автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Создание информационно-аналитической среды для решения задачи повышения надежности региональной системы теплоснабжения

На правах рукописи

Преснухин Виктор Константинович

УДК 519.86: 536.46

СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РЕГИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность

05.13.01 - "Системный анализ, управление и обработка информации

(в науке и технике)"

. Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ИЖЕВСК-2011

2 2 СЕН 2011

4853499

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Ижевский государственный технический университет" на кафедре "Математическое моделирование процессов и технологий"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Русяк Иван Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Уразбахтин Федор Асхатович

кандидат физико-математических наук, доцент

Бартенев Олег Архипович

ФГБОУ ВПО "Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева"

Защита состоится "06" октября 2011 г. в 16.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.065.06 при ФГБОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет" по адресу: 426069 г. Ижевск, ул. 30 лет Победы, д. 15, корп. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, Ученому секретарю совета Сяктереву В.Н.

Тел./факс: (3412) 58-99-57; E-mail: primat@istu.ru

Автореферат разослан "05" сентября 2011 г.

Ведущая организация:

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.065.06 к.т.н., доцент

В.Н. Сяктерев

Общая характеристика работы .

Актуальность проблемы. В последнее время, в связи с износом систем теплоснабжения, большое внимание уделяется повышению энергетической безопасности теплоснабжения населения. Тепло - это особый товар, который нельзя запасти впрок и, тем более, перебросить на значительные расстояния. Его необходимо реализовать здесь и сейчас. Поэтому проблема энергетической безопасности должна решаться предупредительными профилактическими мероприятиями с целью исключения аварийных ситуаций в отопительный период и связанных с этим больших финансовых и социальных издержек.

В Удмуртской Республике (УР) насчитывается более тысячи теплоисточников (котельных), вырабатывающих тепло на коммунальные и производств венные нужды. При этом большинство из них находится на балансе бюджетов различных уровней. В настоящее время задача планирования работ капитального характера решается не на основе принципа оптимальности и надежности, а на основе принципа очередности.

Конечно, проблема энергетической безопасности заключается не только в старении и снижении надежности работы оборудования теплоисточников. Часть решения этой проблемы заключается в их бесперебойном обеспечении топливом, а также в квалификации персонала и состоянии системы теплоснабжения в целом. Для комплексного решения данной проблемы разработана информационно-аналитическая система учета теплоисточников на территории Удмуртской Республики и потребляемых ими ресурсов. С помощью данной системы решаются следующие задачи.

1. Анализ состояния (энергоаудит) топливно-энергетического комплекса Удмуртской Республики.

2. Расчет требуемых ресурсов под заданный объем потребления конечных энергоносителей.

3. Математическое моделирование и оптимизация надежности теплоисточников при заданных ограничениях.

4. Повышение эффективности функционирования топливно-энергетического комплекса.

5. Оптимизация инвестиционного процесса при реновации систем теплоснабжения.

В последнее время все больше внимания уделяется вопросам совершенствования оперативного управления системами жизнеобеспечения, к которым следует отнести и распределенную систему теплоснабжения. Необходимость такого совершенствования определяется усложнением экономических и производственных связей. От науки требуются рекомендации по оптимальному управлению такими процессами.

В этой связи, большое значение приобретает анализ надежности региональной системы теплоснабжения и решение задачи оптимального управления по ее повышению.

Современный подход к анализу систем, основанный на применении ЭВМ и на математическом моделировании, рассматривается в работах Кармано-ва В,Г., Данцига Дж.Б., Зайченко Ю.П., Вагнера Г., Конюховского П.В., Гне-денко В.Б. и др. В работах Ашманова С.А., Дегтярева Ю.И., Канторовича Л.В. подробно и на практическом материале изложены основы теории решения задач оптимизации, способы построения математических моделей оптимальных задач, рассмотрены основные понятия, методологические принципы и математические аспекты теории оптимизации систем.

В данной работе изучается проблема надежности распределенной системы теплоснабжения. В этой связи построены математические модели надежности теплоисточников и всей системы теплоснабжения региона. Задача управления надежностью распределенной системой теплоснабжения рассматривается как оптимальная задача математического программирования с булевыми переменными.

Объектом исследования в настоящей диссертационной работе является распределенная система регионального теплоснабжения.

Предметом исследования является проблемно-ориентированная система управления по критерию надежности и эффективности функционирования топливно-энергетического комплекса региона.

Целью диссертационной работы является разработка информационно-аналитической системы и математических моделей для решения задачи повышения надежности и эффективности региональной системы теплоснабжения. Задачи исследования:

1. Создание информационно-аналитической системы теплоснабжения, включающей геоинформационную систему региона.

2. Создание базы данных по теплоисточникам, позволяющей решать задачи повышения надежности и эффективности распределенной системы теплоснабжения региона.

3. Визуализация первичного анализа данных по различным характеристикам.

4. Разработка и реализация алгоритма обновления данных.

5. Разработка математических моделей, алгоритмов и программно-вычислительного комплекса для решения задач оптимального управления. Методы исследования. В работе использовались методы теории надежности сложных систем, методы оптимизации, методы математического программирования; использован аппарат разработки прикладного программного обеспечения, вычислительных алгоритмов и математического компьютерного моделирования.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена использованием обоснованных математических моделей, апробированных алгоритмов решения задач оптимизации, а также использованием полученных решений в практике оперативного планирования и управления системой теплоснабжения региона.

На защиту выносятся:

• математические модели описания надежности теплоисточников распределенной системы теплоснабжения;

• постановка и алгоритм решения задачи оптимального управления;

• программно-вычислительный комплекс оптимального управления региональной системой теплоснабжения; '

• результаты решения задач оптимального управления надежностью распределенной системы теплоснабжения. * Научная новизна работы:

• разработаны новые математические модели повышения эффективности региональной распределенной системы теплоснабжения по критерию надежности;

• разработан программно-вычислительный комплекс, позволяющий в интерактивном режиме решать широкий круг задач оперативного планирования и управления распределенной системой теплоснабжения в реальном масштабе времени;

• проведены параметрические исследования и выявлены резервы повышения надежности региональной системы теплоснабжения в условиях ограничений.

