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
№ п/п |
Название принципа агрегирования |
Аналитическое выражение |
1 |
Аддитивная свертка |
|
2 |
Мультипликативная свертка |
|
3 |
Равномерная оценка локальных критериев |
|
4 |
Принцип пессимизма-оптимизма Гурвица |
|
5 |
Оценка по наиболее важному критерию |
|
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 |
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 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]:
, (2)
где – 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:
,
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:
(3)
, (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 = φ8(φ4(ИП, φ1(КБ, КФ)), φ5(П, Д)) и т.д.
Таким образом, комплексный критерий эффективности К примет вид:
К = φ15(φ13(φ9(φ6(ЧСФ, φ2(СПИК, ДСИК)), φ7(ЧСБ, φ3(СЛС, ДЛС))), φ10(БД, φ8(φ4(ИП, φ1(КБ, КФ)), φ5(П, Д)))), φ14(φ11(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: 17.08.2024).