Аналитический обзор. 
Подсистема прогноза снабжения энергетическими ресурсами теплогенераторных станций

Анализ состояния вопроса проектирования

При производстве тепловой энергии на теплогенераторных станциях важно учитывать проблему управления энергетическими ресурсами. Это инженерная проблема, решающая обеспечение жизнедеятельности населения, а также улучшающая технико-экономические показатели.

В настоящее время мы имеем целый ряд проблем, связанных с переплатой, недостатком ресурсов и неудовлетворительной системой снабжения необходимым ресурсом. Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» № 261-ФЗ от 23.11.2009 учитывает необходимость экономии ресурсов и средств хозяйствующих субъектов [1]. Таким образом, исследование по разработке управления снабжением энергетическими ресурсами представляется вполне актуальным.

Обобщенная схема теплоснабжения и горячего водоснабжения (ТГВС) представлена на рисунке 1.1. Имеются производитель ресурса, система транспортировки ресурса и потребитель.

Рисунок 1.1 — Обобщенная схема ТГВС Система транспортировки теплоносителя состоит из магистральных трубопроводов и трубопроводов — отводов. ТГВС оплачивается потребителем на основании тарифов.

Как видно из приведённой схемы система ТГВС построена по самому простому принципу. В соответствии с теорией автоматического управления она может быть отнесена к разомкнутым системам управления. Системы такого типа не обеспечивают качественного регулирования и обладают следующими недостатками:

• 1) неэффективность в использовании ресурсов обеспечения существования системы;
• 2) низкая точность работы;
• 3) отсутствие реакции на внешние возмущающие воздействия.

В ряде случаев такие схемы вообще могут быть неработоспособны и не могут быть использованы для управления.

Целью задачи управления теплогенераторной станцией является повышение технико-экономической эффективности предприятия. При использовании четкого тарифа возникает ситуация, когда оплата одинакова независимо от изменения температуры воздуха окружающей среды. Рациональным является полная автоматизация производства теплоснабжения для устранения усреднённого тарифа.

Структурная схема управления объектом в общем виде представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 — Структурная схема управления в общем виде В такой системе:

(1).

где — выходная величина;

— входная величина;

— внешнее воздействие.

Из данной структурной схемы следует, что все объекты управления генерируют и потребляют что-либо.

Структурная схема управления применительно к системе управления снабжением энергетическими ресурсами представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 — Структурная схема управления снабжением энергетическими ресурсами Входными величинами являются:

• 1) электроэнергия;
• 2) топливо;
• 3) теплоноситель.

Выходная величина — генерируемый ресурс, который на выходе генератора и на входе у потребителя различен за счет потерь, возникающих из-за значительной длины тепловых сетей.

Главным недостатком такой системы управления является отсутствие обратной связи, то есть нет зависимости между температурой окружающей среды и количеством вырабатываемого ресурса.

В общем виде, генератор является объектом, производящим ресурсы. Данный объект находится в среде, являющейся потребителем ресурсов, генерируемых объектом. Объект производит ресурсы за счет средств и ресурсов, предоставляемых средой, а также за счет своих внутренних ресурсов.

Можно выделить следующие виды ресурсов:

• 1) ресурсы воспроизводства — это ресурсы, идущие на поддержание объекта в работоспособном состоянии;
• 2) ресурсы внутреннего потребления — это все иные ресурсы, генерируемые и используемые внутри объекта, необходимые для его жизни.

Цель объекта — производство ресурсов в соответствии с потреблением среды при ограничении на воспроизводство. Требуется разработать стратегию объекта, содержащую управляющее взаимодействие, которое позволило бы максимально использовать собственные и предоставленные средой ресурсы, а также способности объекта и среды, так, чтобы генерируемые ресурсы максимально удовлетворяли требованиям среды, при этом объект должен иметь возможность выполнять свои функции и эволюционировать. На деятельность объекта также наложены разные параметрические ограничения. Схема снабжения и обмена ресурсами такого объекта представлена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 — Схема снабжения и обмена ресурсами Для решения поставленной задачи требуется формализовать схему снабжения и обмена ресурсами, которая позволила бы выделить следующие ключевые характеристики:

• 1) финансовые потоки;
• 2) технологические потоки;
• 3) организационные связи;
• 4) структурную подчиненность.

Среда с потреблением ресурсов осуществляет возврат ресурсов в систему для восстановления плана. В общем случае возврат происходит со скоростью потребления плана. Требования к ресурсу, передаваемому от среды, с позиции среды: затраты должны быть минимальными, а качество ресурса должно удовлетворять объект.

Объект потребляет ресурсы и для поддержания своей деятельности. Поэтому возвращаемый средой ресурс должен превышать затраты объекта на воспроизводство ресурсного плана, причем превышение должно обеспечить затраты системы на функционирование и развитие, иначе объект погибает.

Исходя из этого получаем, схему управления с обратной связью, представленную на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 — Схема управления снабжением энергетическими ресурсами с обратной связью.

Ресурсы генерируемый и потребляемый разные, так как существует временная задержка поступления тепла из-за длины трубопровода, его качества.

В такой системе будет осуществляться передача необходимого количества ресурсов потребителю. Данные генератор может получить от распределителя и сформировать план по производству требуемого ресурса.

От потребителей осуществляется возврат ресурсов для восстановления плана генерации.

С целью поддержания непрерывности генерации и поглощения ресурсов средой в системе должен находиться некоторый резерв, который используется для поддержания плана на время генерации ресурсов, при этом возникает задача нахождения уровня накопления, при котором затраты системы на формирование плана минимизируются. Затраты на хранение резерва минимизируются при ограничении на мощность потребляемого ресурса и мощности генератора.