Практическая ценность работы

Разработанная и реализованная в виде программно-вычислительного комплекса проблемно-ориентированная система управления теплоснабжением региона используется в Министерстве промышленности и энергетики Удмуртской Республики и может быть использована при решении задач управления теплоснабжением в других регионах Российской Федерации.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях:

• VI Всероссийской научно-технической конференции "Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения" (Н. Новгород, октябрь, 2002);

• Региональном семинаре-совещании "Энергосбережение и развитие ТЭК" (Ижевск, 28-29 ноября 2002);

• IV Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в инновационных проектах" (Ижевск, 29-30 мая 2003);

• X Международной научно-практической конференции "Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах" (Пенза, 23 апреля 2009);

• Всероссийской научной конференции-семинаре "Теория управления и математическое моделирование" (Ижевск, 2006);

• Научно-технических конференциях ИжГТУ (2003-2010).

По теме диссертации опубликованы 12 печатных работ, в том числе 1 монография и 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов кандидатских диссертаций. Материалы диссертации вошли в отчеты по Государственному контракту, выполненному в рамках Республиканской целевой программы "Снабжение Удмуртской Республики местными возобновляемыми видами топлива, альтернативными природному газу".

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования, включающих разработку концептуальной модели проблемно-ориентированной системы управления, технической постановки задачи, подходов и методов к решению исследуемой проблемы, моделирование изучаемых характеристик и анализ полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 96 наименований. Работа изложена на 128 страницах текста, содержит 67 рисунков и 19 таблиц.

Содержание диссертации

Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировку цели и задач исследования, основные положения, выносимые на защиту, определяет практическую значимость, содержание и методы выполнения работы.

В первой главе сформулированы требования, предъявляемые к предмету исследования и разработки. Предложена концептуальная модель проблемно-ориентированной системы управления. Представлен системный анализ предметной области (рис. 1), результатом которого явилась инфологическая модель проектируемой информационно-аналитической системы "Теплоснабжение УР", включающая систему управления базой данных, геоинформационную систему и блок аналитических приложений (методики расчета и алгоритмы решения задач).

Вторая глава посвящена разработке математических моделей для оценки надежности функционирования теплоисточников различных технологических схем и оптимального распределения инвестиций с целью повышения надежности региональной системы теплоснабжения и энергетической безопасности региона. Представлена методика расчета надежности котельных. Формулируются задачи оптимального управления инвестициями с учетом ограничений. Для решения задачи оптимизации используется генетический алгоритм.

Рис. 1. Концептуальная модель проблемно-ориентированной системы управления

На рис. 2 изображена принципиальная схема типовой котельной с независимой системой, а на рис. 3-е зависимой системой циркуляции теплоносителя.

Теплообменник

Рис. 2. Принципиальная схема типовой котельной с независимой системой циркуляции теплоносителя

-| К |— Котел -^Ск}- Сетевой насос

•| хво |- Систим» (одоотчистш -(лн)- Подпиточкый насос

-{ЦнЬ ЦиркуяяциоинмЯ Н1СОС

0

Когвл

Х50 (- Смечи. юдоогжсжн

Саквой насос

-©- ПОДПИТОЧКЫЙ Н1

Рис. 3 Принципиальная схема типовой котельной с зависимой системой циркуляции теплоносителя

Функцию надежности Р(1) элемента определяли из экспоненциального закона:

Р( 1) = е

-¡Ц1)Л

(1)

где X(t) называется опасностью отказа или частотой отказа элемента в момент времени t.

Среднее время жизни (период эксплуатации) х0 элемента для случая X(l) = const:

1

e~Xldl=-

(2)

Обозначим через Ь - количество различных видов оборудования, соединенных последовательно, а К/ - количество оборудования вида / = 1,1, соединенных параллельно. Тогда при смешанном соединении можно записать:

'=11'-

ы

fto-p*)

ш

(3)

В общем случае получаем следующую общую формулу для расчета надежности работы котельных:

/=1

Ш-Роы)

/Ы

(4)

где р1/к1 - надежность к-го оборудования (к = \,К^ ) вида / (/ = 1, Ьу ) у-ой котельной /-го района; Гц - надежность работыу'-ой котельной ¿-го района.

Назовем надежность, о которой шла речь выше, "технической" надежностью. Поскольку элементы котельной не сопоставимы по стоимости, то следует ввести некоторые весовые коэффициенты, позволяющие более объективно оценивать вклад каждого вида оборудования в общую функцию надежности. Весовые коэффициенты могут быть рассчитаны, исходя из отношения стоимости элемента к общей стоимости всего оборудования котельной. Полученная таким образом надежность названа "эксплуатационной" надежностью. Значения эксплуатационной надежности будем обозначать символом . Обозначим также с,- стоимость А:-го элемента оборудования вида / } -й котельной /-го района; -техническая надежность соответствующего элемента оборудования, рассчитанная по его износу. Тогда логично предположить что

с ¡.11 С

при —--> 0 ццк! -> 1, а при —--> 1 <7,/М -> Рцк,. Далее, естественно при-

С,у С,

нять, что при равной стоимости каждого элемента оборудования котельной

с и = idem ее эксплуатационная надежность должна быть равной технической

1 к,1

надежности: qijkl = pljkl. Исходя из этих условий, для эксплуатационной надежности можно предложить следующую формулу:

(l -PUU). (5)

Чцы - Piju

Cijkl

maxcIJkl

Техническая (р,) и эксплуатационная (б,) надежности распределенной системы теплоснабжения / -го района определятся по формулам:

к, ЛГ/ И

«ири' а=Е ^' е<;=7Г' (6)

7=1

где /7,; - мощность у -й котельной / -го района; Н, - суммарная мощность котельных г -го района; Аг, - количество котельных в г-м районе.

