автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка математических моделей и программных комплексов для расчета, анализа и контроля режимов работы трубопроводных систем при диспетчерском управлении

РГб од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК г,и

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1 ^ /~Г ?

Инсттут систем энергетики им. Л. А. Мелентьева

/ДК 518.5:658.264:658.265:658.514

(

! На правах рукописи

ТОКАРЕВ Вячеслав Вадимович

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ РАСЧЕТА, АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ПРИ ДИСПЕТЧЕРСКОМ УПРАВЛЕНИИ.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.13.16. применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (энергетика).

Иркутск 2000

Работа выполнена в Институте систем энергетики им. JI.A. Мелентье-ва (ИСЭМ) СО РАН (до 1998 г. Сибирский энергетический институт (СЭИ) СО РАН), г. Иркутск.

Научный руководитель - доктор технических наук,

H.H. Новицкий

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор В.К. Аверьянов

кандидат технических наук, В.А. Стенников

Ведущая организация - Иркутский государственный

технический университет

Защита состоится " ¿Г " июля 2000 г. в и ч. на заседании Диссертационного совета Д 002.30.01 при Институте систем энергетики им. JI.A. МелентьеваСО РАН по адресу: 664033, Иркутск-33, ул. Лермонтова, 130.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. J1.A. Мелентьева СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 664033, Иркутск-33, ул. Лермонтова, 130, ученому секретарю совета.

Автореферат разослан " 2- " Uj^Of^} 2000 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.30.01 доктор технических наук

_А.М.Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Системы тепло- я водоснабжения современных городов сложились как пространственно распределенные и очень сложные трубопроводные системы (ТПС) централизованного снабжения потребителей. Они характеризуются рядом структурных и режимных аспектов: многокольцевой схемой большой размерности с разнотипными элементами; наличием ряда управляющих элементов (насосных и дроссельных станций, тепловых пунктов, регуляторов) для реализации различных режимов функционирования ТПС; возможностью диспетчерского управления структурой и параметрами ТПС в нормальных и нештатных условиях (дефицитные, аварийные и послеа-варийные режимы).

Требования к надежности и эффективности работы ТПС, качеству снабжения потребителей особенно обостряются в новых экономических условиях, находят свое воплощение в практически повсеместной активизации работ по внедрению технических средств учета целевого продукта, локального регулирования параметров режима, автоматизации диспетчерского управления. Эти обстоятельства, в свою очередь, выдвигают новые требования к научно-методическому и информационно-вычислительному обеспечению для оперативного расчета, контроля и ведения режимов при диспетчерском управлении, обуславливают необходимость постановки и решения новых задач, делают актуальным выполнение самостоятельных исследований и разработок в этой области.

Исследованию задач расчета режимов посвящены многочисленные исследования и к настоящему времени здесь накоплен значительный научно-методический и практический опыт. Однако имеющиеся методы и алгоритмы требуют своего существенного развития для обеспечения их применимости в практике диспетчерского управления в направлении учета: большой размерности и иерархичности построения реальных объектов; их возрастающей насыщенности регулирующими элементами; многоцелевого использования за-

дач потокораспределения в контурах краткосрочного и оперативного управления; повышенных требований к быстродействию и надежности методов л алгоритмов; стохастической природы измерительной информации при использовании моделей потокораспределения для слежения за фактическими режимами; современных требований к информационно-вычислительным комплексам и организации баз данных.

К числу первоочередных задач из этой проблематики, составивших предмет данной диссертационной работы, относятся задачи расчета, анализа и текущего контроля режимов, без решения которых невозможно обоснованное принятие решений по управлению.

Цели и задачи работы. Основной целью работы является разработка и развитие математических моделей и методов, создание на их базе программных комплексов для расчета, анализа и контроля режимов ТПС (на примере систем теплоснабжения) при диспетчерском управлении. Для достижения этой цели в работе ставились следующие задачи: 1) развитие методов и алгоритмов расчета потокораспределения с учетом требований диспетчерского управления современными ТПС; 2) разработка и исследование способов декомпозиции и эквивалентирования моделей и расчетных схем; 3) разработка методик многоуровневого расчета режимов теплоснабжающей системы (ТСС) для задач наладки и имитации ее работы; 4) постановка и исследование задач расчета режимов ТСС по данным измерений; 5) разработка принципов реализации информационно-вычислительных программных комплексов для автоматизации задач анализа режимов при диспетчерском управлении ТСС; 6) реализация разработанных,принципов, методик и алгоритмов в составе программно-вычислительного комплекса (ПВК) и его внедрение.

Методическая база. В качестве использованной методической базы следует специально выделить сформулированную и развиваемую в ИСЭМ (СЭИ) СО РАН теорию гидравлических цепей, как межотраслевую научно-техническую дисциплину, обеспечивающую единый векторно-матричный язык, модельный и методический аппарат для описания и расчета ТПС раз-

личного типа и назначения. Для решения отдельных вопросов и задач используются: теория графов, линейная алгебра, методы безусловной оптимизации и нелинейного программирования, общая теория оценивания и др.

Научная новизна. При разработке математических моделей и их программной реализации были получены следующие новые результаты:

1) разработана новая методика расчета потокораспределения в гидравлических сетях с регулируемыми параметрами, обладающая повышенным быстродействием и имеющая межотраслевое значение для ТПС различного типа и назначения (теплоснабжения, водоснабжения, газораспределительных сетей и др.);

2) разработаны новые методики многоуровневого расчета режимов работы ТСС, которые в сочетании с обоснованными в работе принципами экви-валентирования и декомпозиции обеспечивают возможность полного расчета тепловых сетей реальной размерности для любого современного города;

3) предложена постановка задачи и математическая модель для контроля режимов ТСС по данным измерений, новизна которой заключается в привлечении измерений температур транспортируемой среды;

4) реализована новая информационно-вычислительная технология для расчета и анализа режимов при их планировании и диспетчерском управлении ТСС.

Защищаемые положения.

1) Методика расчета потокораспределения ТПС с автоматическими регулирующими устройствами.

2) Принципы декомпозиции и эквивалентирования модели ТСС на иерархически связанные уровни и методики многоуровневого расчета для задач наладки и имитации гидравлических режимов ТСС.

3) Графическая информационно-вычислительная технология для решения задач расчета, анализа и контроля режимов ТСС при диспетчерском управлении.

Практическая ценность работы. Использование разработанного методического и программного обеспечения при соответствующем техническом и организационном уровне его использования существенно повышает оперативность, обоснованность и качество принимаемых решений при эксплуатации и диспетчерском управлении ТСС. При этом могут решаться следующие задачи: 1 ) создание многоуровневой графической базы данных и паспортизация ТСС; 2) расчет и анализ гидравлического и теплового режимов ТСС в целом и отдельных ее фрагментов; 3) определение необходимых параметров сужающих устройств для обеспечения планируемого гидравлического режима ТСС; 4) имитация режима работы ТСС после внесения управляющих воздействий; 5) контроль за режимом ТСС с использованием данных телеизмерений; 6) оперативное получение любой схемно-параметрической информации о состоянии ТСС и вывод ее на печать. Методика расчета ТПС с регулируемыми параметрами также может быть применена при математическом моделировании водопроводных и газораспределительных сетей, оснащенных регуляторами дроссельного типа.

Реализация работы. Результаты исследований реализованы в составе программно-вычислительного комплекса (ПВК) «АРМ TTC» (автоматизированное рабочее место инженера технолога тепловой сети), при этом автором были разработаны: структура иерархической базы данных (БД); архитектура ПВК; принципы взаимодействия расчетных программ с БД; расчетные блоки для анализа данных, наладочного и имитационного многоуровневого расчета гидравлических режимов ТСС; модули управления расчетом и сервисные утилиты. ПВК «АРМ TTC» является развитием на качественно новом уровне ранее разработанных в лаборатории трубопроводных систем ИСЭМ СО РАН ДВС «ДИСИГР» и «ДИТЕГР».

Предложенные в работе методы, модели и методики апробированы на тестовых примерах и реальных системах теплоснабжения. Основные результаты внедрены в АОЭиЭ «Иркутскэнерго» на базе предприятий «Ангарские тепловые сети», «Северные тепловые сети» и «Иркутские тепловые сети».

Кроме того, ПВК был использован для анализа и разработки рекомендаций по организации и наладке режимов тепловых сетей г. Шелехов, Свирск, пос. Улькан, Магистральный и др. Также работа использовалась в учебном процессе в Иркутском государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: конференциях научной молодежи ИСЭМ (СЭИ) СО РАН (Иркутск, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998 и 2000 г.г.); Международной научно-практической школе-семинаре «Методы оптимального развития и эффективного использования трубопроводных систем энергетики» (Иркутск, 1994 г.); Международной научно-практической конференции «Человек - Среда - Вселенная» (Иркутск, 1997 г.); Всероссийской научной школе-семинаре «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (Иркутск, 1998 г.); Совместном заседании секций "Специализированные системы энергетики" и "Прикладная математика и информатика" Ученого совета ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2000 г.)

