Мониторинг и анализ эксплуатационных режимов объектов-потребителей тепловой энергии

Бабенко В.Н, , Кузнецов Р.С. , Орлов С.И., Чипулис В.П. МОНИТОРИНГ И АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ ОБЪЕКТОВ-ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ.

Введение

Существенным моментом при эксплуатации объектов тепло-, водоснабжения (ОТВС) до недавнего времени являлся явный дефицит установленных контрольно-измерительных приборов, что в значительной степени ограничивало возможности наблюдения за поведением таких объектов и управления ими. Однако в последние годы ситуация существенно изменилась. Экономические предпосылки вынуждают поставщиков и потребителей тепловой энергии и воды активно внедрять системы учета (в основном коммерческого, реже технологического) и регулирования, в состав которых входят средства измерения, имеющие память и интерфейс для связи с компьютером. Все это создает предпосылки для автоматизации процессов наблюдения и управления ОТВС. Объединение измерительных систем учета последнего поколения и компьютерных технологий создает предпосылки для качественного решения широкого круга задач, таких как визуализация данных измерений в наглядной форме (графики, таблицы), подготовка отчетов в теплоснабжающие организации, выявление нештатных ситуаций, обеспечение надежных и энергосберегающих режимов эксплуатации объектов и т.д. Понятно, что создание подобных комплексов имеет хорошие перспективы развития, поскольку позволяют получить данные о техническом состоянии и режимах функционирования ОТВС в реальном времени, своевременно выявлять нештатные, критические и предотвращать аварийные ситуации. И все это в удобной для пользователя данной системы форме.

Следует отметить, что программное управление процессами сбора и обработки результатов измерений параметров объектов ОТВС, включающих совокупность разнотипных (в том числе и по форматам архивируемых данных) контрольно-измерительных приборов, коммуникационных средств передачи данных в базовый компьютер и распространения их по локальной сети, является, безусловно, нетривиальной задачей, что накладывает особый отпечаток на разработку подобных систем.

В лаборатории технической диагностики института автоматики и процессов управления ДВО РАН разработана и эксплуатируется при обслуживании ОТВС информационно-аналитическая система оперативного наблюдения и анализа (СОНА) ретроспективной информации о режимах функционирования ОТВС [1,2].

СОНА представляет собой программно-технический комплекс, включающий в себя:

технические средства, предназначенные для сбора, передачи в компьютер и обработки информации со средств измерений, установленных на ОТВС;

программные средства для выработки заключений о техническом состоянии ОТВС и средств измерений, а также рекомендаций по управлению ОТВС;

информационное обеспечение наблюдения и анализа, основой которого является база данных, содержащая информацию обо всех обслуживаемых ОТВС и данные результатов измерений.

Система предназначена для решения следующих основных задач:

получение достоверных данных о гидравлических и тепловых режимах функционирования ОТВС; обеспечение ресурсосберегающих режимов функционирования ОТВС;

своевременное выявление нештатных, критических и предупреждение аварийных ситуаций, возникающих при эксплуатации ОТВС;

упорядочение экономических взаимоотношений между поставщиками и потребителями тепловой энергии и воды, наблюдение за исполнением договорных обязательств, разрешение конфликтных ситуаций;

сокращение эксплуатационных расходов на поддержание работоспособности ОТВС и средств измерений;

обеспечение надежного функционирования средств измерений; экономическое обоснование норм потребления и тарифов на энергоресурсы.

1. Общее описание системы

Для выполнения задач, связанных с обработкой информации, система имеет набор программных модулей. Каждый модуль предназначен для решения определённой задачи полностью или в составе нескольких модулей. При этом задачи концентрируются в трех направлениях - наблюдение (мониторинг) в реальном времени режимов функционирования объектов, оперативный анализ (экспресс анализ) и ретроспективный анализ результатов измерений. Мониторинг осуществляется в процессе функционирования объекта по назначению. Оперативный анализ выполняется за промежуток времени, ограниченный двумя последними циклами съема результатов измерений и не требует вмешательства пользователя. Ретроспективный анализ основан на обработке архивной информации, получаемой из памяти тепловычислителя или базы данных системы за любой интересующий пользователя промежуток времени и выполняется с активным участием пользователя.

