CC BY
59
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
218
"ДК 621316 И. Н. КРАСНОКУЦКИЙ
В. Л. ЮША
Омский государственный технический университет
АЛГОРИТМЫ И СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ
Данная статья посвящена проблеме управления системами электроснабжения осветительных установок. Рассмотрена структура управления системой электроснабжения осветительных установок. В статье дается обоснование применения нечеткой логики при управлении системой электроснабжения осветительных установок наружного освещения.
Ключевые слова: осветительная установка, средства управления системами электроснабжения, метод нечеткой логики.
Структура управления системой электроснабжения осветительных установок в соответствии с назначением и объемом выполняемых задач представляет собой многоуровневую систему, построенную по иерархическому принципу с необходимым составом оборудования на каждом уровне:
— нижний уровень — осветительные установки;
— средний уровень — территориально распределенные системы электроснабжения осветительных установок с контроллерами и средствами связи;
— верхний уровень — центральный диспетчерский пункт, состоящий из сервера телемеханики со средствами связи, программного комплекса (ПК), одного или нескольких автоматизированных рабочих мест (АРМ) на базе ПЭВМ, объединенных в локальную вычислительную сеть.
При наличии в осветительных установках пускорегулирующей аппаратуры, включение может быть
осуществлено в номинальном режиме, уровень электропотребления — 100 % или экономичном (ночном), уровень — 50 % для каждой фазы в отдельности.
Для управления системами электроснабжения осветительных установок используются следующие режимы:
— автоматический (на основе ранее составленного расписания);
— ручной (включение осуществляется диспетчером системы).
Эти режимы слабо учитывают состояние текущих условий внешней среды: в первом случае расписание составляется на основе длины светового дня и не учитывает внешние погодные условия. Во втором случае управление ограничивается визуальной оценкой диспетчера, что может быть актуально только для небольшой зоны, находящейся в непосредственной близости к диспетчерскому центру. В результа-
Питающая линия ~ 50 Гц 220/380 В
■т
А В С N
©о-
А В С N
0 0 0 0
Система электроснабжения осветительных установок
Осветительные установки НЬ1 ИЬ2 ИЬ3 ИЬ4
РЕ
-V
-V
-V
Рис. 1. Система электроснабжения осветительных установок
N
А
В
С
Типы включения системы электроснабжения осветительных установок
Обозначение режима работы АСДУ НО Z NM PM PS PB
Проценты от максимальной мощности включения, % 0 16,7 33,3 50 66,6 83,3 100
Тип включения Все фазы отключены 1 фаза 50% 2 фазы 50% или 1 фаза- 100% 3 фазы- 50% или 1-100% и 1 - 50% 2 фазы- 100% или 1-100%, 2 фазы 50% 2 фазы- 100% и 1 - 50% 3 фазы 100%
Рис. 2. Структурная схема интеллектуальной системы принятия решения
те могут возникнуть недостатки освещенности в силу погодных условий, что нежелательно в городских условиях и может привести к аварийным ситуациям на дорогах и повышенному травматизму людей. Другой стороной такого управления может стать более раннее включение городского освещения, что, в свою очередь, ведет к излишнему расходу электроэнергии, который в условиях большой нагрузки может быть довольно значительным в то время, когда погодные условия позволяют более позднее включение без потери в освещенности.
Пример системы электроснабжения осветительных установок представлен на рис. 1 [1], где НЬ1 — НЬ4 — осветительные установки.
Как видно из рис. 1, подключение осветительных установок осуществляется с чередованием фаз питающего напряжения А, В, С. Это делается для того, чтобы уменьшить коэффициент неравномерности освещения при отключении одной или двух фаз в результате аварии. По этой же причине при монтаже силовых линий не подключают установленные рядом светильники к одной фазе питающего напряжения, к тому же такой способ подключения эффективен при использовании ночного режима с отключением части осветительных установок.
На основе теории нечетких множеств можно выделить семь типов включения системы электроснабжения осветительных установок: 0 %, 16,7 %, 33,3 %, 50 %, 66,6 %, 83,3 %, 100 % [2]. Эти типы включения системы электроснабжения позволяют получать различные номиналы мощности, в зависимости от типа включения (уровень мощности 100% или 50%) и количества задействованных фаз (при условии их равномерного чередования). Эти состояния приведены в табл. 1. Два из представленных режимов: 16,7 % и 83,3 % использовать нецелесообразно, т.к. прирост искусственной освещенности при переходе в эти режимы
незначительный, а количество переключений возрастает на 50 процентов.
Переход из одного состояния в другое происходит в соответствие с заданными правилами, которые разрабатываются специалистами системы.
Эти правила учитывают следующие условия:
— календарный день года;
— текущее время суток;
— текущее расписание (годовое или индивидуальное);
— значение уличной естественной освещенности.
