Централизованная система автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей

Актуальность исследования. Исследование научной проблемы в области организации коммерческого учета бытового потребления энергоносителей относится к приоритетным направлениям развития науки, техники и технологий, утвержденным Президентом Российской Федерации (№ Пр-577 от 30.03.2002).

Энергосбережение, энергоэффективность стали ключевыми составляющими стратегии социально-экономического развития России. Потребление энергоресурсов с каждым годом растет, а объемы вновь разведанных полезных ископаемых заметно меньше прироста потребления. В недалеком будущем встанет вопрос дефицита энергоресурсов. Для дальнейшей реализации государственной политики энергоресурсосбережения принята целевая программа.

Энергоресурсоэффективность в Республике Татарстан на 2006 — 2010 годы". Реализация Программы предполагает учет потребления энергоносителей на всех уровнях народного хозяйства. Если раньше совокупный объем энергопотребления в бытовом секторе был в разы меньше промышленного, то сегодня эта пропорция претерпела значительные изменения, и проблема выявления сверхнормативных потерь в жилищно-коммунальном хозяйстве стала важной составляющей программы энергоресурсосбережения. Для энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ), согласно отечественной (В.Ельцов и др.) и зарубежной практике (В.В.Тубинис и др.), явно не достаточно только регулирование тарифов. Анализируя опыт работы отечественных и зарубежных энергоснабжающих организаций, где доля бытового сектора в общем объеме потребителей превышает 20%, специалистами (А.В.Артемьев, А. Л. Гуртовцев, Ю. С. Железко, Л. К. Осика, О. В. Савченко и др.) обоснована необходимость принятия комплексных мер, направленных на повышение энергосбережения. Важнейшей составляющей энергосберегающих мероприятий и мониторинговой информации (учетной, измерительной) по снижению энергетических издержек в городском хозяйстве является учет и контроль поквартирного потребления энергоносителей.

Анализ внедрений и разработок систем сбора жилищно-коммунальной информации (работы Э. Н. Журавлева, О. Мариничевой и др.) показал актуальность разработки структуры системы, позволяющей снизить затраты по потреблению энергоносителей, повысить качество предоставляемых услуг, обеспечить объективность отношений поставщик-потребитель. Все это обусловливает необходимость исследований в области бытового потребления энергоносителей с акцентом на энергосбережение за счет осуществления централизованного автоматизированного сбора, контроля и анализа жилищно-коммунальной информации по всем основным энергоносителям (электроэнергии, газу, теплу, холодной и горячей воде) и интеграции локальных информационных систем различной конфигурации и назначения. В условиях высокого износа основных фондов ЖКХ (по данным Министерства регионального развития РФ износ сетей водопровода, тепловых и электрических сетей, котельных составляет 60−70%) актуальны инновационные разработки по расширению функций системы в направлении обеспечения энергосбережения и безопасности (своевременное распознавание и минимизация ущерба от сверхнормативных потерь). С целью защиты окружающей среды востребована возможность модернизации системы по числу и роду контролируемых параметров (в том числе по решению задач охранной и противопожарной сигнализации).

Исследования и разработки по созданию системы учета жилищно-коммунальной информации проводились в научно-исследовательской лаборатории «Измерительные преобразователи» КГТУ им. А. Н. Туполева начиная с 1993 года под руководством профессора В. А. Ференца. С 1996 года в сотрудничестве с Департаментом жилищно-коммунального хозяйства г. Казани, были сформулированы основные подходы к созданию системы в целом и ее элементов (счетчиков энергоносителей). Получено 7 патентов на изобретения, в том числе на «Устройство контроля жилищно-коммунальной информации» (Патент № 2 141 626 приоритет от 14.07.97).

Объектом исследования является процесс централизованного информационно-аналитического автоматизированного сбора и обработки данных о бытовом расходе энергоносителей, а предметом исследованияалгоритмы управления и динамика сложной распределенной многоуровневой централизованной системы автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей с функцией энергосбережения (своевременного распознавания и минимизации ущерба от сверхнормативных потерь).

Цель исследования — энергосбережение и повышение достоверности контроля качества услуг в жилищно-коммунальном хозяйстве за счет полноты и оперативности информационного обеспечения нормативного и сверхнормативного потребления абонентами электроэнергии, газа, тепла, холодной и горячей воды.

Задача исследования — разработка принципов построения, методик синтеза и моделирования централизованной системы автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей с функцией раннего выявления сверхнормативных потерь (энергосбережения) и возможностью интеграции локальных информационных систем различной конфигурации и назначения.

