автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка методов и средств анализа и диагностирования объектов теплоэнергетики с использованием ретроспективной информации

На правах рукописи

же/

Кузнецов Роман Сергеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АНАЛИЗА И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕТРОСПЕКТИВНОЙ ИНФОРМАЦИИ

05 13 01 - Системный анализ, управление и обработка инф9рмации

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 2007

003158240

003158240

Работа выполнена в лаборатории технической диагностики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Чипулис Валерий Павлович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Киншт Николай Владимирович

Защита состоится «19» октября 2007 г в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 005 007 01 при Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН по адресу 690041, Владивосток, ул Радио, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и процессов управления ДВО РАН

Автореферат разослан «ж. » сентября 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 005 007 01,

кандидат технических наук, доцент Семенов Сергей Михайлович

Ведущая организация Дальневосточный государственный

технический университет (ДВПИ им В В Куйбышева), г Владивосток

ктн

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Внедрение информационных технологий в теплоэнергетике до недавнего времени сдерживалось дефицитом и несовершенством средств измерений, не позволяющих получить достаточно полную и достоверную информационную базу Измерительные приборы нового поколения обеспечили возможность не только осуществлять измерения с высокой точностью, но и выполнять их первичную обработку, накопление в архивах с последующей передачей в компьютер Стало реальностью формирование баз данных результатов измерений для большого числа объектов за значительные интервалы времени Такого рода ретроспективная информация представляет безусловный интерес и для проведения научных исследований и для решения прикладных задач

Появление новых возможностей, связанных с использованием информационных технологий в теплоэнергетике, послужило мощным стимулом к разработке информационно-измерительных систем объектов теплоэнергетики (ОТЭ) Общим для большинства из них является реализация таких функций, как сбор результатов измерений, передача их в компьютер и накопление базы данных (БД), мониторинг, визуализация данных в виде графиков, таблиц, отчетов Однако существуют другие важные и гораздо более сложные задачи диагностирования, прогнозирования, анализа и управления ОТЭ, решение которых также опирается на использование ретроспективной информации (БД результатов измерений), но не может быть получено с использованием информационно-измерительных систем и требует более глубокого и трудоемкого анализа информации Системы, в которых существенный акцент делается на анализ результатов измерений, связанный с решением отмеченных выше задач, будем называть информационно-аналитическими системами (ИАС)

Методам анализа ретроспективной информации посвящены не столь многочисленные исследования В этой части в основном следует выделить исследования А Г Лупея по обработке архивной информации тепловычислителей, а так же многочисленные, весьма полезные и эффективные практические приложения предлагаемых им методов применительно к конкретным объектам Однако в его работах не приводится исчерпывающего обоснования излагаемых методов решения задач и поэтому возникает естественный вопрос о границах их применимости и достоверности получаемых результатов Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов и программных средств диагностирования и анализа ОТЭ с использованием ретроспективной

информации для обеспечения энергосберегающих режимов их функционирования

Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих основных задач

- разработка подхода к диагностированию ОТЭ, основанного на построении эталонных диагностических функций по результатам измерений,

- построение диагностических моделей, предназначенных для оценки технического состояния ОТЭ,

- исследование возможностей и границ применимости используемой на практике методики аудита приборного учета тепловой энергии,

- выявление и исследование основных зависимостей, определяющих влияние способов (средств) измерений и параметров среды на достоверность оценки параметров функционирования ОТЭ,

- оценка достоверности результатов измерений в задачах учета тепловой энергии,

- исследование влияния погрешностей измерений на результаты анализа ретроспективной информации,

- разработка программных средств регрессионного анализа ретроспективной информации и интеграция их в ИАС мониторинга и анализа режимов функционирования ОТЭ

Методы исследования. Системный анализ, регрессионный анализ и имитационное моделирование

Достоверность результатов исследований обеспечена применением апробированных статистических методов анализа ретроспективной информации и имитационного моделирования Научная новизна работы.

1 Разработан подход к диагностированию физических и поведенческих дефектов ОТЭ, позволяющий предложить единую технологию тестирования и определения технического состояния объектов Новизна подхода заключается в формировании эталонного (диагностического) образа объекта на основании заведомо достоверных результатов измерений и сопоставлении его с информационным образом испытуемой выборки

2 Показана неадекватность используемой на практике методики прогнозирования погрешностей измерения, приводящих к нарушению баланса потоков в системе теплопотребления, и предложены пути повышения достоверности прогноза

3 Показана возможность и пути использования результатов измерения с погрешностью округления, сопоставимой с допустимой

погрешностью измерений, для решения различных задач анализа ретроспективной информации в рамках проблемы приборного учета тепловой энергии

4 Предложена методика анализа результатов измерений, направленная на выявление случаев фальсификации и восстановление достоверных значений измеряемых величин

Научная значимость работы заключается в том, что в ней предлагается, обосновывается и реализуется подход, основанный на формировании на основе ретроспективной информации базовых зависимостей между параметрами с учетом реального технического состояния ОТЭ, и решения с их использованием задач диагностирования и анализа режимов функционирования ОТЭ Практическая значимость и внедрение результатов исследования. Разработанные методы и программно-технические средства составляют платформу для проектирования ИАС, поддерживающих процессы принятия решений как на инженерном, так и на управленческом уровнях в теплоэнергетике, а также являются эффективной инструментальной базой для автоматизации научных исследований в области диагностирования, прогнозирования и управления ОТЭ Основной практический результат работы связан с перспективой создания информационно-аналитического центра теплоэнергетического комплекса Приморского края, позволяющего осуществлять дистанционный сбор и накопление результатов измерений основных параметров, мониторинг, анализ ретроспективной информации, оценку эффективности внедряемых в энергетике технологий Результаты исследования используются в промышленной эксплуатации ряда ИАС мониторинга и анализа эксплуатационных режимов ОТЭ Наиболее значимой среди них является система «АИСТ», которая внедрена в 2005 году и эксплуатируется на котельных «Курс» и «Южная» г Арсеньев Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Computer Modeling of Dynamical Systems» (St -P, 2004), международной конференции и выставке «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта CAD/CAM/PDM - 2004» (Москва, 2004), четырех международных научно-практических конференциях «Коммерческий учет энергоносителей» (Санкт-Петербург, 2004-2007), трех международных симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2004-2007), на юбилейном совещании, посвященном 10-летию Госэнергонадзора в Приморском крае (Владивосток, 2006)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 из них в рекомендуемых ВАК научных журналах

Структура и объем работы. Диссертация объемом 136 страниц основного текста состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 84 наименований Диссертационная работа включает 63 рисунка и 8 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируется цель диссертационной работы, определяются объект, предмет и методы исследования, раскрывается новизна и практическая значимость работы

В первой главе приводится обзор состояния и перспектив использования информационных технологий в теплоэнергетике С использованием системного подхода проведено описание и классификация объектов исследования Рассмотрены известные модели ОТЭ, методы их анализа, а также приведены примеры информационных систем в теплоэнергетике

Отмечается, что традиционные модели, применяемые при проектировании систем теплоснабжения, не могут быть использованы для диагностирования и управления ОТЭ в силу их неадекватности реальным объектам по различным причинам (отклонение от проекта при строительстве, устаревание объекта без надлежащих мероприятий по поддержке его технического состояния и т д) При этом по сути единственным источником информации об объекте (его моделью) являются результаты измерений параметров, анализируя которые можно выявить адекватные зависимости с учетом реального технического состояния объекта и вовлекать их в дальнейшем в процесс решения конкретных задач

В заключение главы формулируются основные задачи научного и прикладного характера, ориентированные на разработку методов и программных средств, являющихся основой ИАС, проектируемых в институте автоматики и процессов управления ДВО РАН Во второй главе диссертационной работы формулируется общий подход к решению задач тестирования и диагностирования ОТЭ с использованием ретроспективной информации Подход использует одну из основных идей технической диагностики, заключающейся в сопоставлении поведения испытуемого объекта диагностирования с его поведением в заведомо исправном техническом состоянии Однако применение этой идеи к ОТЭ требует учета специфических особенностей, характерных для данного класса объектов