Публикации. Основное содержание работы отражено в 9-ти публикациях, в том числе в коллективной монографии.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 6-ти приложений. Объем работы (без приложений) - 130 страниц, содержит 24 рисунка и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Глава. 1. Анализ существующего положения в области моделирования режимов трубопроводных систем тепло- и водоснабжения и постановка

вопросов

В этой главе, имеющей обзорно-постановочный характер, дается краткая характеристика современных систем тепло- и водоснабжения, особенностей их структуры и условий функционирования, уровня автоматизации. В

ней проведен анализ задач и уровня развития методов, а также программных комплексов для расчета централизованных систем тепло- и водоснабжения.

Сетевые увязочные методы расчета потокораспределения в гидравлических и трубопроводных системах впервые были предложены Андрияше-вым М.М., Лобачевым В.Г. и Кроссом X. В дальнейшем исследованиям и разработке методов расчета потокораспределения в нашей стране посвятили свои работы многие ученые, а наибольшее развитие они получили в работах: Хасилева В.Я., Меренкова А.П., Кагановича Б.М., Новицкого H.H., Сидлера В.Г., Фольгарта В.И., Цоя С., Монахова Г.В. и др. для систем теплоснабжения; Абрамова H.H., Евдокимова А.Г., Тевяшева А.Д., Вайсфельда В.А., Сумарокова C.B. и др. для систем водоснабжения; Сухарева М.Г., Ставровского Е.Р., Панова М.Я., Квасова И. С. и др. для газоснабжающих систем. На настоящий момент базовыми являются два основных метода, - обобщенный метод контурных расходов (МКР) и обобщенный метод узловых давлений (МД), основанные на использовании, соответственно, контурной и узловой модели потокораспределения. Исторически наибольшее развитие получил МКР. Однако опыт применения МКР для расчета сетей с автоматическими регулирующими устройствами выявил его существенные недостатки, связанные с громоздкостью преобразований и трудоемкостью вычислений. В этом отношении МД, потенциально, является более перспективным, однако систематические исследования условий его применимости и способов повышения эффективности практически отсутствуют.

Системы линеаризованных уравнений, к решению которых сводится применение МД и МКР, имеют вид:

M^AP'^-ulV1'), (1)

Ка,Дх,м=-и;11'(у,м) . (2)

Здесь и далее: M<k) = A(f'(k,)"! Ат - (т-1)х(т-1)-матрица. Максвелла; K(k' =Bf'<k)BT - схс-матрица Кирхгофа; А,А - соответственно, полная шхп-матрица инциденций и (ш-1)хп-матрица инциденций линейно независимых

узлов и ветвей расчетной схемы; В - схп-матрица контуров; х, у - п-мерные векторы расходов и перепадов давлений на ветвях; Г(к) = сТ(х<к),8(к|)/Зх -диагональная матрица порядка п; и*а,( у(к>) = Ву<к|, и(,к)(х1к)) = Ах(к) - О - векторы невязок потерь давления в контурах и узловых расходов, соответственно; О - (т-1)-мерный вектор узловых отборов или притоков.

Анализ существующих методов расчета потокораспределения в сетях, оснащенных регуляторами, показал, что для расчета применяются два основных подхода, связанных с применением достаточно универсальной методики так называемых двойных (или вложенных) циклов итераций (МДЦИ), предназначенной для расчета ТПС как гидравлических цепей с переменными (регулируемыми) параметрами. В первом подходе на внешнем цикле корректируются значения сопротивлений регуляторов, во втором - корректируется состав регуляторов. На внутреннем цикле в обоих случаях (традиционными методами типа МКР или МД) решается задача потокораспределения при фиксированных составе или значениях сопротивлений регуляторов. Однако, расчет с использованием МДЦИ требует значительного времени расчета, поэтому возникает необходимость в разработке нового, более быстродействующего подхода.

Современные ТПС жизнеобеспечения городов имеют большую размерность. При создании систем диспетчерского управления такими ТПС возникает противоречие между требованиями полноты информации о сети и минимизации времени расчета. Возможность применения тех или иных методов декомпозиции и эквивалентирования модели потокораспределения (МП) определяется не только видом расчетной схемы и типом модели, но и решаемыми задачами, поэтому не может существовать универсального метода декомпозиции МП, применение которого было бы одинаково эффективно для систем различного типа. В связи с этим стоит актуальная проблема дальнейшего развития и дифференциации таких методов, исходя из специфики моделируемых объектов (ТПС).

Программы для расчета гидравлических режимов ТПС имеют давнюю историю, первой из разработок была программа "АСИГР", разработанная в СЭИ СО РАН с использованием МКР. Также, на основе МКР, но с более высоким уровнем сервиса, был создан ряд программных комплексов, таких как "Теплограф", "Окна роста", "НГУТЖООНАРН", АРМы инженеров-технологов теплосетей и др. В начале 90-х годов в СЭИ СО РАН была разработана ДВС "ДИСИГР" для расчета гидравлических режимов на ПВК, в которой был использован МД, а затем ДВС "ДИТЕГР" для расчета теплогидравлических режимов. Эти ДВС показали перспективность МД и его использования для задач большой размерности. Однако, наряду с использованием перспективных математических методов необходимо привлечение новых графических средств для повышения наглядности БД и ускорения анализа результатов расчета.

Таким образом, в работе были сформулированы задачи разработки математических моделей и программных комплексов с учетом требований диспетчерского управления, предполагающие необходимость: расчета сетей большой размерности, повышенного быстродействия, адаптивности к учету регулируемых параметров и данных телеизмерений, обеспечения современного пользовательского интерфейса ПВК.

Глава. 2. Развитие методов расчета режимов ТПС с учетом специфики

решения задач краткосрочного и оперативного управления

Глава посвящена исследованиям традиционных методов расчета пото-кораспределения трубопроводных систем и их развитию для повышения быстродействия и более эффективного учета регуляторов.

В работе приведены результаты исследований алгоритма, предложенного в ИСЭМ СО РАН, которые показали значительно большую конкурентноспособность МД по сравнению с МКР. Основным фактором здесь является применение одномерной минимизации функции невязки по /„<к| (корректи-

ровки шага), что позволило обеспечить монотонную сходимость итерационного процесса и резко сократить количество итераций (рис. 1).

При этом для вычисления длины шага достаточно расчета лишь

одного значения целевой функции Ф(к) = ¡|и|к)|^ = |ах<1) - С? на очередной итерации: ^> = ф<к-'» /(ф(к) -ф^1»).

С учетом этого, МД оказывается более быстродействующим и требующим меньше ресурсов памяти, чем МКР, поскольку требует меньше времени на одну итерацию, не требует построения матрицы В и специальных методов для нахождения начального и очередного приближения. Кроме того, МД является более адаптивным к учету регуляторов.

Проблемой расчета потокораспределения с регуляторами является то обстоятельство, что до начала расчета неизвестно, в каком состоянии (активном или пассивном) они находятся. Соответствующие условия имеют вид:

=5*,если XI <Х1>11 >5*, если Х| , 1 е 1рр; (3)

в, = э*, если рк] < рк|, и > 5*, если Рк1 = рк,, [ е 1рдп; (4)

б, = 5*, если р„,. > Р ,., и > з*, если р„, = Р ш, 1 £ 1рдд. (5)

где: Х| > Р„|, РК1 ■ соответственно, расход, давление в начальном и конечном узлах ¡-й ветви; ^ > Р „е Рк; " соответственно максимально допустимый расход, минимально допустимое давление в начальном узле и максимально до-

-♦-С^^^рс&'л'! шага - ® ■ Сед'Н1+№шгск

Рис. 1. Ход вычислительного процесса без корректировки и с корректировкой шага.

пустимое в конечном узле, поддерживаемые регуляторами на i-й ветви; 1рр, 1рд„, 1рдд - непересекающиеся множества ветвей с регуляторами расхода (РР), регуляторами давления после себя (РДП) и регуляторами давления до себя (РДД), соответственно; si - минимальное сопротивление ветви с регулятором.

Модель потокораспределения в узловой форме имеет вид: u,(x) = Ax-Q = 0; u2(y,p)= у - АТР = 0; u3(x,y)=y - f(x,s)=0, (6)

где: Р, Р- соответственно, полный ш-мерный вектор узловых давлений и вектор давлений в гп-1 узлах; f(x,s) - вектор-функция гидравлических характеристик ветвей с элементами fi(xi ,s,), i = l,n; s- вектор параметров этих характеристик.

