Особенности создания системы моделирования режимов больших теплоснабжающих систем

УДК 004.3:621.4 ,

,

ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ БОЛЬШИХ ТЕПЛОСНАБЖАЮЩИХ СИСТЕМ

Длительный опыт эксплуатации сложных тепловых сетей с качественным регулированием теплопотребления и непосредственным присоединением теплопотребителей позволил выявить недостатки такого присоединения, основное из которых − необходимость строгого постоянства гидравлического режима, соблюдение температурного графика теплоносителя во всех точках сети и практическая невозможность параллельной работы ряда ТЭЦ и РК на одну сеть. Такие сети оказываются плохо настраиваемыми по режимам, а это резко снижает эффективность использования установленных тепловых мощностей и распределение тепловой энергии на множестве теплопотребителей.

Можно сделать вывод, что наряду с потребностями в новых технических, технологических и организационно-экономических решениях назрела необходимость и в систематическом применении современных математических методов и информационных технологий для оперативного решения множества сетевых теплогидравлических задач для реально существующих типов данных: детерминированных, вероятностно определенных и неопределенных.

В предметной области «Система централизованного теплоснабжения» накоплен богатый научно-методический потенциал, однако его практическое использование в сфере управления режимами эксплуатации тепловых сетей и проектировании становится невозможным без соответствующих автоматизированных информационных систем (АИС).

Первая очередь задач, требующая информационной поддержки принятия решений и реализуемая системотехническими средствами АИС, включает в себя задачи возникающие при:

-  планировании технических испытаний и обработке их результатов;

-  наладке и регулировке сетей и систем теплопотребления;

-  разработке и оперативном управлении тепловыми и гидравлическими режимами системы теплоснабжения;

-  разработке и технико-экономической оценке перспективных планов теплоснабжения жилых и промышленных районов;

-  согласовании проектов новых тепловых сетей и присоединений к сетям.

Решая общую задачу анализа теплогидравлического режима для различных технологических структур теплоснабжающих систем мегаполисов и различных параметров технологического оборудования, представляется возможным получить новые профессиональные знания для ответов на множество вопросов типа: «Как изменится установившееся состояние СЦТ, если изменить в заданном направлении её структуру и(или) независимые параметры требуемых технологических элементов?».

Методологической основой формализации содержательной задачи анализа теплогидравлических режимов стали модели и методы моделирования сложных систем, теории графов, теории гидравлических цепей, систем нелинейных алгебраических уравнений, а также прикладные исследования установившихся режимов теплофикационных систем.

Классифицировав наиболее общие технологические структуры СЦТ, получившие распространение в экономическом пространстве СНГ и выделив типичные режимные ситуации, были разработаны общие математические модели для установившихся теплогидравлических режимов.

Для имитационного моделирования режимных задач теплоснабжающих систем большой размерности был исследован и предложен эффективный численный метод, получивший название метода узловых напоров.

Стабилизация гидравлических режимов больших теплоснабжающих систем может выполняться различными способами, в том числе и путем расстановки элементов дросселирования:

-  автоматических регуляторов расхода и давления прямого действия, устанавливаемых на ветвях и в узлах сети (сетевые насосные станции, узлы подпитки и смесительные узлы, контрольно-распределительные и центральные тепловые пункты);

-  дроссельные диафрагмы, устанавливаемые в неавтоматизированных индивидуальных тепловых пунктах потребителей тепла, а также на ответвлениях тупиковых распределительных сетей;

-  сопла элеваторов, посредством которых обеспечивается расчётный температурный график и расчётный расход, поступающий в присоединяемую систему отопления.

Ввиду этого в сферах наладки СЦТ по-прежнему актуальными и трудоёмкими остаются задачи принятия решений по выбору мест установки дроссельных органов и их гидравлических сопротивлений, посредством которых обеспечивается стабилизация параметров гидравлических режимов СЦТ. Для реализации задачи стабилизации установившихся гидравлических режимов были разработаны и реализованы продукционные модели (Правила вывода), выполнение которых связано с проверкой множества условий, объединяющих параметры эксплуатационного гидравлического режима и технологические параметры теплопотребляющих систем, также был разработан и реализован декомпозиционно-топологический подход построения моделей больших теплоснабжающих систем.

Анализируя опыт разработки и эксплуатации, узко специализированных информационных систем и технологий в теплоэнергетике были выявлены качественные недостатки таких систем в связи с расширяющимися потребностями обработки данных с учетом их изменений во времени и локализацией в окружающем пространстве, в частности, возможности контролинга текущего состояния объектов теплоснабжающей системы методом совместной обработки рассчитанной (нормируемой) и измеренной информации. Для осуществления задачи контролинга текущего состояния объектов теплоснабжающей системы методом сравнительного анализа рассчитанной (нормируемой) и измеренной информации была реализована возможность интеграции АИС с автоматизированной системой регистрации величин объектов системы теплоснабжения в реальном масштабе времени.

Следующим выявленным недостатком используемых информационных технологий в сфере наладки и перспективного развития СЦТ было то, что они являются геоинформационными системами, что вносит как положительные моменты, такие как, развитые аналитические функции, инструменты для ввода, обработки и отображения пространственных данных, так и отрицательные − большие людские и временные ресурсы по созданию базы данных, включающую в себя одновременно, как объекты местности, так и объекты расчетной схемы теплоснабжающей системы.

Для устранения этого недостатка было принято решение реализовать АИС моделирования установившихся теплогидравлических режимов СЦТ не как ГИС, а как информационно-графическую систему с возможностью интеграции с ГИС посредством следующих принципов: интеграции информационных ресурсов; интеграции приложений, обеспечивающей оперативное взаимодействие различных приложений между собой, что дало возможность использовать готовые электронные карты местности и создавать отдельно слой расчетной схемы теплоснабжающей системы, как без привязки, так и с привязкой к географическим координатам в формате известных геоинформационных систем ArcMAP, Geomedio.

