Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ подходов к моделированию и управлению теплоснабжением общественных зданий 9
1.1. Современные подходы к управлению системами теплоснабжения 10
1.2. Принципы организации автоматизированных систем коммерческого учета энергопотребления 14
1.3. Анализ факторов, определяющих тепловую обстановку в помещениях общественных зданий 19
1.4. Анализ подходов к моделированию температуры воздуха в помещениях 27
1.5. Постановка цели и задач исследования 37
Глава 2. Математические модели процессов теплоснабжения общественных зданий 39
2.1. Описание системы теплоснабжения объекта исследования 39
2.2. Проведение пассивного эксперимента по определению температуры воздуха в помещениях 42
2.3. Разработка математической модели температуры воздуха в помещении 44
2.3.1. Разработка модели температуры теплоносителя в подающем трубопроводе 47
2.3.2. Разработка модели расхода теплоносителя в подающем трубопроводе 55
2.3.3. Разработка модели температуры теплоносителя в обратном трубопроводе ...61
Глава 3. Алгоритмы адаптивной идентификации модели температуры воздуха в помещении и моделей свойств циркулирующего в системе теплоснабжения теплоносителя 65
3.1. Предварительная обработка технологической информации 66
3.2. Разработка алгоритма адаптивной идентификации моделей свойств циркулирующего в системе теплоснабжения теплоносителя 72
3.3. Разработка алгоритма адаптивной идентификации модели температуры воздуха в помещении общественного здания 78
3.4. Проверка адекватности моделей 83
Глава 4. Программное обеспечение для решения задач построения прогноза температуры воздуха в помещении и контроля свойств теплоносителя 97
4.1. Характеристика системы отопления объекта исследования 98
4.2. Описание комплекса программно-технических средств сбора, передачи и хранения технологической информации 99
4.3. Функциональная структура программного комплекса 105
4.4. Структура информационного обеспечения программного комплекса 108
4.5. Состав и структура программного комплекса для решения задач сбора технологической информации и прогнозирования температуры воздуха в помещениях 111
Заключение 127
Список литературы 131
Приложение
- Принципы организации автоматизированных систем коммерческого учета энергопотребления
- Проведение пассивного эксперимента по определению температуры воздуха в помещениях
- Разработка алгоритма адаптивной идентификации моделей свойств циркулирующего в системе теплоснабжения теплоносителя
- Описание комплекса программно-технических средств сбора, передачи и хранения технологической информации
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Системы водяного теплоснабжения общественных зданий в России в настоящее время имеют высокую степень износа и зачастую морально устарели. По этой причине проектные значения температуры воздуха внутри помещений здания в холодный период года могут существенно отличаться от своих фактических значений. Проблема необеспеченности регламентированных тепловых условий значительно обостряется вследствие недостатка достоверной и своевременной информации о температуре воздуха в обслуживаемых помещениях, что приводит к организации управления температурным режимом зданий по косвенным данным о температуре выводимого из отопительной системы теплоносителя, но такое допущение не всегда является корректным. В этой ситуации обоснованным становится максимально полное использование даже фрагментарной информации о фактической температуре воздуха в помещениях и построение математических моделей, которыми можно воспользоваться как для получения прогноза температуры воздуха в произвольный момент времени, так и для обоснованного выбора значений факторов управления, обеспечивающих необходимый тепловой комфорт в помещениях.
При решении задачи моделирования температуры воздуха в помещениях жилых и общественных зданий на основе характеристик циркулирующего в отопительной системе теплоносителя получили развитие как формальные модели, так и классические - основанные на физической сущности протекающих процессов теплообмена. Классические подходы редко дают возможность практической реализации, что обычно связано с неполнотой доступной информации об объектах теплопотребления. С другой стороны, существующие формальные модели не всегда в достаточной степени используют такие важные свойства процессов теплопотребления, как многофакторность и нестационарность. Для учета этих особенностей необходима разработка специализированных алгоритмов идентификации параметров, позволяющих использовать всю имеющуюся в распоряжении информацию и периодически адаптировать построенные модели по мере поступления новых данных о фактической температуре воздуха.
