Оптимизация управления системами теплоснабжения городских районов
Наведено метод вирішення задачі оптимізації процесу теплопостачання міського району. Керування здійснюється на основі таких складових: надійність і ефективність використовуваного обладнання, а також вартість енергоресурсів. Наведено результати чисельного моделювання....
Saved in:
| Date: | 2016 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2016
|
| Series: | Проблемы управления и информатики |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208083 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Оптимизация управления системами теплоснабжения городских районов / О.Б. Максимова, В.О. Давыдов, С.В. Бабич // Проблемы управления и информатики. — 2016. — № 2. — С. 116-135. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-208083 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-2080832025-10-20T00:14:40Z Оптимизация управления системами теплоснабжения городских районов Оптимізація керування системами теплопостачання міських районів Optimization of heat supply systems of urban districts control Максимова, О.Б. Давыдов, В.О. Бабич, С.В. Управление физическими объектами и техническими системами Наведено метод вирішення задачі оптимізації процесу теплопостачання міського району. Керування здійснюється на основі таких складових: надійність і ефективність використовуваного обладнання, а також вартість енергоресурсів. Наведено результати чисельного моделювання. A method of solving optimization problem of the urban district heating is presented. Control is carried out on the basis of such elements as: the reliability and efficiency of the used equipment, and the cost of energy. The results of numerical modeling are presented. 2016 Article Оптимизация управления системами теплоснабжения городских районов / О.Б. Максимова, В.О. Давыдов, С.В. Бабич // Проблемы управления и информатики. — 2016. — № 2. — С. 116-135. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208083 681.5.015.23:658.264 10.1615/JAutomatInfScien.v48.i4.70 ru Проблемы управления и информатики application/pdf Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Управление физическими объектами и техническими системами Управление физическими объектами и техническими системами |
| spellingShingle |
Управление физическими объектами и техническими системами Управление физическими объектами и техническими системами Максимова, О.Б. Давыдов, В.О. Бабич, С.В. Оптимизация управления системами теплоснабжения городских районов Проблемы управления и информатики |
| description |
Наведено метод вирішення задачі оптимізації процесу теплопостачання міського району. Керування здійснюється на основі таких складових: надійність і ефективність використовуваного обладнання, а також вартість енергоресурсів. Наведено результати чисельного моделювання. |
| format |
Article |
| author |
Максимова, О.Б. Давыдов, В.О. Бабич, С.В. |
| author_facet |
Максимова, О.Б. Давыдов, В.О. Бабич, С.В. |
| author_sort |
Максимова, О.Б. |
| title |
Оптимизация управления системами теплоснабжения городских районов |
| title_short |
Оптимизация управления системами теплоснабжения городских районов |
| title_full |
Оптимизация управления системами теплоснабжения городских районов |
| title_fullStr |
Оптимизация управления системами теплоснабжения городских районов |
| title_full_unstemmed |
Оптимизация управления системами теплоснабжения городских районов |
| title_sort |
оптимизация управления системами теплоснабжения городских районов |
| publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
Управление физическими объектами и техническими системами |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208083 |
| citation_txt |
Оптимизация управления системами теплоснабжения городских районов / О.Б. Максимова, В.О. Давыдов, С.В. Бабич // Проблемы управления и информатики. — 2016. — № 2. — С. 116-135. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Проблемы управления и информатики |
| work_keys_str_mv |
AT maksimovaob optimizaciâupravleniâsistemamiteplosnabženiâgorodskihrajonov AT davydovvo optimizaciâupravleniâsistemamiteplosnabženiâgorodskihrajonov AT babičsv optimizaciâupravleniâsistemamiteplosnabženiâgorodskihrajonov AT maksimovaob optimízacíâkeruvannâsistemamiteplopostačannâmísʹkihrajonív AT davydovvo optimízacíâkeruvannâsistemamiteplopostačannâmísʹkihrajonív AT babičsv optimízacíâkeruvannâsistemamiteplopostačannâmísʹkihrajonív AT maksimovaob optimizationofheatsupplysystemsofurbandistrictscontrol AT davydovvo optimizationofheatsupplysystemsofurbandistrictscontrol AT babičsv optimizationofheatsupplysystemsofurbandistrictscontrol |
| first_indexed |
2025-10-20T01:16:33Z |
| last_indexed |
2025-10-21T01:12:13Z |
| _version_ |
1846551912789311488 |
| fulltext |
© О.Б. МАКСИМОВА, В.О. ДАВЫДОВ, С.В. БАБИЧ, 2016
116 ISSN 0572-2691
УДК 681.5.015.23:658.264
О.Б. Максимова, В.О. Давыдов, С.В. Бабич
ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ
СИСТЕМАМИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
ГОРОДСКИХ РАЙОНОВ
Введение
Теплоснабжение всех конечных потребителей в современном крупном городе
Украины осуществляется множеством различных источников тепловой энергии,
многие из которых дублируют один другого. Даже в рамках отдельно взятой
квартиры, по ряду причин, наравне с централизованным отопление работают
электрические отопительные приборы, сплит системы и т.д. Задача отопления и
горячего водоснабжения, как правило, решается множеством альтернативных ис-
точников. В общем случае все источники отличаются используемым физиче-
ским принципом превращения первичной энергии в тепловую (котлы на угле-
водородном сырье, электрокотлы, тепловые насосы), надежностью, эффективно-
стью и т.п. Таким образом, в масштабах города расположено множество
альтернативных источников тепловой энергии, различных по своим технико-
экономическим показателям.
Очевидно, что производители тепловой энергии заинтересованы продать ее
по максимальной регламентируемой стоимости, а потребители — приобрести ее
по минимально возможной стоимости.
В настоящее время уровень развития теории адаптивных систем и методов
управления, а также теории оптимального управления позволяет решать задачи
управления структурой взаимозаменяемого оборудования систем теплоснабжения
городских районов для поддержания минимальных затрат финансовых ресурсов в
системе теплоснабжения при условии существования альтернативных энергети-
ческих ресурсов (потоков), которые отличаются разной стоимостью, изменяю-
щейся во времени.
Хотя сама идея управления по структуре не нова, изначально она была реали-
зована применительно к управлению структурой регулятора. Впервые исследова-
ния в данной области проводил в 50–70-х годах ХХ века С.В. Емельянов. Он стал
родоначальником теории систем с переменной структурой [1]. В дальнейшем
И.В. Казаков и В.М. Артемьев развили теорию систем со случайной структурой [2].
Затем последовали теория координатно-параметрического управления [3] и метод
ситуационного управления [4].
В ХХI веке начали активно исследоваться вопросы управления структурой
объекта применительно к промышленности [5, 6]. В последние годы появилось
много работ, привлекающих внимание общественности к проблеме оптимизации си-
стем теплоснабжения как в холодных северных странах, так и в жарких южных [7, 8].
