Моделирование интеллектуальных трубопроводных систем энергетики Текст научной статьи по специальности «Математика»

Software Engineering. URL: https://www.w3.org/2001/sw/BestPractices/SE/ODA/060103/.

7. Forman I., Forman N. Java Reflection in Action. Greenwich: Manning Publications Co., 2005. 273 p.

Integrated graphical environment for modeling of pipeline systems

Valery Alexeevich Stennikov, Doctor of Sciences, Professor, Deputy Director, Melentiev Energy Systems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (ESI SB RAS), Irkutsk

Dmitriy VVital'evich Sokolov, PhD in Technical Sciences, Senior Researcher, Melentiev Energy Systems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (ESI SB RAS), Irkutsk

Evgeny Alexeevich Barakhtenko, PhD in Technical Sciences, Senior Researcher, Melentiev Energy Systems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (ESI SB RAS), Irkutsk

This paper presents some aspects of the technology for building an integrated graphical environment for computer modeling of energy pipeline systems. The technology of building these environment is based on the application of ontologies within the framework of the Model-Driven Engineering paradigm for building software in an automated mode.

Keywords: Model-Driven Engineering, technology, metaprogramming, ontology, software, programming automation, software architecture, integrated environment.

УДК 004.942

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ

Стенников Валерий Алексеевич, д-р техн. наук, профессор заслуженный деятель науки РФ, заместитель директора по науке

e-mail: sva@isem.irk.ru Барахтенко Евгений Алексеевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.

e-mail: barakhtenko@isem.irk.ru Соколов Дмитрий Витальевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. e-mail: sokolov_dv@isem. irk.ru Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН),

http://www.isem.irk.ru

В статье приведены исходные положения, принятые при разработке и развитии концепции интеллектуальных трубопроводных систем энергетики. Дана содержательная и математическая формулировка задачи синтеза управляемой гидравлической цепи таких систем. Описана методика решения задачи синтеза, основанная на идее декомпозиции.

Ключевые слова: Интеллектуальные трубопроводные системы энергетики, энергетическая инфраструктура, информационная инфраструктура, синтез трубопроводной системы, теория гидравлических цепей, управляемая гидравлическая цепь, методика.

Исследования выполняются при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №16-07-00948).

Введение

Перспективной технологической платформой будущего энергоснабжения является создание интеллектуальных трубопроводных систем (ИТ ПС) энергетики. ИТПС объединяет на новом технологическом уровне источники, сети и потребителей в единую автоматизированную систему [1, 2]. Это обеспечивает ей необходимую гибкость и адаптивность к изменяющимся условиям функционирования, повышает эффективность, надежность, качество энергоснабжения, способствует уменьшению энергопотерь, сглаживанию неравномерности графиков энергопотребления и т.п. Наличие возможности в реальном времени отслеживать и контролировать

режимы работы всех участников процесса выработки, передачи и потребления энергии, в автоматическом режиме оперативно реагировать на изменения различных параметров в трубопроводной системе (ТПС) позволит осуществить поведение потребителей в режиме реального времени на энергетическом рынке. Этим будет обеспечено двустороннее взаимосогласованное взаимодействие потребителя и ТПС.

Понятие интеллектуальной трубопроводной системы

ИТПС можно представить, как совокупность энергетической и информационной инфраструктур (рис. 1). Энергетическая инфраструктура выполняет функцию передачи энергии от источников к потребителям энергии. Информационная инфраструктура выполняет функцию информационного взаимодействия, которая обеспечивает согласование интересов участников рынка энергии (производителей, потребителей, владельцев сетей, обслуживающих эти сети организаций), управление функционированием и мониторинг состояния ТПС.

