Одна из ключевых проблем теплоэнергетического комплекса страны заключается в явном дефиците объективных данных о выработке и потреблении тепловой энергии, а также отсутствии эффективных средств их анализа, необходимых для принятия управленческих решений как на техническом, так и на административном уровнях. Это не только усложняет управление ТЭК, делает его неэффективным, но и препятствует введению адекватных тарифов и норм потребления тепла и горячей воды, приводит к завышенным расходам на оплату потребляемых энергоресурсов.
Существенный прогресс в решении проблемы может быть достигнут за счет максимальной автоматизации процессов сбора, накопления и обработки результатов измерений параметров с целью обеспечения энергосберегающих режимов эксплуатации объектов теплоэнергетики (ОТЭ). Наличие современной алгоритмической базы и мощных вычислительных ресурсов открывает большие перспективы использования результатов измерений для решения задач диагностирования и прогнозирования технического состояния, анализа и управления ОТЭ.
Осуществление такого подхода связано с необходимостью создания автоматизированной информационно-аналитической системы ОТЭ, распределенной на совокупности автоматизированных рабочих мест с различным набором пользовательских функций. Естественно, что все эти автоматизированные рабочие места должны быть объединены в компьютерную сеть, источником обрабатываемых данных для которой являются архивы контрольно-измерительных приборов и контроллеров, накапливающих результаты измерений, поступающие с датчиков и выполняющих их предварительную обработку.
Основной предпосылкой создания ИАС ОТЭ является тенденция к внедрению на предприятиях-поставщиках (ТЭЦ, котельные) и объектах-потребителях тепловой энергии и воды систем учета и регулирования, в состав которых входят современные средства измерения. Однако эффективность их использования в настоящее время минимальна и сводится лишь к фиксации количества потребляемых ресурсов и формированию элементарной отчетности. В тоже время возможности современного измерительного оборудования ориентированны на получение, хранение и дальнейшее использование достаточно разнообразной и детальной информации, позволяющей существенно повысить эффективность управления процессами энергоснабжения и энергосбережения.
Задачи, решаемые системой, должны быть сконцентрированы в двух направлениях — мониторинг (наблюдение в реальном времени за параметрами функционирования объекта, сопровождаемое выявлением нештатных и критических ситуаций с последующим оповещением пользователя об их возникновением) и ретроспективный анализ накапливаемых и хранимых системой результатов измерений. Режим ретроспективного анализа должен быть ориентирован решение широкого класса практических задач, связанных с диагностированием, прогнозированием, управлением, оценкой эффективности функционирования ОТЭ и поддержкой энергосберегающих режимов их эксплуатации.
Целью диссертационной работы является разработка методов и программных средств диагностирования и анализа ОТЭ с использованием ретроспективной информации для обеспечения энергосберегающих режимов их функционирования.
Объектами исследования в данной диссертационной работе являются средние и малопроизводительные котельные на твердом и жидком топливе, отапливаемые здания с различной тепловой нагрузкой и схемой подключения к теплосети.
Предметом исследования является ретроспективная информация о результатах измерения основных параметров функционирования ОТЭ, которая накоплена в БД НАС.
3.6 Выводы и результаты исследования.
Выполнен анализ методики аудита приборного учета тепловой энергии. Предложены пути ее возможного развития с целью повышения достоверности результатов аудита. В результате исследования получена существенно модифицированная методика (и реализующие ее программные средства) прогнозирования метрологических дефектов, являющаяся базовой для аудита приборного учета тепловой энергии. Как показали исследования, методика оказалась практически приемлемой.
4 ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И АНАЛИЗА РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ.
4.1 Платформа для проектирования информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики.
