В статье рассматривается процесс сознания интегрированных систем поддержки принятия решений по проведению наладочных и перспективных мероприятий в теплоснабжающих энергосистемах мегаполисов. Выявлены требования, предъявляемые к системе, для решения задач управления технологическими и организационно-экономическими процессами энергосистем.
Ключевые слова: система теплоснабжения; информатизация; автоматизация; управление; система поддержки принятия решений; архитектура; функциональность; анализирующая методология.
В инфраструктуре городов и промышленных центров Казахстана и стран СНГ системы централизованного теплоснабжении уже давно обрели статус больших систем жизнеобеспечения, актуальность совершенствования которых в направлении повышения качества и энергосбережения является одной из первостепенных задач. Эксплуатация и развитие таких сложных по структуре, воздействию внешних факторов, распределенных в пространстве систем невозможно без информатизации и автоматизации решения задач управления её технологическими и организационно-экономическими процессами.
Основополагающими работами, оказавшими влияние на развитие этого научно-технического направления, являются исследования и разработки Н. И. Карасева, Н. М. Зингера, А. П. Меренкова, В. Я. Хасилева, Г. В. Монахова, С. А. Чистовича и многих других.
Обсуждение. Анализ технологических процессов системы централизованного теплоснабжения, как объекта информатизации, показывает, что она представляет собой сложную динамическую систему, состоящую из конечного множества технологических подсистем, которые реализуют ее технологическую, энергетическую и жизнеобеспечивающую функции:
- Основными подсистемами технологической структуры системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) являются источники тепловой энергии, магистральные и распределительные сети теплопроводов, сетевые технологические установками для перемещения и распределения теплоты, такие как подкачивающие, понижающие и смесительные насосные станции, контрольно-распределительные тепловые пункты, групповые, центральные и индивидуальные тепловые пункты для присоединения потребителей тепла и, наконец, потребителями тепла в виде теплопотребляющих технологических установок промышленных предприятий, систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения.
- Системы централизованного теплоснабжения характеризуется как множественностью, так и конструктивным разнообразием составных технологических элементов, сложностью топологической структуры и пространственной распределенностью на большой территории с разнообразным микроклиматом в отдельных зонах.
- Технологические процессы подготовки, транспорта и передачи тепла в технологических элементах реализуются за счет организованных гидродинамических и тепловых процессов, характер протекания которых зависит как от геометрических размеров, форм, состояния поверхностей взаимодействия, гидравлических трактов теплоносителей, так и от интенсивности подводимых потоков энергии к соответствующим технологическим элементам.
- Режим функционирования тепловых сетей определяется не только топологической сложностью, пространственной распределенностью, огромной геометрической емкостью гидравлических трактов и тепловой емкостью теплоносителя и ограждающих конструкций, но и тем, что он характеризуется двумя различными по своей физической сущности параметрами: динамические характеристики по трактам передачи давления (изменение расхода) и температуры резко отличаются друг от друга.
- Основные возмущающие воздействия имеют вероятностный характер, формируются метеорологической обстановкой во внешней среде и приводят к необходимости целенаправленного изменения интенсивности технологических процессов СЦТ в суточном, недельном, месячном и сезонном диапазонах.
- СЦТ испытывают внешние функциональные воздействия от технологически взаимосвязанных систем энергетической инфраструктуры города: системы водоснабжения, топливоснабжения, электроснабжения.
- Технологические процессы СЦТ испытывают весьма существенные воздействия от человека, которые по своему содержанию могут носить как характер управляющего воздействия (диспетчеры разных уровней управления), так и возмущающего воздействия иногда с аварийным исходом (несанкционированное вмешательство потребителей тепла).
Анализ информационных технологий по проведению наладочных и перспективных мероприятий в ТСМ (CityCom, ZuluThermo) показал, что они создаются в виде полноценных ГИС, требующих значительных людских и временных затрат для создания поддерживающих их баз данных. Используемые системы не обеспечивают интеграцию с базой архивированных сигналов измерений в реальном времени физических величин объектов в контрольных точках ТСМ, сравнительный анализ которых с модельными значениями, позволяет осуществить контролинг состояния системы [1].
К настоящему времени на экономическом пространстве СНГ сложились два основных направления по созданию информационных технологий в теплоснабжающих системах мегаполисов:
- информационно-графические системы (ИГС);
- геоинформационные системы (ГИС).
Информационно-графическая система обеспечивает организацию и составление централизованных электронных схем инженерных коммуникаций населенных пунктов и территорий, хранение графической и семантической информации, и позволяет решать все актуальные задачи планирования.
