автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка алгоритма и средств управления системами электроснабжения осветительных установок на основе методов нечеткой логики

На правах рукописи

005007/1 *

КРАСНОКУЦКИЙ Иван Николаевич

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА И СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ЯНВ 2012

ОМСК 2011

005007272

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Омский государственный технический

университет.

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор

Горюнов Владимир Николаевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Клецель Марк Яковлевич кандидат технических наук, доцент

Татевосян Александр Сергеевич

Ведущая организация:

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» («УрФУ»)

Защита диссертации состоится 26 января 2012 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.178.12 при Омском государственном техническом университете, по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, корп. 6, ауд. 340. Тел/факс: (8-3812)65-64-92, e-mail: dissov_omglu@.omgtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан 26 декабря 2011г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, ученому секретарю диссертационного Совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д212.178.12

к.т.н., доцент

Осипов Д. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Повышение уровня автоматизации электроэнергетических систем и внедрение интеллектуальных систем управления энергоемкими объектами является одной из актуальных задач современной науки. Такие системы наряду с выполнением в автоматическом режиме заданных функций, обеспечивают экономию электроэнергии, что для многих предприятий является ключевым моментом в принятии решения об автоматизации. Система электроснабжения осветительных установок является естественной составляющей в структуре коммунального хозяйства городов и посёлков, она выделяется в особую техническую систему у крупных предприятий. Современные системы электроснабжения осветительных установок — это энергоемкие автоматизированные системы, правильное построение которых в значительной мере определяет эффективность труда и комфорт современной жизни. При этом необходимо учитывать ограничения, связанные с рациональным расходом электроэнергии на обеспечение их работы, затрат на текущую эксплуатацию осветительного оборудования, которые соотносятся с возможностями конкретных территорий и бизнеса. В зависимости от размеров и других особенностей возможны различные подходы к управлению системами электроснабжения осветительных установок и контролю над их состоянием. Задача принятия решения о времени включения или отключения осветительных установок и выборе режима их работы актуальна и до конца не изучена.

Таким образом, новые эффективные в вычислительном отношении и достаточно простые алгоритмы принятия решения и формирования управляющих воздействий востребованы в современных системах электроснабжения осветительных установок. В качестве теоретического базиса для решения данной задачи использована теория нечетких множеств.

Диссертация выполнена в соответствии с Федеральным законом № 261 от 23.10.2009 года «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, гос. контракт № 16.516.11.6091.

Объектом исследования является электроэнергетическая система, в состав которой входит система электроснабжения осветительных установок.

Предметом исследования являются методы управления системой электроснабжения осветительных установок.

Целью исследований является разработка алгоритма и средств управления системами электроснабжения осветительных установок за счет применения интеллектуальных методов выбора их времени включения, отключения и режима

работы на основе текущего значения естественной освещенности, времени суток и календарного дня года.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

1 Проанализированы существующие системы электроснабжения осветительных установок.

2 Рассмотрены подходы к выбору времени включения и отключения осветительных установок, а также режимов их работы.

3 Получены экспериментальные данные измеренных значений естественной освещенности, проведена их статистическая обработка.

4 Разработаны алгоритмы принятия решения об эффективном времени включения и отключения систем электроснабжения осветительных установок.

5 Проведено имитационное моделирование полученных алгоритмов.

6 Разработан программно-аппаратный комплекс, реализующий алгоритмы принятия решения в существующей системе электроснабжения осветительных установок.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы математического анализа, математической статистики и положения теории нечетких множеств. Для имитационного моделирования и обработки экспериментальных данных применялась система компьютерной математики Matlab и ее расширение Simulink. Специальное программное обеспечение для проведения экспериментов разработано в интегрированной среде разработки приложений Borland С++ Builder и системе компьютерной математики Matlab.

Научную новизну представляют:

метод вычисления мощности включения системы электроснабжения осветительных установок на основе нечеткой логики;

алгоритм управления системой электроснабжения осветительных установок с использованием разработанного метода на основе поступающих от датчиков данных о состоянии естественной освещенности, текущего времени суток и календарного дня года;

имитационная модель интеллектуальной системы принятия решения на основе разработанного алгоритма управления системой электроснабжения осветительных установок.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. В ходе экспериментальных исследований система показала высокую надежность работы и актуальность разработанных алгоритмов. При этом экспериментально подтверждена экономическая эффективность, расхождения между теоретическими и экспериментальными данными составляют не более десяти процентов.

Практическая ценность диссертации заключается в следующем: предложенные алгоритмы выбора времени включения, отключения и режима работы системы электроснабжения осветительных установок позволяют осуществлять оперативный контроль значений естественной (солнечной) освещенности и на их основании, а также времени суток и календарного дня года, рассчитывать эффективный процент включения;

полученные структурные технические и алгоритмические решения позволили организовать интеллектуальную систему оперативного выбора режима включения системы электроснабжения осветительных установок в текущий момент времени;

разработанная имитационная модель позволяет: оценить влияние процесса изменения естественной (солнечной) освещенности на время и режимы включения системы электроснабжения осветительных установок при заданном дне года и времени суток; прогнозировать ее работоспособность при различном уровне помех; оценивать экономическую эффективность.

Апробация работы. Основные положения работы представлялись на: всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития» (Екатеринбург, 2008); XV-ой международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2009» (Томск, 2009); XV-ой международной конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2009); VII-ой всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2009 г.); Х-ой международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (г. Новочеркасск, 2009 г.); Х-ой международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2009 г.); девятой международной научно-практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения» (г. Новочеркасск, 2009 г.).

