Flexible distributed control and protection system for
industrial objects –Consumers of electric power
Điều khiển phân tán linh hoạt và bảo vệ hệ thống điện công nghiệp –
Hộ tiêu thụ điện năng.
E.N. Alontseva ∗, P.A. Belousov
Obninsk Institute for Nuclear Power Engineering, NRNU MEPhI, 1, Studgorodok, Obninsk, Kaluga Region
249040, Russia
Available online xxx

Abstract
Problems of efficient use of electric power and energy saving remain to be
outstanding in our country. Implementation of smart systems for accounting and control
of energy resources becomes the efficient solution of these problems. The problem of
control and forecasting consumption of energy by the facility to cover internal needs
represents an independent task. In general, systems are suggested which pertain to the
control and accounting of energy resources supplied to the consumer of electric power.
Approach to the development of system on the basis of concept of smart grids using
dedicated complex of technical and software products allowing optimizing electric power
expenditures, re-distributing electric power and promptly adjusting electric power grid
characteristics is addressed in the present paper. Electric power supply control and
monitoring devices receiving and transferring information to the server are installed in the
places of connection of consumers to electric power supply grids. Server collects,
accumulates and stores the information and is equipped with dedicated software allowing
optimizing the load, preventing overloading and development of emergency situations
within the electric power supply system. Such systems are suggested to be implemented
by the facilities of nuclear industry.
Tóm Tắt
Các vấn đề về hiệu quả sử dụng điện năng và tiết kiệm năng lượng vẫn là nổi bật ở
nước ta. Thực hiện hệ thống thông minh cho việc tính toán và kiểm soát các nguồn tài
năng lượng điện trở thành giải pháp hiệu quả của những vấn đề này. Các vấn đề kiểm soát
và dự báo mức tiêu thụ năng lượng bởi các cơ sở đáp ứng nhu cầu nội bộ cho là một

nhiệm vụ độc lập. Nhìn chung, hệ thống được đề nghị đó liên quan đến việc kiểm soát và
tính toán nguồn điện năng cung cấp cho người tiêu thụ điện. Để tiếp cận sự phát triển hệ
thống trên khái niệm cơ sở về mạng lưới thông minh ứng dụng các công nghệ phẩn mền
kỹ thuật cao và chuyên dụng cho phép tối ưu hóa chi phí điện, tái phân phối điện và kịp
thời điều chỉnh các đặc tính lưới điện được đề cập trong bài này. Việc kiểm soát nguồn
điện và các thiết bị giám sát tiếp nhận và chuyển giao thông tin đến máy chủ được cài đặt
ở các vị trí kết nối của người tiêu thụ tới mạng lưới nguồn điện. Máy chủ thu thập, tích
lũy và lưu trữ các thông tin và được trang bị phần mềm chuyên dụng cho phép tối ưu hóa
tải, ngăn ngừa quá tải và sự phát triển của tình huống khẩn cấp trong hệ thống cung cấp
điện. hệ thống như vậy đang đề nghị được thực hiện bởi các cơ sở của ngành công nghiệp
hạt nhân.


Introduction

Giới thiệu:

Current day development of the
national economy neces- sitates the need
to ensure high-quality and reliable energy
supply and energy consumption.
Domestically manufactured and imported
systems using diverse methods of control
of electric power supply quality and
systems for diagnostics of separate
parameters of objects of the energy
system are offered on the market.
Achieving resolution of the problem of
energy saving is further complicated by
pronounced ageing of energy equipment,

high costs of repairs of such equip- ment
and severe conditions existing on the
energy market of the country. According
to the data presented in the
“Energy
strategy of Russia for the period until
2030”[1] , not yet realized managerial
and technological potential of energy
sav- ing reaches up to 40% of the overall
volume of internal energy consumption.
Efficient use of energy resources implies,
first of all, strict control of consumption
using advanced accounting systems. One
of the directions is the reduction of losses
of electric power due to the
implementation of smart accounting
systems providing the possibility of
accounting the quality of electric power
supplied and limiting the load.
As an example let us examine
nuclear power plant (NPP) [2] . One of
the outstanding tasks is to forecast
electric power consumption for coverage
of internal needs of the NPP for the given
period of time.

