Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния и развития электроэнергетических систем аэропортов 17
1.1 Развитие авиатранспортной системы и проблема повышения эффективности эксплуатации аэропортов. 17
1.2 Проблемы модернизации электрооборудования и управления развитием электроэнергетических комплексов . 27
1.3 Исследование технологических процессов аэропорта как потребителей электроэнергии 33
1.4 Анализ подходов, используемых для повышения эффективности эксплуатации электроэнергетических систем предприятий и управления ими. 53
1.5 Основные результаты и выводы. 58
Глава 2. Роль информационного обеспечения электроэнергетических систем аэропортов и пути его совершенствования . 60
2.1 Особенности исследований электроэнергетических систем аэропортов и требования к их информационному обеспечению. 60
2.2 Информационные объекты энергетических исследований и методические принципы построения интегрированной базы данных . 73
2.3 Формирование баз данных и знаний электроэнергетических систем аэропортов и адаптация их к задачам информационного обеспечения 90
2.4 Разработка интеллектуальных модулей (компонентов) информационного обеспечения электроэнергетических систем аэропортов 111
2.5 Основные результаты и выводы. 126
Глава 3. Разработка принципов формирования и оптимизации автоматизированных систем управления электроснабжения аэропортов . 129
3.1 Методическое обеспечение формирования автоматизированных систем управления электроснабжением аэропортов. 129
3.2 Разработка алгоритмов обработки ограниченной информации по энергопотреблению и распараллеливания вычислительных технологий для автоматизированных систем управления электроснабжением аэропортов. 143
3.3 Оптимизация электроснабжения на основе инструментальных данных учета и средств автоматизации . 160
3.4 Прогнозирующие алгоритмы оценки электропотребления аэропортов. 170
3.5 Основные результаты и выводы 178
Глава 4. Разработка систем комбинированного электроснабжения удаленных объектов аэропорта 179
4.1 Обоснование эффективности разработки систем комбинированного электроснабжения объектов аэропорта. 179
4.2 Принципы построения исследования систем сберегающего комбинированного электроснабжения объектов аэропорта . 191
4.3 Разработка системы распределенного комбинированного электроснабжения объектов аэропорта и алгоритмы её функционирования. 199
4.4 Оптимизация размещения автономных источников и накопителей энергии в электрических сетях аэропорта. 209
4.5 Основные результаты и выводы. 218
Глава 5. Повышение эффективности эксплуатации и надежности электроэнергетических систем аэропортов . 219
5.1 Совершенствование показателей надежности электроэнергетических систем аэропортов. 219
5.2 Методы оценки надежности программного обеспечения АСУ ЭСА 239
5.3 Разработка методов и моделей регулирования нагрузки и электропотребления, обеспечивающих возможность их экономического анализа. 246
5.4 Сертификация электросветотехнического оборудования как средство обеспечения безопасности полетов., 252
5.5 Совершенствование ремонта и модернизация электроэнергетического оборудования 264
5.6 Совершенствование методик и алгоритмов расчета потерь электроэнергии в сетях аэропорта 268
5.7 Основные результаты и выводы. 286
Заключение 287
Список использованных источников 290
Приложения 303
- Проблемы модернизации электрооборудования и управления развитием электроэнергетических комплексов
- Информационные объекты энергетических исследований и методические принципы построения интегрированной базы данных
- Оптимизация электроснабжения на основе инструментальных данных учета и средств автоматизации
- Принципы построения исследования систем сберегающего комбинированного электроснабжения объектов аэропорта
Введение к работе
Необходимость разработки методов формирования и оптимизации функционирования электроэнергетических систем (ЭЭС) аэропортов определена Федеральной Целевой Комплексной программой "Энергосбережение в России", принятой Постановлением Правительства Российской Федерации № 80 от 24.01 Л998 г., цель которой - переход с 1998 г. по 2005 г. на энергосберегающий путь развития. Основополагающими принципами деятельности гражданской авиации в рыночных условиях стали экономичность и безопасность полетов. Существенное влияние на эти показатели оказывают эффективность функционирования и надежность ЭЭС аэропорта. При этом важнейшая роль отводится вопросам разработки методов их анализа, управления и автоматизации.
В условиях жесткой конкуренции отечественные аэропорты обязаны внедрять новое оборудование, постоянно совершенствовать свою деятельность, переходить на новые, отвечающие современным требованиям технологии, Переход невозможен без использования отлаженной и тщательно спланированной работы всего аэропорта, чью эффективность функционирования в значительной степени определяет надежность и стабильность работы локальных и глобальных информационных сетей, используемых в предприятии, включающих и систему электроснабжения. Современный аэропорт состоит из совокупности взаимосвязанных технологических процессов и систем: УВД, радиосветотехническое обеспечение (РСТО) аэропорта, обслуживание самолетов, обслуживание пассажиров и других. Каждая из систем не может функционировать обособлено, не образуя с другими системами комплекс взаимосвязей. Межсистемная взаимосвязь оказывает существенное влияние на функционирование оборудования. Это относится и к электроэнергетической системе. Все эти взаимосвязи влияют на энергетические показатели: надежность функционирования электрических сетей, срок службы электрооборудования, энергоэкономическую составляющую затрат аэропорта, электромагнитную несовместимость потребителей (колебания напряжения и частоты, возникновение высших гармонических составляющих, снижающих эффективность работы электрооборудования) и выводят задачу повышения эффективности функционирования ЭЭС аэропорта в разряд актуальных и наиболее важных.
