CC BY
36
УДК 681.326; 681.12
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОМ ХОЗЯЙСТВЕ: ПОСТРОЕНИЕ КОМПЛЕКСА ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СБОРА, КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА БЫТОВОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ
И.Р. ГИЛЬМАНШИН, А.В. ФЕРЕНЕЦ Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева,
В статье обоснованы принципы построения и методика синтеза системы автоматизированного учета и всестороннего централизованного контроля бытового потребления энергоносителей. Учтена функция раннего выявления потерь и возможность интеграции локальных информационных систем различной конфигурации и назначения. Дан анализ эффективности применения системы в сфере ЖКХ с позиции энергосбережения.
Ключевые слова: энергосбережение, бытовое потребление энергоносителей, сети Петри, цепи Маркова.
Введение
Находящиеся на муниципальном балансе коммунальные предприятия, несмотря на ежегодный рост тарифов, остаются по большей части убыточными и не обеспечивают должного качества предоставляемых услуг для потребителей. Такое положение обусловлено низкой производительностью труда, сверхвысоким энерго- и ресурсопотреблением, вытекающим из технологической отсталости, недостаточным уровнем эффективности менеджмента [1]. Зарубежная практика показывает, что регулирование тарифов - необходимое, но не достаточное условие для достижения баланса между стоимостью и качеством услуг, а также энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ).
Энергосбережение в ЖКХ невозможно без его информатизации, важнейшей составляющей которой является автоматизированный учет и контроль поквартирного потребления энергоносителей. Анализ состояния вопроса по разработке и внедрению автоматизированных систем сбора жилищно-коммунальной информации показывает [2], что в настоящее время актуальной задачей является построение комплекса централизованной автоматизированной системы сбора, контроля и анализа жилищно-коммунальной информации по всем основным энергоносителям (электроэнергии, газу, теплу, холодной и горячей воде). Более того, возможность расширения функций системы как по числу и роду контролируемых параметров (в том числе по решению задач охранной и противопожарной сигнализации), так и в направлении обеспечения безопасности (своевременное распознавание и минимизация ущерба от аварийных ситуаций).
Принципы построения и методика синтеза системы автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей
Основной задачей разрабатываемой системы является сбор и передача данных о расходовании энергоносителей. Первичными источниками информации для нее будут квартирные счетчики газа, воды, тепла и электроэнергии, как правило, находящиеся на удалении друг от друга.
Объединение всех счетчиков по микрорайону или даже по многоквартирному дому в единую информационную сеть значительно усложнит не только структуру системы, но и алгоритм ее работы [2]. Поэтому целесообразно отделить источники информации от централизованной базы данных промежуточными контроллерами, сформировав на уровне квартиры и дома локальные подсистемы: квартирный контроллер - счетчики энергоносителей и домовой контроллер - квартирные
контроллеры. Основные функции квартирных контроллеров - организация работы квартирной сети, первичная обработка и систематизация информации, поступающей со счетчиков. Домовой контроллер консолидирует данные, поступающие с квартирных контроллеров, и поддерживает трансляцию информационного массива на центральный диспетчерский пункт. Месторасположение центрального диспетчерского пункта и количество обслуживаемых домов подбирается с учетом плотности застройки жилого сектора и его этажности. При монтаже системы в частном секторе (где плотность застройки ниже, по сравнению с городом) индивидуальные ее компоненты желательно отделить от центрального пункта сбора информации дополнительным модулем наподобие домового контроллера. С этой целью можно установить промежуточный блок, объединяющий, например, индивидуальные компоненты одной улицы.
Исходя из вышесказанного и в соответствии с уровнями: квартира (частный дом), дом (группа частных домов), район - принципами построения исследуемой системы [3] являются иерархичность и многоуровневость.
Иерархическое построение системы с тремя основными уровнями (квартира, дом, район) наиболее целесообразно как с позиций организации информационных потоков с тремя узлами сбора, форматирования и анализа первичных данных, так и с позиций поэтапного внедрения системы с возможностью ее наращивания, расширения функциональных возможностей и модернизации отдельных частей без нарушения работоспособности в целом.
Разработка методики синтеза системы автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей (САУ и КБПЭ) - ключевого звена информационно-аналитического комплекса включает постановку задачи, иерархическую трехуровневую концепцию построения, математические модели системы и ее модуля раннего выявления потерь, алгоритм логического управления, имитационную модель и ее экспериментальное исследование в структуре программного комплекса. Научной основой методики служит представление информационного обмена как последовательно-паралельного дискретно-непрерывного процесса.
Дискретно-динамический характер информационного обмена, распределенная структура системы с большим количеством элементов нижнего уровня и необходимость разработки гибкой системы логического управления, способной объединить различные системы сбора показаний счетчиков, обусловили необходимость построения имитационной модели.
Анализ литературных источников по методам исследования дискретно-динамических систем показал, что сети Петри [4] являются наиболее удобным математическим аппаратом для моделирования автоматизированной системы учета и контроля бытового потребления энергоносителей. Сети Петри в компактной форме отображают структуру взаимодействия именно последовательно-параллельных процессов и динамику изменения состояний, визуализируют структуру объекта и алгоритм функционирования. Основная идея моделирования заключается в возможности интерпретации перемещения пакетов данных в информационных системах перемещением меток в сети Петри-моделях.