Ngày nay sự phát triển của nền kinh
tế quốc gia đòi hỏi sự cần thiết để đảm
bảo chất lượng cao và đáng tin cậy của
điện năng cung cấp và tiêu thụ. Hệ thống

sản xuất và truyền tải trong nước sử dụng
nhiều phương pháp của kiểm soát chất
lượng nguồn điện và hệ thống chẩn đoán
các thông số riêng biệt của các đối tượng
trong hệ thống năng lượng được cung
cấp trên thị trường. việc giải quyết được
vấn đề tiết kiệm năng lượng thì phức tạp
hơn bởi lão hóa rõ rệt của thiết bị năng
lượng, chi phí sữa chữa cao và điều kiện
khắc nghiệt tồn tại trên thị trường năng
lượng của đất nước. Theo số liệu được
trình bày trong "chiến lược năng lượng
của Nga cho giai đoạn đến năm 2030"
[1], chưa nhận ra tiềm năng quản lý và
công nghệ của tiết kiệm năng lượng đạt
đến 40% khối lượng tổng tiêu thụ năng
lượng nội bộ. Sử dụng hiệu quả nguồn
năng lượng bao gồm, trước hết, kiểm
soát nghiêm ngặt của tiêu dùng sử dụng
hệ thống tính toán tiên tiến. Một trong
những định hướng là giảm tổn thất điện
năng do việc thực hiện hệ thống thanh
toán thông minh cung cấp các khả năng
của tính toán chất lượng điện năng cung
cấp và hạn chế tải trọng.
Như một ví dụ để chúng tôi kiểm
tra nhà máy điện hạt nhân (NPP) [2]. Một
trong những nhiệm vụ xuất sắc là để dự
báo mức tiêu thụ năng lượng điện cho
việc đáp ứng nhu cầu nội bộ của NPP

cho thời gian nhất định.


Consumption of electric power to cover
auxiliary needs is explained by the large
number of consumers of electric power
ensuring functioning of NPP equipment
and administrative buildings. NPP
procures electric power to cover internal
consumption from the united electric
power supply system based on the
forecasted energy consumption. Whether
the NPP will consume the whole preordered electric-power or will exceed (or
will fall short of) the allocated limits
depends on the accuracy of the forecast.
In case of inaccurate forecasting and
deviation from the allocated limits of
electric power supply the NPP will be
forced to pay a penalty.

At present no mathematical models
have yet been devel-oped allowing
evaluating with high enough precision
Tiêu thụ năng lượng điện đáp ứng nhu
cầu phụ trợ được giải thích bởi một số
lượng lớn người tiêu dùng điện năng đảm
bảo hoạt động của thiết bị máy điện hạt
nhân và các tòa nhà hành chính. NPP thu
mua điện để trang trải tiêu dùng nội bộ từ
hệ thống cung cấp điện thống nhất dựa

trên mức tiêu thụ năng lượng được dự
báo. Cho dù các NPP sẽ tiêu thụ toàn bộ
điện định trước hoặc sẽ vượt quá giới hạn
định mức phụ thuộc vào độ chính xác
của dự báo. Trong trường hợp dự báo
không chính xác và độ lệch từ các giới
hạn phân bổ các nguồn cung cấp điện
máy điện hạt nhân sẽ bị buộc phải trả tiền
phạt.


