CC BY
21
УДК 004.9:620.9 ББК 32.81 С 37
Симанков В.С.
Доктор технических наук, профессор кафедры компьютерных технологий и информационной безопасности Кубанского государственного технологического университета, Краснодар, тел. (861) 2980190, email: vs@simankov.ru Бучацкий П.Ю.
Кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой автоматизированных систем обработки информации и управления инженерно-физического факультета Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 593911, e-mail: butch_p99@mail.ru Теплоухов С.В.
Аспирант кафедры компьютерных технологий и информационной безопасности Кубанского государственного технологического университета, Краснодар, e-mail: mentory@mail.ru
Программное приложение для оценки возможного вовлечения нетрадиционных возобновляемых источников энергии в энергосистему индивидуального потребителя
(Рецензирована)
Аннотация. Рассматривается технология создания программного приложения, позволяющего оценить возможность использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в энергосистеме индивидуального потребителя. Описывается перечень реализуемых функций, структура и алгоритм работы приложения.
Ключевые слова: нетрадиционные возобновляемые источники энергии, программное приложение, ГИС, Python.
Simankov V.S.
Doctor of Technical Sciences, Professor of Computer Technologies and Information Security Department, Kuban State University of Technology, Krasnodar, ph. (8772) 593904, e-mail: vs@simankov.ru Buchatskiy P.Yu.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of Department of Automated Systems of Processing Information and Control at Engineering-Physics Faculty, Adyghe State University, Maikop, ph. (8772) 593911, email: butch_p99@mail.ru Teploukhov S.V.
Post-graduate student of Computer Technologies and Information Security Department, Kuban State University of Technology, Krasnodar, e-mail: mentory@mail.ru
Software application to evaluate the possible involvement of non-traditional renewable energy sources into the energy system
of individual consumer
Abstract. This paper discusses the technology of creating a software application that can evaluate the possibility of using non-traditional renewable energy sources in the energy system of an individual consumer. The list of implemented functions, the structure and algorithm of this application is described in this paper.
Keywords: non-traditional renewable energy, software application, geoinformation system, Python.
Введение
В настоящее время множество потребителей электроэнергии сталкиваются с проблемами, связанными с подключением к линиям электропередачи или с необходимостью обеспечения энергонезависимости собственной системы. Решить подобные вопросы можно, используя нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). Однако перед их внедрением нужно оценить существующие в локальных условиях возможности НВИЭ, рассчитать их теоретический максимум для конкретной местности, стоимость внедрения, а только потом принять решение о целесообразности внедрения подобных технологий в энергосистему.
Для оценки возможного объема вовлечения НВИЭ было разработано программное приложение, которое на основе информации о местоположении индивидуального потребителя и данных многолетних метеонаблюдений рассчитывает значение солнечной радиации и ветровой энергии.
Состояние проблемы
В условиях частного индивидуального потребителя электроэнергии наиболее доступными и удобными для использования являются солнечная и ветровая электроэнергия. Установки для их преобразования присутствуют на рынке, поэтому главной целью разрабатываемого приложения является оценка потенциала использования именно этих видов НВИЭ.
Перечислим основные характеристики и параметры, которые используются и вычисляются в приложении [1].
Для расчета солнечной энергии:
• координаты индивидуального потребителя, которые однозначно определяют его местоположение: широту и долготу;
• высота над уровнем моря, с помощью которой можно рассчитать различные геопространственные параметры;
• средняя облачность.
Для расчета ветровой энергии:
• средняя скорость ветра на высоте от 5 до 50 м;
• повторяемость средних скоростей за какой-либо период (месяц или год).
В связи с тем, что однозначно определить и описать рельеф в условиях индивидуальной энергосистемы не представляется возможным, будем использовать средние значения скорости ветра, среднее значение облачности для ближайшей метеостанции, а также информацию о высоте над уровнем моря, которую можно получить из открытых, общедоступных источников (например Google Maps, Яндекс.Карты или srtm.csi.cgiar.org).
Алгоритм работы программного приложения
Используя указанные выше исходные данные, можно сформировать перечень функций, реализуемых программным приложением:
- получение от пользователя координат;
- нахождение матрицы высот по указанным широте и долготе;
- определение ближайшей метеостанции;
- получение данных о метеонаблюдениях за последние несколько лет;
- анализ метеоданных;
- подключение сторонней ГИС для геопростанственных расчетов;
- расчет солнечной радиации;
- расчет средней ветровой энергии, приходящейся на 1 м2 ометаемой поверхности;
- оценка доли возобновляемой энергии в системе;
- разработка типового проекта с предварительными расчетами стоимости оборудования;
- отображение данных в виде, удобном для восприятия пользователем.