ИТПС должны иметь следующие черты:

1) рациональное планирование систем, оптимальное функционирование и взаимодействие потребителя с производителями;

2) для того, чтобы реагировать на новые установившиеся условия, интеллектуальные сети вынуждены адаптироваться путем управления спросом и предложением, изменения режима в сети, обоснования развития сетей при планировании городской территории;

3) сооружение сетей по критерию максимума эффективности работы всей энергосистемы, а именно с выбором оптимального комбинирования различных технологий и оборудования, с обеспечением максимального использования доступных энергоресурсов;

4) для получения наибольшей эффективности интеллектуальные сети должны быть интегрированы в единую энергетическую систему;

5) возможность применения систем на уровне района или города с учетом потребностей в энергии;

6) быть конкурентоспособными;

7) повышение безопасности энергоснабжения на локальном уровне, используя местные источники энергии.

На сегодняшний день в России не существует ИТПС, отвечающих всем требованиям для

таких систем.

На основе анализа тенденций, формирующихся в области энергоснабжения в стране и за рубежом могут быть сформулированы следующие исходные положения, принятые при разработке и развитии концепции ИТПС [2]:

1. Предполагается комплексное преобразование ТПС, включая источники, сети, системы потребления и системы управления ими.

2. Создаваемая будущая инфраструктура ТПС должна обеспечивать выполнение энергетических, информационных, экономических и финансовых взаимоотношений между всеми субъектами энергорынка, организованная по сетевому принципу.

3. Развитие энергоснабжения должно быть направлено на усиление существующих и формирование новых функциональных свойств энергоснабжающей системы и ее элементов, которые в наибольшей степени обеспечивали бы выполнение требований всех сторон, участвующих в производственном процессе.

Управление

Информационная инфраструктура

Согласование ] [ Мониторинг

I |

"1 Г-

I I I I

_интересов_

состояния

Состояние :

СКъСх*

Ф

Управление

-мх|-

Датчики Регулирующие устройства

Управляемая гидравлическая цепь

Источник Потребитель

Энергетическая инфраструктура

Рис. 1. Структура интеллектуальной трубопроводной системы

4. Сеть представляется как системообразующий элемент системы, обеспечивающий ей новые технологические возможности и функциональные свойства.

5. Процесс создания интеллектуальных ТПС охватывает широкий спектр направлений, начиная от исследований до практического применения и тиражирования, его реализация должна осуществляться на различных уровнях: научном, нормативно-правовом, технологическом, техническом, организационном, управленческом и информационном.

6. Реализация концепции ИТПС носит инновационный характер и дает толчок к переходу к новой технологической парадигме в энергоснабжении.

Построение ИТПС должно стать стратегическим ориентиром развития энергоснабжения, предполагающим четыре основных направления его преобразования, в их числе:

• интеллектуализация генерирующего оборудования и технологии транспорта и распределения энергии;

• интеллектуализация технологического управления;

• интеллектуализация специализированных коммуникационных и информационных устройств;

• интеллектуализация систем энергопотребления, включая организацию учета и управления энергопотреблением.

В России требуемыми условиями к созданию таких ИТПС можно назвать следующие:

8) насыщенность сети активными элементами, позволяющими изменять топологические параметры сети;

9) большое число датчиков, измеряющих текущие режимные параметры для оценки состояния сети в различных режимах работы энергосистемы;

10) системы сбора и обработки данных (программно-аппаратные комплексы), а также средства управления активными элементами сети и потребителей;

11) наличие необходимых исполнительных органов и механизмов, позволяющих в режиме реального времени изменять топологические параметры сети, а также взаимодействовать со смежными энергетическими объектами;

12) средства автоматической оценки текущей ситуации и построения прогнозов работы сети;

13) высокое быстродействие управляющей системы и информационного обмена.

Задача синтеза управляемой гидравлической цепи интеллектуальной трубопроводной системы

В ИСЭМ СО РАН разработана теория гидравлических цепей как научно-методическая база, обеспечивающая единый язык и методический аппарат для решения задач моделирования, расчета, идентификации и оптимизации трубопроводных и гидравлических систем различного типа и назначения [3, 4]. В работе [5] теория гидравлических цепей предлагается в качестве инструмента решения общих задач интеллектуализации ТПС и выделяются следующие классы задач применительно к интеллектуальным ТПС: анализа, синтеза, управления и идентификации.

Далее в настоящей работе рассматривается задача синтеза гидравлической цепи ИТПС.

