FORMALIZATION OF THE PROBLEM OF OPTIMIZATION OF POWER LOSSES ON THE BASIS OF HEURISTIC ANALYSIS
Journal: VESTNIK OF ASTRAKHAN STATE TECHNICAL UNIVERSITY. SERIES: MANAGEMENT, COMPUTER SCIENCE AND INFORMATICS
Volume 2015 № 1
, 2015
Rubrics: MANAGEMENT, MODELING, AUTOMATION
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan State Technical University
3.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 15
to 21
Status:
Published
Received:
05.01.2015
Accepted:
25.01.2015
Published:
25.01.2015
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 621.311.001.57
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 621.311.001.57
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
Language:
Russian
Keywords:
energy saving, expert systems, system of support of decision-making, energy efficiency
Abstract (English):
The generalized function chart of the system of support of decision-making based on the module of the heuristic analysis is offered. Now there is a number of highly specialized information systems, however there is no possibility of the simultaneous solution of tasks of the direction "Energy efficiency", and also carrying out the full multiple-factor analysis of information necessary for decision-making about implementation of the program of decrease in losses and the analysis of the power profile of the enterprise. The power network of the enterprise as an object of management is described. The task of minimization of losses of energy resources in the technical network of the consumer at invariable performance level is generally and specifically set. The block diagram of management of the power network of the enterprise and also a function chart of the automated system of monitoring of energy consumption of the enterprise is created. The problems of formation of the operating influence are defined. The results of the analysis allow generally and specifically to pass from formalization of the problem of decrease in losses of the electric power to creation of the information system of the accounting of power losses of the enterprise.
The generalized function chart of the system of support of decision-making based on the module of the heuristic analysis is offered. Now there is a number of highly specialized information systems, however there is no possibility of the simultaneous solution of tasks of the direction "Energy efficiency", and also carrying out the full multiple-factor analysis of information necessary for decision-making about implementation of the program of decrease in losses and the analysis of the power profile of the enterprise. The power network of the enterprise as an object of management is described. The task of minimization of losses of energy resources in the technical network of the consumer at invariable performance level is generally and specifically set. The block diagram of management of the power network of the enterprise and also a function chart of the automated system of monitoring of energy consumption of the enterprise is created. The problems of formation of the operating influence are defined. The results of the analysis allow generally and specifically to pass from formalization of the problem of decrease in losses of the electric power to creation of the information system of the accounting of power losses of the enterprise.
Keywords:
energy saving, expert systems, system of support of decision-making, energy efficiency
energy saving, expert systems, system of support of decision-making, energy efficiency
Введение В настоящее время основное направление развития энергетического комплекса характеризуется снижением издержек на производство, транспортировку и потребление электрической энергии. Данная тенденция обусловливается повышением стоимости энергоресурсов, низкой производительностью генерирующих предприятий и постепенным «старением» оборудования. Одним из решений задачи снижения издержек является внедрение энергосберегающих технологий в структуре потребителей электроэнергии. Для стандартизации работ по данному направлению был разработан и принят стандарт энергетического менеджмента ISO 50001:2011, а в 2013 г. было подписано распоряжение правительства РФ № 512 «Об утверждении программы «Энергоэффективность и развитие энергетики», которая определила основные цели и направления реализации процесса снижения потерь. В соответствии с данными документами предприятиям энергетической и производственной сферы предписано формировать программы повышения энергосбережения. Снижение издержек на промышленных предприятиях производится за счет адекватного мониторинга энергозатрат как потребителя в целом, так и установленного оборудования в отдельности. Результат мониторинг - список рекомендованных мероприятий по снижению энергетических потерь. Однако мониторинга носит разовый характер и производится раз в три - пять лет, что не позволяет оперативно реагировать на возможные изменения структуры энергопотребления предприятия и на динамическое изменение характеристик установленного оборудования. Решением данной проблемы может стать внедрение управляющего контура, позволяющего проводить непрерывный контроль параметров оборудования и осуществлять мониторинг эффективности управляющих воздействий. Для реализации данного решения потребуется создание информационной системы, позволяющей автоматизировать мониторинг технологических параметров потребления электроэнергии, анализ и выработку управляющего воздействия для их минимизации, основанного как на индикаторных функциях, так и на экспертных данных в рамках системы поддержки принятия решений (СППР) диспетчера [1]. В настоящее время существует целый ряд узкоспециализированных информационных систем, каждая из которых позволяет выполнять одну из перечисленных задач по направлению «Энергоэффективность»: мониторинг показателей приборов учета предприятий; анализ энергетических потерь в разрезе оборудования предприятия; формирование энергетического профиля предприятия с постановкой целей модернизации