ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ

ім. Г.Є. ПУХОВА

ЩЕРБАКОВА ІЛОНА ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 681.325

ПРИНЦИПИ ОРГАНІЗАЦІЇ ТА МЕТОДИ СИНТЕЗУ ІНТЕГРОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ КОМЕРЦІЙНОГО УПРАВЛІННЯ ЕЛЕКТРИЧНИМИ ОБ’ЄКТАМИ

Спеціальність 05.13.13 – Обчислювальні машини, системи та мережі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г. Є. Пухова Національної Академії наук України.

Науковий керівник

член-кореспондент НАН України

Євдокимов Віктор Федорович,

Інститут проблем моделювання в енергетиці

ім. Г.Є. Пухова НАН України, директор

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Мохор Володимир Володимирович,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

завідувач кафедри спеціального факультету;

кандидат технічних наук

Душеба Валентина Віталіївна,

Інститут проблем моделювання в енергетиці

ім. Г.Є. Пухова НАН України,

науковий співробітник.

Провідна установа

Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України.

Захист дисертації відбудеться “ 27 ” жовтня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.185.01 в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім.Г.Є.Пухова НАН України за адресою: 03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: 03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15.

Автореферат розісланий “ 29 ” квітня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.185.01,

кандидат технічних наук Семагіна Е.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Перехід економіки на ринкові відносини сприяв появі ринку електроенергії і, як наслідок, уведенню комерційних тарифів на споживання електроенергії, диференційованих по зонах доби. Особливістю таких тарифів є те, що вартість спожитої кіловатт-години електроенергії протягом доби змінюється. Це стало основою економічного стимулювання споживачів електроенергії для оптимізації режимів роботи енергосистеми шляхом мінімізації комерційної вартості електроенергії власного споживання і, відповідно, вирівнювання власного графіка навантаження.

Робота електричної галузі в умовах функціонування ринку електроенергії висуває підвищені вимоги до комп'ютерних систем комерційного обліку і керування споживанням електроенергії, а саме: точність представлення інформації, вірогідність представлення обмірюваних даних з їх повним дублюванням і верифікацією, одночасність представлення обмірюваної інформації з різних точок обліку, тобто синхронність виконання вимірів, порушення якої приводить до появи похибки розсинхронізації. Крім того, однією з найважливіших задач, що покладена на комп'ютерні системи, є забезпечення автоматизації взаєморозрахунків між учасниками ринку електроенергії відповідно до правил комерційного обліку, що регламентують права й обов'язки учасників, визначальними з яких є забезпечення погодинного оптового ринку.

У зв'язку з цим дуже актуальним стало питання організації автоматизованих комп'ютерних систем, що задовольняють вимогам ринку електроенергії і виконують, відповідно, функції комерційного обліку електроенергії по тарифах, диференційованих по зонах доби, на всіх рівнях виробництва, передачі і споживання електроенергії, проведення безупинної діагностики силового електричного устаткування, реєстрація доаварійних, аварійних і післяаварійних режимів, включаючи задачу визначення місця аварії, і формування керуючих впливів для регулювання або захисту устаткування у випадку аварійної ситуації з метою забезпечення стабільності роботи енергосистеми.

Існуючі засоби обліку і регулювання орієнтовані нерідко на рішення окремих локальних задач і відрізняються, як правило, принципами дії, метрологічними характеристиками, що приводить до багаторазового дублювання первинних даних, виникнення додаткових похибок і низки технічних проблем при об'єднанні їх у єдину систему керування. Бурхливий розвиток сучасних і перспективних комп'ютерних технологій забезпечив можливість автоматизації керування територіально-розподіленими об'єктами і став основою організації комп'ютерних інтегрованих систем комерційного управління електроспоживанням і забезпечення мінімізації комерційної вартості електроенергії.

Основою для рішення поставлених у дисертації задач стали роботи видатних учених: Г.Є.Пухова, А.К.Шидловського, Б.С.Стогнія, В.Ф.Євдокимова, О.Г.Додонова, О.В.Праховника, О.В.Кириленка, В.П.Боюна, А.В.Каляєва, В.Д.Самойлова, В.П.Тарасенка, О.С.Яндульського, В.О.Гінайла та ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до плану науково-дослідних робіт ІПМЕ НАН України і Київського університету економіки і технологій транспорту в рамках держбюджетних тем №0102U000639 “Розробка проблемно-орієнтованих апаратно-програмних засобів моделювання та керування в енергетиці”, №0102U000898 “Застосування паралельних комп'ютерів для розробки та симуляції цифрових спеціалізованих пристроїв енергетики”, №0101U000561 “Розробка принципів і методів організації перевізного процесу на залізницях України на базі комп'ютерних систем енергозбереження”, №0102U000709 “Розробка методів синтезу комп'ютерних систем технічного стану та екологічної безпеки електрообладнання тягових мереж залізниць”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка з єдиних інформаційних позицій сукупності принципів і методів синтезу спеціалізованих інтегрованих комп'ютерних систем комерційного керування електроспоживанням на основі уніфікованого середовища виміру первинних електричних даних, математичних моделей мінімізації комерційної вартості спожитої електричної енергії, моделей комп'ютерного визначення витрат на модифікацію технологічних процесів споживачів, що базуються на тарифах, диференційованих по зонах доби, і способів формування і передачі на всі рівні керування звітно-комерційної інформації.