Постановка задачи синтеза управляемой гидравлической цепи ИТПС представляется в следующем виде. Заданными являются: 1) схема сети из т узлов и п ветвей, представляемая в виде ориентированного графа GТС = (/, I), где J - множество вершин (узлов), I - множество дуг (ветвей); J = JП и JИ и JР, где JП, JИ и JР - множества соответственно потребителей, источников и точек разветвления на схеме; I = 1Л и 1И и 1П , где 1Л = 1Н и 1С - множество ветвей линейной части сети, состоящее

из множеств существующих 1С и новых 1Н ветвей; 1П и 1И - множества ветвей-

потребителей и ветвей-источников соответственно; /НС ^ /И ^ /Л - ветви, на которых установлены или разрешаются насосные станции (НС); 2) длины трубопроводов на ветвях сети Ц, г е /Л; 3) множество диаметров стандартных трубопроводов Э; 4) множество номеров всех возможных для сети способов сооружения (реконструкции) трубопроводов и; 5) множества номеров допустимых для каждой ветви способов сооружения (реконструкции) трубопровода и ^ и, г е /Л ; 6) нижние ( Р^, у е J ) и верхние (

Р,в, у е J ) ограничения на давление; 7) нижние ( vf, г е /Л ) и верхние ограничения ( vf , г е /Л ) на скорость течения транспортируемой среды на ветвях; 8) вектор узловых отборов и притоков транспортируемой среды Q = ...,Qm)т; 9) множество напоров стандартных НС Ид ; 10) ограничения на минимальный располагаемый напор у потребителей аиН , г е /П.

В результате решения задачи необходимо определить оптимальные параметры управляемой гидравлической цепи ИТПС: 1) вектор диаметров трубопроводов

d = (¿/1,...,)т ; 2) вектор и = (и1,...,ип)т, компоненты (иг е иг, г е /Л ) которого содержат номера оптимальных способов сооружения (реконструкции) трубопроводов; 3) вектор напоров на НС И = (ИХ,..., Ип )т ; 4) вектор расходов транспортируемой среды

на ветвях х = (,...,хпТт (по значениям компонент этого вектора можно сделать выводы об изменении структуры сети); 5) вектор давлений в узлах Р = ((,...,Рт)т .

Требуется минимизировать функцию общих затрат в ТПС, имеющую следующий

вид:

7 Ц и, И, х,Р) = 2 ^, иг) + 2 ^НС (И, хг) +

Л г е/НС

+ 2 7гЭ(хг,dl,Р},Рк) +2 7гТ(<.) ^ шт, (1)

ге/ ге/Л

Р(г)=(У ,к)

гуТП , гуНС

где - затраты на сооружение и эксплуатацию трубопровода на ветви сети; - затраты на сооружение и эксплуатацию НС; - стоимость электроэнергии, расходуемой на перекачку транспортируемой среды; - стоимость потерь; р(г) - функция, сопоставляющая каждой ветви I е / пару инцидентных узлов (у, к) .

Модель потокораспределения в ИТПС имеет следующий вид:

Ах = Q, (2)

У = Ат Р, (3)

У + И = / (х£, (4)

где А и А - соответственно (т — 1 х п )-матрица и т х п -матрица инцидентности узлов и ветвей расчетной схемы; у = (,..., уп ) - вектор перепадов давлений на ветвях; £ = (,..., яп ) - вектор гидравлических сопротивлений ветвей с элементами £г = si (di), I е /; / (х,£) - п -мерная вектор-

функция с элементами ^ (£г, хг) = £гхг |хг , г = 1, п , отражающими законы падения давления на ветвях сети.