Таким образом, актуальность диссертационного исследования продиктована необходимостью дальнейшего развития средств математического моделирования, предназначенных для анализа процессов теплоснабжения, с учетом свойств объектов теплопотребления, позволяющих повысить эффективность контроля и управления микроклиматом в помещениях общественных зданий.
Работа выполнена в рамках научного направления Международного института компьютерных технологий - «Математический анализ сложных систем».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является построение математических моделей, характеризующих фактический температурный режим в помещениях общественных зданий на основе свойств циркулирующего в отопительной системе теплоносителя, позволяющих повысить эффективность контроля и качество управления температурой воздуха.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие основные задачи: обзор существующих подходов к моделированию процессов теплоснабжения общественных зданий; разработка математической модели, характеризующей температуру воздуха в помещениях общественного здания на основе анализа системы теплоснабжения и свойств циркулирующего в ней теплоносителя; разработка алгоритма идентификации математической модели, характеризующей температуру воздуха в помещениях общественного здания, учитывающего специфику получения информации о фактической температуре воздуха и особенности процессов теплопотребления; - разработка программного комплекса, предназначенного для реализации алгоритмов идентификации и прогнозирования температуры воздуха в помещениях общественных зданий с помощью построенных моделей.
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, статистической обработки данных, теории оптимизации, вычислительной математики, объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна. К результатам работы, отличающимся научной новизной,относятся: математическая модель температуры воздуха в помещении, отличающаяся включением в её структуру оценок значений расхода и температур теплоносителя на вводах в исследуемое здание или группу зданий; математические модели температуры и расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе на вводах в исследуемое здание или группу зданий, отличающиеся использованием свойств функционирующих на объекте теплопотребления средств автоматического регулирования подачи тепла; рекуррентно-итерационный алгоритм идентификации, отличающийся применением процедур блочной адаптации параметров модели температуры воздуха в помещении общественного здания; рекуррентный алгоритм идентификации, отличающийся применением процедур блочной адаптации параметров моделей температуры теплоносителя в обратном трубопроводе и расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах на вводах в исследуемое здание или группу зданий.
Практическая значимость работы. Практическая значимость диссертационной работы заключается в создании алгоритмических и программных средств моделирования процессов теплоснабжения, описывающих температурный режим помещений общественных зданий на основе параметров циркулирующего в отопительной системе теплоносителя. Данные средства позволяют существенно повысить эффективность контроля и управления температурой воздуха с точки зрения качества микроклиматических условий в помещениях общественных зданий и рационального использования тепловой энергии.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы в специализированном программном комплексе, который включает в себя автоматизированную систему коммерческого учета энергопотребления и программные модули, основанные на представленных в диссертационном исследовании алгоритмах и моделях, предложенных для прогнозирования температуры воздуха в помещениях общественного здания. Программный комплекс используется в Липецком государственном техническом университете, о чем свидетельствует соответствующий Акт внедрения. Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе Липецкого филиала Международного института компьютерных технологий при обучении студентов специальности «230101».
Апробация работы. Основные результаты, полученные в процессе исследования, обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции "Энергосбережение и энергоэффективные технологии" (Липецк, 2004); Международной научно-технической конференции "Современные сложные системы управления СССУ/HTCS" (Туапсе, 2004; Воронеж, 2005); Всероссийской научно-технической конференции "Электроэнергетика и энергосберегающие технологии" (Липецк, 2004); III Всероссийской научно-технической конференции "Системы управления электротехническими объектами" (Тула, 2005); Международной научно-практической конференции "Теория активных систем" (Москва, 2005), интернет-конференции "Экономика, управление, информатизация регионов
России" (Волгоград, 2007). Положения работы поддержаны грантом РФФИ № 06-07-89150 и грантом Липецкого государственного технического университета им. С.Л. Коцаря по проекту «Разработка и реализация автоматизированной системы приборного контроля потребления энергоресурсов ЛГТУ».
