Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГОМОНИТОРИНГА

Хорошев Н.И. 1 Елтышев Д.К. 1 Кычкин А.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В статье рассмотрен подход к формированию комплексной оценки, позволяющей осуществить эффективный выбор технических средств для мониторинга параметров, характеризующих энергетическое состояние исследуемых объектов генерации, потребления и распределения топливно-энергетических ресурсов. Приведена модульная структура системы удаленного энергомониторинга объектов, которая позволяет обеспечить оперативный и достоверный сбор и передачу измерительной информации, в том числе в режиме реального времени. Предложена методика оценки эффективности выбора технических решений для построения системы энергомониторинга на основе комплексного критерия, имеющего иерархическую структуру и учитывающего значимость рассматриваемых технических параметров. В качестве примера на основе методики произведена оценка эффективности каналообразующих устройств по критериям максимальной скорости и дальности связи, позволившая выбрать наилучший вариант из рассматриваемых альтернатив.
энергомониторинг
энергетический объект
комплексный критерий
декомпозиция
агрегирование
1. Андронникова Н.Г., Бурков В.Н., Леонтьев С.В. Комплексное оценивание в задачах регионального управления. – М.: ИПУРАН, 2002. – 58 с.
2. Бочкарев С.В., Елтышев Д.К. Методика принятия оптимальных решений при ремонте высоковольтного электротехнического оборудования // Научно-технический вестник Поволжья. – 2012. – № 6. – С. 142–146.
3. Кычкин А.В. Интеллектуальная информационно-диагностическая система для исследований кровеносных сосудов // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. – 2013. – № 3. – С. 114–123.
4. Кычкин А.В. Модель синтеза структуры автоматизированной системы сбора и обработки данных на базе беспроводных датчиков // Автоматизация и современные технологии. – 2009. – № 1. – С. 15–20.
5. Кычкин А.В., Бакунов Р.Р., Мехоношин А.С. Оценка возможности работы подвижной сенсорной сети АСУТП в режиме реального времени // Датчики и системы. – 2012. – № 7. – С. 8–13.
6. Кычкин А.В., Хорошев Н.И., Елтышев Д.К. Концепция автоматизированной информационной системы поддержки энергетического менеджмента // Энергобезопасность и энергосбережение. – 2013. – № 5. – С. 12–17.
7. Петроченков А.Б. Управление электротехническими комплексами на основных этапах жизненного цикла // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2011. – № 121. – С. 219–224.
8. Рациональное управление потреблением энергии с помощью информационной системы энергоменеджмента MY JEVIS / Р.А. Файзрахманов, Т. Франк, А.В. Кычкин, А.Б. Федоров // Электротехника. – 2011. – № 11. – С. 35–40.
9. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий: пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1993. – 320 с.
10. Хорошев Н.И., Казанцев В.П. Применение правил нечеткой логики при эксплуатации электротехнического оборудования // Электротехника. – 2011. – № 11. – С. 59–64.

Высокая энергоемкость на производстве, транспорте, в строительстве и других сферах деятельности человека в сочетании с политикой сокращения рисков нанесения вреда здоровью персонала и окружающей среде обуславливает необходимость сбора, передачи и обработки информации по ключевым показателям, характеризующим энергетическое состояние объектов генерации, распределения и потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) [6, 7]. По этой причине одной из основных целей создания эффективной системы энергомониторинга (СЭ) является разработка и совершенствование структур программных и аппаратных средств, предоставляющих возможность оперативного учета и долгосрочной регистрации различных категорий параметров и способствующих накоплению и анализу информации о состоянии энергетических объектов (ЭО) [6].

Для повышения достоверности и оперативности получения данных об энергетических показателях и достижения эффективности функционирования СЭ в целом необходим тщательный выбор технических средств, образующих структуру системы, на основе комплексного критериального анализа их эффективности.

Структура системы удаленного энергомониторинга

С учетом известных решений в области создания современных распределенных систем сбора и обработки данных о состоянии объектов энергетики [3–6] предлагается следующая структура СЭ (рис. 1).