6

Первая из них связана с классом диагностируемых дефектов Будем полагать, что техническое состояние ОТЭ определяется не только традиционно рассматриваемыми физическими дефектами технологического оборудования, средств измерений и коммуникационной аппаратуры, но и «поведенческими» дефектами системы Поведенческие дефекты связываются с возникновением нештатных и критических (предаварийных) ситуаций, которые необходимо своевременно выявлять и устранять во избежание ситуаций аварийных Вторая существенная особенность ОТЭ связана с тем обстоятельством, что поведение объекта в заведомо исправном техническом состоянии весьма проблематично получить по его проектной модели Такая ситуация весьма характерна для теплоэнергетики, поскольку заложенные в процессе проектирования базовые соотношения между параметрами ОТЭ в силу ряда причин не выполняются на последующих этапах их «жизненного цикла» В таких случаях в качестве альтернативы могут служить результаты измерений параметров объектов в процессе их эксплуатации

Назовем информационным образом (ИО) объекта результаты измерений его параметров Как правило, результаты измерений запоминаются в архивах тепловычислителей (интеграторов), которые и являются источником информации для получения ИО Под ИО будем понимать накопленные в базе данных (БД) результаты измерений, полученные путем последовательности считываний (опросов) архива тепловычислителя

Представим ИО объекта в виде матрицы Н, строки которой соответствуют измеряемым параметрам, а столбцы - времени, с которым ассоциируются результаты измерений параметров Переупорядочив столбцы матрицы Н, представим ее в виде совокупности двух частей

Я = ЯЭ + ЯХ,

где в матрицу Н3 сведены столбцы, для которых известно, что в часы, соответствующие этим столбцам, поведение объекта соответствовало эталонному Нх - все остальные столбцы Я, соответствующие испытуемой выборке Н3 назовем эталонным информационным образом (ЭИО), Нх— исследуемым информационным образом (ИИО)

Задачу определения дефектов ОТЭ сведем к задаче определения различимости двух образов - эталонного и исследуемого Предположим, что существует некая зависимость, связывающая некоторые параметры х, у, г объекта, имеющая определенный содержательный смысл и объяснимая с физической точки зрения Выразим эту зависимость функцией у=/(х, г) Учитывая, что в

дальнейшем нас будут интересовать лишь строки Н, соответствующие параметрам у, х, г, представим эту часть Н следующим образом

У,- 'У., Л,,*!' Л

я=яэ+ях = х„ .X П | + *„1+.> >*п

21> 2п +1' ,2„

В общем случае вид функции у=/(х, г) определяется зависимостью между физическими параметрами и необходимой точностью аппроксимации Предположим, что между рассматриваемыми параметрами объекта существует линейная зависимость В таком случае, интерпретируя верхнюю строку Нэ в качестве набора значений функции у, а две нижние - наборов значений аргументов х и г, можно определить с помощью аппарата регрессионного анализа линейную функцию у=ах+Ьг+с Назовем эту функцию диагностической и обозначим У Далее процесс диагностирования ОТЭ (на исследуемой выборке) заключается в вычислении значений У от значений аргументов х и г и сравнении их с измеренными значениями параметра у В случае значительного расхождения у и у" делается вывод (в общем случае) о наличие на объекте поведенческого либо физического дефекта

В качестве примера реализации подхода рассмотрим один из весьма представительных классов метрологических дефектов, который связан с превышением значения измеряемой величины расхода верхней границы динамического диапазона измерений (дди), на котором должна обеспечиваться требуемая точность измерений На рис 1 приведены графики результатов измерений Ми,м для расходомера с значением верхней границы дди, равной Ют/ч в сопоставлении с фактическими величинами расходов Мфакт в зависимости от величины превышения допустимого порога При величине расхода до 10 т/ч измеренные и вычисленные значения М совпадают При его

дальнейшем увеличении значение Мтм срывается до нуля (зона 1), далее поддерживается на нулевом уровне (зона 2) и затем начинает расти со значительным отставанием от Мфакт Наиболее проблемной для

диагностирования является зона 3

Рис 1

- <р 10 1 ВатШт«

■<щ>

м,

М2

н 8 ХО V

е-

о

и

Выявление недостоверных результатов измерений, соответствующих зоне 3, может быть выполнено с использованием

следующей диагностической функции ^2 = 0 Мх + Ь с, полученной на эталонной выборке Эта функция отображает (при смешанном способе регулирования теплоснабжения)

зависимость температуры

теплоносителя в обратном

трубопроводе (2 от температуры ^ и расхода М1 теплоносителя в прямом " трубопроводе

Рис 2

Далее процесс тестирования сводится (на исследуемой выборке) к вычислению значений диагностической функции и сопоставлению их с измеренными значениями На рис 3 показан результат диагностирования конкретного объекта (закрытой системы теплопотребления, схематично отображенной на рис 2) для случая превышения верхней границы д д и Левая область рисунка соответствует достоверным результатам измерений, правая -недостоверным

Выполнена оценка нижней границы порога а, по которому устойчиво различаются эталонный и исследуемый ИО (при превышении верхней границы д д и) и, следовательно, выделяются недостоверные результаты измерений Оценка базируется на сопоставлении аналитических выражений для измеренных на испытуемой выборке значений /2 и вычисленных с использованием диагностической функции значений

Т, ч

Рис 3 9

Одной из серьезных проблем учета тепловой энергии является преднамеренное искажение результатов измерений На сегодняшний день обнаружить факт фальсификации на практике достаточно проблематично, поскольку нет соответствующих методик диагностирования измерительного оборудования, ориентированных на решение подобных задач

В работе исследованы возможности определения фактов фальсификации с использованием диагностической функции, построенной для эталонной выборки результатов измерений Для оценки этих возможностей были промоделированы (для конкретных объектов) фальсифицированные, то есть измененные в различной степени результаты измерений расхода и температуры теплоносителя На рис 4 отражены два интервала тестовой выборки - до фальсификации (10 часов) и после фальсификации Для различных коэффициентов к рассчитаны "фальсифицированные" значения расхода МФ1 = к М1 и на их основе определены значения температуры с помощью диагностической функции Произведена оценка абсолютного отклонения значений, рассчитанных по диагностической функции, от фактических значений (Д= - Ь) на первом интервале и от "фальсифицированных" значений (Дг4й=/)г - 2) - на втором На рис 4 отображены результаты эксперимента 12 и - график без маркера, ¿'2 - график с круглым маркером (левая ось), Афд - график с треугольным маркером (правая ось)

Рис 4

Установлено, что данный подход надежно выявляет случаи фальсификации при уменьшении значения расхода теплоносителя более чем на 15% и при занижении температуры более чем на 5%,

Представляет безусловный интерес для практики задача восстановления недостоверно измеренных данных. Восстановление результатов измерения выполняется на основе ретроспективного прогноза, предполагающего расчет значений параметра, данные гю которому признаны недостоверными. Показана возможность применения диагностических функций для восстановления результатов измерения и произведена оценка точности прогнозируемых значений.

В третьей главе анализируется широко используемая на практике методика аудита приборного учета теплоты.

Методика оснонапа на прогнозировании погрешностей измерения разности расходов р. закрытых системах теплопепребления (рис.2). Источником информации при этом являются результаты измерений расходов М\ и М2, а результатом прогноза - зависимость относительной погрешности измерений от величины расхода, определенная по обучающей выборке данных.

Методика заключается в следующем. На первом этапе определяется базовая линейная функция М2тш=а- М, Ь. аппроксимирующая зависимость расхода в обратном трубопроводе от расхода в подающем. Достоверность аппроксимации этой функцией результатов измерений оценивается по коэффициенту детерминация /г2. На втором этапе определяется собственно прогнозная функция (рис.5): 8Мти = (М\ - МглннУМбазш;. Здесь 5 М11ИН - относительное расхождение показании каналов измерения расхода в прямом и обратном трубопроводах, причем в качестве расхода в обратном трубопроводе взята не измеренная величина М2, а вычисляемая величина __________

ЗМ.1НП %

М п^ч

Рис. 5. Прогнозная функция

С использованием прогнозной функции ЗМЛК11 осуществляется отбраковка приборов учета (точнее их частей - расходомеров). Если значение прогнозной функции не вписывается в прямоугольник, затемненный на рисунке и ограниченный но вертикали границами д.Л, и., а по горизонтали допустимыми значениями погрешностей разности расходов {\8Мппм\ á4%)> пара расходомеров признается неисправной и подлежит ремонту или замене. При такой процедуре аудита предполагается, что если величина R2 для базовой функции Mzexb близка к единице (а для большинства случаев это условие соблюдается на практике), то и вероятность удачного прогноза по функции йЦоп, достаточно велика. Из рис. 5 следует, что график прогнозной функции 2 соотвегствуст исправной парс расходомеров, а график 1 свидетельствует, что рассогласование каналов измерений расходомеров при малых значениях расхода превышает норму.