Техническая и эксплуатационная надежности республиканской системы теплоснабжения, состоящей из М районов, определяются по формулам:

и н, МП,

1-1 (=1 ;=1 Задачу оптимального управления инвестициями рассматривали при следующих допущениях:

1) надежность системы определяется надежностью основного котельного оборудования;

2) надежность котельного оборудования теплоисточника рассчитывается по типовой схеме и не учитывает возможные отклонения от нее, связанные с местными условиями;

3) финансовые средства используются только для замены и ремонта оборудования;

4) после замены соответствующих элементов оборудования их надежность становится равной рн, а после г-го капитального ремонта ргр =а' рн, где 0<а<1; г-номер капитального ремонта данного оборудования, г = 1, Я/ ; - количество плановых капитальных ремонтов оборудования вида /.

5) плановый ремонт оборудования каждого вида производится через промежутки времени Д/г/, величина которых уменьшается на коэффициент р (0 < р < 1) после каждого капитального ремонта.

Период эксплуатации оборудования вида / в этом случае можно предстала Я/

вить в виде: тэ; = = Д¡ц • ^ Рг . где А1и - период работы оборудования

г=1 г=0

вида / до первого планового капитального ремонта.

Для изменения надежности в дискретном времени получена формула:

Рщ = [р'ук! р'т I1 - ит С)]' Ь+««,*/ (;)]-

-2-+ 1?р)т-2-5

/ = 0,1,2,...,Г,

где (д - коэффициент амортизации оборудования вида I; функция управления

!-1, замена оборудования',

0, без изменений]

1, ремонт оборудования.

В данном случае управление означает выбор объектов финансирования на будущий год.

Определим надежность } -й котельной / -го района следующим образом: Ру - Ару, где А - оператор, позволяющий рассчитывать надежность котельной, зная надежности оборудования данной котельной, Ру =\руы}~вектор

надежностей элементов котельной.

Сформулируем задачу оптимизации. Пусть каждый год на восстановление системы теплоснабжения республики выделяются денежные средства в размере С'. Необходимо максимизировать надежность системы теплоснабжения на конец планового периода Т.

Постановка задачи будет выглядеть следующим образом:

М N1

Рг -> шах; Р = ££; Рц = Ар„; <=1 7=1

р'£ = ~ VI I1 - ит (')]• [1 + ({)]-

Щ]Ы (0 [1- Щ]Ы (')] / и Щ]к1 (0 • [1+Щ]Ы (<)] (9)

\рР!цк

-Рн-

2 2

¡,],к,11.2 2

Здесь Рт - надежность распределенной системы теплоснабжения в конце планового периода; с, ,ср, -стоимость замены и ремонта соответственно оборудования I -го вида.

Задачу (9) будем решать при следующих допущениях:

1) начальные значения надежности р„ для всех видов оборудования считаются одинаковыми и конечные значения надежности рк для всех видов оборудования считаются одинаковыми;

2) после снижения надежности элементов системы ниже уровня рк происходит обязательная их замена, начиная с наименее надежного элемента;

3) стоимость капитального ремонта оборудования не зависит от межремонтных интервалов.

Согласно принятым допущениям, возможность выбора управления наступает лишь тогда, когда надежность элемента £ рк . Таким образом, если

отбросить элементы системы, для которых управление определено однозначно, задача упрощается: ' "

мы,

/>7 -> тах; ^ = ^ X Рч ' Р0 = '

/=1 /=1 .

Мы-»1РиЛ-ииьММр\иии^)> (Ю)

'.Л*,'

Здесь функция управления принимает вид:

0,если 0 <? + )..ы < Агг+1>/,

если / +1 - (/ р ) > Д/г+1/.

При этом

^з - 2-1 С1 ~ ^ ~ '

и.и А

где ицЫ (/)= -1V {/, у, к,I: рци < рК д С'3 < С1}; Гр = \]Ы)- вектор сроков

последнего капитального ремонта соответствующих элементов оборудования.

Преобразуем критерий оптимизации, предположив, что конечный максимум надежности определяется ежегодным максимумом. Кроме того, в задаче оптимизации исключим из рассмотрения элементы {ук1), для которых срок

планового ремонта еще не наступил, т.е. I +1 - ) Окончательно

будем иметь:

м и,

шах;

'"I У-1 /.УЛ./

= (ргРI> р'/к! =р„> если р'т<рк\ (п)

р'т = и*/ - И/Руы), если / + 1-(?р\.ы ± Д/г+1>/. В данном случае параметры управления принимают булевый вид:

Алгоритм решения задачи (11) состоит из следующих процедур:

1) ввод параметров модели и начальных значений;

2) "замена изношенного оборудования";

3) "выявление оборудования, не нуждающегося в ремонте";

4) "ремонт оборудования";

5) "определение естественного снижения надежности оборудования, не подвергшегося ремонту или замене";

6) если {= Т, то осуществляется переход на шаг 7, иначе / := / +1 и переход на шаг 2;

7) вывод результатов.