С учетом условий (3)-(5) уравнения второго закона Кирхгофа в узловой форме из (6) могут быть представлены в виде:

Pm-PKi=fi(xi,s*) = fi(xi), iе1тр;

PI11-PM=fi(xi,s;,H;) = fi(x1), iel„c;

p„i -рк, =f,(x,.s*) = fi(xi),-еслих;<х(,иначе PNi -PKj = = f^s,),ielpp;

P„i - рк, = fiUiX) = f.(*i),если PK1 < Pn,иначе P„ - P„ = f,(X;,s,), i61рД11;

Р„,-Рк. =f,(xi's*)~fi(xi)'ec™ p,„ >p„i, иначе PHi-PKi =fi(x1>s1), ieliwl, где I = ITp uIHC ulpp и Ipjn и1рдд - множество всех ветвей схемы, в котором ITp,IH1.,Ipp,Ip;m,IpJA - непересекающиеся подмножества ветвей, моделирующих трубопроводные участки, насосные станции, РР, РДП, РДД.

Предлагаемая в работе новая методика расчета ТПС с регуляторами (условно названная "релейной"), основанная на МД с корректировкой шага, позволила избежать двойного цикла итераций и за счет этого значительно сократить время расчета. Методика основана на учете того факта, что вся область значений целевой функции в пространстве давлений может быть разбита гиперплоскостями на подобласти, в каждой из которых действует своя локальная модель с сосредоточенными параметрами.

В случае с РД эти гиперплоскости ортогональны оси координат, соответствующей поддерживаемому узловому давлению. Для РР гиперплоскость пересекает максимум две оси координат (соответственно для давлений в начальном и конечном узлах ветви с РР) и лишь одну ось (под прямым углом), если ветвь с РР инцидентна узлу с фиксированным давлением. По линиям уровня целевой функции для примера рис .2а видно, что вся область ее значений разбита на две локальных подобласти (рис.26), где РР работает (расход на соответствующей ветви известен) и не работает (сопротивление ветви с регулятором известно).

а)

б)

5,-0.104

2 Ог = 600

= 0.052

з3= 0.013

х = 550

Рис. 2. Пример сети с регулятором расхода (а) и вид линий уровня целевой функции для этого примера (б).

Учет регуляторов расхода достигается за счет декомпозиции вектора расходов исходной модели на фиксированную и свободную составляющие в зависимости от выполнения условия Р,^' -Р^10 < ГДх^я"), проверяемого на каждой итерации. С учетом этого исходная модель примет вид: и,(х|к|) = Ах,ь' - о = А<к,х;и + А^х;10 - (2; игс(хГ,Р(к|) = (А:1')Р<и-^(хГ);

где: в1'1 - неизвестные сопротивления активных на к-й итерации РР.

После линеаризации и подстановок имеет место следующее соотношение для определения направления шага при расчете сети с регуляторами

расхода - а^ЧСУЧа^У ЛР(к) = -и, (х^) •

При наличии РД с учетом декомпозиции вектора давлений на свободную и фиксированную составляющие, в зависимости от выполнения условий (4) и (5), исходная модель может быть представлена в виде:

и1(х'к1)= Ах"1' -<2; (7)

и2(Ь^,Р^,Х|к1) = (А;1')тР:к, + (А^)тР?,-Г(х(к,)-Ь^, (8)

где: А|к),А!,к1 - матрицы инциденций ветвей расчетной схемы и узлов, соответственно, со «свободными» и фиксированными давлениями; Ь^' - п-мерный

вектор дросселируемых потерь давления, имеющий ненулевые значения для ветвей с активными на к-ой итерации РД.

После линеаризации и подстановок может быть получено соотношение для расчета сети с регуляторами давления - А (г)"1 (А1и)тДЕк' ^-иДх"1'),

где матрица (А(.к,)т =

(А!к,)т О

о

_ т(к)

*др J

имеет размерность матрицы Ат, а

1(дк| - единичная диагональная матрица того же порядка, что и р(фк).

Разработанный алгоритм расчета потокораспределения для общего случая гидравлической цепи с регуляторами расхода и давления может быть представлен состоящим из следующих операций: 1) исходя из некоторого приближения Р(к) с учетом условий работы РД, определяется состав векторов Рс(к',Рфк>, Ьдр*; 2) определяется вектор х(к), удовлетворяющий (8); 3) исходя из допустимости х(к\ по условиям работы РР формируются векторы Хс1) и Хф'; 4) составляется и решается система' уравнений Ас^СГсГЧ^с1)1 = -u,(x(k)), где и, вычисляется из (7), а А(.к) может быть получена из А(,к) вычеркиванием столбцов, соответствующих компонентам Хф1; 5) из условия одномерной минимизации по x,(k),

Ф(Х(к)) = !!и1 (Р(к) + А.<1"ДР.<к>)|!2, в процессе которой учитывается возможное изменение условий работы регуляторов, определяется новое приближение р(к+п _р(ю ^ пункты 1-5 повторяются до получения решения с

наперед заданной точностью по невязкам узловых расходов; 7) при необходимости вычисляются сопротивления регуляторов.

На рис. 3 для сопоставления показан ход вычислительного процесса при расчете потокораспределения разными методами.

а) 200 160

1

IV

ГХ-ХУ^ • ■1 о-2

б)

Г

17/

3 1/ 1 0-2

п |

1

/ /

у /

/

в) р. --——Рис. 3. Процесс поиска решения

для примера на рис.2а, в пространстве узловых давлений (н - точка начального приближения; 1,2,... -индекс внутренней итерации; 1,11,... - индекс внешней итерации): а) методом двойных циклов итераций с корректировкой сопротивле-

ний регуляторов; б) методом двойных циклов итераций.с корректи-о ад во ¡20 1бо ровкой состава регуляторов; в) по

«релейной» методике.

1 - точка решения на внутренней итерации; 2 - точка решения на внешней итерации.

В работе исследована проблема разрешимости задачи расчета потокораспределения с точки зрения корректности размещения регуляторов на сети. Предложены способы определения факта некорректной, с точки зрения соблюдения законов Кирхгофа, расстановки регуляторов и назначения вариантов устранения таких ситуаций.

р.

Глава. 3. Разработка и исследование методов декомпозиции и эквивален-тирования расчетных схем и методик многоуровневого расчета гидравлических сетей

Глава посвящена проблемам моделирования больших ТСС. При диспетчерском управлении возникает противоречие между необходимостью иметь как можно более полную и подробную информацию о параметрах режима ТСС и необходимостью быстрого получения результатов расчета в обозримом для диспетчера виде. Для решения этой проблемы целесообразно строить многоуровневые, иерархически связанные модели.

Предлагается построение четырехуровневой модели. Самым верхним уровнем является уровень магистральных тепловых сетей (МТС), все объекты нижнего уровня представлены на нем в виде ветвей или узлов с эквивалентными характеристиками. Второй уровень определен для распределительных тепловых сетей (РТС) и технологических объектов (источников, насосных станций, центральных тепловых пунктов и тепловых камер). На следующем уровне содержатся все местные тепловые пункты (абонентские вводы) потребителей, связывающие тепловые сети с внутридомовыми системами распределения и потребления тепла, которые содержатся на последнем уровне. На практике внимание диспетчера сфокусировано главным образом на первых двух уровнях.

Для проведения расчетов графическая схема сети (рис.4) методом перекодировок преобразуется в расчетную схему (рис.5).

Конфигурация рассчитываемой сети полностью учитывается структурой матрицы М. Как показано в работе, критериями для упорядочения элементов М и декомпозиции матрицы на блоки могут служить следующие: минимальная размерность диагонального блока М, содержащего элементы, относящиеся к ветвям с органами управления (уровень МТС); минимальное количество диагональных блоков; число ненулевых элементов внедиагональ-ных блоков не должно превышать двух.

Исходя из этого и специфики задач, возникающих при диспетчерском управлении, в работе предложены правила декомпозиции исходной схемы на уровни, основанные на ее однолинейном представлении (рис.4): вся многокольцевая часть обезличенной схемы сети, все объекты управления режимом в сети (источники, насосные станции и перемычки) - выносятся на уровень МТС. На уровень РТС предлагается выносить все фрагменты, связанные только одной ветвью с многокольцевой частью сети, притом декомпозицию более эффективно осуществлять прямо в узлах связи многокольцевой и разветвленной частей сети.

Рис. 4. Фрагмент теплоснабжающей системы.

1 - источник теплоты; 2 - насосная станция; 3 - трубопроводный участок; 4 - потребитель теплоты; 5 - тепловая камера; б - номер узла.

Подающий трубопровод

Рис.5. Расчетная схема для фрагмента ТСС на рис.4.

I - источник напора; 2 - отбор воды из узла (на горячее водоснабжение■); 3 - приток воды в узел (подпитка); 4 - регулятор расхода; 5 - местная система отопления и вентиляции; 6 - трубопроводный участок (стрелкой обозначено направление потока); 7-номер узла на подающем трубопроводе; 8 - номер узла на обратном трубопроводе.

