Определение оптимального метода управления информационным потоком

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие рынка электроэнергии на основе экономического подхода управления требует создания полномасштабных иерархических систем: автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии. Эта необходимость возникла в связи с тем, что создание данных систем отвечает экономическим интересам поставщиков и потребителей электроэнергии при решении задачи точного контроля и учета электроэнергии. Известно, что в ЭС 0,4 кВ весьма актуальна проблема снижения коммерческих потерь электроэнергии (КПЭ), обусловленных в основном неплатежами и хищением (несанкционированным потреблением) электроэнергии. Статистические данные показывают, что величина КПЭ в отдельных районах России достигает 35-40 % от объема потребленной электроэнергии.

Указанные обстоятельства объясняют актуальность разработки и внедрения эффективной системы автоматизации энергоучета, комплексно решающей проблему снижения КПЭ в электрических сетях напряжением 0,4 кВ.

Существенный вклад в развитие технической автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии внесли ученые В.Э. Воротницкий, Ю.С. Железко, C.JI. Кужеков, В.Г. Фетисов и другие. Вопросы, связанные с организацией принципов передачи сигналов и данных, отражены в трудах Н.Т. Петровича, JI.M. Финка, Ю. Блэка и других. Результаты исследований при моделировании систем массового обслуживания изложены в работах А.Я. Хинчина, H.П. Бусленко, Б.В. Гнеденко, Г.П. Климова, Э.А. Даниэляна и других.

Несмотря на актуальность, многие вопросы создания экономически обоснованных автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии остаются нерешенными в настоящие время из-за кризисного положения в экономике, обстроенной введенными санкциями против Российской Федерации.

Проблема исследования заключается в создании систем непредвзятого адресного учета потребления электроэнергии, мотивирующих предприятия и население к укреплению платежной дисциплины и внедрению энергосберегающих технологий.

Объект исследования - это процесс проектирования информационно-коммуникационных технологий, обеспечивающих оптимальное управление информационным потоком в АСКУЭ.

Предмет исследования -- методы и средства доставки данных о расходе электроэнергии от потребителя в единый центр сбора данных.

Цель диссертационного исследования состоит в разработке структуры АСКУЭ и определении оптимального метода управления информационным потоком.

Задачи исследования - провести анализ существующих систем управления энергообеспечением; осуществить классификацию АСКУЭ; разработать модель информационных потоков системы обеспечения электроэнергией; выбрать способ и метод доступа к коллективному каналу данных; разработать структуру счетчика электрической энергии с применением специализированных интегральных схем.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы, принятые в электротехнике, теории электроснабжения производственных и жилых помещений.

Научная новизна полученных результатов:

- предложен метод случайного доступа к центру сбора и первичной обработки данных без обратного канала, обеспечивающий снижение капитальных затрат на создание АСКУЭ;

- получили дальнейшее развитие средства связи по силовым кабельным и воздушным сетям 0,4 кВ; информационный электроэнергия данные счетчик

- усовершенствована структура электронного счетчика электроэнергии путем введения специализированной интегральной схемы ADE7755.

Практическое значение полученных результатов заключается в экономии электроэнергии на 4.5% и состоит за счет:

* использования точных статистических данных, позволяющих уменьшить заявленную мощность, которая участвует в утреннем и вечернем максимумах и оплачивается по основной ставке двуставочного тарифа;

* исключения случаев превышения лимита, ограничений и соответственно 5-ти кратных штрафов за счет постоянного отслеживания расхода электроэнергии, особенно в часы утреннего и вечернего максимумов;

* сокращения электропотребления при наличии оперативного контроля за основными потребителями (цехами, участками) по выполнению ими плановых удельных расходов электроэнергии на единицу производимой продукции;

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований и подтверждается совпадением полученных результатов исследования с практикой эксплуатации оборудования хозяйства электроснабжения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Математическое моделирование, численные методы и информационные системы» (г. Самара, 2013 г.) и ХV научной конференции студентов и аспирантов САГМУ (г. Самара, 2014 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 2 печатных работах. Общий объем публикаций 0,5 п. л. (8 страниц), из которых автору принадлежит 0,25 п. л.

Структура диссертации состоит из введения, четырех глав, тринадцати параграфов, в которых решаются поставленные исследовательские задачи, заключения, списка использованных источников и литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования, показывается степень разработанности обозначенной проблемы, ставится цель, формулируются задачи, определяются методы исследования, раскрывается практическая значимость полученных результатов.