Основні задачі наукового дослідження сформульовані і реалізуються в наступних напрямках:

- аналіз сучасного стану і тенденції розвитку функціонально-орієнтованих інтегрованих комп'ютерних систем комерційного керування споживанням електроенергії;

- формування сукупності принципів і методології синтезу спеціалізованих інтегрованих систем комерційного керування електроспоживанням;

- дослідження методів синтезу інтегрованих комп'ютерних систем комерційного керування та швидкодіючих контролерів для управління силовим електричним обладнанням і розробка ряду конкретних архітектурних реалізацій;

- проведення досліджень в області організації і керування базами даних систем комерційного обліку електроенергії і визначення необхідного рівня захисту комерційної інформації;

- на основі інтегрованих систем розробка математичних постановок задач мінімізації комерційної вартості спожитої електроенергії на базі тарифів, диференційованих по зонах доби;

- проведення комп'ютерного моделювання задач мінімізації комерційної вартості спожитої електроенергії із застосуванням різних моделей функціонування транспорту;

- розробка способів представлення комерційної і звітної інформації, орієнтованих на необхідні рівні керування;

- експериментальна оцінка ефективності використання отриманих результатів у територіально-розподілених системах електропостачання.

Об'єктом дослідження є функціонально-орієнтовані інтегровані комп'ютерні системи комерційного керування електроспоживанням територіально-розподілених електричних об'єктів.

Предмет дослідження – це сукупність принципів організації і методи синтезу спеціалізованих інтегрованих комп'ютерних систем, математичні моделі мінімізації вартості спожитої електроенергії на основі комерційних тарифів, методи комп'ютерного формування звітної і комерційної інформації і способи передачі її на всі рівні керування.

Методи дослідження. При вирішенні поставленої задачі застосовувалися методи системного аналізу, математичного моделювання, методи параметричного і структурного синтезу, методи імітаційного моделювання, теорії оптимізації, експериментальні дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів дисертації визначається наступними основними результатами:

? Сформульовано сукупність принципів організації і запропоновано методологію синтезу спеціалізованих інтегрованих комп'ютерних систем, що базуються на єдиному середовищі виміру первинної інформації і вперше зорієнтовані на комплексне рішення задач комерційного обліку електроенергії по тарифах, диференційованих за зонами доби, реєстрації аварійних режимів, діагностики технічного стану силового електричного устаткування.

? На основі сукупності принципів і запропонованої методології розроблені і досліджені методи синтезу функціонально-орієнтованих інтегрованих комп'ютерних систем, на базі яких вперше запропоновано ряд архітектурних реалізацій таких систем, орієнтованих на комплексне рішення задач диспетчерського керування електричними мережами, що відрізняються від відомих використанням уніфікованого мікропроцесорного середовища, яке дозволяє реєструвати первинні дані, формувати їх як загальносистемні і корегувати похибки виміру.

? Запропонована організація спеціалізованої бази даних для інтегрованих комп'ютерних систем комерційного керування електроспоживанням, розроблена структура інформаційних потоків, розроблено алгоритми і їх програмна реалізація, адаптовані до компонентів системи. Отримано обґрунтовані оцінки рівня захищеності комерційної інформації.

? Розроблені методи організації швидкодіючих контролерів, орієнтованих на сучасні інтегральні технології, в яких раціонально сполучені і розподілені функції між паралельними ЗВІС-процесорами й мікропроцесорними засобами обробки інформації, що дає змогу сформувати сигнали керування за один цикл.

? Для задач керування електроспоживанням на основі тарифів, диференційованих за зонами доби, проведені дослідження і вперше запропоновано ряд математичних моделей мінімізації комерційної вартості спожитої електроенергії, що призначені для організації вантажних і пасажирських залізничних перевезень з різними вихідними умовами. Визначено матеріальні витрати, пов’язані зі зміною існуючого графіка руху потягів, і наведені моделі, що вперше дають змогу керувати енергоспоживанням, не виходячи з заданих обмежень графіка навантажень.

Вірогідність отриманих результатів підтверджується узгодженістю проведених теоретичних досліджень, комп'ютерного моделювання з результатами експериментальних досліджень, а також впровадженням і дослідною експлуатацією інтегрованих комп'ютерних систем.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи полягає в наступному:

– розроблена інженерна методика дозволила синтезувати функціонально-орієнтовану інтегровану комп'ютерну систему і швидкодіючі контролери для комерційного керування електроспоживанням залізничного транспорту;

– результати проведених досліджень впроваджені на Південно-Західній залізниці при організації корпоративної комп'ютерної системи комерційного обліку і керування споживанням електроенергії, а саме: розроблені алгоритми і програмні модулі для мінімізації комерційної вартості електроенергії на основі тарифів, диференційованих по зонах доби, і пакети тестових програм для проведення контролю їх функціонування, а також запропоновані алгоритм і програмний модуль формування звітної інформації з можливістю передачі її на всі рівні керування.