Рассмотрим подробнее шаги 2, 3 и 4. Процедура "замена изношенного оборудования"

включает в себя поиск оборудования, для которого выполняется условие рун < рк. Оно нуждается в обязательной замене. Если

г, _ V К"(О-

•-з - 2-, С1 -~-5 С > то все выработавшее свой ресурс обору-

2

дование, для которого и,д/(0 = -1, заменяется. В противном случае предполагается, что заменяется наименее надежное оборудование из числа тех, на которые хватает денежных средств. Происходит переход на следующий шаг, при этом оборудование, подвергшееся замене, исключается из массива переменных в задаче управления. Процедура

"выявление оборудования, не нуждающегося в ремонте", заключается в выявлении элементов оборудования, для которых еще не настал

срок капитального ремонта, т.е. / +1 - {(гр) < А(г+у = Д/1/рг, а также оборудования, которое проходило процедуру ремонта установленное число раз и ¿лёДующий ремонт нецелесообразен. Для этих элементов полагается

"/д/(0 = 0> и они также исключаются из массива переменных, для которого

решается задача управления.

Процедура "ремонт оборудования" запускается в случае, если оставшиеся после замены средства превышают некоторую заданную сумму или стоимость ремонта самой дешевой единицы оборудования: С' -С[>Ст^. Если

Ср = с! -~-^^ -С3, то все выбранное для ремонта обо-

2

рудование ремонтируется. Иначе для ремонта выбирается то оборудование, вклад которого в общую функцию надежности наибольший.

Для решения задачи оптимизации был использован генетический алгоритм с бинарным кодированием.

Третья глава посвящена разработке информационно-аналитической системы "Теплоснабжение УР" и программно-вычислительного комплекса оптимального управления региональной системой теплоснабжения. Структура ИАС представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структура ИАС "Теплоснабжение УР"

Информационно-аналитическая система теплоснабжения Удмуртской Республики — это программно-вычислительный комплекс, позволяющий вести учет и сравнительный анализ теплоисточников УР, а также решать задачи оптимального распределения инвестиций с целью повышения надежности регио-

нальной системы теплоснабжения и оптимальных поставок топливно-энергетических ресурсов.

Ядром ИАС является база данных теплоисточников региона. Графический интерфейс позволяет пользователю осуществлять визуальный анализ информации.

Визуальную часть ИАС можно разбить на два блока.

1. Геоинформационная система (ГИС) УР (рис. 5, 6), позволяющая просматривать местоположение населенных пунктов на карте районов республики и информацию о теплоисточниках, расположенных в них.

2. Аналитический блок, позволяющий осуществлять анализ данных, содержащихся в БД, и визуализировать результаты расчетов.

Рис. 5. Главная форма ИАС Рис. 6. Общий вид ГИС Боткинского района

В четвертой главе проведен первичный анализ данных и расчет надежности системы теплоснабжения Удмуртской Республики. Представлены результаты параметрических исследований задачи управления инвестициями при максимизации функции надежности распределенной региональной системы теплоснабжения.

По полученным данным о теплоисточниках Удмуртской Республики был выполнен анализ состояния объектов по следующим характеристикам:

• количество теплоисточников в разрезе районов и в целом по УР;

• структура топливного баланса (т у.т./год) в разрезе районов и в целом по УР по видам топлива (газ, уголь, дрова, мазут, нефть, торф, электричество);

• удельные годовые расходы топлива (ту.т./год/чел.) в разрезе районов и в целом по УР;

• плотность тепловой мощности (ккал/час/чел.) в разрезе районов и в целом по УР.

Анализ данных представлен в виде столбиковых и круговых диаграмм и позволяет сделать некоторые выводы о состоянии, топливно-энергетического комплекса У Р.

В 2008-2009 гг. в районах Удмуртской Республики Отпуск тепловой энергии осуществляли 1 102 теплоисточника (рис. 7). Наибольшее количество теплоисточников сосредоточено в Алнашском и Мапопургинском районах.

Рис. 7. Количество теплоисточников в районах УР

На рис, 8 представлено распределение количества теплоисточников в зависимости от вида потребляемого топлива. Подавляющее количество теплоисточников (73,53 %) работает на газе, значительное число теплоисточников работает на угле - 22,65 %, на электроэнергии работает 1,81 % теплоисточников, остальные теплоисточники - на других видах топлива (дрова, мазут, нефть, торф), доля в потреблении которых не так велика (менее 1 %).

Рис. 8. Распределение количества теплоисточников по видам потребляемого топлива

На рис. 9 представлено распределение теплоисточников по их мощности. Видно, что в УР преобладают теплоисточники с установленной мощностью менее 1 Гкал/ч (69,34 %).

0-1 Гк№\ «},34%

—более 20 Пыг'ч, I .б8"ч —10-20 Ли»ч;.18Ч

9.1°°

Рис. 9. Распределение количества теплоисточников по установленной мощности

По изложенной во второй главе методике был произведен расчет среднеарифметических значений надежности различных видов котельного оборудования теплоисточников, а также средневзвешенных значений распределенной системы теплоснабжения районов Удмуртской Республики и региона в целом.

На рис. 10-13 представлены надежности основного и вспомогательного оборудования котельных УР.

Рис. 10. Надежность котлов Рис. 11. Надежность сетевых

теплоисточников УР насосов теплоисточников УР

Рис. 12. Надежность подпиточных Рис. 13. Надежность систем ХВО

насосов теплоисточников УР теплоисточников УР

Среднеарифметические значения надежности различных типов оборудования по региону в целом незначительно различаются между собой: котлы -

0;50; сетевые насосы - 0,46; подпиточные насосы - 0,45; циркуляционные насосы - 0,53; теплообменники - 0,55; системы ХВО - 0,54.

На рис. 14 представлена надежность распределенной системы теплоснабжения районов Удмуртской Республики.

Средневзвешенное значение технической надежности по республике составляет 0,28, а эксплуатационной надежности - 0,65. Наибольший показатель технической надежности имеет система теплоснабжения Камбарского района (0,63), наименьшие показатели в Кизнерском районе (0,10). Также следует выделить низкие показатели в Алнашском, Балезинском, Завьяловском, Сара-пульском и Увинском районах (0,14-0,16). В остальных районах значения надежности системы теплоснабжения изменяются в пределах от 0,20 до 0,52.