Но несмотря на свою актуальность, исследования в области управления структу-
рой систем теплоснабжения находятся на начальном этапе развития.
Основная проблема заключается в сложности оценки качества управления,
поскольку такие системы обладают большой инерционностью, наличие в них
множества альтернативных источников тепловой энергии также повышает и вы-
числительную сложность задачи. Следует отметить, что все эти исследования ак-
туальны только для систем теплоснабжения, содержащих в себе различные аль-
тернативные и хотя бы частично взаимозаменяемые источники тепловой энергии.
60
1956 2016
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2016, № 2 117
В работе [9] приводятся результаты решения подобной задачи управления
структурой системы теплоснабжения жилого коттеджа с использованием прогно-
зирования на основе генетических алгоритмов.
Накопленный опыт позволяет расширить сферу применения структурной оп-
тимизации и перейти к оптимизации систем теплоснабжения многоквартирных
домов и даже городских районов.
В данном случае под оптимизацией будем понимать минимизацию финансо-
вых затрат потребителей тепловой энергии. Как отмечалось выше, конечный по-
требитель как правило, имеет в своем распоряжении несколько альтернативных
источников тепла. Каждый обладает своей эффективностью преобразования пер-
вичных ресурсов в тепловую энергию, а следовательно, и стоимостью этой энер-
гии. Учитывая действующую сетку тарифов на газ и электроэнергию, а также
тот факт, что тариф на электроэнергию также изменяется в течение дня, диапа-
зон изменения стоимости тепловой энергии от каждого источника также может
существенно изменяться в течение дня. А это потенциально открывает возмож-
ность оптимизации процесса теплоснабжения путем выбора той структуры си-
стемы теплоснабжения, которая обеспечит в данный момент времени мини-
мальную стоимость потребляемой тепловой энергии.
В настоящей работе ставятся и решаются следующие задачи:
1) разработка комплекса имитационных моделей системы теплоснабжения
городского района;
2) выбор критерия оптимального управления и разработка математического
аппарата для его количественной оценки;
3) разработка метода определения самого дешевого источника тепловой
энергии с учетом действующих тарифов и ограничений.
Комплекс имитационных моделей
системы теплоснабжения городского района
В результате анализа схем тепловых сетей городов Южный и Одесса для ис-
следования выбран обобщенный городской район, содержащий 200 домов. В каче-
стве типового здания рассматривается жилой девятиэтажный дом на 72 квартиры.
Принято, что теплоснабжение квартир и домов может осуществляться от пяти источ-
ников тепловой энергии: районная котельная на газе (РК); районная котельная, исполь-
зующая теплонасосную установку (РК с ТНУ), крышные котельные (КК), смонтиро-
ванные на каждом доме; индивидуальные аппарат газовый водонагревательный (АГВ)
и тепловой насос (ИТН), расположенные в каждой квартире. (Приняты следующие
обозначения: индивидуальная теплонасосная установка (ИТНУ), холодная вода
(ХВ), горячая вода (ГВ)).
К разрабатываемым моделям предъявлялось одно основное требование —
простота вычислений. Как показали исследования других авторов [9], попытки
точного моделирования температурных полей или использование таких алгорит-
мов решения задач, как динамическое программирование или генетические алго-
ритмы, приводят к существенному возрастанию вычислительной сложности ре-
шаемых задач. Как следствие, решения находятся либо на малых интервалах вре-
мени, либо обладают большой погрешностью.
В разрабатываемом комплексе моделей выделены следующие элементы:
квартира, дом, источник тепловой энергии, система теплоснабжения.
На рис. 1 представлена упрощенная структурная схема модели отдельной
квартиры. Для моделирования процесса отопления каждая квартира была снабже-
на неким универсальным тепловым прибором, который можно подключить к лю-
бому источнику тепловой энергии. Зная коэффициент теплоотдачи радиатора ,r
его площадь ,rS температуру теплоносителя in
rt на входе в прибор, расход теп-
118 ISSN 0572-2691
лоносителя rG через него и текущую температуру воздуха roomt в квартире, ко-
личество тепла, поступившего в квартиру за время , определялось как
.)( room
in
room ttSQ rrr (1)
Отопительный
радиатор
Люди и
бытовые
приборы
Источник
тепловой
энергии № 1
…
Селектор
источника
тепловой
энергии
Тепловая
энергия
Регулятор
расхода
теплоносителя
Заданная
температура
воздуха
в квартире
Приборы
учета
тепла
Приборы
учета ГВ
Вентиляция
Тепловая
энергия
Источник
тепловой
энергии № N
Тепловая
энергия
Рис. 1
Соответственно температура
out
rt на выходе из радиатора определялась как
,roominout
pr
rr
CG
Q
tt (2)
где pC — теплоемкость теплоносителя, Дж/кг.
Для реализации возможности управления количеством отдаваемого отопитель-
ными приборами необходимо было найти зависимость этого количества от текущего
расхода теплоносителя. На практике данная зависимость носит нелинейный характер,
но так как для данного исследования абсолютные значения тепловой мощности теп-
ловых приборов не имеют значения, а важно только изменение этой мощности в за-
висимости от текущего значения расхода теплоносителя, для упрощения принято, что
требуемая зависимость в математической модели носит линейный характер. Матема-
тическая модель теплового прибора дополнена введением коэффициента , имити-
рующего работу управляющего вентиля на входном патрубке. Величина принима-
ет значения от 0, что соответствует закрытой задвижке и отсутствию расхода тепло-
носителя, до 1, что соответствует полностью открытой задвижке и номинальному
расходу теплоносителя. С учетом коэффициента выражение (1) принимает вид
.)( room
in
room ttSQ rrr (3)
При этом расход теплоносителя через тепловой прибор определялся как
,nom
rr GG (4)
где nom
rG — номинальный расход теплоносителя в радиаторе.
Управление температурой воздуха в квартире сводится к управлению значе-
нием коэффициента , что в реальности соответствует изменению положения
вентиля на входном патрубке прибора отопления. С этой целью в модель введен
П-регулятор, задача которого — поддержание в квартире заданной температуры
путем управления расходом теплоносителя через прибор отопления.
Вопрос балансировки гидравлической системы всего дома не рассматривает-
ся, так как это — типовая инженерная задача, многократно решенная на практике.
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2016, № 2 119
Помимо тепловой энергии ,рQ поступающей в квартиры от радиаторов, в мате-
матической модели также учтено количество тепла hQ и ,dQ поступающее от жиль-
цов и бытовых приборов. Принято, что в среднем в каждой квартире проживает три
человека, а в течение месяца одна квартира потребляет 300 кВт·ч электроэнергии. Ис-
ходя из действующих норм, разработана модель потребления ГВ (рис. 2).