При прогнозировании по анализируемой методике нам неизвестно, каким образом значения М2 на конкретном объекте зависят от М\ (тем более по прошествии процесса эксплуатации со времени поверки). В условиях этой неопределенности естественно предположить, что зависимость Мг от М\ может быть любой, не обязательно линейной, но при этом (с учетом специфики объекта — закрытая система) значения Мг незначительно отличаются от Ы\, что обеспечивается соответствующими коэффициентами этой зависимости.

В диссертационной работе анализируется модельная ситуация, соответствующая одной из возможных зависимостей М2 от Л/,, полученной (от обратного) в предположении, что относительное расхождение каналов Л/, и М2 линейно зависит от значения расхода:

SM = к -М, + с.

Исходя из этого получена зависимость

Мг - 0,01 -SM) / р + 0,01 ■ SM),

в которой коэффициенты к и с подобраны таким образом, чтобы значения ЗМ находились в пределах допустимого коридора. Далее сгенерированы с помощью датчика случайных чисел значения М\ и

Мг, получена прогнозная функция по анализируемой методике и показано, что она не обеспечивает

достоверный прогноз (рис.6). На. этом рисунке точками отображены моделируемые значения 5М, а линией -прогноз.

шшшшшшш ■i ■

7

/* : ..i:.:.

Ш т'ч

Рис. 6

Предложены пути повышения достоверности прогнозирования. Идея одного из них заключается и том, что в качестве результата рассматривается не линия, соответствующая одной из прогнозных функций, а область, внутри которой находятся все прогнозируемые величины. Если эта область компактна, что соответствует множеству «близких» базовых функций (рис. 7), то результат прогнозирования будет достаточно конкретным для каждого значения расхода. Если же соответствующие коэффициенты базовых функций существенно отличаются, то и результат прогнозирования будет размытым, особенно в области малых значений расхода (рис. 8).

Рис. 7 Рис. 8

Второй путь повышения достоверности прогноза связан с использованием других прогнозных функций, например

Ш = а-М\ + Ь-Ы + с, где Ы = (( - ¡2- Выбор этой функции продиктован тем соображением, что на погрешность измерения расхода заметное влияние оказывает температура теплоносителя, а именно - с увеличением температуры занижается значение измеряемой расходомером величины (уменьшается разность М„зм,- Мф, где Мш„,1,Мф) - измеренное (фактическое) значение расхода.

Зачастую погрешность расходомера связана с постепенной деградацией его метрологических характеристик, обусловленной Неудовлетворительным качеством теплоносителя. В этих случаях величина погрешности является, помимо прочего, функцией времени. На основе определения тенденции роста относительной погрешности во времени, показана возможность достаточно точно прогнозировать критический срок, когда значение 8Мвыйдет за допустимые пределы.

До недавнего времени считалось бесперспективным решать задачи, связанные с анализом метрологических характеристик средств измерений (но крайней мере, в задачах приборного учета тепловой энергии), ориентируясь на результаты измерений, погрешность округления которых сопоставима с допустимой погрешностью измерений. В работе исследовано влияние погрешности округления измеряемых величин на качество решения различных задач анализа

результатов измерений и предложен способ устранения негативного влияния этого фактора на качество получаемых решений Четвертая глава посвящена описанию программных средств анализа ретроспективной информации Одно из основных направлений работ лаборатории технической диагностики ИАПУ ДВО РАН ориентировано на разработку, промышленное внедрение и сопровождение ИАС ОТЭ За автором диссертационной работы закреплено решение задач, связанных с регрессионным анализом ретроспективной информации, оценкой эффективности режимов теплоснабжения и теплопотребления, выявление базовых зависимостей между параметрами ОТЭ, тестирование и диагностирование ОТЭ на вновь поступающих последовательностях результатов измерений В 2000 г была завершена разработка ИАС «СОНА», используемой при сервисном обслуживании тепловых узлов и установленных на них приборов учета тепловой энергии С 2001 г в котельной ВДЦ «Океан» эксплуатируется ИАС мониторинга и анализа эксплуатационных режимов источников теплоты «ИСМА-ОКЕАН» Интенсивный процесс внедрения БСАБА-систем побудил к разработке новой ИАС «АИСТ» для источников теплоты, реализующей функции мониторинга технологических процессов выработки тепловой энергии Система «АИСТ» внедрена в 2005 г и эксплуатируется на двух котельных г Арсеньев

Фундаментом для проектирования и разработки ИАС конкретных объектов и реализации конкретного набора пользовательских функций является платформа (универсальная конфигурируемая заготовка), позволяющая оперативно, с незначительными временными затратами компоновать ИАС для конкретных приложений. В 2006 году завершена разработка промышленной версии ИАС «СКУТЕР», в значительной степени отвечающей этому требованию

Информационной базой системы «СКУТЕР» являются результаты измерений параметров ОТЭ, получаемые в процессе мониторинга с использованием БСАОА-системы (в основном для источников теплоты) либо считываемых из архивов тепловычислителей (в основном для потребителей теплоты) Система включает набор независимых программных модулей, ориентированных на решение требуемых прикладных задач и обладающих определенной функциональной направленностью Отдельные модули системы связаны между собой по структуре данных, хранящихся в единой БД Обмен данными между модулями базируется на едином формате и способах передачи конфигурационной информации Система является распределенной с возможностью организации отдельных территориально-удаленных серверов сбора и обработки данных Такая

архитектура позволяет повысить надежность системы и способность к восстановлению работоспособности после сбоев.

.1 сбора данных (рис.9) с приборов учета в региональном информацнотп ю-аналитическом центре (ИАЦ), где организован модемный опрос по телефонным каналами и каналам сотовой связи с последующей передачей в головной ИАЦ ОТЭ по скоростным линиям

(TCP/IP).

В пятой главе содержатся примеры решения прикладным задач анализа и диагностирования ОТЭ. Приведены значимые с практической точки зрения приложения, используемые при анализе данных. Перечислены возможности но фильтрации, как наиболее значимой процедуры предобработки данных, Рассмотрена реализация библиотеки прикладных функции, предназначенной для моделирования теплофизических свойств теплоносителей. Показаны примеры решения таких практически важных задач, как обнаружение несанкционированного водозабора, оценка баланса потоков е системе, оценка эффективности режимов теплогютребления, оценка достоверности результатов измерений поступающих из архивов тепло в ы ч ислителеЙ, поиск утечек и т.д.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан подход к диагностированию ОТЭ, основанный на построении диагностической функции объекта, полученной на основании заведомо достоверных результатов измерений и позволяющей различать эталонный и испытуемый информационные образы объекта диагностирования.

2. Предложен метод выявления фактов фальсификации результатов измерений в закрытых системах тешговотреблеииа и приближенного восстановления истинных значений измеряемых величин.

3. Разработан метод и реализующие его программные средства определения недостоверных результатов измерения расхода

Пример реализации архитектуры

Рис. 9

теплоносителя при выходе значения измеряемой величины за верхнюю границу динамического диапазона измерений

4 Получена аналитическая оценка величины порога различимости эталонного и испытуемого информационных образов при определении недостоверных результатов измерений расхода в системах приборного учета тепловой энергии

5 Показана неадекватность используемой на практике методики аудита систем приборного учета тепловой энергии, основанной на прогнозировании погрешностей измерения, приводящих к нарушению баланса потоков в системе теплопотребления.

