Модель прогнозирования стоимости обслуживания

АСУ подстанции в течение всего срока службы. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Оценка стоимости обслуживания АСУ подстанции крайне важна для выбора оборудования, на котором будет построена АСУ, а также для выбора архитектуры ее построения. В современных методах оценки стоимости срока службы, использующих персональный компьютер и разнообразное программное обеспечение, применяют алгоритмы, позволяющие рассчитать нерекуррентные и рекуррент­ные затраты. Выбранное программное обеспечение (ПО) может по­зволить полностью выбрать CBS и задать любой тип выражения для оценки стоимости. Выбранное ПО должно давать возможность учи­тывать инфляцию, проводить расчет чистой приведенной стоимо­сти.

Нерекуррентные затраты должны включать в себя первоначаль­ные затраты на сооружение АСУ подстанции и стоимость оборудо­вания с учетом того, когда будет производиться оплата затрат. Дол­жна оцениваться неточность расчета нерекуррентных затрат, обусловленная экономическими факторами и техническим про­грессом, и учитываться в функции стоимости.

Рекуррентные затраты должны включать в себя все затраты на ремонтное, текущее обслуживание и обучение персонала. Эти за­траты линейно возрастают при первичной наладке, а также в тече­ние стадии модернизации, однако после введения АСУ подстанции в эксплуатацию эти затраты становятся практически постоянными.

Основной задачей является расчет стоимости АСУ в течение всего срока службы подстанции. Средства оценки должны давать возможность определять составляющие затрат, возникающие в течение всего срока эксплуатации системы, а затем позволять задавать для каждой составляющей конкретное выражение для расчета стоимости.

Для применения методов оценки стоимости необходимо:

• определить временные интервалы с соответствующими уровнями инфляции для расчета чистой приведенной стоимости и вычисления соответствующих затрат в будущем;

• определить параметры сравнения различных проектов, например сравнения затрат на создание нового проекта с затратами на постепенное обновление существующей подстанции;

• сопоставить вероятности отказов АСУ с возникающими при этом последствиями, выраженными в денежном эквиваленте.

Методология. На рис. 9.1 проиллюстрирована основная схема прогнозирования стоимости автоматизации подстанции. Параметры модели соответствуют АСУ подстанции.

До начала расчетов необходим предварительный анализ, который позволит определить основные требования к системе АСУ подстанции, включая технологическую базу. Основываясь на утвержденных требованиях к АСУ, выбранной технологической базе и учитывая ограничения риска, необходимо определить первоначальную и итоговую архитектуру АСУ. При этом следует определить три технологические условия и их влияние на конечную архитектуру: требования, технологическая база, ограничения риска.

Требования. Прежде всего, требования должны быть твердо установлены и хорошо проработаны. Если это условие не выполнено, то степень неточности оценки может быть настолько велика, что итоговые результаты окажутся либо бессмысленными, либо, в наихудшем случае, приведут к неверным значениям составляющих затрат.

Технологическая база. Автоматизация управления подстанциями осуществляется на основе компьютерной обработки и обмена данными между IED. Развитие микропроцессорной техники происходит с огромной скоростью. Выбор технологической базы определяет возможность развития подстанции в будущем. Если выбранная технологическая база будет являться тупиковой, то стоимость текущего обслуживания и обновления оборудования будет очень высокой.

Ограничения риска. Все проекты АСУ подстанций включают в себя как модернизацию существующих подстанций, так и строительство новых. Ограничения риска, описывающие существующие ограничения, – это последнее условие, необходимое для использования данной методологии. От этих ограничений зависят выбор итоговой архитектуры и определение затрат.

Рис. 9.1 Схема определения стоимости обслуживания АСУ ТП

Для оценки затрат, связанных с отказами АСУ, используют системный анализ.