Hiện nay không có mô hình toán
học vẫn chưa được soạn thảo những cho
phép đánh giá với độ chính xác cao
the need in electric power to cover
internal consumption for the fore-casted
period of time. Enhancement of accuracy
of forecasting is achievable due to the
accumulation of detailed informa- tion
about each of the consumers of electric
power (piece of equipment, workshop
and/or subdivision) and generation of
database of the consumers. Such systems
are built on the ba- sis of the concept of
the so-called smart grids. The smart grid
technology represents the system
optimizing energy expendi- tures and
allowing re-distributing electric power
and promptly changing characteristics of
the electrical grid. At the level of

technological process bundling of
electrical grids, consumers and producers
of electricity within the united automated
sys- tem takes place using dedicated
complex of technical means.
Role and place of the proposed system
General layout of systems for
distribution, accounting and control of
electric power is provided in Fig. 1.
Electric power distribution systems
covering the whole chain from
production (generation) of electric power
to the final consumer at the level of
facility (company) occupy the upper
level. The task for this level is to supply
high-quality electric power to the facility
without disruptions in the supplies, to
reduce the probability of theft of electric
power. Rates of electric power
consumption are developed for the
facility at this level. Au- tomated systems

for control and accounting of electric
power resources (electric power)
referring to the distribution of elec- tric
power within the facility are attributed to
đủ nhu cầu trong điện để trang trải tiêu
dùng nội bộ trong giai đoạn dự báo thời
gian. Tăng độ chính xác dự báo có thể
đạt được do sự tích lũy các thông tin chi

tiết về mỗi người tiêu dùng năng lượng
điện ( thiết bị, nhà xưởng và / hoặc phân
khu) và cơ sở dữ liệu chung của người
tiêu dùng. Hệ thống như vậy được xây
dựng trên cơ sở các khái niệm gọi là
mạng lưới thông minh. Các công nghệ
lưới điện thông minh đại diện cho hệ
thống tối ưu hóa chi phí điện và cho phép
phân phối lại điện và kịp thời thay đổi
đặc tính của lưới điện. Ở cấp độ quy trình
công nghệ gói lưới điện, người tiêu dùng
và nhà sản xuất điện trong các hệ thống
tự động thống nhất sử dụng các phương
tiện chuyên dụng kỹ thuật cao.

Vai trò và vị trí của hệ thống
Sự bố trí chung của hệ thống phân
phối, tính toán và kiểm soát năng lượng
điện được cung cấp trong hình. 1. Hệ
thống phân phối điện bao gồm toàn bộ
chuỗi từ sản xuất (điện) tới khách hàng
tiêu thụ cuối cùng ở cấp cơ sở (công ty)
giữ mức cao hơn. Nhiệm vụ cho cấp độ
này là để cung cấp điện chất lượng cao
cho cơ sở mà không có sự gián đoạn
trong nguồn cung cấp, để giảm khả năng
xảy ra trộm cắp điện. Mức tiêu thụ điện
năng được phát triển cho các cơ sở ở cấp
độ này. Hệ thống tự động để kiểm soát
và thanh toan của các nguồn năng lượng

(điện) đề cập đến sự phân phối điện trong


cơ sở được quy về cấp độ thứ hai. Nhiệm
vụ cho cấp độ này là tự động thu thập dữ
liệu cho thanh toán thương mại điện năng
the second level. The task for this level is
to automatically collect the data for
commercial accounting of electric power
at the level of con- sumer (facility) using
installed accounting devices.
The proposed system refers to the
third level. The task for the third level is
to perform complex assessment of functioning of electric power supply grids at
the level of electric power consumer
allowing ensuring safe maintenance of
ca- ble power lines, electrical equipment,
generating recommen- dations pertaining
to the optimization of connection of load,
storage and analysis of the data on the
consumed electric power for each
element of the grids.
Architecture and arrangement of the
system
Small
innovation
enterprise
affiliated to the Obninsk In- stitute for
Nuclear Power Engineering of the
NRNU MEPhI pursues the developmqnt

of flexible distributed system for control
and protection of final users of electric

power at the industrial objects. General
layout of the system is provided in Fig. 2.
ở cấp độ của người tiêu dùng (cơ sở) sử
dụng các phần mền kế toán.