В этих условиях эффективность и качество электроснабжения потребителей аэропортов могут быть достигнуты лишь за счет системности и целостности исследований функционирования ЭЭС при условии, что наряду с количественным сокращением энергозатрат (снижением энергоемкости) решаются новые качественные задачи.
В настоящее время интенсификация производства осуществляется за счет научно-технического прогресса, структурной перестройки экономики, применения эффективных форм управления, обусловливая рост используемых энергоресурсов. В свою очередь, экономическая эффективность производственной деятельности предприятия оценивается по материалоемкости и энергоемкости продукции, поэтому государственная политика в Российской Федерации направлена на то, чтобы прирост потребностей предприятий в топливе, энергии, сырье, металле и других ресурсах на 75 - 80 % удовлетворялся за счет их экономии[30, 52, 147]. На усиление режима экономии, совершенствование управления использованием электроэнергии в аэропортах гражданской авиации направлена данная диссертационная работа.
В ряде отраслей промышленности (энергетическом машиностроении, приборостроении, морском и железнодорожном транспорте и др.) разработаны и внедрены научные и методические материалы по прогнозированию и управлению энергопотреблением предприятий [72, 93, 100, 151, 155]. В гражданской авиации исследований процесса электропотребления и разработанных на их основе научных методов по прогнозированию и управлению энергопотреблением в настоящее время практически нет. Задачи разработки мето 7 дов формирования и оптимизации функционирования ЭЭС аэропорта с учетом отраслевых особенностей имеют большую актуальность, так как открытые резервы повышения эффективности их эксплуатации и снижения электропотребления становятся невозместимыми потерями для аэропортов гражданской авиации, если не реализуются. Изложенное позволяет сделать заключение об актуальности проведения исследований по теме диссертации.
Цель работы. Целью работы является теоретическая и экспериментальная разработка методологии системных исследований электроэнергетических систем аэропортов на основе автоматизации процедур системного анализа и многокритериальной оптимизации, обеспечивающих создание эффективных и отказоустойчивых ЭЭС аэропортов.
Задачи исследования. Поставленная цель реализуется путем решения ряда взаимосвязанных задач, среди которых к числу наиболее приоритетных относятся следующие:
1. Анализ состояния ЭЭС аэропортов и альтернативной энергетики на современном этапе, методов исследования процессов и подходов при решении проблем их развития, действующего законодательства по энергоснабжению и деятельности аэропортов.
2. Разработка методологии системных исследований ЭЭС аэропортов на основе развития теоретических положений системного анализа и определения области применения информационных технологий в целях их автоматизации.
3. Разработка принципов построения автоматизированной системы обработки информации по энергопотреблению, их реализация для целей системных исследований ЭЭС аэропорта.
4. Исследование и разработка методов автоматизации и моделирования ЭЭС аэропорта, разработка обобщенной модели на основе информационных, функциональных и динамических моделей их подсистем. 5. Исследование и разработка методов и моделей решения общих задач автоматизированного управления ЭЭС аэропорта на основе адаптивной системы анализа и прогнозирования сложных систем.
6. Исследование и разработка методов синтеза структур ЭЭС аэропорта на основе анализа дерева целей, функций системы, многокритериальной оптимизации и имитационного моделирования.
7. Развитие теории надежности, повышения отказоустойчивости и живучести ЭЭС аэропортов.
8. Оценка практического применения разработанных методов при создании ЭЭС аэропорта с комбинированным использованием энергосистем и нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
9. Разработка теоретических и схемно-технических решений систем формирования децентрализованного распределенного комбинированного электроснабжения объектов аэропорта и размещения автономных источников и накопителей энергии в ЭЭС аэропорта.
10. Разработка методики синтеза и оптимизации решений о включении нетрадиционных возобновляемых источников энергии в энергобаланс аэропорта.
11. Формирование представления об оптимизированной (рациональной) модели развития ЭЭС аэропорта, ориентированной на задачи авиатранспортного производства.
12. Определение экстремальных значений характеристик (параметров) оптимизированной ЭЭС, исходя из рациональных и обоснованных значений, достигнутых в гражданской авиации России и зарубежных стран, а также исходя из разработок и рекомендаций в области электроэнергетики промышленных предприятий.
13. Разработка метода корректировки экстремальных значений характеристик (параметров) оптимизированной ЭЭС с учетом особенностей конкретного аэропорта, в том числе определение параметров, по которым отсут 9 ствует необходимость достижения экстремальных значений, отыскание взаимной противоречивости некоторых из них, выявленных опытом эксплуатации в конкретном аэропорту.
14. Определение оптимальной структуры, экономических показателей и условий функционирования ЭЭС аэропорта разработка вариантов состояний и направлений движения от существующего уровня развития ЭЭС аэропортов к оптимизированной модели.
15. Исследование уровня энергозатрат по отдельным составляющим декомпозиции технологического процесса авиатранспортной деятельности и разработка методов их снижения при наличии автоматизированной системы управления электроснабжением, осуществляющей непрерывное информационно-управляющее взаимодействие между энергетическим и производственно-технологическим оборудованием.
16. Выполнение расчетов на основе реальных примеров для получения общих количественных оценок, подтверждающих эффективность выбранных методов, достоверность и практическую пригодность полученных результатов.
17. .Создание и внедрение на основе проведённых теоретических исследований комплекса методик и технических средств, обеспечивающих повышение эффективности функционирования ЭЭС аэропорта.
