Общий принцип работы ИС мониторинга заключается в создании аналитической модели сети, в которой для каждого элемента сети выявляются и сопоставляются данные электронной модели и данные приборов учета. Такое сопоставление открывает возможности для решения двух встречных задач:
1. Выявление на основе анализа реальных характеристик объектов тепловой сети, которые должны использоваться для наладочных расчетов сети (устранение проблем использования электронных моделей).
2. Выявление отклонений реального режима работы тепловой сети от оптимального режима, рассчитанного с помощью электронной модели (задание эталона для анализа режима работы сети),
Таким образом, совместный анализ данных из двух ранее независимых источников помогает придать новое качество каждой из рассматриваемых систем, взаимно дополняя их возможности.
Облачная архитектура ИС является наиболее естественным решением при создании подобных систем сбора данных. Известные коммерческие системы сбора данных мониторинга также используют эту архитектурную модель. В разработанной ИС электронные модели и данные из системы сбора данных загружаются в общее облачное хранилище и представляются там в виде аналитической модели. Такой подход позволяет устанавливать ИС на серверах любой организации, которая заинтересована в решении проблемы повышения эффективности работы тепловой сети, независимо от мест размещения существующих ИС расчета и сбора данных. В частности это могут быть органы муниципальной или государственной власти, заинтересованные в снижении тарифа на тепловую энергию для населения.
Для успешного внедрения ИС требуется определить регламенты работы ее участников. Укрупненная модель бизнес-процесса использования разработанной ИС при эксплуатации системы теплоснабжения приведена на рис. 2 в нотации языка BPMN http://www.bpmn.org/.
Основными участниками бизнес-процесса являются:
· ИС сбора данных, которая в режиме реального времени получает и накапливает в своей базе данных показания приборов учета;
· производственно-технические службы эксплуатирующих организаций, осуществляющие расчет режимов работы и наладку тепловой сети с помощью электронных моделей;
· диспетчерские службы источников тепловой энергии (котельных, ТЭЦ), поддерживающие и контролирующие режимы работы источников;
· контролирующие лица, получающие информацию о работе тепловой сети через мобильные приложения;
· ИС мониторинга, осуществляющая сбор данных и отправку сообщений заинтересованным лицам.
Важным отличием указанного процесса от традиционного является появление контролирующих лиц, которые могут удаленно получать агрегированные данные технологического и экономического характера от ИС мониторинга без участия людей-посредников. Для обеспечения данной функции ИС мониторинга реализована в виде активного участника процесса, который по собственной инициативе получает данные приборов учета и формирует сообщения для ЛПР.
Еще одним отличием рассматриваемого процесса является появление в деятельности производственно-технических служб функций верификации электронной модели и выявления элементов системы теплоснабжения, в которых потери или потребление отличаются от нормативных значений. Это является основанием для уточнения самой модели и проведения мероприятий по энергосбережению на найденных в процессе анализа объектах.
Для совместной обработки параметров мониторинга и расчетов в ИС используется специальная база данных - аналитическая модель сети. В ней происходит согласование данных, поступающих из двух независимых друг от друга источников. Одной из основных задач при создании аналитической модели является выявление соответствий между элементами баз данных показаний приборов учета и баз данных электронной модели сети. Эти базы данных содержат величины температуры, давления, расхода теплоносителя и количества теплоты, которые привязаны к различным по своей природе объектам. В одном случае эти параметры привязаны к приборам учета, вычислителям, каналам связи и т.п., в другом - к элементам сети (участкам трубопроводов, источникам и потребителям). Единая система классификации и кодирования объектов тепловых сетей и приборов учета тепловой энергии, позволяющая формально решать данную проблему, отсутствует. Поэтому для решения этой задачи в ИС мониторинга использована специальная процедура связывания параметров.
Рис. 2 Схема процесса использования ИС
Для автоматизации процесса связывания используется фасетная система классификации элементов обоих баз данных, позволяющая в значительной степени облегчить и ускорить этот процесс. Классификация производится по следующим параметрам:
· адрес объекта или полученный средствами пространственного анализа ГИС геокод пространственного объекта, к которому относится прибор или элемент тепловой сети;
· направление подачи носителя (прямой, обратный трубопровод);
· тип параметра (температура, давление, расход и количество теплоты).