Особистий внесок здобувача. У спільних публікаціях дисертанту належать: розробка методології синтезу спеціалізованих інтегрованих комп'ютерних систем, що реалізують з єдиних інформаційних позицій комерційне керування й облік спожитої електроенергії на основі тарифів, диференційованих по зонах доби [2,4]; ряд конкретних архітектурних реалізацій таких систем [15-18]; математичні моделі і методи, що дозволяють мінімізувати комерційну вартість електроенергії [5,6,7]; організація спеціалізованої бази даних [8]; алгоритми і програми для проведення експериментів, тестового контролю і визначення оцінки захисту комерційної інформації [5,9].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й одержали позитивну оцінку на наступних Науково-технічних конференціях:

– ХХП Науково-технічна конференція “Моделювання” Національна Академія наук України, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова, м. Київ, Україна, 9-10 січня 2003 р.;

– XVI Міжнародна науково-технічна конференція “Перспективні інформаційно-керуючі системи на залізничному, промисловому і міському транспорті” м. Алушта, Україна 15-20 вересня 2003 р.;

– XVII Міжнародна науково-технічна конференція “Перспективні інформаційно-керуючі сис-теми на залізничному, промисловому і міському транспорті” м. Алушта, Україна 20-25 вересня 2004 р.;

– V Міжнародна науково-технічна конференція АВІА-2003, 70-річчя Національного Авіаційного Університету, м. Київ, Україна, 23-25 квітня 2003 р.;

– Науковий семінар відділу розрядно-аналогового моделювання ІПМЕ НАН України.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 14 наукових робіт, в тому числі 10 робіт – у фахових виданнях за переліком, затвердженим ВАК України, 4 – в матеріалах міжнародних науково-технічних конференцій. Крім того, отримано 4 Деклараційні патенти України на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і чотирьох додатків. Обсяг основної частини складає 148 сторінок. У роботі приведено 39 ілюстрації, 21 таблиць, 5 графіків, список використаних джерел містить 63 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність напрямку досліджень, відбито зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету і задачі досліджень, показано наукову новизну отриманих результатів і практичну цінність роботи, наведено відомості про апробацію результатів і їх впровадження.

У першому розділі проведено аналіз сучасних методів і засобів комерційного керування споживанням електричної енергії, розглянуті питання організації комерційних тарифів, диференційованих по зонах доби, як основи стимулювання збільшення ефективності роботи енергосистеми шляхом регулювання графіків навантажень електроспоживання, намічені шляхи дослідження і викладені концептуальні основи організації інтегрованих комп'ютерних систем.

В запропонованій структурі організації таких систем первинна інформація про об'єкт управління, який включає силове електроустаткування|електрообладнання| і електричні мережі, формується з|із| єдиних позицій за допомогою уніфікованого середовища|середи| вимірювання у вигляді набору аналогових і дискретних сигналів.|сіті| |виміру||вимірів|Первинна інформація є|з'являється,являється| загальносистемною|спільною| для комерційного обліку електроенергії, відтворення доаварійних і аварійних режимів, знаходження|находити| відстані до місця аварії, безперервної діагностики електроустаткування і мікропроцесорного захисту обладнання.

Сформульовано сукупність принципів організації інтегрованих систем, що містить такі принципи, як принцип єдиного інформаційного простору, верифікації й архівації первинних даних без зміни і корекції, багатофункціональності передачі даних, уніфікованих протоколів зв'язку й обміну інформацією й ін. Відповідно до принципів інтегрована система комерційного керування представляється багаторівневою. Перший рівень являє собою методи і засоби організації первинного виміру потоків електроенергії. Організація системи концентрації інформації від груп первинних вимірників електроенергії, об'єднаних по територіальній ознаці, обробка її і збереження провадиться на другому рівні чи рівні користувача. Комерційне керування споживанням електроенергії, що об'єднує рівні виміру і концентрації об'єкта обліку електроенергії, відбувається на третьому або локальному рівні. Ці три рівні базуються на принципах верифікації, архівації і криптозахисту виміру даних. Далі представляється інтегрована система регіонального і центрального рівнів, що базується в основному на принципах уніфікації протоколів обміну і багатофункціональності системи передачі інформації.

В цьому ж розділі запропоновано методологію синтезу інтегрованих комп'ютерних систем комерційного керування електроспоживанням.

Під терміном “комерційне керування електроспоживанням” в рамках дисертаційної роботи розуміється сукупність цілеспрямованих дій, що включає: зчитування первинної технологічної і комерційної інформації; вироблення керуючих впливів на основі отриманої інформації з урахуванням комерційних тарифів та інших нормативних обмежень, обумовлених ринком електроенергії; практичну реалізацію цих впливів на об’єкт управління з метою поліпшення надійності і безпеки руху, а також підвищення економічної ефективності.

Узагальнений підхід полягає в наступному. На базі сукупності математичних моделей, таких як мінімізація комерційної вартості потоків електроенергії, моделей захисту від несанкціонованого доступу до комерційної інформації, моделей діагностики і прогнозу технічного стану електричного устаткування тягових підстанцій, формується сукупність алгоритмів і комплекс апаратно-програмних засобів, об'єднаних за допомогою уніфікованого середовища виміру первинної електричної інформації.

Розглянуто організацію архітектури корпоративної інтегрованої системи комерційного керування електричними мережами й об'єктами залізниць. Вона призначена для комплексного вирішення задач економічного, технологічного, експлуатаційного і диспетчерського керування, включаючи питання оптової купівлі, споживання і постачання електроенергії в масштабі галузі. Викладено питання й узагальнені математичні моделі мінімізації комерційної вартості спожитої електроенергії.