Hệ thống đề xuất đề cập đến cấp độ
thứ ba. Các nhiệm vụ cho cấp độ thứ ba
là để thực hiện đánh giá phức tạp của các
hoạt động của lưới điện cung cấp điện ở
cấp độ của tiêu thụ điện cho phép đảm
bảo duy trì an toàn của đường dây cáp
điện, thiết bị điện, tạo ra khuyến nghị
liên quan đến việc tối ưu hóa kết nối của
tải, lưu trữ và phân tích các dữ liệu trên
điện tiêu thụ cho mỗi phần tử của lưới.

Cấu trúc và bố trí hệ thống
Doanh nghiệp nhỏ trực thuộc
Obninsk In- stitute for Nuclear Power
Engineering of the NRNU MEPhI theo
đuổi sự phát triển của hệ thống phân phối
linh hoạt để kiểm soát và bảo vệ những
người sử dụng điện mức sau cùng tại các
công trình công nghiệp. Sơ đồ bố trí
chung của hệ thống được cung cấp trong
hình 2.



Electrical power supply control
devices are preliminarily installed at the
point of connection of consumers to the
elec- tric power supply system [3] . In
order to connect the device a package of
data containing parameters for setting up
the device is transmitted using powerline
communications net- work (PLC),
commands are issued to switch electrical
power supply on (off), to measure
electrical voltage, current and wattage.
The package of data on the status of the
device and values of controlled
parameters is transmitted at preset time
intervals over the local network. The
device is capable to switch of electric
power supply in automatic mode in case
of development of emergency situations,
overloading and fail- ures of the electric
power supply grids. The device controlling electric power supply to the
consumers of electric power is capable to
implement the functions of protection of
con- sumer’s (consumers’) devices and
the electric power supply grids and to
transmit the data containing values of
controlled parameters [4] .
In case of impossibility to use PLCnetwork local commu- nication network
between other devices can be realized
using radio transmission channel (e.g.

433 or 868 MHz) or other data
communication
technologies
(for
instance, Ethernet net- work, wireless
Wi-Fi, Zigbee network).

Thiết bị kiểm soát nguồn cung cấp
năng lượng điện được cài đặt sơ bộ tại
các điểm kết nối của người tiêu dùng với
hệ thống cung cấp điện [3]. Để kết nối
các thiết bị một gói dữ liệu chứa các
thông số cho việc cài đặt các thiết bị
được truyền sử dụng mạng lưới thông tin
liên lạc đường dây (PLC), lệnh này được
ban hành để đóng ngắt nguồn điện ON
(OFF), đo điện áp, đo dòng điện và công
suất. Các gói dữ liệu về tình trạng của
thiết bị và giá trị của các thông số điều
khiển được truyền ở khoảng thời gian
định trước qua mạng nội bộ. Thiết bị này
có khả năng đóng ngắt nguồn điện năng
ở chế độ tự động trong trường hợp có
tình huống khẩn cấp phát sinh, quá tải và
hư hỏng mạng lưới điện. Thiết bị kiểm
soát nguồn điện cấp cho người tiêu thụ
điện có khả năng để thực hiện các chức
năng bảo vệ thiết bị nơi tiêu thụ điện,
mạng lưới nguồn điện và truyền tải dữ
liệu có chứa các giá trị của các thông số

điều khiển [4].

Trong trường hợp dùng mạng thông
tin cục bô PLC giữa các thiết bị thì có thể
được thực hiện bằng cách sử dụng những
kênh truyền dẫn vô tuyến (e.g. 433 or
868 MHz) hoặc các công nghệ truyền dữ
liệu khác (ví dụ, mạng Ethernet, không
dây WiFi, Zigbee mạng).