Очевидно, что мониторинг возможен лишь для тех объектов, которые связаны с компьютером, оснащенным программными средствами системы, с помощью интерфейсной или модемной связи. Ретроспективный и экспресс анализ помимо этого могут допускать считывание данных из архива тепловычислителей лишь в момент посещения пользователем теплового узла, на котором установлено измерительное оборудование (например, с помощью оптической головки).

По результатам анализа информации, при необходимости, проводятся работы по нормализации технического состояния объекта. Здесь под нормализацией технического состояния объекта понимается:

корректировка гидравлического и/или теплового режимов теплового узла (при их отклонении от нормы), а в некоторых случаях и регулировка на уровне отдельных составляющих тепловой нагрузки;

локализация и устранение физических дефектов теплового узла (утечки, подпитки, дефекты запорной аппаратуры);

ремонт или замена неисправных компонентов измерительного оборудования (возможно, его поверка с последующей настройкой датчиков).

Функции системы можно разделить по нескольким направлениям: сбор информации;

оперативный и ретроспективный анализ результатов измерений;

визуализация измеренных и обработанных системой результатов измерений в виде графиков и таблиц;

статистическая обработка и представление ее результатов в виде диаграмм.

Также может быть произведено разделение в зависимости от пользовательского контингента средствами системы:

персонал, обслуживающий информационно-аналитическую систему;

персонал, обслуживающий объекты (тепловые узлы с установленным на них измерительным и регулирующим оборудованием);

административный персонал и представители финансовых служб.

2. Основные функции системы

Главное меню системы представлено на рис 1. Кнопкам главного меню поставлены в соответствие модули системы.

ИАНУ

Опрос:— Добавить данные в БАЗУ МиЪИСАЬ Ш К.,В | Выбор объекта

МтПСАЬШСБЕ 1 Рекомендации

БА-94 8ЬШ-01 Дефекты

Отчёт месячный

Расписание Графики

Карта Зависимости

Диаграммы Тентовой режим

О программе Таблицы

I Схема узла

ВЫХОД 1 Конфигурация

Рис. 1. Главное меню

Для работы модулей с конкретным объектом (группой объектов) необходимо настроить интерфейс системы на определённый объект или группу. Для этих целей предназначен модуль «Выбор объекта», активизирующийся одноимённой кнопкой главного меню системы. После этой процедуры пользователь получает доступ к операциям, относящимся к данному объекту. Выбору помогает некоторая дополнительная информация об объекте, представленная в окне модуля: адрес потребителя, телефон и

др.

Кратко опишем основные функции СОНА по сбору, анализу и визуализации данных измерений относящиеся к отдельным модулям, а также настройки системы на работу с определенным объектом.

Модуль «Опрос» поддерживает различные виды передачи данных из архивов тепловычислителей в компьютер: прямая связь с помощью непосредственной проводной связи (интерфейс RS-232C); с помощью модема (по телефонной линии - модуль «Расписание»); с помощью оптической головки (при условии соответствующей комплектации измерительного оборудования).

В данный момент модуль поддерживает приборы MULTICAL III моделей B, R, ^ D, E; SA-94, SKU-01, SKU-1, ВКТ-7.

Модуль «Конфигурация» позволяет отобразить общие сведения об объекте, приборах учета, а так же служит для задания перечня основных ограничений, используемых при определении соответствия функционирования теплового узла и приборов учета требованиям нормативных документов. Значения величин ограничений устанавливаются по согласованию с пользователем с учетом реального графика отопительного режима источника теплоты.