Методы исследований. Теоретической основой повышения эффективности эксплуатации и надежности ЭЭС аэропортов является системный подход как направление методологии познания и практики, в основе которого лежит исследование объектов как систем; системный анализ как совокупность методологических средств, используемых для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам в различных областях. В ходе проведения исследований использовались методы теории больших систем, системного анализа, теории информации, теории распознавания образов, теория оценивания и управления ЭЭС. Методы теории автоматического управления, методы поисковой оптимизации, численные методы решения алгебраических и дифференциальных уравнений, математическое и физическое моделирование, методы теоретического, экспертного и экспериментального определения параметров и характеристик ЭЭС аэропорта, методы математической статистики, методы декомпозиции и параллельных вычислительных технологий в задачах энергетики.
Научная новизна работы и защищаемых положений состоит в теоретическом обобщении и решении проблемы создания методологии системных исследований ЭЭС аэропортов.
В диссертации получены следующие основные результаты:
1. Развита теория информационного обеспечения ЭЭС аэропорта.
2. Разработана теория отказоустойчивости и живучести ЭЭС аэропортов, повышающих надежность электроснабжения и безопасность полетов.
3. Разработана концепция, определяющая общие принципы оптимального управления ЭЭС, позволяющие решить задачу минимизации энергозатрат при неснижаемом уровне надежности и безопасности полетов во всех производственно-технологических процессах в условиях действующего аэропорта при внедрении комплексов современного и перспективного оборудования.
4. Разработаны методы оперативного и долгосрочного управления электроснабжением аэропорта на основе инструментальных данных учета и автоматизации с применением прогнозирующих алгоритмов оценки электропотребления,
5. Развита концепция и предложен алгоритм формирования автоматизированной системы управления электроснабжением аэропорта, а также разработано методическое и аппаратурное обеспечение такой системы.
6. Предложены методы обоснования и формирования системы комбинированного энергоснабжения удаленного объекта аэропорта. 7. Разработан метод оптимизации размещения автономных источников и накопителей энергии в электрических сетях аэропорта.
8. Разработана экономико-математическая модель развития и оптимизации электроэнергетических систем аэропортов, позволяющая на базе системного подхода приводить все конкурирующие варианты энергоснабжения к единой структуре учитывающая динамику развития аэропортов и иерархию функционирования в условиях нестабильности ценовых факторов.
9. Разработан метод оценки состояния и формирования направлений и вариантов движения от существующего уровня развития ЭЭС аэропортов к оптимизированной модели.
10. Разработаны методы анализа и снижения энергозатрат по всем составляющим декомпозиции технологических процессов авиатранспортной деятельности на основе непрерывного информационно-управляющего взаимодействия между энергетическим и производственно-технологическим оборудованием.
11. Разработаны методики регулирования нагрузки и электропотребления в режиме реального времени, сертификации электросветотехнического оборудования, совершенствования ремонта и модернизации оборудования, повышения достоверности показаний измерительных счетчиков и алгоритмизации задач диагностики системы измерений, повышения надежности электроснабжения, оценки и регулирования состояния электрооборудования и распределительных сетей аэропорта.
12. Разработаны методические рекомендации по определению экономически целесообразной структуры оптимальных параметров функционирования системы электроснабжения аэропорта и предложен метод корректировки экстремальных значений этих параметров с учетом особенностей конкретного аэропорта, в том числе по определению параметров, по которым отсутствует необходимость достижения экстремальных значений и по опре 12 делению отыскание взаимной противоречивости некоторых из них, выявленных опытом эксплуатации в конкретном аэропорту.
13. Выполнены расчеты на основе реальных примеров и данных, получены количественные оценки, подтверждающих эффективность выбранных методов, достоверность и практическую пригодность полученных результатов.
На защиту выносятся:
1. Обобщенная методика анализа электроэнергетических систем аэропортов.
2. Развитие теории информационного обеспечения электроэнергетических систем и разработка автоматизированной системы обработки информации ЭЭС аэропорта,
3. Результаты сравнительного анализа эффективности различных методов прогнозирования расхода электроэнергии, алгоритм прогнозирующей оценки электропотребления аэропорта, метод и математический аппарат, позволяющие прогнозировать уровень расхода электроэнергии, исходя из реальных условий функционирования аэропорта.
4. Метод оценки эффективности функционирования электроэнергетической системы аэропорта, учитывающий структуру производственно-технологических процессов, природно-климатические условия функционирования, влияние внешних и внутренних факторов деятельности.
5. Обобщенный принцип многофакторной оптимизации электроэнергетических систем аэропорта.
6. Метод формирования и оценки энергетической эффективности децентрализованных систем сберегающего электроснабжения и разработанные на его основе методики оценки потерь электроэнергии в сетях аэропорта, построения энергосберегающей политики в аэропорту, построения банка данных по обеспечению комплексных исследований по энергопотреблению, а также рекомендации по выравниванию графиков нагрузки, повышению надежности электроснабжения объектов УВД и РСТО аэропорта.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием математического аппарата, адекватного решаемым задачам; представленным объемом статистического материала; качественным совпадением расчетных и экспериментальных данных, в том числе полученных путём моделирования, а также положительными результатами внедрения и эксплуатации компонентов ЭЭС аэропортов.