ИГС позволяет ввести в компьютер (создать базу данных) схемы сетей, план города и всю связанную с сетью справочную информацию, и на основе созданной базы данных решать множество информационных и эксплуатационных задач общего и прикладного характера.
Ядром ИГС является база данных паспортизации инженерных сетей, содержащая десятки реляционных таблиц, свыше тысячи связанных полей. В числе прочих, в базе данных хранятся графические и атрибутивные характеристики отображаемых объектов, на основе которых и осуществляется их графическое представление.
ГИС объединяет традиционные операции при работе с базами данных — запрос и статистический анализ — с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эта особенность дает уникальные возможности для применения ГИС в решении широкого спектра задач, связанных с анализом явлений и событий, прогнозированием их вероятных последствий, планированием стратегических решений.
Другой особенностью ГИС является то, что как информационные системы они являются результатом эволюции этих систем и поэтому включают в себя основы построения и функционирования автоматизированных информационных систем.
Но нет необходимости разделять информационно-графические и геоинформационные системы, потому что по сути, геоинформационных системы представляют собой те же графические системы, но в топографическом масштабе. Преимущество ИГС перед ГИС заключается в том, что в ИГС можно использовать готовые электронные карты местности, создавать диспетчерские расчетные схемы без привязки к географическим координатам, что значительно снижает как стоимостные, так и временные показатели создания расчетных схем систем теплоснабжения.
Информатизация организационно-экономического и технологического уровней энергетических компаний развивается сравнительно успешно на базе информационных технологий, созданных в основном на аппаратно-программной платформе офисного исполнения и разработанного специализированными фирмами или собственными силами компаний.
Опыт разработки и эксплуатации, узкоспециализированных информационных систем и технологий в теплоэнергетике выявил ряд качественных недостатков таких систем в связи с расширяющимися потребностями обработки данных с учетом их изменений во времени и локализацией в окружающем пространстве. Именно это обстоятельство мотивируют интенсивное развитие интегрированных информационных систем и технологий, включающих подсистемы сбора, хранения (база данных и (или) База знаний), обработки данных, представления информации, телекоммуникационную подсистему.
В свете вышесказанного приобретает особую актуальность задача разработки систем поддержки принятия решений (СППР) по проведению наладочных и перспективных мероприятий в ТСМ, представляющих собой системный интегратор, связывающий ряд законченных функционально-ориентированных систем обработки данных, таких как ГИС для использования в качестве топоосновы готовых электронных карт и SCADA-системы для использования архивированных измеренных технологических данных.
Разработка программы и схемы реализации проблем эксплуатации, наладки и комплексного развития системы теплоснабжения мегаполиса является наукоемким процессом, эффективность реализации которых зависит от следующих факторов:
- полноты, достоверности и доступности исходной информации о технических, экологических, экономических характеристиках объектов инженерной инфраструктуры мегаполиса;
- нормативной полноты и исполнения постоянно совершенствуемых законов, регулирующих основные правовые, экономические, организационные, социальные, технические и технологические отношения, возникающие в процессе производства, передачи и использования электрической и тепловой энергии в мегаполисе;
- доступности результатов научных исследований по проблемам действующих и проектируемых энергоэффективных технологий, выполняемых в академических центрах стран, использующих технологии совместной выработки тепловой и электрической энергии.
- доступности современного технологического оборудования на мировом рынке энергомашиностроения для комплектации проектов энергосбережения, модернизации и перспективного развития теплоснабжающих систем мегаполисов.
Выводы: СППР по проведению наладочных и перспективных мероприятий в теплоснабжающих системах мегаполисов должна отвечать следующим требованиям:
1) Архитектура СППР должна быть в классе интегрированных распределенных автоматизированных информационных систем, объединяющих средства телекоммуникации и вычислительной техники в единую систему обмена, хранения, обработки и управления.
2) Функциональность СППР должна состоять из следующих классов расчетно-аналитических и информационных задач поддержки принятия решений:
- количественный анализ надежности действующей системы теплоснабжения мегаполиса по нормативным параметрам: безотказность, готовность, живучесть;
- оценка тепловых нагрузок в реальном масштабе времени;
- разработка вариантов реконструкции и модернизации действующих и сохраняемых на перспективу объектов системы теплоснабжения, включая источники энергии, магистральные тепловые сети, центральные тепловые пункты, индивидуальные тепловые пункты потребителей тепла;
- расчеты и моделирование теплогидравлических режимов теплоснабжающей системы мегаполиса в расчетных, зимних, переходных, летних, статических и аварийных условиях функционирования;
- расчет радиуса энергоэффективного теплоснабжения потребителей для всех источников тепловой энергии мегаполиса;
- выбор оптимальной архитектуры системы управления режимом для вариантов развития теплоснабжающей системы мегаполиса.