В другому розділі досліджені та запропоновані методи синтезу і конкретна архітектурна реалізація інтегрованої комп'ютерної системи комерційного обліку і керування електроспоживанням територіально-розподілених об'єктів. Особливістю системи є те, що вона включає набір комп'ютерних систем, функціонально орієнтованих на вирішення комплексу задач комерційного керування.

Вони об'єднані на основі загального середовища первинного виміру електричної інформації, яке використовується для забезпечення надійності роботи енергетичних об'єктів, що досягається шляхом відтворення з єдиних інформаційних позицій таких функцій, як комерційний облік (СКОЕ), реєстрація доаварійних, аварійних і післяаварійних режимів (СРПР) синхронно з роботою захисту, визначення місця аварії, безупинна діагностика і прогноз технічного стану силового електроустаткування (СДП), поліпшення якості спожитої електроенергії, вироблення керуючих впливів і надання комп'ютерної й аварійної інформації на всі рівні керування. Обмін інформацією в інтегрованих комп'ютерних системах здійснюється в реальному часі процесу споживання електроенергії між різними споживачами й ієрархічними рівнями керування, що дозволяє поліпшити не тільки якість керування, але й ефективність функціонування електричної мережі. Приведено архітектурну реалізацію мікропроцесорного середовища реєстрації первинної інформації для комерційного керування електричними об'єктами, що забезпечує корекцію похибки виміру, а це істотно збільшує точність і надійність роботи.

Викладено способи організації і керування базою даних систем комерційного керування електроспоживанням. База даних про енергоспоживання міс-тить докладну інформацію щодо компонентів системи з описом їх основних параметрів, включаючи перелік тарифних зон і погодинні коефіцієнти вартості енергії, необхідні для підрахунку вартості спожитої електроенергії. В базі даних є журнал збоїв і помилок, що виникають в системі, а також опис усіх передбачених подій, що фіксуються. Важливим елементом системи керування базою даних є підсистема збору й обробки інформації. В цій підсистемі є дві головні функції. Це ав-томатичний збір даних про споживання активної і реактивної енергії, а також потужності в багатотарифному режимі з первинних приладів обліку з певною періодичністю. Передбачена функція контролю працездатності системи і видачі діагностичних повідомлень, оскільки саме при опитуванні зручно проводити перевірку роботи лічильників. Крім цього, є підсистема конфігурації параметрів, що виконує декілька функцій, таких як реплікація бази даних, ретроспектива її та резервне копіювання.

Запропоновано методи організації швидкодіючих контролерів для керування електричними об'єктами. В основу їх організації покладене використання спільних властивостей математичних моделей електричних об'єктів, алгоритмів, що їх відображають, обчислювальних структур і сучасних інтегральних технологій їх виготовлення. На основі бінарної інтерпретації математичних моделей запропоновані архітектурні рішення швидкодіючих контролерів, орієнтованих на сучасні ЗВІС-технології, що дозволяють обробляти інформацію, яка надходить від об'єкта, і видавати набір керуючих сигналів за один цикл роботи. Обґрунтовані вирази, що дозволяють оцінити рівень захисту комерційної інформації в інтегрованих системах про комерційний облік електроенергії, ці моделі базуються на теорії нечітких множин.

У третьому розділі на базі розроблених інтегрованих систем викладені математичні моделі і методи мінімізації комерційної вартості спожитої електроенергії. Орієнтований граф G призначення вагонопотоків представлено у вигляді матриці суміжності з n вершинами (станціями) C=(cij, (i,j) G), cij - це час знаходження потягу в дорозі між станціями i, j. Кожному тарифу i відповідає інтервал часу за правилом 1 1 =[0,t1], ... , k k=[tk-1, 24]. Позначимо tpr(i) - час прибуття потягу на станцію i; tv(i) - час відправлення потягу зі станції i; Аi - сумарний час перебування в дорозі потягів в часовому інтервалі i. Будемо вважати, що затримки потягів на станції i обмежені заданою величиною . Це означає, що 0<=(i)<=, i=r+1,r+2,..,m, (i)=0, і=1,2,…,r. Нехай =((r+1),(r+2),...,(m)). Тоді

Аi=fi[,,i,{ni,tij,i=1,2,..,r,(i,j)G}, {tv(i),tpr(j),tv(i)i, tpr(j)i, kj, k, j=r+1,r+2,…,m}]

Функція fi в загальному випадку є алгоритмом, за допомогою якого можна знайти Аi.

Модель 1. Будемо вважати, що затримки (i), i= r+1,r+2,…,m не залежать одна від одної. Потрібно знайти вектор , що мінімізував би критерій:

F(A, , k) = А1 1 + А22 + . . . + Аkk (1)

Модель 2. Розглянемо випадок, коли затримка на станції i залежить від затримок на інших станціях. Це означає, що існують такі функції i, i=r+1,..,m, що (i)=i((r+1),(r+2),...,(m)).

Потрібно знайти вектор , компоненти якого мають вигляд, що мінімізує критерій (1).

Модель 3. Розглянемо випадок, коли затримка на станції i залежить від часу. Це означає, що існують такі функції i , i=r+1,r+2,…,m, що (і)= i (t), 0 t 24. Потрібно знайти вектор = (r+1 (t), r+2 (t),..., m (t)), що мінімізує критерій (1).