Практическая ценность работы. Теоретические положения и практические разработки обеспечивают научно-обоснованное развитие электроэнергетических систем аэропортов путем реализации и внедрения рекомендаций по их оптимальному функционированию. В том числе алгоритмов и программ выбора экономически целесообразного варианта развития ЭЭС, рекомендаций по повышению надежности схем электроснабжения, комплекса апробированных практикой инженерных методик для расчетов и оптимизации процесса ремонта электрооборудования, учета потерь электроэнергии, а также выравнивания графиков нагрузок аэропорта. Выполнение данной работы проводилось в рамках научно-исследовательской работы "Система совершенствования процессов эксплуатации электросветотехнического оборудования аэропортов на основе использования персональных ЭВМ" ( Шифр 72.2.11.90), целевая комплексная программа «Энергия» северо-западного региона России. По результатам данной работы создан программный комплекс, позволивший внедрить подсистему АСУ электросветотехнического обеспечения полетов (ЭСТОП) в Ленинградском объединенном авиаотряде, включающую в себя автоматизированные рабочие места начальника ЭСТОП, начальника узла, начальника смены и инженера по учету. В АСУ ЭСТОП разработаны также обучающие программы по проверке знаний правил техники безопасности и правил эксплуатации электроустановок потребителей для электросветотехнического персонала и идентификации работы светотехнического оборудования ВПП.
По результатам диссертационной работы в Федеральном Государственном унитарном авиационном предприятии Пулково и других аэропортах внедрены методики по оценке потерь электроэнергии в сетях аэропорта, построению энергосберегающей политики в аэропорту, формированию банка данных для обеспечения комплексных исследований по энергопотреблению. Разработаны рекомендации по выравниванию графиков нагрузки, повышению надежности электроснабжения объектов УВД и РСТО аэропорта, совершенствованию системы учета потребления электроэнергии, автоматизации процессов энергоснабжения, ремонта электрооборудования, создания автоматизированной системы обработки информации ЭЭС аэропорта. Теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы при разработке энергетического паспорта ФГУАП Пулково, проведении сертификации качества электроэнергии, в разработках технического задания арх. № АМВЮ. 4П713.029.ТЗ и проекте арх. № АМВЮ. 411713.029 Том 1-3. "Автоматизированная система коммерческого учета расхода электроэнергии и мощности ФГУАП Пулково (АСКУЭ Пулково)", выполненных государственным учреждением "Энерготестконтроль" под руководством автора (Приложения к диссертации № 1-3).
Практически все результаты работы внедрены в учебный процесс дисциплин кафедры № 11 Академии Гражданской авиации.
Результаты внедрения подтверждаются соответствующими актами.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и межвузовских конференциях, в том числе на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы проектирования, строительства, механизации и эксплуатации аэропортов" (Киев, КНИГА, 1985 г.); Научно- технической конференции профессорско-преподавательского состава КНИГА (Киев, КНИГА, 1985 г.); Все 15 союзной научно-техническая конференции по современным проблемам проектирования, строительства и эксплуатации аэропортов (Москва, ГПИ НИИ Аэропроект, 1986 г.); Научно- технической конференции профессорско-преподавательского состава КНИГА (Киев, КНИГА, 1986 г.); Методическом совещании руководящего состава служб ЭСТОП МГА (Красноярск, 1988 г.); Научно-технические конференции «Проектирование, строительство, эксплуатация и механизация аэропортов» (Киев, КНИГА, 1989 г.); 3-ей международной научно-технической конференции "Методы управления системной эффективностью функционирования электрифицированных и пилотажно-навигационных комплексов "Авионика - 95"" (Киев, КМУГА, 1995 г.); Международной научно-технической конференции "Проблемы совершенствования систем аэронавигационного обслуживания и управления подвижными объектами "Аэронавигация - 96""(Киев, КМУГА, 1996 г.); Международной научно-практической конференции "Обеспечение безопасности полетов в новых экономических условиях" (Киев, КМУГА, 1997 г.); Международной научно-практической конференции "Проблемы развития систем аэронавигационного обслуживания и авионики воздушных судов" (Киев, КМУГА, 1998 г.); Второй международной конференции и выставке "Аэропорт-99" (Киев, КМУГА, май 1999 г.); 7-ом заседании аэродромного комитета ассоциации стран СНГ "Аэропорт" ГА. (Санкт-Петербург, ГУАП Пулково, июнь 1999 г.) Международной научно-технической конференции "Авиа-99" в рамках 1-й Международной специализированной выставки "АВИАМИР XXI века" (Киев, КМУГА, октябрь 1999 г.); 8-ом заседании аэродромного комитета ассоциации стран СНГ "Аэропорт" ГА (Минск, Раубичи, октябрь 1999 г.); Международной научно-технической конференции «АВИА-2000» (Киев, НАУ, октябрь 2000 г.); Ш Международной научно-технической конференции «АВИА-200І» (Киев, НАУ, апрель 2001 г.) ; IV Международной научно-техническая конференции «АВИА-2002» (Киев, НАУ, апрель 2002 г.). Публикация результатов работы. Основные результаты работы опубликованы в 44 научных трудах (в 41 печатных работах, выпущенных центральными и отраслевыми издательствами и 3 научно-исследовательских отчетах).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и ... приложений. Основная часть диссертации содержит ... страниц текста, .. рисунков, .. таблиц и библиографию из ... наименований. Общий объём работы с приложениями ... страниц.
Проблемы модернизации электрооборудования и управления развитием электроэнергетических комплексов
Развитие воздушного транспорта в мировом масштабе в настоящее время характеризуется использованием новых информационных технологий, в основе которых лежат новейшие достижения микроэлектроники, что обусловливает качественные изменения аппаратных и программных средств наземного аэродромного оборудования. Новые технические средства не только вызывают изменения в управлении технологическими процессами аэропорта, но и определяют необходимость структурных преобразований существующей системы управления предприятием.