Одно из основных направлений работ лаборатории технической диагностики института автоматики и процессов управления ДВО РАН, ориентировано на разработку, внедрение и сопровождение информационно-аналитических систем (ИАС) мониторинга и анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики Дальневосточного региона России. В этой связи уместно отметить следующие законченные и эксплуатируемые в настоящее время ИАС. В 2000 году была завершена разработка системы оперативного наблюдения и анализа потребителей тепла «СОНА» [8, 11, 13, 44], используемой до настоящего времени при сервисном обслуживании тепловых узлов и установленных на них приборов учета тепловой энергии. С 2001 года во Всероссийском детском центре «Океан» эксплуатируется ИС мониторинга и анализа эксплуатационных режимов источников теплоты «ИСМА-ОКЕАН» [7,45,46,47].
Длительный опыт эксплуатации и сопровождения выше приведенных систем [9, 12, 19] показал, что выбранные ранее простые средства и архитектурные решения уже не соответствуют масштабам системы и современным технологическим средствам разработки программ. Появилась потребность в модернизации системы и создании аналогичных программных средств для других объектов теплоснабжения. Опыт развития и модернизации аналогичных систем других разработчиков, а также собственные практические и теоретические наработки показывают основные направления развития системы.
Появление систем автоматизации разработки программных систем АСУТП (SCADA) как зарубежных, так и отечественных производителей, позволяет строить обширные и разветвленные сети сбора данных, включая в них измерительные приборы различных типов и обеспечивающих драйверами доступа к ним. Использование средств быстрой разработки программных систем CAD/CASE исключает перепрограммирование модулей системы при отсутствии новых типов измерителей, а при добавлении новых типов устройств требует лишь написания дополнительных драйверов и включение их в систему.
Ведущими принципами при создании новой версии информационно-аналитической системы для ОТЭ являются следующие:
1. Поэтапность разработки программных средств в приоритетном порядке. Приоритетность разработки определяется наличием реально используемых типов измерителей и перспективностью их использования в будущем.
2. Унификация форматов данных и протоколов обмена данными для различных типов измерителей и средств связи подсистем, а также между подсистемами (единообразное описание интерфейсов обмена данными между подсистемами).
3. Модульная организация, с обеспечением добавления новых и удаления устаревших модулей из системы без ее полной перетрансляции. Возможность модульной реализации системы, в частности, обеспечивается стандартизацией форматов данных и интерфейсов взаимодействия модулей.
4. Иерархическое, многоуровневое построение, которое в сочетании с модульностью позволяет формировать автоматизированные рабочие места (АРМ) с различной функциональностью.
5. Многоуровневое протоколирование работы системы с различной степенью подробности и с возможностью полного сохранения данных, полученных из внешних источников (то есть от приборов) и повторного ввода сохраненных исходных данных.
6. Полное тестирование подсистем на стендах и в период внедрения и опытной эксплуатации — то есть работа на самом подробном уровне протоколирования с регулярным анализом функционирования системы по этим протоколам и накоплением статистических данных по быстродействию, объемам данных и отказам всех устройств/функций/подсистем.
7. Возможность тиражирования (клонирования) системы. Упрощение настройки и реконфигурации системы для установки на новый объект эксплуатации без изменения и перепрограммирования и перетрансляции исходного кода, возможность введения новых типов приборов (использование стандартных драйверов устройств от поставщика оборудования или их самостоятельная разработка при отсутствии стандартных) и их включение в систему по возможности без изменения существующего кода (т.е. необходимо иметь развитый набор метасистемных средств для наращивания ее функциональных возможностей и соответствующих АРМ администрирования и конфигурации системы).
8. Увеличение объема хранимых данных, как в связи с увеличением числа обслуживаемых объектов и числа измерителей на них, так и удлинением хранимой истории измерений приводит к обработке значительного объема данных и выборке по разнообразным запросам для фильтрации и анализа данных.
Развитие аналитических возможностей системы. Современные методы математической статистики [1, 78, 79] и анализа («добычи») данных [80] (OLAP и Data-Mining) уже давно используются в области финансов, маркетинга, медицине, системах поддержки принятия решений и имеют разнообразные средства для построения и анализа таких моделей по фактическим рядам данных различного вида. Имеется несколько программных пакетов как отечественных (например, пакет «СТАТИСТИКА» от StatSoft) так и зарубежных разработчиков, в том числе разработчиков СУБД.
