Повышение уровня автоматизации электроэнергетических систем и внедрение интеллектуальных систем управления энергоемкими объектами является одной из актуальных задач современных наукоемких промышленных технологий. Такие системы наряду с выполнением в автоматическом режиме заданных функций, могут обеспечивать экономию электроэнергии, что для многих предприятий является определяющим в принятии решения об автоматизации [1, 42, 55, 101]. Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) — комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. АСУ ТП предназначены для оптимизации технологических процессов производств и повышение их эффективности путем автоматизации, базирующейся на использовании современных средств вычислительной и микропроцессорной техники, эффективных методов, средств контроля и управления [6, 43, 56, 57]. Проектирование автоматизированных систем осуществляется в соответствие с пакетом нормативных документов [12, 13, 14, 17, 72, 90]. Одними из главных преимуществ АСУ ТП является снижение влияния человеческого фактора на управляемый процесс, сокращение персонала, минимизация расходов сырья, повышение качества исходного продукта, и в конечном итоге — существенное повышение эффективности производства. Основные функции, выполняемые подобными системами, включают в себя: контроль и управление, обмен данными, обработку, накопление и хранение информации, формирование сигналов тревог, построение графиков и отчетов [44, 74, 92].
В последнее время АСУ ТП широко используются в таких сферах, как управление дорожным движением, медицина, машиностроение, ЖКХ. Отдельное направление их применения составляет военная и космическая техника, где системы автоматизации используются в качестве встроенных средств контроля и управления. Современная АСУ представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления технологическими процессами получает информацию с монитора ЭВМ или с электронной системы отображения информации и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии, с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов. Из всего многообразия внедряемых систем управления можно выделить ряд направлений, получивших наибольшее применение [46]. Автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) создана с целью информационного обеспечения проведения финансовых расчетов на оптовом рынке электроэнергии и организации автоматизированного измерения параметров потребления электрической энергии, повышения точности измерений электроэнергии и мощности с привязкой по времени и улучшения качества управления энергопотреблением [28, 29, 31, 35, 37, 38]. Автоматизированная система диспетчерского управления (АСДУ) представляет собой территори-ально-распределенную систему с двухуровневой организацией, функционирующую круглосуточно, без постоянного присутствия специалиста по обслуживанию на объектах. Частным случаем АСДУ является автоматизированная система диспетчерского управления наружным освещением (АСДУ НО) представляющая собой информационно-измерительную и управляющую систему, обеспечивающую централизованное управление наружным освещением, реализованную с применением питающих пунктов (ПП) [33, 34, 49, 51, 62, 63]. Каждый питающий пункт контролирует участок сети наружного освещения и осуществляет управление его режимами. Проектирование системы электроснабжения осветительных установок осуществляется в соответствие со стандартами и нормами [15, 59, 60, 68, 70, 86, 89], а для системы управления внутренним освещением [11, 88, 91, 96, 97, 98]. Современные системы электроснабжения осветительных установок — это энергоемкие автоматизированные электроэнергетические системы, правильное построение которых в значительной мере определяет эффективность труда и комфорт современной жизни. Важно при этом учитывать ограничения, связанные с расходованием энергетических ресурсов на обеспечение работы систем освещения, затрат на текущую эксплуатацию осветительного оборудования. В зависимости от размеров и других особенностей сетей наружного освещения возможны различные подходы к управлению системой электроснабжения осветительных установок. Кроме того, разрабатываются специальные системы для отдельных отраслей, например для управления взлетно-посадочными огнями аэродрома [83, 84]. Задача принятия решения о времени включения или отключения освещения и выборе режима работы осветительных установок актуальна и до конца не изучена. Таким образом, новые, эффективные в вычислительном отношении и достаточно простые алгоритмы принятия решения при формировании управляющих воздействий будут востребованы в современных системах электроснабжения осветительных установок.
Значительный вклад в решение проблем, связанных с развитием автоматизированных систем, в том числе и диспетчерского управления наружным освещением, внесли ученые Ю. Б. Айзенберг, В. В. Балаган, В.А. Бесе-керский, Г. М. Кнорринг, Б. Ю. Липкин, А. Г. Мамиконов, В. В. Мешков, Ю. Н. Федоров и др.
Диссертация выполнена в соответствии с основными положениями «Энергетической стратегии России на период до 2020 года», Федеральным законом № 261-ФЗ от 23.10.2009 года «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», ориентирована на реализацию мероприятий подпрограммы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в электроэнергетике» Государственной программы Российской федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», утвержденной Распоряжением Правительства РФ от 27.12.2010 г.
Научная проблема порождена тем, что в настоящее время не решены теоретические вопросы по выбору эффективного времени включения и отключения системы электроснабжения осветительных установок, а также необходимого режима работы осветительных установок, исходя из текущего значения освещенности, времени суток и календарного дня года.
Объект исследования — электроэнергетическая система, в состав которой входит система электроснабжения осветительных установок.