г

Рис. 14. Надежность

распределенной

системы

теплоснабжения УР

Исследовалось влияние способов финансирования на изменение надежности системы теплоснабжения.

Временной интервал планирования принимался равным Т = 20 лет.

По каждому району и республике проводилось решение задачи в условиях неограниченного финансирования, а затем в случае, когда ежегодное финансирование устанавливается равным среднему значению по результатам предыдущего решения. Результаты расчетов рассмотрим на примере одного из районов УР, а также для распределенной системы теплоснабжения всей республики.

При достатке денежных средств, когда их количества хватает на ежегодную замену и ремонт оборудования, надежность региональной системы теплоснабжения для выбранного района и всей республики меняется в соответствии с графиками, представленными на рис. 15, 17. Параллельно здесь же приведены ежегодные затраты на полную реконструкцию теплоисточников.

На рис. 16, 18 приведены результаты расчетов в случае ежегодного финансирования реконструкции теплоисточников в объеме, не более чем среднего-

довое значение, полученное при решении задачи в условиях неограниченного финансирования.

р. в

4 год

■ Эксплуатационная надежность - Затраты на реконструкцию

Рис. 15. Надежность системы теплоснабжения Алнашского района при неограниченном финансировании

■ Техническая надежность ■-■*■■■■ Эксплуатационная надежность Затраты на реконструкцию

Рис. 16. Надежность системы теплоснабжения Алнашского района при финансировании не более 5,825 млн. руб./год

Сравнение результатов в том и другом случае показывает, что система теплоснабжения достаточно быстро (через 2-4 года) выходит на максимальный . уровень надежности, независимо от тактики финансирования. При этом при

равномерном финансировании расходуется, в целом, меньше средств, чем при неограниченном финансировании.

Программно-вычислительный комплекс позволяет рассчитывать оптимальные планы реконструкции теплоисточников соответствующих районов и республики в целом при любой стратегии финансирования.

р. в

С, шн руб.

• Техническая надежность

- Эксплуатационная надежность

- Затраты на реконструкцию

Рис. 17. Надежность системы теплоснабжения УР при неограниченном финансировании

Р. в 1.0 !

•>ч

0.4 ■ ■ • -/•-

ч ±

С, млн руб. 400,0 360,0 320,0 280,0

210,0 200,0

160,0 120,0 80,0 40,0

0,0

- Техническая надежность ' Эксплуатационная надежность Затраты на реконструкцию

Рис. 18. Надежность системы теплоснабжения УР при финансировании не более 116,0 млн. руб./год

Основные результаты и выводы

1. Разработан программно-вычислительный комплекс, направленный на решение задач оптимизации распределения инвестиций в реконструкцию котельного оборудования теплоисточников Удмуртской Республики, включающий:

• базу данных теплоисточников и геоинформационную систему;

• модуль первичного анализа данных и расчета надежности теплоисточников.

Программно-вычислительный комплекс позволяет рассчитывать оптимальные планы реконструкции теплоисточников соответствующих районов и республики в целом при различных стратегиях финансирования.

2. Произведена обработка данных, позволяющая проанализировать состояние распределенной системы теплоснабжения УР

3. Разработана система сбора и ввода данных, обработки и анализа информации.

4. Разработана методика расчета надежности распределенной системы теплоснабжения.

5. Разработана математическая модель для оптимального управления инвестициями по критерию надежности распределенной системы теплоснабжения.

6. Разработан подход, позволяющий свести исходную нелинейную задачу оптимизации к оптимизационной задаче с булевыми переменными, для решения которой использован генетический алгоритм с бинарным кодированием.

7. Техническая надежность распределенной системы теплоснабжения районов УР изменяется в пределах от 0,10 до 0,63. Наибольший показатель имеет система теплоснабжения Камбарского района, наименьший показатель - Кизнерского района. Взвешенная техническая надежность распределенной системы теплоснабжения УР равна 0,28, эксплуатационная надежность - 0,65.

8. Изучено влияние условий финансирования на динамику повышения надежности системы теплоснабжения. В частности, получены следующие результаты:

• изменение надежности системы имеет циклический характер с периодом колебаний ~7-10 лет;

• период и амплитуда колебаний зависят от условий финансирования;

• равномерное финансирование реконструкции теплоисточников по сравнению с неограниченным финансированием позволяет экономить финансовые ресурсы на 6-7% при достижении тех же уровней надежности распределенной системы теплоснабжения.

Публикации по теме диссертации

1. Преснухин В.К. Энергетика на рубеже веков // Энергетика и нефтяная промышленность, 2002, №1. - С. 6-7.

2. Русяк И.Г., Машкин С.Д., Преснухин В.К. Исследование влияния работы автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов на параметры тепловой сети // Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения: Сб. тезисов докладов VI-Всероссийской научно-технической конференции (Н. Новгород, 2002). - Н. Новгород: изд-во НГТУ 2002. - С. 113.

3. Русяк И.Г., Вологдин C.B., Преснухин В.К. Программный комплекс для моделирования нестационарного теплообмена зданий с учетом влажност-ного режима // Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения: Сб. тезисов докладов VI Всероссийской научно-технической конференции (Н. Новгород, 2002). - Н. Новгород: Изд-во НГТУ, 2002. - С. 110111.

4. Преснухин В.К. Анализ состояния топливно-энергетического комплекса Удмуртской Республики и пути решения проблемных вопросов // "Энергоэффективные технологии и оборудование": Сб. тезисов докладов семинара-совещания (Ижевск, 28-29 ноября 2002). - Ижевск: изд-во ИжГТУ, 2002. -С. 22-34.

5. Савельев В.А., Преснухин В.К., Русяк И.Г, Концепция развития топливно-энергетического комплекса Удмуртской Республики на 2003-. 2010 годы. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. - 260 с.