Система с предложенной структурой обеспечивает беспроводную связь ЭО с базовой станцией (БС), снабженной устройством синхронизации и сбора данных (УСД). Количество функционирующих ЭО, подключаемых к БС, может быть произвольным числом в пределах максимально допустимого количества, определяемого протоколом передачи данных по измерительному каналу [4, 5]. Повышение масштабируемости группы ЭО достигается использованием беспроводной связи между БС и подсистемой локального мониторинга, обеспечивающей хранение данных в БД и их предоставление оператору. Число БС может быть также произвольным и определяется протоколом передачи данных локальной беспроводной сети дальней связи с пакетной передачей сообщений [4, 5]. Наборы локальных систем объединяются единым центром – подсистемой глобального энергомониторинга. Сбор данных производится с помощью развернутой на территории телекоммуникационной инфраструктуры с применением оптической, спутниковой и других видов связи. При этом взаимодействие сервисов диспетчерского центра производится по интеграционной шине [4].

pic_16.wmf

Рис. 1. Структура системы удаленного мониторинга энергетических объектов: КОУ – каналообразующее устройство; М – маршрутизатор; ИО – интерфейс оператора; О – оператор; ГИС – геоинформационная система; БД – база данных; СС – сенсорная сеть; СУСС – система управления сенсорной сетью; ЭО – энергетический объект

Комплексная оценка системы энергомониторинга

Принимая во внимание значительное число компонент предлагаемой структуры СЭ, для комплексной оценки ее эффективности следует учитывать существенное количество наиболее информативных и специализированных критериев. С этой целью рационально использовать принципы декомпозиции и агрегирования [1, 9], которые подразумевают построение иерархии взаимосвязанных частных (локальных) критериев и осуществление свертки на различных ее уровнях с учетом относительной важности критериев [2, 9].

Для оценки эффективности средств энергомониторинга будем использовать вектор локальных критериев K = (k1, ..., ki, ..., kn), где ki - значение i-го локального критерия. Значение комплексного (глобального) критерия f(K), характеризующее эффективность исследуемой системы, определяется в соответствии с принципами, обозначенными в табл. 1 [2, 10], где αi определяет степень относительной важности i-го критерия [2, 10].

С учетом требований к надежности СЭ выбор критерия комплексной оценки эффективности функционирования ее структурных компонент обусловлен необходимостью получения «гарантированных оценок» [4, 8]. Поэтому в качестве комплексного будем использовать критерий f1(K) табл. 1, который представляет собой пошаговую процедуру агрегирования оценок (по локальным критериям) и позволяет при расчетах получить объективное соотношение «значение критерия» – «вес критерия» без нормализации величин, входящих в состав критерия (табл. 2).

Иерархия комплексных оценок для системы энергомониторинга строится с учетом группировки критериев по парам (рис. 2).

Таблица 1

Способы построения комплексных критериев

№ п/п

Название принципа агрегирования

Аналитическое выражение

1

Аддитивная свертка

horosh01.wmf

2

Мультипликативная свертка

horosh02.wmf

3

Равномерная оценка локальных критериев

horosh03.wmf

4

Принцип пессимизма-оптимизма Гурвица

horosh04.wmf

5

Оценка по наиболее важному критерию

horosh05.wmf

Таблица 2

Критерии оценки структурных компонент системы энергомониторинга

№ п/п

Характеристика

Обозначение

1

Общее число измеряемых параметров

ИП

2

Количество БС

КБ

3

Количество функционирующих ЭО

КФ

4

Объем БД

БД

5

Погрешность измерений сигналов

П

6

Диапазон работы СС

Д

7

Скорость передачи данных по измерительному каналу

СПИК

8

Дальность связи измерительного канала

ДСИК

9

Частота синхронизации и опроса функционирующих ЭО с помощью УСД БС

ЧСФ

10

Скорость передачи данных по локальной беспроводной сети дальней связи

СЛС

11

Дальность связи локальной беспроводной сети

ДЛС

12

Частота синхронизации и опроса БС

ЧСБ

13

Стоимость

С

14

Наработка на отказ

О

15

Габариты оборудования, устанавливаемого на ЭО (СС, СУСС, КОУ, УСД)

Г

16

Вес оборудования, устанавливаемого на ЭО (СС, СУСС, КОУ, УСД)

В

pic_17.wmf

Рис. 2. Структура комплексного критерия оценки эффективности СЭ: КЭБ – количество ЭО и БС сбора данных; ПД – погрешность в диапазоне; ПИ – полнота информации; ОБС – относительное быстродействие локальной сети; ОБК – относительное быстродействие измерительного канала; ДИ – достоверность информации; ПЛС – производительность локальной сети; ПИК – производительность измерительного канала реального времени; Р – размер; ОС – относительная стоимость; ЭИ – эффективность информационного обеспечения; ЭС – эффективность сетевого обеспечения; ОСК – относительная стоимость конструктивного решения; КМ – качество мониторинга группы ЭО; К – комплексный критерий

Оценка эффективности технических средств (компонент СЭ) осуществляется на основе парных сравнений по значениям показателей табл. 2:

horosh06.wmf, (1)

где Ak – матрица сравнений альтернатив по k-му критерию; aij = ai/aj, – оценки преимущества i-й альтернативы над j-й; ai, aj – значения k-го критерия для i-й и j-й альтернатив.