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
G, кг/c
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 ч
Рис. 2
В соответствии с действующими нормами на вентиляцию определено изменение
температуры в квартире, обусловленное притоком внешнего воздуха. При этом ис-
пользовалась модель изменения температуры окружающей среды, рассмотренная в [9].
Приведем основные расчетные зависимости в описываемых моделях:
— изменение температуры t тела массой m при подводе/отводе некоторого
количества тепла Q :
;
pmC
Q
tt (5)
— температура смеси двух сред с массами ,1m 2m и начальными температу-
рами ,1t :2t
.
21
2211
mm
tmtm
t
(6)
Предварительный анализ показал, что в моделировании точной планировки
реальных домов нет необходимости, поэтому для моделирования процесса пере-
дачи тепла ограждающим конструкциям было принято, что каждая квартира
представляет собой параллелепипед, размером 6×6×2,5 м, четыре стены, пол и
потолок каждой квартиры характеризуются толщиной ,wd коэффициентами теп-
лоотдачи с внешней и внутренней сторон ,out in и коэффициентом теплопро-
водности ;w в каждой квартире есть одно окно.
Также было принято, что процесс передачи тепла от отопительных приборов
воздуху в квартире происходит мгновенно и равномерно, поэтому температура
воздуха в каждой точке квартиры одинакова.
Учитывая опыт предыдущих исследований, использующих моделирование
температурного поля зданий [9], в данной работе решено максимально миними-
зировать необходимые вычислительные ресурсы и рассматривать моделирование
процесса теплопередачи через стены, пол и потолок каждой квартиры как неста-
ционарную одномерную задачу теплопередачи через плоскую стенку. Соответ-
ственно трехмерное температурное поле всего дома было заменено отдельными
одномерными полями ограждающих конструкций.
120 ISSN 0572-2691
Для моделирования приборов учета потребленных ресурсов на основании
действующей тарифной сетки на энергоресурсы с учетом потребленного количе-
ства ресурса и времени суток разработан комплекс моделей, имитирующих рабо-
ту счетчиков газа, воды и электроэнергии.
При решении задачи поддержания в квартирах заданной температуры
следовало учесть тот факт, что температура теплоносителя htat в системе
отопления зависит от температуры окружающей среды envt и температурного
графика. В дальнейшем эта зависимость была аппроксимирована выражением
,12,95914,0)509,00228,0( nom
htaenv
nom
htahta tttt (7)
где nom
htat — максимальная температура теплоносителя в подающем трубопроводе.
Данное выражение также позволяет получить требуемое значение темпера-
туры теплоносителя в узловых точках произвольной системы отопления (на вхо-
де/выходе котлов, тепловых пунктов и т.п.) в зависимости от используемого тем-
пературного графика и температуры окружающей среды.
Разработанная модель квартиры — элементарная ячейка, из которой формиру-
ется произвольное здание. Тепловые процессы, происходящие в отдельной кварти-
ре, влияют на температурные поля всех стен пола и потолка и, как следствие — на
температуру воздуха в соседних квартирах, а также определяют величину потерь
тепла в окружающую среду. Разработанная модель позволяет задавать теплофизи-
ческие параметры каждой стены в отдельности и таким образом имитировать раз-
личные материалы и конструкции стен.
Возможность индивидуального изменения расходов горячей воды в системе
горячего водоснабжения (ГВС) в каждой квартире определила необходимость моде-
лирования гидравлической сети дома, упрощенная схема которой показана на рис. 3.
Теплообменник
ГВС
...
Отопительные приборы
...
ГВ
ХВ
Рис. 3
Расчет расходов теплоносителя в различных ветвях гидравлической сети вы-
полнялся при условии соблюдения закона баланса массы потока ,const
i
iG где
iG — расходы теплоносителя в одном узле гидравлической сети.
Для обеспечения в системе отопления дома температуры теплоносителя, со-
ответствующей температурному графику, а также для балансировки системы при
изменении нагрузки в модель был добавлен ряд регуляторов, имитирующих рабо-
ту теплового пункта. Таким образом, модель дома позволяет:
— моделировать процессы теплообмена между отдельными квартирами;
— определять величину тепловых потерь в окружающую среду;
— определять расходы и температуру теплоносителя в любой точке отопи-
тельной системы.
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2016, № 2 121
Для моделей теплогенерирующего оборудования учитывалось только коли-
чество полезной тепловой энергии, получаемой из первичного энергоресурса с
учетом коэффициента полезного действия (КПД). Для газовых котлов
,gas bb RGQ (8)
где gasG — расход газа, м
3
/с; — время, с.; R — удельная теплота сгорания,
Дж/м
3
; b — КПД котла.
Для тепловых насосов (отопление)
,
envin
in
elhp h
TT
T
NQ
(9)
где elN — электрическая мощность компрессора, Вт; h — степень термодинами-
ческого совершенства компрессора; inT — температурный потенциал тепла, от-
водимого в систему отопления, К; envT — температура окружающей среды, К.
В случае решения задачи охлаждения
.
inenv
env
elhp h
TT
T
NQ
(10)
В модели тепловой сети рассмотрен процесс передачи теплоносителя от РК
к отдельным домам. Принято, что от котельной отходит восемь отдельных веток.
На каждой ветке на расстоянии 300 м один от другого расположено пять цен-
тральных тепловых пунктов (ЦТП). К каждому ЦТП на расстоянии 100 м один от
другого подключено пять домов. Каждый участок трубопровода характеризуется
собственным уровнем тепловых и физических потерь, зависящих от протяженно-
сти участка, диаметра трубопровода, температуры теплоносителя и температуры
окружающей среды. Минимальные потери приняты в соответствии с действую-
щими нормами.
Для КК тепловые и физические потери при транспортировке теплоносителя
потребителю не учитывались ввиду их незначительности.
В разработанном комплексе моделей также предусмотрен подсчет количества
и стоимости использованных энергоресурсов во всех ключевых узлах с учетом
изменяющихся тарифов на газ и электроэнергию.
Критерий оптимального управления
Исходные данные. Имеется распределенная система теплоснабжения город-
ского района (рис. 4). Она состоит из множества потребителей тепловой энергии,
находящихся на территории данного района. Под потребителями будем понимать
квартиры, частные дома, офисные помещения и т.п. На этой же территории рас-
положено множество источников тепловой энергии.
Каждый потребитель потенциально может иметь в своем распоряжении тепло-
вую энергию от пяти оговоренных выше источников. Подключенные к потребите-
лю источники могут функционировать одновременно. Факт подключения i-го ист-
очника к j-му потребителю определяется наличием связи Cij=1 (рис. 4). При от-
ключении источника соответствующая связь Cij принимает значение 0.