If signal converter module is added
to the device retrans- mission unit is thus
obtained allowing configuring the channel (for instance, Ethernet network,
wireless Wi-Fi, Zigbee network) for data
communication from all devices to the
ex- ternal data storage server where
collection, processing and storage of all
data are performed and scenarios for
control of devices (equipment) are
generated. External server imple- ments
collection, accumulation and storage of
information and is equipped with
dedicated software [5] for accounting the
quantity of consumed electric power in
time, quality of sup- plied electric power,
control of switching electrical power supply control devices on and off. This
information is used for analysis and
identification of dependences, plotting
graphs, charts, diagrams and tables. For

example, it is possible to store and plot
the profile (several profiles) of energy
con- sumption for each device
controlling electric power supply.
Additional information about the
consumer is stored by the external server
including database of devices, diagram of
the electric power supply grid (drawing
of the electric power sup- ply grid and its
characteristics), rights of the consumers
to access the information, as well as
auxiliary data required for calculations.

Nếu mô-đun chuyển đổi tín hiệu
được lắp vào các thiết bị phát lại chuẩn
thì cho phép cấu hình của kênh (ví dụ,
mạng Ethernet, không dây WiFi, mạng
Zigbee) cho truyền thông dữ liệu từ tất cả
các thiết bị đến máy chủ lưu trữ dữ liệu
bên ngoài là nơi thu gom, xử lý và lưu
trữ tất cả dữ liệu được thực hiện và cách
thức để kiểm soát các thiết bị (thiết bị)
được tạo ra. Máy chủ bên ngoài thực hiện
thu thập, tích lũy và lưu trữ thông tin và
được trang bị phần mềm chuyên dụng [5]
để hạch toán số lượng điện năng tiêu thụ
trong thời gian, chất lượng điện năng
cung cấp, kiểm soát các thiết bị điều
khiển đóng ngắn nguồn điện cung cấp “
ON or OFF”. Thông tin này được sử

dụng để phân tích và xác định sự phụ
thuộc, vẽ biểu đồ, biểu đồ, sơ đồ và bảng
biểu. Ví dụ, nó có thể lưu trữ và biểu đồ
đặc tính (several profiles) của điện năng
tiêu thụ cho mỗi thiết bị điều khiển
nguồn điện cung cấp. Hơn nữa, thông tin
về người tiêu thụ điện được lưu trữ bởi
máy chủ bên ngoài bao gồm cơ sở dữ
liệu của các thiết bị, sơ đồ của lưới điện
cung cấp điện (bản vẽ của lưới điện cung
cấp điện năng và đặc tính của nó), quyền
lợi của người tiêu dùng để truy cập thông
tin, cũng như dữ liệu phụ trợ cần thiết
cho tính toán.


By entering the identifier and the
password using Ethernet network or
Internet operator obtains access to the
analysis of information communicated to
the data repository of the server, to online monitoring of electric power
consumption, account- ing of electric
power consumption by separate electric
power supply control devices, and,
consequently, by equipment or device
connected to the electric power supply
grids, and to control of quality of
supplied electric power. Operator also
can optimize the load, conduct remote
control of switching on (off) of electric

power supply devices, diagnose failures,
take and implement decisions on the
setting time intervals for operation of
equipment, set limitations on the
consumed elec- tric power. The system
allows implementing on-line control of
electric
power
consumption
and
forecasting the volumes of required
needs in electric power for the preset
time period take and implement decisions
on the setting time intervals for operation
of equipment, set limitations on the
consumed elec- tric power. The system
allows implementing on-line control of
electric
power
consumption
and
forecasting the volumes of required
needs in electric power for the preset
time period.

Conclusion

Việc sử dụng mạng Ethernet hoặc
Internet nhân viên nhập tên và mật khẩu
thì có được quyền truy cập vào các thông