Из многообразных методов статистического анализа данных для задач мониторинга и ретроспективного анализа объектов теплоэнергетики в системе используются в основном методы регрессионно-статистического анализа по нескольким параметрам [31], а также сравнение поведения объекта (параметров состояния) на рассматриваемом интервале времени с таковым же поведением этого или аналогичного объекта в прошлом при достаточном совпадении внешних (независимых) параметров [52]. С одной стороны для текущих эксплуатационных нужд каждого из объектов накопление исторических данных, а также таких же данных по другим объектам, не представляется необходимым, но для более полного анализа функционирования объекта и получения репрезентативной статистики объединение данных по всем объектам весьма желательно. Кроме того, централизованное хранение данных по всем объектам делает возможным групповой мониторинг и анализ их поведения при объединении в группы по различным критериям, а также выдачу итоговой информации по группе объектов на указанном интервале времени.
Групповой мониторинг и обследование объектов позволяет получать обобщенную информацию о работе группы объектов, что необходимо в частности для финансово-административного анализа [44]. Эта задача с одной стороны приводит к распределенной архитектуре системы, когда отдельные подсистемы мониторинга конкретных объектов должны поставлять данные в один или несколько административных и/или контролирующих органов, а с другой стороны требуются разнообразные средства отбора (фильтрации, селекции) данных по разнообразным критериям выборки (средства фильтрации в старой системе весьма ограничены).
Надо отметить, что имеется расхождение интересов и задач непосредственного учета и мониторинга объектов с задачами научного исследования и разработки методов технической диагностики поведения объектов теплоэнергетики. Понятно, что для задач научного исследования должны применяться более глубокие и ресурсоемкие методы математической статистики и другие аналитические средства. Таким образом, массив многолетних данных по достаточно большому числу объектов имеет самостоятельную ценность для задач научного исследования и анализа.
Система разделяется на несколько подсистем по характеру использования и реализации необходимого набора функциональных возможностей:
— подсистему сбора данных (ввод данных с измерителей);
— подсистему хранения (базу данных);
— подсистему отображения (пользовательский интерфейс АРМ);
— подсистему анализа результатов измерений.
На нижнем уровне для работы непосредственно с измерительными приборами подсистема сбора данных при помощи драйверов ввода/вывода обеспечивает управление счетчиками и контроллерами коммуникационной сети передачи данных, а также отображением полученных данных в реальном времени. В качестве средства разработки подсистемы сбора данных была выбрана SCADA-система (Supervisor Control And Data Acquisition) TRACE-MODE, интегрированная система для разработки АСУ ТП отечественного разработчика AdAstra. Основные отличия ее от технологий, реализованных в старых SCADA-системах сводятся к следующим трем ключевым позициям:
1. Единые инструментальные средства (единая линия программирования), как для разработки операторских станций, так и для программирования контроллеров. Единая база данных реального времени для операторских станций и контроллеров;
2. Разработка распределенной АСУ ТП как единого проекта. Единая распределенная база данных реального времени;
3. TRACE-MODE полностью поддерживает стандарт ОРС-2 (OLE for Process Control, клиент и сервер), что позволяет подключать к системе ОРС-серверы любых контроллеров. Кроме того, через встроенный ОРС-сервер
TRACE-MODE можно подключать любые пользовательские функции и внешние приложения.
К настоящему времени эта система разработки АСУ ТП имеет свыше 15 000 инсталляций. По числу внедрений в России TRACE-MODE значительно опережает зарубежные пакеты подобного класса. TRACE-MODE является первой и пока единственной программной системой на российском рынке, прошедшей сертификацию Госстандарта РФ.
Интенсивный процесс внедрения SCADA-систем побудил к разработке нового класса ИАС[23]. Одной из наиболее значимых разработок является система «АИСТ» [20,21,22] для источников теплоты, реализующая функции мониторинга технологических процессов выработки тепловой энергии с использованием системы TRACE-MODE 5. Система «АИСТ» внедрена в 2005 году и эксплуатируется в котельных «Курс» и «Южная» г. Арсеньев.