В работе вопросы многоуровневого расчета рассмотрены для двух типов задач. Для задачи наладки режима необходимо определить такое потоко-распределение в сети, при котором удовлетворяются требуемые нагрузки потребителей (для обеспечения требуемой нагрузки у потребителей назначаются "псевдорегуляторы" расхода). Вид схемы сети после декомпозиции показан на рис.6.

Магистральная тепловая сеть

| 6

Рис.6. Вид расчетной схемы рис.5 для проведения наладочного расчета после декомпозиции на магистральные и распределительные тепловые сети. 1 - источник напора; 2 - отбор воды из узла (на горячее водоснабжение); 3 - приток воды в узел (подпитка); 4 -регулятор или "псевдорегулятор" расхода воды на отопление и вентиляцию; 5 - трубопроводный участок (стрелкой обозначено направление потока); 6 - номер узла на подающем трубопроводе; 7 - номер узла на обратном трубопроводе; 8 -обобщенный отбор воды в распределительную сеть: 9 - обобщенный приток воды из распределительной сети.

В работе предлагается методика многоуровневого расчета для задачи наладки режима. Суть методики сводится к последовательным гидравлическим расчетам: 1) РТС, для определения значений минимально необходимых

располагаемых напоров где 1 = 1,пРТС в месте связи РТС с МТС; 2) МТС при суммарных проектных нагрузках РТС, для определения потокораспреде-ления в МТС и располагаемых напоров для РТС; 3) РТС при этих располагаемых напорах для определения потокораспределения внутри РТС.

Для того, чтобы считать наладочный расчет завершенным, необходимо выполнение условия Н°п >Н,тш, где - располагаемый напор на ¡-м входе в уровень РТС, определенный из расчета МТС. Если это условие не

выполняется хотя бы для одной РТС, дальнейший расчет не имеет смысла. В этом случае необходим экспертный анализ для назначения вариантов повышения производительной способности МТС для обеспечения минимально требуемых напоров на входах в РТС и повтор расчета сначала.

Таким образом, для определения потокораспределения во всей сети, удовлетворяющего проектным нагрузкам, необходим один расчет МТС и два расчета РТС и не требуется внешнего цикла итераций.

Для задачи имитации режима необходимо определить - какое будет потокораспределение и нагрузки у потребителей после внесения данных о возмущающих и управляющих воздействиях. При этом расчетная схема примет вид, показанный на рис.7, где РТС предлагается представить на верхнем уровне в виде его эквивалента (участка с соответствующими параметрами).

В работе показано, что обобщенные характеристики выделенных таким образом РТС имеют почти линейный характер в пространстве координат располагаемого напора и квадрата расхода и с довольно высокой достоверностью аппроксимируются линейной функцией. Если потокораспределение внутри некоторых фрагментов РТС не представляет интереса для диспетчера, то такая характеристика, построенная заранее для каждой из РТС, может быть использована как эквивалент РТС при расчете МТС и имеет вид:

у.^ГУх.-Ду,, (9)

где Б"1 - «сопротивление» ¡-й ветви-эквивалента РТС, определяется как коэффициент при квадрате расхода в аппроксимации; Ду, - константа, учитывающая невязку потерь давлений в РТС из-за открытого фиксированного отбора воды из сети; у; - располагаемый напор на ¡-м входе в РТС.

Предлагаемая в работе методика многоуровневого имитационного расчета представляет собой методику двойных циклов итераций, но (в силу малой нелинейности характеристик распределительных сетей) процесс, как правило, сходится за две-три итерации внешнего цикла к величине допустимой погрешности. Методика имеет следующий вид.

1) Осуществляется расчет гидравлического режима РТС (заданных для многоуровневого расчета) при некотором начальном располагаемом напоре на входе в РТС, по результатам которого определяются суммарные "сопротивления" для каждого изолированного фрагмента РТС по формуле

= Н|0)/(х!")2, суммарные нагрузки на горячее водоснабжение (С?, )ртс и

расход воды через РТС (х|°')ртс. В качестве начального приближения располагаемого напора на входе в РТС (Н[")ртс может быть выбрано некоторое значение из диапазона от 15 до 160 м (из условий нормальной работы местных систем и прочности оборудования).

2) Осуществляется гидравлический расчет МТС при вычисленных ранее 5^г)(для РТС знание о потокораспределении внутри которых неактуально, замыкающее соотношение может быть принято в виде (9) по заблаговременно построенной характеристике РТС), в результате которого определяются фактические: а) располагаемый напор (Н[г> )мтс на входе в РТС и б) расход воды через РТС (х^г,)мтс для каждого изолированного фрагмента распределительной сети.

3) Если расходы воды через «обобщенный потребитель» МТС и соответствующий ему «фиктивный источник» РТС отличаются более, чем точность по расходу ¡(х|г))мтс - (х[г1)ртс| < Ох , то индекс внешней итерации г уве-

личивается на единицу и расчет повторяется. В качестве располагаемого напора на входе в распределительную сеть используется располагаемый напор (Н[г> )мтс, полученный на предыдущей итерации.

Таким образом, сочетание предлагаемых правил декомпозиции с методиками многоуровневого расчета позволяет определить потокораспределе-ние в ТСС практически любого современного города с минимальными потерями времени на увязку расчетов разных уровней.

Глава. 4. Задачи и методы расчета и контроля режимов по данным телеизмерений

Глава посвящена моделям и методам расчета режима с использованием данных телеизмерений. Хотя к настоящему моменту на практике системы теплоснабжения слабо оснащены телеизмерениями, наблюдается тенденция к увеличению их числа в будущем, поэтому в перспективе задача контроля режима по данным измерений будет иметь все возрастающую актуальность.

В работе дана постановка задачи контроля режима по данным измерений и ее математическая модель. Особенностью постановки является привлечение измерений температур и теплогидравлических моделей, позволяющих существенно доопределить задачу, что ранее не учитывалось при исследовании вопросов оценивания параметров и идентификации ТСС.

Исследованы возможные подходы для ее решения при недоопреде-ленной, определенной и переопределенной ситуациях. Критерием для задачи расчета режима может служить целевая функция, имеющая вид:

ф = - 1хх(: 1 )тс;'(зг"1 -*) + (О" > - ')т Сч' (> - >)

где: Сх,Ср,Сд,С ,С - диагональные матрицы дисперсий ошибок измерений

'и V ::

расходов (х), давлений (Р), расходов в узлах (<5), температур в начальных (Чн) и конечных (^) точках участков; "волной" сверху обозначены измеряе-

мые параметры; 1Х- х m-мерная матрица соответствия с элементами: 1хИ = 1, если j-му параметру из х отвечает i-я компонента вектора х , I = 0 в противном случае, аналогично определяются матрицы соответствия Ir,IQ ,It и It для соответствующих им параметров.

к

Глава. 5. Алгоритмизация и практическая реализация разработанных моделей, методов и алгоритмов

Глава посвящена вопросам разработки многоуровневых графических баз данных, программных комплексов и их практическому внедрению на предприятиях тепловых сетей.

На базе проведенных в работе исследований выделены следующие основные требования, которым должны удовлетворять вычислительные комплексы для анализа и контроля режимов при диспетчерском управлении:

- иерархическая структура построения базы данных,

- графический интерфейс,

- единая база данных для решения разных задач,

- универсальность средств доступа расчетных задач к базам данных.

На основе этих принципов был разработан ПВК, в составе которого

нашли свою реализацию предлагаемые методики расчета потокораспределе-ния в сети с регуляторами и методики многоуровневого расчета для задач наладки и имитации режимов.

Для обеспечения доступа к базе данных в работе предложен и реализован во всех программных модулях, имеющих связь с БД, метод косвенной адресации данных через индексные таблицы, что значительно улучшает адаптивные характеристики комплекса к уже созданным на предприятиях базам данных и позволяет достаточно легко наращивать состав задач.

При создании баз данных и ПВК «АРМ TTC» была использована ИГС «АРМТЕСТ», разработанная в БИТУ г. Санкт-Петербург. Для обеспечения совместимости и унифицированного внешнего вида в ПВК «АРМ TTC» был

использован тот же интерфейс, что и в ИГС «АРМТЕСТ». ПВК имеет развитое диалоговое меню для проведения расчетов и автоматизированного анализа их результатов.

ПВК состоит из 29 программных модулей, 16 из которых были реализованы автором, еще 7 были реализованы автором совместно с сотрудниками лаборатории трубопроводных и гидравлических систем ИСЭМ СО РАН (Новицким H.H., Шалагиновой З.И., Бариновой С.Ю.), 6 модулей были использованы в готовом виде.