Модель 4. Нехай потяги мають пріоритети. Тоді вектор пріоритетів запишемо у вигляді =( (1), (2), ..., (p)) , 0 (i) 1. Якщо потяг без пріоритету, то (i)=0. Найвищий пріоритет дорівнює 1. Розглянемо випадок, коли затримка (i,j) потягу на станції i залежить від пріоритету потягу j. Це означає, що існують такі функції i, i=r+1,r+2,…,m, що (i,j) = i((j)), j=1,2,…,p. Замість вектора , як було в попередніх моделях, отримаємо матрицю затримок:

=

Потрібно знайти матрицю , що мінімізує критерій (1).

Модель 5. Можливості накопичування вагонів на кожній станції обмежені. Нехай w(i) - найбільша кількість вагонів, які можуть знаходитися на проміжній станції i. Тоді буде існувати залежність затримки на станціях i від величини w(i). Цю залежність визначимо у вигляді функцій r+1 ,r+2 ,...,m, при цьому (і)=i (i, w(i)), i=r+1,r+2,…,m. Потрібно знайти вектор =( r+1(r+1, w(r+1)), r+2(r+2, w(r+2)), …, m(m, w(m))), що мінімізує критерій (1).

Модель 6. В розглянутих раніше моделях тарифи i ні від чого не залежать. Розглянемо той випадок, коли збільшення тарифної ставки за електроспоживання в який-небудь інтервал часу може призвести до зниження цієї ставки в інший інтервал часу. Це означає, що існують такі функції 1, 2 ,..., k, що i =1 (1, 2, .., k), i=1,2,…,k, k при цьому відомо. Задача в цьому випадку буде звучати так: для відомих функцій 1, i=1,2,...,k та відомих коефіцієнтів Аj, j=1,2,…,k необхідно знайти такі 1, 2, .., k , щоб критерій А11 (1, 2, .., k) + А22 (1, 2, .., k) + . . . + Аkk (1, 2, .., k) був мінімальним.

Модель 7. Нехай k фіксована величина. Розглянемо розбиття часового інтервалу [0,24] на k підінтервалів [0,24]=[0,t][t,t]…[tk-1, 24]. Припустимо, що відомі тарифні коефіцієнти і, i=1,2,...,k, затримки (i), i=r+1,r+2,…,m. Потрібно визначити, якими повинні бути t1 ,t2 ,…,tk-1, а також залежні від них Аi, i=1,2,...,k, щоб критерій (1) був мінімальним.

Питання, пов'язані з мінімізацією комерційної вартості спожитої електроенергії, асоціюються в основному зі зміною послідовності технологічних процесів, зокрема зі зміною графіка руху потягів при організації перевезень, що, у свою чергу, пов'язано з додатковими витратами. Розглянемо методи визначення витрат при зміні графіка руху потягів.

Сумарна вартість ОE спожитої електроенергії протягом доби k потягами може бути представлена виразом: ОE = , k = k+ k+k, де k1, k3 – кількість потягів, що відправляються в часових інтервалах та відповідно; k2 – кількість денних потягів; d, n – вартість електроенергії, що споживається одним денним та одним нічним потягом відповідно; 1 – інтервал руху потягів; 2 – час проїзду між станціями. Представимо: k, – це кількість денних потягів, є k2, які потрібно відправити раніше і зробити нічними для відправлення в інтервалі ; – кількість потягів, які потрібно відправити вдень, є k2; – кількість денних потягів, є k2, які потрібно відправити пізніше в інтервалі . Комерційна вартість спожитої електроенергії за новим розкладом представляється, як О = , , , де – мінімальний допустимий інтервал між двома потягами. Загальні затрати З визначаються, як сума З=ЗЗ2, де З1 = з, З2=з= з, , 0; з1, з2 – сумарна вартість витрат, пов'язана зі зміною руху при відправленні і раніше та пізніше відповідно. Різниця між вартістю електроенергії ОE до зміни розкладу руху і вартістю О за новим розкладом, включаючи витрати З, представляються виразом:

=(.

Крім цього, в третьому розділі також викладені питання погодинної мінімізації комерційної вартості електроенергії на основі попередження перевищення графіка навантажень. Розглянуто способи формування звітно-комерційної інформації про спожиту електроенергію, завдяки яким відкривається можливість створювати комплекти документів необхідної форми по окремих об'єктах обліку і їх групах заданої конфігурації за звітний період.

У четвертому розділі сформульовані раніше сукупність принципів і методологія синтезу використані в розробці корпоративної системи комерційного керування для Південно-Західної залізниці. Приводяться результати експериментальних досліджень інтегрованих комп'ютерних систем комерційного обліку електроенергії на залізниці, представлені конкретні архітектурні реалізації, графіки і таблиці, що відображають роботу системи. Наприклад, табл.1 і рис.1 ілюструють результати споживання активної і реактивної електроенергії по тяговій підстанції за добу з дискретністю в 1 годину.

Аналогічно споживання активної і реактивної електроенергії по тяговій підстанції за місяць з дискретністю в 1 добу представлене в табл.2 і на рис.2.