3) Информационный ресурс должен быть представлен классом интегрированных распределенных баз данных (БД). Интеграционный интерфейс распределенной базы данных должен базироваться на таких интеграционных технологиях, как ADO, ADO.NET, DAO. Упомянутые интеграционные технологии баз данных основаны на использовании реляционной модели данных, что обеспечивает схемную однородность интегрированной распределенной БД.
4) Программно-аппаратная платформа СППР должна соответствовать сложившимся типовым решениям для интегрированных распределенных информационных систем.
5) В качестве методов принятия решений должна использоваться широко и постоянно применяемая в реальных тепловых сетях — анализирующая методология. Принятие решений на основе анализирующей методологии установившегося режима теплоснабжающей системе должна происходить согласно схеме, представленной на рисунке 1.
Рис. 1. Схема принятия решения на основе анализирующей методологии установившегося режима ТСМ
6) СППР должна представлять собой интегратор методов и моделей, обеспечивающих расчет установившего теплогидравлического режима ТСМ и средств автоматизированного анализа моделируемого установившегося гидравлического режима ТСМ, контролинга текущего состояния системы и продукционных моделей по стабилизации гидравлического режима распределительных фрагментов ТСМ (рисунок 1.4).
7) База данных СППР должна обеспечивать информационные потребности неоперативного административного, оперативного диспетчерского и технологического персонала при решении всех задач, предусмотренных служебным регламентом для субъектов деятельности, и представлена следующими компонентами:
- базой условно постоянных данных, представляющих характеристики всех географически распределенных объектов технологической схемы;
- базой результата расчета моделируемого установившегося теплогидравлического режима ТСМ;
- базой архивированных сигналов, представляющих результаты измерений в реальном времени всех физических величин на объектах системы, определяющих текущий теплогидравлический режим ТСМ.
Входные данные системы определяют техническое состояние ТСМ, её топологию, параметры окружающей среды и температуру теплоносителя в подающем трубопроводе; выходные — параметры установившегося теплогидравлического режима тепловой сети СЦТ.
Литература:
1. Карасев Н. И. Концепции комплексного развития систем теплоснабжения в мегаполисах Республики Казахстан. // Вестник Алматинского института энергетики и связи. — 2008. — № 3. — С. 11–16.
2. Меренков А. П. Хасилев В. Я. Теория гидравлических цепей. — М.: Наука, 1985. –277 с.
3. Сериков Э. А. Актуальные проблемы обеспечения энергетической безопасности Казахстана. // Вестник Алматинского института энергетики и связи. — 2008. — № 1. — С. 14–20.
4. Инютина Л., Буксукбаев Е., Койшыбаев Т., Белый А. Основные характеристики систем теплоснабжения гг. Астана и Алматы и их проблемы. // Экология и Общество: спец. выпуск.. — 2008. — С. 9–11.
5. Жумабаев А., Карасев Н. Энергосбережение в теплоснабжающих системах мегаполисов Казахстана. // Энергетика: Вестник союза — энергетиков. — 2007. –№ 1(20). — С. 9–13.
6. Томилова Н. И. Математические модели стационарных гидравлических режимов систем централизованного теплоснабжения. // Материалы 6-ой международной научно-техническая конференция «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» // Вестник Алматинского института энергетики и связи. — 2008, — С.19–24.
7. Карасев Н. И., Томилова Н. И. Классы математических моделей стационарных гидравлических режимов систем централизованного теплоснабжения. // Труды университета. — Караганда, 2007. — Вып. 4. — С.73–77.
8. Карасев Н. И., Крицкий А. Б., Томилова Н. И., Цок Г. Н. Тенденции информатизации систем централизованного теплоснабжения мегаполисов // Труды международной научной конференции «Наука и образование — ведущий фактор стратегии «Казахстан -2030». — Караганда. — 2005. — Вып. 2. — С.121–123.
9. Брейдо И. В., Томилова Н. И. Алгоритм режимного анализа систем теплоснабжения мегаполиса методом узловых потенциалов. // Труды международной научной конференции «Наука и образование — ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030». — Караганда, 2010. — Секция III. — С.340–341.
10. Нургужин М. Р., Яворский В. В. Компьютерное моделирование систем. — Караганда: КарГТУ, 2006. — 200 с.