Модуль «Схема узла» позволяет визуализировать схему теплового узла после установки на нем приборов учета. Предусмотрена возможность фрагментарного отображения схемы, если она целиком не может быть выведена на экран монитора.

Модуль «Отчет месячный» позволяет вывести месячный отчет за потребляемые ресурсы в соответствии с требованиями «Правил учета...» и пожеланиями теплоснабжающей организации. Предусмотрена возможность вывода отчета с данными за каждые сутки отчетного периода или с данными за 25 число предыдущего месяца и 5, 15, 25 - текущего.

Рис. 2. Графики - список выбора параметров

Наиболее информативными и регулярно используемыми в процессе сервисного обслуживания возможностями, отраженными в главном меню, являются «Графики», «Таблицы», «Нарушения», «Рекомендации». Графики, таблицы, нарушения и рекомендации привязываются пользователем к определенному промежутку времени, который может быть задан с клавиатуры или с помощью календаря.

Модуль "Графики" (рис. 2) позволяет визуализировать графики всех измеряемых и вычисляемых параметров. Предусмотрены возможности одновременного отображения нескольких графиков в одном или разных окнах, изменения масштабов графиков, их сглаживание, усреднение значений с задаваемым периодом. На поле экрана цветами выделены зоны значений параметров с точки зрения их соответствия требованиям нормативных документов и конфигурацией объекта. Зеленый (красный) цвета отражают зоны допустимых (недопустимых) значений параметров. Желтый цвет выделяет ту зону, которая

соответствует отклонению параметра от нормы, однако оно не является критичным с точки зрения достоверности отображаемой величины.

По данным измерений в модуле "Графики" может быть сформирован график „Среднее по часам' усредняющий значения параметра в определенном интервале времени по часам суток. Использование этого графика полезно, в частности, при подозрении на несанкционированный водозабор в закрытой системе отопления.

Модуль «Таблица» служит для перехода к визуальному отображению архивной информации в табличной форме, удобной как для непосредственного анализа данных с экрана дисплея, так и при подготовке документов. Интервал усреднения значений отображаемых параметров может изменяться с использованием соответствующего переключателя: 1 час, 6 час,., 1 год.

Модуль «Дефекты» служит для формирования и вывода на экран дисплея списка нарушений режима работы ОТВС, то есть отклонений режимов функционирования объектов (а также дефектов измерительных приборов в виде кодов ошибок) от требований нормативной базы и договорных соглашений. Все возникшие за указанный пользователем период дефекты привязаны к времени их появления. Основные нарушения, определяемые в результате анализа данных измерений в описываемой версии СОНА, следующие:

превышение величины договорного расхода сетевой воды; превышение максимальной договорной нагрузки;

работа датчиков вне диапазона требуемой точности измерений;

превышение модуля разности расходов в прямом и обратном трубопроводах закрытой системы теплоснабжения допустимой величины;

температура теплоносителя в прямом (обратном) трубопроводе меньше допустимой величины; разность температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах меньше допустимой; информационный код ошибки с указанием причины ее возникновения.

Второй по значимости и частоте использования (после «Графиков») модуль «Рекомендации» ориентирован на оценку общей ситуации с теплоснабжением за заданный период времени. Помимо этого здесь формулируются предупреждения и рекомендации потребителю с точки зрения корректировки режимов функционирования теплового узла таким образом, чтобы к концу отчетного периода не было отклонений от нормы по основным контролируемым теплоснабжающей организацией параметрам (расход теплоносителя, разность температур, разность расходов, тепловая нагрузка).

Кроме того, модулем формируются рекомендации в словесном выражении по изменению теплового и/или гидравлического режима работы объекта. Модуль рассчитывает оставшийся до конца отчётного периода ресурс и предлагает установить в определённое значение соответствующий параметр.