Последний фактор выбора режима можно, несомненно, считать самым важным, на котором должно быть построено управление системой электроснабжения осветительных установок. Замеры текущей естественной (солнечной) освещенности сравниваются со значениями, обозначенными в правилах, определенных специалистами и заложенных в систему, в итоге выноситься решение о выборе режима включения системы электроснабжения осветительных установок. На основе полученного решения производятся оперативные переключения, в соответствие не только с расписанием, но и с текущими погодными условиями, в конкретной географической точке. При этом возникает возможность выбора режима включения осветительных установок для каждой системы электроснабжения в отдельности, либо их территориально объединенной группы.
Использование нечеткой логики при решении данной проблемы объясняется тем, что, несмотря на то, что астрономическое время восхода и заката определено до минут, невозможно с необходимой точностью спрогнозировать погодные условия и, как следствие, уровень естественной освещенности, по которому определяется время включения или отключения осветительных установок, а также выбор режима их работы. Использование простого порогового
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
устройства, такого как фотореле, вызывает у обслуживающего персонала дополнительные сложности, например необходимость постоянной подстройки порогов включения. Также в фотореле не учитываются календарный день года и время суток, что существенно понижает надежность принятия решения в случае неисправности фотометрического датчика, его загрязнения или засветки. Поэтому для вычисления рекомендуемой мощности включения используется интеллектуальная система принятия решения.
Вычисление рекомендуемой мощности включения системы электроснабжения осветительных установок производится на основе входных переменных «Освещенность» Е, «Режим дня» ЯБ, «Время суток» ^, «День года» Б и составленного свода правил. Структурная схема интеллектуальной системы принятия решения приведена на рис. 2.
Алгоритм управления осуществляется по методу Мамдани. Переменная «Режим дня» имеет четыре лингвистических состояния: «Утро», «День», «Вечер», «Ночь» и определяется по двум входным переменным «Время суток» и День года». «Режим дня» определяется для того, чтобы обеспечить смещение границ лингвистических состояний в течение года. «Мощность включения», в свою очередь, находится по переменным «Режим дня» и «Освещенность». После получения входного массива данных происходит его фаз-зификация, т.е. преобразование числовых значений в лингвистические переменные и определяются соответствующие функции принадлежности т(ЯБ) и ц(Е). Результатом фаззификации является множество В = {Ъ^}, где К — значение функции принадлежности для каждого подзаключения свода правил. Далее выполняется агрегирование или процедура определения степени истинности условий по каждому из перечисленных правил системы нечеткого вывода методом логической конъюнкции.
ъ] = тт{т(Д£), ц(Е)} . (1)
Результатом агрегирования является множество значений функций принадлежности В"={Ъ1”}, где I — общее количество входных нечетких правил, определенных на этапе фаззификации.
В качестве метода вывода заключений (активизации) используется метод минимального значения, выполняющий активизацию логического заключения по формуле:
(Рвкл) = т1П{Су, т(Рвкл)}, (2)
где т(РВКё) — функция принадлежности терма, являющегося значением выходной переменной Рвкё;
с. — элемент множества С = {с}, который определялся, как алгебраическое произведение элементов Ъ" множества В" и значений весовых коэффициентов для каждого из правил системы нечеткого вывода. В данной системе все коэффициенты К равны единице.
Аккумуляция или процесс нахождения функции принадлежности для каждой из выходных лингвисти-
ческих переменных Р ={Р }, выполняется по фор-
± ВКЛ ^ ВКЛ,1* ' ” Г
муле:
т г (Рвкл ) _ тах С г, Ц г (Рвкл )}, (3)
где |х/(Р ) — функция принадлежности, полученная в результате активизации правил нечетких продукций;
В качестве дефаззификации или приведения к четкости применяется метод наибольшего (правого) модального значения:
Рвкл = тах {Рвклт }, (4)
где РВ1ат — модальное значение (мода) нечеткого множества для выходной переменной Рвкл после аккумуляции, определяется следующим образом:
Рвкл
= агдтах{ц (рвкл)}, (5)
где Рвкё^ [0,100].
В соответствии с рассчитанным значением мощности включения Рвкл формируется набор команд телеуправления для системы электроснабжения осветительных установок, который выводит их на заданный режим работы.
Экономия электрической энергии, в зависимости от погодных условий, а именно текущей облачности, может составлять до 50 % в часы восхода и заката или 5 % суточного потребления.
Таким образом, применение нечеткой логики при управлении системой электроснабжения осветительных установок наружного освещения позволяет не только автоматизировать процесс принятия решения о времени включения и необходимом режиме работы и экономить электроэнергию, но и отслеживать соответствие принятого решения текущему времени суток и календарному дню года, что значительно уменьшает появление ошибок.
Библиографический список
1. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю. Б. Айзенберга. 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Знак, 2006. — 972 с.
2. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Д. А. Поспелова. — М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. — 312 с.
КРАСНОКУЦКИЙ Иван Николаевич, аспирант кафедры электроснабжения промышленных предприятий.
ЮША Владимир Леонидович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Холодильная и компрессорная техника и технология».
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 17.11.2011 г.
© И. Н. Краснокуцкий, В. Л. Юша