энергетической системы; планирование мероприятий по снижению потерь и расчет энергетического и экономического эффекта от их проведения; формирование энергетической программы и инвестиционных показателей. Однако ни одна из существующих систем не решает все задачи по направлению «Энергоэффективность» одновременно, что, в свою очередь, не позволяет провести полный многофакторный анализ всей информации, необходимой для принятия решения о реализации программы по снижению потерь и анализу энергопрофиля предприятия [1-3]. Цели наших исследований: описание энергетической сети предприятия как объекта управления; постановка задачи минимизации потерь энергетических ресурсов в технической сети потребителя при неизменном уровне производительности; разработка обобщенной функциональной схемы СППР, выработки управляющего воздействия, минимизации энергетических ресурсов. Достижение данных целей позволит приблизиться к формированию программы технических и технологических мероприятий, ориентированных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении уровня производительности предприятия, а также рассчитать энергетический и экономический эффект. Формирование структурной схемы управления энергосети предприятия Представим потребителя электроэнергии как объект управления, входом которого является вектор состояний уровня электроэнергии от питающей подстанции E, выход - вектор параметров потребления электроэнергии предприятием, описываемый функцией , и дополнительный параметр, характеризующий производительность предприятия Y, по которому производится регулирование: Таким образом, для потребителя N необходимо выработать управляющее воздействие для минимизации потребляемой энергии E при неизменности параметров производительности предприятия Y. Для решения данной задачи необходимо сформировать представление о структуре сети оборудования предприятия. Представим потребителя электроэнергии как сетевую структуру, состоящую из конечного числа взаимосвязанных элементов с потреблением электроэнергии i-го элемента - и вектором параметров производительности . Таким образом, потребителя X электроэнергии можно представить как совокупность множества элементов , где , и множества взаимосвязей между элементами , где , при этом вследствие сетевой структуры сети. Из данного представления делаем вывод о том, что вследствие динамичности режимов работы потребление электроэнергии потребителем (сетевой структурой) в общем равно сумме потребления всеми его элементами: в то время как производительность потребителя в общем не равна сумме производительности его элементов: что обусловлено множеством возмущающих воздействий , , действующих на i-й элемент системы. Вследствие разнородности элементов структуры сети электропотребления и дифференцированности влияющих на нее факторов, множество S не может быть формализовано линейным математическим аппаратом. Вследствие этого для реализации адаптивных алгоритмов управления структурой энергосети необходимо использовать не только математическое описание объектов, но и эмпирическое знание о природе процессов, происходящих внутри них. Решение данной проблемы сводится к введению модуля эвристического анализа, характеризующего собой модель поведения эксперта в определенной производственной ситуации с использованием операций логического вывода и принятия решений, основанных на базе знаний, как комплекса фактов и правил логического вывода [4, 5]. На основании сделанных выводов была разработана структурная схема контура управления энергосетью предприятия (рис. 1). Рис. 1. Структурная схема контура управления энергосетью предприятия Для структуры потребителя с N элементами, суммарно потребляющими энергию E(t) и характеризующимися показателями продуктивности Y(t), необходимо выработать управляющее воздействие U(t). При этом в процессе формирования управляющего воздействия необходимо учитывать риски S(t), моделируя и анализируя изменение показателя продуктивности Y(t) в зависимости от U(t). Формирование функциональной схемы автоматизированной системы мониторинга энергопотребления предприятия Выделив модель математического описания структуры сети предприятия в отдельный элемент контура управления, мы не выносим его за функциональный контур проектируемой системы. Однако в обобщенной функциональной схеме автоматизированной системы мониторинга энергопотребления предприятия включаем модель математического описания в алгоритм обучения модуля эвристического анализа (рис. 2). Рис. 2. Функциональная схема автоматизированной системы мониторинга энергопотребления предприятия Задача мониторинга энергопотребления предприятия для группы потребителей N сводится к формированию управляющего воздействия D(t), основанного на группе индикаторных функций Z, инициализированных за фиксированный промежуток времени τ с максимальным уровнем производительности Y(t). При этом общий случай не учитывает взаимовлияние индикаторных функций друг на друга, а также различную ценность (риск) их инициализации. Вследствие этого задачу формирования управляющего воздействия в общем виде нельзя использовать для группы индикаторных функций, т. к. она не учитывает различную степень риска S (при различном порядке инициализации индикаторных функций, обладающих различной ценностью). Для формулирования задачи управляющего воздействия в частном виде выделим входные и выходные параметры для группы потребителей, каждого из потребителей, группы индикаторных функций и каждой из них. Задача формирования управляющего воздействия Нами были определены входные параметры системы мониторинга энергопотребления предприятия. Основными параметрами каждой индикаторной функции множества Z являются: Pn - цена инициализации функции ; - необходимые условия для инициализации функции ; взаимовлияние функции и остальных функций множества Z. Основными параметрами множества функций Z являются: n - количество функций во множестве Z; Qmax - максимальная суммарная ценность функции множества Z. Основным параметром потребителя Nm множества N является