На основі запропонованих математичних моделей наводяться результати моделювання графіків руху потягів і варіанти його зміни з урахуванням комерційних тарифів. У результаті моделювання отримані вирази, які дозволяють мінімізувати комерційну вартість електроенергії, що споживається на тягу, завдяки варіації в деякому діапазоні окремих параметрів процесу керування перевезеннями. Проведено визначення величини матеріальних витрат, повязаних із зміною існуючого графіка, що враховує ряд технічних обмежень. Наведено алгоритми і програми для визначення мінімальної вартості електроенергії, що досягається при керуванні електроспоживанням в умовах дотримання у рамках заданих обмежень графіка навантажень, що відкриває можливість здійснення погодинної оптимізації і вирівнювання власного графіка навантажень для диспетчерського центру Південно-Західної залізниці. Для цього центру розроблено програмний модуль формування звітної і комерційної документації, результати роботи якого наведено одним із графіків на рис.3.

Модуль дозволяє формувати комплекти документів, які відповідають вимогам ринку електроенергії як по окремих об'єктах обліку, так і по їх групах. Приведено результати досліджень і тестування програмних модулів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розроблені та досліджені нові методи і програмно-апаратні засоби організації функціонально-орієнтованих інтегрованих комп'ютерних систем і технологій обробки інформації комерційного керування електроспоживанням на основі тарифів, диференційованих за зонами доби. На основі проведених досліджень отримані наступні основні результати:

1. Проведено аналіз сучасних і перспективних інформаційних комп'ютерних технологій, орієнтованих на комерційне керування електроспоживанням, завдяки чому визначені напрямки дослідження, запропоновані концептуальні основи організації спеціалізованих інтегрованих комп'ютерних систем і на їх базі - шляхи мінімізації комерційної вартості електроенергії з урахуванням комерційних тарифів, можливих змін технології електроспоживання і додаткових витрат, необхідних для їх модифікації.

2. Сформульовано сукупність принципів організації і запропоновано методологію синтезу спеціалізованих інтегрованих комп'ютерних систем, що базуються на єдиному середовищі виміру первинної інформації і вперше зорієнтовані на комплексне рішення задач комерційного обліку електроенергії по тарифах, диференційованих за зонами доби, реєстрації аварійних режимів, діагностики технічного стану силового електричного устаткування.

3. На основі сукупності принципів і запропонованої методології синтезу розроблені і досліджені методи синтезу функціонально-орієнтованих інтегрованих комп'ютерних систем. Завдяки розробленим методам вперше запропоновано ряд архітектурних реалізацій спеціалізованих інтегрованих комп'ютерних систем, орієнтованих на комплексне рішення задач диспетчерського керування електричними мережами. Такі системи відрізняються від відомих використанням уніфікованого мікропроцесорного середовища, що дозволяє реєструвати первинні дані, формувати їх як загальносистемні і корегувати похибки виміру.

4. Запропонована організація спеціалізованої бази даних для інтегрованих комп'ютерних систем комерційного керування електроспоживанням, розроблена структура інформаційних потоків, розроблено алгоритми і їх програмна реалізація, адаптовані до компонентів системи для мінімізації комерційної вартості спожитої електроенергії і формування звітно-комерційної документації. Отримано обґрунтовані оцінки рівня захищеності комерційної інформації.

5. Розроблені методи організації швидкодіючих контролерів, орієнтованих на сучасні інтегральні технології, в яких раціонально сполучені і розподілені функції між паралельними ЗВІС-процесорами й мікропроцесорними засобами обробки інформації, що вперше дає змогу сформувати сигнали керування за один цикл в реальному часі.

6. Для задач керування електроспоживанням на основі тарифів, диференційованих за зонами доби, проведені дослідження і вперше запропоновано ряд математичних моделей мінімізації комерційної вартості спожитої електроенергії, що призначені для організації вантажних і пасажирських залізничних перевезень з різними вихідними умовами. Визначено матеріальні витрати, пов’язані зі зміною існуючого графіка руху потягів, і наведені моделі, що вперше дають змогу керувати енергоспоживанням, не виходячи з заданих обмежень графіка навантажень.

7. На базі розроблених математичних моделей проведені комп'ютерні розрахунки мінімізації комерційної вартості електроенергії, спожитої на тягу: до зміни існуючого розкладу руху потягів, з урахуванням витрат на зміну графіка руху, а також при умові дотримання обмежень встановленого графіка навантажень для споживача.

8. На основі проведених досліджень були розроблені і впроваджені: спеціалізована інтегрована комп'ютерна система комерційного керування споживанням електроенергії на дистанції електропостачання Південно-Західної залізниці; програмний модуль оптимізації електроспоживання при умові дотримання у рамках обмежень графіка навантажень; програмний модуль формування звітних документів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. И.А.Стасюк. Математические модели оптимизации электропотребления по дифференцированным коммерческим тарифам // Моделювання та інформаційні технології. / Зб. наук. праць ІПМЕ НАН України. – Вип. 2. – К.: – 1999. – с.147-150.

2. А.И.Стасюк, И.А.Стасюк. Компьютерные методы моделирования и оптимизации потребления стоимости электроэнергии по дифференцированным тарифам // Моделювання та інформаційні технології. / Зб. наук. праць ІПМЕ НАН України. – Вип. 1. – Львів: “Світ”. – 1999. – с.3-6.

3. И.А.Стасюк. Методы организации быстродействующих контроллеров // Моделювання та інформаційні технології. / Зб. наук. праць ІПМЕ НАН України. – Вип. 14. – К.: – 2002. – с.56-64.