Целью системного анализа для каждой подсистемы является определение среднего времени наработки на отказ и среднего времени, требующегося для восстановления системы. Это необходимо для выбора экономичной стратегии развития, которая, в свою оче­редь, необходима для оценки стоимости срока службы.

После определения затрат, связанных с отказами системы, выбора экономичной стратегии развития и материально-технического обслуживания можно проанализировать стоимость выбранной архитектуры АСУ. На рис. 9.1 показана взаимосвязь анализа затрат и конечной архитектуры. Анализ затрат может повлиять на выбор подсистем составляющих, определенных в итоговой системе. При внесении значительных изменений в первоначально выбранную архитектуру заново должен быть выполнен анализ затрат, связанных с отказами, который в свою очередь может повлечь за собой изменение экономической стратегии и функций поддержки.

Оценки пятилетнего (ППС) и десятилетнего (ДПС) прогнозов стоимости должны обеспечить базис для оценки архитектуры АСУ, экономической стратегии и функций поддержки. Сравнение ППС и ДПС показывает, насколько увеличивается неточность оценки. Определенная неточность используется для изменения экономической стратегии в течение всего срока службы. После получения удовлетворительных результатов должен быть составлен прогноз стоимости срока службы АСУ и использован в качестве основы плана ее построения. Требования к анализам отказов, экономической стратегии, документации и руководствам по эксплуатации, программам обучения должны быть указаны в плане заказчика и требовании к цене (RFQ). Целью RFQ является выбор проекта АСУ, который позволит снизить риск заказчика и финансовые затраты.

Срок службы АСУ должен быть основан на модели, описанной в IEC 61850-4, в том числе с точки зрения производителя и заказчика:

• с точки зрения производителя срок службы АСУ – это время между моментами начала и прекращения выпуска данной серии устройств;

• для заказчика срок службы – это период между моментом введения в действие первой АСУ, построенной на устройствах одной серии, и списанием последней АСУ, построенной на устройствах той же серии.

В течение срока службы АСУ и IED производителем по различным причинам производится большое число функциональных и аппаратных изменений и усовершенствований, которые могут быть связаны с исправлением обнаруженных ошибок. Эти изменения приводят к обновлению версий аппаратного и программного обеспечения IED. Новые версии могут вызывать следующие эффекты:

• в некоторых случаях изменение версии одного из IED требует изменения версии других IED или технических средств. Необходимо проведение тестов системы с использованием соответствующих IED и создание нового листа конфигурации;

• если IED новой версии независим от других IED и совместим с текущим листом конфигурации, то необходимо проведение тестов на совместимость данного IED с другими IED данного семейства. Если версия IED будет изменена, то в лист конфигурации АСУ должна быть внесена новая версия.

Производитель обязан указывать версию:

• программного обеспечения IED, средств поддержки програм­много обеспечения, при этом информация о версии доступна;

• аппаратного обеспечения, информация о версии указывается на самом устройстве;

• при необходимости должен быть распространен новый лист конфигурации.

Координация срока службы АСУ с точки зрения производителей и заказчиков требует того, чтобы новые версии IED с идентичными номерами моделей удовлетворяли следующим правилам:

• аппаратное обеспечение должно быть идентично по форме, размеру и выполняемым функциям, т.е. все интерфейсы должны выполнять одни и те же функции и располагаться на одних и тех же местах, размеры устройств должны быть одинаковы;

• изменения в функциях программного обеспечения должны указываться в сравнении с предыдущей версией;

• средства поддержки должны быть совместимы со всеми суще­ствующими версиями устройств, принадлежащих одной серии.

Производитель обязан информировать заказчика обо всех функциональных изменениях и дополнениях, вносимых после момента последней поставки.

Извещение о прекращении выпуска продукции. Производитель обязан проинформировать всех заказчиков о прекращении выпуска продукции за время, достаточное для того, чтобы все потребители смогли заказать необходимые им устройства.