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 научных работах, в том числе 1 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [1] - обоснование применения для адаптации моделей температуры воздуха в помещениях алгоритмов на основе блочных рекуррентно-итерационных процедур; [2] -математическая модель температуры воздуха, описание вычислительного эксперимента по проверке адекватности модели; [3, 5, 8] - выбор технологических факторов, определяющих температуру воздуха в помещениях; [4, 11, 12] - основные требования к автоматизированной системе коммерческого учета энергопотребления, оценка возможности использования средств приборного контроля; [6] - пакет моделей, необходимых для описания температурного режима в помещениях общественного здания; [4, 7, 9] - концептуальная схема системы приборного контроля, анализ использования рекуррентно-итерационных процедур метода наименьших квадратов для идентификации параметров моделей; [10] - подход к моделированию тепловой обстановки на базе многослойной нейросети.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 135 наименований, пяти приложений. Основная часть работы изложена на 130 страницах текста, содержит 35 рисунков и 9 таблиц.
Принципы организации автоматизированных систем коммерческого учета энергопотребления
Независимо от внедряемых систем автоматизации теплопотребления, на ЦТП обычно организуется и узел коммерческого учёта потребления тепловой энергии, который позволяет проконтролировать действительное потребление тепловой энергии зданием и оценить целесообразность применения и эксплуатации систем регулирования теплопотребления [108].
Системы контроля и учета энергоресурсов, обеспечивая непрерывный мониторинг и анализ их потребления, вынуждают теплосбытовые организации сокращать потери энергоресурсов при доставке их потребителям, а, с другой стороны - создают стимул для потребителей, которые благодаря оптимизации режимов использования энергоресурсов достигают существенной экономии финансов [23, 84].
Согласно статистике, приведенной в Госстандарте России, в России в настоящий момент эксплуатируется более миллиона различных средств измерения. Значительную часть их составляют приборы учета тепло- и энергопотребления. Каждый год ведущими производителями выпускаются десятки тысяч подобных приборов. При таких масштабах внедрения большое значение приобретает автоматизация сбора информации. Здесь можно выделить две основные задачи. Первая - это построение диспетчерских систем, контролирующих процессы производства и распределения энергии, и вторая - построение систем сбора данных об энергопотреблении, на базе которых производятся коммерческие расчеты [72].
Использование в составе АСКУЭ персональных компьютеров (ПК) со специализированным программным обеспечением (ПО) придает этим системам дополнительную гибкость и актуальность в применении. Помимо решения основной задачи по обеспечению функционирования АСКУЭ, с их помощью возможно своевременное выявление участков тепловых потерь и своевременной локализации мест этих потерь [83,106].