Развитие наземного аэродромного оборудования в нашей стране имеет длительную историю и знает периоды успехов и неудач. Уровень технических разработок был всегда достаточно высок, но отставание в технологиях и культуре производства не позволяло реализовать этот потенциал. Плановая экономика и распределительная система, существовавшая в нашей стране и приводившая к монополизации авиаперевозок были, в частности, этому причиной. Если для мировой системы воздушного транспорта указанные изменения следует рассматривать как естественный процесс развития аэропортов, то для Российской Федерации все это выливается в весьма сложную и злободневную проблему модернизации. Постоянно накапливающееся отставание в разработке, производстве и внедрении отечественных технических средств нового поколения привело к моральному старению эксплуатируемого в аэропортах в настоящее время электрооборудования и систем. Отсутствие централизованных поставок оборудования в связи с разрушением плановой экономической системы объясняет факт физического износа значительной доли технических средств. Новые способы приобретения (поставки и оплаты) технических средств в связи с тяжелой экономической ситуацией в стране и структурной перестройкой федеральной службы воздушного транспорта пока не отработаны, вследствие чего замена оборудования осуществляется хаотично. При этом, как правило, приобретается наиболее дешевое оборудование, имеющее низкое качество.
В начале одного из способов выхода из создавшегося положения рассматривается централизованное управление процессом модернизации электрооборудования аэропортов [41, 46, 70, 78]. Ряд идей и предложений, основанных на таком подходе, представляет интерес и может быть учтен при разработке стратегии модернизации. Однако полная и последовательная реализация этих планов в нынешних условиях недостаточного централизованного финансирования невозможна.
Более реальным представляется путь, полностью соответствующий принципам рыночной экономики, когда государство, сохраняя за собой функции формирования общей политики и контроля, представляет предприятиям широкую свободу действий с учетом местных (региональных) условий и особенностей (в данном случае энергетики региона и уровня значимости аэропорта). При этом местные государственные власти должны сами на основе общей концепции модернизации разрабатывать стратегию и тактику модернизации электроэнергетических систем аэропортов в рамках своего региона.
Разработка рациональных (или оптимальных) стратегий модернизации технических средств в рамках одного региона представляет актуальную задачу, обладающую всеми свойствами и характеристиками научно - технической проблемы. К ним относятся: 1. Системность, как представление проблемы модернизации технических средств в целом, с учетом ее сложности. 2. Комплексность, т.е. многосвязаность. 3. Декомпозируемость, как возможность разбиения общей проблемы на более простые части, исследуемые с помощью точных методов. В качестве примера использования предложенного подхода к моделированию проблемы рациональной модернизации технических средств электроэнергетических комплексов аэропортов рассматривалась задача в постановке [24, 78] для Северо -Западного территориального управления на базе аэропорта Государственного Унитарного Авиационного предприятия Пулково. Анализ существующей системы показал, что не для всех ее элементов есть альтернативные варианты выбора способов улучшения эффективности их работы. Для остальных элементов решение задачи модернизации оборудования позволило обосновать практические рекомендации по комплексной модернизации электрооборудования аэропорта. Следует отметить, что в данном исследовании кроме указанных материалов автором используются разработки научных работников Академии ГА, Московского государственного технического университета ГА, Киевского национальногоавиационного университета ГА, а также материалы ИКАО [14,157,161]. Задача комплексной модернизации технических средств управления электроэнергетическими системами аэропортов является сложной, многопрофильной проблемой, имеющей ряд аспектов: 1. Поиск рациональных решений задач экономической эффективности энергоиспользования. 2, Обеспечение безопасности и регулярности полетов. 3, Анализ обеспеченности аэропорта запасными частями и разработка программы по созданию и развитию ремонтной базы энергетической службы. 4. Совершенствование подготовки и повышения квалификации спе циалистов и руководителей, обеспечивающих эксплуатацию электросвето технического оборудования аэропорта. Из всего многообразия аспектов проблемы выделим следующие две, являющиеся необходимой основой достижения глобальной цели комплексной модернизации технических средств. Первая состоит в выборе технических средств, а вторая - в обеспечении их рационального использования. К этим задачам добавляется выработка рациональной (или оптимальной) стратегии проведения модернизации электроэнергетической системы в рамках отдельного предприятия с учетом местных производственных и природно-климатических особенностей.
Стратегия модернизации технических средств имеет высокую экономическую стоимость. Она связана, в частности, с таким параметром как срок амортизации. Амортизационный срок службы электрооборудования достаточно высок, но здесь явно просматривается противоречивость развития технических средств, использующих новую элементную базу и информационные технологии. Элементная база нового оборудования столь совершенна, что позволяет создавать высоконадежные и долговечные технические средства со сроком службы в несколько десятков лет. Этот срок увеличивается за счет новых технологий, диагностирования, обнаружения, устранения отказавших элементов и оборудования путем замены.
Информационные объекты энергетических исследований и методические принципы построения интегрированной базы данных
Анализ существующих подходов к структурированию знаний показывает, обычно этим используются такие общие свойства, как стратификация (расслоение, выделение миров), иерархичность, наследование. Основной недостаток - разобщенность подходов, каждый рассматривает узкую область знаний (за исключением тензорного подхода А.Е.Арменского, в котором предлагается связать алгоритмический, программный и информационный миры). Одна из причин такого положения заключается в значительном усложнении моделей при попытках расширить изучаемую область знаний.