В тех случаях, когда в фасет попадает по одной записи из каждой базы данных, автоматически формируется кортеж
D = <en,ai,bj>,
где en - элемент множества E всех объектов тепловой сети; ai - расчетный параметр; bj - измеряемый параметр, соответствующий ai.
Если в фасете по любой из позиций кортежа D оказывается более одного элемента, пользователь должен вручную выбрать правильный вариант связей. В результате данного процесса формируется набор пар показателей мониторинга, привязанных к объектам тепловой сети на карте территории.
В идеале для каждого источника и потребителя, представленного на карте точечным объектом, в аналитической модели присутствуют значения следующих величин:
· tпр, tпп - температура расчетная и температура по приборам в подающем трубопроводе;
· tор, tоп - температура расчетная и температура по приборам в обратном трубопроводе;
· Pпр, Pпп - давление расчетное и по приборам в подающем трубопроводе;
· Pор, Pоп - давление расчетное и по приборам в обратном трубопроводе;
· Gпр, Gпп - объемный расход расчетный и по приборам в подающем трубопроводе;
· Gор, Gоп - объемный расход расчетный и по приборам в обратном трубопроводе;
· Qop, Qoп - тепловая энергия отпущенная расчетная и по приборам.
По некоторым объектам отдельные или все показания приборов по каким-либо причинам могут отсутствовать. Это уменьшает возможности анализа и реагирования на некоторые ситуации, но не нарушает функционирование системы в целом.
Расчетные и реальные величины в процессе мониторинга ИС обновляются в разные моменты времени. В разработанной экспериментальной версии ИС обновление показаний приборов происходит с периодичностью один раз в час. Расчетные значения изменяются с учетом изменения внешних условий, например температуры наружного воздуха или заданного диспетчером режима работы тепловой сети, который обычно меняется 2 раза в сутки. Это позволяет проводить анализ с учетом температурного графика. Расчетные значения также могут меняться при выполнении каких-либо переключений, приводящих к изменению топологии сети и, соответственно, оптимального режима ее работы. При этом требуется вносить изменения в электронную модель, что в ряде случаев может приводить к необходимости привлечения специалистов для ее настройки и отключения функций мониторинга на время этой работы.
После каждого обновления наблюдаемых и расчетных параметров (в обычном режиме - раз в час) в ИС автоматически запускается процесс анализа, который включает проверку множества сформированных пользователями или специалистами по представлению знаний правил. Проверка правил осуществляется на основе логики предикатов первого порядка. Каждое правило F представляется составным логическим выражением, включающим атомарные высказывания-предикаты P1, P2 … Pk,, например:
F=P1 and P2 and not P3.
Предикаты являются N-местными и представляются в виде арифметических выражений, включающих измеряемые параметры tоп, tоп, Pпп, Pоп, Gпп, Gоп, Qoп, расчетные параметры tор, tор, Pпр, Pор, Gпр, Gор, Qoр и константы целого и вещественного типов. При этом каждый параметр относится к некоторому объекту ei из множества всех объектов сети E. В качестве примера такого предиката можно привести выражение
e1.Qoп> e5.Qoп *2+ e6.Qoп.
Если правило F принимает значение «истина», формируется элементарное событие определенного типа. Тип задает способ отображения события в интерфейсе (вывод в списке, цветом ячейки в таблице, пульсирующим знаком на карте, сигналом тревоги, выдача рекомендации и т.п.). Поскольку каждое правило и событие привязано к объекту тепловой сети (объекту на карте) или множеству объектов сети или к сети в целом, это дает возможность формировать и просматривать события в привязке к объектам сети. Все события фиксируются в базе данных и доступны для просмотра и анализа пользователям, которым назначены соответствующие права.