Таким образом, основной целью учета является получение достоверной информации о количестве полученных от поставщика тех или иных энергоносителей [23]. Эта информация позволяет: - производить финансовые расчеты между участниками рынка; - управлять режимами энергоресурсного потребления; - определять все составляющие баланса энергоресурсов: выработка (поставка), отпуск, потери и т.п.; - осуществлять финансовые оценки процессов производства, передачи и распределения энергоносителей; - контролировать техническое состояние систем энергоресурсов в технологических установках потребителя и их соответствие требованиям нормативно-технических документов; Принятая в настоящее время система ручной записи показаний счетчиков малоэффективна и влечет дополнительные погрешности при расчете баланса [68], особенно если число контролируемых счетчиков довольно значительно. Внедрение АСКУЭ дает возможность: - оперативно контролировать и анализировать режимы потребления энергоресурсов; - осуществлять оптимальное управление потребляющими системами внутри предприятий или иной структуры; - собирать и формировать банк данных отдельных энергообъектов; Среди всего многообразия современных систем коммерческого учета можно выделить три основных типа: универсальные SCADA-системы, нацеленные для решения задач АСКУЭ; специализированные системы, основная особенность которых состоит в поддержке ограниченного комплекта приборов учета (приборы учета и программное обеспечение для них, обычно, одной фирмы-производителя); и программные системы, создаваемые с нуля под уже имеющийся парк приборов учета. Использование универсальных SCADA-систем не оправдано ввиду их дороговизны и не нужной для систем коммерческого учета сложности и универсальности, а узкоспециализированные комплекты АСКУЭ являются программным обеспечением с закрытым для исследования исходным кодом, что не позволяет самостоятельно расширять множество поддерживаемых системой приборов и получить полный доступ к значениям технологических параметров, характеризующих теплоснабжение [57, 58, 91, 95]. Таким образом, создание специализированной системы, учитывающей все особенности имеющегося аппаратного обеспечения, является наиболее оправданным и выгодным решением. С метрологической точки зрения АСКУЭ предоставляет собой специфический тип измерительной системы, которая реализует процесс измерения и обеспечивает автоматическое получение результатов измерений в удобной для заказчика форме [98]. Современные теплосчетчики представляют собой достаточно сложные устройства [53], позволяющие в режиме реального времени показывать такие важные параметры, как расход теплоносителя, его температура и давление. Типичная схема включения теплосчетчика в отопительную систему указана нарис. 1.2.
Проведение пассивного эксперимента по определению температуры воздуха в помещениях
При проведении пассивного эксперимента аналитик изначально обладает фиксированным набором данных. Переменные доступные для управления обычно отсутствуют либо их изменение допустимо лишь в узко ограниченном интервале значений, однако обычно имеются широкие возможности для наблюдения за состоянием объекта. Для получения новых значений изучаемых величин необходимо заново проводить серию наблюдений исследуемого объекта. В случае изучения реального эксплуатируемого общественного здания, пассивный эксперимент является единственным источником данных, пригодных для исследования, по причине того, что активный эксперимент потенциально опасен и может привести к неблагоприятному исходу. Кроме того, одной из задач исследования является использование данных, получаемых от системы учета (которая представляет собой, в первую очередь систему диспетчеризации и архивирования технологических параметров), то есть исследование того информационного потока, получение которого не сопряжено с существенными техническими и организационными трудностями, и не приводит к проведению дорогостоящего активного эксперимента. Существуют два основных пути получения адекватных результатов моделирования на основе данных пассивного эксперимента, проводимого с объектом теплопотребления: 1. Построение методик моделирования, которые бы учитывали стохастический характер разрабатываемых моделей (в том числе -взаимную коррелированность факторов), включающую свойства оценок коэффициентов регрессии, свойства используемого для построения моделей стохастического материала, области применения получаемых регрессионных моделей. 2. Преобразование свойств материала, полученного в результате пассивного эксперимента. 1. Добавление некоторой доли спланированных экспериментов. 2. Целенаправленное изменение представления экспериментальных данных, с целью получения адекватных моделей, более приближенных к реальным условиям функционирования. Кроме этого, желательно, чтобы в результате пассивного эксперимента были отработаны все возможные варианты функционирования изучаемой системы. Пассивный эксперимент по изучению тепловых и микроклиматических свойств корпусов Липецкого государственного технического университета проводился в течение зимнего отопительного периода 2006 года. Был собран достаточный для детального анализа объем информации различной полноты. Наиболее целостный по своей структуре почасовой архив технологических параметров и климатических факторов был собран в период с 23 января 2006 года по 24 февраля того же года. Остальные блоки технологической информации (архивы почасовых и суточных значений технологических параметров для корпуса металлургического факультета, корпуса "В" и др.) тоже включались в анализ, если это было необходимо. После предварительного анализа данных для изучения был выбран именно указанный на рис. 2.1. блок параметров, как наиболее четко отражающий поведение двух разных типов потребителей и систем автоматического регулирования теплоснабжения. На ЦТП-2 используется энергосберегающая методика автоматического регулирования теплоснабжения по температуре наружного воздуха и температуре теплоносителя в обратном трубопроводе. Потребителем тепловой энергии на ЦТП-2 почти в равных долях по количеству отпускаемого теплоносителя выступают корпус общежития и несколько учебных корпусов. Почасовая информация о температуре наружного воздуха получена с термодатчика, установленного на ЦТП-1, информация о скорости ветра и частично о температуре наружного воздуха получена с электронного климатического ресурса gismeteo.ru. Для удобства изучения почасовой архив технологических параметров может быть сгруппирован в блоки недельной или суточной длины, используются также усредненные и суммарные значения величин. В течение месяца с 23 января 2006 года по 23 февраля 2006 г был собран почасовой архив измерений температуры воздуха в одной из аудиторий корпуса №5.