Модуль «Тепловой режим» формирует графики, которые можно подразделить на две группы. Первая из них отражает динамику изменения во времени параметров теплопотребления, вторая - зависимости этих параметров от температуры наружного воздуха (Тнв).

Меню графиков первой группы предлагает пользователю возможность визуализировать следующие графики (ниже описываются некоторые из них):

1. Тепловая энергия. На графике одновременно отображаются изменения во времени значений средних величин (интервал усреднения задается пользователем) фактической, по показаниям приборов, и нормативной потребляемой тепловой энергии. Нормативное теплопотребление вычисляется системой по значениям максимальной тепловой нагрузки (из договора с теплоснабжающей организации) и среднесуточной фактической Тнв«

2. Температура теплоносителя. На графике отображаются средние нормативные значения температуры теплоносителя на источнике (согласно температурного графика источника теплоты) и фактической температуры в прямом трубопроводе потребителя на фоне температур наружного воздуха - фактической среднесуточной и статистической среднемесячной по данным за последние 50 лет.

Подобные семейства графиков формируются для температуры теплоносителя в обратном трубопроводе и разности температур.

3. Фактическое теплопотребление. На графике указывается доля фактического теплопотребления (в процентах) к нормативному.

4. Дефицит тепловой энергии. График показывает долю дефицита тепловой энергии (разницу между нормативной и фактической) к нормативной.

Меню графиков второй группы предоставляет пользователю следующие возможности:

1. Температурный график источника теплоты, питающего данного потребителя.

2. Температура теплоносителя в прямом трубопроводе потребителя. Показывается график изменения коридора среднесуточных значений температур в прямом трубопроводе потребителя на фоне нормативных температур теплоносителя в прямом трубопроводе источника (верхняя часть температурного графика источника). В коридоре проводится линия, соответствующая средним значениям температуры теплоносителя для каждого значения Tнв.

Подобные семейства графиков формируются для температуры теплоносителя в обратном трубопроводе и разности температур.

Модуль «Диаграммы» анализирует показатели теплопотребления для группы объектов и поэтому первоначально предлагает пользователю сформировать такую группу. Эту функцию выполняет фильтр, выделяющий объекты по ряду признаков, указываемых пользователем: территориальная принадлежность (например, район города); ведомственная принадлежность; источник теплоты, питающий объект; тип приборов учета теплоты другие реквизиты ОТВС.

Результатом работы фильтра может быть, например, группа объектов народного образования (ведомство), расположенных в районе X (территория) и питаемых от источника Y.

Модуль «Диаграммы» обрабатывает информацию по нескольким объектам в целях отображения общих или суммарных показателей. Алгоритмы оперируют с такими параметрами, как температура теплоносителя в прямом, обратном трубопроводе, расход теплоносителя, температура окружающего воздуха, потреблённая тепловая энергия, а также нормативные параметры и зависимости этих параметров. Для каждой из выделенных групп объектов система позволяет построить следующие семейства диаграмм показателей теплопотребления за указываемый пользователем интервал времени:

1. Тепловая энергия. Формируются тройки столбцов, каждый из которых соответствует значению нормативной, расчетной (по счетам теплоснабжающей организации) и фактической потребленной тепловой энергии. Эти тройки по желанию пользователя визуализируются в трех вариантах:

для каждого месяца анализируемого интервала времени всех (суммарно) объектов группы;

для каждого объекта из группы за весь интервал времени;

для всех (суммарно) объектов группы за весь интервал времени.

Для каждого из столбцов диаграмм (здесь и далее) может указываться соответствующее ему числовое значение.

2. Цена/качество. Формируются аналогичные предыдущему случаю три семейства троек столбцов, соответствующих нормативному теплопотреблению, дефициту тепла и экономии (разницы между расчетным и фактическим теплопотреблением).

3. Относительное теплопотребление. Формируются три семейства троек столбцов, указывающих доли (в процентах) расчетного, фактического и недополученного (по сравнению с расчетным) количества тепловой энергии.