С точки зрения конкретного потребителя j, каждый источник i характеризуется
себестоимостью генерируемой тепловой энергии. В качестве влияющих на себестои-
мость факторов выберем: эффективность преобразования первичных энергоресурсов
в тепловую энергию, эффективность доставки тепловой энергии конечному по-
требителю и ее возврата к источнику, надежность оборудования источника и сто-
122 ISSN 0572-2691
имость капитальных затрат и потребляемых первичных энергоресурсов. Множество
влияющих факторов образует множество критериев качества Kjk .
Критерии качества для j-го потребителя лежат в основе локальных целевых
функций Jj . Предполагается, что тариф на газ зависит от количества потреблен-
ного объема газа. Тариф на электроэнергию зависит как от объема потребленной
энергии, так и от времени суток.
В произвольный момент времени каждый потребитель может подключиться
к любому источнику либо их комбинации. Также по своему усмотрению он может
изменять заданные значения поддерживаемых в помещениях температур.
Потребители
Районная
котельная
Крышная
котельная
Индивидуальные
источники
Источники
Целевая
функция
Критерии
качества
Котельная
промышленного
предприятия
Затраты
Критерии
качества
Критерии
качества
setjt
setjt
setjt
setjt
setjt
Критерии
качества
Критерии
качества
kjK
kjK
kjK
kjK
kjK jJ
jJ
jJ
jJ
jJ
ijC
Рис. 4
Постановка задачи оптимизации. Примем, что структурная оптимизация ло-
кальной системы теплоснабжения конкретного потребителя будет преследовать цель
минимизации целевой функции. Тогда задачу оптимизации можно сформулировать
следующим образом: в каждый момент времени выбирать такие функции ),(ijc
что min))(( ijj cJ при .)( maxjkjk KK Условие max)( jkjk KK означает, что
нельзя бесконечно улучшать одни критерии за счет ухудшения других. Каждый
критерий имеет максимально допустимое значение.
Методика расчета составляющих критерия управления. В общем случае
рассматриваемая задача структурной оптимизации относится к классу задач много-
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2016, № 2 123
критериальной оптимизации. При этом каждый критерий качества — эффективность,
стоимость, надежность — обладает своими единицами измерения. Возникает задача
объединения всех составляющих в рамках одной целевой функции. Стоит отметить,
что одним из недостатков методов многокритериальной оптимизации является их
субъективность и зависимость результата от лица, принимающего решение. Поэтому
в данном исследовании все составляющие целевой функции выражены в денежном
эквиваленте и задача оптимизации сведена к однокритериальной.
Дальнейшие исследования также показали, что помимо учета в целевой
функции критериев эффективности, надежности и стоимости, для корректного
выбора потребителем источника с минимальной стоимостью тепловой энергии
структура целевой функции jJ должна включать в себя аддитивную и мульти-
пликативную составляющие. Аддитивная составляющая ),( A должна зави-
сеть только от времени, а мультипликативная ),,( need NM — как от времени,
так и от требуемой мощности источника .needN Таким образом, в общем виде це-
левая функция имеет вид
).,()( need NMAJ j (11)
В рамках аддитивной составляющей объединены все затраты, не зависящие
от мощности источника:
,),(),(
rep
*
resc
siae SR
n
С
n
CCC
A
c
(12)
где res — ресурс системы, с; rep — отчетный период времени (месяц), с; eC — сто-
имость оборудования, грн; iaC — стоимость монтажа и наладки, грн; sC — сто-
имость обслуживания системы за период времени ,res грн; *C — прочие расхо-
ды за отчетный период ,rep грн; cn — количество подключенных потребителей;
),( R — стоимостная оценка надежности системы, грн; S — стоимость допол-
нительных затрат ресурсов для обеспечения процесса и компенсации потерь, грн.
Дополнительные затраты S отображают затраты на холодный теплоно-
ситель, закачиваемый в систему теплоснабжения для компенсации физических
потерь, а также дополнительные затраты на топливо для компенсации тепловых по-
терь. В общем виде
,
),(
cn
GGC
S
i
r
i
c
i
r
j
(13)
где i
cG — количество потребленного i -го ресурса за отчетный период ,rep в за-
висимости от типа источника может измеряться в кг, м
3
, кВт∙ч; ),( i
c
i
r GC — те-
кущая цена i -го ресурса, зависящая как от времени суток, так и от количества
потребленного энергоресурса; в зависимости от типа источника может измеряться
в грн/кг, грн/Дж, грн/кВт∙ч, грн/м
3
; i
rG — текущий расход i -го ресурса за опти-
мизируемый период .rep
Для выражения в денежных единицах показателя надежности использовались
методы актуарной математики, применяемые при страховании рисков для оценки
расчета тарифных ставок по массовым рисковым видам страхования [10]:
.
)(
))(1(
)(
)(2,117,0))(1(),(
res
iae
c
CC
Pn
P
PR (14)
124 ISSN 0572-2691
Здесь )(P — вероятность безотказной работы системы теплоснабжения; )( —
коэффициент, зависящий от гарантии безопасности (выбирается по справочным
таблицам). Для оценки величины )(P использовалась методика, изложенная в [9].
Мультипликативная составляющая определялась по выражению
,),(),(
*
need
need
ii
i
c
i
R
N
GCNM
r
(15)
где iR — удельная энергоемкость i -го энергоресурса; *
i — тепловой КПД про-
цесса получения энергии.
В зависимости от вида используемого энергоресурса величина iR может при-
нимать различные значения: для топлива это удельная теплота сгорания Дж/м
3
,
Дж/кг, для электроэнергии iR 3600000 Дж/кВт∙ч. Величина *
i определялась как
сумма КПД отдельных элементов тепловой сети: .*
k
ki
Следует пояснить некоторые особенности выражений (12), (14) и (15). Вели-
чина rep представляет собой интервал времени, на протяжении которого осу-
ществляется взаиморасчет с поставщиками и потребителями ресурсов. В боль-
шинстве случаев его длительность составляет месяц. Капитальные затраты в вы-
ражении (12) носят базовый характер. На практике функционирование любого
предприятия сопряжено со множеством не показанных затрат и отчислений. Для
их учета введена величина ,*C а второе слагаемое в (12) показывает, как необхо-
димо нормировать подобные затраты. Выражение (14) фактически представляет
собой величину страховых отчислений на момент времени . В случае выхода
источника тепловой энергии из строя его владелец должен компенсировать по-
требителю нанесенный ущерб. Для индивидуальных источников владелец и по-
требитель являются одним лицом.
Коэффициент 0,7 представляет собой отношение среднего возмещения по од-
ному договору страхования к средней страховой сумме по одному договору. Со-
гласно действующим нормам нижняя граница данного отношения составила 0,7.
С практической точки зрения, целесообразно привязать перерасчет страховки к
некоторому периоду (месяцу, кварталу, году) и считать, что в течение данного пе-
риода величина страховки не меняется.