Если взамен снимаемого с производства устройства не будет выпущено новое устройство с совместимыми функциями, то извещение должно быть опубликовано за время, достаточное для того, чтобы потребители смогли распланировать, подготовить проект и заменить соответствующее оборудование.

В случае, если выпуск устройств с совместимыми функциями планируется, то извещение о прекращении выпуска устройств может быть опубликовано и за более короткий срок, а именно за время, достаточное для доставки обоих продуктов.

Поддержка после прекращения выпуска. В течение потребительского срока службы АСУ и соответствующих IED может быть внесено множество изменений, дополнений, а также может возникнуть множество вопросов, связанных с техническим обслуживанием устройств. Производитель обязан осуществлять поддержку потребителя и после прекращения выпуска устройств данной серии в соответствии с заключенным соглашением между системным интегратором и потребителем. В качестве примера таких соглашений можно привести следующие:

• специальное соглашение о поставке минимального ежегодного заказа по заранее согласованным ценам и условиям поставки в течение установленного периода;

• поставка того же или совместимого IED (это касается выполняемых функций, способа монтажа и прокладки электрических проводов) по специальным условиям в течение заранее определенного периода;

• поставка запасных частей и выполнение ремонта по особым условиям в течение продленного периода;

• администрирование, техническое обслуживание и поставка всех версий программного обеспечения IED, а также программных средств поддержки поставщиком в соответствии с оговоренными условиями;

• поддержка интеграции новых устройств (в уже созданную АСУ) через адаптивные интерфейсы.

Все вышеизложенное не относится к средствам вычислительной техники (например, ПК, CD-ROM).

Если системный интегратор и фирма-производитель не являются единым предприятием, то техническая поддержка после прекращения выпуска устройств соответствующей серии должна быть оговорена в соответствующих контрактах.

Особенности использования данной методологии. На рис. 9.1 указано четыре аспекта, которые необходимы как основа для анализа стоимости. В данном разделе более подробно рассмотрен каждый из этих анализов.

Определение конечной архитектуры. Для определения конечной архитектуры АСУ подстанции необходимо следующее: требования, технологическая база, ограничение рисков.

Требования к АСУ – это требования, налагаемые на функции интеллектуальных электронных устройств (устройств защиты, управления и контроля), а также требования к их техническому исполнению. Функциональные требования обычно указываются в соответствующих терминах. Требования к исполнению – обычно относительно времени отклика. Большинство открытых спецификаций систем удовлетворяют данным условиям.

Более важными для системы автоматизации являются функциональные и технические требования к системам связи. С развитием функциональности IED все более усложняются и используемые в них микропроцессоры. Соответственно усложняется и структура процессоров устройства ПС. Большинство производителей осознают необходимость модульного построения IED, т.е. использования двух процессоров – основного и коммуникационного, и объединения их через общую память.

Технологическая база обычно выбирается как основа для расчетов стоимости, т.е. именно от ее выбора во многом зависит снижение стоимости АСУ подстанции. Например, стоимость электрических проводов может быть существенно снижена, если все IED объединены локальной сетью. Дополнительное снижение стоимости может быть достигнуто расширением локальной сети до уровня распредустройств либо установкой шины технологического процесса, посредством которой осуществляется подключение трансформато­ров, коммутационного оборудования, датчиков и контрольных IED к IED, расположенным в здании подстанции. IED могут работать по системе мастер – клиент либо равноправно.

Степень интеграции функций защиты и управления зависит от технологии, которая должна гарантировать безопасную и надежную связь между IED с учетом требуемого времени отклика.

Использование технологии, которая позволяет осуществлять управление подстанцией дистанционно, существенно снижает стоимость. Совместимость протоколов связи, которая уменьшает количество шлюзов, где осуществляется преобразование данных, также снижает стоимость. Использование существующих коммуникационных связей для передачи данных устраняет необходимость использования выделенных линий связи для работы системы SCADA. Иногда осуществление связи между подстанциями, а также между подстанциями и pole-top IED по существующим линиям связи также позволяет снизить стоимость.