4. Температура теплоносителя. Формируются три семейства одиночных столбцов, соответствующих температуре теплоносителя в прямом трубопроводе.

Набор диаграмм «по объектам» позволяет в наглядной форме просмотреть средние значения расходов теплоносителя за весь обрабатываемый интервал времени по каждому объекту.

Для усреднённого обзора расхода теплоносителя по всем выбранным объектам за весь интервал времени необходимо сформировать диаграммы типа «сумма».

Модуль «Карта» (рис. 3) позволяет разместить и отображать объекты на фоне географической карты. При этом каждый объект может быть выделен определенным цветом, который говорит о состоянии объекта. При выделении объекта появляется окно его свойств, из которого пользователь может посмотреть рекомендации по объекту, графики и др. Положение объектов на карте пользователь задает либо вручную, перетаскивая значок-объект, либо указав его координаты в конфигурации. Масштаб карты может изменяться порайонно.

Рис. 3. Карта - индикация и выбор объекта.

Применение данного модуля удобно для организаций, занимающихся сервисным обслуживанием тепловых узлов и установленных на них приборов учета, теплоснабжающих организаций и потребителей с большим количеством обслуживаемого теплового оборудования.

Модуль «Зависимости» позволяет оценить зависимость значений некоторых параметров между собой. Визуально модуль представляет собой разновидность графиков, на котором зависимости представлены множеством точек, а осями при этом являются выбираемые пользователем параметры. Доступны следующие параметры:

теплота О,

расход G1(в прямом трубопроводе), G2 (в обратном), G1 и G2, разность G1 - G2, расход G1 - G2 в процентах от G1,

температура Т1, Т2, Т1 и Т2, разность температур Т1 - T2,

расход M1, M2, M1 и M2, M1 - M2, M1 - M2 в процентах от M1,

время ^

температура окружающего (наружного) воздуха Тнв •

Имеется возможность сменить интервал времени для обработки и визуализации, усреднить обрабатываемые величины по времени, а также отфильтровать исходные данные по времени суток и диапазону значений.

Для выбранных параметров вычисляется линейная зависимость между их значениями и коэффициент детерминации R2, показывающий значимость этой зависимости.

Заключение

Опыт разработки и эксплуатации ИАС СОНА показал ее востребованность и адекватность существующим экономическим реалиям с одной стороны и необходимость усиления метафункциональности, то есть возможности быстрой настройки на различные объекты теплоэнергии и облегчения применения новых типов измерителей (приборов учета) без перепрограммирования системы. Решение этой задачи позволит повысить как тиражируемость системы (ее быстрого внедрения на новые объекты), так и поддержку модернизации (масштабирования) уже установленных систем при изменении технических, измерительных и/или телекоммуникационных средств на ОТС. Для надежного обеспечения решения этих задач необходимо применение более развитых, современных средств разработки, тестирования, документирования и сопровождения (технической поддержки) программных систем. В качестве перспективных программных средств для дальнейшего развития информационно-аналитических систем были выбраны программные продукты преимущественно с открытыми кодами и, по возможности, отечественных производителей, что должно обеспечить более доступную и надежную техническую поддержку со стороны разработчиков без увеличения сроков и стоимости разработки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Малышко А.В., Михальцов С.А., Разумов С.В., Чипулис В.П. Информационно-аналитическая система оперативного наблюдения и ретроспективного анализа режимов функционирования источников теплоты // Материалы 15-ой Международной научно-практической конференции «Коммерческий учёт энергоносителей». С-Петербург. 23-25 апреля 2002г. с. 339-342.

2. Бабенко В.Н., Малышко А.В., Михальцов А.С., Чипулис В.П. «Функциональные возможности информационно-аналитической системы оперативного наблюдения и анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики СОНА». // Препринт 6-2004г. Владивосток: ИАПУ ДВО РАН, 2004. - 28 с.