Использование результатов диссертации. Основные научные и практические результаты использованы: в Службе наружного освещения для выбора эффективной мощности включения осветительных установок на одном из участков города Омска; в НПО «МИР» (город Омск) при управлении системой электроснабжения осветительных установок; в Омском государственном Техническом Университете при организации учебного процесса на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий».

Публикации. Положения диссертации и основные результаты исследований опубликованы в 22 научных работах (из них восемь - в изданиях, рекомендованных ВАК и одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 111 источников и приложений. Работа изложена на 171 странице и содержит 70 иллюстраций, 19 таблиц, 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана область применения ее результатов, определена практическая значимость диссертации, сформулированы цели, задачи и научная новизна.

Первый раздел посвящен рассмотрению локальных и распределенных систем электроснабжения осветительных установок, их функциям, иерархии, программному обеспечению. Приведен краткий обзор и их сравнительная характеристика.

Наиболее простое решение задачи автоматического включения распределенных осветительных установок осуществляться при помощи фотореле или автоматов включения освещения. Более сложной является автоматизированная система электроснабжения осветительных установок. Вся информация от датчиков поступает на контроллер, содержащий в памяти расписание режимов работы и далее на сервер, который в свою очередь, задает режимы работы системы, получает и хранит информацию об ее функционировании.

Рассмотрены следующие автоматизированные распределенные системы электроснабжения осветительных установок: «ОМЬ-Свет» НПО «Мир» (г. Омск); «Аврора» НИИ «Точной Механики» (г. С-Петербург); "СВЕТ" "КУРОРТЭНЕРГО" (г. С-Петербург); «Универсал-Электрик» (г. С-Петербург); «JIMT» (г. С-Петербург); «Горсвет» НПП «Горизонт» (г. Екатеринбург); «Идель» ЗАО НПФ «ИНТЕГРАЛ+» (г. Казань); «DECSY» (г. Москва); «Горсвет» МНП «БЕЛЭЛЕКТРОМОНТАЖНАЛАДКА» (г. Минск); «ИНТЕГРАЛ» НПФ «Инте-гдив» (г. Киев). Применение таких систем эффективно в крупных городах и на предприятиях с большой площадью, требующей постоянного освещения в ночное время. Для города Омска с населением 1,154 млн. и площадью 572,9 кв.км подобные затраты составляют 13% всего энергопотребления (по данным службы наружного освещения за 2010 год 2 242 ООО кВт-ч, а за 2011-2 710 000 кВтч).

Большинство из этих систем могут работать только в двух режимах (включено, отключено), система НПО «МИР» позволяет коммутировать каждую отходящую линию в отдельности, а также использовать пониженную мощность, что

расширяет количество режимов работы (включено, включено на 50 процентов мощности, отключено), поэтому она выбрана для исследования методов управления системой электроснабжения осветительных установок, также более подробно изложена структура её построения и функциональные возможности.

Во втором разделе рассмотрено получение, цифровая обработка и анализ динамических процессов естественной освещенности. Исследование динамического процесса естественной освещенности £(/) проведено на основе обработки и анализа экспериментальных дискретных значений Е(п), полученных с помощью программно-аппаратного комплекса в следующем составе: фоторезисторный датчик, контроллер МИР ПП-03. В качестве датчика был использован фоторезистор ФР764, ток которого пропорционален уровню естественного освещения. Пример изменения Е(1) приведен на рис. 1.

На основе анализа характера изменения £■(/) была выбрана математическая модель вида:

£(/) = £„(/) + £( 0, (1)

где £„(/) - тренд изменения освещенности; 1(0 - ее случайная составляющая.

Аналогичная модель записана и для дискретных значений: Е{п) = ЕЛп) + Ё(п).

Еуслед

В работе проведены два

0 4 8 12 16 20 Рис.1.График изменения освещенности за одни сутки (г. Омск, май) этапа исследования динамических процессов естественной освещенности E(t) и £<,(/). На первом, определены оценки моментных характеристик (математического ожидания, дисперсии, ассиметрии и эксцесса) и эмпирические гистограммы.

Для вычисления постоянной составляющей Е0(п) предложено наблюдаемые дискретные значения Е(п) процесса естественной освещенности E(t) обрабатывать алгоритмом экспоненциального сглаживания, который является простейшим фильтром первого порядка:

Е0(п) = у-Е0{п-1) + {1-у)-Е(п), (2)

у - коэффициент экспоненциального сглаживания.

При обработке экспериментальной информации коэффициент уе[0,1]. В работе обоснован выбор значения у =0.8.

Для подтверждения предлагаемого в работе алгоритма определения тренда £0(и) предложено использовать параметрический подход при вычислении оценок спектральных характеристик. В этом случае моделью временного ряда случайной величины х(п) является линейное разностное уравнение вида:

х(п) + ¿а(*) -х(п -к) = 6(0) • и(п),

(3)

где и(п) -белый шум с дисперсией р„, а х(п)-дискретные значения Е{п) и Е0{п).

Вектор коэффициентов а = |1 а(\) а(2) ... а(р)|Г определялся из уравнения Юла-Уолкера:

a = R-J-R„, (4)

где R„ - матрица из (р + Х)у(р + \) элементов автокорреляционной функции

случайного процесса х(и); а вектор Ru = |р„ 0... 0| . Тогда спектральная плотность мощности равна:

Тр,_

^f) ' Т, т\ Т / г . '

е'(/)а а е(/)

(5):

где Г - период дискретизации х(п).