Проблемно ориентированная модификация аппарата сети Петри - дискретно непрерывная сеть (ДН-сеть) в применении к информационно-измерительным системам принимает вид: С = < Р, Т, I, О, М, Ь >, где Р = (рг рг... рП) - множество позиций; Т = (¿г ¿2...¿ж) - множество переходов; Рф Ш, Тф Ш, Р&Т = Ш; I: Т—Р-входная функция: отображение из множества переходов в комплекты позиций; О: Т—Р - выходная функция: отображение из множества переходов в комплекты позиций; М = (жг, ..., Жп) - маркировка сети, п-мерный вектор, значения его компонентов равны числу меток в соответствующих позициях; Ь = (сг, ог, ..., он) -множество цветов функционирующих в сети меток.
Для своевременного выявления опасных ситуаций, обеспечения надежности системы и энергосбережения необходимо оценить вероятностные характеристики многоэтапных дискретных случайных процессов. Для этого используется математический аппарат Марковских цепей [5].
Основные результаты
Реализация указанных принципов в сочетании с анализом задач, решаемых исследуемой системой [6], позволили представить ее в виде информационного поля, обеспечивающего передачу данных (основных, служебных, дополнительных) от отдельных счетчиков к центральному диспетчерскому пункту (рис. 1).
Рис. 1. Структура информационных потоков в системе
Спроектирована система логического управления, включающая синтез принципиальной схемы объекта. Это позволило в простой, наглядной форме и достаточно информативно дать представление об объекте, для которого проектируется система логического управления (СЛУ) [7] .
Иерархическая модель построения системы и различный приоритет обрабатываемой информации подразумевают многоуровневый ситуационный алгоритм работы. Алгоритм работы системы в целом условно поделен на блоки:
1 управление на уровне квартирной сети;
2 управление на уровне домовой сети;
3 управление системой в целом;
4 управление системой при прохождении данных с повышенным приоритетом.
В результате формализация основных элементов САУ и КБПЭ получена в виде ДН-сетей модели квартиры (оборудованной приборами учета холодной и горячей воды, газа, электроэнергии, сигнализацией), дома с тремя квартирами и системы в целом. В модели квартирной ДН-сети (рис. 2) совокупность позиций pi - p8 моделирует счетчики холодной и горячей воды, газа, электроэнергии. Позиции p9 -p12 - информационные буферы квартирного контроллера. Совокупность позиций p13 - p15 моделирует таймер информационного обмена приборов учета с домовым контроллером. Период информационного обмена задается кратностью дуги я4. С целью разделения информационных пакетов, передаваемых с разных счетчиков энергоносителей, соответствующие фишки маркированы различными цветами. Позиции p17 - p18 моделируют датчики-сигнализаторы. Принимая во внимание повышенный приоритет сигналов с модуля сигнализаций, его описание производится отдельно.
Рис. 2. Модель квартирного уровня в виде ДН-сети
Требования надежности и энергосбережения обусловили интеграцию модуля раннего обнаружения энергетических потерь. Систематизированы распространенные внештатные ситуации, предложен алгоритм выявления и методика детектирования аварийных ситуаций. Разработан алгоритм работы модуля раннего выявления энергетических потерь.
С учетом анализа взаимосвязи между вероятностью наступления внештатных ситуаций стохастического характера и передачей полноценных данных разработана методика оценки вероятностных характеристик модуля раннего выявления энергетических потерь. Построен граф состояний алгоритма его функционирования (рис. 3).
Рис. 3. Граф состояний алгоритма функционирования модуля раннего выявления потерь
Указанные позиции характеризуют следующее: S6 - поступление данных с прибора учета; S5 - исследование данных на предмет выявления утечки энергоносителя; S4 - этап комплексного анализа показаний приборов учета на предмет выявления некорректной работы; S3 - анализ показателей качества энергоносителя на соответствие нормативу; S2 - итоговое заключение об успешном прохождении всех этапов контроля; S1 - выявление отклонения исследуемых данных от заданного значения.
В соответствии с разработанной моделью САУ и КБПЭ в виде ДН-сети и средствами SCADA-технологий TRACE-MODE разработан программный комплекс. Использование в качестве счетчиков энергоносителей их моделей позволило провести
экспериментальное исследование работы имитационной модели.
Обсуждение результатов
Построенные модели наглядно демонстрируют процесс формирования информационных пакетов и их прохождение по сети и служат индикаторами реализации алгоритма логического управления системой автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей.
Показана эффективность применения предложенной иерархической трехуровневой концепции построения САУ и КБПЭ, основанной на сетевом моделировании, и возможность беспрепятственного ее расширения за счет включения дополнительных элементов нижнего уровня.
