Разработка системы автоматизированного расчета и анализа топливо-энергопотребления в стационарной теплоэнергетике железнодорожного транспорта

Железнодорожный транспорт занимает ведущее место в транспортном комплексе России в силу обширности территории страны, отдаленности мест добычи энергетических и сырьевых ресурсов от промышленных центров, неравномерности и плотности населения по регионам и разнообразия климатических зон, влияющих на специализацию сельскохозяйственного производства. На долю железных дорог на протяжении всего предыдущего периода приходились основные объемы перевозок массовых грузов (80−82%) и значительная часть пассажирских (40−60%).

Осуществляя основные для государства объемы перевозок, железнодорожный транспорт России является одним из самых крупных и стабильных транспортных потребителей энергоресурсов, ежегодно потребляя 5−6% вырабатываемой в стране электроэнергии и до 6% дизельного топлива.

Железнодорожный транспорт является не только потребителем продукции ТЭК, но и технологическим звеном в цепи производства энергии, обеспечивая транспортировку первичных энергоресурсов от места их добычи до источников, воспроизводящих энергию для потребителей, включая и собственно себя.

В общих ежегодных объемах грузоперевозок железными дорогами первичные энергоносители составляют 40−45% в том числе: уголь 28%, нефтеуглеро-ды 15%, сжиженный газ 2,0%, торф 0,02%, горючие сланцы 0,005%.

Поэтому железнодорожный транспорт является неотъемлемой частью энергетики страны и составляет с ней единый технологически связанный комплекс, взаимозаинтересованный в гармоничном развитии его обеих составляющих.

Значительный вклад в решение проблемы совершенствования потребления ТЭР в стране и на железнодорожном транспорте внесли Ф. Я. Аврух, Е. Т. Бартош, Н. И. Белоконь, Г. Ф. Болховитинов, Г. Л. Госпитальник, И. В. Гофман, А. Н. Златопольский, Л. К. Кистьянц, М. Г. Маханько, Б. Н. Минаев, В. Н. Михайловский, B.C. Молярчук, А. Н. Поплавский, C.JI. Прузнер, А. Х. Сальников, H.A. Фуфрянский, JI.A. Шевченко, Е. М. Юдаева и многие другие.

В Энергетической стратегии железнодорожного транспорта на период до 2010 и на перспективу до 2020 гг [1], отмечалось, что наряду с другими аспектами первоочередными задачами отрасли, в частности, являются:

— интенсивная минимизация и оптимизация энергетических затрат в стационарной энергетике железнодорожного транспорта;

— коренное улучшение структуры управления энергетическим комплексом отрасли на основе современных информационных технологий, систем учета и мониторинга энергоресурсов, взаимовыгодных систем взаимодействия производителей и потребителей энергоресурсов отрасли.

Актуальность выбранной темы диссертационной работы определяется необходимостью разработки более совершенной методологии аналитической работы в структурных подразделениях ОАО «Российские железные дороги», так как существующая в настоящее время практика анализа технико-экономических показателей работы теплоэнергетического оборудования обладает рядом существенных недостатков. Основными из них являются недостаточная точность анализа и невысокая оперативность его проведения. Устранение этих недостатков может быть достигнуто за счет использования современных методик расчета, проведения анализа с использованием персональных компьютеров.

Постоянный и интенсивный рост возможностей вычислительной техники стал одним из самых значительных признаков НТП конца 20 начала 21 веков. Увеличение производительности, объема памяти современных ЭВМ при относительно неизменной цене делает возможность применение их в тех областях, задачи в которых традиционно решались ручным и полуавтоматизированным способом. При этом использование ЭВМ особенно эффективно в областях, связанных с хранением, обработкой и представлением больших объемов информации. Большое количество информации делает практически невозможным ее обработку неавтоматизированным методом.

Исходя из этого, для решения задач оперативного и достоверного проведения анализа работы теплоэнергетического оборудования для структурных подразделений ОАО «Российские железные дороги» необходимы разработка и внедрение АРМ «Стационарная энергетика», который максимально полно позволит использовать возможности средств вычислительной техники. При этом подходы и средства, применяемые при создании АРМ, в большей степени зависят от специфики задач автоматизируемой предметной области, что часто делает невозможным применение только инструментального программного обеспечения общего назначения, в частности электронных таблиц [2,3] и т. д.

