Введение к работе
Актуальность. Системы тепло- я водоснабжения современных городов сложились как пространственно распределенные и очень сложные трубопроводные системы (ТПС) централизованного снабжения потребителей. Они характеризуются, рядом структурных и режимных аспектов: многокольцевой схемой большой размерности с разнотипными элементами; наличием ряда управляющих элементов (насосных и дроссельных станций, тепловых пунктов, регуляторов) для реализации различных режимов функционирования ТПС; возможностью диспетчерского управления структурой и параметрами ТПС в нормальных и нештатных условиях (дефицитные, аварийные и послеа-варийные режимы).
Требования к надежности и эффективности работы ТПС, качеству снабжения потребителей особенно обостряются в новых экономических условиях, находят свое воплощение в практически повсеместной активизации работ по внедрению технических средств учета целевого продукта, локального регулирования параметров режима, автоматизации диспетчерского управления. Эти обстоятельства, в свою очередь, выдвигают новые требования к научно-методическому и информационно-вычислительному обеспечению для оперативного расчета, контроля и ведения режимов при диспетчерском управлении, обуславливают необходимость постановки и решения новых задач, делают актуальным выполнение самостоятельных исследований и разработок в этой области.
Исследованию задач расчета режимов посвящены многочисленные исследования и к настоящему времени здесь накоплен значительный научно-методический и практический опыт. Однако имеющиеся методы и алгоритмы требуют своего существенного развития для обеспечения их применимости в практике диспетчерского управления в направлении учета: большой размерности и иерархичности построения реальных объектов; их возрастающей насыщенности регулирующими элементами; многоцелевого использования за-
4 дач потокораспределения в контурах краткосрочного и оперативного управления; повышенных требований к быстродействию и надежности методов и алгоритмов; стохастической природы измерительной информации при использовании моделей потокораспределения для слежения за фактическими режимами; современных требований к информационно-вычислительным комплексам и организации баз данных.
К числу первоочередных задач из этой проблематики, составивших предмет данной диссертационной работы, относятся задачи расчета, анализа и текущего контроля режимов, без решения которых невозможно обоснованное принятие решений по управлению.
Цели и задачи работы. Основной целью работы является разработка и развитие математических моделей и методов, создание на их базе программных комплексов для расчета, анализа и контроля режимов ТПС (на примере систем теплоснабжения) при диспетчерском управлении. Для достижения этой цели в работе ставились следующие задачи: 1) развитие методов и алгоритмов расчета потокораспределения с учетом требований диспетчерского управления современными ТПС; 2) разработка и исследование способов декомпозиции и эквивалентирования моделей и расчетных схем; 3) разработка методик многоуровневого расчета режимов теплоснабжающей системы (ТСС) для задач наладки и имитации ее работы; 4) постановка и исследование задач расчета режимов ТСС по данным измерений; 5) разработка принципов реализации информационно-вычислительных программных комплексов для автоматизации задач анализа режимов при диспетчерском управлении ТСС; 6) реализация разработанных,принципов, методик и алгоритмов в составе программно-вычислительного комплекса (ПВК) и его внедрение.
Методическая база. В качестве использованной методической базы следует специально выделить сформулированную и развиваемую в ИСЭМ (СЭИ) СО РАН теорию гидравлических цепей, как межотраслевую научно-техническую дисциплину, обеспечивающую единый векторно-матричный язык, модельный и методический аппарат для описания и расчета ТПС раз-
5 личного типа и назначения. Для решения отдельных вопросов и задач используются: теория графов, линейная алгебра, методы безусловной оптимизации и нелинейного программирования, общая теория оценивания и др.