Рис.2. Спектральная плотность мощности за одни сутки

а - спектральная плотность мощности Е(п); б - спектральная плотность мощности Ей(п)

Вычисления спек тральной плотност;:

мощности <?(/) процес сов естественной осве щенности Е(п) и её треп да Е0(п) производились течение суток, их графу ки приведены на рис.2. 1 работе, используя алгс ритм Берга, было показа но, что оптимальны) спектральным характеру стикам, соответствуем фильтр первого порядкг т.е. р = 1 в формуле(З), поэтом/ алгоритм (2) был выбран в качест ве основного для вычислени тренда.

В третьем разделе рассмотрено построение алгоритма управления системой электроснабжения осветительных установок, а также имитационное моделирование в программной среде Matlab.

В настоящее время, управление системами электроснабжения осветительных установок осуществляется диспетчером, который передает команды включения и отключения на распределительное устройство или задает годовое расписание для автономной работы системы. Естественная освещенность при этом учитывается лишь косвенно. Формирование команд телеуправления обеспечивается с помощью SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) системы и OPC (OLE for Process Control) технологий.

В работе используется интеллектуальная система принятия решения (ИСПР) на основе нечеткого вывода, учитывающая естественную освещенность, время суток и календарный день года. Структурная схема алгоритма управления системами электроснабжения осветительных установок приведена на рис.3.

Освещенность

Свод правил

Рис.З. Структурная схема алгоритма управления системой электроснабжения осветительных установок

Диспетчером осуществляется сравнение результатов и выбор режима на основе данных интеллектуальной системы и существующего годового расписания.

ИСПР, структурная схема которой приведена на рис.4, представляет собой систему нечеткого вывода с четырьмя входными переменными: «Освещенность» Е, «Время суток» / , «День года» Б, «Режим

дня» Ж) и одной выходной:

«Мощность включения» Р . Для

вкл

каждой переменной определены ее

Время суток / ч i V Мощность

включения

Нечеткий вывод

День года D Rf)

RD/

Режим дня

t

Рис.4. Структурная схема интеллектуальной системы принятия решения

состояния или термы, например для «Освещенности»: «Нулевая», «Очень низкая», «Низкая», «Средняя» и «Высокая». Нечеткий вывод осуществляется по правилам, составленным совместно со специалистами службы наружного освещения, например: если «Режим дня» = «Утро» и «Освещенность» = «Низкая», то «Мощность включения» = «Средняя».

Входными нечеткими множествами являются:

A,={E,ß (£);££*,}; А2 = {1 ,р (/);/€*,}; А, А2

A3 = {D,M AD);D еХ,}, AA = {RD,p (RD); RD eX4j,

где E - входная переменная «Освещенность»; ß . (Е) - функция принадлежно-

Л1

сти Е к нечеткому множеству А,; Х1 - множество значений переменной «Освещенность» на интервале [х"-*' ]; t - входная переменная «Время суток»;

//(/)- функция принадлежности t к нечеткому множеству А2; Х2 - множе-А2 s $

ство значений переменной «Время суток» на интервале [xj-.x*]; D- входная переменная «День года»; ß . (D) - функция принадлежности D к нечеткому множеству А3; Х} - множество значений переменной «День года» на интервале Оз-х']; RD- входная переменная «Режим дня»; ¡1. (RD) - функция принад-

4

лежности RD к нечеткому множеству А4; Хл - множество значений переменной «Режим дня» на интервале [ х4 —jc" ].

Выходным нечетким множеством А, является:

где Р - выходная переменная «Мощность включения»; вкп

и АР ) - функция принадлежности Р к нечеткому множеству А,; А^ вкл вкп

Х5 - множество значений переменной «Мощность включения» на интервале

Трехмерная поверхность, отображающая вычисление «Режима дня» приведена на рис.5.

Функции принадлежности входных и выходных переменных определяются графически. По оси абсцисс откладываются множества Xt (¿=1, 2, ..., 5), а по оси ординат соответствующие значения функций принадлежности 0</1 . <1. Пред-

лагается использовать трапециевидную функцию /л^ , а численные значения интервалов входных переменных имеют вид:

- «Освещенность»: [х"-х"] = [0-100] и «Время суток»: [*i-xj] = [0-23];

- «День года»: [х~ —х"] = [1366] и «Режим дня»: [¿¡-х"4]

= [1-4].

Интервал [х"-х',] получен экспериментально на основе измеренных значений естественной освещенности. Интервалу [х1~х"4] соответствуют такие термы как «Ночь», «Утро», «День», «Вечер». Переменная RD определяется на основе нечеткого вывода по двум входным, а именно «Время суток» и «День года».

В этом случае выходная переменная «Мощность включения» вычисляется только по двум переменным «Режим дня» RD и «Освещенность» Е и выражена формулой:

Р = а-Р , (8)

вкл шах

где Р - максимальная мощность включения системы электроснабжения осве-тах

Рис.5. Поверхность значений переменной «Режим дня»

тительных установок; а - эффективный коэффициент включения из интервала [0; 0,33; 0,5; 0,67; 1]; интервал [x"s-x's] равный [0-100] представлен в процентах от .