Разработка алгоритма адаптивной идентификации моделей свойств циркулирующего в системе теплоснабжения теплоносителя
Метод наименьших квадратов, лежащий в основе разработанных в п. 3.2 и п. 3.3 методов адаптации моделей, не накладывает жестких ограничений на вид распределения случайной величины, характеризующей ошибки предсказанных значений величин - е. Согласно ему, оценки параметров моделей определяются исходя из минимума суммы квадратов ошибки. В такой ситуации, модель, построенная с использованием таких методов, будет считаться адекватной, если ошибка по своим свойствам близка к процессу "белого шума". Отличие действительных свойств выборочной ошибки прогнозов от "белого шума" может заключаться в непостоянстве её дисперсии на различных участках экспериментальных выборок или наличием автокорреляционных связей в ряду ошибок. На практике априорно предвидеть свойства выборочной ошибки прогноза обычно не представляется возможным, ввиду сложности и многофакторности изучаемого процесса, поэтому используются специфические критерии проверки свойств выборочных ошибок предсказания. Один из таких критериев - критерий Дарбина-Уотсона (1.6). Из (1.6) непосредственно вытекает, что значение критерия должно быть в диапазоне d є [0;4J. Значение d = 0, соответствует случаю, когда между рядами существует строгая положительная линейная зависимость, d = 4 - строгая отрицательная, а если ряды ошибок независимы, то d = 2. На отрезке [0;4j выбираются 6 интервалов - 0 d] d2 2 d3 d4 4, если расчетное значение d е [d2 ,d3 ], то гипотеза Я,: р О об автокорреляционных связях в ряду ошибок отвергается, если afe[0;cfj] или с/є[с/4;4], то принимается. Если de[d,;d2] или й?е[с/3; 4] т0 однозначного суждения о случайности ошибки этот критерий не дает и возникает необходимость в использовании других, более мощных специализированных критериев. Эксперимент по проверке адекватности построенных моделей и проверке работоспособности, разработанных алгоритмов идентификации и адаптации построен по единому для всех моделей принципу, базирующемуся на следующих основных положениях: - Все модели, в качестве исходных данных используют усредненные по - Соответствующие интервалы усреднения параметров имеют сквозную нумерацию, начиная с 1. - Все модели, кроме МТП имеют возможность адаптивной идентификации. Модель температуры в подающем трубопроводе содержит рассчитанные значения параметров Д с возможностью перерасчета по новой экспериментальной выборке. - "Обучающая" выборка экспериментальных данных, сформированная для начальной идентификации МТО и МРП, начинается 23.01 00:00, заканчивается 30.01 02:00 и содержит, таким образом, 57 интервалов усреднения параметров [1; 57]. - После идентификации моделей, во время формирования второй выборки данных с 30.01 03:00 по 06.02 02:00 рассчитываются значения прогнозов соответствующих технологических параметров. - Вторая выборка увеличивает общий объем данных на 56 строк и является "обучающей" для МТВ, так как уже сформированы прогнозы технологических факторов. По той же выборке проводятся процедуры адаптивной идентификации моделей МТО и МРП. - Затем, каждые сутки проводятся процедуры адаптивной идентификации МРП, МТО, МТВ, расчет значений автокорреляции первого порядка ряда ошибок и критерия Дарбина-Уотсона (d). Общая выборка экспериментальных данных регулярно увеличивается на 8 строк.