В работе предлагается концептуальная модель структурирования знаний, основанная на представлении разных форм (видов) знаний как объектов расслоенного (стратифицированного) информационного пространства.
Информационное пространство определяется как пространство, в которое отображается вся доступная нам информация о жизнедеятельности живых и функционировании технических объектов - известная нам часть знаний о картине мира. Под объектом в этом информационном пространстве будем понимать некоторую совокупность свойств, проявляющихся в виде реального объекта или процесса. Сущность объекта - это инвариант, совокупность существенных и не изменяющихся свойств объекта. Тогда информация - это совокупность описаний сущностей и отношений между ними (последние порождают изменяющиеся свойства объектов). В информационном пространстве можно представить сущность как дискретную точку - «свертку» полной информации об объекте, а отношения — как векторы (последнее согласуется с [16]).
Предлагаемая концептуальная модель рядом ученых названа стратифицированной фрактальной моделью (или ФС-моделью) [94]. Она отражает такие наиболее существенные свойства, присущие организации знаний, как стратификация, иерархичность и фрактальность.
Понятие фрактальности применяется в топологии, географии, физике [65,214,218,200,], в последнее время - в компьютерной графике и энергетике, где с помощью фракталов описываются сложные графические объекты, рассматриваемые в разных масштабах [94].
Один из основоположников теории фракталов Б.Мандельброт определяет неформально фрактал как «структуру, состоящую из частей, которые в каком-то смысле подобны целому» [125], Под фрактальностыо понимают свойство природы повторяться в разных масштабах пространства и времени. В [218] говорится о том, что фрактальность - это свойство не самого объекта, а свойство, которое помогает лучше понять природу объекта. Можно предположить, что знания обладают свойством фрактальности, - будучи специалистом, в одной области знания, исследователь «по аналогии» часто проникает в тайны другой.
В нашем случае фрактальность используется не в математическом, а в философском смысле, как методологическое свойство, позволяющее одновременное рассмотрение разномасштабных объектов и процессов с сохранением инварианта при изменении масштаба. ФС-модель определяется как совокупность непересекающихся слоев (информационных миров) и их отображений в информационном пространстве. Каждому уровню знаний соответствует свой слой (страта) этого пространства, и, следовательно, свой информационный мир. Последовательность отображений отражает процесс познания. Графически ФС-модель удобно изображать в виде совокупности вложенных сферических оболочек. При использовании ФС-модели для моделирования процесса познания принимаем, что ФС-модель построена относительно исследователя (предположим, что он находится в центре сферы). Тогда процесс познания можно представить как движение от центра к периферии (формирование гипотез и их подтверждение фактами) и обратно - переход от фактов-данных к знаниям через обобщение («свертку») первых и поэтапное абстрагирование (в такой трактовке ФС-модель иллюстрирует подход Дж. Клира). При информационном моделировании объектов или систем объектов условно поместим в центр ФС-модели изучаемый объект (ЭЭС аэропорта), считая, что сущность его окружена «слоями» информации, каждый из которых характеризует какой-то аспект (функциональную совокупность аспектов) из жизнедеятельности объекта. Тогда внешняя поверхность сферы есть пространство данных, причем нам известны только некоторые точки этой поверхности. Внутренние слои — слои знаний об объекте, и они тем «концентрированнее», или агрегирован-нее, чем «ближе» к сущности объекта (или чем точнее описывают объект). Чем дальше от сути, тем больше влияние искажений и помех. Отображения слоев, как в первом, так и во втором случае использования ФС-модели можно сопоставить с переходами от фактов к понятиям, далее - к правилам, оценкам, эвристикам (согласно определению знаний, принятому в когнитологии). Отображения слоев соответствуют стратегии перехода от элементарных задач к типовым, от типовых - к классам задач, далее - к типам классов задач. Последовательность таких отображений представляет собой те «неосознанные» знания исследователя, выявление которых - ключевая проблема построения систем искусственного интеллекта - систем, основанных на знаниях. Вторая трактовка ФС-модели позволяет, кроме того, проинтерпретировать понятие информационной среды (которое вводилось в [141,142]). Информационная среда определяется как совокупность устойчивых состояний среды объекта или системы объектов. Являясь частью (ограничением) информационного пространства, она может быть смоделирована и использована в качестве методологического понятия для обоснования модели формирования откликов при выводе из устойчивого состояния природных и технических систем под действием возмущений (антропогенного влияния). В [141] ставится с использованием понятия информационной среды общая задача прогнозирования развития сложных динамических систем, которая может быть применена и для исследований развития ЭЭС аэропорта с учетом живучести и безопасности. Формализованное описание ФС-модели может быть выполнено с помощью методов современной алгебры. Так, математическую модель информационного пространства можно рассматривать как обобщенную топологическую модель. Топологическим пространством называют некоторое множество X с введенной на нем топологией. Введение топологии на множестве X заключается в выделении в нем семейства подмножеств, замкнутого относительно операций объединения и конечного пересечения. Пустое множество и все X должны лежать в этом семействе. Ниже формулируются с использованием обозначений теоретико-множественного описания ФС-модели основные принципы предлагаемого методологического подхода к структурированию знаний предметной области.