В первом разделе раскрыты проблемы жилищно-коммунального хозяйства, обусловленные кризисными явления экономики. Основной проблемой является отсутствие оперативных данных по производству, потреблению и оплате всех видов ресурсов: воды, тепла, газа, электрической энергии. Это привело к тому, что абонентские отделы всех производителей ресурсов самостоятельно, собственными силами ведут учет и контроль оплаты потребленных ресурсов путем обхода квартир потребителей. Это значит, что одну и ту же квартиру посещает со случайной периодичностью несколько человек, оплата труда которых ложится в тарифы производителей.

Приведена классификация АСКУЭ 0,4 кВ по принципу управления на активные и пассивные, с распределенным и централизованным управлением, с обратной связью и без обратной связи.

АСКУЭ с автономным управлением имеет низкие показатели надежности системы, обусловленные наличием множества дополнительных физических носителей информации, специальных устройств для их чтения и определяющей неквалифицированной ролью «человеческого фактора» в системе; низкую информационную защиту электронных платежных карт; отсутствие возможности оперативного избирательного управления процессом энергоснабжения в системе, при этом необходимо иметь разветвленную инфраструктуру пунктов приема платежей с возможностью эмиссии, программирования и утилизации электронных карт.

АСКУЭ с централизованным управлением характеризуются наличием единого центра оперативного управления системой, связанного с абонентскими устройствами каналами связи. Дополнительным преимуществом таких систем является возможность реализации на их основе автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) электроснабжения.

Обобщенная структура АСКУЭ приведена на рис. 1.

Рисунок 1 Обобщенная структура АСКУЭ

На рис. 1 приняты следующие обозначения: КС - контроллер счетчиков; КСН - концентратор - сетевой накопитель информации; СНИ - сменный носитель информации.

Для связи с исполнительными абонентскими устройствами (ИАУ) в системах с централизованным управлением могут использоваться однонаправленные (симплексные) и двунаправленные (полудуплексные, дуплексные) каналы связи. Использование оперативной обратной связи с ИАУ можно также выделить в качестве отдельного признака для классификации, так как оно в значительной степени сказывается на функциональных возможностях АСКУЭ и стоимости ее внедрения.

На основании выполненного анализа принято решение о реализации АСКУЭ с применением каналов связи по распределительным силовым сетям на основе силовых кабельных и воздушных линий напряжением 0,4 кВ.

Во втором разделе с целью повышения достоверности (целостности) оперативной составляющей потока АСКУЭ предлагается использовать метод передачи данных по принципу «нарастающего итога» - в очередном цикле информационного обмена данные каждого счетчика представляются в виде кода, равного сумме числа импульсов, накопленных к моменту предшествующей передачи данных и за интервал между смежными циклами передачи информации.

Рассматриваются два возможных варианта построения системы доступа: системы с жестким разделением времени доставки и системы с диалоговым режимом определения момента переноса данных. Для системы с жестким закреплением временных интервалов необходим источник единого времени, а в оконечных установках приемник единого времени. Реализация такого подхода существенно усложняет систему, поскольку приводит к усложнению оконечного оборудования, что сразу же сказывается на величине капитальных затрат.

Диалоговые системы не требуют усложнения оконечного оборудования, не приводят к росту капитальных затрат, но требуют дополнительных затрат времени на установление диалогового режима между оконечным оборудованием и центром сбора информации.

Разработана модель информационных потоков системы обеспечения электроэнергией, приведенная на рис. 2.

Рисунок 2 Модель информационных потоков: 1 - Съем информации с датчиков, 2 - Измерение электрических параметров, 3 - Сигнализация состояния оборудования, 4 - Измерение и вывод параметров учета энергоресурсов, 5 - Регистрация аварийных и предаварийных сигналов, 6 - Формирование команд управления, 7 - Контроль работоспособности аппаратуры, 8 - Промежуточная обработка информации, 9 - Кодирование и декодирование информации, 10 - Ретрансляция информации, 11 - Передача информации по каналам связи, 12 - Информационные обмены по сети Ethernet, и по каналам мобильной связи, 13 - Отображение информации, 14 - Анализ и обработка информации на ПК

На основании выполненного анализа для создания и эксплуатации АСКУЭ принято решение использовать сеть электропитания в качестве среды переноса информации на нижнем, наиболее затратном уровне иерархии. В пределах трансформаторной подстанции (ТП) для группы до 16000 потребителей образуется канал коллективного пользования, в котором абоненты поочередно доставляют свою информацию. На участке от ТП до ЦСД способ и среда переноса информации не играют существенной роли и не оказывают заметного влияния на стоимость транспортировки одного бита полезной информации.