Поставленная задача научного исследования решается в следующих направлениях:

1. Анализ и оценка существующих систем автоматизированного сбора и контроля жилищно-коммунальной информации и разработка математической модели сложной распределенной многоуровневой информационно-измерительной системы, позволяющей интегрировать локальные информационные системы различной конфигурации и назначения.

2. Разработка и исследование принципов построения, структуры и методики синтеза централизованной системы автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей.

3. Обоснование подхода к выбору метода математического моделирования многовариантной распределенной информационной системы рассматриваемого вида, обеспечивающего учет основных особенностей ее функционирования, в том числе, задач управления системой. Разработка принципов и методики моделирования централизованной системы автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей с функцией выявления сверхнормативных потерь (энергосбережения) как сложной распределенной информационной системы.

4. Разработка и исследование математической модели модуля раннего выявления сверхнормативных потерь как важной составляющей системы учета, контроля и энергосбережения. Разработка инженерной методики оценки вероятности получения достоверных данных с учетом характеристик надежности оборудования и вероятности возникновения внештатных ситуаций (сверхнормативных потерь).

5. Разработка и апробация программного комплекса централизованной системы, создание имитационной модели, позволяющей исследовать особенности ее функционирования при заданной размерности и конфигурации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложены принципы построения и научно обоснованная структура централизованный системы, обеспечивающей автоматизированный учет и всесторонний контроль бытового потребления энергоносителей, в том числе, раннее выявление сверхнормативных потерь и возможность интеграции локальных информационных систем различной конфигурации и назначения.

2. Обоснован выбор и доказана эффективность применения математического аппарата модифицированных сетей Петри для моделирования информационно-измерительных систем учета и контроля потребления энергоносителей в сфере жилищно-коммунального хозяйства.

3. Предложены новые принципы моделирования и методика синтеза централизованной многовариантной распределенной системы учета и контроля бытового потребления энергоносителей на основе представления информационного обмена как последовательно-паралельного дискретно-непрерывного процесса.

4. Разработана и исследована имитационная модель централизованной системы учета и контроля бытового потребления энергоносителей на основе математического аппарата модифицированных сетей Петри.

5. Разработана и исследована модель модуля раннего выявления сверхнормативных потерь на основе математического аппарата цепей Маркова.

Практическая ценность работы. Работа выполнена в соответствии с утвержденными Президентом РФ приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники на период до 2015 года и целевой программой.

Энергоресурсоэффективность в Республике Татарстан на 2006 — 2010 годы". Основные практические результаты исследований заключаются в следующем.

1. Разработаны принципы построения и структура системы централизованного автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей с функцией раннего выявления сверхнормативных потерь, обеспечивающая возможность интеграции локальных информационных систем, имеющих различную конфигурацию и назначение, а также выполняющая такие функции контроля, как оперативное выявление аварийных ситуаций и потерь в энергосетях, обнаружение фактов хищения энергоносителей, определение неисправностей первичных преобразователей системы и др.

2. Разработана методика моделирования и синтеза централизованной системы автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей, позволяющая сократить время моделирования и повысить качество разработки сложных распределенных многоуровневых информационных систем в сфере ЖКХ.

3. Предложена инженерная методика оценки вероятности получения достоверных данных с учетом характеристик надежности оборудования и вероятности возникновения внештатных ситуаций (сверхнормативных потерь), позволяющая устанавливать обоснованные требования к характеристикам надежности составляющих информационно-измерительной системы ЖКХ с учетом ее особенностей.

4. Разработанный программный макет централизованной системы автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей (ЦСАУиКБПЭ) с функцией энергосбережения на основе сетевых моделей и SKADA-технологий TRACE-MODE может использоваться для модернизации и расширения информационно-аналитического комплекса автоматизированного сбора и обработки данных о расходе энергоносителей.

Методы исследования: общая теория сложных систем (системный подход) — моделирование дискретно динамических процессов модификацией математического аппарата сетей Петри — ДН-сетямитеория синтеза управляющих автоматовтеория стохастических дифференциальных системмоделирование стохастических процессов поглощающими цепями Марковаметоды имитационного моделирования.

На защиту выносится:

1. Концепция построения и методика синтеза трехуровневой иерархической централизованной информационно-измерительной системы автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей по критерию минимума потерь энергоресурсов.

2. Структура автоматизированного комплекса централизованной информационно-измерительной системы учета и контроля потребления энергоносителей с функциями контроля работоспособности и анализа критических ситуаций.