Алгоритм управления и выбор Р^ осуществляется на основе нечеткого

вывода по методу Мамдани и состоит из пяти этапов: фаззификация, агрегирование, активизация, аккумуляция и дефаззификация. При фаззификации входной массив сопоставляется с термами соответствующих переменных, и определяются значения функций принадлежности. Этапы нечеткого вывода: агрегирование, активизация, аккумуляция и дефаззификация выражены формулой: Р = шах {arg max {шах {min {min {ß A (Е), ßA {RD)}, ¡1 (Р^)}}}} (9)

и

Этап дефаззифика-ции, на котором вычисляется выходное значение «Мощности включения», и функция принадлежности этой переменной приведены на рис.6. Например, для Р определен терм

«Очень низкая» и значе-Термы: 1 - «Нулевая»; 2 - «Очень низкая»; 3 - «Низ- ние функции принадлеж-кая»; 4 - «Средняя»; 5 - «Высокая» ности р£ШНое 0 4> тогда

значение коэффициента а равно 0,33. По этой величине диспетчер и должен принять окончательное решение о выборе режима.

Для исследования свойств разработанного алгоритма управления системой электроснабжения осветительных установок составлена имитационная модель в среде МаНаЬ БтиНпк, которая приведена на рис.7. Результаты моделирования с идеальным входным сигналом в виде полуволны синусоиды приведен на рис.8.

Рис.6. Функция принадлежности переменной «Мощность включения»

Генератор белого шума

rfo

90

Сумматор

0

г

J

Синусоидальный Ограничитель генератор амплитуды

Постоянный коэффициент

Часы

1/3600

■ rount 4-

Mux

Демультиплексор

Demu>

Мультиплексор

Контроллер нечеткого вывода

Р

вкп

Ю

Осциллограф

□

Рис.7. Имитационная модель алгоритма управления системой электроснабжения осветительных установок

«D» - переменная «День года» от 1 до 366; Round - блок округления переменной «Режим дня» до целого числа; mux и demux - блоки мультиплексора и демульти-плексора

%

Пвкл

100

т

.1 1 г

т

-4: 1

0 < * 8 2 6 ч 2 4

Как видно из рис.8.а при работе системы по годовому расписанию (кривая 1) в производится выключение освещения

£УС£Л

N

12

16

24

Рис.8. Моделирование с идеальным сигналом на входе системы

1 - переключения в соответствии с годовым расписанием; 2 - переключения системы нечеткого вывода; а - выходной сигнал; б - входной сигнал

(а=0), а в 19- включение (а= 1). На этом же графике приведено изменение Р *

выполненное по алгоритму нечеткого вывода (кривая 2). При увеличении уровня естественной освещенности

сначала производится

ступенчатое снижение

мощности Р (а =0,67; вкд

0,5; 0,33) и только затем отключение освещения

(а=0). Включение производится в обратном порядке с 19^0 21щ.

Результаты моделирования на основе наблюдаемых значений естественной освещенности, ко-

100

%

60 40 20

торые также показывают р^ многоступенчатость переключений, приведены на рис.9.

В работе рассмотрены вопросы экономической эффективности предлагаемого алгоритма управления системой электроснабжения осветительных установок, которая определена отношением потребляемых мощностей в утреннее и вечер-

01

12 I-

16

24

Рис.9. Результаты моделирования алгоритма управления системой

электроснабжения осветительных установок а — выходная переменная «Мощность включения»; б — естественная (солнечная) освещенность

нее время при работе системы по годовому расписанию и на основе нечеткого вывода и составила 50 процентов.

В четвертом разделе рассмотрено использование алгоритмов на базе нечеткой логики в существующей системе электроснабжения осветительных установок и проведены испытания их работоспособности и эффективности. Структурная схема управления системой электроснабжения осветительных установок приведена на рис. 10.

Рис.10. Структурная схема управления системой электроснабжения осветительных установок

АРМ - автоматизированное рабочее место; ТС - телесигнализация; ТИТ - телеизмерения; ТУ - телеуправление

Рассмотрено два способа получения измеренных значений естественной освещенности. Первый, на основе фоторезисторного датчика, когда его выходной ток пропорционален естественной освещенности. Второй использует устройство видеозахвата, оценивающее яркостную составляющую кадра видеосигнала.

Измеренное значение естественной освещенности Е(п) поступает на вход фильтрующего устройства, где обрабатывается в соответствие с формулой (2), выделяется тренд Е0(п) и передается в регулятор на основе нечеткого вывода, в котором вычисляется рекомендуемая мощность включения Р и поступает

диспетчеру. На этом этапе, в соответствии с рис.3, сравниваются результаты ИСПР с годовым расписанием, и диспетчером принимается окончательное решение. При подтверждении он формирует команды ТУ, на основе которых в распределительном устройстве выполняется коммутация отходящих линий. Каждому из рассчитанных значений Р и коэффициента а соответствует определенная

комбинация числа задействованных фаз отходящих линий, приведенных в таблице 1. После выполнения команд ТУ, на рабочем месте диспетчера при помощи 5САОА системы, отображаются положения автоматов в виде телесигнализации (ТС), а также значения токов, напряжений и мощностей.

Таблица 1

Соответствие мощности включения коммутируемым фазам отходящих линий

Мощность включения, % 0 33 50 66 100

Количество комбинаций 1 2 2 2 1

Тип включения фаз отходящих линий Все фазы отключены Две фазы по 50% или одна фаза 100% Три фазы по 50% или первая 100%, а вторая 50% Две фазы по 100% или одна фаза 100% и две фазы по 50% Три фазы по 100%

Для проведения испытаний интеллектуальной системы принятия решения и соответствующих алгоритмов к выходу системы электроснабжения была подключена испытательная панель осветительных установок (рис.! 1).