Рассмотрена система с регулярным доступом, в которой интервалы между требованиями детерминированы и задаются каждым абонентским терминалом автономно. При автономном формировании потока требований на обслуживание неизбежны столкновения заявок (коллизии). Выполнена оценка интенсивности коллизий системы с детерминированным интервалом между доставками при использовании, в качестве датчика потока требований (ДПТ) в абонентском терминале (АТ) АСКУЭ генератора периодических импульсных сигналов.

Если в системе N терминалов, то каждый из них будет входить в коллизию с каждым другим. Вероятность коллизии в системе будет равна:

Pкол=(N-1)?е_вз,

здесь е_вз - взаимная нестабильность одного генератора относительно всех остальных генераторов в группировке.

Пусть в АТ используется нетермостатированный кварцевый генератор с , дрейф частот идет в противоположные стороны, тогда = 2, а

Pкол = 2(N - 1)=2*999* 0, 2.

Это значит, что: 80% терминалов доставят свои сообщения, а 20% терминалов нет.

Рассмотрена система случайного доступа и случайным интервалом между доставками с учетом того, что с целью максимального снижения капитальных затрат на АСКУЭ обратный канал системы не предусмотрен. Это значит, что абонентский терминал системы самостоятельно определяет порядок доступа и выдает блок данных в среду передачи. Следовательно, при совпадении во времени моментов выдачи в канал блока данных более чем от одного терминала столкнувшиеся заявки будут гибнуть в силу их взаимного сбоя. Отсутствие обратного канала исключает возможность информирования абонентского терминала о факте гибели блока данных.

При такой организации доступа интервал между cмежными моментами выдачи в канал блоков данных равен:

-,

где Тn - назначенный интервал между требованиями (интервал между доставками блоков данных от потребителя к производителю);

S(n) - случайное число, сформированное генератором случайных чисел (ГСЧ) АТ после выдачи предшествующего - (n-1)-го блока данных в канал для и .

Текущее время выдачи в канал n-го блока данных

=

Если последовательность случайных чисел ГСЧ периодична, то средний интервал между требованиями

определяется значением суммы чисел ГСЧ в пределах периода. Здесь возможны два варианта: ГСЧ формирует равновероятную последовательность чисел максимального периода; ГСЧ формирует не равновероятную последовательность чисел периода t.

Если последовательность включает конечное значение чисел натурального ряда, то сумма этих чисел будет разной для каждого из терминалов и средний интервал между требованиями так же будет разный. Допустить такую ситуацию нельзя. Поэтому другим важнейшим требованием к ГСЧ является требование генерации каждым из ГСЧ равновероятно распределенной последовательности чисел интервала 0,Tn и разным порядком следования чисел в каждой из этих последовательностей. В этом случае сумма чисел на выходе ГСЧ в каждом из терминалов будет одинакова, периодичность опроса постоянна, а среднее значение между требованиями для любого АТ будут равны.

,

В этом случае все АТ группировки имеют постоянное, не зависящее от номера АТ значение среднего интервала между доставками, а система массового обслуживания является системой со стационарными параметрами. Таким образом, предложенный метод случайного доступа к коллективному каналу данных при отсутствии обратного канала в системе является оптимальной для АСКУЭ.

В третьем разделе доказана целесообразность использования каналов связи, образованных по распределительным силовым сетям на основе силовых кабельных и воздушных линий напряжением 0,4 кВ. Эти каналы уже существуют, являются собственностью предприятий городских сетей, а направление передачи телеметрической информации часто совпадает с линиями электроснабжения, что позволяет экономить на сооружении специальных линий связи.

При построении информационной сети на основе силовых кабельных линий (НТС-сети) каждому контролируемому объекту (РП, ТП, счетчик) ставится в соответствие один из узлов информационной сети, имеющей древовидную структуру, приведенную на рис. 3.