Проведенный анализ состояния дел в области информатизации стационарного теплоэнергетического хозяйства железнодорожного транспорта показывает, что программные продукты практически отсутствуют. Известна работа по разработке АРМ энергоаудитора-энергоменеджера [4], которая решает ряд вопросов автоматизации расчетов по нормированию расходов ТЭР промышленными предприятиями. К недостаткам данной работы относится то, что, она ориентирована на профессионально обученных энергоаудиторов, вопросы нормирования реализованы в основном за счет расчетов проектировщиков, т. е. без учета фактически сложившихся условий эксплуатации и, естественно, не учитывает специфику работы предприятий железнодорожного транспорта. В целом можно сделать вывод, что сложившаяся ситуация является следствием недостаточной проработки вопросов, связанных с математическим и программным обеспечением, лежащих в основе комплексов программ расчетов по нормированию расходов тепловой энергии и топлива, отсутствие формального описания большинства методик и алгоритмов, ориентированных на реализацию их на ЭВМ. Все это приводит к тому, что подход к решению многих задач в разрабатываемых системах во многом является копией подходов характерных для ручной обработки информации, традиционно существовавших до широкого применения средств вычислительной техники. Очевидно, что такие подходы часто не обеспечивают требуемого качества решения задач, так как многие из них исходят из ограниченных возможностей в части получения и обработки информации. В связи с этим задача, связанная с разработкой математического и программного обеспечения АРМ «Стационарная энергетика» является актуальной. Целями диссертационной работы являются:

— автоматизация функций расчетов по нормированию и анализу расходов топливно-энергетических ресурсов (тепловой энергии и топлива), потребляемых на уровне структурного подразделения и организация прогнозирования его расхода;

— использование единого информационного и технологического пространства для всех структурных подразделений ОАО «Российские железные дороги»;

— обеспечение оперативности расчёта технико-экономических показателей для своевременного принятия управленческих решений;

— формирование единого подхода при проведении расчетов с одновременной компенсацией дефицита инженерно-технических работников с базовым теплоэнергетическим образованием;

— проведение анализа и оценка потенциала энергосбережения на уровне структурного подразделения железнодорожного транспорта с составлением нормализованного баланса потребления тепловой энергии и топлива;

— компьютерное моделирование влияния различных факторов на величину потребления ТЭР, позволяющее решить оптимизационную задачу при модернизации или реконструкции объектов, выполнение прогнозных расчетов;

— определение нормативной отпускной цены на генерацию и транспортировку тепловой энергии, которая может быть использована при формировании тарифа при расчете со сторонними потребителями.

Для достижения указанных целей необходимо решить следующие задачи:

— разработать формальное описание методик и алгоритмов расчета;

— разработать информационную модель АРМ «Стационарная энергетика»;

— выбрать структуру хранения данных и получить математические выражения для составления нормализованного баланса по расходу тепловой энергии и топлива для структурных подразделений отрасли;

— разработать программное обеспечение для реализации задач, сформулированных при разработке АРМ «Стационарная энергетика».

В качестве методов исследования используется математический аппарат теории множеств, реляционная алгебра и системные методы построения реляционных моделей данных.

Научная новизна результатов, полученных автором диссертации, состоит в следующем:

• предложен способ организации вычислений по нормированию расходов тепловой энергии и котельно-печного топлива на уровне структурного подразделения всему множеству потребителей, базирующийся на полученных выражениях реляционной алгебры для выполнения скалярных вычислительных операций над реляционной моделью данных.

• разработана и реализована в комплексе программ совокупность обобщающих методик, позволяющих проводить расчеты по нормированию расходов тепловой энергии и топлива на уровне структурных подразделений железнодорожного транспорта и на их основе формировать отпускную цену на генерацию и транспортировку тепловой энергии сторонним потребителям;

• впервые на железнодорожном транспорте осуществлена разработка единой автоматизированной технологической и информационной среды по нормированию, анализу и прогнозу расхода топливно-энергетических ресурсов (тепловая энергия и топливо) на уровне структурного подразделения ОАО «Российские железные дороги».

• на основе разработанных требований к автоматизации процессов управления и с учётом их особенностей разработана модель данных и определены алгоритмы системы. При этом рациональная организация массивов данных даёт возможность унификации проведения расчётов по архиву за любой предыдущий год или при выполнении прогнозных расчетов. • разработаны автоматизированные информационные технологии, которые создают предпосылки для реализации нового направления в рациональном использовании ТЭР на основе широкого и оперативного обслуживания пользователей по использованию применяемых государственных и отраслевых стандартов, нормативных документов по различным энергетическим устройствам и методам их эксплуатации. На защиту выносятся: функциональная структура АРМ «Стационарная энергетика», архитектура информационной модели и взаимодействие её элементов, состав информационной модели, состав выходных форм, технология работы системы применительно к структурному подразделению железнодорожного транспорта, информационная модель формирования отпускной цены по генерации и транспортировке тепловой энергии, применительно к объектам железнодорожного транспорта.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанное программное обеспечение АРМ «Стационарная энергетика» позволяет:

— автоматизировать функции расчетов по нормированию, прогнозированию и анализу расходов топливно-энергетических ресурсов (тепловой энергии и топлива), потребляемых на уровне структурного подразделения;

— использовать единое информационное и технологическое пространство для всех структурных подразделений ОАО «Российские железные дороги»;

— обеспечить оперативность расчёта технико-экономических показателей теплоэнергетического оборудования для своевременного принятия управленческих решений;

— унифицировать проведение расчетов при одновременной компенсации дефицита инженерно-технических работников с базовым теплоэнергетическим образованием;

— осуществлять анализ и оценку потенциала энергосбережения на уровне структурного подразделения железнодорожного транспорта с составлением нормализованного баланса потребления тепловой энергии и топлива;

— реализовывать компьютерное моделирование влияния различных факторов на величину потребления ТЭР, решать оптимизационную задачу при модернизации или реконструкции объектов, выполнять прогнозные расчеты;

— определять нормативную отпускную цену на генерацию и транспортировку тепловой энергии при расчете со сторонними потребителями.