Следующий шаг в развитии данного направления связан с разработкой некой платформы [14] (универсальной заготовки) для создания систем анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики (ОТЭ). Основная цель, которая при этом преследовалась, заключается в следующем. Платформа должна содержать базу данных (БД) и достаточно полный набор программных средств для решения задач анализа (ориентированных на использование этой БД) и позволять оперативно, с незначительными временными затратами компоновать системы анализа для конкретных приложений. В 2006 году завершена разработка промышленной версии ИАС «СКУТЕР», в значительной степени отвечающей этому требованию.
Информационной базой системы «СКУТЕР» являются результаты измерений параметров ОТЭ, получаемые в процессе мониторинга с использованием SCADA-системы (в основном для источников теплоты) либо считываемых из архивов тепловычислителей (в основном для объектов-потребителей теплоты).
Система включает набор независимых программных модулей, ориентированных на решение требуемых прикладных задач и обладающих определенной функциональной направленностью. Основными модулями системы являются следующие: «Сбор данных», «Графики», «Таблицы», «Отчеты», «Температурные графики», «Тепловой режим», «Рекомендации», «Дефекты», «Диаграммы», «Зависимости», «Конфигуратор». Отдельные модули системы связаны между собой по структуре данных (которые вводятся, собираются и используются разными модулями), хранящихся в единой Базе Данных, и соглашениям о формате и способах передачи конфигурационной информации между модулями с использованием стандартных протоколов обмена данными. Система реализует клиент-серверную архитектуру, основанную на использовании единой базы данных, доступной клиентским приложениям (модулям) посредством сети передачи данных (TCP/IP).
Отдельные модули системы могут использоваться автономно (со своей локальной копией базы данных), например, модуль сбора при ручном сборе данных, с последующим вливанием (синхронизацией) собранных данных в общую базу. Другим примером использования раздельных баз данных является сбор данных с приборов учета в региональном центре сбора (например, по телефонным каналам) и их передача (синхронизация) в общий центр данных по скоростным линиям (TCP/IP).
Опыт разработки и эксплуатации ИАС ОТЭ показал их востребованность и адекватность с одной стороны, и необходимость усиления функциональности, то есть расширение сервисных возможностей с другой.
В настоящее время описанная выше платформа используется при проектировании информационно-аналитических систем мониторинга и анализа следующих теплоэнергетических объектов:
— котельная ООО «Теплоэнерго», г. Большой Камень;
— котельная ДВО РАН, г. Владивосток;
— система теплопотребления ОАО «Радиоприбор», г. Владивосток (15 тепловых узлов).
Приведем краткое описание функциональных возможностей информационно — аналитической системы, активно используемой при сервисном обслуживании тепловых узлов с установленными на них приборами учета.
4.2 Функциональные возможности системы СКУТЕР.
ИАС «СКУТЕР» предназначена для решения следующих основных задач:
— получение достоверных данных о гидравлических и тепловых режимах функционирования ОТЭ;
— обеспечение ресурсосберегающих режимов функционирования ОТЭ;
— своевременное выявление нештатных, критических и предупреждение аварийных ситуаций, возникающих при эксплуатации ОТЭ;
— упорядочение экономических взаимоотношений между поставщиками и потребителями тепловой энергии и воды, наблюдение за исполнением договорных обязательств, разрешение конфликтных ситуаций;
— сокращение эксплуатационных расходов на поддержание работоспособности ОТЭ и средств измерений;
— обеспечение надежного функционирования средств измерений;
— экономическое обоснование норм потребления и тарифов на энергоресурсы;
Для выполнения основных задач в системе реализованы следующие функции:
— создание, хранение и поддержка информационной БД ОТЭ;
— сбор и первичная обработка информации со средств измерений, установленных на ОТЭ, занесение полученной информации в информационную БД;
— обработка информации с целью определения показателей функционирования ОТЭ;
— отображение полученных характеристик гидравлических и тепловых режимов функционирования ОТЭ в виде отчетов, таблиц, графиков;
— формирование на основе полученной информации рекомендаций по ресурсосберегающим режимам функционирования ОТЭ;
— определение списка возможных нештатных и критических ситуаций, выработка рекомендаций по предупреждению аварийных ситуаций;
— выработка рекомендаций по устранению непроизводительных эксплуатационных потерь;
— контроль достоверности измерений, производимых приборами учета, выявление неисправностей, возникающих в приборах учета.