Описание комплекса программно-технических средств сбора, передачи и хранения технологической информации
Важнейшей целью проектируемой системы является сбор информации с узлов учета тепловой энергии и представление ее в требуемом для пользователей и других подсистем виде. Внедрение автоматизированной системы коммерческого учета энергопотребления (АСКУЭ) ЛГТУ позволяет автоматизировать приборный учет теплопотребления и увеличить эффективность комплекса проводимых теплосберегающих мероприятий. В настоящее время приборный учет ведется на основании общего расхода тепловой энергии, без учета собираемой детальной информации по объектам ВУЗа. Разработанная система обеспечивает оперативный и свободный доступ к развернутой информации о текущем состоянии отопительной системы, с учетом детального контроля значений технологических параметров на всех ЦШ.
При организации работы АСКУЭ в условиях локальной вычислительной сети с обеспечением доступа к технологической информации, хранящейся в базах данных на удаленных машинах сети, диспетчерский компьютер должен быть оборудован сетевой картой. В данном случае используемые системой для передачи данных каналы связи базируются на стандарте Ethernet ISO 8802-3 (IEEE/ANSI 802.3) с интерфейсом 10Base и средой передачи данных на основе витой парой -UTP, также возможно использование интерфейса 10Base-2 на тонком коаксиале (BNC). Этот стандарт выбран в силу своей достаточно высокой надежности, широкой распространенности и большой дальности передачи информации без установки дополнительных устройств (повторителей). В настоящий момент компьютеры отдела энергетиков включены в общую сеть ЛГТУ. Между тем, как отмечено в главе 2 аппаратные средства коммерческого приборного учета смонтированы непосредственно в тепловых пунктах, рассредоточенных по территории ВУЗа, поэтому среду передачи данных от этих устройств тоже необходимо организовать с использованием ЛВС. Доступ к информации, которую предоставляют первичные устройства учета может быть реализован посредством различных физически реализуемых сред передачи данных, которая может включать в себя модемы, радиомодемы, стандартные и специальные интерфейсы передачи данных.
Практически все современные теплосчетчики снабжены универсальными интерфейсами (RS-232, RS-485, RS-422, CENTRONICS и др.), позволяющими передавать как текущую измерительную информацию, так и архивные данные за любой заданный промежуток времени на некоторое внешнее оборудование, к которому может относиться как специализированное средство сбора данных, так и универсальный персональный компьютер, который используется в качестве диспетчерского узла.
Главным фактором, определяющим структуру АСКУЭ ЛГТУ и комплект технических средств передачи данных, явилось расположение объектов теплоучета. Для учета тепловой энергии использованы тепловычислители "Взлет" ТСР-010, "Взлет" ТСРВ-021, расходомеры ЭРСВ. На обеих теплосистемах ЦТП-2 в качестве прибора учета используется один 6-ти канальный тепловычислитель "Взлет" ТСР-021. Подробные схемы подключения аппаратуры приборного контроля на ЦТП-2 приведены в приложении. Для коммерческого учета на общем вводе на ЦТП-1 используется тепловычислитель "Взлет" ТСР-010. Кроме измерения технологических параметров теплопотребления это устройство позволяет получать температуру наружного воздуха. Тепловычислители «Взлет TCP» полностью соответствуют правилам учета. Прибор достаточно просто монтируется, надежен в работе, прост и удобен в обслуживании, имеет хороший межповерочный интервал. Сбои в работе могут быть только при неправильной эксплуатации и не соблюдении требований правил по эксплуатации. К настоящему времени у инженеров и технологов накоплен определенный опыт по эксплуатации теплосчетчиков этих типов, который показал их высокую надежность и удобство в эксплуатации и съема показаний, простоту в обслуживании.