Для решения этой проблемы выберем метод, состоящий из следующих шагов:

• 1) накопление данных об изменении температуры воздуха окружающей среды, влияющей на потребление средой ресурсов, за некоторый квант времени;
• 2) ввод в систему накопленных данных;
• 3) ввод в систему данных о параметрах системы;
• 4) сглаживание полученного ряда наблюдений;
• 5) формирование нового ряда;
• 6) аппроксимация нового ряда;
• 7) прогнозирование и экстраполяция;
• 8) построение модели снабжения энергетическими ресурсами.
• 1.2 Анализ методов прогнозирования

Из анализа состояния вопроса проектирования можно сделать вывод, что необходимо вводить регулирование энергетического потока в зависимости от температуры окружающей среды. Для этого необходимо решить задачу прогнозирования.

В настоящее время существует около 220 методов прогнозирования, но чаще всего на практике используются не более 10, среди них: фактографические, экспертные, публикационные, матричные, моделирование, построение графов и т. д. [2].

Наиболее распространенными методами (свыше 90% всех сделанных в мире прогнозов) являются экспертиза и фактографические методы.

Экспертиза — итоговое суждение эксперта (или группы экспертов) о динамике показателей анализируемого объекта или об альтернативных вариантах их возможного развития в будущем, которое:

• 1) объективно;
• 2) научно обосновано;
• 3) вероятностно по природе;
• 4) корректируемо в рамках прогнозного периода по мере поступления новой информации;
• 5) верифицируемо после завершения прогнозного периода;
• 6) должно быть четким, ясным, не допускать неожиданных толкований, строго соответствовать заданию на прогноз, быть доказательным и воспроизводимым.

Метод экспертизы используется при неопределенности. Эксперт — носитель специальных знаний и/или практического опыта, а также представитель групп интересов или организаций, который:

• 1) имеет или дает объективные и полные сведения об особенностях и свойствах внешнего объекта и/или рекомендации относительно предпочтительных вариантов управленческих решений, касающихся этого объекта;
• 2) обладает совокупностью сбалансированных прав и обязанностей, а также несет ответственность за свое экспертное заключение;
• 3) включен в процесс принятия решений и участвует в научном обосновании этих решений;
• 4) независимо от внешних влияний и собственной выгоды высказывает суждения по поставленным перед ним вопросам из области его специальных знаний и/или практического опыта.

Для работы необходимо не менее двух прямо или косвенно взаимодействующих экспертов.

Среди используемых в экспертизе методов присутствуют такие как: экспертные методы, анкетирование, интервьюирование, метод мозговой атаки (штурма), метод контрольных вопросов, метод лицом к лицу, метод ситуационного анализа, метод суда, метод «комиссий» («круглого стола»).

Основные цели экспертизы:

• 1) повышение обоснованности принимаемых решений на основе заключений экспертов;
• 2) контроль соблюдения соответствия и/или установления соответствия между характеристиками объекта экспертизы и требованиями, предусмотренными нормативными, нормативно-правовыми и законодательными документами различных уровней.

Экспертные методы прогнозирования наиболее востребованы, они хорошо работают на большие периоды и являются основными для долгосрочного прогноза. Для краткосрочного прогноза экспертные прогнозы не подходят (особенно в экономике).

Фактографические методы основаны на экстраполяции в будущее тенденций, закономерности развития которых в прошлом и настоящем хорошо известны. К ним относятся: экстраполяция, трендовая модель, тренд-анализ, интерполяция, моделирование, математическое моделирование, сценарии, эксперименты, имитации, графы, матрицы, графические изображения и др.

Модель — это объект (например: явление, процесс, система, установка и др.), находящийся в отношении подобия к моделируемому объекту. Под подобием понимается взаимно однозначное соответствие между двумя объектами. [3].

Модель обеспечивает изучение только некоторых свойств моделируемого объекта. Она способна замещать моделируемый объект таким образом, что изучение поведения модели в новых условиях даёт новую информацию о нём.

Моделирование — процесс получения информации о моделируемом объекте путём проведения экспериментов с его моделью в заданных внешних условиях.

Разнообразие моделей и форм моделирования отражает их классификация, при которой методы моделирования подразделяются на группы:

• 1) натурное моделирование — эксперимент на самом исследуемом объекте, который при специально подобранных условиях опыта служит моделью самого себя;
• 2) физическое моделирование — эксперимент на специальных установках, сохраняющих природу явлений, но воспроизводящих их в количественно изменяемом масштабированном виде;
• 3) математическое моделирование — использование моделей, по физической природе отличающихся от моделируемых объектов, но имеющих сходное математическое описание.

Эксперимент — свершившееся нововведение, которое условно рассматривается «задним числом» как проведенный эксперимент.

Сценарии дают возможность четко формулировать и сопоставлять между собой различные вероятные или желательные перспективы развития.

Оценивая выше названные методы прогнозирования можно выделить следующее:

• 1) экспертные методы прогнозирования наиболее точны при долгосрочном прогнозировании, а фактографические — при краткосрочном;
• 2) экспертные методы требуют привлечения двух и более экспертов;
• 3) точность прогнозов, построенных фактографическими методами, зависят от количества исходных данных для оценки;
• 4) при наличии необходимого количества исходных данных фактографические методы требуют меньшее количество времени и денежных ресурсов, чем экспертные методы.