ПВК «АРМ TTC» обладает следующими основными свойствами: 1) возможностью решения задач из области управления режимами для сетей произвольной конфигурации (разветвленных, многокольцевых) и структуры (с произвольным числом и размещением источников теплоты, насосных станций, потребителей, регуляторов расхода и давления), с различными схемами присоединения потребителей теплоты, имеющих разнородную нагрузку; 2) возможностью расчетов сетей, разбитых на иерархически связанные уровни; 3) устойчивой сходимостью вычислительного процесса и повышенным быстродействием получения результата с наперед заданной точностью; 4) повышенной надежностью, благодаря многоступенчатому автоматическому анализу корректности задания и возможности автоматической корректировки исходных данных на этапе построения расчетной схемы; 5) возможностью компактного хранения, накопления и архивирования данных по различным элементам ТСС и их режимам, манипулирования данными в диалоговом режиме при помощи всплывающих окон на фоне графического изображения, сети или в табличной форме, вывод на фоне плана города и интерпретация результатов расчета в графической форме (пьезометрические графики, температурные графики отпуска теплоты источником, визуализация нарушений ограничений на параметры режима); 6) возможностью настройки ПВК на ранее созданные базы данных с отличной от стандарта структурой и автоматическим добавлением полей в базу данных по элементам ТСС при подключении новых функций ПВК; 7) возможностью расчета полной схемы города или от-

дельных ее фрагментов по выбору пользователя, быстрого перехода между уровнями магистральных и распределительных ТС; 8) позволяет автоматически формировать матрицу графических изображений для их печати на любых цветных или монохромных печатающих устройствах посредством стандартных офисных приложений (Microsoft Word-97, Microsoft Exel-97).

Для одноуровневых сетей, имеющих размерность порядка 1500-3000 ветвей, общее время расчета составляет 15-40 с. на ПЭВМ класса Pentiuml66. Время на анализ исходных данных, подготовку расчетной схемы и вывод результатов составляет, при отсутствии ошибок в данных, 60-80% времени всего расчета, что говорит о высокой эффективности расчетного алгоритма, реализованного в ПВК и возможности повышения быстродействия при создании автоматизированных систем расчета режима с использованием данных измерений за счет применения модели, выверенной на предварительном этапе и не требующей анализа правильности задания исходных данных.

В работе приводится порядок использования ПВК «АРМ TTC» для решения задач расчета и анализа режимов ТСС на этапе их планирования и оперативного управления.

В приложениях помещены: описание структуры и элементов многоуровневой, иерархически связанной, графической базы данных теплоснабжающей системы города; примеры схем объектов различных уровней; описание структуры ПВК "АРМ TTC"; перечень данных для работы ПВК для уровней магистральных и распределительных ТС; экранные формы, иллюстрирующие основные этапы работы ПВК «АРМ TTC»; сведения о внедренни.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана и исследована новая методика расчета потокораспределения для гидравлических сетей с регуляторами расхода и давления, которая позволила в несколько раз сократить время расчета за счет исключения двойных циклов итераций.

2. Разработаны и обоснованы правила эквивалснтирования и декомпозиции моделей и расчетных схем на иерархически связанные уровни.

3. Разработаны методики многоуровневого расчета ТСС для целей наладки и имитации гидравлических режимов их работы.

4. Разработана постановка и математические модели для задачи контроля те-плогидравлических режимов ТСС по данным измерений и исследованы возможные методы и подходы для ее решения.

5. Разработана архитектура ПВК «АРМ TTC», в его составе реализованы предлагаемые методики. Разработаны правила создания иерархических ГБД и использования ПВК «АРМ TTC» для решения задач диспетчерского управления на этапе планирования и оперативного управления.

6. Методические, алгоритмические и программные разработки прошли апробацию на реальных теплоснабжающих систедмах и внедрены на предприятиях тепловых сетей АО ЭиЭ «Иркутскэнерго» (гг. Ангарск, Братск и Иркутск) для практического использования.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Токарев В.В. Систематизация схем присоединения потребителей тепла в тепловых пунктах для моделирования режимов их работы / Совершенствование проектирования технологии и организации строительного производства. - Иркутск, 1994,-С.47-48. '

2. Токарев В.В. Компьютерное моделирование тепловых пунктов теплоснабжающих систем // Материалы XXIV конференции научной молодежи. СЭИ СО РАН. - Иркутск, 1994. С.92-107. Деп. ВИНИТИ 30.08.94 №2129-В94

3. Токарев В.В. Многоуровневое моделирование режимов функционирования теплоснабжающих систем /I Материалы XXV конференции научной молодежи СЭИ СО РАН. / СЭИ СО РАН, - Иркутск, 1995.-С. 167-176. Деп. ВИНИТИ 21.07.95 № 2262-В95

4. Токарев В.В. Разработка и исследование новой методики расчета пото-кораспределения в теплоснабжающих системах с регуляторами расхода// Материалы XXVI конференции научной молодежи СЭИ СО РАН./ СЭИ СО РАН, - Иркутск, 1996.- С. 146-167. Деп. ВИНИТИ 8.07.96 № 2194-В96

5. Токарев В.В., Новицкий H.H. Программный комплекс для анализа гидравлических режимов больших теплоснабжающих систем.// Тезисы докладов Международной научно-практической конференции "Человек-среда-вселенная". - Иркутск - 1997. -том. 1-С. 173-175.

6. Токарев В.В. Разработка и исследование новой методики гидравлического расчета теплоснабжающих систем с регуляторами давления// Материалы XXVII конференции научной молодежи Сиб. энергет. ин-та СО РАН. / СЭИ СО РАН, - Иркутск, 1997.-С.190- 201. Деп. ВИНИТИ 12.09.97 № 2830-В97

7. Токарев В. В. Принципы построения и реализация новой информационно-вычислительной технологии для задач эксплуатации тепловых сетей. //Материалы XXVIII конференции научной молодежи Ин-та систем эн-кн СО РАН. / ИСЭМ СО РАН, - Иркутск, 1998,- С.284-297. Деп. ВИНИТИ 20.01.99 №119-В99.

8. Токарев В.В., Новицкий H.H., Шалагинова З.И., Баринова С.Ю. Информационно-вычислительный комплекс для расчета и анализа режимов теплоснабжающих систем.- В кн.: Гидравлические цепи. Развитие теории и приложения. Е.В. Сеннова, H.H. Новицкий, Б.М.Каганович и др. - Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН. - 1999. - С. 138 - 155.

9. Токарев В.В. Задачи и методы контроля и имитации режимов рабеты теплоснабжающих систем при оперативном диспетчерском управлении. -В кн.: Гидравлические цепи. Развитие теории и приложения. Е.В Сеч-нова, H.H. Новицкий, Б.М.Каганович и др. - Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН. - 1999. - С. 227 - 233.

Соискатель

Заказ23>. Тираж 100 экз. Отпечатано в ИСЭМ СО РАН 664033. Иркутск, ул. Лермонтова, 130

Введение.

Глава. 1. Анализ существующего положения в области моделирования режимов трубопроводных систем тепло- и водоснабжения и постановка вопросов.

1.1. Краткая характеристика современных трубопроводных систем и сложившейся практики диспетчерского управления режимом их работы.

1.2. Аналитический обзор исследований в области математического моделирования режимов ТПС различного типа и назначения.

1.3. Постановка вопросов и задач исследований.

Глава. 2. Развитие методов расчета режимов ТПС с учетом специфики решения задач краткосрочного и оперативного управления.

2.1. Развитие методов решения традиционных задач потокораспределения

2.2. Исследование режимов работы регуляторов и существующих методов расчета ТПС с регулирующими устройствами для задач ДУ.

2.3. Новая методика расчета гидравлических сетей с регулируемыми параметрами.

2.3.1. Основные положения релейной методики расчета ГЦ с регулируемыми параметрами.

2.3.2. Элементы алгоритмизации методики.

2.3.3. Анализ разрешимости.

Глава. 3. Разработка и исследование методов декомпозиции и эквивалентирования расчетных схем и методик многоуровневого расчета гидравлических сетей.

3.1. Разработка принципов декомпозиции моделей и расчетных схем ТСС.

3.2. Применение способов эквивалентирования для упрощения и улучшения свойств модели при решении задач ДУ.

3.3. Разработка методик многоуровневого расчета режимов работы ТСС.

Глава. 4. Задачи и методы расчета и контроля режимов по данным телеизмерений.

4.1. Содержательная постановка задачи контроля режима ТСС по данным измерений.

4.2. Математическая постановка задач и модели для контроля параметров режимов по данным измерений.

4.3. Методы расчета режима для контроля параметров по данным измерений

Глава. 5. Алгоритмизация и практическая реализация разработанных моделей, методов и алгоритмов.

5.1. Элементы информационно-вычислительной технологии для задач эксплуатации тепловых сетей.

5.1.1. Многоуровневая информационно-графическая база данных теплоснабжающей системы города.

5.1.2. Примеры баз данных, созданных на основе предлагаемой структуры.

5.2. Программно-вычислительный комплекс «АРМ TTC» для расчета и анализа режимов ТСС.

5.2.1. Состав ПВК «АРМ TTC» и общие принципы организации программного комплекса.