В выражении (15) переход от фактической мощности источника тепловой
энергии к требуемой осуществлен ввиду невозможности оценить стоимость энер-
гии от данного источника без его включения. Подобная проблема возникает и при
определении теплового КПД процесса. Точную оценку можно получить только на
работающей системе. Учитывая, что КПД элементов системы в основном опреде-
ляется износом и меняется постепенно, можно рассматривать теоретический и
практический КПД. Теоретический КПД определяется нормативными показате-
лями для системы, запускаемой впервые, либо после долгого простоя. Практиче-
ский КПД определяется по факту запуска системы при выходе ее на стационар-
ный уровень энергопотребления. Также необходимость постоянного мониторинга
КПД процесса накладывает требование доступа потребителя к текущим значени-
ям температур и расходов теплоносителя по всем узловым точкам системы тепло-
снабжения.
Таким образом, имеем задачу оптимизации функции трех переменных:
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2016, № 2 125
.min),,(
,,
need
need TTRN
j NJ
(16)
Решение данной задачи позволяет осуществить локальную оптимизацию
процесса теплоснабжения. Следует отметить, что под локальной оптимизацией
здесь понимается оптимизация процесса теплоснабжения отдельной квартиры без
учета ограничений на ресурсы. Она заключается в выборе в каждый момент вре-
мени источника с минимальной стоимостью тепловой энергии. На рис. 5 пред-
ставлен соответствующий алгоритм управления для локальной задачи оптимиза-
ции. Величина ,setT используемая в алгоритме, обозначает заданную температуру
воздуха у конкретного потребителя. Алгоритм представляет собой бесконечную
последовательность циклов управления.
Начало
Зная ,needN оценить стоимость тепловой энергии
каждого доступного для потребителя
jП источника
Для каждого потребителя
jП оценить
требуемую тепловую мощность
needN
Составить список A из n доступных источников и
ранжировать их в порядке возрастания стоимости
Index <=n
Index 0
Да
Нет
Да
Нет
Да
Нет
Подключить к потребителю j источник
Aindex. Определить новую температуру
воздуха T в помещении потребителя
Да
Нет
Index > 0
Index ++
5,0set TT
Nindex < max
Рис. 5
Следующий шаг — постановка и решение глобальной задачи оптимизации,
под которой понималась оптимизация процесса теплоснабжения городского ра-
йона или всего города при ограничении на ресурсы.
Решение задачи глобальной оптимизации. Глобальная задача оптимизации
сформулирована следующим образом: в условиях ограниченности доступных
энергетических потоков необходимо обеспечить такую структуру энергопотреб-
126 ISSN 0572-2691
ления, которая обеспечит процесс теплоснабжения города на протяжении макси-
мально возможного времени.
Очевидно, что в рамках города непосредственное управление структурой си-
стем теплоснабжения каждого потребителя невозможно хотя бы потому, что они
являются частной собственностью. С другой стороны, задача глобальной оптими-
зации становится актуальной в тех случаях, когда лимит газа и электроэнергии,
отпускаемый городу, ограничен.
Единственный доступный рычаг управления процессом теплопотребления в
масштабах города — цена на энергоресурсы. Увеличение или уменьшение цены
на газ и электроэнергию приведет к изменению себестоимости тепловой энергии
и, в свою очередь, к изменению структуры локальных систем теплоснабжения
каждого потребителя.
Равномерное повышение цен на все энергоресурсы в целом приведет к удо-
рожанию тепловой энергии и, как следствие, к потенциальному снижению задан-
ной температуры у ряда потребителей. Это позволит снизить расход энергоресур-
сов за счет вынужденного снижения качества теплоснабжения потребителями.
С другой стороны, изменение соотношения цен на газ и электроэнергию
позволит изменять структуру энергопотребления при сохранении суммарных по-
ступлений в бюджет.
Критерием оптимизации при решении глобальной задачи принято время
функционирования func городских систем теплоснабжения при текущем расходе
энергоресурсов iG и их доступном лимите :iM
...).,,...,,,( 2121func MMGGf
Очевидно, что при constiM функция ...),,...,,,( 2121func MMGGf не
имеет оптимума и линейно возрастает с уменьшением расходов ,iG а после ис-
пользования доступного количества энергоресурсов система прекращает свое су-
ществование.
Если же принять, что доступное количество энергоресурсов постоянно об-
новляется с некоторым периодом ,M то глобальная оптимизация будет достиг-
нута при выполнении условия
,0)( erres iMii MGM (17)
где res
iM — остаток i -го энергоресурса; er
iM — неприкосновенный запас i -го энер-
горесурса.
При этом следует отметить, что величина )( i
ri CfG носит вероятностный
характер и не поддается точному определению. Таким образом, глобальная опти-
мизация заключается в поддержании баланса между остатками ресурсов res
iM и
скоростью их потребления iG путем воздействия на цены энергоресурсов .i
rC
При решении глобальной задачи оптимизации можно выделить два случая:
дефицит одного ресурса и дефицит всех ресурсов.
При дефиците одного ресурса нет необходимости что-либо предпринимать.
В рамках решения локальной задачи оптимизации после полной выработки де-
фицитного энергоресурса система автоматически перейдет на использование
альтернативного ресурса. Естественным условием является наличие альтерна-
тивных ресурсов.
Для решения задачи оптимизации при дефиците на все ресурсы предло-
жено два способа управления. Первый способ дает возможность поддерживать
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2016, № 2 127
температуру в системе автоматически, без вмешательства потребителя. При
дефиците энергетических ресурсов система управления автоматически снижа-
ет заданную температуру и тем самым уменьшает тепловые потери зданий,
что и определяет новый баланс системы. Соответствующий алгоритм управле-
ния представлен на рис. 6.
В данном случае потребитель делегирует системе управления права на
изменение заданной температуры воздуха. При этом время функционирова-
ния городских систем теплоснабжения увеличивается за счет снижения каче-
ства теплоснабжения, и все потребители находятся в равных условиях.
Во втором подходе решение задачи оптимизации без вмешательства операто-
ра невозможно. Система может только до определенного уровня увеличивать це-
ну на энергоресурсы в целях уменьшения их потребления. Соответствующий ал-
горитм представлен на рис. 7.