4. Б.С.Стогний, М.Ф.Сопель, А.И.Стасюк, И.А.Стасюк. Методы организации интегрированных компьютерных систем коммерческого управления электрическими объектами // Зб. наук. праць ІПМЕ НАН України. – Вип.17. – К.: – 2002. – с.3 - 12.

5. І.О.Стасюк, О.М.Поган. Методи оптимізації вартості електроенергії на основі комерційних тарифів // Зб. наук. праць ІПМЕ НАН України. – Вип. 20. – К.: – 2003. – с.21 – 27.

6. Т.А.Бурдюк, И.А.Щербакова. Математические модели и методы минимизации коммерческой стоимости потребляемой электроэнергии на основе тарифов, дифференцированных по зонам суток // Электронное моделирование. – 2004. – Т.26. – №2. с.79-88.

7. Т.А.Бурдюк, И.А.Щербакова. Математические модели компьютерного определения затрат при изменении графика расписания поездов на основе дифференцированных коммерческих тарифов на электроэнергию // Электронное моделирование. – 2004. – Т.26. – №6. – с.101-111.

8. І.А.Жуков, О.В.Іванкевич, І.О.Щербакова. Використання систем обробки великих баз даних на підприємствах обліку енергоспоживання // Інформаційно-керу-ючі системи на залізнич-ному транспорті. – 2004. – №3. – с.75-79.

9. А.Г.Корченко, И.А.Щербакова, Н.В.Семенова, Н.О.Ковзель. Нечеткие модели оценки уровня защищенности коммерческой информации в системе учета электроэнергии // Інформаційно-керу-ючі системи на залізнич-ному транспорті. – 2005. – №1-2. – с.75-79.

10. И.А.Щербакова. Интегрированные компьютерные системы коммерческого управления территориально-распределенными электрическими объектами // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. – 2005. – № 3. – с.8-14.

11. І.О.Стасюк. Методи оптимізації енергоспо-живання // V Міжнар. наук.-техн. конф. “АВІА-2003” 23-25 квітня 2003. – К.: НАУ, 2003. – Т.1. – с.14.17-14.20.

12. Т.О.Бурдюк, І.О.Стасюк. Комп'ютерні методи мінімізації комерційної вартості електроенергії // XVI Міжнар. наук.-техн. конф. “Перспективные информационно-управляющие системы на железнодорожном, промышленном и городском транспорте”, 2003. – Алушта.: УДАЗТ, 2003. – с.25.

13. И.А.Стасюк. Компьютерные системы коммерческого учета и управления потреблением электроэнергии территориально распределенных объектов // ХХІІ Наук.-техн. конф. “Моделювання” 2003. – К.: ІПМЕ НАН України, 2003. – с.8.

14. И.А.Щербакова. Интегрированные компьютерные системы коммерческого управления электрическими объектами // XVII Міжнар. наук.-техн. конф. “Перспективные информационно-управляющие системы на железнодорожном, промышленном и городском транспорте” 2004. – Алушта.: УДАЗТ, 2004. – с.85.

15. Декл. пат. 61758А України, МКІ G06F17/20. Комп'ютерна система комерційного обліку електроенергії, реєстрації аварійних режимів та проведення безперервної діагностики електричного обладнання тягових підстанцій. Б.С.Стогній, М.Ф.Сопель, В.Л.Тутик, М.О.Ковзель, Н.В.Семенова, І.О.Стасюк, А.В.Гінайло, М.В.Мартинюк. Заявл. 14.04.2003; Надрук. 17.11.2003. Бюл. № 11. – 22 с.; іл. 8.

16. Декл. пат. 59594А України, МКІ G06F17/00. Комп'ютерна система безперервної діагностики і прогнозу технічного стану електричного обладнання тягових підстанцій залізниць. Б.С.Стогній, А.В.Слободян, В.О.Сухомлінов, М.Ф.Сопель, М.О.Ковзель, В.Л.Тутик, І.О.Стасюк, О.І.Стасюк. Завл. 27.09.2002; Надрук. 15.09.2003. Бюл.№9. – 9 с.; іл.2.

17. Декл. пат. 67530А України, МКІ G06F 17/20. Комп’ютерна система безперервної діагностики ходових частин швидкісного рухомого складу залізниць. М.І.Сергієчко, Н.О.Ковзель, А.П.Зубко, Б.Я.Остапюк, М.Б.Кельрих, Н.В.Семенова, І.О.Стасюк, М.І.Шпеко. Заявл.; Надрук. 15.06.2004. Бюл.№ 6. – 13 с.; іл.4.

18. Декл. пат. 50963А України, МКІ G06F15/18, G01D4/00. Комп'ютерна інформаційно-діагностична система компресорних станцій газопостачальної системи України. Б.С.Стогній, М.Ф.Сопель, В.М.Коломеєв, М.О.Демченко, М.О.Ковзель, І.О.Стасюк. Заявл. 17.10.2001; Надрук. 15.11.2002; Бюл. № 11. – 10с.; іл.4.

Анотації

Щербакова І.О. Принципи організації та методи синтезу інтегрованих комп'ютерних систем комерційного управління електричними об'єктами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.13 – “Обчислювальні машини, системи та мережі” – Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, Київ, 2005.