tin được phân tích để liên lạc đến kho lưu
trữ dữ liệu của máy chủ, để giám sát trực
tuyến của điện năng tiêu thụ, tính toán
điện năng tiêu thụ bằng các thiết bị kiểm
soát nguồn cung cấp điện riêng biệt và
bằng các thiết bị kết nối với mạng lưới
nguồn cung cấp điện và để kiểm soát
chất lượng điện năng cung cấp. Người
điều hành cũng có thể tối ưu hóa việc tải,
thực hiện điều khiển từ xa các thiết bị
ON( OFF) của cung cấp điện, phán đoán
phát hiện hư hỏng,thực hiện và thi hành
các quyết định về các khoảng thời gian
thiết lập cho vận hành của thiết bị, thiết
lập định mức điện năng tiêu thụ. Hệ
thống cho phép thực hiện điều khiển trực
tuyến của điện năng tiêu thụ và dự báo
mức nhu cầu điện cần thiết trong khoảng
thời gian định trước và thi hành các
quyết định về cài đặt khoảng thời gian
cho thiết bị vận hành, đặt mức cao nhất
điện năng tiêu thụ. Hệ thống cho phép
thực hiện điều khiển trực tuyến của điện
năng tiêu thụ và dự báo mức nhu cầu
điện năng cần thiết điện trong khoảng
thời gian định sẵn.


Reduction of losses of electric power due
to the imple- mentation of smart

accounting systems with possibility of
ac- counting quality of supplied electric
power and limitation of load constitutes
an important task, including, in
particular, facilities belonging to nuclear
industry. The proposed system refers to
technical means for control and
accounting of parameters of electric
power supply grids, in particular,
consumption of electric power with
possibility of control of connection of
devices. The system possesses scalability
(due to the use of standard electric power
supply
devices)
and
flexibility
(combination of different data communication technologies) properties. The
system is intended for analysis of electric
power consumption, planning and optimization
of
load,
practical
implementation
of
solutions
for
presetting time intervals for operation of
equipment
and

for
preventing
unauthorized use of electric power.

Kết luận
Giảm tổn thất điện năng do việc thực
hiện hệ thống tính toán thông minh với
khả năng tính toán chất lượng điện năng
cung cấp và hạn chế tải trọng tạo thành
một nhiệm vụ quan trọng, bao gồm cả,
đặc biệt là các cơ sở thuộc ngành công
nghiệp hạt nhân. Hệ thống được đề xuất
đề cập đến phương tiện kỹ thuật để kiểm
soát và tính toán các thông số của mạng
lưới cung cấp điện, đặc biệt mức tiêu thụ
điện năng với khả năng kiểm soát của các
thiết bị kết nối. hệ thống sở hữu khả năng
mở rộng (do việc sử dụng các thiết bị
chuẩn cho nguồn cung cấp điện) và linh
hoạt (sự kết hợp của công nghệ truyền dữ
liệu khác nhau) tài sản. Hệ thống này
nhằm để phân tích mức tiêu thụ điện
năng, kế hoạch và tối ưu hóa tải, thực
hiện thực tế của các giải pháp để cài đặt
trước khoảng thời gian cho thiết bị vận
hành và để ngăn ngừa sử dụng trái phép
điện.


References

[1] Directive of the Government, Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2030
goda. Rasporyazhenie Pravitelstva RF ot 13.11.2009 №1715-p [Energy strategy of
Russia for the period until 2030. Direc- tive of the Government of the RF No. 1715-r
dated 13.11.2009], 2009 (in Russian).
[2] S.S. Ledin , Autom. Ind. (Electron. J.) 4 (2012) 23–26 (in Russian) .
[3] Churkin E.G., Sidorov E.B., Belousov P.A., Alontseva E.N., Ustroystvo upravleniya
elekropitaniem potrebiteley elektricheskoy energii [Power control device for
electricity consumers]. Patent of the RF No. 148507, 2014 (in Russian).
[4] Churkin E.G., Sidorov E.B., Belousov P.A., Mozhaev E.A., Alontseva E.N. Smart
energy. Base Soft. Certificate of computer program of the RF No. 14852014616602,
2014 (in Russian).
[5] Churkin E.G., Sidorov E.B., Belousov P.A., Fomin A.I., Alontseva E.N. Smart
energy. Control Soft. Certificate of computer program of the RF No. 2014660141,
2014 (in Russian).