Вектор приоритетов альтернатив pk = (p1, p2,…, pm) вычисляется в соответствии с принципом среднего геометрического взвешивания [9]:

horosh07.wmf, (2)

где horosh08.wmf – оценка значимости i-й альтернативы по k-му критерию; aij – элемент МПС.

Веса критериев оцениваются с использованием МПС для каждой пары локальных критериев с последующим вычислением вектора приоритетов. Учитывая предложенную структуру комплексного критерия, МПС имеют следующий вид:

horosh09.wmf,

где kl – матрица сравнений для l-й группы критериев; элементы kij – оценки преимущества i-го критерия над j-м, формируемые экспертом в соответствии со шкалой Саати [9].

Вектор приоритетов (весов) критериев qk = (α1, α2) вычисляется по принципу (2), а итоговые оценки эффективности – с использованием аддитивного принципа свертки S:

horosh10.wmf (3)

horosh11.wmf, (4)

где Si – оценка эффективности i-го альтернативного варианта реализации СЭ.

В соответствии с рис. 2, структура взаимосвязей между компонентами комплексного критерия эффективности К может быть представлена аналитически следующим образом:

КЭ = φ1(КБ, КФ); ОБК = φ2(СПИК, ДСИК); ОБС = φ3(СЛС, ДЛС);

ПИ = φ4(ИП, φ1(КБ, КФ)); ПД = φ5(П, Д); ПИК = φ6(ЧСФ, φ2(СПИК, ДСИК));

ПЛС = φ7(ЧСБ, φ3(СЛС, ДЛС)); ДИ = φ84(ИП, φ1(КБ, КФ)), φ5(П, Д)) и т.д.

Таким образом, комплексный критерий эффективности К примет вид:

К = φ151396(ЧСФ, φ2(СПИК, ДСИК)), φ7(ЧСБ, φ3(СЛС, ДЛС))), φ10(БД, φ84(ИП, φ1(КБ, КФ)), φ5(П, Д)))), φ1411(С, О), φ12(Г, В))),

где φ1..15 – функция свертки пары критериев, результатом которой является числовая оценка в некоторой шкале, что упрощает процесс построения комплексного критерия К.

Алгоритм оценивания продемонстрируем на примере свертки критериев скорости передачи данных (СПИК) и дальности связи измерительного канала (ДСИК). Изначально на основе данных о характеристиках КОУ (табл. 3), реализующих измерительный канал (рис. 1), составляются МПС (табл. 4, 5). При заполнении табл. 5 использованы экспертные оценки по шкале [9].

Таблица 3

Исходные данные для формирования МПС по оценке ОБК

Критерии оценки

Альтернативы

A1

A2

A3

ДСИК, м

10

100

1000

СПИК, Кб/с

500

200

1000

Таблица 4

Сравнение альтернатив по критериям ДСИК и СПИК

Альтернатива

Критерий ДСИК

Альтернатива

Критерий СПИК

А1

А2

А3

А1

А2

А3

А1

1

0,1

0,01

А1

1

2,5

0,5

А2

10

1

0,1

А2

0,4

1

0,2

А3

100

10

1

А3

2

5

1

Таблица 5

Оценка важности критериев ДСИК и СПИК

ОБК

ДСИК

СПИК

ДСИК

1

1/3

СПИК

3

1

Результаты расчета эффективности альтернатив по комплексному критерию ОБК согласно формулам (1)–(4) сведены в табл. 6.

Таблица 6

Таблица расчета эффективности технического обеспечения энергомониторинга

Оценки эффективности по критерию ОБК

Альтернативы

A1

A2

A3

Локальные оценки по критерию:

– ДСИК

– СПИК

0,009

0,294

0,090

0,118

0,901

0,588

Глобальные оценки

0,223

0,111

0,666

Примечание. Веса критериев ДСИК и СПИК в соответствии с табл. 5 равны 0,25 и 0,75.

Таким образом, КОУ с низкими характеристиками по скорости и дальности связи имеют самый низкий рейтинг. Очевидно, что приоритетным в этом случае является КОУ с лучшими характеристиками.

Заключение

Использование предложенного подхода к построению системы удаленного энергомониторинга позволяет обеспечить оперативность и достоверность информации о состоянии ЭО. Это достигается за счет модульности системы (рис. 1), использования независимых сенсорных сетей и единого устройства сбора данных (упрощает процессы диспетчерского управления группами ЭО), комплексной критериальной оценки эффективности выбора структурных компонент (технических средств) СЭ.

Рецензенты:

Бочкарёв С.В., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации», ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь;

Щербинин А.Г., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Конструирование и технологии в электротехнике», ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 21.03.2014.

Библиографическая ссылка

Хорошев Н.И., Елтышев Д.К., Кычкин А.В. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГОМОНИТОРИНГА // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 5-4. – С. 716-720;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=33984 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674