Сервисы Яндекс.Карты и Google Maps позволяют получать всю необходимую информацию о местоположении пользователя онлайн, используя запросы к данным ресурсам в формате, определенном их API. Данные о высоте над уровнем моря, которые предоставляются сервисом srtm.csi.cgiar.org, хранятся в специальной растровой цифровой модели с расширением GeoTiff, который является открытым форматом представления растровых данных совместно с метаданными о географической привязке. Данная модель позволяет хранить данные на всю рассматриваемую территорию и взаимодействовать с ними для дальнейших расчетов (на рисунке 1 представлен пример матрицы высот для территории города Майкопа, Республика Адыгея).
Необходимо отметить, что получить матрицу высот для произвольной территории с высоким разрешением не всегда возможно. Однако густонаселенные территории хорошо оцифрованы, и данные имеются в открытом доступе. Поэтому важно предусмотреть две дополнительных возможности:
1) загрузка матрицы высот через Интернет (из различных сервисов, например, Google Maps или Яндекс.Карты);
ISSN 2410-3225 Ежеквартальный рецензируемый, реферируемый научный журнал «Вестник АГУ». Выпуск 4 (211) 2017 2) подключение уже скачанных данных в приложении.
Рис. 1. Матрица высот, г. Майкопа, Республика Адыгея (разрешение 90 м)
Данные метеонаблюдений можно получить в формате х1б с сайта rp5.ru за последние 12 лет. Пример данных представлен в таблице 1.
Таблица 1
Данные метеонаблюдений в г. Майкопе
Местное время T, °C P0, мм. рт. ст. Ff, м N
14.05.2017 15:00 23,0 737,8 Ветер, дующий с востока 4 70-80%
14.05.2017 12:00 21,3 738,0 Ветер, дующий с востоко-северо-востока 3 100%
13.05.2017 21:00 17,7 740,2 Ветер, дующий с востока 2 90 или более, но не 100%
13.05.2017 18:00 21,4 740,8 Ветер, дующий с северо-востока 3 100%
Примечание: T - температура воздуха (градусы Цельсия) на высоте 2 метра над поверхностью;
P0 - атмосферное давление на уровне станции (миллиметры ртутного столба);
DD - направление ветра (румбы) на высоте 10-12 метров над земной поверхностью;
Ff - скорость ветра на высоте 10-12 метров над земной поверхностью;
N - общая облачность
Анализ таких данных позволяет узнать среднюю скорость ветра на высоте 10-12 м над земной поверхностью и среднюю облачность.
Математический аппарат для проведения расчетов показателей (прямого, рассеянного и общего излучения солнечной радиации, а также значения ветровой энергии) описан в работах [2, 3]. Современные ГИС предоставляют не только возможности для взаимодействия с пространственной информацией, но и ряд математических методов для ее преобразования. Поэтому существует возможность использования и преобразования пространственных данных, сведений о нетрадиционных возобновляемых источниках энергии и других статистических сведениях. Математические расчеты проводятся с использованием сторонних бесплатных геоинформационных систем (ГИС) [1].
Нами были рассмотрены ГИС: QGIS и SAGA GIS, которые являются открытыми, бесплатными программными продуктами и имеют интерфейс для взаимодействия с различными языками программирования.
Доля ВИЭ от общих потребностей индивидуального потребителя, которая рассчитывается по формуле:
W
ц _ " ВИЭ
W
''Общ
где ^ВИЭ - мощность от возобновляемых источников энергии, ШОбщ - общая потребляемая мощность индивидуального потребителя [4]. Среднее значение ~№Общ для частного дома составляет около 10 кВт в сутки, что позволяет оценить параметр ], зная суммарную мощ-
ность от возобновляемых источников (солнечная и ветровая) энергии.
Структура реализованного программного приложения представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Структура программного приложения и его взаимодействие с ГИС и другими источниками информации
Для реализации данного приложения был выбран язык программирования Python 3, который является высокоуровневым языком программирования общего назначения. Также Python предоставляет возможность подключения сторонних библиотек, реализующих те или иные возможности. Для взаимодействия с геопространственными данными используется библиотека gdal, для работы с табличными сведениями - pandas, для работы с web-ресурсами - requests.