Система условий и ограничений включает:

- ограничение на давление в узлах

РН < Р < PВ, У е / ; (5)

- ограничение на скорость течения транспортируемой среды по ветвям

уН < V (хг) < у , г е 1л; (6)

- условие дискретности диаметров трубопроводов

^ е Б, г е 1л; (7)

- условие дискретности видов реконструкции трубопроводов

Щ е иг с и, г е ^; (8)

- условие дискретности напоров НС

Нг е Н^ г е 1нс ; (9)

- ограничение на располагаемый напор у потребителей

ДН = Р} -Рк > АНН, № = О",к), г е 1п. (10)

Количественная оценка гидравлической устойчивости производится по коэффициенту гидравлической устойчивости о>г, равному отношению расчетного расхода

транспортируемой среды через абонентскую установку О^ к максимально возможному

расходу в условиях работы данной ИТПС Огшах [6]

Ор АНг

(°г =—— = , -г-, г е 1П, (11)

г Ор + АН/ п V ;

где АНг - располагаемый напор на абонентском вводе при расчетном расходе транспортируемой среды; АНс - потеря напора в сети при расчетном расходе транспортируемой среды.

В результате для каждой найденной конфигурации сети соответствующей режиму ее работы необходимо определить коэффициент гидравлической устойчивости для каждого узла-потребителя ] е JП и при выборе структуры обеспечить выполнение условия

®г >^гН, г е IП, (12)

где а>Н - требуемое значение коэффициента гидравлической устойчивости в узле.

Ограничения, накладываемые требованиями надежности, которые определяются нормативными значениями:

• коэффициента готовности во всех узлах-потребителях

К >КН, ] е Jп, (13)

• вероятности безотказной работы для всех узлов-потребителей

Щ > ЩН, ] е Jп, (14)

где КН и ЩН соответственно нижние ограничения на коэффициент готовности и вероятности безотказной работы.

В результате решения задачи минимизации функции (1) при условиях (2)-(14) необходимо определить конфигурацию и оптимальные параметры ИТПС.

Методическое обеспечение решения задач синтеза управляемой гидравлической цепи интеллектуальной трубопроводной системы

Для решения сформулированной задачи синтеза управляемой гидравлической цепи ИТПС предложена оригинальная методика, основанная на идее декомпозиции общей сложной задачи на совокупность менее сложных задач. В результате декомпозиции общей задачи были выделены следующие содержательные задачи:

- выбор структуры сети, обеспечивающей возможность управления различными режимами функционирования ИТПС;

- определение оптимальных параметров гидравлической цепи, обеспечивающих необходимую пропускную способность сети;

- оценка и обеспечение необходимого уровня надежности ТПС;

- решение вопросов согласования интересов участников рынка энергии;

- гидравлические и, если требуется, тепловые расчеты.

Предложенная методика предполагает выполнение следующих этапов при решении задачи синтеза управляемой гидравлической цепи ИТПС (рис. 2).

1. Формирование избыточной схемы ИТПС.

2. Если не требуется решение задачи оптимизации структуры ИТПС, то переход к шагу 4.

3. Решение задачи оптимизации структуры ИТПС.

4. Решение задачи оптимизации параметров ИТПС (определения диаметров трубопроводов, мест расположения и параметров насосных станций).

5. Расчет и оценка показателей надежности.

6. Если необходимый уровень надежности обеспечивается, то переход к шагу 8.

7. Решается задача о добавлении резервных связей для обеспечения необходимого уровня надежности. Если эти связи необходимы - переход к шагу 1, нет - шагу 3.

8. Расчет и анализ гидравлических и, если требуется, тепловых режимов.

9. На основе анализа режимов принимается решение о необходимости корректировки параметров. Если корректировка необходима, то осуществляется переход к шагу 4.

10. Расчет и анализ показателей экономической эффективности.

Заключение

Авторы считают, что в

данной работе новыми являются следующие положения и результаты. Обоснована актуальность построения ИТПС в России. Сформулированы исходные положения, принятые при разработке и развитии концепции ИТПС. Предложены содержательная и математическая формулировки задачи синтеза управляемой гидравлической цепи ИТПС. Для ее решения предложена оригинальная методика, основанная на идее декомпозиции общей сложной задачи на совокуп-

Расчет и анализ показателей экономической эффективности

Рис. 2. Блок-схема методики решения задачи синтеза управляемой гидравлической цепи интеллектуальной трубопроводной системы

ность менее сложных задач (меньшей размерности и сложности).