Рис.11. Структурная схема испытательного стенда МОХА 5560 - преобразователь интерфейсов Ethernet в RS485.

Результаты испытаний системы управления электроснабжением осветительных установок показали её высокую надежность и эффективность.

В существующую мнемосхему SCADA системы (рис.12) добавлена информация о рекомендуемом режиме включения, сглаженном значении освещенности от фотометрического датчика и от видеокамеры. Результат работы системы принятия решения показан на рис.13

Разработанные алгоритмы на основе нечеткой логики внедрены в Службе наружного освещения на одном из участков города Омска; в систему управления электроснабжением осветительных установок на территории НПО «МИР» (г. Омск), а также используются в Омском государственном Техническом Университете при организации учебного процесса на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий».

В приложениях представлены материалы, поясняющие проводимые эксперименты и их результаты. Также в приложения помещены акты внедрения результатов научных исследований.

ная при помощи фотометрического датчика; 3 - сглаженная освещенность, полу-

ченная при помощи видеокамеры

>■; ■ - ¿Л- о

Рис.13. Результат работы системы принятия решения

1 - Мощность включения, %; 2 - измеренное значение освещенности; 3 - сглаженное значение освещенности

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проанализированы системы управления электроснабжением осветительных установок и рассмотрены подходы к выбору режима их работы.

2. Получены экспериментальные данные измеренных значений естественной освещенности. Обоснован метод экспоненциального сглаживания для выделения постоянной составляющей из полного сигнала. Приведены статистические характеристики измеренных значений.

3. Разработан метод вычисления мощности включения системы электроснабжения осветительных установок на основе нечеткой логики, при котором учитывается естественная (солнечная) освещенность и годовое расписание.

4. Рассмотрен алгоритм управления системой электроснабжения осветительных установок с использованием разработанного метода на основе поступающих от датчиков данных о состоянии естественной освещенности, текущего времени суток и календарного дня года

5. Составлена имитационная модель системы принятия решения.

6. Оценена экономическая эффективность работы предлагаемого алгоритма управления системой электроснабжения осветительных установок Рассчитанные значения составили 50 процентов экономии потребляемой энергии в часы восхода и заката.

7. Разработано программное обеспечение, выполняющее рассмотренные алгоритмы принятия решения в существующем комплексе управления системой электроснабжения осветительных установок и обеспечивающее взаимодействие с диспетчером.

8. Разработаны и внедрены два способа получения значений естественной освещенности из видеосигнала. Показана идентичность графиков естественной освещенности, полученных при помощи обработки изображения с устройства видеозахвата и от фотометрического датчика.

9. Система принятия решений внедрена в систему НПО «МИР», объединяющий на одном сервере управление объектами энергетики, коммерческий и технический учет потребляемой электрической и тепловой энергии, управление наружным освещением.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

Публикации в изданиях по перечню ВАК:

1)Краснокуцкий И.Н. Алгоритмы и средства управления системами электроснабжения осветительных установок на основе методов нечеткой логики. /Краснокуцкий И.Н., Юша В.Л. // Омский научный вестник, серия «Приборы, машины и технологии»,-№3(103).- 2011 - С.218-220

2)Краснокуцкий И.Н. Защита, диагностика и фаззирегулирование групповых электрических сетей в электроэнергетической системе наружного освещения. /Краснокуцкий И.Н., Юша В.Л.//Омский научный вестник, серия «Приборы, машины и технологии»,- №3(93).- 2010.-С.131-134.

3)Краснокуцкий И.Н.Нечеткая логика в системе электроснабжения распределённых объектов наружного освещения / Краснокуцкий И.Н.// Известия высших учебных заведений. Электромеханика,-№4. -2010.-С. 64-68.

4)Краснокуцкий И.Н.Интеллектуальное управление электропитанием светильников наружного освещения / Краснокуцкий И.Н.// Промышленная энергетика: производственно-технический журнал.-Х«3.-2010.-С. 18-20.

5)Краснокуцкий И.Н.Использование алгоритмов нечеткого вывода в автоматизированном электротехническом комплексе управления наружным освещением /Краснокуцкий И.Н.// Промышленные АСУ и контроллеры: Науч.-техн.журнал-№5- 2010.-С.1-5.

6)Краснокуцкий И.Н.Управление электропитанием светильников наружного освещения железнодорожных станций./К р а с п о к у ц к и й И.Н.// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока.-№2.-2009 - С. 321-324.

7)Краснокуцкий И.Н.Коммутация электропитания светильников на основе видеонаблюдения./Краснокуцкий И.Н.// Омский научный вестник, серия «Приборы, машины и технологии»,- №3(81).- 2009 - С.231-234.

8)Краснокуцкий И.Н.Управление электропитанием светильников с использованием методов нечеткой логики/ Краснокуцкий И.Н.// Вестник Южно-Уральского государственного университета, серия «Энергетика».-№14.-2010,-С.11-14

Прочие публикации:

9)Краснокуцкий И.Н. Программный комплекс для оперативного выбора режима включения светильников наружного освещения / Краснокуцкий И.Н.// М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, 2010-№2010611323.

10) Краснокуцкий И.Н. Алгоритмы обработки результатов наблюдений в автоматизированной системе управления наружным освещением / Краснокуцкий И.Н.// Вестник Сибирской гос. автомобильно-дорожной академии: Научный рецензируемый журнал-№2,- 2009 - С.70-74.

