP - AGH, Kraków, 1983.

16. Wilkosz K., Sawicki J.: Rozszerzona przyrostowa metoda wykrywania błędnych danych o przepływach mocy czynnej w sieci elektroenergetycznej. Sympozjum: "Metody Matematyczne w Elektroenergetyce, Zakopane 83". SEP - AGH, Kraków, 1983.

17. Sawicki J., Zwoliński J.: Dynamiczne odwzorowanie układu elektroenergetycznego w dyspozytorskim systemie on-line. Krajowe Sympozjum : "Automatyzacja Krajowego Systemu Elektroenergetycznego". IASE, Wrocław, 1985.

18. Sawicki J.: Druga generacja automatycznych systemów sterowania dyspozytorskiego oraz kierunki ich rozwoju. Energetyka, 1985, nr 8.

19. Rudnicki B., Sawicki J.: Zdalne sterowanie elektrowni szczytowo pompowych z Państwowej Dyspozycji Mocy. Międzynarodowe Sympozjum "Systemy elektroenergetyczne – eksploatacja i rozwój". Politechnika Wrocławska, Wrocław, wrzesień 1985.

20. Kremens Z., Sawicki J.: Wykrywanie błędnych danych pomiarowych w systemie wstępnego przetwarzania danych w PDM. Krajowe Sympozjum "Automatyzacja Krajowego Systemu Elektroenergetycznego". IASE, Wrocław, 1985.