Ограничения риска. Этот вопрос является ключевым при определении затрат. Управление риском необходимо, поскольку новые технологии в компьютерной технике появляются в среднем 1 раз в 2 года. Существенное обновление инженерных технологий происходит в среднем 1 раз в 3 года. Соответственно при сроке службы 15 лет все технологии изменятся 5-7 раз. Задача управления риском состоит в том, чтобы определить, как строить АСУ подстанций в условиях такого бурного развития.

Нет четких рекомендаций, как осуществлять управление риском. Менеджер проекта должен располагать достоверными сведениями и соответствующими средствами для ограничения риска. Окончательное решение вопроса ограничения риска основано на отношении менеджера проекта к риску. Обычно степень риска классифицируют следующим образом:

высокая – значительное влияние на стоимость, планирование и техническое исполнение, которое требует большого внимания к возникающим вопросам и высокого приоритета управления;

средняя – среднее влияние на стоимость, планирование и техническое исполнение, требующее особого внимания к отдельным вопросам и дополнительного внимания при управлении;

низкая – минимальное влияние на стоимость, планирование и техническое исполнение, требующее обычного управления.

Моделирование соотношения двух переменных величин может позволить определить степень риска. Первая из этих величин – вероятность отказа P_f, а вторая – последствия от возникновения отказа C_f. Простая модель может быть использована, если вероятность отказа P_f велика. Математически эта модель может быть составлена как объединение двух параметров P_f и C_f. В табл. 9.1 и 9.2 представлены математические модели для вычисления степени риска, соответствующего элементам АСУ подстанции, которые определяются используемыми программными и аппаратными средствами. Другими словами, коэффициент риска (зависящий от P_f C_f) будет максимален при максимальных P_f и C_f.

Коэффициент риска рассчитывается следующим образом:

P_f + C_f - Pf·Cf,

где P_f = a·P_мhw + b·P_мsw + c·P_chw + d·P_csw + е·Р_д;

a, b, c, d, e – весовые коэффициенты, сумма которых равна единице;

P_мhw – вероятность отказа, зависящая от степени готовности аппаратного обеспечения;

P_мsw – вероятность отказа, зависящая от степени готовности программного обеспечения;

P_chw – вероятность отказа, за­висящая от сложности аппаратного обеспечения;

P_csw – вероятность отказа, зависящая от сложности программного обеспечения;

Р_д — вероятность отказа, зависящая от других параметров.

C_f = f·C_т + g·C_c + h·C_п,

f, g, h – весовые коэффициенты, сумма которых равна нулю;

С_т – последствия отказа, связанные с техническими факторами;

С_с – последствия отказа, связанные с изменением стоимости;

С_п – последствия отказа, связанные с изменениями в плане.

Таблица 9.1. Математическая модель для определения вероятности отказа

Таблица 9.2. Математическая модель для определения последствий отказа

Для АСУ подстанции P_f оценивается при рассмотрении таких составляющих, как готовность программного и аппаратного обес­печения, его сложность, а также учитывается зависимость от других параметров. Вероятность отказа P_f определяется с помощью коэффициентов, аналогичных коэффициентам в табл. 9.1; C_f опре­деляется с учетом технического коэффициента, коэффициентов стоимости, аналогичных коэффициентам, указанным в табл. 9.2. Например, рассмотрим АСУ подстанции с классическим удаленным терминалом (Remote terminal units) для управления входами/выходами и программируемыми логическими контроллерами PLC, являющимися клиентами для RTU и связанными с распредустройствами и измерительными трансформаторами. Контроллер на подстанции RTU в свою очередь является сервером для системы SCADA в центре управления. Это достаточно отработанная техно­логия, которая применяется уже в течение 20 лет и может быть оха­рактеризована следующим образом:

• используются готовые аппаратные средства с небольшой адап­тацией к базе данных IED;

• основана на достаточно простом аппаратном обеспечении;

• требуется программное обеспечение, в незначительной степени усложняющее технологию;

• от производителей требуется новая база данных IED.