Научная новизна. При разработке математических моделей и их программной реализации были получены следующие новые результаты:
-
разработана новая методика расчета потокораспределения з гидравлических сетях с регулируемыми параметрами, обладающая повышенным быстродействием и имеющая межотраслевое значение для ТПС различного типа и назначения (теплоснабжения, водоснабжения, газораспределительных сетей и др.);
-
разработаны новые методики многоуровневого расчета режимов работы ТСС, которые в сочетании с обоснованными в работе принципами экви-валентирования и декомпозиции обеспечивают возможность полного расчета тепловых сетей реальной размерности для любого современного города;
-
предложена постановка задачи и математическая модель для контроля режимов ТСС по данным измерений, новизна которой заключается в привлечении измерений температур транспортируемой среды;
-
реализована новая информационно-вычислительная технология для расчета и анализа режимов при их планировании и диспетчерском управлении ТСС.
Защищаемые положения.
-
Методика расчета потокораспределения ТПС с автоматическими регулирующими устройствами.
-
Принципы декомпозиции и эквивалентирования модели ТСС на иерархически связанные уровни и методики многоуровневого расчета для задач наладки и имитации гидравлических режимов ТСС.
-
Графическая информационно-вычислительная технология для решения задач расчета, анализа и контроля режимов ТСС при диспетчерском управлении.
Практическая ценность работы. Использование разработанного методического и программного обеспечения при соответствующем техническом и организационном уровне его использования существенно повышает оперативность, обоснованность и качество принимаемых решений при эксплуатации и диспетчерском управлении ТСС. При этом могут решаться следующие задачи: 1) создание многоуровневой графической базы данных и паспортизация ТСС; 2) расчет и анализ гидравлического и теплового режимов ТСС в целом и отдельных ее фрагментов; 3) определение необходимых параметров сужающих устройств для обеспечения планируемого гидравлического режима ТСС; 4) имитация режима работы ТСС после внесения управляющих воздействий; 5) контроль за режимом ТСС с использованием данных телеизмерений; 6) оперативное получение любой схемно-параметрической информации о состоянии ТСС и вывод ее на печать. Методика расчета ТПС с регулируемыми параметрами также может быть применена при математическом моделировании водопроводных и газораспределительных сетей, оснащенных регуляторами дроссельного типа.
Реализация работы. Результаты исследований реализованы в составе программно-вычислительного комплекса (ПВК) «АРМ ТТС» (автоматизированное рабочее место инженера технолога тепловой сети), при этом автором были разработаны: структура иерархической базы данных (БД); архитектура ПВК; принципы взаимодействия расчетных программ с БД; расчетные блоки для анализа данных, наладочного и имитационного многоуровневого расчета гидравлических режимов ТСС; модули управления расчетом и сервисные утилиты. ПВК «АРМ ТТС» является развитием на качественно новом уровне ранее разработанных в лаборатории трубопроводных систем ИСЭМ СО РАН ДВС «ДИСИГР» и «ДИТЕГР».
Предложенные в работе методы, модели и методики апробированы на тестовых примерах и реальных системах теплоснабжения. Основные результаты внедрены в АОЭиЭ «Иркутскэнерго» на базе предприятий «Ангарские тепловые сети», «Северные тепловые сети» и «Иркутские тепловые сети».
7 Кроме того, ПВК был использован для анализа и разработки рекомендаций по организации и наладке режимов тепловых сетей г. Шелехов, Свирск, пос. Улькан, Магистральный и др. Также работа использовалась в учебном процессе в Иркутском государственном техническом университете.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: конференциях научной молодежи ИСЭМ (СЭИ) СО РАН (Иркутск, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998 и 2000 г.г.); Международной научно-практической школе-семинаре «Методы оптимального развития и эффективного использования трубопроводных систем энергетики» (Иркутск, 1994 г.); Международной научно-практической конференции «Человек - Среда - Вселенная» (Иркутск, 1997 г.); Всероссийской научной школе-семинаре «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (Иркутск, 1998 г.); Совместном заседании секций "Специализированные системы энергетики" и "Прикладная математика и информатика" Ученого совета ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2000
г.)
Публикации. Основное содержание работы отражено в 9-ти публикациях, в том числе в коллективной монографии.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 6-ти приложений. Объем работы (без приложений) - 130 страниц, содержит 24 рисунка и 5 таблиц.