Приложение взаимодействует с открытыми QGIS и SAGA GIS, используя стандартизированный программный интерфейс. Например, запрос на расчет солнечной радиации выглядит следующим образом:
saga cmd talighting 2 -GRD DEM raster.sgrd -GRD_DIRECT= Direct.sgrd -SOLARCONST 1367.000000 -LATITUDE 46.000000 -PERIOD=0 -DAY=10/01/2017 -METHOD=3
В подобных запросах указываются основные параметры: математический метод расчета, исходные данные, такие как матрица высот, географическая широта и др.
Пользовательский интерфейс
Главное окно приложения позволяет пользователю выбрать свое местоположение и произвести основные расчеты (рис. 3).
Пользователь указывает свое местоположение, используя Google API, для которого рассчитываются координаты (широта и долгота), определяется ближайшая метеостанция (имеется возможность ее изменить).
После нажатия на кнопку «рассчитать» будут произведены основные расчеты (результат представлен на рисунке 4). Данный процесс сильно зависит от качества и скорости Интернет-соединения и мощности ЭВМ.
Отметим, что пользователь имеет возможность сохранить результаты работы программы в отдельный файл с целью дальнейшего анализа. Также пользователь может сменить ряд настроек, установленных по умолчанию. Эти настройки относятся к исходным данным по высоте, среднесуточному потреблению энергии, а также возможности установки ветрогенератора.
SI Главное окно ? X
Широта ^ogova S 3
44.599608 Map Satellite p,
Долгота
|40,05б174 1
Ближайший город
г. Майкоп - .а
с V"«f,ct,30i„,
J
ova 3
Gas Station Q г'Ш
"WMIlfova
Traffic Police Station T
сна City© ГИБДД Г. Майкоп
© ""««■per. I
Nowayaul S
1 4uzhnyy per.
а
Elzas 6
Эльзас о?
©
utG°w,arDM -
Астра ©
/
УнЯ су
-b- —
Рассчитать Go gle J1 .. Map data£23'7 Gcngt Terms of Use
Рис. 3. Главное окно приложения
Рис. 4. Результирующее окно программы
Выводы
Таким образом, в результате работы реализовано программное приложение, которое позволяет оценить возможность вовлечения НВИЭ в энергосистему индивидуального потребителя. Представлен алгоритм работы приложения, его структура и результаты расчетов на примере г. Майкопа, Республика Адыгея. Данное приложение может использоваться конечными потребителями электроэнергии и представителями бизнеса, занимающимися внедрением НВИЭ.
Примечания:
1 Бучацкий П.Ю., Бучацкая В.В., Теплоухов С.В. Модуль локальной оценки потенциала НВИЭ с использованием геоинформационных технологий //
References:
1. Buchatskiy P.Yu., Buchatskaya V.V., Teploukhov S.V. Module of local assessment of NVIE capacity using geoinformation technologies // Remote educational
Дистанционные образовательные технологии: материалы II всерос. конф., секция «Моделирование сложных систем», 18-22 сентября 2017, г. Ялта. Симферополь: Ариал, 2015. С. 208-211.
2. Бучацкий П.Ю. Математическое моделирование НВИЭ как объекта системного исследования // Всероссийская научная конференция по проблемам управления в технических системах. СПб., 2015. С. 60-62.
3. Симанков В.С. Автоматизация системных исследований: монография. Краснодар: Изд-во КубГТУ, 2002. 376 с.
4. Бучацкий П. Ю., Теплоухов С. В. Возобновляемые источники энергии в энергосистеме индивидуального потребителя // Прикладные аспекты геологии, геофизики и геоэкологии с использованием современных информационных технологий: материалы междунар. науч.-практ. конф., 15-18 мая 2017 г., г. Майкоп. Майкоп: Изд-во МГТУ, 2015. С. 152155.
technologies: proceedings of the II Russian conf., section of "Modeling of complex systems", September 18-22, 2017, Yalta. Simferopol: Arial, 2015. P. 208211.
2 Buchatskiy P.Yu. Mathematical modeling of NVIE as an object of system research // Russian scientific conference on problems of control in technical systems. SPb., 2015. P. 60-62.
3. Simankov V.S. Automation of system studies: a monograph. Krasnodar: KubSTU, 2002. 376 pp.
4. Buchatskiy P.Yu., Teploukhov S.V. Renewable energy sources in the power system of an individual consumer // Applied aspects of geology, geophysics and geo-ecology using modern information technologies: proceedings of the international. scient.-pract. conf., May 15-18, 2017, Maikop. Maikop: MSTU Publishing House, 2015. P. 152-155.