Предметом исследования являются методы управления системой электроснабжения осветительных установок.
Цель исследования — разработка алгоритма и средств управления системами электроснабжения осветительных установок за счет применения интеллектуальных методов выбора их времени включения, отключения и режима работы на основе текущего значения естественной освещенности, времени суток и календарного дня года.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи: проанализировать существующие электроэнергетические системы управления электроснабжением осветительных установокрассмотреть подходы к выбору времени включения и отключения распределенных осветительных установок, а также режимов их работыполучить экспериментальные данные измеренных значений естественной (солнечной) освещенности, провести их статистическую обработкуразработать алгоритмы принятия решения об эффективном времени включения и отключения распределенных систем электроснабжения осветительных установок. провести имитационное моделирование полученных алгоритмовразработать программно-аппаратный комплекс, реализующий алгоритмы принятия решения в существующей системе электроснабжения осветительных установок.
Теоретические исследования проводились с привлечением аппарата нечетких множеств, методов фильтрации процессов, методов спектрального анализа. В качестве метода принятия решения использовался нечеткий вывод [30, 61, 71], который в последние годы находит все более широкое применение в задачах управления [20, 21]. Разработка нового программного обеспечения, а также проверка работоспособности и эффективности алгоритмов осуществлялась с помощью имитационного моделирования на ЭВМ с использованием современных средств автоматизации математических вычислений, а именно программного обеспечения МАТЬАВ [4, 23, 37, 32] с пакетом расширения 81тиНпк [25].
Новые научные результаты диссертации: впервые получен метод вычисления мощности включения системы электроснабжения осветительных установок на основе нечеткой логикиразработан алгоритм управления системой электроснабжения осветительных установок с использованием полученного метода на основе поступающих от датчиков данных о состоянии естественной освещенности, текущего времени суток и календарного дня годаразработана имитационная модель интеллектуальной системы принятия решения на основе алгоритма управления системой электроснабжения осветительных установок.
Достоверность научных положений и выводов подтверждена совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов и практических испытаний, проведенных на реальном объекте.
Личный вклад автора заключается в получении алгоритмов принятия решения о необходимом и целесообразном режиме включения системы электроснабжения осветительных установок в текущий момент времениразработке интеллектуальной системы принятия решения на основе разработанного алгоритма управления системой электроснабжения осветительных установокформализации нечетких множеств входных и выходных величининтеграции существующих методик управления наружным освещением в интеллектуальную систему принятия решенияразработке имитационной моделиразработке программного обеспечения, реализующего алгоритмы принятия решения в существующей системе управления наружным освещением.
Результаты работы использованы: в Службе наружного освещения для выбора эффективной мощности включения осветительных установок на одном из участков города Омскав НПО «МИР» (город Омск) при управлении системой электроснабжения осветительных установокв Омском государственном Техническом Университете при организации учебного процесса на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий».
Основной материал диссертации отражался в научных докладах, которые обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития» (Екатеринбург,.
2008) — ХУ-ой международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2009» (Томск,.
2009) — ХУ-ой международной конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2009) — УП-ой всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2009 г.) — Х-ой международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (г. Новочеркасск, 2009 г.) — Х-ой международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2009 г.) — девятой международной научно-практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения» (г. Новочеркасск, 2009 г.).
По теме диссертации опубликовано 22 научные работы из них восемь статей в изданиях по списку ВАК и одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников из 111 наименований и приложений. Общий объем (с приложениями) составляет 171 страницу печатного текста и содержит 70 рисунок и 19 таблиц.
4.3.4 Выводы и результаты.
1) Разработано и внедрено программное обеспечение, обеспечивающее взаимодействие интеллектуальной системы принятия решения на базе нечеткой логики с диспетчером АСДУ наружным освещением, а также реализующее рассмотренные алгоритмы принятия решения в автоматизированном комплексе управления наружным освещением.
2) Получены результаты управления интеллектуальной системой принятия решения в виде графиков рекомендуемого режима включения освещения, естественной освещенности измеренной и обработанной методом экспоненциального сглаживания, и команд телеуправления, отправляемых через ОРС сервер на питающий пункт и обеспечивающих вывод осветительных установок на рассчитанное значение мощности.
3) Разработаны и внедрены два способа получения значений естественной освещенности из видеосигнала, при помощи устройства видео захвата, и видео файла записи системы наружного наблюдения. Результаты проведенных экспериментов показали целесообразность применения первого способа с использованием устройства видео захвата, в качестве которого при внедрении применяется видеокамера производства фирмы Genius.
4) Показано соответствие процессов естественной освещенности, полученных при помощи обработки изображения с устройства видео захвата, результатам измерений фотометрическим датчиком, что позволяет сделать вывод о возможности применения системы наружного наблюдения в качестве источника данных для принятия решения о необходимом режиме включения наружного освещения.
