ФОРМАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ МИНИМИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВРИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
2.
Астраханский государственный технический университет
3.
Астраханский государственный технический университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 15
по 21
Статус:
Опубликован
Получено:
05.01.2015
Одобрено:
25.01.2015
Опубликовано:
25.01.2015
Классификаторы:
ВАК 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
ВАК 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
ВАК 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
ВАК 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
ВАК 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ВАК 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
УДК 621.311.001.57
ГРНТИ 28.01 Общие вопросы кибернетики
ГРНТИ 49.01 Общие вопросы связи
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ВАК 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
ВАК 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
ВАК 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
ВАК 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ВАК 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
УДК 621.311.001.57
ГРНТИ 28.01 Общие вопросы кибернетики
ГРНТИ 49.01 Общие вопросы связи
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
энергосбережение, экспертные системы, система поддержки принятия решения, энергоэффективность
Аннотация (русский):
Предлагается обобщенная функциональная схема системы поддержки принятия решений, основанная на модуле эвристического анализа. Отмечается, что в настоящее время, при наличии целого ряда узкоспециализированных информационных систем, отсутствует возможность одновременного решения задач по направлению «Энергоэффективность» и проведения полного многофакторного анализа информации, необходимой для принятия решения о реализации программы снижения потерь и анализа энергопрофиля предприятия. Описана энергетическая сеть предприятия как объект управления. Поставлена задача минимизации потерь энергетических ресурсов в технической сети потребителя при неизменном уровне производительности в общем и частном случае. Сформирована структурная схема управления энергосетью предприятия, а также функциональная схема автоматизированной системы мониторинга энергопотребления предприятия. Определены задачи формирования управляющего воздействия. Результаты анализа позволяют перейти от формализации задачи снижения потерь электроэнергии в общем и частном случае к созданию информационной системы учета энергетических потерь предприятия.
Предлагается обобщенная функциональная схема системы поддержки принятия решений, основанная на модуле эвристического анализа. Отмечается, что в настоящее время, при наличии целого ряда узкоспециализированных информационных систем, отсутствует возможность одновременного решения задач по направлению «Энергоэффективность» и проведения полного многофакторного анализа информации, необходимой для принятия решения о реализации программы снижения потерь и анализа энергопрофиля предприятия. Описана энергетическая сеть предприятия как объект управления. Поставлена задача минимизации потерь энергетических ресурсов в технической сети потребителя при неизменном уровне производительности в общем и частном случае. Сформирована структурная схема управления энергосетью предприятия, а также функциональная схема автоматизированной системы мониторинга энергопотребления предприятия. Определены задачи формирования управляющего воздействия. Результаты анализа позволяют перейти от формализации задачи снижения потерь электроэнергии в общем и частном случае к созданию информационной системы учета энергетических потерь предприятия.
Ключевые слова:
энергосбережение, экспертные системы, система поддержки принятия решения, энергоэффективность
энергосбережение, экспертные системы, система поддержки принятия решения, энергоэффективность
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. Проталинский О. М. Система поддержки принятия решений для операторов слабоформализуемых ТП / О. М. Проталинский, И. А. Щербатов // Автоматизация в промышленности. 2009. № 7. С. 43-47.
2. Немчинов Д. В. Система принятия управленческих решений по снижению влияния субъективного фактора как причины аварийной ситуации / Д. В. Немчинов, О. М. Проталинский // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2011. № 2. С. 43-48.
3. Проталинский О. М. Система поддержки принятия управленческих решений по снижению рисков аварийных ситуаций на промышленных объектах / О. М. Проталинский, Д. В. Немчинов // Автоматизация в промышленности. 2010. № 3. С. 13-16.
4. Тарасовский В. Г. Применение информационно-аналитических систем для управления энергоэффективностью на металлургических предприятиях / В. Г. Тарасовский, И. С. Петухов // URL: http://www.gce.ru/press/press-release/primenenie_informacionnoanaliticheskih_sistem/ (дата обращения: 01.12.2014).
5. Проталинский О. М. Распознавание предаварийных ситуаций на технологических объектах управления с использованием нечетких множеств / О. М. Проталинский, А. В. Филоненко // Изв. высш. учеб. завед. Северо-Кавказ. регион. Сер.: Технические науки. 2003. № 3. С. 19-20.