Применение разработанного методического обеспечения позволит получать рекомендации по преобразованию и интеллектуализации сложных ТПС, повышающие эффективность их работы и качество снабжения потребителей энергией.

Литература

1. Воропай Н.И., Санеев Б.Г., Сендеров С.М., Стенников В.А., Новицкий Н.Н., Ильке-вич Н.И., Клер А.М. Энергетика будущего: комплексные проблемы инновационного развития и управления // Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление: Сб. статей всероссийской конференции «Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление», 1-3 сентября 2015 г., Иркутск, Россия. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2015. С. 10-21.

2. Барахтенко Е.А., Биски А., Соколов Д.В., Стенников В.А. Разработка концептуальных положений интеллектуальных теплоснабжающих систем // Труды XV Всеросс. научн. семин.

«Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем». Иркутск, 5-11 сентября 2016 г. Иркутск: ИСЭМ СО РАН. 2016. С.271-282.

3. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. -М.: Наука, 1985. 280 с.

4. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / А.П. Меренков, Е.В. Сеннова, С.В. Сумароков, В.Г. Сидлер, Н.Н. Новицкий, В.А. Стенников, В.Р. Чупин. -Новосибирск: ВО Наука, Сибирская издательская фирма, 1992. 407 с.

5. Новицкий Н.Н. Интеллектуальные трубопроводные системы как новый объект приложения теории гидравлических цепей // Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление. Сб. статей всероссийской конференции «Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление», 1-3 сентября 2015 г., Иркутск, Россия. -Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2015. С. 378-388.

6. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. 5-е изд. -М.: Энергоиздат, 1982. 360с.

Modeling of Intelligent Energy Pipeline Systems

Valery Alekseevich Stennikov, Doctor of Sciences, Professor, Honored Science Worker of the Russian Federation, Deputy Director , Melentiev Energy Systems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (ESI SB RAS),

Evgeny Alekseevich Barakhtenko, PhD in Technical Sciences, Senior ResearcherSokolov Dmitry Vitalyevich, PhD in Technical Sciences, Senior Researcher , Melentiev Energy Systems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (ESI SB RAS),

The article presents the initial assumptions adopted in the development of the concept of intelligent pipeline energy systems. Conceptual and mathematical statements of the problem of synthesis of a controlled hydraulic circuit of such systems are given. A technique for solving the synthesis problem is described. The technique based on the idea of decomposition.

Keywords: Intelligent energy pipeline systems, energy infrastructure, information infrastructure, synthesis of pipeline system, theory of hydraulic circuits, controlled hydraulic circuit, technique.

УДК 004.77, 004.738

РАЗВИТИЕ ИНФРАСТРУКТУРЫ АУТЕНТИФИКАЦИИ И АВТОРИЗАЦИИ ДЛЯ УДОСТОВЕРЯЮЩЕЙ ФЕДЕРАЦИИ В РАМКАХ ПРОЕКТОВ EDUGAIN И

EDUROAM НА БАЗЕ СЕТИ RUNNET

Абрамов Алексей Геннадьевич, канд. физ.-мат. наук, заместитель директора

e-mail: abramov@runnet.ru, Васильев Илья Валерьевич, ведущий инженер e-mail: vasilyev@runnet.ru Порхачёв Василий Александрович, ведущий специалист e-mail: porhachev@runnet.ru Филиал ФГАУГНИИИТТ«Информика» в г. Санкт-Петербурге

http://www.runnet.ru

В статье рассмотрены предпосылки и основные цели внедрения сервисов федеративной авторизации в научно-образовательной среде. Разобраны базовые аспекты архитектуры протокола SAML и системы функционирования элементов удостоверяющей федерации. Приведены общие сведения о международных проектах eduGAIN и eduroam. Освещены некоторые вопросы развертывания полигона удостоверяющей федерации и сервиса eduroam на базе федеральной научно-образовательной сети RUNNet.

Ключевые слова: федеральная научно-образовательная сеть RUNNet, NREN, аутентификация, авторизация, удостоверяющая федерация, AAI, SAML, RUNNetAAI, eduGAIN, eduroam.