11) Краснокуцкий И.Н. Система диспетчерского управления наружным освещением с применением элементов нечеткой логики / Краснокуцкий И.Н// Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта: Сб. науч. ст. аспирантов и студентов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2009- №9.- С.68-72.

12)Краснокуцкий И.Н. Статистический анализ естественной суточной освещенности / Краснокуцкий И.Н// Математика и информатика: наука и образование: Межвуз. сб. науч. тр./ Омский гос. педагогический ун-т-Омск, 2009,-№ 8- С. 15-20.

13) Краснокуцкий И.Н. Автоматизированная информационно-измерительная система управления освещением железнодорожных станций /

Краснокуцкий И.Н.// Известия Транссиба: Научно-технический журнал-№1,— 2010 - С.79-85.

14) Краснокуцкий И.Н. Использование каналов связи GPRS для передачи данных телесигнализации и телеуправления при обслуживании удаленных объектов / Краснокуцкий И.Н, Е.В. Болтунов//Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта: Сб. науч. ст. аспирантов и студентов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения.-Омск, 2007 - № 8,- С.59-62.

15) Краснокуцкий И.Н.Диагностика целостности и защита групповых электрических сетей электроэнергетической системы наружного освещения / Краснокуцкий И.Н.// «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики»: Материалы XI междунар. науч.-практ. конф.- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. С. 28-30.

16) Краснокуцкий И.Н. Автоматизатизированная система управления освещенностью фоторезисторными измерительными преобразователями / Краснокуцкий И.Н.// «Современные техника и технологии»/ Сб. тр. XV междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых-Томск: Изд-во ТПУ, 2009.-Т.2.- С. 234-235.

17) Краснокуцкий И.Н. Система управления и обработки информации в автоматизированном диагностическом комплексе / Краснокуцкий И.Н., Е.И.Раб, A.A. Любченко, A.C. Окишев, В.А. Деглан // «Радиоэлектроника, электротехника й энергетика»/ XV междунар. науч.-техн. конф: Тез. докл.- М.: МЭИ, 2009.- Т. 1- С.342-344.

18) Краснокуцкий И.Н. Автоматизированная система диспетчерского управления и контроля электрических сетей / Краснокуцкий И.Н.,

В. А. Деглан, А.А.Лаврухин // «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития»: Материалы Всерос. науч.-техн. конференции,- Екатеринбург, 2008.-С.59-60.

19) Краснокуцкий И.Н. Интеллектуальная система управления наружным освещением / Краснокуцкий И.Н.// «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве»: Тр. Всерос. науч.-практ. конф,- Новокузнецк: СибГИУ, 2009.— С.172-174.

20) Краснокуцкий И.Н. Интеллектуальный комплекс управления наружным освещением / Краснокуцкий И.Н.// «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы»: Материалы X междунар. науч.-практ. конф-Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. С. 18-19.

21) Краснокуцкий И. Н. Измерение естественной освещенности при помощи системы видеонаблюдения /Краснокуцкий И.Н.// «Теория, ме-

тоды и средства измерений, контроля и диагностики»: Материалы X междунар. науч.-практ. конф.- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. С. 10-11.

22) Краснокуцкий И.Н.Аналоговый измеритель освещенности в управлении электропитанием светильников наружного освещения / Краснокуцкий И.Н.// «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения»: Материалы IX междунар. науч.-практ. конф.-Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. С. 4-5.

Личный вклад. В работах, опубликованных в соавторстве диссертанту принадлежат: [1,2] метод вычисления мощности включения системы электроснабжения осветительных установок на основе нечеткой логики; [14] алгоритм управления системой электроснабжения осветительных установок с использованием разработанного метода на основе поступающих от датчиков данных о состоянии естественной освещенности, текущего времени суток и календарного дня года; [17, 18] имитационная модель интеллектуальной системы принятия решения.

Подписано в печать 15.12.2011. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл.п.л. 1,25. Уч.-изд.л. 0,73. Тираж 100 экз. Тип.зак. 62 Заказное

Отпечатано на дупликаторе в полиграфической лаборатории кафедры «Дизайн и технологии медиаиндустрии» Омского государственного технического университета 644050, 0мск-50, пр. Мира, 11

61 12-5/1386

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА И СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

/

Краснокуцкий Иван Николаевич

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Горюнов Владимир Николаевич

ОМСК 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

1. Исследование электроснабжения осветительных установок в составе электроэнергетической системы...................................................................... 12

1.1. Локальные системы электроснабжения осветительных установок . 12

1.2. Автоматизированные распределенные системы электроснабжения осветительных установок..................................................................................15

1.2.1. Общая структура управления наружным освещением....................15

1.2.2. Обзор существующих систем наружного освещения........................16

1.2.3. Автоматизированная система управления освещением НПО «МИР»....................................................................................................................25

1.2.3.1. Назначение и состав системы..............................................................25

1.2.3.2. Защита силовых линий наружного освещения................................30

1.2.3.3. Диагностика электрических сетей наружного освещения............32

1.2.3.4. Программное обеспечение системы...................................................34

1.2.3.5. Функции системы..................................................................................37

1.3. Выводы и результаты.................................................................................40

2. Получение, цифровая обработка и анализ динамических процессов естественной освещенности в системе электроснабжения осветительных установок...............................................................................................................41