Оптимизация электроснабжения на основе инструментальных данных учета и средств автоматизации
Повсеместное использование управляющих вычислительных структур в различных промышленных комплексах и функциональных узлах обуславливает высокие требования к времени реакции ЭВМ на изменение поведения объекта. Одним из средств повышения быстродействия ЭВМ является организация параллельных вычислений на многопроцессорных и многомашинных системах (МВС). Программирование для таких систем связано с распараллеливанием алгоритмов и с синхронизацией вычислений. Это, в свою очередь, выдвигает ряд сложных задач расчёта временных характеристик и количества операций, необходимых для выполнения параллельной программы, а также для построения оптимальных расписаний выполнения этих программ вычислительной системой. Рациональная диспетчеризация операторов или фрагментов программы в МВС вследствие того, что алгоритмам, как правило, присуще свойство «недетерминированности», т. е. стохастичности переходов из операторов принятия решения в сопряженные с ними, а также случайности времени обработки данных, является нетривиальной задачей. Исследованию вопроса оптимального распараллеливания в силу актуальности проблемы посвящено большое количество работ как российских, так и зарубежных авторов, однако эффективные инженерные методики диспетчеризации вычислительных процессов с учётом их «недетерминированности» разработаны недостаточно. В свою очередь, исследование именно этого фактора позволяет решить целый ряд прикладных инженерных задач расчёта и проектирования ЭВМ, комплексов, систем и сетей. Поэтому целесообразно рассмотреть способы распараллеливания программ с неточно известным временем выполнения как самой программы, так и её фрагментов, содержащих циклы переменной длины и логические ветвления.
В основе динамического способа распараллеливания лежит алгоритм распределения упорядоченного множества заданий по однотипным приборам, известный из теории расписаний.
Пусть вычислительный процесс задан в виде графа G = (А, В), где А = {а,, а2, ... а„} - множество вершин-операторов; В = {Ьу} — множество дуг, соответствующих переходам между операторами.
MB С состоит из m процессоров. Распараллеливание осуществляется на уровне фрагментов (в дальнейшем просто задач) программы. В каждый момент времени один процессор может обслуживать только одну задачу, каждая задача может обслуживаться только одним процессором. На каждом шаге распараллеливания определяются и включаются во фронт работ F п {aj} = F такие задачи, которые могут быть выполнены в данный момент времени. Если задача назначается на выполнение на освободившийся процессор, то она исключается из фронта работ. Если выполнение задачи было прекращено по внутреннему или внешнему прерыванию, то она снова включается во фронт работ и в ходе вычислительного процесса снова назначается на выполнение. Назначение задачи гц n F = а] на освободившиеся в ходе решения программы процессоры осуществляется так, чтобы минимизировать время выполнения оставшейся части программы. При этом предполагается, что время выполнения программы Т0 или оставшейся её части ДТ] будет тем меньше, чем полнее загружена система.
Однако время выполнения любой программы является в общем случае недетерминированной величиной вследствие наличия в ней логических ветвлений, циклов неопределённой длины, внутренних и внешних прерываний, конфликтов в общей памяти при её прогоне. Поэтому ставится задача выбора критерия, который учитывает временные характеристики выполнения программы и по которому осуществляется назначение оператора из фронта работ на выполнение. В качестве такого критерия выбора задачи из фронта работ принимается ранг оператора (задачи) [139], определяемый по формуле и означающий максимальное число операторов aj п Qf = a_j, связанных с а і на пути в конечную вершину графа алгоритма, где Q\ - множество операторов-приемников для 1-го оператора.
Однако такой критерий обладает следующим недостатком: вполне возможно, что операторы с большим рангом будут выполняться за меньшее время, так как в состав пути входят операторы, выполняющиеся за меньшее время. Например, для графа, изображённого на рис. 1а, получаем г1 = Г2, гз = г4, Гі г3 г5, Но t] t2 t3 и U h ti и соответственно время выполнения оставшейся части программы при назначении 1-го оператора At4 At2 Ati. Поэтому назначение оператора на выполнение в соответствии с таким рангом даёт вариант распараллеливания алгоритма, показанный на рис. 16, отличающийся от точного решения, приведённого на рис. 1.
С учётом вышесказанного правильнее было бы назначать ранг оператора в соответствии с его трудоёмкостью, которая более точно оценивает время решения задачи в большинстве случаев и также может быть определена в статистике.
Однако качество распараллеливания программ даже при использовании критерия назначения операторов на выполнение, зависящего от трудоёмкости, всё же будет меняться при прогонах программы на МВС. Это связано с тем, что при большом разнообразии входных данных одни операторы могут повторяться различное число раз, на другие вообще может быть не передано управление. При этом время выполнения программы и её отдельных фрагментов, содержащих логические ветвления и циклы переменной длины, часто непредсказуемо и может достаточно сильно при решении программы от времени, полученного в результате оценок. Поэтому приведём способ диспетчеризации с возможностью уточнения времени решения фрагментов (задач) программы в процессе её выполнения на МВС.
Так как время решения отдельной задачи Т , и программы Т0 является вобщем случае точно неизвестной величиной, то вполне естественно задавать его в виде нечётких чисел: где tij, toj - значения, которые может принимать время решения задачи и программы соответственно при различных прогонах программы на МВС; И- ij»M-oj - функции распределения возможности плохо обусловленных чисел Т І и Т о, характеризующие вероятность того, что Т ; и Т 0 примут значение tij и toj соответственно; Т - множество возможных значений времени выполнения программы в целом.
Принципы построения исследования систем сберегающего комбинированного электроснабжения объектов аэропорта
В современной отечественной и зарубежной практике все более широкое применение находят децентрализованные системы сберегающего энергоснабжения. Разработка теоретических и практических положений обеспечит их научно-обоснованное развитие.
