Создание информационно-аналитической среды для решения задачи повышения надежности региональной системы теплоснабжения

В последнее время, в связи с износом систем теплоснабжения, большое внимание уделяется повышению энергетической безопасности* теплоснабжения населения. Тепло — это особый товар, который нельзя запасти впрок и, тем более, перебросить на значительные расстояния. Его необходимо реализовать здесь и сейчас. Поэтому проблема энергетической безопасности должна решаться предупредительными профилактическимимероприятиями с целью исключения аварийных ситуаций в отопительный период и связанных с этим больших финансовых и социальных издержек.

В Удмуртской Республике (УР) насчитывается более тысячи теплоисточников (котельных), вырабатывающих тепло на коммунальные и производственные нужды. При этом большинство из них находится на балансе бюджетов различных уровней. В настоящее время задача планирования работ капитального характера решается не на основе принципа оптимальности и надежности, а на основе принципа очередности.

Конечно, проблема энергетической безопасности заключается не только, в старении и снижении надежности? работы оборудования теплоисточников. Часть решения этой проблемы заключается в их бесперебойном обеспечении топливом, а также в квалификации персонала и состоянии системы теплоснабжения в целом. Для комплексного решения данной проблемы разработана^ информационно-аналитическая система учета теплоисточников на территории Удмуртской Республики и потребляемых ими ресурсов [1,2]. В рамках данной системы решаются следующие задачи.

1. Анализ состояния (энергоаудит) топливно-энергетического комплекса Удмуртской Республики.

2. Расчет требуемых ресурсов под заданный объем потребления конечных энергоносителей.

3. Математическое моделирование и оптимизация надежности теплоисточников при заданных ограничениях.

4. Повышение эффективности функционирования топливно-энергетического комплекса.

5. Оптимизация инвестиционного процесса при реновации систем теплоснабжения.

В последнее время все больше внимания уделяется вопросам совершенствования оперативного управления системами жизнеобеспечения, к которым следует отнести и распределенную систему теплоснабжения. Необходимость такого совершенствования определяется усложнением экономических и производственных связей. От науки требуются рекомендации по оптимальному управлению такими процессами.

В этой связи, большое значение приобретает анализ надежности региональной системы теплоснабжения и решение задачи оптимального управления по ее повышению.

Современный подход к анализу систем, основанный на применении ЭВМ и на математическом моделировании, рассматривается в [3−19]. В [20−27] подробно и на практическом материале изложены основы теории решения задач оптимизации, способы построения математических моделей оптимальных1 задач, рассмотрены основные понятия, методологические принципы и математические аспекты теории оптимизации систем.

Для эффективного анализа механизма явлений и решения задач управления производственными процессами необходимо выявить взаимосвязи между факторами, определяющими ход процесса, и представить их в количественной форме — в виде математической модели. Математическая модель представляет собой совокупность уравнений, условий и алгоритмических правил и позволяет:

• получать информацию о процессах, протекающих в системе;

• рассчитывать системы, т. е. анализировать и проектировать их;

• получать информацию, которая может быть использована для оптимального управления на основе заданных критериев.

В данной работе изучается проблема надежности распределенной системы теплоснабжения. В этой связи построены математические модели надежности теплоисточников и всей системы теплоснабжения региона. Задача управления надежностью распределенной системой теплоснабжения рассматривается как оптимальная задача математического программирования с булевыми переменными.

Автоматизация управления относится к наиболее эффективным направлениям применения информационных технологий. Сложные технологические процессы, быстрая смена цен на оборудование и стоимость услуг, часто меняющаяся ситуация на рынке труда заставляют оперативно принимать оптимальное решение на основе анализа большого объема информации.

Внедрение компьютерной техники в процессы информационных обменов между элементами системы и центром управления не только ускоряет их, но и значительно уменьшает несогласованность документов, являющихся различными срезами одних и тех же данных. Разумная система безопасности и резервного копирования данных позволяет избегать потерь и несанкционированного доступа к важной информации.

Привлечение математического аппарата позволяет получить не только качественные, но и количественные оценки ситуации, сложившейся" на теплоисточниках. Развитые системы построения отчетов дают возможность представлять как повторяющиеся с различной частотой, так и уникальные отчеты.

Объектом исследования в настоящей диссертационной работе является распределенная система регионального теплоснабжения.

Предметом исследования является проблемно-ориентированная система управления по критерию надежности и эффективности функционирования топливно-энергетического комплекса региона.

Целью диссертационной работы является разработка информационно-аналитической системы и математических моделей для решения задачи повышения надежности и эффективности региональной системы теплоснабжения. Задачи исследования:

1. Создание информационно-аналитической системы теплоснабжения, включающей геоинформационную систему региона.

2. Создание базы данных по теплоисточникам, позволяющей решать задачи повышения надежности и эффективности распределенной системы теплоснабжения региона.

3. Визуализация первичного анализа данных по различным характеристикам.

4. Разработка и реализация алгоритма обновления данных.

5. Разработка математических моделей, алгоритмов и программно-вычислительного комплекса для решения задач оптимального управления. Методы исследования. В работе использовались методы теории надежности сложных систем, методы оптимизации, методы математического программированияиспользован аппарат разработки прикладного программного обеспечения, вычислительных алгоритмов и математического компьютерного моделирования.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена использованием обоснованных математических моделей, апробированных алгоритмов решения задач оптимизации, а также использованием' полученных решений в практике оперативного планирования и управления системой теплоснабжения региона.