Внедрение результатов работы.

АРМ «Стационарная энергетика» является составной частью Единой корпоративной системы управления топливно-энергетических ресурсов на железнодорожном транспорте. Входящая в состав АРМ прикладная программа по определению нормативной отпускной цены на генерацию и транспортировку тепловой энергии в соответствии с Указанием МПС № П-555 от 06.06.2003 (п. 3.2) внедрена на сети железных дорог.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были изложены и обсуждены на заседании Центральной комиссии ОАО «Российские железные дороги» по ресурсосбережению (2004г), на сетевой школе в локомотивном депо Металлострой Октябрьской железной дороги (2002 г), сетевой школе в локомотивном депо Воронеж-Курский Юго-Восточной железной дороги (2004 г), на Дорожных школах Приволжской, Куйбышевской и Горьковской железных дорогах (2003г). Материалы данного исследования использовались при разработке Энергетической стратегии железнодорожного транспорта до 2010 г и на перспективу до 2020 г., которая была утверждена НТС ОАО «Российские железные дороги» 24 мая 2004 г. По материалам диссертационного исследования опубликовано 7 работ с общим объемом 3,5 п.л. Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В диссертационной работе получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Выполнен анализ потребления ТЭР железнодорожным транспортом и на его базе обоснована целесообразность применения автоматизированного подхода к технологии управления потреблением топливно-энергетическими ресурсами, в том числе в стационарной теплоэнергетике. В 2003 г. железнодорожный транспорт израсходовал чуть менее 25 млн. т у.т., в т. ч. электроэнергии -57%, котельно-печного топлива -20%, дизельного топлива -19% и тепловой энергии со стороны — 4% .

2. Создано и реализовано в виде компьютерной программы автоматизированное рабочее место (АРМ) «Стационарная энергетика», которое позволило:

— осуществить автоматизацию расчетов по нормированию и анализу расходов топливно-энергетических ресурсов (тепловой энергии и топлива), потребляемых на уровне структурного подразделения и организацию прогнозирования его расхода;

— сформировать единый подход для проведения расчетов при одновременной компенсации дефицита инженерно-технических работников с базовым теплоэнергетическим образованием;

— реализовать способ организации вычислений по нормированию расходов ТЭР с использованием единого информационного и технологического пространства для всех структурных подразделений ОАО «Российские железные дороги»;

— обеспечить оперативность расчёта технико-экономических показателей эксплуатации теплоэнергетического оборудования для своевременного принятия управленческих решений;

— проводить анализ и оценку потенциала энергосбережения на уровне структурного подразделения железнодорожного транспорта с составлением нормализованного баланса потребления тепловой энергии и топлива;

— осуществлять компьютерное моделирование влияния различных факторов на величину потребления ТЭР, позволяющее решить оптимизационную задачу при модернизации или реконструкции объектов, выполнение прогнозных расчетов;

— определять нормативную отпускную цену на генерацию и транспортировку тепловой энергии, которая используется для формирования цены при расчете со сторонними потребителями.

3. Предложено решение по формированию информационно-аналитической системы (ИАС) «Стационарная энергетика» в рамках Единой корпоративной автоматизированной системы управления ТЭР, поддержанное НТС ОАО «Российские железные дороги» (24.05.2004 г.), которое обеспечивает оперативность доступа к информации при одновременном повышении надёжности хранения и обработки данных.

4. Разработана информационная модель АРМ «Стационарная энергетика», в которой набор массивов данных отвечает задачам обеспечения функциональной полноты нормирования и анализа расходов топливно-энергетических ресурсов. В настоящее время базовый вариант АРМ «Стационарная энергетика» по нормированию расходов энергоресурсов используется структурными подразделениями отрасли при оценке энергопотребления в стационарной энергетике.

5. Разработаны и утверждены МПС России (24.12.2001г. и 23.12.2002 г.) методики по нормированию расходов теплоты и топлива стационарными потребителями железнодорожного транспорта, на их базе получены выражения реляционной алгебры для различных потребителей ТЭР, положенные в основу разработки АРМ «Стационарная энергетика».

6. На основе методик по нормированию расходов теплоты и топлива разработана и утверждена МПС РФ (04.01.2001 г.) методика определения стоимости отпущенной тепловой энергии и затрат при ее транспортировке. На основе методики создана и реализована компьютерная программа. В соответствии с Указанием МПС РФ П- № 555 от 06.06.2003 г. (п. 3.2) все предприятия отрасли проводят расчеты при определении стоимости генерации тепловой энергии в соответствии с методикой и программным обеспечением, разработанным ВНИИЖТ. Время выполнения расчета составляет 0,25−0,3 часа.