Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

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].

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

Таблица 2

Критерии оценки структурных компонент системы энергомониторинга

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:

, (1)

где A^k – матрица сравнений альтернатив по k-му критерию; a_ij = a_i/a_j, – 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]:

, (2)

где – оценка значимости i-й альтернативы по k-му критерию; a_ij – 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:

,

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

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

(3)

, (4)

где S_i – 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 = φ₈(φ₄(ИП, φ₁(КБ, КФ)), φ₅(П, Д)) и т.д.

Таким образом, комплексный критерий эффективности К примет вид:

где φ_1..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

Таблица 4

Сравнение альтернатив по критериям ДСИК и СПИК

Таблица 5

Оценка важности критериев ДСИК и СПИК

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

Таблица 6

Таблица расчета эффективности технического обеспечения энергомониторинга

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.