6. Русяк И.Г., Преснухин В.К., Бусыгин Е.К. Постановка задачи повышения эффективности функционирования топливно-энергетического комплекса // Информационные технологии в инновационных проектах: Тр. IV Между-нар. науч.-технич. конф. - В 4-х ч. - Ч. 2. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. -С. 67-68.

7. Преснухин В.К. Энергетика без инвестиций не выживет // Региональный отраслевой журнал "Промышленность, топливо, энергетика", №2(2) -Ижевск, издательство "РЕГИОН-ПРЕСС", 2004. - С. 12-15.

8. Преснухин В.К. Состояние и перспективы ТЭК Удмуртии // "Энергосбережение: региональный подход" - Ижевск, издательство "РЕГИОН-ПРЕСС", 2006. - С. 15-16.

9. Преснухин В.К., Русяк И.Г., Королев С.А. и др. Концепция Республиканской целевой Республиканской целевой программы "Снабжение населенных пунктов Удмуртской Республики местными видами топлива" // Отчет по Гос. контракту. - Ижевск: ИжГТУ, 2009. - 294 с.

10. Преснухин В.К., Семакин И.В., Осипов C.B., Сайранов A.C. Методика расчета надежности региональной распределенной системы теплоснабжения // Периодический научно-теоретический журнал "Вестник ИжГТУ". - Ижевск: Изд-во ИжГТУ. - №4,2009 - С. 169-172.

11. Русяк И.Г., Преснухин В.К., Кетова К.В., Королев С.А., Трушкова Е.В. Разработка концепции топливообеспечения распределенной региональной системы теплоснабжения местными возобновляемыми видами топлива // Энергобезопасносгь и энергосбережение. №5 (35), 2010. -С. 14-20.

12. Русяк И.Г., Преснухин В.К. Математическое моделирование и оптимизация надежности распределённой системы теплоснабжения // Фундаментальные исследования, №12 (часть 1), 2011.

13. Преснухин В.К., Русяк И.Г., Королев С.А. и др. Концепция Республиканской целевой программы "Снабжение населения, объектов социально-бытовой сферы в отдаленных населенных пунктах Удмуртской Республики местными видами топлива, альтернативными природному газу (госконтракт, 1 этап)", Ижевск: ИжГТУ, 2009. - 371 с.

14. Преснухин В.К., Русяк И.Г., Королев С.А. и др. Концепция Республиканской целевой программы "Снабжение населения, объектов социально-бытовой сферы в отдаленных населенных пунктах Удмуртской Республики местными видами топлива, альтернативными природному газу (госконтракт, 2 этап)", Ижевск: ИжГТУ, 2010. - 264 с.

Подписано в печать 02.09.2011. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №280

Отпечатано с оригинал-макета заказчика на оборудовании Ижевского государственного технического университета 426069, Ижевск, ул. Студенческая, 7, корп. 1

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ.

1.1 История развития энергетики Удмуртской Республики.

1.2 Проблемы теплоснабжения.

1.3 Надежность систем коммунального теплоснабжения.

1.4 Информационные системы.

1.4.1 Понятие информационной системы.

1.4.2 История развития информационных систем.

1.4.3 Этапы разработки информационной системы.

1.4.4 Геоинформационные системы.

1.5 Разработка электронных моделей систем теплоснабжения.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

2.1 Описание исследуемой технической системы.

2.1.1 Основные положения.

2.1.2 Описание типового теплоисточника.

2.2 Методика расчета надежности котельных.

2.2.1 Основные понятия теории надежности.

2.2.2 Надежность элемента технической системы.

2.2.3 Определение надежности технической системы.

2.2.4 Расчет надежности работы котельных.

2.3 Математическая модель решения задачи оптимального управления инвестициями.

2.3.1 Допущения. Постановка задачи оптимизации.

2.3.2 Алгоритм решения задачи оптимального управления.

2.3.3 Генетический алгоритм решения задачи оптимизации с булевыми переменными.

3. ПРОГРАММНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС УПРАВЛЕНИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

3.1 Общая характеристика программного комплекса.

3.2 Разработка базы данных теплоисточников УР.

3.2.1 Структура базы данных.

3.2.2 Сбор информации.

3.2.3 Заполнение базы данных.

3.3 Геоинформационная система УР.

3.4 Инструменты обработки данных.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ.

4.1 Первичный анализ данных.

4.2 Надежность региональной системы теплоснабжения.

4.3 Параметрическое исследование задачи управления.

В последнее время, в связи с износом систем теплоснабжения, большое внимание уделяется повышению энергетической безопасности* теплоснабжения населения. Тепло - это особый товар, который нельзя запасти впрок и, тем более, перебросить на значительные расстояния. Его необходимо реализовать здесь и сейчас. Поэтому проблема энергетической безопасности должна решаться предупредительными профилактическими- мероприятиями с целью исключения аварийных ситуаций в отопительный период и связанных с этим больших финансовых и социальных издержек.

В Удмуртской Республике (УР) насчитывается более тысячи теплоисточников (котельных), вырабатывающих тепло на коммунальные и производственные нужды. При этом большинство из них находится на балансе бюджетов различных уровней. В настоящее время задача планирования работ капитального характера решается не на основе принципа оптимальности и надежности, а на основе принципа очередности.

Конечно, проблема энергетической безопасности заключается не только, в старении и снижении надежности? работы оборудования теплоисточников. Часть решения этой проблемы заключается в их бесперебойном обеспечении топливом, а также в квалификации персонала и состоянии системы теплоснабжения в целом. Для комплексного решения данной проблемы разработана^ информационно-аналитическая система учета теплоисточников на территории Удмуртской Республики и потребляемых ими ресурсов [1,2]. В рамках данной системы решаются следующие задачи.

1. Анализ состояния (энергоаудит) топливно-энергетического комплекса Удмуртской Республики.