5.2.2. Конфигурация ПВК «АРМ TTC».

5.2.3. Метод косвенной адресации данных через индексные таблицы.

5.2.4. Правила работы в среде ПВК «АРМ TTC».

5.2.5. Примеры гидравлических расчетов и анализ их быстродействия.

5.3. Методики для практического использования предложенных разработок в АСДУ и практике инженерных расчетов систем теплоснабжения.

5.3.1. Методика настройки ПВК «АРМ TTC» на ранее созданные базы данных.

5.3.2. Использование ПВК «АРМ TTC» для проведения наладочных расчетов режимов ТСС.

5.3.3. Использование ПВК «АРМ TTC» для проведения имитационных расчетов режима ТСС.

5.3.4. Использование ПВК «АРМ TTC» для анализа параметров режимов по данным измерений.

Актуальность. Системы тепло- и водоснабжения современных городов сложились как пространственно распределенные и очень сложные трубопроводные системы (ТПС) централизованного снабжения потребителей. Они характеризуются рядом структурных и режимных аспектов: многокольцевой схемой большой размерности с разнотипными элементами; наличием ряда управляющих элементов (насосных и дроссельных станций, тепловых пунктов, регуляторов) для реализации различных режимов функционирования ТПС; возможностью диспетчерского управления структурой и параметрами ТПС в нормальных и нештатных условиях (дефицитные, аварийные и послеаварийные режимы).

Требования к надежности и эффективности работы ТПС, качеству снабжения потребителей особенно обостряются в новых экономических условиях, находят свое воплощение в практически повсеместной активизации работ по внедрению технических средств учета целевого продукта, локального регулирования параметров режима, автоматизации диспетчерского управления. Эти обстоятельства, в свою очередь, выдвигают новые требования к научно-методическому и информационно-вычислительному обеспечению для оперативного расчета, контроля и ведения режимов при диспетчерском управлении, обуславливают необходимость постановки и решения новых задач, делают актуальным выполнение самостоятельных исследований и разработок в этой области.

Исследованию задач расчета режимов посвящены многочисленные исследования и к настоящему времени здесь накоплен значительный научноI методический и практический опыт. Однако имеющиеся методы и алгоритмы требуют своего существенного развития для обеспечения их применимости в практике диспетчерского управления в направлении учета: большой размерности и иерархичности построения реальных объектов; их возрастающей насыщенности регулирующими элементами; многоцелевого использования задач потокораспределения в контурах краткосрочного и оперативного управления; повышенных требований к быстродействию и надежности методов и алгоритмов; стохастической природы измерительной информации при использовании моделей потокораспределения для слежения за фактическими режимами; современных требований к информационно-вычислительным комплексам и организации баз данных.

К числу первоочередных задач из этой проблематики, составивших предмет данной диссертационной работы, относятся задачи расчета, анализа и текущего контроля режимов, без решения которых невозможно обоснованное принятие решений по управлению.

Цели и задачи работы. Основной целью работы является разработка и развитие математических моделей и методов, создание на их базе программных комплексов для расчета, анализа и контроля режимов ТПС (на примере систем теплоснабжения) при диспетчерском управлении. Для достижения этой цели в работе ставились следующие задачи: 1) развитие методов и алгоритмов расчета потокораспределения с учетом требований диспетчерского управления современными ТПС; 2) разработка и исследование способов декомпозиции и эквивалентирования моделей и расчетных схем; 3) разработка методик многоуровневого расчета режимов теплоснабжающей системы (ТСС) для задач наладки и имитации ее работы; 4) постановка и исследование задач расчета режимов ТСС по данным измерений; 5) разработка принципов реализации информационно-вычислительных программных комплексов для автоматизации задач анализа режимов при диспетчерском управлении ТСС; 6) реализация разработанных принципов, методик и алгоритмов в составе программно-вычислительного комплекса (ПВК) и его внедрение.

Методическая база. В качестве использованной методической базы следует специально выделить сформулированную и развиваемую в ИСЭМ (СЭИ) СО РАН теорию гидравлических цепей, как межотраслевую научно-техническую дисциплину, обеспечивающую единый векторно-матричный язык, модельный и методический аппарат для описания и расчета ТПС различного типа и назначения. Для решения отдельных вопросов и задач используются: теория графов, линейная алгебра, методы безусловной оптимизации и нелинейного программирования, общая теория оценивания и Др.

Научная новизна. При разработке математических моделей и их программной реализации были получены следующие новые результаты:

1) разработана новая методика расчета потокораспределения в гидравлических сетях с регулируемыми параметрами, обладающая повышенным быстродействием и имеющая межотраслевое значение для ТПС различного типа и назначения (теплоснабжения, водоснабжения, газораспределительных сетей и др.);

2) разработаны новые методики многоуровневого расчета режимов работы ТСС, которые в сочетании с обоснованными в работе принципами эквивалентирования и декомпозиции обеспечивают возможность полного расчета тепловых сетей реальной размерности для любого современного города;

3) предложена постановка задачи и математическая модель для контроля режимов ТСС по данным измерений, новизна которой заключается в привлечении измерений температур транспортируемой среды;

4) реализована новая информационно-вычислительная технология для расчета и анализа режимов при их планировании и диспетчерском управлении ТСС.

Защищаемые положения.

1) Методика расчета потокораспределения ТПС с автоматическими регулирующими устройствами.

2) Принципы декомпозиции и эквивалентирования модели ТСС на иерархически связанные уровни и методики многоуровневого расчета для задач наладки и имитации гидравлических режимов ТСС.

3) Графическая информационно-вычислительная технология для решения задач расчета, анализа и контроля режимов ТСС при диспетчерском управлении.

Практическая ценность работы. Использование разработанного методического и программного обеспечения при соответствующем техническом и организационном уровне его использования существенно повышает оперативность, обоснованность и качество принимаемых решений при эксплуатации и диспетчерском управлении ТСС. При этом могут решаться следующие задачи: 1) создание многоуровневой графической базы данных и паспортизация ТСС; 2) расчет и анализ гидравлического и теплового режимов ТСС в целом и отдельных ее фрагментов; 3) определение необходимых параметров сужающих устройств для обеспечения планируемого гидравлического режима ТСС; 4) имитация режима работы ТСС после внесения управляющих воздействий; 5) контроль за режимом ТСС с использованием данных телеизмерений; 6) оперативное получение любой схемно-параметрической информации о состоянии ТСС и вывод ее на печать. Методика расчета ТПС с регулируемыми параметрами также может быть применена при математическом моделировании водопроводных и газораспределительных сетей, оснащенных регуляторами дроссельного типа.

Реализация работы. Результаты исследований реализованы в составе программно-вычислительного комплекса (ПВК) «АРМ TTC» (автоматизированное рабочее место инженера технолога тепловой сети), при этом автором были разработаны: структура иерархической базы данных (БД); архитектура ПВК; принципы взаимодействия расчетных программ с БД; расчетные блоки для анализа данных, наладочного и имитационного многоуровневого расчета гидравлических режимов ТСС; модули управления расчетом и сервисные утилиты. ПВК «АРМ TTC» является развитием на качественно новом уровне ранее разработанных в лаборатории трубопроводных систем ИСЭМ СО РАН ДВС «ДИСИГР» и «ДИТЕГР».

Предложенные в работе методы, модели и методики апробированы на тестовых примерах и реальных системах теплоснабжения. Основные результаты внедрены в АОЭиЭ «Иркутскэнерго» на базе предприятий «Ангарские тепловые сети», «Северные тепловые сети» и «Иркутские тепловые сети». Кроме того, ПВК был использован для анализа и разработки рекомендаций по организации и наладке режимов тепловых сетей г. Шелехов, Свирск, пос. Улькан, Магистральный и др. Также работа использовалась в учебном процессе в Иркутском государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: конференциях научной молодежи ИСЭМ (СЭИ) СО РАН (Иркутск, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998 и 2000 г.г.); Международной научно-практической школе-семинаре «Методы оптимального развития и эффективного использования трубопроводных систем энергетики» (Иркутск, 1994 г.); Международной научно-практической конференции «Человек -Среда - Вселенная» (Иркутск, 1997 г.); Всероссийской научной школе-семинаре «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (Иркутск, 1998 г.); Совместном заседании секций "Специализированные системы энергетики" и "Прикладная математика и информатика" Ученого совета ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2000 г.)

Публикации. Основное содержание работы отражено в 9-ти публикациях, в том числе в коллективной монографии.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 6-ти приложений. Объем работы (без приложений и списка литературы) - 130 страниц, содержит 24 рисунка и 5 таблиц.

Выводы к главе 5

1. Разработана общая структура многоуровневой иерархической базы данных для моделирования систем центрального теплоснабжения городов.