его энергоемкость , при этом данный параметр зависит от времени работы: . Дополнительный параметр потребителя - критическое значение энергоемкости , при котором он не может эффективно выполнять поставленные задачи, чем вызывает инициализацию функции множества Z, снижая уровень производительности до критического минимума. Разделим процесс анализа информации на два основных режима: получение статических и динамических данных. К статическим данным относятся данные, являющиеся постоянными при изменении инициализируемых функций Z, т. е. информация о технических параметрах потребителей, параметров взаимодействия между реализуемыми индикаторными функциями. К динамическим данным относятся данные о поставленных перед группой потребителей индикаторных функциях, анализ которых необходимо произвести автоматически, на основе заданных пользователем показателей производительности и установленных критических значений риска. Отметим, что входные параметры каждой из функций должны быть проанализированы для выявления взаимодействия между ними. Результат анализа информации строго структурирован и привязан непосредственно к инициализируемой функции. Анализ взаимосвязанных функций, расположенных в единой рабочей зоне, происходит с использованием информации о группе потребителей. Определим частную задачу общего случая формирования управляющего воздействия: необходимо распределить множество функций Z = {Z1, Z2, ..., Zn} с определенной ценой из множества P = {P1, P2, …, Pn}, соответствующих элементам множества функций Z, между множеством потребителей N = {N1, N2, ..., Nm}, а также решить задачи с установленным уровнем производительности Y = const за отрезок времени τ. Таким образом, множество функций Z можно представить в виде структуры, учитывающей влияние функций друг на друга и их распределение между потребителями. Структура множества функций Z состоит из 5 уровней. Первый - единое недекомпозированное множество функций с сетевой внутренней структурой, поставленное перед группой потребителей; второй - состояние функций (на данном уровне представлены три подмножества, в которых распределены элементы множества функций Z в зависимости от состояния: ждущие инициализации, инициализированные неотработанные, инициализированные отработанные); третий - семейство подмножеств целевых функций потребителей; четвертый - семейство подмножеств, выражающих взаимовлияние функций друг на друга; пятый уровень состоит из элементарных функций. В ходе исследований был проведен анализ и рассмотрены ограничения в форме лингвистических высказываний, которые являются существенными для группы потребителей в процессе функционирования проектируемой системы: любые два потребителя не могут инициализировать одну и ту же функцию; сформированное управляющее воздействие может быть скорректировано в дискретный момент времени, зависящий только от изменения состава группы функций; изменение состава подмножества функций производится при достижении общей суммы цен инициализированных функций к заданному уровню эффективности выполнения; потребитель может инициализировать функции только до тех пор, пока уровень энергоемкости превышает сумму значений параметра критического уровня. Заключение Рассмотренные ограничения позволяют перейти от формализации задачи снижения потерь электроэнергии в общем и частном случае к созданию информационной системы учета энергетических потерь предприятия. В процессе осуществления данного перехода необходимо решить следующие взаимосвязанные задачи: разработать методику построения математической модели; построить математическую модель на основе предложенной методики для реализации системы управления, с выявленными количественными и качественными показателями, характеризующими взаимодействие внутри группы потребителей; синтезировать алгоритм управления при решении множества взаимосвязанных задач в рабочей зоне, позволяющей вырабатывать управляющее воздействие, близкое к оптимальному, на основе множества индикаторных функций; сформировать базу данных для проведения экспериментальных исследований с целью проверки адекватности математической модели и работоспособности алгоритмов; провести анализ и дать оценку эффективности предложенных моделей и алгоритмов управления. Решение данных задач позволит приблизиться к созданию информационной системы учета энергетических потерь предприятия на основе показаний приборов учета, их анализа, формирования энергетического профиля предприятия, планирования и мониторинга реализации программы повышения энергоэффективности, состоящей из перечня мероприятий по снижению потерь, расчета энергетического и экономического эффекта, а также инвестиционных показателей энергетической программы.
1. Protalinskiy O. M. Sistema podderzhki prinyatiya resheniy dlya operatorov slaboformalizuemyh TP / O. M. Protalinskiy, I. A. Scherbatov // Avtomatizaciya v promyshlennosti. 2009. № 7. S. 43-47.
2. Nemchinov D. V. Sistema prinyatiya upravlencheskih resheniy po snizheniyu vliyaniya sub'ektivnogo faktora kak prichiny avariynoy situacii / D. V. Nemchinov, O. M. Protalinskiy // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vychislitel'naya tehnika i informatika. 2011. № 2. S. 43-48.
3. Protalinskiy O. M. Sistema podderzhki prinyatiya upravlencheskih resheniy po snizheniyu riskov avariynyh situaciy na promyshlennyh ob'ektah / O. M. Protalinskiy, D. V. Nemchinov // Avtomatizaciya v promyshlennosti. 2010. № 3. S. 13-16.
4. Tarasovskiy V. G. Primenenie informacionno-analiticheskih sistem dlya upravleniya energoeffektivnost'yu na metallurgicheskih predpriyatiyah / V. G. Tarasovskiy, I. S. Petuhov // URL: http://www.gce.ru/press/press-release/primenenie_informacionnoanaliticheskih_sistem/ (data obrascheniya: 01.12.2014).
5. Protalinskiy O. M. Raspoznavanie predavariynyh situaciy na tehnologicheskih ob'ektah upravleniya s ispol'zovaniem nechetkih mnozhestv / O. M. Protalinskiy, A. V. Filonenko // Izv. vyssh. ucheb. zaved. Severo-Kavkaz. region. Ser.: Tehnicheskie nauki. 2003. № 3. S. 19-20.