5) Система принятия решений введена в состав комплексной автоматизированной системы НПО «МИР», объединяющую на одном сервере диспетчерское управление объектами энергетики, коммерческий и технический учет потребляемой электрической и тепловой энергии, управление наружным освещением.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Проведен анализ существующих локальных систем управления осветительными установками, основанных на фотореле, и установлена недостаточная эффективность их применения для управления наружным освещением крупных объектов.
Рассмотрена структура распределенной автоматизированной системы управления наружным освещением. Приведен обзор существующих и используемых отечественных систем, проведен их сравнительный анализ. Показано, что все они управляют включением и отключением нагрузки в соответствии с годовым или суточным расписанием, и при этом лишь косвенно учитывают естественную (солнечную) освещенность.
Показано, что существует два подхода к принятию решения о времени включения или отключения наружного освещения. Первый из них, реализуется в автоматизированных распределенных системах, определяет время включения, отключения по заданному расписанию, а второй, в локальных системах на основе фотореле, отслеживает изменение естественной (солнечной) освещенности и в зависимости от настроенных порогов включает или отключает наружное освещение.
Предложен алгоритм диагностики количества неисправных ламп на линии на основе анализа снижения потребляемого тока.
Обоснован метод экспоненциального сглаживания для выделения постоянной составляющей из полного сигнала естественной освещенности. Выбрано численное значение параметра экспоненциального сглаживания у равное 0.8 и показано, что оно является оптимальным для обработки экспериментальной информации.
Проведен анализ соответствия процесса изменения естественной освещенности, ее тренда и случайной составляющей теоретическим законам распределения, который выявил, что данные процессы не принадлежат ожидаемым законам распределения из-за их особенности.
Установлена, по результатам спектрального анализа экспериментальных значений естественной освещенности, близость характеристик случайной составляющей к белому шуму. Предложено для анализа полного сигнала и постоянной составляющей естественной освещенности применять параметрический авторегрессионный гармонический алгоритм Берга, а для случайной составляющей — классический.
Показано, что спектральные плотности мощности полной освещенности и ее тренда являются характеристиками фильтров нижних частот, поэтому их дальнейшая обработка проводиться алгоритмом экспоненциального сглаживания, являющегося авторегрессионным инерционным фильтром.
Составлена модель принятия решения о режиме включения автоматизированной системы диспетчерского управления наружным освещением на основе поступающих от датчиков данных о состоянии естественной освещенности, текущего времени суток и календарного дня года.
Введено и формализовано с применением аппарата теории нечетких множеств понятие эффективной мощности включения наружного освещения с учетом текущих погодных условий. Составлен свод правил для принятия решения в системе нечеткого вывода.
Разработан, с применением нечеткой логики, метод вычисления коэффициента включения наружного освещения, при котором учитывается естественная (солнечная) освещенность и годовое расписание.
Составлена имитационная модель, реализующая разработанные алгоритмы в среде МаНаЬ 8шш1тк. Проведено исследование влияния помех в процессе изменения естественной освещенности на управляющий выходной сигнал. Определены критические значения шума, после превышения которых система теряет свойство работоспособности.
Проведена оценка экономической эффективности применения алгоритмов принятия решения о необходимой мощности включения осветительных установок системы электроснабжения осветительных установок и рассчитанные значения показали до 50 процентов экономии потребляемой энергии в часы восхода и заката.
Разработано и внедрено программное обеспечение, обеспечивающее взаимодействие интеллектуальной системы принятия решения на базе нечеткой логики с диспетчером АСДУ наружным освещением, а также реализующее рассмотренные алгоритмы принятия решения в автоматизированном комплексе управления наружным освещением.
Получены результаты управления интеллектуальной системой принятия решения в виде графиков рекомендуемого режима включения освещения, естественной освещенности измеренной и обработанной методом экспоненциального сглаживания, и команд телеуправления, отправляемых через ОРС сервер на питающий пункт и обеспечивающих вывод осветительных установок на рассчитанное значение мощности.
Разработаны и внедрены два способа получения значений естественной освещенности из видеосигнала, при помощи устройства видео захвата, и видео файла записи системы наружного наблюдения. Результатам проведенных экспериментов показали целесообразность применения первого способа с использованием устройства видео захвата, в качестве которого при внедрении применяется видеокамера производства фирмы Genius.
Показано соответствие процессов естественной освещенности, полученных при помощи обработки изображения с устройства видео захвата, результатам измерений фотометрическим датчиком, что позволяет сделать вывод о возможности применения системы наружного наблюдения как источника данных для принятия решения о режиме работы наружного освещения.
Система принятия решений введена в состав комплексной автоматизированной системы НПО «МИР», объединяющую на одном сервере диспетчерское управление объектами энергетики, коммерческий и технический учет потребляемой электрической и тепловой энергии, управление наружным освещением.
Задачи диссертационного исследования решены успешно и цель работы достигнута.