Интегрированная база данных, как набор фактографических знаний, необходимых и достаточных для реализации функциональности АИС моделирования установившихся теплогидравлических режимов СЦТ была разработана на основе инфологических моделей локальных представлений предметной области «Система централизованного теплоснабжения» и выполнена в расширенном формате. mdb реляционной моделей данных. В отношениях хранятся атрибутивные и координатные характеристики объектов городской инфраструктуры, технологических схем теплоснабжающей системы, измеренных параметров состояния объектов технологических установок, цифровых технологических и анимационных схем.

Разработанная АИС моделирования установившихся теплогидравлических режимов СЦТ ИГС ТГИД-05 была разработана в Карагандинском государственном техническом университете совместно с ПКФ «Сириус и выполнена (по отношению к операционной среде Windows) в настоящее время в среде заданного класса аппаратной платформы и программных CASE-средств, ГИС, SCADA-средств, SQL-серверов и систем объектно-ориентированного программирования.

В связи с этим, архитектура разрабатываемого приложения, представляется набором следующих компонентов:

-  процедуры прикладной обработки данных, построенные на базе формализованных знаний об объектах и процессах актуальных функциональных задач;

-  пользовательского интерфейса;

-  серверной реализации интегрированной Базы данных.

Необходимость создания ИГС ТГИД-05 была вызвана тем, что предыдущие версии данной информационной системы ППП. ТС 3.3, «Гидравлика», ИГС GID2005kz, не обладали возможностью контролинга текущего состояния теплоснабжающей системы на основе совместной обработки условно-постоянной и измеренной информации, определяющей и обеспечивающей основной экономический эффект.

Область применения ИГС ТГИД=05. Создание автоматизированных рабочих мест в центральных и районных диспетчерских службах, режимных службах, производственно-технических отделах энергетических компаний с совместной выработкой электрической и тепловой энергии, с возможностью интеграции со SСADA-системами, с автоматизированными системами учета энергоресурсов, с автоматизированными системами управления производством.

Назначение. Моделирование и пространственно-технологический анализ статических теплогидравлических режимов больших теплоснабжающих систем, с целью поддержки принятия решений по проведению наладочных и перспективных мероприятий, с возможностью контролинга рассчитанных и измеренных параметров работы системы в контрольных точках системы теплоснабжения.

Функциональные возможности:

-  синтез баз данных (геобазы объектов теплоснабжающей системы, базы технологических схем, базы текущих и накопленных измеренных параметров состояния теплоснабжающей системы, базы анимационных расчетных схем);

-  синтез сезонных и перспективных теплогидравлических режимов в условиях нормальной эксплуатации и аварийных ситуаций;

-  наладка сезонных теплогидравлических режимов систем переменной технологической структуры;

-  расчеты температурных графиков центрального регулирования;

-  визуализация параметров режима через цифровую оперативно-диспетчерскую схему теплоснабжающей системы на цифровом плане города;

-  анализ эксплуатационных или аварийных режимов по системе критериев режимного анализа;

-  информационные запросы по характеристикам используемого сетевого оборудования;

-  энергоаудит фактических и нормируемых показателей тепловых потерь через теплоизоляционные конструкции;

-  оценка состояния режимов теплоснабжающей системы методом анализа совместной обработки рассчитанной и измеренной информации;

-  мониторинг теплообеспеченности потребителей тепла;

-  мониторинг переключений и производственных работ;

-  мониторинг состояния оборудования и визуализация текущих значений измеренных параметров режима в реальном времени;

-  диспетчерское управление эксплуатацией теплоснабжающей системы;

-  системное администрирование.

База данных. База данных, как набор фактографических знаний, необходимых и достаточных для реализации функциональности системы, выполнен в расширенном формате. mdb, с использованием гибридной системы управления, представляющая собой объединение реляционной и объектно-ориентированной технологий гибридного типа. В отношениях хранятся атрибутивные и координатные характеристики объектов городской инфраструктуры, технологических схем теплоснабжающей системы, измеренных параметров состояния объектов технологических установок, цифровых технологических и анимационных схем.

Программно-аппаратная платформа. Программно-технический комплекс включает в себя пульты операторов для отдельных автоматизированных рабочих мест технологических служб на базе типовых ПК офисного исполнения, сервер БД, сетевую аппаратуру (сетевой коммутатор, шлюз или мост для связи с корпоративной сетью энергетического комплекса), сервер измеренной информации. Операционные системы пультов ориентированы на Windows NT Server, которая обеспечивает сетевое распределение ресурсов аппаратных платформ в режиме мягкого реального времени.

Внешний интерфейс. Визуализация объектов расчетной схемы теплоснабжающей системы выполнена посредством графических представлений со слоевой организацией:

-  слой теплопроводов и камер на топографической подложке (слой оперативно-диспетчерских схем);

-  слой расчетных схем технологических установок и теплопроводов;

-  слой статических технологических схем технологических установок;

-  слой анимационных пространственных схем технологических установок системы.

Организованы каскадные переходы между слоями. Слой теплопроводов и камер на топографической подложке может использовать геобазу в формате известных геоинформационных систем ArcView GIS, ArcInfo, MapInfo и др.

Для взаимодействия с реляционной базой данных предусмотрен объектно-ориентированный внешний интерфейс.

Средства поддержки принятия решений по проведению наладочных и перспективных мероприятий выполнены в разнообразных таблично-графических формах.

Список используемых источников

1.  , , Цок верхнего уровня АСУТП теплоснабжающих систем мегаполисов. // Материалы 5-ой международная научно-техническая конференция «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях». – Алматы. – 2006г.