2. Разработан ПВК «АРМ TTC» на базе ИГС «АРМТЕСТ» и разработок коллектива лаборатории трубопроводных систем ИСЭМ СО РАН, в составе которого автором была реализована общая структура ПВК, а также расчетные и диалоговые подсистемы для: выбора уровней и фрагментов сети для многоуровневого расчета; составления и декомпозиции расчетной схемы; анализа исходных данных для гидравлического расчета; учета регулирующих устройств при расчете; наладочного и имитационного многоуровневых гидравлических расчетов; построения температурного графика; визуализации нарушений ограничений на параметры; архивации данных и печати схем. Все программные модули ПВК поддерживают принцип косвенной адресации данных через индексные таблицы, что позволяет значительно сократить время внедрения ПВК на предприятиях тепловых сетей, на которых уже имеется ГБД, созданная с использованием ИГС «АРМТЕСТ».

3. Приведен порядок использования ПВК «АРМ TTC» для решения задач диспетчерского управления на этапе планирования и слежения за режимом ТСС.

4. Разработки прошли апробацию на реальных теплоснабжающих системах и внедрены на предприятиях тепловых сетей Ао ЭиЭ «Иркутскэнерго» (гг. Ангарск, Братск и Иркутск) для практического использования, включены в состав методического и программного обеспечения служб диспетчерского управления и активно используются на практике.

Заключение

В процессе исследований, проведенных на основе теории гидравлических цепей, автором были получены следующие результаты:

1. Разработана и исследована новая методика расчета потокораспределения для гидравлических сетей с регуляторами расхода и давления, которая позволила в несколько раз сократить время расчета за счет исключения двойных циклов итераций.

2. Разработаны и обоснованы правила эквивалентирования и декомпозиции моделей и расчетных схем на иерархически связанные уровни.

3. Разработаны методики многоуровневого расчета ТСС для целей наладки и имитации гидравлических режимов их работы.

4. Разработана постановка и математические модели для задачи контроля теплогидравлических режимов ТСС по данным измерений и исследованы возможные методы и подходы для ее решения.

5. Разработана архитектура ПВК «АРМ TTC», в его составе реализованы предлагаемые методики. Разработаны правила создания иерархических ГБД и использования ПВК «АРМ TTC» для решения задач диспетчерского управления на этапе планирования и оперативного управления.

6. Методические, алгоритмические и программные разработки прошли апробацию на реальных теплоснабжающих системах и внедрены на предприятиях тепловых сетей АО ЭиЭ «Иркутскэнерго» (гг. Ангарск, Братск и Иркутск) для практического использования.

1. Абрамов H.H. Теория и методика расчета систем подачи и распределения воды. - М.: Стройиздат, 1972. - 288с.

2. Аверьянов В.К., Быков С.И. Вероятностно-статическое описание режима работы системы теплоснабжения Изв. вузов, сер. «Энергетика».- 1979, №11.

3. Автоматизация и диспетчерское управление системой теплоснабжения городского района / Н.М. Зингер, JI.C. Бармина, В.А. Сиротенко, A.M. Та-радай // Матер, научн.-практ. конф. Д.: ЛДНТП.- 1987,- С. 13-17.

4. Автоматизация систем теплоснабжения и отопления / С.А. Чистович, В.К. Аверьянов, Ю.Я. Темпель, С.И. Быков Л.: Стройиздат. 1987. - 248 с.

5. Андрияшев М.М. Гидравлические расчеты водоводов и водопроводных сетей. М.: Стройиздат, 1964.- 107с.

6. Андрияшев М.М. Техника расчета водопроводной сети. М.: Сов. законодательство, 1932,- 62с.

7. Байбаков С.А., Зингер Н.М. Прогнозирование эксплуатационных режимов работы систем теплоснабжения методом математического моделирования. // Теплоэнергетика №6.- 1989.

8. Вайсфельд В.А., Ексаев А.Р. Геоинформационные технологии и городские инженерные сети основные принципы интеграции // Информационный бюллетень ГИС, №1(8).- 1997.

9. Вайсфельд В.А., Ексаев А.Р. Гидравлические расчеты инженерных сетей как объектов геоинформационных систем // Информационный бюллетень ГИС, №7(14).- 1998.

10. Ю.Винфрид Ш. Диспетчерское управление и регулирование крупных систем центрального теплоснабжения с аккумуляторами тепла // Сб. докл. V Межд. конф. по централизованному теплоснабжению. Секция V. Киев:1. Вып. 2,- С. 32-43.

11. П.Генварев A.A. Асимптотическое эквивалентирование гидравлических се. тей. Иваново: 1993.- 136с.

12. Горячее водоснабжение (СниП П-34-76).-М.:Стройиздат, 1976.

13. Григоровский Е.П., Койда Н.У. Автоматизация многоконтурных сетевых систем.- Киев: Высшая школа, 1977.-192с.

14. Н.Громов Н. К. Городские теплофикационные системы. М.: Энергия, 1974.-253с.

15. Дэннис Д., Шнабель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений. М: Мир, 1988. - 440 с.

16. Евдокимов А.Г. Минимизация функций и ее приложения к задачам автоматизированного управления инженерными сетями.-Харьков: В ища шк., 1985.-288 с.

17. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д. Оперативное управление потокораспреде-лением в инженерных сетях,- Харьков: Вища шк., 1980.-144 с.

18. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д., Дубровский В.В. Моделирование и оптимизация потокораспределения в инженерных сетях. М. : Стройиздат, 1990.-368 с.

19. Зингер Н.М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем. 2-е изд., перераб.- М.: Энергоатомиздат, 1986. -320с.

20. Каганович Б.М. и др. Расчет сложных тепловых сетей// Водоснабжение и санитарная техника.- 1974,- №4,- С. 18-19.

21. Калмаков A.A., Кувшинов Ю.Я., Романов С.С., Щелкунов С.А. Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции.-М.: Стройиздат, 1986.-479с.

22. Карасев Н.И., Фольгарт В.И., Монахов Г.В. Алгоритмы расчета стационарного потокораспределения в инженерных сетях // Автоматизация и информационно-метрологическое обеспечение производства. 1981.- С.60-70.

23. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Проектирование и расчет оптимальных систем технологических трубопроводов,- М.: Химия, 1991.-368с.

24. Квасов И.С. Анализ и параметрический синтез трубопроводных гидравлических систем на основе функционального эквивалентирования. Ав-тореф. дис. . докт. техн. наук.- Воронеж, 1998,- 30с.

25. Кузьмин B.C. Новая методика расчета кольцевых сетей при установившемся течении. В сб.: Электроника и вычислительная техника в нефтяной, газовой и химической промышленности,- М., Недра, 1965.

26. Кулагин Ю.М., Генварев A.A., Черепкова О.Г. Эквивалентирование участков гидравлических сетей.// Изв. вузов. Энергетика.-1988.- №6.- С. 116120.

27. Лобачев В.Г. Вопросы рационализации расчетов водопроводных сетей. М.: ОНТИ,1936.-148с.

28. Лобачев В.Г. Новый метод увязки колец при расчете водопроводных сетей. Сан. техника.-1934 .- №2.- С.8-12.

29. Манюк В.И., Каплинский Я.И., Хиж Э.Б., Манюк А.И., Ильин В.К. Справочник по наладке и эксплуатации тепловых сетей,- М.:Стройиздат, 1982.215 с.

30. Мелентьев JI.A. Системные исследования в энергетике. М.: Энергоиздат, 1982.

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

32. Меренков А.П. Дифференциация методов расчета гидравлических сетей// Вычислительная математика и математическая физика,- 1973.-№5.-С.1237-1248.

33. Меренков А.П. Математические модели и методы для анализа и оптимального проектирования трубопроводных систем.: Автореф. . д-ра ф,-м. наук,- Новосибирск, 1974.- 34с.

34. Меренков А.П., Светлов К.С., Сидлер В.Г., Хасилев В.Я. «Математический расходомер» и его применение в тепловых сетях// Теплоэнергетика, 1971, №11, с.70-71.

35. Методы и алгоритмы расчета тепловых сетей./ Хасилев В.Я., Меренков А.П., Каганович Б.М., и др.; Под общ. ред. Хасилева В. Я. и Ме-ренкова А. П.-М.: Энергия ,1978. 176 е., ил.

36. Михайленко И.М., Войтинская Ю.А. Создание автоматизированных СЦТ на основе системотехнического подхода. Тезисы семинара по автоматизации СЦТ при науч. совете АН СССР. Харьков: 1988. С. 52-58.

37. Монахов Г.В. Разработка и реализация математических моделей для автоматизации планирования и оперативного управления режимами в системах центрального теплоснабжения. Дисс. . канд. техн. наук. - М., 1986г.

38. Монахов Г.В., Войтинская Ю.А. Моделирование управления режимами тепловых сетей. М.: Энергоатомиздат, 1995. - 224 с.

39. Мошнин Л.Ф. и др. Современные методы расчета систем подачи и распределения воды.// Водоснабжение и санитарная техника.- 1984.-№10.-С.7-8.