6 Предложены пути повышения достоверности результатов прогнозирования погрешностей измерения

7 Показана возможность использования результатов измерения с погрешностью округления, сопоставимой с допустимой погрешностью измерений, для решения различных задач анализа ретроспективной информации в рамках проблемы приборного учета тепловой энергии

8 Разработаны и интегрированы в информационно-аналитическую систему мониторинга и анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики программные средства регрессионного анализа ретроспективной информации

9 Сданы в промышленную эксплуатацию автоматизированные рабочие места мониторинга и анализа эксплуатационных режимов источников и потребителей тепловой энергии

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Кузнецов Р С Исследование регрессионной модели прогнозирования метрологических дефектов // Надежность и качество 2004 труды международного симпозиума - Пенза ПГУ, 2004 С 206-208

2 Кузнецов Р С Методика прогнозирования метрологических дефектов на основе анализа ретроспективной информации о параметрах функционирования объектов теплоэнергетики // Computer Modeling of Dynamical Systems труды международной конференции [Электронный ресурс] - СПб СПбГТУ, 2004

- www neva ru/iournal/ds2004/mdex html - Яз рус, англ

3 Бабенко В Н , Гербек Ф Э , Кузнецов Р С , Орлов С И , Позняк В И , Чипулис В П Опыт эксплуатации и развитие системы мониторинга и анализа режимов функционирования источников теплоты // Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла

промышленного продукта CAD/CAM/PDM - 2004 доклады международной конференции [Электронный ресурс] - М ИПУ,

2004 - http //lab! 8 ipu rssi ru/proiects/conf2004/contents htm

4 Кузнецов P С Анализ влияния погрешностей округления на качество решения задач прогнозирования метрологических дефектов // Коммерческий учет энергоносителей материалы 20-й международной научно-практической конференции -СПб Борей-Арт, 2004 С 176-181

5 Кузнецов Р С Фильтрация ретроспективной информации в задачах анализа функционирования объектов теплоснабжения // Надежность и качество 2005 труды международного симпозиума -Пенза ПГУ, 2005 С 287-288

6 Бабенко В Н , Кузнецов Р С , Орлов С И, Чипулис В П Мониторинг и анализ эксплуатационных режимов объектов-потребителей тепловой энергии // Надежность и качество 2005 труды международного симпозиума - Пенза ПГУ, 2005 С 439443

7 Кузнецов Р С , Чипулис В П Регрессионный анализ архивной информации тепловычислителей с использованием информационно-аналитической системы СОНА // Коммерческий учет энергоносителей материалы 21-й международной научно-практической конференции - СПб Борей-Арт, 2005 С 430-434

8 Бабенко В Н, Кузнецов Р С, Орлов С И , Чипулис В П Функциональные возможности и опыт эксплуатации информационно-аналитической системы оперативного наблюдения и анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики // Информатика и системы управления, №1(9)

2005 С 151-161

9 Бабенко В Н , Кузнецов Р С , Орлов С И , Чипулис В П Система мониторинга и анализа режимов функционирования потребителей тепловой энергии // Информатизация и системы управления в промышленности - М ИнформИздат, 2005 №7 С 23-28

10 Виноградов А Н, Гербек Ф Э , Кузнецов Р С, Чипулис В П Опыт разработки и эксплуатации информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики // Вестник ДВО РАН, 2005 №6 С 5965

11 Кузнецов PC О проблеме диагностирования метрологических дефектов приборов учета тепловой энергии по разности расходов // Надежность и качество 2006 труды международного симпозиума -Пенза ПГУ,2006 С 32-34

12 Виноградов А Н , Гербек Ф Э , Раздобудько В В , Кузнецов Р С , Чипулис В П Учет параметров технологических процессов

выработки тепловой энергия // Коммерческий учет энергоносителей материалы 23-й международной научно-практической конференции - СПб Борей-Арт, 2006 С 390-402

13 Виноградов А Н , Гербек Ф Э , Раздобудько В В , Кузнецов Р С , Чипулис В П Система учета и анализа параметров технологических процессов выработки тепловой энергии // Сборник статей и докладов, посвященных 10-летию образования Госэнергонадзора в Приморском крае - Владивосток Изд-во ДВГУ, 2006 С 64-77

14 Виноградов А Н , Гербек Ф Э , Раздобудько В В , Кузнецов Р С , Чипулис В П Учет и анализ параметров технологических процессов выработки тепловой энергии // Информатизация и системы управления в промышленности - М • ИнформИздат, 2006 №7 С 4-9

15 Кузнецов Р С Прогнозирование погрешностей оценки расхода теплоносителей // Изв вузов Приборостроение 2007 Т 50, № 1 С 63-67

16 Кузнецов Р С Анализ достоверности результатов измерений в задачах учета тепловой энергии // Надежность и качество 2007 труды международного симпозиума - Пенза ПГУ, 2007 С 345347

17 Бабенко В Н, Даниельян С А, Кузнецов Р С, Раздобудько В В , Чипулис В П Платформа для проектирования информационно-аналитических систем мониторинга и анализа объектов теплоэнергетики // Коммерческий учет энергоносителей материалы 25-й международной научно-практической конференции - СПб Борей-Арт, 2007 С 280-292

Личный вклад автора Все основные результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично В опубликованных в соавторстве работах [3, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 17] автору принадлежит описание методов и программных средств аналитической обработки данных, входящих в состав ИАС ОТЭ

Кузнецов Роман Сергеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АНАЛИЗА И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕТРОСПЕКТИВНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Автореферат

Подписано к печати 13 09 2007 г Уел п л 10 Уч-издл 0 83 _Формат 60x84/16 Тираж 100 Заказ 63_

Издано ИАПУ ДВО РАН Владивосток, Радио, 5

Отпечатано участком оперативной печати ИАПУ ДВО РАН, Владивосток, Радио, 5

ВВЕДЕНИЕ.

1 ЗАДАЧИ АНАЛИЗА И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ.

1.1 Объекты исследования.

1.2 Модели объектов и процессов.

1.2.1 Анализ режимов работы потребителя теплоты.

1.2.2 Анализ режимов работы источника теплоты.

1.3 Обзор методов и систем.

1.3.1 Расчетный комплекс.

1.3.2 Измерительный комплекс.

1.4 Задачи диссертационной работы.

2 МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОТЭ.

2.1 Подход к диагностированию ОТЭ с использованием ретроспективной информации.

2.2 Диагностирование метрологических дефектов, связанных с превышением верхней границы динамического диапазона измерений

2.3 Выявление фальсификации результатов измерений.

2.4 Восстановление недостоверных результатов измерения.

3 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ.

3.1 Методика аудита приборного учета тепловой энергии.

3.2 Влияние базиса на результаты прогнозирования.

3.3 Оценка стандартной методики.

3.4 Пути повышения достоверности прогнозирования.

3.5 Влияние погрешности округления на качество прогноза.

3.6 Выводы и результаты исследования.

4 ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА

И АНАЛИЗА РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ.

4.1 Платформа для проектирования. информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики.

4.2 Функциональные возможности системы СКУТЕР.

5 АНАЛИЗ РЕТРОСПЕКТИВНОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ПРИМЕРЕ КОНКРЕТНЫХ ОТЭ.

5.1 Несанкционированный водозабор.

5.2 Сравнение объектов.

5.3 Сравнение периодов.

5.4 Диагностика технического состояния теплового узла.

5.5 Рекомендации.

5.6 Комплексный анализ группы объектов.

5.7 Анализ теплового режима.

5.8 Регрессионный анализ.

5.9 Фильтрация ретроспективной информации в задачах анализа функционирования объектов теплоснабжения.

5.10 Моделирование теплофизических свойств теплоносителей.

Одна из ключевых проблем теплоэнергетического комплекса страны заключается в явном дефиците объективных данных о выработке и потреблении тепловой энергии, а также отсутствии эффективных средств их анализа, необходимых для принятия управленческих решений как на техническом, так и на административном уровнях. Это не только усложняет управление ТЭК, делает его неэффективным, но и препятствует введению адекватных тарифов и норм потребления тепла и горячей воды, приводит к завышенным расходам на оплату потребляемых энергоресурсов.

Существенный прогресс в решении проблемы может быть достигнут за счет максимальной автоматизации процессов сбора, накопления и обработки результатов измерений параметров с целью обеспечения энергосберегающих режимов эксплуатации объектов теплоэнергетики (ОТЭ). Наличие современной алгоритмической базы и мощных вычислительных ресурсов открывает большие перспективы использования результатов измерений для решения задач диагностирования и прогнозирования технического состояния, анализа и управления ОТЭ.

Осуществление такого подхода связано с необходимостью создания автоматизированной информационно-аналитической системы ОТЭ, распределенной на совокупности автоматизированных рабочих мест с различным набором пользовательских функций. Естественно, что все эти автоматизированные рабочие места должны быть объединены в компьютерную сеть, источником обрабатываемых данных для которой являются архивы контрольно-измерительных приборов и контроллеров, накапливающих результаты измерений, поступающие с датчиков и выполняющих их предварительную обработку.