Предполагая весовые коэффициенты а, b, с, d, e, равными соот­ветственно 20, 10, 40, 10 и 20 %, можно рассчитать вероятность отка­за P_f.

P_мhw = 0,1; 0,2 P_мhw = 0,02;

P_мsw = 0,3; 0,1 P_мsw = 0,03;

P_chw = 0,l; 0,4 Pchw = 0,04;

P_csw = 0,3; 0,1 P_csw = 0,03;

Р_д = 0,9; 0,2 Р_д = 0,18;

P_f = 0,30.

Предполагая весовые коэффициенты f, g и h равными соответственно 40, 50 и 10 %, можно рассчитать коэффициент последствий отказа C_f:

С_Т = 0,3; 0,4 С_Т = 0,12;

С_С = 0,5; 0,5 С_С = 0,25;

С_П = 0,5; 0,1 С_П = 0,12;

C_f = 0,42.

Коэффициент риска будет равен: 0,3 + 0,42 - 0,3·0,42 = 0,59, что классифицируется как средняя степень риска. Так как в данном примере в наибольшей степени риск возрастает из-за изменений в программном обеспечении, которые осуществляются производите­лями, то можно сделать вывод о том, что риск можно уменьшить, если каждый производитель будет нести ответственность за работу выпущенных им устройств в течение всего срока эксплуатации АСУ.

Более новые технологии, например, описанные в IEC 61850 и IEEE PI525, классифицируются как имеющие более высокую сте­пень риска, так как их коэффициент риска превышает 0,8. Более того, в план создания АСУ подстанции должны быть внесены тесты, проводимые либо независимой организацией, либо самим предпри­ятием для того, чтобы обеспечить быстрое создание прототипа до введения системы в действие.

Материально-техническая поддержка. АСУ подстанции могут потребоваться текущее обслуживание, ремонт и техническая под­держка. Возможность технической поддержки — это возможность текущего обслуживания и получения необходимых человеческих и материальных ресурсов для поддержания работоспособности систе­мы. Материально-техническая поддержка необходима в течение всего срока службы АСУ подстанции.

Понятно, что выбранная архитектура АСУ подстанции во многом определяет стоимость АСУ, а также возможность экономии средств в течение всего периода эксплуатации системы и в период ее строи­тельства. Четко сформулированное задание и правильно расплани­рованные этапы построения АСУ новой или существующей под­станции могут позволить предприятию сэкономить несколько сот миллионов долларов.

Другим ключевым параметром, используемым для оценки техни­ческого исполнения АСУ подстанции, является готовность — мера того, насколько хорошо выполняется текущее обслуживание систе­мы и как быстро может быть восстановлена ее работоспособность в случае отказов. Понятно, что правильное планирование на стадии проектирования АСУ может существенно снизить потребности в те­кущем обслуживании, повысить готовность и минимизировать либо снизить стоимость материально-технической поддержки.

Ниже приведены 10 элементов материально-технической под­держки:

• планирование текущего обслуживания: проводится для разработ­ки и определения концепции технического обслуживания в течение всего срока службы системы;

• трудовые ресурсы и персонал: определение необходимой числен­ности обслуживающего персонала и требуемого уровня подготовки для работы и технического обслуживания АСУ подстанции в тече­ние всего срока службы;

• поставки: все действия по управлению, процедуры и техноло­гии используются для того, чтобы определить требования к приоб­ретению, созданию каталога, получению, хранению, перевозке, обеспечению и размещению вторичных элементов. Это относится как к первичным, так и к повторным поставкам (закупкам);