3. Структурно-функциональная модель ЦСАУиКБПЭ с функцией выявления сверхнормативных потерь (энергосбережения) на основе модификации математического аппарата сетей Петри — ДН-сети.

4. Математическая модель модуля раннего выявления потерь на основе поглощающей цепи Маркова и методика оценки вероятности получения достоверных данных в системе с учетом характеристик надежности составляющих ее элементов и вероятности возникновения внештатных ситуаций (сверхнормативных потерь).

5. Программный комплекс и имитационная модель централизованной системы автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей с функцией выявления сверхнормативных потерь (энергосбережения).

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на 15 Международных и Всероссийских научно-технических конференциях различного уровня, в том числе, «Новые информационные технологии и менеджмент качества» (г. Москва 2009, 2006, 2003 гг.), «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике и промышленности» (г. Ульяновск, 2006 и 2003 гг.), «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (г. Казань, 2009 и 2006 гг.).

Направление и содержание диссертационного исследования поддержаны в 2005 г. стипендией Главы администрации г. Казани, в 2006 г. -дипломом Инвестиционно-венчурного фонда Республики Татарстан. Полученные в диссертации результаты послужили основой разработки и внедрения инновационной системы сбора информации и контроля работы инженерных схем и конструктивных элементов многоквартирных жилых домов, что подтверждено заключением ООО «Жилищная эксплуатационная компания» г. Волгограда от 24.07.2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе две статьи в журналах «Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева», «Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики», рекомендованных ВАК МО и Н РФ, получен патент РФ на полезную модель № 95 113 от 30.09.2009 г. «Автоматизированный комплекс централизованной информационно-измерительной системы учета и контроля потребления энергоносителей с функциями контроля работоспособности и анализа критических ситуаций».

Достоверность полученных результатов подтверждается применением адекватных математических моделей, современных методов анализа и синтеза информационно-измерительных систем, совпадением результатов аналитического исследования с результатами имитационного моделирования, а также опытом внедрения предложенных методик и рекомендаций.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Результаты исследования изложены на 134 страницах, включают 30 рисунков в основном тексте и 26 рисунков в приложениях. Библиографический список содержит 160 наименований на русском и иностранных языках.

Итак, результаты работы позволяют существенно расширить функциональные возможности информационно-аналитического комплекса и повысить эффективность централизованных систем автоматизированного учета и контроля потребления энергоносителей в бытовом секторе экономики. Вместе с тем исследование показало, что разработка информационно-аналитического комплекса нового поколения централизованного учета и контроля бытового потребления энергоносителей оставляет резервы для дальнейшего решения частных вопросов. К числу таких вопросов можно отнести поиск инженерных методов и технических приемов по расширению функционального состава системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Один из действенных способов повышения энергоэффективности энергоснабжающих организаций с высокой долей бытового сектора в общем объеме потребителей — создание в жилищно-коммунальном хозяйстве централизованных информационно-измерительных систем автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей (ЦСАУиКБПЭ) с функцией энергосбережения.

В работе изложено научно обоснованное решение важной научно-технической задачи — разработана концепция построения и структура ЦСАУиКБПЭ с функцией раннего выявления сверхнормативных потерь (энергосбережения), внедрение которой вносит значительный вклад в народное хозяйство как составляющая энергосберегающих мероприятий. ЦСАУиКБПЭ с функцией энергосбережения, являясь основной частью информационно-аналитического комплекса, регулирует взаимоотношения между потребителем и поставщиком энергоносителей в бытовом секторе ЖКХ: обеспечивает решение задач централизованного автоматизированного сбора, контроля и анализа показаний счетчиков энергоносителей, раннего выявления сверхнормативных потерь, интеграции существующих систем учета расхода энергоносителей с целью уменьшения энергетических затрат при создании единого информационного поля. В ее рамках функционируют пожарная и охранная сигнализации, имеются широкие возможности по дальнейшей модернизации.

Основными выводами по результатам исследования являются:

1. Анализ существующих локальных систем, предназначенных для решения узкого круга вопросов, и задач информатизации ЖКХ, позволил выявить факторы, обуславливающие необходимость разработки и внедрения информационно-аналитического комплекса централизованного сбора и обработки данных о расходе энергоносителей. Среди таких факторов базисным является поабонентный учет расхода энергоносителей (глубокая и детальная информация по единой системе учёта газа, электроэнергии, воды как важная составляющая энергосберегающих мероприятий), а также, организация новых взаимоотношений с потребителем энергоресурсов (увеличения спектра предлагаемых абоненту услуг в условиях невысокой стоимости внедрения и эксплуатации информационно-измерительной системы).