Начало
Нет Да
Для каждого ресурса оценить его остаток на
момент окончания отчетного периода при
текущем расходе erres )( iMiii MGMD
Все Di < 0
Применить алгоритм
локальной оптимизации
Нет
Да
Ожидать время завершения
цикла управления
Все Di > 0
Для всех Di < 0
увеличить стоимость
на c, но
не больше максимума
Для всех Di
уменьшить
стоимость на c,
но не меньше
минимума
Уменьшить
заданную
температуру
у каждого
Увеличить заданную
температуру у каждого
потребителя на c,
но не выше нормы
потребителя на c
Рис. 6
128 ISSN 0572-2691
Применить алгоритм
локальной оптимизации
Начало
Нет
Да
Для каждого ресурса оценить его остаток на
момент окончания отчетного периода при
текущем расходе erres )( iMiii MGMD
Все Di > 0
Для всех Di < 0 увеличить
стоимость на c, но не
больше максимума
Для всех Di уменьшить
стоимость на c,
но не меньше минимума
Ожидать время
завершения цикла
управления
Рис. 7
В данном случае решение об изменении заданной температуры может при-
нимать только потребитель, а автоматизация управления в задаче глобальной оп-
тимизации может быть выполнена лишь до определенной степени. Так как четкой
зависимости )( i
ri CfG между стоимостью ресурсов и скоростью их потребле-
ния не существует, можно лишь ожидать, что с повышением стоимости того или
иного ресурса потребители будут ограничивать его использование.
Следует отдельно отметить предельные значения цен и температур. Очевид-
но, что бесконечно увеличивать или уменьшать эти величины нельзя. С другой
стороны, определение их конкретных значений — это скорее вопрос из области
социологии и политики.
Формализация метода определения самого дешевого источника
тепловой энергии с учетом действующих тарифов и ограничений
Суть метода управления состоит в следующем.
1. Оценивается текущая потребность потребителя в тепловой энергии needN
с учетом отопления и расхода горячей воды hwG в ГВС. Множество источников
тепловой энергии может полностью обеспечить любого отдельного потребителя
теплом и горячей водой, поэтому для оценки needN достаточно определить коли-
чество тепла, отдаваемого универсальными приборами отопления, а также теку-
щее потребление горячей воды. Для КК и централизованных систем теплоснаб-
жения определяется суммарная требуемая мощность с учетом всех подключенных
абонентов.
2. Для каждого источника тепловой энергии оценивается тепловой КПД процес-
са теплоснабжения и определяется требуемая мощность источника. Определить теп-
ловой КПД процесса без подключения источника к потребителю невозможно, поэто-
му данная оценка делается на основании показателей имитационного моделирования.
При этом величины тепловых и физических потерь в тепловых сетях моделируются
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2016, № 2 129
либо по состоянию на момент последнего запуска системы, либо при отсутствии не-
обходимых данных — по регламентным значениям нормативной документации.
3. По требуемой мощности источника и его непосредственному КПД опреде-
ляется расход первичных энергоресурсов, необходимых для обеспечения процес-
са теплоснабжения.
4. Анализируются величины тепловых и физических потерь, полученных ли-
бо путем непосредственного измерения, либо на основании имитационного моде-
лирования. Определяется дополнительное количество тепловой энергии и пер-
вичных ресурсов, необходимых для компенсации тепловых и физических потерь.
Полученные затраты выражаются в денежном эквиваленте.
5. С принятой периодичностью (месяц, квартал, год и т.д.) определяется те-
кущее состояние надежности оборудования. Вычисляется величина страховых от-
числений на текущий период. Данная величина является денежным эквивалентом
надежности.
6. Для каждого источника проводится анализ капитальных и сопутствующих
затрат, не зависящих от мощности источника; амортизация оборудования, зара-
ботная плата, отчисления по различного рода кредитам и т.д. При этом в затраты
на амортизацию входит амортизация всех источников независимо от того, вклю-
чены они или нет.
7. Для каждого источника проводится анализ затрат, зависящих от требуемой
мощности источника.
8. По каждому источнику сумма всех основных и дополнительных затрат
нормируется на количество абонентов и определяется стоимость тепловой энер-
гии для одного пользователя.
9. Для каждого потребителя составляется и сортируется по возрастанию цены
список альтернативных источников, от которых может осуществляться тепло-
снабжение и ГВС.
10. Подключается очередной, в порядке возрастания цены, источник в списке.
Если к потребителю подключен один и больше источников и температура воздуха
в помещениях ниже заданной на некую величину t либо не хватает тепловой
энергии для ГВС, подключается следующий в списке источник. Если наблюдается
переизбыток тепловой энергии и подключено несколько источников, то отключа-
ется источник с самой высокой стоимостью. При этом подключение второго и по-
следующих источников может происходить только в случае достижения преды-
дущим источником максимальной тепловой мощности. При необходимости по
результатам включения источника корректируют значения тепловых и физиче-
ских потерь, затрат на их компенсацию и тепловой КПД процесса, что на после-
дующих итерациях позволит уточнить стоимость тепловой энергии.
11. С принятой периодичностью (одни сутки) анализируются величины
дефицитов энергоресурсов. При появлении потенциального отрицательного
баланса количества энергоресурса на конец отчетного периода (месяц, квартал,
год и т.д.) цена соответствующего ресурса увеличивается. При образовании по-
тенциально положительного баланса энергоресурса его цена уменьшается. При
наличии возможности непосредственного управления заданной температурой
потребителя образование отрицательного баланса снижает данную темпера-
туру. Аналогичным образом положительный баланс способствует возврату к
номинальному значению температуры воздуха в помещениях потребителей.
130 ISSN 0572-2691
Таким образом, задача оптимизации процесса
теплоснабжения городских районов решена двумя
способами: локально (в рамках отдельной кварти-
ры) — за счет структурной оптимизации объекта
управления и глобально (в рамках городских райо-
нов) — за счет перехода от структурной оптими-
зации объекта управления к управлению структу-
рой цены энергетических потоков.
На основе исследований разработана обоб-
щенная структурная схема системы автомати-
зированного управления теплоснабжением го-
родских районов (рис. 8).
Результаты моделирования
Исходные данные. Напомним, что исследуемый объект управления пред-
ставляет собой городской район из 200 многоэтажных жилых домов на 72 кварти-
ры каждый. Для теплоснабжения района предусмотрено две районные котельные.
Одна функционирует на газе, а другая использует тепловые насосы. В каждом
доме есть КК. В каждой квартире — газовый котел и тепловой насос. Стоимость
потребляемых ресурсов определяется действующими тарифами с учетом потреб-
ленного количества, а для электроэнергии — также с учетом времени суток (по
трехзонному тарифу).
Теплоснабжение отдельной квартиры может осуществляться одновременно
от всех пяти источников или от любой их комбинации. В рамках модели окружа-
ющей среды учитывается только температура воздуха. Процессы теплообмена и
теплопередачи в доме моделируются одномерными температурными полями во
всех внешних и внутренних стенах. Приведем данные по тарифам и тарифным ко-
эффициентам для электроэнергии: 0,2802 — при условии, что объем потреблен-
ной электроэнергии не превышает 150 кВт*ч/мес; 0,3648 — при условии, что объем
потребленной электроэнергии не превышает 800 кВт*ч/мес; 0,9576 — при условии,
что объем потребленной электроэнергии превышает 800 кВт*ч/мес; 1,5 — для та-
рифной пиковой зоны; 1,0 — для тарифной полупиковой зоны; 0,4 — для тариф-
ной ночной зоны.