Основной предпосылкой создания ИАС ОТЭ является тенденция к внедрению на предприятиях-поставщиках (ТЭЦ, котельные) и объектах-потребителях тепловой энергии и воды систем учета и регулирования, в состав которых входят современные средства измерения. Однако эффективность их использования в настоящее время минимальна и сводится лишь к фиксации количества потребляемых ресурсов и формированию элементарной отчетности. В тоже время возможности современного измерительного оборудования ориентированны на получение, хранение и дальнейшее использование достаточно разнообразной и детальной информации, позволяющей существенно повысить эффективность управления процессами энергоснабжения и энергосбережения.

Задачи, решаемые системой, должны быть сконцентрированы в двух направлениях - мониторинг (наблюдение в реальном времени за параметрами функционирования объекта, сопровождаемое выявлением нештатных и критических ситуаций с последующим оповещением пользователя об их возникновением) и ретроспективный анализ накапливаемых и хранимых системой результатов измерений. Режим ретроспективного анализа должен быть ориентирован решение широкого класса практических задач, связанных с диагностированием, прогнозированием, управлением, оценкой эффективности функционирования ОТЭ и поддержкой энергосберегающих режимов их эксплуатации.

Целью диссертационной работы является разработка методов и программных средств диагностирования и анализа ОТЭ с использованием ретроспективной информации для обеспечения энергосберегающих режимов их функционирования.

Объектами исследования в данной диссертационной работе являются средние и малопроизводительные котельные на твердом и жидком топливе, отапливаемые здания с различной тепловой нагрузкой и схемой подключения к теплосети.

Предметом исследования является ретроспективная информация о результатах измерения основных параметров функционирования ОТЭ, которая накоплена в БД НАС.

3.6 Выводы и результаты исследования

Выполнен анализ методики аудита приборного учета тепловой энергии. Предложены пути ее возможного развития с целью повышения достоверности результатов аудита. В результате исследования получена существенно модифицированная методика (и реализующие ее программные средства) прогнозирования метрологических дефектов, являющаяся базовой для аудита приборного учета тепловой энергии. Как показали исследования, методика оказалась практически приемлемой.

4 ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И АНАЛИЗА РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

4.1 Платформа для проектирования информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики

Одно из основных направлений работ лаборатории технической диагностики института автоматики и процессов управления ДВО РАН, ориентировано на разработку, внедрение и сопровождение информационно-аналитических систем (ИАС) мониторинга и анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики Дальневосточного региона России. В этой связи уместно отметить следующие законченные и эксплуатируемые в настоящее время ИАС. В 2000 году была завершена разработка системы оперативного наблюдения и анализа потребителей тепла «СОНА» [8, 11, 13, 44], используемой до настоящего времени при сервисном обслуживании тепловых узлов и установленных на них приборов учета тепловой энергии. С 2001 года во Всероссийском детском центре «Океан» эксплуатируется ИС мониторинга и анализа эксплуатационных режимов источников теплоты «ИСМА-ОКЕАН» [7,45,46,47].

Длительный опыт эксплуатации и сопровождения выше приведенных систем [9, 12, 19] показал, что выбранные ранее простые средства и архитектурные решения уже не соответствуют масштабам системы и современным технологическим средствам разработки программ. Появилась потребность в модернизации системы и создании аналогичных программных средств для других объектов теплоснабжения. Опыт развития и модернизации аналогичных систем других разработчиков, а также собственные практические и теоретические наработки показывают основные направления развития системы.

Появление систем автоматизации разработки программных систем АСУТП (SCADA) как зарубежных, так и отечественных производителей, позволяет строить обширные и разветвленные сети сбора данных, включая в них измерительные приборы различных типов и обеспечивающих драйверами доступа к ним. Использование средств быстрой разработки программных систем CAD/CASE исключает перепрограммирование модулей системы при отсутствии новых типов измерителей, а при добавлении новых типов устройств требует лишь написания дополнительных драйверов и включение их в систему.

Ведущими принципами при создании новой версии информационно-аналитической системы для ОТЭ являются следующие:

1. Поэтапность разработки программных средств в приоритетном порядке. Приоритетность разработки определяется наличием реально используемых типов измерителей и перспективностью их использования в будущем.

2. Унификация форматов данных и протоколов обмена данными для различных типов измерителей и средств связи подсистем, а также между подсистемами (единообразное описание интерфейсов обмена данными между подсистемами)

3. Модульная организация, с обеспечением добавления новых и удаления устаревших модулей из системы без ее полной перетрансляции. Возможность модульной реализации системы, в частности, обеспечивается стандартизацией форматов данных и интерфейсов взаимодействия модулей.

4. Иерархическое, многоуровневое построение, которое в сочетании с модульностью позволяет формировать автоматизированные рабочие места (АРМ) с различной функциональностью.

5. Многоуровневое протоколирование работы системы с различной степенью подробности и с возможностью полного сохранения данных, полученных из внешних источников (то есть от приборов) и повторного ввода сохраненных исходных данных.

6. Полное тестирование подсистем на стендах и в период внедрения и опытной эксплуатации - то есть работа на самом подробном уровне протоколирования с регулярным анализом функционирования системы по этим протоколам и накоплением статистических данных по быстродействию, объемам данных и отказам всех устройств/функций/подсистем.

7. Возможность тиражирования (клонирования) системы. Упрощение настройки и реконфигурации системы для установки на новый объект эксплуатации без изменения и перепрограммирования и перетрансляции исходного кода, возможность введения новых типов приборов (использование стандартных драйверов устройств от поставщика оборудования или их самостоятельная разработка при отсутствии стандартных) и их включение в систему по возможности без изменения существующего кода (т.е. необходимо иметь развитый набор метасистемных средств для наращивания ее функциональных возможностей и соответствующих АРМ администрирования и конфигурации системы).

8. Увеличение объема хранимых данных, как в связи с увеличением числа обслуживаемых объектов и числа измерителей на них, так и удлинением хранимой истории измерений приводит к обработке значительного объема данных и выборке по разнообразным запросам для фильтрации и анализа данных.

Развитие аналитических возможностей системы. Современные методы математической статистики [1, 78, 79] и анализа ("добычи") данных [80] (OLAP и Data-Mining) уже давно используются в области финансов, маркетинга, медицине, системах поддержки принятия решений и имеют разнообразные средства для построения и анализа таких моделей по фактическим рядам данных различного вида. Имеется несколько программных пакетов как отечественных (например, пакет «СТАТИСТИКА» от StatSoft) так и зарубежных разработчиков, в том числе разработчиков СУБД.

Из многообразных методов статистического анализа данных для задач мониторинга и ретроспективного анализа объектов теплоэнергетики в системе используются в основном методы регрессионно-статистического анализа по нескольким параметрам [31], а также сравнение поведения объекта (параметров состояния) на рассматриваемом интервале времени с таковым же поведением этого или аналогичного объекта в прошлом при достаточном совпадении внешних (независимых) параметров [52]. С одной стороны для текущих эксплуатационных нужд каждого из объектов накопление исторических данных, а также таких же данных по другим объектам, не представляется необходимым, но для более полного анализа функционирования объекта и получения репрезентативной статистики объединение данных по всем объектам весьма желательно. Кроме того, централизованное хранение данных по всем объектам делает возможным групповой мониторинг и анализ их поведения при объединении в группы по различным критериям, а также выдачу итоговой информации по группе объектов на указанном интервале времени.

Групповой мониторинг и обследование объектов позволяет получать обобщенную информацию о работе группы объектов, что необходимо в частности для финансово-административного анализа [44]. Эта задача с одной стороны приводит к распределенной архитектуре системы, когда отдельные подсистемы мониторинга конкретных объектов должны поставлять данные в один или несколько административных и/или контролирующих органов, а с другой стороны требуются разнообразные средства отбора (фильтрации, селекции) данных по разнообразным критериям выборки (средства фильтрации в старой системе весьма ограничены).

Надо отметить, что имеется расхождение интересов и задач непосредственного учета и мониторинга объектов с задачами научного исследования и разработки методов технической диагностики поведения объектов теплоэнергетики. Понятно, что для задач научного исследования должны применяться более глубокие и ресурсоемкие методы математической статистики и другие аналитические средства. Таким образом, массив многолетних данных по достаточно большому числу объектов имеет самостоятельную ценность для задач научного исследования и анализа.