В ходе анализа разработанной математической модели модуля раннего выявления потерь получены зависимости, позволяющие установить пороговые значения надежностных характеристик узлов системы. Установлено, что выбрав некоторое значение вероятности передачи достоверной информации, можно наложить ограничения на пороговые значения вероятностей наступления отдельных событий алгоритма, что, в свою очередь, накладывает ограничения на характеристики надежности аппаратной части системы. Полученные результаты позволяют дать количественную оценку влиянию характеристик надежности отдельных узлов системы на вероятность передачи достоверных данных.
Применение математического аппарата цепей Маркова позволило не только рассчитать численные значения соответствующих величин, но и вывести формулы определения дисперсии для всех групп данных. Вычисления производились с использованием программной оболочки Mathcad 2000 Professional, что позволило существенно сократить время расчета и пересчета искомых параметров при изменении входных данных.
Результаты исследования разработанных моделей позволили перейти к этапу программной реализации имитационной модели САУ и КБПЭ.
Экспериментально установлено, что разработанная иерархическая трехуровневая концепция построения информационно-измерительной системы автоматизированного учета и контроля бытового потребления энергоносителей, основанная на сетевом моделировании, полностью работоспособна. Она позволяет не только осуществлять поэтапное внедрение системы, но и, благодаря применению стандартных программных и аппаратных средств, решает вопрос интеграции сторонних систем автоматического учета расхода энергоресурсов.
Программный макет, во-первых, решает задачи организации поабонентного учета и контроля бытового потребления энергоносителей. Во-вторых, организует работу модуля сигнализаций, поддерживает функцию контроля его работоспособности и обеспечивает незамедлительное прохождение сигнала тревоги. В-третьих, в автоматическом режиме формирует базу данных и производит необходимую их обработку (организация многотарифной схемы оплаты и выписка счетов). Благодаря использованию стандартной базы возможно включение широкого спектра дополнительных функций, вплоть до автоматической рассылки жильцам выписок в виде SMS сообщений.
Выводы
1. С учетом принципов иерархичности, многоуровневости, сетевого моделирования разработана инженерная методика, в основе которой иерархическая трехуровневая концепция построения информационно-измерительной системы.
2. Расширены границы применимости разработанной методологии ДН-сетей. Разработана методология моделирования сложных распределенных информационных систем на примере САУ и КБПЭ: формализация базовых элементов системы; формализация функционирования элементов САУ и КБПЭ в терминах теории сетей Петри; расширение определения ДН-сетей, проблемно ориентированных на моделирование информационных систем; моделирование сложной распределенной информационной системы (САУ и КБПЭ).
3. Разработанные алгоритмы обнаружения нештатных ситуаций позволяют при помощи определенных расчетов выявлять опасные ситуации. Построена
математическая модель функционирования модуля раннего выявления энергетических потерь как поглощающей сети Маркова.
4. Предложена адаптированная к моделированию сложных распределенных информационных систем (САУ и КБПЭ) методика автоматизированного проектирования математических моделей на основе программного комплекса «САМ ДНХТС».
Итак, результаты работы позволяют существенно расширить функциональные возможности информационно-аналитического комплекса и повысить эффективность автоматизированных систем в вопросах энергосбережения в бытовом секторе экономики.
Summary
In article the principles of construction and a technique of system synthesis of the automated account and the all-round centralized control of household consumption of energy carriers are proved. Function of early revealing of losses and an opportunity of integration of local information systems of a various configuration and purpose is considered. The analysis of efficiency of system application in the area of housing and communal services from the position energysaving is given.
Key worlds: energysaving, household use of energy sources, networks of Petri, Markov chains.
Литература
1. Ельцов В. Задачи реформирования жилищно-коммунального комплекса России / В. Ельцов. - Режим доступа: http://national.invur.ru/index.php?id=1418, свободный. Проверено 06.06.2007.
2. Энергосбережение в жилищном фонде: проблемы, практика и перспективы / Справочник. - М.: Институт экономики города, 2004. 105 с.
3. Гильманшин И. Р. Автоматизированный учет потребления энергоресурсов как условие эффективного функционирования системы ЖКХ / И. Р. Гильманшин, А. В. Ференец // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2007. № 3. С. 18-20.
4. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем / Дж. Питерсон. М.: Мир, 1984. 264 с.
5. Кемени Дж. Конечные цепи Маркова / Дж. Кемени, Дж. Снелл. М.: Наука, 1970. 272 с.
6. Гильманшин И. Р. Применение современных информационных технологий для решения задачи учета и контроля бытового потребления энергоносителей / И. Р. Гильманшин // Новые информационные технологии: тезисы докладов XI Международной студенческой школы-семинара. М.: МГИЭМ, 2003. Т. 2. С. 590-591.
7. Юдицкий С. А. Логическое управление роботизированными технологическими комплексами: методика проектирования / С. А. Юдицкий, О. О. Белоусов, Л. А. Ивченков. М.: Институт проблем управления, 1987. 60 с.
Поступила в редакцию 7 мая 2009 г.
Ференец Андрей Валентинович - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Электрооборудование» Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. Тел.: 8 (843) 236-76-23.
Гильманшин Искандер Рафаилевич - ассистент кафедры «Электрооборудование» Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. Тел.: 8-9272-40-9727. Е-mail: is-er@yandex.ru.