2.1. Выбор измерительных устройств естественной освещенности, их математических описаний и методик исследования...................................41

2.2. Определение моментных и вероятностных характеристик................50

2.2.1. Основные формулы вычисления характеристик и анализ суточной освещенности.......................................................................................................50

2.2.2. Результаты статистической обработки недельной экспериментальной информации....................................................................58

2.3. Спектральный анализ исследуемых динамических процессов..........66

2.4. Выводы и результаты.................................................................................80

3. Моделирование процессов управления системой электроснабжения .81

осветительных установок..................................................................................81

3.1. Модель простейшей системы управления освещением.......................81

3.1.1. Формализация нечетких множеств....................................................... 83

3.1.2. Определение правил и нечеткий вывод...............................................89

3.1.3. Моделирование в программной среде..................................................96

3.1.4. Исследование влияния помех...............................................................100

3.2. Модель системы с учетом годового расписания.................................103

3.2.1. Исследование модели с идеальным входным сигналом.................108

3.2.2. Анализ помехоустойчивости системы................................................111

3.2.3. Модель системы с реальным входным сигналом............................114

3.3. Экономическая эффективность предлагаемых алгоритмов управления.......................................................................................................... 119

3.4. Выводы и результаты...............................................................................120

4. Применение разработанных алгоритмов и модернизация АСДУ электроснабжением осветительных установок..........................................122

4.1. Аппаратная часть АСДУ наружным освещением НПО «МИР».....124

4.1.1. Питающий пункт третьего исполнения ПП-03...............................124

4.1.2. Испытательная панель автоматизированной системы управления наружным освещением....................................................................................127

4.1.3. Асинхронный преобразователь МОХА NPort 5650.......................... 128

4.2. Программное обеспечение АСДУ наружным освещением............... 128

4.2.1. ОРС сервер «Омь»...................................................................................128

4.2.2. Графический редактор МИР................................................................131

4.2.3. Программный комплекс «Учет энергоресурсов».............................132

4.2.4. Программа «Сервер тревог».................................................................134

4.3. Интеллектуальная система принятия решения..................................135

4.3.1. Разработка программного интерфейса в среде Matlab GUIDE .... 135

4.3.2. Взаимодействие программного обеспечения Matlab с ОРС сервером «Омь» и ПК «Учет энергоресурсов»..............................................................137

4.3.3. Методы получения уровня освещенности на основе обработки

видеосигнала......................................................................................................141

4.3.4 Выводы и результаты.............................................................................149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................150

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..............................................................................................162

ПРИЛОЖЕНИЕ 2..............................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..............................................................................................169

ВВЕДЕНИЕ

Повышение уровня автоматизации электроэнергетических систем и внедрение интеллектуальных систем управления энергоемкими объектами является одной из актуальных задач современных наукоемких промышленных технологий. Такие системы наряду с выполнением в автоматическом режиме заданных функций, могут обеспечивать экономию электроэнергии, что для многих предприятий является определяющим в принятии решения об автоматизации [1, 42, 55, 101]. Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) - комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. АСУ ТП предназначены для оптимизации технологических процессов производств и повышение их эффективности путем автоматизации, базирующейся на использовании современных средств вычислительной и микропроцессорной техники, эффективных методов, средств контроля и управления [6, 43, 56, 57]. Проектирование автоматизированных систем осуществляется в соответствие с пакетом нормативных документов [12, 13, 14, 17, 72, 90]. Одними из главных преимуществ АСУ ТП является снижение влияния человеческого фактора на управляемый процесс, сокращение персонала, минимизация расходов сырья, повышение качества исходного продукта, и в конечном итоге - существенное повышение эффективности производства. Основные функции, выполняемые подобными системами, включают в себя: контроль и управление, обмен данными, обработку, накопление и хранение информации, формирование сигналов тревог, построение графиков и отчетов [44, 74, 92].

В последнее время АСУ ТП широко используются в таких сферах, как управление дорожным движением, медицина, машиностроение, ЖКХ. Отдельное направление их применения составляет военная и космическая техника, где системы автоматизации используются в качестве встроенных

средств контроля и управления. Современная АСУ представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления технологическими процессами получает информацию с монитора ЭВМ или с электронной системы отображения информации и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии, с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов. Из всего многообразия внедряемых систем управления можно выделить ряд направлений, получивших наибольшее применение [46]. Автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) создана с целью информационного обеспечения проведения финансовых расчетов на оптовом рынке электроэнергии и организации автоматизированного измерения параметров потребления электрической энергии, повышения точности измерений электроэнергии и мощности с привязкой по времени и улучшения качества управления энергопотреблением [28, 29, 31, 35, 37, 38]. Автоматизированная система диспетчерского управления (АСДУ) представляет собой территори-ально-распределенную систему с двухуровневой организацией, функционирующую круглосуточно, без постоянного присутствия специалиста по обслуживанию на объектах. Частным случаем АСДУ является автоматизированная система диспетчерского управления наружным освещением (АСДУ НО) представляющая собой информационно-измерительную и управляющую систему, обеспечивающую централизованное управление наружным освещением, реализованную с применением питающих пунктов (ПП) [33, 34, 49, 51, 62, 63]. Каждый питающий пункт контролирует участок сети наружного освещения и осуществляет управление его режимами. Проектирование системы электроснабжения осветительных установок осуществляется в соответствие со стандартами и нормами [15, 59, 60, 68, 70, 86, 89], а для системы управления внутренним освещением [11, 88, 91, 96, 97, 98]. Современные системы электроснабжения осветительных установок - это энергоемкие автоматизи-