2. Расчет требуемых ресурсов под заданный объем потребления конечных энергоносителей.

3. Математическое моделирование и оптимизация надежности теплоисточников при заданных ограничениях.

4. Повышение эффективности функционирования топливно-энергетического комплекса.

5. Оптимизация инвестиционного процесса при реновации систем теплоснабжения.

В последнее время все больше внимания уделяется вопросам совершенствования оперативного управления системами жизнеобеспечения, к которым следует отнести и распределенную систему теплоснабжения. Необходимость такого совершенствования определяется усложнением экономических и производственных связей. От науки требуются рекомендации по оптимальному управлению такими процессами.

В этой связи, большое значение приобретает анализ надежности региональной системы теплоснабжения и решение задачи оптимального управления по ее повышению.

Современный подход к анализу систем, основанный на применении ЭВМ и на математическом моделировании, рассматривается в [3-19]. В [20-27] подробно и на практическом материале изложены основы теории решения задач оптимизации, способы построения математических моделей оптимальных1 задач, рассмотрены основные понятия, методологические принципы и математические аспекты теории оптимизации систем.

Для эффективного анализа механизма явлений и решения задач управления производственными процессами необходимо выявить взаимосвязи между факторами, определяющими ход процесса, и представить их в количественной форме - в виде математической модели. Математическая модель представляет собой совокупность уравнений, условий и алгоритмических правил и позволяет:

• получать информацию о процессах, протекающих в системе;

• рассчитывать системы, т.е. анализировать и проектировать их;

• получать информацию, которая может быть использована для оптимального управления на основе заданных критериев.

В данной работе изучается проблема надежности распределенной системы теплоснабжения. В этой связи построены математические модели надежности теплоисточников и всей системы теплоснабжения региона. Задача управления надежностью распределенной системой теплоснабжения рассматривается как оптимальная задача математического программирования с булевыми переменными.

Автоматизация управления относится к наиболее эффективным направлениям применения информационных технологий. Сложные технологические процессы, быстрая смена цен на оборудование и стоимость услуг, часто меняющаяся ситуация на рынке труда заставляют оперативно принимать оптимальное решение на основе анализа большого объема информации.

Внедрение компьютерной техники в процессы информационных обменов между элементами системы и центром управления не только ускоряет их, но и значительно уменьшает несогласованность документов, являющихся различными срезами одних и тех же данных. Разумная система безопасности и резервного копирования данных позволяет избегать потерь и несанкционированного доступа к важной информации.

Привлечение математического аппарата позволяет получить не только качественные, но и количественные оценки ситуации, сложившейся« на теплоисточниках. Развитые системы построения отчетов дают возможность представлять как повторяющиеся с различной частотой, так и уникальные отчеты.

Объектом исследования в настоящей диссертационной работе является распределенная система регионального теплоснабжения.

Предметом исследования является проблемно-ориентированная система управления по критерию надежности и эффективности функционирования топливно-энергетического комплекса региона.

Целью диссертационной работы является разработка информационно-аналитической системы и математических моделей для решения задачи повышения надежности и эффективности региональной системы теплоснабжения. Задачи исследования:

1. Создание информационно-аналитической системы теплоснабжения, включающей геоинформационную систему региона.

2. Создание базы данных по теплоисточникам, позволяющей решать задачи повышения надежности и эффективности распределенной системы теплоснабжения региона.

3. Визуализация первичного анализа данных по различным характеристикам.

4. Разработка и реализация алгоритма обновления данных.

5. Разработка математических моделей, алгоритмов и программно-вычислительного комплекса для решения задач оптимального управления. Методы исследования. В работе использовались методы теории надежности сложных систем, методы оптимизации, методы математического программирования; использован аппарат разработки прикладного программного обеспечения, вычислительных алгоритмов и математического компьютерного моделирования.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена использованием обоснованных математических моделей, апробированных алгоритмов решения задач оптимизации, а также использованием' полученных решений в практике оперативного планирования и управления системой теплоснабжения региона.

На защиту выносятся:

• математические модели описания надежности теплоисточников распределенной системы теплоснабжения;

• постановка и алгоритм решения задачи оптимального управления;

• программно-вычислительный, комплекс оптимального управления региональной системой теплоснабжения;

• результаты решения задач оптимального управления надежностью распределенной системы теплоснабжения.

Научная новизна работы:

• разработаны новые математические модели повышения эффективности региональной распределенной системы теплоснабжения по критерию надежности;

• разработан программно-вычислительный комплекс, позволяющий в интерактивном режиме решать широкий круг задач оперативного планирования и управления распределенной системой теплоснабжения в реальном масштабе времени;

• проведены параметрические исследования и выявлены резервы повышения надежности региональной системы теплоснабжения в условиях ограничений.

Практическая ценность работы

Разработанная и реализованная в виде программно-вычислительного комплекса проблемно-ориентированная система управления теплоснабжением' региона используется в Министерстве промышленности и энергетики Удмуртской Республики и» может быть использована при решении задач- управления? теплоснабжением в других регионах Российской Федерации.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях:

• VI Всероссийской научно-технической конференции "Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения" (Н. Новгород, октябрь, 2002);

• Региональном семинаре-совещании "Энергосбережение и развитие ТЭК" (Ижевск, 28-29 ноября 2002);

• IV Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в инновационных проектах" (Ижевск, 29-30 мая 2003);

• X Международной научно-практической конференции "Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах" (Пенза, 23 апреля 2009);

• Всероссийской научной конференции-семинаре "Теория управления и математическое моделирование" (Ижевск, 2006);

• Научно-технических конференциях ИжГТУ (2003-2010).