40. Наладка систем центрального теплоснабжения: Справ, пособие/ И.М. Сорокин, А.И. Кузнецов, Л.М. Александров, Л.А.Рогов.- М.: Стройиздат, 1979,- 224с.

41. Николаев В.Б. Повышение эффективности управления системами теплоснабжения.-М.: Стойиздат, 1990 г., -112 с.

42. Новицкий H.H. Оценивание параметров гидравлических цепей. Новосибирск: Наука. Сиб. Предприятие РАН. 1998. - 214 с.

43. Основные требования к созданию интегрированных автоматизированных систем управления предприятиями централизованного теплоснабжения «Тепловые сети» (ИАСУ «Теплосеть».) / Отраслевой методический материал РД 34.35.127-96: Москва, 1996.-51 с.

44. Павленко И. В. Имитационное моделирование сложных трубопроводных систем для анализа их структурных свойств: Автореф. дис. . канд. техн. наук. / Гос. ин-т точной механики и оптики. СПб, 1995,- 20с.

45. Панов М.Я. Вариационно-топологические методы моделирования и структурно-параметрическая оптимизация гидравлических систем: Дисс. . д-ра. техн. наук. Воронеж, 1994.- 391.

46. Панов М.Я., Квасов И.С. Моделирование потокораспределения в трубопроводных системах на основе вариационного принципа//Изв. АН. России. Сер. Энергетика и транспорт, т.38,-1992 ,-№6.-С.111-115.

47. Панов М.Я., Квасов И.С., Круглякова В.М. Декомпозиционно-топологический метод проектирования гидравлических сетевых систем // Изв. вузов. Строительство.-1996.-№1.- С.81-85.

48. Панов М.Я., Квасов И.С., Круглякова В.М. Математическое моделирование потокораспределения в гидравлических системах с переменной структурой // Изв. вузов. Строительство.- 1996.- №6.- С.95-98.

49. Панов М.Я., Курганов A.M. Многоконтурные гидравлические сети. Теория и методы расчета.- Воронеж: Воронежский гос. ун-т, 1989.- 1 88с.

50. Программно-вычислительный комплекс «АРМ TTC». Руководство системного программиста. Руководство пользователя. Техническая документация - ИСЭМ СО РАН. - Иркутск. 1999. -162 с.

51. Саидов А. Моделирование и оптимизация режимов функционирования сложных сетевых объектов иерархической структуры (на примере откр. сист. теплоснабжения) : Дисс. . канд. техн. наук. Ташкент, 1984.

52. Сафонов А.П. Автоматизация систем центрального теплоснабжения. М.: Энергия, 1974.- 272 с.

53. Сеннова Е. В., Сидлер В. Г. Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем. -Новосибирск: Наука, 1987.

54. Сидлер В.Г. О статистическом подходе к эквивалентированию трубопроводных сетей/ В кн.: Вопросы оценивания и идентификации в энергетических системах. Иркутск: СЭИ СО РАН, 1974,- С. 173-178.

55. Сидлер В.Г., Шалагинова З.И. Математическая модель теплогидравличе-. ских режимов тепловых сетей. Тезисы доклада в материалах Всесоюзногосеминара по автоматизации систем теплоснабжения при научном совете АН СССР. Харьков, 24-25 ноября 1988.

56. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: Энергия, 1975.- 376с.

57. Сумароков C.B. Математическое моделирование систем водоснабжения. Новосибирск: Наука, 1983.- 167 с.

58. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р. Оптимизация систем транспорта газа,-М.: Недра, 1975,- 277с.

59. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р. Расчеты систем транспорта газа с помощью вычислительных машин.-М.: Недра, 1971.- 206 с.

60. Тепловые сети. (СниП 2.04.06-86), М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1988,- 48 с.

61. Терехов JI. Д., Лихацкий П. В., Юдин М. Ю. Совершенствование методов теплового расчета водоводов надземной прокладки. В сб.: «Криофоб-ность и криофобные ледостойкие материалы». - Якутск, СО АН СССР, Ин-т физ. - тех. проблем Севера, 1989г.-С. 28.

62. Токарев В.В. Компьютерное моделирование тепловых пунктов теплоснабжающих систем // Материалы XXIV конференции научной молодежи. СЭИ СО РАН. Иркутск,1994. С.92-107. Деп. ВИНИТИ 30.08.94 №2129-В94

63. Токарев В.В. Многоуровневое моделирование режимов функционирования теплоснабжающих систем // Материалы XXV конференции научной молодежи СЭИ СО РАН. / СЭИ СО РАН, Иркутск, 1995.-С. 167-176. Деп. ВИНИТИ 21.07.95 № 2262-В95

64. Токарев В.В. Систематизация схем присоединения потребителей тепла в тепловых пунктах для моделирования режимов их работы / Совершенствование проектирования технологии и организации строительного производства. Иркутск, 1994.- С.47-48.

65. Токарев В.В., Новицкий H.H. Программный комплекс для анализа гидравлических режимов больших теплоснабжающих систем.// Тезисы докладов Международной научно-практической конференции "Человексреда-вселенная". Иркутск - 1997. -том1.- С.173-175.

66. Фролов Ф.М. Эксплуатация водяных систем теплоснабжения. М.: Стройиздат, 1991.-239с.

67. Хасилев В.Я. Элементы теории гидравлических цепей //Известия АН СССР. Энергетика и транспорт 1964. - №1- С.69-88.

68. Хасилев В.Я. Элементы теории гидравлических цепей. Автореферат диссертации д-ра техн. наук.- Новосибирск: Секция техн. наук Объединенного ученого совета СО АН СССР. 1966,- 98с.

69. Цой С., Рязанцев Г. К. Принцип минимума и оптимальная политика управления вентиляционными и гидравлическими сетями Алма-Ата: Наука,-1968,- 258с.

70. Чистович С.А. Автоматическое регулирование расхода тепла в системах теплоснабжения и отопления. Л.- Стройиздат, 1975.- 159с.

71. Чистович С.А. Научно-технические задачи автоматизации систем теплоснабжения.- Изв. АН. СССР, Энергетика и транспорт, 1984, №1.

72. Чистович С.А. Основные принципы управления режимами отпуска тепла в АСУ теплоснабжением больших городов.: Сб. науч. тр. /ВНИИГС.; Под ред. д-ра техн. наук, проф. Чистовича С.А. -Л. , 1982.-138 с.

73. Чистович С.А., Войтинская Ю.А., Година С.Я. Комплексная автоматизация центрального теплоснабжения ряда городов СССР. // Водоснабжение и санитарная техника.- 1989,- №7.- С.2-5.

74. Чистович С.А., Громов Н.К. Принципы рационального построения тепловых сетей и управление режимами их работы. Киев, 7-10 сент., 1982. Секц. Вып.- с.32-42.

75. Шалагинова 3. И. Разработка и применение методов расчета теплогидрав-лических режимов в системах теплоснабжения с многоступенчатым регулированием. Дисс. канд. техн. наук. - Иркутск, 1995.

76. Шалагинова З.И. Разработка и применение методов расчета теплогидрав-лических режимов в системах теплоснабжения с многоступенчатым регулированием. -Автореф. дис. . канд. техн. наук.- Иркутск, 1995.- 24с.

77. Шалагинова З.И. Разработка и применение методов теплогидравлическо-го расчета для задач эксплуатации теплоснабжающих систем // Международная научно-практическая конференция «Человек. Среда. Вселенная, том 1 ,Иркутск, 1997.- 198с.

78. Шевелев Ф.А., Орлов Г.А. Водоснабжение больших городов зарубежных стран. -М.: Стройиздат, 1987. -351 с.

79. Эгильский И.А. Опыт проектирования и внедрения АСУ технологических процессов водоснабжения. М.: ЦПНТО КхиБ, 1985.-78с.

80. Эгильский И.С. Автоматизированные системы управления технологическими процессами подачи и распределения воды. Д.: // Изв. вузов. Энер-гетика,-1984.-№ 12.- С.97-102.

81. Cross H. Analysis of Flow in Networks of Conduits or Conductors. Urbana, Minoit, 1936, November, Bull, №286, 29p.

82. Рис. П. 1.1. Состояния элементов схемы магистральной тепловой сети (первыйуровень) и их изображение на схеме.

83. Элементы распределительной сетипотребительоточенобобщенный источникдвключенотключенотключентепловая камера □два узла *узел наобрагкеузел на подачеотключенадва участкаучасток наобрагкеучастокучасток на подаче1. Фиктивный участокотключен

84. Рис. П.1.2. Состояния элементов схемы распределительной тепловой сети (второй уровень) и их изображение на схеме.1. Элементы источника

85. Точка Узел присое- соеди-Насос Регулятор Задвикка динения нения0>в работе ©отключенов ремонте оптЮпростая давление открытаяпростая закрытаяНтаясэлприв. закрытаярасходФ