рованные электроэнергетические системы, правильное построение которых в значительной мере определяет эффективность труда и комфорт современной жизни. Важно при этом учитывать ограничения, связанные с расходованием энергетических ресурсов на обеспечение работы систем освещения, затрат на текущую эксплуатацию осветительного оборудования. В зависимости от размеров и других особенностей сетей наружного освещения возможны различные подходы к управлению системой электроснабжения осветительных установок. Кроме того, разрабатываются специальные системы для отдельных отраслей, например для управления взлетно-посадочными огнями аэродрома [83, 84]. Задача принятия решения о времени включения или отключения освещения и выборе режима работы осветительных установок актуальна и до конца не изучена. Таким образом, новые, эффективные в вычислительном отношении и достаточно простые алгоритмы принятия решения при формировании управляющих воздействий будут востребованы в современных системах электроснабжения осветительных установок.

Значительный вклад в решение проблем, связанных с развитием автоматизированных систем, в том числе и диспетчерского управления наружным освещением, внесли ученые Ю.Б. Айзенберг, В. В. Балаган, В.А. Бесе-керский, Г.М. Кнорринг, Б.Ю.Липкин, А.Г. Мамиконов, В.В. Мешков, Ю.Н.Федоров и др.

Диссертация выполнена в соответствии с основными положениями «Энергетической стратегии России на период до 2020 года», Федеральным законом № 261-ФЗ от 23.10.2009 года «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», ориентирована на реализацию мероприятий подпрограммы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в электроэнергетике» Государственной программы Российской федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффектив-

ности на период до 2020 года», утвержденной Распоряжением Правительства РФ от 27.12.2010г.

Научная проблема порождена тем, что в настоящее время не решены теоретические вопросы по выбору эффективного времени включения и отключения системы электроснабжения осветительных установок, а также необходимого режима работы осветительных установок, исходя из текущего значения освещенности, времени суток и календарного дня года.

Объект исследования - электроэнергетическая система, в состав которой входит система электроснабжения осветительных установок.

Предметом исследования являются методы управления системой электроснабжения осветительных установок.

Цель исследования - разработка алгоритма и средств управления системами электроснабжения осветительных установок за счет применения интеллектуальных методов выбора их времени включения, отключения и режима работы на основе текущего значения естественной освещенности, времени суток и календарного дня года.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

проанализировать существующие электроэнергетические системы управления электроснабжением осветительных установок;

рассмотреть подходы к выбору времени включения и отключения распределенных осветительных установок, а также режимов их работы;

получить экспериментальные данные измеренных значений естественной (солнечной) освещенности, провести их статистическую обработку;

разработать алгоритмы принятия решения об эффективном времени включения и отключения распределенных систем электроснабжения осветительных установок.

провести имитационное моделирование полученных алгоритмов;

разработать программно-аппаратный комплекс, реализующий алгоритмы принятия решения в существующей системе электроснабжения осветительных установок.

Теоретические исследования проводились с привлечением аппарата нечетких множеств, методов фильтрации процессов, методов спектрального анализа. В качестве метода принятия решения использовался нечеткий вывод [30, 61, 71], который в последние годы находит все более широкое применение в задачах управления [20, 21]. Разработка нового программного обеспечения, а также проверка работоспособности и эффективности алгоритмов осуществлялась с помощью имитационного моделирования на ЭВМ с использованием современных средств автоматизации математических вычислений, а именно программного обеспечения МАТЬАВ [4, 23, 37, 32] с пакетом расширения 81тиНпк [25].

Новые научные результаты диссертации:

впервые получен метод вычисления мощности включения системы электроснабжения осветительных установок на основе нечеткой логики;

разработан алгоритм управления системой электроснабжения осветительных установок с использованием полученного метода на основе поступающих от датчиков данных о состоянии естественной освещенности, текущего времени суток и календарного дня года;

разработана имитационная модель интеллектуальной системы принятия решения на основе алгоритма управления системой электроснабжения осветительных установок.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов и практических испытаний, проведенных на реальном объекте.

Личный вклад автора заключается в получении алгоритмов принятия решения о необходимом и целесообразном режиме включения системы электроснабжения осветительных установок в текущий момент времени; разработке интеллектуальной системы принятия решения на основе разработанного алгоритма управления системой электроснабжения осветительных установок; формализации нечетких множеств входных и выходных величин; интеграции существующих методик управления наружным освещением в интеллектуальную систему принятия решения; разработке имитационной модели; разработке программного обеспечения, реализующего алгоритмы принятия решения в существующей системе управления наружным освещением.

Результаты работы использованы: в Службе наружного освещения для выбора эффективной мощности включения осветительных установок на одном из участков города Омска; в НПО «МИР» (город Омск) при управлении системой электроснабжения осветительных установок; в Омском государственном Техническом Университете при организации учебного процесса на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий».

Основной материал диссертации отражался в научных докладах, которые обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития» (Екатеринбург,

2008); ХУ-ой международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2009» (Томск,

2009); ХУ-ой международной конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2009); УП-ой всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2009 г.); Х-ой международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (г. Новочеркасск, 2009 г.); Х-ой международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2009 г.); девятой

международной научно-практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения» (г. Новочеркасск, 2009 г.).

По теме диссертации опубликовано 22 научные работы из них восемь статей в изданиях по списку ВАК и одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источнико