Система разделяется на несколько подсистем по характеру использования и реализации необходимого набора функциональных возможностей:

- подсистему сбора данных (ввод данных с измерителей);

- подсистему хранения (базу данных);

- подсистему отображения (пользовательский интерфейс АРМ);

- подсистему анализа результатов измерений.

На нижнем уровне для работы непосредственно с измерительными приборами подсистема сбора данных при помощи драйверов ввода/вывода обеспечивает управление счетчиками и контроллерами коммуникационной сети передачи данных, а также отображением полученных данных в реальном времени. В качестве средства разработки подсистемы сбора данных была выбрана SCADA-система (Supervisor Control And Data Acquisition) TRACE-MODE, интегрированная система для разработки АСУ ТП отечественного разработчика AdAstra. Основные отличия ее от технологий, реализованных в старых SCADA-системах сводятся к следующим трем ключевым позициям:

1. Единые инструментальные средства (единая линия программирования), как для разработки операторских станций, так и для программирования контроллеров. Единая база данных реального времени для операторских станций и контроллеров;

2. Разработка распределенной АСУ ТП как единого проекта. Единая распределенная база данных реального времени;

3. TRACE-MODE полностью поддерживает стандарт ОРС-2 (OLE for Process Control, клиент и сервер), что позволяет подключать к системе ОРС-серверы любых контроллеров. Кроме того, через встроенный ОРС-сервер

TRACE-MODE можно подключать любые пользовательские функции и внешние приложения.

К настоящему времени эта система разработки АСУ ТП имеет свыше 15000 инсталляций. По числу внедрений в России TRACE-MODE значительно опережает зарубежные пакеты подобного класса. TRACE-MODE является первой и пока единственной программной системой на российском рынке, прошедшей сертификацию Госстандарта РФ.

Интенсивный процесс внедрения SCADA-систем побудил к разработке нового класса ИАС[23]. Одной из наиболее значимых разработок является система «АИСТ» [20,21,22] для источников теплоты, реализующая функции мониторинга технологических процессов выработки тепловой энергии с использованием системы TRACE-MODE 5. Система «АИСТ» внедрена в 2005 году и эксплуатируется в котельных «Курс» и «Южная» г. Арсеньев.

Следующий шаг в развитии данного направления связан с разработкой некой платформы [14] (универсальной заготовки) для создания систем анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики (ОТЭ). Основная цель, которая при этом преследовалась, заключается в следующем. Платформа должна содержать базу данных (БД) и достаточно полный набор программных средств для решения задач анализа (ориентированных на использование этой БД) и позволять оперативно, с незначительными временными затратами компоновать системы анализа для конкретных приложений. В 2006 году завершена разработка промышленной версии ИАС «СКУТЕР», в значительной степени отвечающей этому требованию.

Информационной базой системы «СКУТЕР» являются результаты измерений параметров ОТЭ, получаемые в процессе мониторинга с использованием SCADA-системы (в основном для источников теплоты) либо считываемых из архивов тепловычислителей (в основном для объектов-потребителей теплоты).

Система включает набор независимых программных модулей, ориентированных на решение требуемых прикладных задач и обладающих определенной функциональной направленностью. Основными модулями системы являются следующие: «Сбор данных», «Графики», «Таблицы», «Отчеты», «Температурные графики», «Тепловой режим», «Рекомендации», «Дефекты», «Диаграммы», «Зависимости», «Конфигуратор». Отдельные модули системы связаны между собой по структуре данных (которые вводятся, собираются и используются разными модулями), хранящихся в единой Базе Данных, и соглашениям о формате и способах передачи конфигурационной информации между модулями с использованием стандартных протоколов обмена данными. Система реализует клиент-серверную архитектуру, основанную на использовании единой базы данных, доступной клиентским приложениям (модулям) посредством сети передачи данных (TCP/IP).

Отдельные модули системы могут использоваться автономно (со своей локальной копией базы данных), например, модуль сбора при ручном сборе данных, с последующим вливанием (синхронизацией) собранных данных в общую базу. Другим примером использования раздельных баз данных является сбор данных с приборов учета в региональном центре сбора (например, по телефонным каналам) и их передача (синхронизация) в общий центр данных по скоростным линиям (TCP/IP).

Опыт разработки и эксплуатации ИАС ОТЭ показал их востребованность и адекватность с одной стороны, и необходимость усиления функциональности, то есть расширение сервисных возможностей с другой.

В настоящее время описанная выше платформа используется при проектировании информационно-аналитических систем мониторинга и анализа следующих теплоэнергетических объектов:

- котельная ООО «Теплоэнерго», г. Большой Камень;

- котельная ДВО РАН, г. Владивосток;

96

- система теплопотребления ОАО «Радиоприбор», г. Владивосток (15 тепловых узлов).

Приведем краткое описание функциональных возможностей информационно - аналитической системы, активно используемой при сервисном обслуживании тепловых узлов с установленными на них приборами учета.

4.2 Функциональные возможности системы СКУТЕР

ИАС «СКУТЕР» предназначена для решения следующих основных задач:

- получение достоверных данных о гидравлических и тепловых режимах функционирования ОТЭ;

- обеспечение ресурсосберегающих режимов функционирования ОТЭ;

- своевременное выявление нештатных, критических и предупреждение аварийных ситуаций, возникающих при эксплуатации ОТЭ;

- упорядочение экономических взаимоотношений между поставщиками и потребителями тепловой энергии и воды, наблюдение за исполнением договорных обязательств, разрешение конфликтных ситуаций;

- сокращение эксплуатационных расходов на поддержание работоспособности ОТЭ и средств измерений;

- обеспечение надежного функционирования средств измерений;

- экономическое обоснование норм потребления и тарифов на энергоресурсы;

Для выполнения основных задач в системе реализованы следующие функции:

- создание, хранение и поддержка информационной БД ОТЭ;

- сбор и первичная обработка информации со средств измерений, установленных на ОТЭ, занесение полученной информации в информационную БД;

- обработка информации с целью определения показателей функционирования ОТЭ;

- отображение полученных характеристик гидравлических и тепловых режимов функционирования ОТЭ в виде отчетов, таблиц, графиков;

- формирование на основе полученной информации рекомендаций по ресурсосберегающим режимам функционирования ОТЭ;

- определение списка возможных нештатных и критических ситуаций, выработка рекомендаций по предупреждению аварийных ситуаций;

- выработка рекомендаций по устранению непроизводительных эксплуатационных потерь;

- контроль достоверности измерений, производимых приборами учета, выявление неисправностей, возникающих в приборах учета.

5 АНАЛИЗ РЕТРОСПЕКТИВНОМ ИНФОРМАЦИИ НА ПРИМЕРЕ

КОНКРЕТНЫХ ОТЭ

5.1 Несанкционированный водозабор

Одной из основных проблем в практике коммерческого учета тепловой энергии является несанкционированный отбор воды в закрытой системе теплоснабжения. Выявления подобных фактов "воровства" теплоносителя можно осуществить с помощью анализа распределения значений разности расходов по часам суток. Рассмотрим пример обнаружения несанкционированного водозабора для одного из объектов судебного департамента. Так на рис. 40 отчетливо прослеживается пик расхода в период с 16 до 19 часов. Можно предположить, что в это время, в конце рабочего дня, осуществляется уборка помещений и воду из системы отопления сливают.

Ъ СКУТЕР По,рейте,

Файл Цастро0ки Мод>*ли Окна Справка дна ШАГ»^.-«.«^ ^ввш График Суд артемовский МиШса! III СОЕ через адаптер М1. М? М1 М2, Ошибка

М1.ТА)

Щ М2.ТА1 | |ДМ1-М2,та7

01 02 03 04 05 06 07

10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 8 20 21 22

График. чн аргемоасянЛ Ми1ь<-а Щ СМ "«-ре ад^ттрр 1ТН!ЕУЖЩ1 -1ШЫ|М|- ВДЯДЦ

170106 1801« 1901.06 20.01.06 210106 22.01.06 23.01.06 24.0106 260106 270106 280106 290106 30.01.06 31.01.0 01:00 04:00 07:00 1 0.00 13 00 18:00 19.00 22СИ 01:00 04:00 07:00 1 000 1 3:00 1ВОО п«ри»: тт .га ом» • т оз 06 омю

Л<жазано.01 01 70 108».01.017011100

Рис. 40

5.2 Сравнение объектов

На практике довольно часто возникает ситуация, когда два одинаковых с точки зрения теплоэнергетических характеристик потребителя тепла, расположенных территориально рядом друг с другом по итогам месяца потребили разное количество тепловой энергии. При этом сделать вывод о причине подобной ситуации без анализа результатов измерения приборов учета не может даже специалист, обслуживающий данные объекты. В системе ретроспективного анализа предусмотрена возможность сравнения параметров функционирования двух потребителей тепловой энергии на графике. Такое графическое представление позволяет оценить величину рассогласования потребления тепла (температуры или расхода теплоносителя) одного объекта от того же параметра на другом объекте. Анализируя функционирование двух объектов легко обнаружить несоответствия, которые имели место быть, и сделать выводы относительно причин расхождения в теплопотреблении за выбранный промежуток времени.