На защиту выносятся:

• математические модели описания надежности теплоисточников распределенной системы теплоснабжения;

• постановка и алгоритм решения задачи оптимального управления;

• программно-вычислительный, комплекс оптимального управления региональной системой теплоснабжения;

• результаты решения задач оптимального управления надежностью распределенной системы теплоснабжения.

Научная новизна работы:

• разработаны новые математические модели повышения эффективности региональной распределенной системы теплоснабжения по критерию надежности;

• разработан программно-вычислительный комплекс, позволяющий в интерактивном режиме решать широкий круг задач оперативного планирования и управления распределенной системой теплоснабжения в реальном масштабе времени;

• проведены параметрические исследования и выявлены резервы повышения надежности региональной системы теплоснабжения в условиях ограничений.

Практическая ценность работы.

Разработанная и реализованная в виде программно-вычислительного комплекса проблемно-ориентированная система управления теплоснабжением' региона используется в Министерстве промышленности и энергетики Удмуртской Республики и" может быть использована при решении задачуправления? теплоснабжением в других регионах Российской Федерации.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях:

• VI Всероссийской научно-технической конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Н. Новгород, октябрь, 2002);

• Региональном семинаре-совещании «Энергосбережение и развитие ТЭК» (Ижевск, 28−29 ноября 2002);

• IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 29−30 мая 2003);

• X Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 23 апреля 2009);

• Всероссийской научной конференции-семинаре «Теория управления и математическое моделирование» (Ижевск, 2006);

• Научно-технических конференциях ИжГТУ (2003;2010).

По теме диссертации опубликованы 12 печатных работ [1, 2, 28−36,96], в том числе 1 монография и 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов кандидатских диссертаций [35, 36, 96]. Материалы диссертации вошли в отчеты по Государственному контракту, выполненному в рамках Республиканской целевой программы «Снабжение Удмуртской Республики местными возобновляемыми видами топлива, альтернативными природному газу» .

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования, включающих разработку концептуальной модели проблемно-ориентированной системы управления, технической постановки задачи, подходов и методов к решению исследуемой проблемы, моделирование изучаемых характеристик и анализ полученных результатов.

Автор признателен и благодарен научному руководителю доктору технических наук, профессору, члену-корреспонденту PAP АН Русяку И. Г. за ценные консультации по методам решения задач математического программирования, постоянную помощь и поддержку в работе.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 96 наименований. Работа изложена на 128 страницах текста, содержит 67 рисунков и 19 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработан программно-вычислительный комплекс, направленный на решение задач оптимизации распределения инвестиций в реконструкцию котельного оборудования теплоисточников Удмуртской Республики. Программно-вычислительный комплекс включает:

• базу данных теплоисточников УР;

• геоинформационную систему УР;

• модуль первичного анализа данных;

• модуль расчета надежности теплоисточников. Программно-вычислительный комплекс позволяет рассчитывать оптимальные планы реконструкции теплоисточников соответствующих районов и республики в целом при различных стратегиях финансирования.

2. База данных содержит информацию о 1 102 теплоисточников и" 4 795 единицах наименований оборудования, в частности, следующие данные:

• экономические характеристики оборудования (балансовая и остаточная стоимость, начисленный износ);

• технические характеристики оборудования;

• системные характеристики теплоисточников (тип соединений основного и вспомогательного оборудования);

• справочную информацию об оборудовании и их аналогах;

• характеристики видов используемого топлива;

• информацию о населенных пунктах.

3. Геоинформационная система позволяет осуществлять поиск и навигацию по населенным пунктам и котельным Удмуртской Республики, а также просматривать схемы основных автомобильных и железных дорог.

4. Произведен первичный анализ данных, позволяющий проанализировать состояние распределенной системы теплоснабжения УР, из которого, в частности, следует, что:

• наибольшее количество (73,5%) котельных работает на газе;

• преобладают (63,3%) теплоисточники с установленной мощностью менее 1 Гкал/ч;

• наибольший расход тепла на одного жителя — в Увинском и Сюмсинском районах: 1 330 и 1 190 ккал/час/чел. соответственно, наименьший — в Сел-тинском и Малопургинском районах: 260 и 250 ккал/час/чел. соответственно.

5. Разработана система-сбора и ввода данных, обработки и анализа информации.

6. Разработана методика расчета надежности распределенной системы теплоснабжения.

7. Разработана математическая модель для оптимального управления инвестициями по критерию надежности распределеннойрегиональной системы теплоснабжения.

8. Разработан подход, позволяющий свести-исходную нелинейную задачу оптимизации к оптимизационной задаче с булевыми переменными, для* решения которой использован генетический алгоритм с бинарным кодированием.

9. Техническая надежность распределенной системы теплоснабжения районов УР изменяется в пределах от 0,10 до 0,63. Наибольший показатель имеет система теплоснабжения Камбарского района, наименьший показатель — Кизнерского района. Взвешенная техническая надежность распределенной системы теплоснабжения УР равна 0,28, а эксплуатационная — 0,65.

10. Изучено влияние условий финансирования на динамику повышения надежности системы теплоснабжения. В частности, получены следующие результаты:

• изменение надежностисистемы имеет циклический характер с периодом колебаний АТ «7−10 лет;

• период и амплитуда колебаний зависят от условий финансирования;

• равномерное финансирование реконструкции теплоисточников по сравнению с неограниченным финансированием позволяет экономить финансовые ресурсы на 6−7% при достижении тех же уровней надежности распределенной системы теплоснабжения.