Причины и значимость событий могут различаться. При этом для многих ЛПР важно иметь информацию не о временных отклонениях режимных параметров, а о системных проблемах в работе сети. Для этого в ИС реализован менеджер событий, который позволяет агрегировать данные событиях и предоставлять их в виде отчетов и рекомендаций заинтересованным пользователям. Агрегирование осуществляется либо по времени существования события, либо с помощью встроенных алгоритмов. В первом случае пользователь может для любого объекта в сети установить период или количество повторений одинаковых событий. Во втором - привязать к объекту один из программно-реализованных методов анализа или формирования отчетов и рекомендаций. В менеджере событий также указываются лица, которым будет доступно это событие, и метод их оповещения.
Предложенные методы и решения реализованы в виде экспериментальной версии облачной ИС. Эта ИС проходит опытную эксплуатацию в тепловой сети, которая обслуживается одной из котельных города Иванова. Электронная модель сети разработана в ИГЭУ. Данные приборов учета поставляются в ИС по сети Интернет специализированным предприятием, которое обслуживает по договору тепловые пункты источника и потребителей.
В разработанной ИС реализованы средства для поиска и просмотра экспортируемых расчетных данных, задающих эталонный оптимальный режим работы сети для текущих погодных и эксплуатационных условий, а также данных системы сбора показаний приборов учета, привязанных к тем же объектам сети, что и расчетные данные. Поиск и просмотр данных обеспечивается средствами ГИС.
Новые возможности совместного анализа данных расчета и мониторинга представлены в ИС средствами вывода событий и построения отчетов, которые позволяют вычислять, в частности, показатели экономичности работы сети. Наличие данных по режиму, который рекомендован электронной моделью, позволяет рассчитать расход топлива на источниках и расход электроэнергии на перекачку теплоносителя насосами в случае правильной настройки тепловой сети и поддержания рекомендованного режима работы источников. Использование показаний приборов дает возможность рассчитать или получить непосредственно данные по реальному расходу топлива и электроэнергии на источниках. Сравнение этих показателей характеризует качество работы эксплуатирующих организаций и дает оценку потенциально возможной экономии энергоресурсов, которая в настоящее время практически не оценивается.
В процессе опытной эксплуатации подтверждены возможности получения необходимых данных для организации работы системы мониторинга, формирования моделей данных, событий и отчетов. На рис. 3 показан пример отображения события, возникшего при понижении у потребителя давления в обратном трубопроводе более чем на 0,2 кГс/см2 от расчетного для заданного режима работы котельной. При возникновении этого события на карте возникает пульсирующий знак, указывающий объект, к которому было привязано правило события, а в списке событий приводится описание правила и значения используемых в нем параметров. При указании на знак или строку списка событий открывается дополнительное окно с рекомендациями для персонала обслуживающей организации.
Рис. 3 Пример отображения события
На рис. 4 приведен отчет за 3 месяца эксплуатации информационной системы, в котором дается сопоставление реальных и расчетных затрат на газ и электроэнергию, потребляемую насосами для перекачки теплоносителя в сети,. Фактические затраты рассчитаны по данным с приборов учета. Расчетные затраты получены путем сложения суточных данных расчетной модели тепловой сети по заданному температурному графику режима работы системы теплоснабжения.
Результаты сравнения наглядно демонстрируют возможную экономию топлива и электроэнергии в абсолютных и относительных цифрах, которые можно было бы получить в случае точной настройки сети по данным расчета и соблюдения расчетного режима работы котельной.
Рис. 4 Затраты на газ и электроэнергию
Выводы
Анализ полученных результатов показывает, что разработанный метод полностью применим для тепловых сетей, которые обслуживаются одной или несколькими котельными. При этом масштаб сети (количество потребителей) не имеет существенного значения. Несколько сложнее выглядит ситуация при использовании метода в крупных тепловых сетях, в которых в качестве источников используются ТЭЦ. Поскольку режим работы ТЭЦ зависит от электрической нагрузки, требуются дополнительные исследования по учету влияния этого фактора на возможность оценки эффективности работы тепловой сети с использованием рассмотренного метода.