Приведем тарифы на газ: 0,725 — при условии, что объем потребленного газа не
превышает 2500 м
3
/год; 1,098 — при условии, что объем потребленного газа не пре-
вышает 6000 м
3
/год; 2,248 — при условии, что объем потребленного газа не превы-
шает 12000 м
3
/год; 2,686 — при условии, что объем потребленного газа превышает
12000 м
3
/год
Модель изменения температуры воздуха окружающей среды без изменений
взята из [9].
Табл. 1 содержит технико-экономические параметры источников тепловой
энергии. В графе «Электрическая мощность» указана мощность, необходимая для
работы насосов.
Таблица 1
Источник
тепловой энергии
Ресурс,
лет
Стои-
мость,
тыс. грн
КПД
Надеж-
ность
Количество
абонентов
Страховые
выплаты,
грн
Электричес-
кая мощ-
ность, кВт
Районная котельная
на газе
30 13000 0,98 0,99 14400 1000 470
Районная котельная
с ТНУ
30 200000 — 0,99 14400 1000 470
Крышная котельная 25 400 0,96 0,99 72 1000 5
Индивидуальный 15 3 0,75 0,99 1 1000 0,05
0
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
1 1,25 1,5 1,75
E, кВт ч
х
Рис. 8
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2016, № 2 131
газовый котел
Индивидуальная ТНУ 20 48 — 0,99 1 1000 0,05
Система теплоснабжения городского района моделировалась на протяжении
одного месяца, начиная с 00.00 часов 1 января с шагом 120 с.
Результаты численных экспериментов. Для исследования свойств разрабо-
танной модели системы теплоснабжения проводились различные группы экспе-
риментов, в ходе которых оценивались месячные затраты потребителей и источ-
ников тепловой энергии рассмотренного городского района.
В первой группе экспериментов теплоснабжение осуществлялось только от
одного из рассматриваемых источников тепловой энергии. При этом мощности
каждого источника хватало для полного покрытия потребности потребителей в
тепле и горячей воде. Результаты моделирования представлены в табл. 2.
Таблица 2
Затраты
РК РК с ТНУ КК АГВ
ИТНУ
с утилизацией
сточных вод
ИТНУ
без утилизации
сточных вод
Затраты потребителя, тыс. грн
Основные, грн 6482,0 5126,7 4950,4 2663,4 1771,9 2631,4
Дополнительно, грн 602,8 899,8 846,5 146,6 195,5 200,2
Итого, грн 7084,9 6026,5 5796,8 2809,9 1967,4 2831,6
Затраты источников, грн
газ, грн 6465,0 0 4953,9 2763,1 0
х/в, грн 21,3 22,5 0 0 0
э/э, грн 302,8 5015,2 557,1 135,7 1855,5 2754,1
Итого, грн 6789,1 5037,7 5511,1 2898,8 1855,5 2754,1
Прибыль, грн 295,8 988,8 285,8 -88,9 111,8 77,5
Эффективность
транспортной
системы
0,98 0,98
Анализ полученных результатов показал, что оптимальным источником яв-
ляются ИТНУ. В рамках эксперимента для них рассмотрено два случая. В первом
осуществлялась утилизация сточных вод со средней температурой 20ºС. Во втором
случае считалось, что тепло для ТНУ поступает от сетевой воды с температурой
5ºС. Как видно, использование тепла сточных вод в качестве источника тепла для
ИТНУ позволяет существенно (30 %) сократить затраты на решение задачи теп-
лоснабжения. Стоит также отметить, что в летнее время средняя температура
сточных вод может достигать 28ºС, что также способно сократить затраты на ГВС
в летнее время.
В табл. 2 также отображена эффективность транспортной системы для цен-
трализованных котельных. Как видно, при нормативном значении тепловых и фи-
зических потерь данная эффективность имеет значение 0,98.
Для определения влияния износа магистральных трубопроводов централизо-
ванных котельных на эффективность транспортной системы проведена следую-
щая группа экспериментов, в которой тепловые и физические потери увеличены
в 10 и 20 раз (табл. 3).
Таблица 3
Затраты
Районная котельная
Тепловые
потери
10
Тепловые
потери
20
Физические
потери
10
Физические
потери
20
Тепловые и
физические
потери 20
Затраты потребителя, тыс. грн
Основные, грн 13221,8 13517,7 15845,5 19129,8 19481,6
132 ISSN 0572-2691
Дополнительно, грн 848,7 859,4 4282,7 6234,4 6737,1
Итого, грн 14070,5 14377,1 20128,2 25364,2 26218,7
Затраты источников, грн
газ, грн 13549,1 14226,3 14469,8 15319,2 16809,1
х/в, грн 21,5 21,8 198,7 358,5 379,0
э/э, грн 302,8 302,8 302,8 302,8 302,8
Итого, грн 13873,4 14550,9 14971,3 15980,4 17491,0
Прибыль, грн 197,1 – 173,8 5156,9 9383,8 8727,8
Эффективность
транспортной системы
0,93 0,89 0,87 0,82 0,75
Анализ полученных результатов показал, что увеличение тепловых и физиче-
ских потерь в 20 раз снижает эффективность транспортной системы до значе-
ния 0,75. Следует отметить, что по опубликованным данным энергоаудитов теп-
ловых сетей в различных городах реальные тепловые и физические потери на от-
дельных участках тепловых сетей могут в 100 раз превышать нормативные
значения. Общий износ тепловых сетей таков, что потери в десятки раз выше
нормативных. По данным, предоставленным КП «Тепловые сети города Южный»,
эффективность их процесса производства и транспортировки теплоносителя со-
ставляет всего 0,66. Согласно данным учетных приборов за январь 2015 года сум-
марно все потребители города получили 9291 Гкал, а оборудование котельной по-
требило газа на 13904 Гкал.
Помимо этого во многих городах в 90-х годах XX века были демонтированы
и сданы в металлолом циркуляционные контуры. Это привело к тому, что для по-
лучения хотя бы теплой воды потребитель должен «спускать» ее в течение 30 мин
и более. Как следствие: низкое качество ГВС в целом, существенный перерасход
горячей воды некоторыми потребителями, оплата потребителями услуги ГВС, ко-
торой в действительности нет, необходимость приобретения альтернативных ис-
точников ГВС.
Полученные результаты также позволили обосновать дальнейшую нецелесо-
образность точного моделирования динамики тепловой сети. В последующих
экспериментах считалось, что централизованные котельные находятся в состоя-
нии «горячего» резерва. С одной стороны, инерционность и размер тепловой сети
таковы, что на ее запуск и выход на номинальный режим требуется несколько су-
ток. С другой — реальный износ существующих тепловых сетей таков, что цен-
трализованные котельные не в состоянии конкурировать с индивидуальными ис-
точниками тепловой энергии и КК. Поэтому в дальнейшем централизованные ко-
тельные рассматривались с точки зрения академического интереса и возможного
потенциала.