В дисертаційній роботі розроблені та досліджені нові методи і програмно-апаратні засоби організації функціонально-орієнтованих інтегрованих комп'ютерних систем і технологій обробки інформації комерційного керування електроспоживанням на основі тарифів, диференційованих за зонами доби. Сформульовано сукупність принципів організації і методологію синтезу інтегрованих комп'ютерних систем і, на їхній базі, розроблений ряд конкретних архітектурних реалізацій. Викладено способи організації і керування базою даних і приведені вирази для оцінки рівня захищеності комерційної інформації. Розглянуто методи організації швидкодіючих контролерів, орієнтованих на сучасні інтегральні технології. Приведено дослідження в області мінімізації комерційної вартості спожитої електроенергії, розроблено ряд математичних моделей задач призначення руху потягів, запропонована математична модель, орієнтована на мінімізацію комерційної вартості спожитої електроенергії з урахуванням величини матеріальних витрат, необхідних для зміни існуючого графіка руху. Проведено комп'ютерне моделювання графіків і викладені способи і програмні засоби формування звітно-комерційної інформації про спожиту електроенергію.

Ключові слова: інтегровані комп'ютерні системи, математична модель, комп'ютерні технології, комерційні тарифи, електроспоживання, оптимізація.

Щербакова И.А. Принципы организации и методы синтеза интегрированных компьютерных систем коммерческого управления электрическим объектами. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.13 – “Вычислительные машины, системы и сети” - Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.Е. Пухова НАН Украины, Киев, 2005.

В диссертационной работе разработаны и исследованы новые методы и программно-аппаратные средства организации функционально-ориентированных интегрированных компьютерных систем и технологий обработки информации коммерческого управления электропотреблением на основе тарифов, дифференцированных по зонам суток. На базе проведенного анализа современных и перспективных компьютерных технологий разработаны концептуальные основы организации интегрированных компьютерных систем, сформулирована совокупность принципов организации и предложена методология синтеза и, на их основании, намечены пути минимизации коммерческой стоимости электроэнергии. Предложен ряд конкретных архитектурных реализаций интегрированных компьютерных систем коммерческого управления потреблением электроэнергии территориально-распределенными объектами, изложена методика организации и управления базой данных и приведены выражения для оценки уровня защищенности коммерческой информации. Для управления технологическими процессами функционирования электрических объектов предложены методы организации быстродействующих контроллеров, ориентированных на современные интегральные технологии. В работе приведены исследования в области минимизации коммерческой стоимости потребляемой электроэнергии на основе разработанных специализированных интегрированных компьютерных систем, благодаря чему на базе неориентированных графов, определяющих конфигурацию железных дорог и представленных в виде матрицы смежности, сформулирована постановка задачи назначения вагонопотоков для организации грузовых и пассажирских железнодорожных перевозок. Разработан ряд математических моделей задач назначения движения поездов с учетом зависимых друг от друга или независимых задержек на станциях, возможностей накопления вагонов в пунктах обслуживания, приоритетов поездов, а также ограничения, которые определяются коммерческими тарифами потребляемой электроэнергии на тягу. Разработана и предложена математическая модель, ориентированная на минимизацию коммерческой стоимости потребляемой электроэнергии с учетом величины материальных затрат, необходимых для изменения существующего графика движения поездов, и получены выражения, позволяющие оценить суммарные расходы на электроэнергию, связанные с изменением графика и с учетом ограничений на технические возможности железных дорог. На базе предложенной математической модели сформулирована задача минимизации затрат на потребляемую электроэнергию по коммерческим тарифам путем изменения существующего графика движения поездов, рассмотрены вопросы минимизации коммерческой стоимости электроэнергии на основе управления энергопотреблением путем предупреждения превышения графика нагрузок потребителя. Проведено компьютерное моделирование графика движения поездов и его изменения с учетом коммерческих тарифов, дифференцированных по зонам суток, получены выражения, открывающие возможность минимизировать стоимость потребляемой электроэнергии. Предложены способы и программные средства формирования отчетно-коммерческой информации о потребляемой электроэнергии. Результаты проведенных исследований внедрены в производство.

Ключевые слова: интегрированные компьютерные системы, математическая модель, компьютерные технологии, коммерческие тарифы, потребление электроэнергии, оптимизация.

Shcherbakova I.O. Principles of organization and methods of synthesis for the integrated computer systems of electric object commercial control. – Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Technical Science Candidate by a specialty 05.13.13 – Computers, Systems and Networks. – G.E. Pukhov’s Institute of Simulation Problems in the Energetic, National Academy of Sciences, Ukraine. Kyiv, 2005.

The new function-oriented integrated computer systems organization methods and firmware were developed and investigated in the dissertation. They are oriented also on the technologies of power consumption commercial control processing of information, based on the tariffs varied by day zones. The principles of organization aggregation and methodology of synthesis for the integrated computer systems were proposed. On this basis there was developed a number of specific circuit realization.

During the accomplishment of the work the strategy of database organization and control were expounded. The expressions for commercial information safety level evaluation were set forth. There were considered the methods of fast-operate controllers’ organization, oriented on the modern integrated technologies. The investigations in the sphere of consumed electric power commercial cost minimization were produced. A development of a number of train traffic settings mathematical models took place, a mathematical model, directed toward the consumed electric power commercial cost minimization, taking into account material costs, required for existent train time-table changes, was proposed. Graph computer modelings were put into practice, methods and program tools for the forming of consumed electric power accounting documents were stated.

Key words: integrated computer systems, mathematical model, computer technologies, commercial tariffs, electric power consumption, optimization.