5 АНАЛИЗ РЕТРОСПЕКТИВНОМ ИНФОРМАЦИИ НА ПРИМЕРЕ.
КОНКРЕТНЫХ ОТЭ.
5.1 Несанкционированный водозабор
Одной из основных проблем в практике коммерческого учета тепловой энергии является несанкционированный отбор воды в закрытой системе теплоснабжения. Выявления подобных фактов «воровства» теплоносителя можно осуществить с помощью анализа распределения значений разности расходов по часам суток. Рассмотрим пример обнаружения несанкционированного водозабора для одного из объектов судебного департамента. Так на рис. 40 отчетливо прослеживается пик расхода в период с 16 до 19 часов. Можно предположить, что в это время, в конце рабочего дня, осуществляется уборка помещений и воду из системы отопления сливают.
Ъ СКУТЕР По, рейте,.
Файл Цастро0ки Мод>*ли Окна Справка дна ШАГ"^.-«."^ввш График Суд артемовский МиШса! III СОЕ через адаптер М1. М? М1 М2, Ошибка.
М1.ТА).
Щ М2. ТА1 | |ДМ1-М2,та7.
01 02 03 04 05 06 07.
10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 8 20 21 22.
График. чн аргемоасянЛ Ми1ь<-а Щ СМ ««-ре ад^ттрр 1ТН! ЕУЖЩ1 -1ШЫ|М|- ВДЯДЦ
170 106 1801″ 1901.06 20.01.06 210 106 22.01.06 23.01.06 24.0106 260 106 270 106 280 106 290 106 30.01.06 31.01.0 01:00 04:00 07:00 1 0.00 13 00 18:00 19.00 22СИ 01:00 04:00 07:00 1 000 1 3:00 1ВОО п"ри": тт .га ом" • т оз 06 омю.
Л<�жазано.01 01 70 108″. 01.17 011 100.
Рис. 40.
5.2 Сравнение объектов.
На практике довольно часто возникает ситуация, когда два одинаковых с точки зрения теплоэнергетических характеристик потребителя тепла, расположенных территориально рядом друг с другом по итогам месяца потребили разное количество тепловой энергии. При этом сделать вывод о причине подобной ситуации без анализа результатов измерения приборов учета не может даже специалист, обслуживающий данные объекты. В системе ретроспективного анализа предусмотрена возможность сравнения параметров функционирования двух потребителей тепловой энергии на графике. Такое графическое представление позволяет оценить величину рассогласования потребления тепла (температуры или расхода теплоносителя) одного объекта от того же параметра на другом объекте. Анализируя функционирование двух объектов легко обнаружить несоответствия, которые имели место быть, и сделать выводы относительно причин расхождения в теплопотреблении за выбранный промежуток времени.
Приведем конкретный случай из практики сервисного обслуживания объектов теплопотребления. Два детских сада ДС20 и ДС32 расположены через дорогу друг от друга. Оба здания выполнены по одному проекту, и теплоснабжение производится от одного источника. Однако по результатам месячного отчета за январь выяснилось, что количество тепла потребленного в ДС20 в 2 раза больше чем в соседнем детском саду ДС32. После тщательного анализа и сравнения функционирования этих объектов выяснилось, что в конце декабря расход на объекте ДС20 был раскручен и превышал значение установленное в договоре. Этот факт отчетливо прослеживается на графике. И именно завешенный расход является причиной различного теплопотребления на двух объектах.