Блоки данных от каждой группы терминалов доставляются на трансформаторную подстанцию ТП1. Это есть нижний по иерархии участок сети или канал коллективного пользования, который образует систему массового обслуживания (СМО) нижнего уровня иерархии. Верхний по иерархии уровень СДТ образован участком ТП1-ТП2.

В зависимости от конкретных условий населенного пункта таких уровней иерархии может быть несколько, при этом следующие, более высокие уровни иерархии организованы по топологии «звезда» с главным узлом в центре сбора и первичной обработки данных (ЦСОД).

Рисунок 3 Структурная схема НТС-сети

Разработана структурная схема электронного счётчика электрической энергии с применением специализированной ИС ADE7755, способной производить перемножение сигналов и предоставлять полученную величину в удобной для микроконтроллера форме.

Сигнал произведения (U* I) поступает на широтно-импульсный модулятор (ШИМ), частота следования импульсов которого соответствует количеству потребленной энергии. Получаем преобразователь активной мощности в частоту следования импульсов. Общее количество пришедших импульсов, подсчитываемое микроконтроллером, прямо пропорционально потребляемой электроэнергии.

В четвертом разделе приведены виды потерь электроэнергии, минимизация которых обеспечивается при создании АСКУЭ. Выполнен расчет экономической эффективности АСКУЭ для потребителей электроэнергии, величина которого определяется по формуле:

Здесь - затраты на оплату электроэнергии по двухставочному тарифу (руб.);

- аналогичные затраты при оплате по дифференцированному тарифу, руб.,

, , - объемы электроэнергии (кВт/ч), планируемые к переносу соответственно из пиковых зон суток в ночную, из пиковых в дневные и из дневных в ночную;

- потребляемый суточный объем электроэнергии, кВт/ч;

- суточные объемы электроэнергии, потребляемые ЭП в ночную, дневную и пиковую зоны суток, кВт/ч.

- расценки за потребляемый объем электроэнергии в ночную, дневную и пиковую зоны суток, руб./кВт/ч.

Объем потребляемой энергии в год жителей трехкомнатной квартиры:

кВт/ч.

Если в пиковой зоне потребляется 1000 кВт/ч., в полупиковой зоне - 560 кВт/ч., а в ночное время - 600 кВт/ч., то затраты на электроэнергию составят:

руб.

Если из пиковой зоны перенести 500 кВт/ч в полупиковую зону, а из полупиковой зоны - 310 кВт/ч в ночное время, то затраты на электроэнергию при этом составят:

руб.

Экономический эффект за один год от применения дифференцированного тарифа переноса нагрузки в полупиковую и ночную зоны суток составит:

руб.

В Волгоградской области ориентировочно 120000 3-х комнатных квартир. При этом годовая экономия для данных жителей составит:

тыс. руб.

ВЫВОДЫ

В результате выполнения работы цель, поставленная в магистерской диссертации, заключающаяся в разработке структуры АСКУЭ и в определении оптимального метода управления информационным потоком выполнена в полном объеме. О достижении цели свидетельствуют следующие результаты, полученные в ходе решения задач исследования.

1. В настоящее время электроэнергия превратилась в товар и стала продаваться и покупаться, поэтому появилась необходимость в качественных приборах учёта. Развитие розничного рынка электроэнергии в дальнейшем будет стимулировать сбытовые компании грамотно вести учет, экономя за счет устранения потерь электроэнергии и её хищения.

2. Проведенный анализ теоретических разработок в области управления информационными потоками показал оптимальность случайного метода доступа к коллективному каналу данных, который обеспечивает стационарность параметров: время и периодичность доставки блоков данных.

3. Установлено, что сокращение стоимости АСКУЭ обеспечивается за счет применения способа передачи данных от электросчетчиков по низковольтной сети, от которой потребители получают электроэнергию.

4. Разработана структурная схема электронного счетчика электроэнергии, цена которого снижена по сравнению с аналогами за счет применения специализированной интегральной схемы ADK7755.

5. Внедрение АСКУЭ дает не только экономический эффект, но и повышает ответственность потребителей за использование энергии, побуждает их проводить энергосберегающие мероприятия с целью сокращения энергопотребления.

6. Экономический эффект за один год от применения дифференцированного тарифа и переноса нагрузки в полупиковую и ночную зоны суток для жителей одной трехкомнатной квартиры составит 737,7 руб.

Размещено на Allbest.ru