• оборудование для технического обслуживания: это все оборудова­ние (мобильное и стационарное), необходимое для работы и техни­ческого обслуживания АСУ подстанции. Оно включает в себя уни­версальные устройства, заземляющее оборудование и оборудование для текущего обслуживания, а также устройства для проведения проверок (включая автоматические). Оно включает в себя и матери­ально-техническое обслуживание самого оборудования для прове­дения проверок и ремонтов;

• технические данные: любая информация вне зависимости от формы или характера (руководства по эксплуатации и чертежи), как техническая, так и научная. Программное обеспечение и связанная с ним документация, а также информация, связанная с контролем за исполнением контракта, не являются техническими данными;

• обучение и поддержка обучения: любые действия, направленные на подготовку персонала к работе и обслуживанию АСУ подстан­ции. Включает в себя как персональное, так и групповое обучение; подготовку к работе с новым оборудованием; первоначальное, фор­мальное обучение, а также обучение на рабочем месте; материаль­но-техническое обслуживание, включая приобретение и установку оборудования, на котором будет производиться обучение;

• поддержка компьютерных ресурсов: оборудование, программное обеспечение, документация и кадры, необходимые для сопровожде­ния внедренных компьютерных систем. Внедренные компьютер­ные системы – это элементы компьютерной обработки, а также за­поминающие устройства, интегрированные в IED;

• оборудование: постоянное либо почти постоянное недвижимое имущество, необходимое для обслуживания АСУ подстанции. Управление оборудованием включает в себя проведение исследова­ний для определения типов оборудования, расположения, необхо­димой территории, требований к окружающей среде и возможности улучшения;

• хранение и транспортировка: все действия, направленные на то, чтобы гарантировать правильное хранение, как краткосрочное, так и долгосрочное, а также транспортировку всех элементов системы с учетом факторов окружающей среды;

• дизайн проекта: взаимосвязь параметров проекта, связанных с материально-техническим обслуживанием. Эти параметры особым образом связаны с задачей готовности АСУ подстанции и стоимо­стью технического обслуживания.

Выводы

1. На основе теоретической модели рассмотрена формальная ме­тодология прогнозирования стоимости обслуживания АСУ под­станции. Она реализуется в виде более практической модели с испо­льзованием конкретных данных из опыта эксплуатации (число отказов), требований (текущее обслуживание, проверки и т.п.) и су­ществующей стратегии (в зависимости от политики экономии, по­литики инвестиций и приобретений, стоимости эксплуатации, предлагаемой технологии и т.п.).

2. Формальная методология прогнозирования стоимости АСУ подстанции требуется для оценки стоимости ее эксплуатации. Предприятия, у которых нет необходимости регулярно использо­вать формальную методологию прогнозирования стоимости, дол­жны иметь дело с аккредитованной консалтинговой фирмой для установки программного обеспечения и процедур, а также обучения персонала.

3. Ключевые моменты формальной методологии стоимости АСУ подстанции должны включать в себя следующее:

• необходимо оценить стоимость эксплуатации АСУ подстанции Для выбора архитектуры и решения других вопросов, возникающих в процессе проектирования АСУ подстанции. Современная техника Для анализа стоимости с помощью персонального компьютера и со­ответствующих алгоритмов позволяет рассчитать как рекуррентные, так и нерекуррентные затраты. Выбранное программное обеспече­ние должно позволять полностью описывать и вводить выражения Для расчета любого типа. Оно должно позволять прогнозировать за­траты с учетом уровня инфляции;

• нерекуррентные затраты должны включать затраты на первона­чальное развитие и стоимость составляющих с учетом того, когда производятся выплаты. Неточность расчета нерекуррентных затрат, появляющаяся из-за экономических факторов технологических из­менений, должна быть включена в стоимостную функцию;

• рекуррентные затраты должны включать в себя затраты на обу­чение, техническую поддержку. Эти затраты резко возрастают в на­чальные периоды строительства или модернизации, но после ввода подстанции в действие эти затраты выходят на относительно посто­янный уровень.