По теме диссертации опубликованы 12 печатных работ [1, 2, 28-36,96], в том числе 1 монография и 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов кандидатских диссертаций [35, 36, 96]. Материалы диссертации вошли в отчеты по Государственному контракту, выполненному в рамках Республиканской целевой программы "Снабжение Удмуртской Республики местными возобновляемыми видами топлива, альтернативными природному газу".

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования, включающих разработку концептуальной модели проблемно-ориентированной системы управления, технической постановки задачи, подходов и методов к решению исследуемой проблемы, моделирование изучаемых характеристик и анализ полученных результатов.

Автор признателен и благодарен научному руководителю доктору технических наук, профессору, члену-корреспонденту PAP АН Русяку И.Г. за ценные консультации по методам решения задач математического программирования, постоянную помощь и поддержку в работе.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 96 наименований. Работа изложена на 128 страницах текста, содержит 67 рисунков и 19 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан программно-вычислительный комплекс, направленный на решение задач оптимизации распределения инвестиций в реконструкцию котельного оборудования теплоисточников Удмуртской Республики. Программно-вычислительный комплекс включает:

• базу данных теплоисточников УР;

• геоинформационную систему УР;

• модуль первичного анализа данных;

• модуль расчета надежности теплоисточников. Программно-вычислительный комплекс позволяет рассчитывать оптимальные планы реконструкции теплоисточников соответствующих районов и республики в целом при различных стратегиях финансирования.

2. База данных содержит информацию о 1 102 теплоисточников и« 4 795 единицах наименований оборудования, в частности, следующие данные:

• экономические характеристики оборудования (балансовая и остаточная стоимость, начисленный износ);

• технические характеристики оборудования;

• системные характеристики теплоисточников (тип соединений основного и вспомогательного оборудования);

• справочную информацию об оборудовании и их аналогах;

• характеристики видов используемого топлива;

• информацию о населенных пунктах.

3. Геоинформационная система позволяет осуществлять поиск и навигацию по населенным пунктам и котельным Удмуртской Республики, а также просматривать схемы основных автомобильных и железных дорог.

4. Произведен первичный анализ данных, позволяющий проанализировать состояние распределенной системы теплоснабжения УР, из которого, в частности, следует, что:

• наибольшее количество (73,5%) котельных работает на газе;

• преобладают (63,3%) теплоисточники с установленной мощностью менее 1 Гкал/ч;

• наибольший расход тепла на одного жителя — в Увинском и Сюмсинском районах: 1 330 и 1 190 ккал/час/чел. соответственно, наименьший — в Сел-тинском и Малопургинском районах: 260 и 250 ккал/час/чел. соответственно.

5. Разработана система-сбора и ввода данных, обработки и анализа информации.

6. Разработана методика расчета надежности распределенной системы теплоснабжения.

7. Разработана математическая модель для оптимального управления инвестициями по критерию надежности распределенной- региональной системы теплоснабжения.

8. Разработан подход, позволяющий свести-исходную нелинейную задачу оптимизации к оптимизационной задаче с булевыми переменными, для* решения которой использован генетический алгоритм с бинарным кодированием.

9. Техническая надежность распределенной системы теплоснабжения районов УР изменяется в пределах от 0,10 до 0,63. Наибольший показатель имеет система теплоснабжения Камбарского района, наименьший показатель - Кизнерского района. Взвешенная техническая надежность распределенной системы теплоснабжения УР равна 0,28, а эксплуатационная - 0,65.

10. Изучено влияние условий финансирования на динамику повышения надежности системы теплоснабжения. В частности, получены следующие результаты:

• изменение надежности- системы имеет циклический характер с периодом колебаний АТ «7-10 лет;

• период и амплитуда колебаний зависят от условий финансирования;

• равномерное финансирование реконструкции теплоисточников по сравнению с неограниченным финансированием позволяет экономить финансовые ресурсы на 6-7% при достижении тех же уровней надежности распределенной системы теплоснабжения.

1. Савельев В.А., Преснухин В.К., Русяк И.Г. Концепция развития топливно-энергетического комплекса Удмуртской Республики на 2003-2010 годы. — Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. 260 с.

2. Преснухин В.К., Русяк И.Г., Королев С.А. и др. Концепция Республиканской целевой Республиканской целевой программы "Снабжение населенных пунктов Удмуртской Республики местными видами топлива" // Отчет по Гос. контракту. Ижевск: ИжГТУ, 2009. — 294 с.

3. Ашманов С.А. Линейное программирование. М.: Наука, 1981. - 340 с.

4. Юдин Д.Б., Голыдтейн- Е.Г. Линейное программирование. Теория и конечные методы. -М!: Физматгиз, 1963. 270 с.

5. Юдин Д.Б., Гольштейн Е.Г. Линейное программирование (теория, методы и приложения). -М.: Наука, 1969. 283с.

6. Карманов В.Г. Математическое программирование. Ml: Наука, 1980.-183 с.

7. Данциг Дж. Б. Линейное программирование, его применения и обобщения. -М'.: Прогресс, 1966.

8. Зайченко Ю.П. Исследование операций. Киев: Вища школа, 1979. - 391 с.

9. Зайченко Ю.П. Исследование операций. Киев: Вища школа, 1988. - 552 с.

10. Мину М. Математическое программирование. М.: Наука, 1990. - 255 с.

11. Вагнер Г. Основы исследования операций. М.: Мир, в трех томах, 1972.335 е., 1972. - 488 е., 1973. - 345с.

12. Бурков В.Н., Ириков В.А. Модели и методы управления организованными системами. -М.: Наука, 1994. 263 с.

13. Петров Ю.А., Шлимович Е.Л., Ирюпин Ю.В. Комплексная автоматизация управления предприятием. М.: Финансы и статистика, 2001. - 160 с.

14. Волков И.Ю., Галахов И.В. .Архитектура современной информационно-аналитической системы // Директор ИС, №3, 2002. (http ://www.osp.ru/cio/2002/03/015.htm).15