2. Анализ многовариантных распределенных информационных систем позволил обосновать перспективность использования математического аппарата теории сетей Петри, обладающего рядом важных достоинств: высокой наглядностью математической моделидинамическим отражением состояний моделируемой системыразработанностью методов исследования, позволяющих оптимизировать процесс моделирования сложных систем.

3. Разработана методика синтеза ЦСАУиКБПЭ с функцией раннего выявления сверхнормативных потерь (энергосбережения) — основы информационно-аналитического комплекса (постановка задачи, концепция построения, математические модели системы и ее модуля раннего выявления потерь, логическая схема алгоритма управления, имитационная модель и ее экспериментальное исследование в структуре программного комплекса). Научной основой методики синтеза исследуемой системы служит представление информационного обмена как последовательно-параллельного дискретно-непрерывного процесса.

4. Предложена концепция построения и структура ЦСАУиКБПЭ в виде иерархической трехуровневой информационно-измерительной системы. Иерархическая структура системы с тремя основными уровнями (квартира, дом, район) наиболее целесообразна по критериям: а) энергосбережения (позволяет локализовать участки сверхнормативных потерь) — б) организации информационных потоков (с тремя узлами сбора, форматирования и анализа первичных данных) — в) поэтапного внедрения системыг) возможности ее наращивания, расширения функций и модернизации отдельных частей без нарушения работоспособности в целом.

5. Установлено в соответствии с разработанной концепцией, что ЦСАУиКБПЭ представляет собой сложную распределенную многоуровневую информационно-аналитическую систему. Разработана логическая схема алгоритма ее управления (ситуационный алгоритм работы), обеспечивающая эффективность функционирования ЦСАУиКБПЭ. Алгоритм логического управления включает условно четыре блока: управление на уровне квартирной сетиуправление на уровне домовой сетиуправление системой в целомуправление системой при прохождении данных с повышенным приоритетом.

6. Обоснован выбор, расширены границы применимости разработанной методологии ДН-сетей. Разработана методология моделирования сложных распределенных информационных систем на примере ЦСАУиКБПЭ: формализация базовых элементов системыформализация функционирования элементов ЦСАУиКБПЭ в терминах теории сетей Петрирасширение определения ДН-сетей, проблемно ориентированных на моделирование информационных системмоделирование сложной распределенной информационной системы (ЦСАУиКБПЭ). Построена математическая модель в виде ДН-сети цепочки квартира — домцентральный диспетчерский пункт. Модель наглядно демонстрирует статическую топологию и позволяет анализировать динамику процессов в моделируемой системе.

7. Предложено включить в состав системы модуль раннего выявления сверхнормативных потерь на основе разработанных алгоритмов обнаружения внештатных режимов функционирования частей системы из-за аварийных ситуаций или преднамеренного хищения энергоносителей. Построена математическая модель функционирования модуля раннего выявления сверхнормативных потерь как поглощающей сети Маркова. Предложена методика оценки вероятности получения достоверных данных в системе с учетом характеристик надежности ее составляющих и вероятности возникновения внештатных ситуаций. Получены зависимости, позволяющие установить пороговые значения надежностных характеристик узлов системы. Полученные количественные результаты позволяют дать оценку влияния характеристик надежности отдельных узлов системы на вероятность передачи достоверных данных.

8. Предложена адаптированная к моделированию сложных распределенных информационных систем (ЦСАУиКБПЭ с функцией энергосбережения) методика проектирования математических моделей на основе программного комплекса «САМ ДНХТС». В результате экспериментальных исследований на основе имитационной модели показано, что предложенная иерархическая трехуровневая концепция построения и структура ЦСАУиКБПЭ с функцией энергосбережения работоспособны. Разработанная структура позволяет осуществлять поэтапное внедрение системы и интегрировать сторонние системы учета расхода энергоресурсов при наличии лицензионных типовых программных и аппаратных средств. Разработанный программный макет решает задачи: формирования информационной базы для реализации и информационно-аналитического сопровождения энергосберегающих мероприятий в городском хозяйствеорганизации поабонентного учета и контроля бытового потребления энергоносителей. Организует работу модуля сигнализаций, поддерживает функцию контроля его работоспособности, раннего выявления сверхнормативных потерь (энергосбережения) и обеспечивает незамедлительное прохождение сигнала тревоги. Формирует базу данных и производит необходимую их обработку (организация многотарифной схемы оплаты и выписка счетов). Благодаря применению типовых программных средств, возможно включение широкого списка дополнительных функций, вплоть до автоматической рассылки жильцам выписок по расходу энергоносителей в виде SMS сообщений.