В следующей группе экспериментов все источники были взаимозаменяемы-
ми и могли работать параллельно. ИТНУ моделировались без утилизации сточ-
ных вод. Результаты моделирования представлены в табл. 4.
Таблица 4
Затраты
Без
ограничений
Максимальная мощность
ИТНУ снижена на 50 %
Без
ИТНУ
Без
АГВ
Затраты потребителя, тыс. грн
Основные, грн 2122,7 2202,3 2522,7 2534,3
Дополнительно, грн 196,9 206,1 288,2 202,7
Итого, грн 2319,5 2408,4 2810,8 2736,9
Затраты источников, тыс. грн
газ, грн 1130,0 815,0 2461,7 634,6
х/в, грн 0 5,1 7,9 2,3
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2016, № 2 133
э/э, грн 1422,2 1768,1 763,9 2802,6
Итого, грн 2552,3 2588,2 3233,5 3439,5
Прибыль, грн – 232,7 – 179,9 – 422,7 – 702,6
Анализ полученных результатов показал, что оптимальное использование
множества альтернативных источников тепловой энергии позволяет стабильно
решать задачу теплоснабжения с меньшими затратами по сравнению с использо-
ванием только одного источника.
В последней группе экспериментов в целях исследования возможности пере-
хода от структурной оптимизации множества теплогенерирующих источников к
управлению структурой цены предложенного потребителю энергетического пото-
ка изучалось влияние цены энергоресурса на уровень его потребления.
В ходе экспериментов цена на электроэнергию и газ изменялась путем умно-
жения соответствующих тарифов на масштабный множитель х. На рис. 8 была
приведена зависимость потребленного количества электроэнергии Е от множите-
ля х. На рис. 9 показана аналогичная зависимость потребленного объема газа.
Анализ полученных результатов свидетельствует о потенциальной возможности
управлять потреблением энергоресурсов пу-
тем воздействия на их цену.
На рис. 10 представлены примеры вре-
менных диаграмм включения источников
системы теплоснабжения. Диаграмма «Та-
риф э/э» демонстрирует суточное измене-
ние трехзонного тарифа на электроэнергию.
Отметим, что в обычной практике исполь-
зование такого тарифа неоправдано, так как
экономия на ночном тарифе полностью
теряется в пиковое время. К тому же в рас-
сматриваемой системе активно использу-
ется ночной и дневной тарифы для полу-
чения тепловой энергии из электрической, а в пиковое время происходит пере-
ключение на газовые источники. При введении ограничений на самые дешевые
источники тепловой энергии можно наблюдать постепенный переход на менее
оптимальные источники.
0 604800 1209600 1814400 2419200
ИТНУ
АГВ
КК
РК с
ТНУ
РК
, с
Тариф
э/э
1
а
0
200000
400000
600000
800000
1000000
V, м
3
1 1,25 1,5 1,75 х
Рис. 9
134 ISSN 0572-2691
0 604800 1209600 1814400 2419200
ИТНУ
АГВ
КК
РК с
ТНУ
РК
, с
Тариф
э/э 1
б
Рис. 10
Заключение
Развитие методов структурной оптимизации объекта управления позво-
ляет применять ее для управления все более сложными и разнообразными
техническими системами. В настоящей статье предложен метод оптимального
управления теплоснабжением городских районов, учитывающий такие крите-
рии, как надежность и эффективность оборудования, а также текущую стои-
мость энергоресурсов.
Решение задачи оптимизации рассмотрено как с точки зрения минимизации
затрат на теплоснабжение отдельного потребителя, так и с точки зрения оптими-
зации расхода энергоресурсов в городских районах при введении ограничений на
доступное количество ресурсов.
Приведены результаты имитационного моделирования, из которых видно,
что предложенный метод позволяет минимизировать затраты потребителей на
теплоснабжение.
О.Б. Максимова, В.О. Давидов, С.В. Бабич
ОПТИМІЗАЦІЯ КЕРУВАННЯ СИСТЕМАМИ
ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ МІСЬКИХ РАЙОНІВ
Наведено метод вирішення задачі оптимізації процесу теплопостачання місько-
го району. Керування здійснюється на основі таких складових: надійність і
ефективність використовуваного обладнання, а також вартість енергоресурсів.
Наведено результати чисельного моделювання.
O.B. Maksymova, V.O. Davydov, S.V. Babych
OPTIMIZATION OF HEAT SUPPLY SYSTEMS
OF URBAN DISTRICT CONTROL
A method of solving optimization problem of the urban district heating is presented.
Control is carried out on the basis of such elements as: the reliability and efficiency
of the used equipment, and the cost of energy. The results of numerical modeling are
presented.
1. Емельянов С.В. Системы автоматического управления с переменной структурой. — М. :
Наука, 1967. — 336 с.
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2016, № 2 135
2. Казаков И.Е., Артемьев В.М. Оптимизация динамических систем случайной структуры. —
М. : Наука, 1980. — 384 с.
3. Глумов В.М., Земляков С.Д., Рутковский В.Ю. Адаптивное координатно-параметрическое
управление нестационарными объектами: некоторые результаты и направления развития //
Автоматика и телемеханика. — 1999. — № 6. — С. 100–116.
4. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. — М. : Наука, 1986. — 288 с.
5. Михайлова О.В. Системы управления объектами с изменяемой структурой (на примере уг-
леобогатительных и металлургических производств): Дис. … канд. техн. наук. — Новокуз-
нецк, 2003. — 181 с.
6. Казанский Д.Л. Исследование и разработка методов управления технологическими процес-
сами на основе их событийно-динамического моделирования (на примере производств
подготовки и перекачки нефти): Дис. ... канд. техн. наук. — М., 2003. — 172 с.
7. Verda V., Guelpa E., Kona A., Lo Russo S. Reduction of primary energy needs in urban areas
through optimal planning of district heating and heat pump installations // Energy. — 2012. —
48. — P. 40–46.
8. Niemi R., Mikkola J., Lund P.D. Urban energy systems with smart multi-carrier energy networks
and renewable energy generation // Renewable energy. — 2012. — 48. — Р. 524–536.
9. Максимова О.Б., Давыдов В.О., Бабич С.В. Управление системой теплоснабжения с изме-
няемой структурой технических средств // Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики». — 2014. — № 3. — С. 50–60.
10. Бауэрс Н., Гербе Х., Джонс Д. и др. Актуарная математика. — М. : Янус-К, 2001. — 656 с.
Получено 07.09.2015
После доработки 12.12.2015
|