Специфика электроснабжения аэропортов требует более глубоких научных и технических разработок в области комбинированного энергоснабжения, использования в источниках получения электроэнергий различных энергоносителей альтернативных, возобновленных и других.
Механический перенос на объекты аэропорта методов и технических решений проблемы эффективного энергоснабжения малых удаленных объектов не может быть использован, так как объекты аэропорта, как правило, относятся к потребителям 1-й и 2-й очереди, и к ним предъявляются жесткие требования по надежности и бесперебойности электропитания.
Объекты аэропорта характеризуются многообразием функционального назначения, и большинство из них из-за удаленности и малой энергоемкости имеют только централизованное электроснабжение. Поэтому в общем балансе их энергопотребления 70-80% занимает отопление, освещение и вспомогательные нужды, 15-30% - технологические нужды. При этом до 25% теряется на потери в линиях и трансформаторном оборудовании.
Как показывает мировая практика, наиболее энергетически эффективными и технически совершенными для удаленных потребителей на перспективу являются децентрализованные системы сберегающего энергоснабжения.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом промышленностью выпускаются различные нетрадиционные установки по выработке электроэнергии и тепла. Так, есть установки прямого преобразования силовой энергии в электрическую. Это магнитогидродинамический генератор, электрогазо- (гидро)-динамический преобразователь энергии, термоэмиссионный генератор и другие. Есть установки прямого преобразования энергии светового излучения в электрическую (фотоэлектричество, солнечная энергия).
Среди химических источников широкое применение нашли, кроме известных кислот и щелочей в аккумуляторах, водород и фосфорная кислота, различные топливные элементы с твердым электролитом (окислителем и хладогентом), совмещенными с микротурбинными двигателями, монополярными двигателями, с ионно-обменной мембраной и т.д.
Кроме того, для выработки электроэнергии в малых установках используются геотермальные воды, биомасса и отходы, ветроэлектрогенераторы, природный газ, уголь, мазут, атомная энергетика. В нашей стране промышленно выпускается ряд нетрадиционных источников энергии: ветроэлектрические установки ВЕТЭН, Шексна-1, Шекс-на-2, дизельные и бензиновые электроэнергетические агрегаты мощностью от 2 до 450 кВт, солнечные теплоэлектрические коллекторы и батареи, газотурбинные расширительные установки, обогреватели каталитические газовые инфракрасного излучения ОГК-3 и многие другие. Автором поставлена цель на основе исследования теории развития малой энергетики и анализа промышленно выпускаемых нетрадиционных источников энергии разработать теоретические и прикладные аспекты использования их в системах электроснабжения аэропортов. Достижению поставленной цели способствуют: 1. Обоснование выбора типовых объектов аэропорта, где эффективна система распределенного комбинированного электроснабжения. 2. Разработка принципов эффективного распределенного комбинированного энергоснабжения объектов аэропорта с учетом разделения технологических и вспомогательных нагрузок на отопление, освещение и т.д. 3. Разработка технологической схемы комбинированного электроснабжения на основе дифференцированного метода использования источников энергоснабжения и накопителей энергии. 4. Исследование показателей надежности и распределения электрической мощности между потребителями при комбинированном электроснабжении. К настоящему времени основными преимуществами использования нетрадиционных источников и накопителей энергии являются возможность их размещения в любом узле системы электроснабжения, сравнительно небольшое время сооружения, высокий КПД, относительно небольшие капиталовложения. Помимо экономической эффективности, они способствуют решению многих проблем, возникающих при работе электроэнергетической системы. В частности, позволяет осуществлять: 1. Выравнивание графиков нагрузки. 2. Поддержание с заданной степенью точности напряжения в некоторых точках системы электроснабжения. 3. Обеспечение заданных пределов передаваемых мощностей по линиям электропередачи и регулирование потоков мощности между элементами. 4. Обеспечение статической устойчивости возможных режимов работы системы с заданным запасом. 5. Обеспечение заданных пределов динамической устойчивости электроэнергетической системы. Однако, широкое применение возобновляемых источников энергии в энергетике связано с рядом проблем. К ним относятся: 1. низкая плотность, концентрация и случайно детерминированный характер прихода энергии; 2. необходимость постоянного согласования потребления энергии, особенно в автономно работающих системах; 3. несовершенство методов технико-экономического анализа систем распределенного комбинированного электроснабжения.; 4. недостаточная проработка и реализация технических решений по совместному применению централизованных источников, накопителей энергии и независимых возобновляемых источников энергии. Попытка решения этих проблем предпринята в данной работе в разделе 4,3 при разработке систем распределенного комбинированного электроснабжения объектов аэропорта.
Вопросы технико-экономической оптимизации систем энергоснабжения объектов промышленного, сельскохозяйственного и жилищно-коммунального назначения освещаются в работах многочисленных исследователей (Л.А.Мелентьев, А.И.Андрющенко, Л.С.Попырин, В.А.Смирнов, В.Ф.Симонов, Б.Н.Курицын, А.А.Ионин и др.) и научно-исследовательских организаций. Однако предложенные указанными авторами решения и рекомендации предполагают использование конкретного вида невозобновляемых энергоносителей, получены в детерминированной постановке, не учитывают влияние неопределенности исходной экономической информации и не позволяют проведение оптимизационных исследований в условиях одновременного использования невозобновляемых, возобновляемых, вторичных и регенерируемых топливно-энергетических ресурсов,