Приведем конкретный случай из практики сервисного обслуживания объектов теплопотребления. Два детских сада ДС20 и ДС32 расположены через дорогу друг от друга. Оба здания выполнены по одному проекту, и теплоснабжение производится от одного источника. Однако по результатам месячного отчета за январь выяснилось, что количество тепла потребленного в ДС20 в 2 раза больше чем в соседнем детском саду ДС32. После тщательного анализа и сравнения функционирования этих объектов выяснилось, что в конце декабря расход на объекте ДС20 был раскручен и превышал значение установленное в договоре. Этот факт отчетливо прослеживается на графике. И именно завешенный расход является причиной различного теплопотребления на двух объектах.

Рис.41

5.3 Сравнение периодов

Иногда, рассматривая отчеты о потреблении тепла и теплоносителей, за текущий и прошлый год легко можно обнаружить, что показания в них отличаются и порой существенно. Причина подобного расхождения неочевидна. Однако путем простого сравнения на графике изменения потребления тепловой энергии и других параметров теплоносителя за два интервала времени (например, месяц февраль текущего и прошлого года) можно сделать выводы относительно причин обнаруженного несоответствия. С этой целью в системе ретроспективного анализа объектов теплоэнергетики предусмотрена возможность сравнения изменения одного из измеряемых параметров в различные периоды времени.

На примере функционирования теплового узла в Институте автоматики и процессов управления (ИАПУ) рассмотрим сравнение режима теплопотребления за год до и после установки автоматики. По результатам анализа становится очевидным, что при работе автоматики на объекте мы получаем качественное теплоснабжение за счет учета изменения метеорологических условий на протяжении отопительного сезона. Так на графике отчетливо видно, что в 2005 году (синий график), когда на объекте не было автоматики, режим теплопотребления не изменялся в независимости от температуры наружного воздуха. Для обычного человека это означает лишь то, что когда на улице очень холодно ему приходится включать электрообогревательные приборы, а когда наступает оттепель, он переплачивает за то тепло, которое выпускает в форточку - за перетоп. В отопительный сезон 2005-2006 в ИАПУ установлена система автоматики, позволяющая регулировать теплопотребление объекта в зависимости от реальных потребностей в тепле. Это позволило повысить качество теплоснабжения.

Рис. 42

5.4 Диагностика технического состояния теплового узла

Техническое состояние теплового узла определяется дефектами оборудования тепловой системы, измерительного оборудования, а также связано с возникновением нештатных, критических и аварийных ситуаций при эксплуатации объекта потребителя тепла. Одной из задач, которую позволяет решить анализ результатов измерений, является своевременное обнаружение нештатных и критических, а также предотвращение аварийных ситуаций. Для обнаружения нештатных ситуаций в системе предусмотрен специальный программный модуль (рис. 43). Модуль позволяет обнаружить ряд дефектов представленных в виде формализованных описаний и сохраненных в БД [10]. Среди них можно выделить.

1. Нарушения договорных обязательств со стороны поставщика (потребителя) энергоресурсов по величине и диапазону измерения:

- мгновенного расхода транспортируемой среды;

- температуры в прямом и обратном трубопроводах;

- разницы температур (с привязкой к температуре наружного воздуха).

2. Превышение лимитов потребления тепла, воды за определенный период времени.

3. Несанкционированный отбор воды (в закрытой системе теплоснабжения).

4. Сверхнормативные утечки теплоносителя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе приведены методы решения задач тестового диагностирования ОТЭ с использованием архивной информации тепловычислителей. Предложен метод выявления фактов фальсификации результатов измерений в закрытых системах теплопотребления и приближенного восстановления истинных значений измеряемых величин. Показана неадекватность используемой на практике методики аудита систем приборного учета тепловой энергии, основанной на прогнозировании погрешностей измерения, приводящих к нарушению баланса потоков в системе теплопотребления. Предложены пути повышения достоверности результатов прогнозирования погрешностей измерения. Разработаны и интегрированы в информационно-аналитическую систему мониторинга и анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики программные средства регрессионного анализа ретроспективной информации. Представлены материалы по разработанным и внедренным в промышленную эксплуатацию информационно-аналитическим системам применительно к двум классам объектов теплоэнергетики - потребителям и источникам тепловой энергии.

Дальнейшие работы в данном направлении предполагают разработку новых методов анализа ретроспективной информации для решения задач диагностирования, прогнозирования и анализа режимов функционирования ОТЭ. Прикладные работы ориентированы на развитие платформы для проектирования информационно-аналитических систем мониторинга и анализа объектов теплоэнергетики.

1. Айвазян С.А., МхнтарянВ.С. Прикладная статистика и основы эконометрики. М.: ЮНИТИ, 1998г. - 1022 с.

2. Александров A.A. Международное уравнение состояния воды и водяного пара // Теплоэнергетика. 1997. №10. С.68.

3. Александров A.A., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: МЭИ. 1999. - 168 с.

4. АнисимовД.Л. Теплосчетчики: о фальсификациях и спекуляциях // Совершенствование измерений расхода, регулирование и коммерческий учет энергоносителей: материалы 3-го международного научно-практического форума. СПб, 2003. С. 344.

5. Арнольд Л.В., Михайловский Г.А. Селиверстов В.М. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.: Высшая школа, 1979. 446 с.

6. Бабенко В.Н. О диагностировании технического состояния открытых систем теплопотребления // Надежность и качество 2004: труды международного симпозиума. Пенза: ПГУ, 2004. С. 351-352.

7. Бабенко В.Н., Кузнецов P.C., Орлов С.И., Чипулис В.П. Система мониторинга и анализа режимов функционирования потребителей тепловой энергии // Информатизация и системы управления в промышленности. М.: ИнформИздат, 2005. №7. С. 23-28.

8. Байтингер Н.М. Система оптимального теплопотребления (СОТ) -необходимый элемент энергоэффективного теплоснабжения // Теплосиб-2003: труды 2-й международной научно-практической конференции. Новосибирск, 2003. С. 156-157.

9. Бузников Е.Ф., Роддатис К.Ф., Берзиньш Э.Я. Производственные и отопительные котельные .-М.: Энергоатомиздат, 1984. 248 с.

10. П.Виноградов А.Н., Чипулис В.П. Анализ качества регулирования тепловых режимов объектов теплоэнергетики // КБД-Инфо-2004: тезисы докладов международной конференции. Сочи, 2004. С. 35.

11. Виноградов А.Н., ГербекФ.Э., Кузнецов P.C., Чипулис В.П. Опыт разработки и эксплуатации информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики // Вестник ДВО РАН, 2005. №6. С. 59-65.

12. Виноградов А.Н., ГербекФ.Э., Раздобудько В.В., Кузнецов P.C., Чипулис В.П. Учет и анализ параметров технологических процессов выработки тепловой энергии // Информатизация и системы управления в промышленности. М.: ИнформИздат, 2006. №7. С. 4-9.

13. Канев С.Н., Глухов А.П., Старовойтов A.A. Фальсификация приборного учета с помощью микропроцессорных устройств // Коммерческий учет энергоносителей: материалы 19-й международной научно-практической конференции. СПб.: Борей-Арт, 2004. С. 370.

14. Каргапольцев В.П., Лупей А.Г. О некоторых методах «экономии» при ведении коммерческого учета воды и тепла // Энергосбережение, 2003. №6.

15. Карибский В.В., Пархоменко П.П., Согомонян Е.С., Халчев В.Ф. Основы технической диагностики Кн. 1. Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза. М.: Энергия, 1976. - 464 с.

16. Кузнецов P.C. Исследование регрессионной модели прогнозирования метрологических дефектов // Надежность и качество 2004: труды международного симпозиума. Пенза: ПГУ, 2004. С. 206-208.