Рис. 41.
5.3 Сравнение периодов.
Иногда, рассматривая отчеты о потреблении тепла и теплоносителей, за текущий и прошлый год легко можно обнаружить, что показания в них отличаются и порой существенно. Причина подобного расхождения неочевидна. Однако путем простого сравнения на графике изменения потребления тепловой энергии и других параметров теплоносителя за два интервала времени (например, месяц февраль текущего и прошлого года) можно сделать выводы относительно причин обнаруженного несоответствия. С этой целью в системе ретроспективного анализа объектов теплоэнергетики предусмотрена возможность сравнения изменения одного из измеряемых параметров в различные периоды времени.
На примере функционирования теплового узла в Институте автоматики и процессов управления (ИАПУ) рассмотрим сравнение режима теплопотребления за год до и после установки автоматики. По результатам анализа становится очевидным, что при работе автоматики на объекте мы получаем качественное теплоснабжение за счет учета изменения метеорологических условий на протяжении отопительного сезона. Так на графике отчетливо видно, что в 2005 году (синий график), когда на объекте не было автоматики, режим теплопотребления не изменялся в независимости от температуры наружного воздуха. Для обычного человека это означает лишь то, что когда на улице очень холодно ему приходится включать электрообогревательные приборы, а когда наступает оттепель, он переплачивает за то тепло, которое выпускает в форточку — за перетоп. В отопительный сезон 2005;2006 в ИАПУ установлена система автоматики, позволяющая регулировать теплопотребление объекта в зависимости от реальных потребностей в тепле. Это позволило повысить качество теплоснабжения.
Рис. 42.
5.4 Диагностика технического состояния теплового узла.
Техническое состояние теплового узла определяется дефектами оборудования тепловой системы, измерительного оборудования, а также связано с возникновением нештатных, критических и аварийных ситуаций при эксплуатации объекта потребителя тепла. Одной из задач, которую позволяет решить анализ результатов измерений, является своевременное обнаружение нештатных и критических, а также предотвращение аварийных ситуаций. Для обнаружения нештатных ситуаций в системе предусмотрен специальный программный модуль (рис. 43). Модуль позволяет обнаружить ряд дефектов представленных в виде формализованных описаний и сохраненных в БД [10]. Среди них можно выделить.
1. Нарушения договорных обязательств со стороны поставщика (потребителя) энергоресурсов по величине и диапазону измерения:
— мгновенного расхода транспортируемой среды;
— температуры в прямом и обратном трубопроводах;
— разницы температур (с привязкой к температуре наружного воздуха).
2. Превышение лимитов потребления тепла, воды за определенный период времени.
3. Несанкционированный отбор воды (в закрытой системе теплоснабжения).
4. Сверхнормативные утечки теплоносителя.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе приведены методы решения задач тестового диагностирования ОТЭ с использованием архивной информации тепловычислителей. Предложен метод выявления фактов фальсификации результатов измерений в закрытых системах теплопотребления и приближенного восстановления истинных значений измеряемых величин. Показана неадекватность используемой на практике методики аудита систем приборного учета тепловой энергии, основанной на прогнозировании погрешностей измерения, приводящих к нарушению баланса потоков в системе теплопотребления. Предложены пути повышения достоверности результатов прогнозирования погрешностей измерения. Разработаны и интегрированы в информационно-аналитическую систему мониторинга и анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики программные средства регрессионного анализа ретроспективной информации. Представлены материалы по разработанным и внедренным в промышленную эксплуатацию информационно-аналитическим системам применительно к двум классам объектов теплоэнергетики — потребителям и источникам тепловой энергии.
Дальнейшие работы в данном направлении предполагают разработку новых методов анализа ретроспективной информации для решения задач диагностирования, прогнозирования и анализа режимов функционирования ОТЭ. Прикладные работы ориентированы на развитие платформы для проектирования информационно-аналитических систем мониторинга и анализа объектов теплоэнергетики.