17. Кузнецов P.C. Фильтрация ретроспективной информации в задачах анализа функционирования объектов теплоснабжения // Надежность и качество 2005: труды международного симпозиума. Пенза: ПГУ, 2005. С. 287-288.

18. Кузнецов P.C. О проблеме диагностирования метрологических дефектов приборов учета тепловой энергии по разности расходов // Надежность и качество 2006: труды международного симпозиума. Пенза: ПГУ, 2006. С. 32-34.

19. Кузнецов P.C. Прогнозирование погрешностей оценки расхода теплоносителей // Изв. вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50, № 1. С. 63-67.

20. Кузнецов P.C. Анализ достоверности результатов измерений в задачах учета тепловой энергии // Надежность и качество 2007: труды международного симпозиума. Пенза: ПГУ, 2007. С. 345-347.

21. Лебедев В.И., Пермяков Б.А., Хаванов П.А. Расчет и проектирование теплогенерирующих установок систем теплоснабжения. М.: Стройиздат, 1992.-358 с.

22. Лупей А.Г. О применении ультразвуковых расходомеров в узлах учета тепловой энергии // Коммерческий учет энергоносителей: материалы международной научно-практической конференции. СПб.: Борей-Арт, 1998. С.104-107.

23. Лупей А.Г. О метрологической целесообразности непосредственных измерений водоразбора из системы теплоснабжения // Коммерческий учет энергоносителей: материалы 13-й международной научно-практической конференции. СПб.: Борей-Арт, 2001. С. 9-18.

24. Лупей А.Г. Сравнение результатов непосредственных и косвенных измерений количества ГВС // Коммерческий учет энергоносителей: материалы 13-й международной научно-практической конференции.- СПб.: Борей-Арт, 2001. С.153-161.

25. Лупей А.Г. О влиянии температуры на погрешность измерения расхода // Коммерческий учет энергоносителей: материалы 13-й международной научно-практической конференции. СПб.: Борей-Арт, 2001. С. 283-290.

26. Лупей А.Г. О регулировании теплопотребления в системах отопления // Коммерческий учет энергоносителей: материалы 16-й международной научно-практической конференции. СПб.: Борей-Арт, 2002. С. 75-79.

27. Лупей А.Г. О некоторых методах метрологического диагностирования трехканальных теплосчетчиков // Коммерческий учет энергоносителей: материалы 16-й международной научно-практической конференции.- СПб.: Борей-Арт, 2002. С. 401-411.

28. Лупей А.Г. О некоторых методах диагностирования состояния систем отопления потребителей тепловой энергии // Коммерческий учет энергоносителей: материалы 17-й международной научно-практической конференции. СПб.: Борей-Арт, 2003. С. 247-257.

29. Лупей А. Г. О запрещенных методах «метрологического обслуживания» коммерческих узлов учета тепловой энергии // Коммерческий учет энергоносителей: материалы 17-й международной научно-практической конференции. СПб.: Борей-Арт, 2003. С. 345-349.

30. Малышко A.B., Михальцов A.C., Чипулис В.П. Система мониторинга и ретроспективного анализа источников теплоты // Коммерческий учет энергоносителей: материалы 18-й международной научно-практической конференции. СПб.: Борей-Арт, 2003. С. 296-305.

31. Малышко A.B., Михальцов A.C., Разумов C.B., Чипулис В.П. Мониторинг и ретроспективный анализ режимов функционирования источников теплоты // Теплосиб-2003: труды 2-й международной научно-практической конференции. Новосибирск, 2003. С. 17-28.

32. Манюк В.И., Каплинский Я.И. и др. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Справочник. М.: Стройиздат, 1988. - 432 с.

33. Менделевич В.А. Внедрения АСУТП ТЭС на базе ПТК «САРГОН» // Промышленные АСУ и контроллеры, 2003. №11.

34. Меренков А.Д., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. М.: Наука, 1985.-273 с.

35. Михальцов A.C. Система сбора и верификации результатов измерения параметров при решении задач диагностирования объектов теплоэнергетики // Надежность и качество 2002: труды международного симпозиума. Пенза: ПГУ, 2002. С.334-336.

36. Орлов С.И. О построении статистической модели объекта тепло-, водоснабжения // Информатика и системы управления, №1(7). 2004. С.64.

37. Сабонис С.С., Ярмийчук В.Д. Фильтрация аномальных выбросов // В кн.: XXIX неделя науки СПбГТУ. Часть V. Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. - с. 30-31.

38. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем: Учеб. для вузов 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 343 с.

39. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: МЭИ. 1999. - 472 с.

40. Суслов В.И., Ибрагимов Н.М., Талышева Л.П., Цыплаков А.А. Эконометрия. Книга третья. Анализ временных рядов. -157 с.

41. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. М.: Энергия, 1973 . - 296 с.

42. Теплотехника / Под редакцией Баскакова А.П. -М.: Энергоиздат, 1982. 246 с.

43. Теплотехника, отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. / Под редакцией Гусева В.М. М.: Стройиздат, 1981. - 343 с.

44. Теплышев Ю.В. Автоматизированная система коммерческого учета и диспетчерского контроля теплопотребления // Теплоснабжение, 2000. №4. С. 9-10.

45. Тихомиров К.В. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция. М.: Стройиздат, 1984. - 272 с.

46. Трембовля В.И. и др. Теплотехнические испытания котельных установок. -М.: Энергия, 1977. С. 296.

47. Фокин В.М. Энергосбережение в производственных и отопительных котельных: Монография. М.: Машиностроение-1,2004. - 180 с.

48. Чипулис В.П. Диагностирование утечек в гидравлических цепях. I // Автоматика и телемеханика, 1997. № 1. СЛ 50-159.

49. Чипулис В.П. О достоверности и допустимости результатов измерений в задачах коммерческого учета теплоты // Коммерческий учет энергоносителей: материалы 15-й международной научно-практической конференции. СПб.: Борей-Арт, 2002. С.138-141.

50. Чипулис В.П. О диагностировании технического состояния объектов теплоэнергетики // Коммерческий учет энергоносителей: материалы 16-ймеждународной научно-практической конференции. СПб.: Борей-Арт, 2002. С. 249-256.

51. Чипулис В.П. Диагностирование технического состояния тепловых систем // Автоматика и телемеханика, 2002. № 6. С. 146-154.

52. Чипулис В.П. Диагностирование технического состояния объектов теплоэнергетики // Труды 2-й Международной конференции по проблемам управления. Москва, 2003. Т.2. С. 127.

53. Чипулис В.П. Тестовые методы диагностирования теплоэнергетических объектов // Computer Modeling of Dynamical Systems: труды международной конференции Электронный ресурс. СПб.: СПбГТУ, 2004. - www.neva.ru/journal/ds2004/index.html.

54. Чипулис В.П. О влиянии погрешностей округления на результаты анализа архивной информации тепловычислителей // Коммерческий учет энергоносителей: материалы 18-й международной научно-практической конференции. СПб.: Борей-Арт, 2003. С. 396-404.

55. Чипулис В.П. Оценка достоверности результатов измерений в теплоэнергетике // Измерительная техника. М.: Издательский дом «Технологии», 2005. №5. С. 53-58.

56. Чипулис В.П. Диагностирование метрологических дефектов в задачах учета тепловой энергии // Автоматика и телемеханика, 2005. №11. С. 166178.

57. Chipulis V.P. Diagnosis of hydraulic circuits with the application of discrete models // The Fourth International Conference «Tools for mathematical modeling». Saint-Petersburg, 2003. P.96-104.

58. Good P.I., Hardin J.W. Common errors in statistics, and how to avoid them. Wiley, 2003.-220 p.

59. Handbook of heating, ventilation, and air conditioning / edited by Jan F. Kreider. Boca Raton, CRC Press LLC. 2001.

60. Hamilton J.D. Time Series Analysis. Princeton, 1994. 814 p.

61. Harrell F.E. Regression Modeling Strategies. Springer, 2001. 568 p.

62. Hastie T., Tibshirani R., Friedman J. H. The Elements of Statistical Learning:

63. Kariya T., H. Kurata. Generalized Least Squares. Wiley, 2004. 307p.

64. Rao C.R., H. Toutenberg. Linear Models: Least Squares and Alternatives. Springer, 1999. 439 p.

65. Rencher A. Methods of Multivariate Analysis. Wiley, 2002. 738 p.