Повышение эффективности эксплуатации электроэнергетических систем аэропортов путем многокритериальной оптимизации их подсистем

Актуальность работы. Необходимость разработки методов формирования и оптимизации функционирования электроэнергетических систем (ЭЭС) аэропортов определена Федеральной Целевой Комплексной программой «Энергосбережение в России», принятой Постановлением Правительства Российской Федерации № 80 от 24.01.1998 г., цель которой — переход с 1998 г. по 2005 г. на энергосберегающий путь развития. Основополагающими принципами деятельности гражданской авиации в рыночных условиях стали экономичность и безопасность полетов. Существенное влияние на эти показатели оказывают эффективность функционирования и надежность ЭЭС аэропорта. При этом важнейшая роль отводится вопросам разработки методов их анализа, управления и автоматизации.

В условиях жесткой конкуренции отечественные аэропорты обязаны внедрять новое оборудование, постоянно совершенствовать свою деятельность, переходить на новые, отвечающие современным требованиям технологии. Переход невозможен без использования отлаженной и тщательно спланированной работы всего аэропорта, чью эффективность функционирования в значительной степени определяет надежность и стабильность работы локальных и глобальных информационных сетей, используемых в предприятии, включающих и систему электроснабжения. Современный аэропорт состоит из совокупности взаимосвязанных технологических процессов и систем: УВД, радиосветотехническое обеспечение (РСТО) аэропорта, обслуживание самолетов, обслуживание пассажиров и других. Каждая из систем не может функционировать обособлено, не образуя с другими системами комплекс взаимосвязей. Межсистемная взаимосвязь оказывает существенное влияние на функционирование оборудования. Это относится и к электроэнергетической системе. Все эти взаимосвязи влияют на энергетические показатели: надежность функционирования электрических сетей, срок службы электрооборудования, энергоэкономическую составляющую затрат аэропорта, электромагнитную несовместимость потребителей (колебания напряжения и частоты, возникновение высших гармонических составляющих, снижающих эффективность работы электрооборудования) и выводят задачу повышения эффективности функционирования ЭЭС аэропорта в разряд актуальных и наиболее важных.

В этих условиях эффективность и качество электроснабжения потребителей аэропортов могут быть достигнуты лишь за счет системности и целостности исследований функционирования ЭЭС при условии, что наряду с количественным сокращением энергозатрат (снижением энергоемкости) решаются новые качественные задачи.

В настоящее время интенсификация производства осуществляется за счет научно-технического прогресса, структурной перестройки экономики, применения эффективных форм управления, обусловливая рост используемых энергоресурсов. В свою очередь, экономическая эффективность производственной деятельности предприятия оценивается по материалоемкости и энергоемкости продукции, поэтому государственная политика в Российской Федерации направлена на то, чтобы прирост потребностей предприятий в топливе, энергии, сырье, металле и других ресурсах на 75 — 80% удовлетворялся за счет их экономии[30, 52, 147]. На усиление режима экономии, совершенствование управления использованием электроэнергии в аэропортах гражданской авиации направлена данная диссертационная работа.

В ряде отраслей промышленности (энергетическом машиностроении, приборостроении, морском и железнодорожном транспорте и др.) разработаны и внедрены научные и методические материалы по прогнозированию и управлению энергопотреблением предприятий [72, 93, 100, 151, 155]. В гражданской авиации исследований процесса электропотребления и разработанных на их основе научных методов по прогнозированию и управлению энергопотреблением в настоящее время практически нет. Задачи разработки методов формирования и оптимизации функционирования ЭЭС аэропорта с учетом отраслевых особенностей имеют большую актуальность, так как открытые резервы повышения эффективности их эксплуатации и снижения электропотребления становятся невозместимыми потерями для аэропортов гражданской авиации, если не реализуются. Изложенное позволяет сделать заключение об актуальности проведения исследований по теме диссертации.

Цель работы. Целью работы является теоретическая и экспериментальная разработка методологии системных исследований электроэнергетических систем аэропортов на основе автоматизации процедур системного анализа и многокритериальной оптимизации, обеспечивающих создание эффективных и отказоустойчивых ЭЭС аэропортов.

Задачи исследования. Поставленная цель реализуется путем решения ряда взаимосвязанных задач, среди которых к числу наиболее приоритетных относятся следующие:

1. Анализ состояния ЭЭС аэропортов и альтернативной энергетики на современном этапе, методов исследования процессов и подходов при решении проблем их развития, действующего законодательства по энергоснабжению и деятельности аэропортов.

2. Разработка методологии системных исследований ЭЭС аэропортов на основе развития теоретических положений системного анализа и определения области применения информационных технологий в целях их автоматизации.

3. Разработка принципов построения автоматизированной системы обработки информации по энергопотреблению, их реализация для целей системных исследований ЭЭС аэропорта.

4. Исследование и разработка методов автоматизации и моделирования ЭЭС аэропорта, разработка обобщенной модели на основе информационных, функциональных и динамических моделей их подсистем.

5. Исследование и разработка методов и моделей решения общих задач автоматизированного управления ЭЭС аэропорта на основе адаптивной системы анализа и прогнозирования сложных систем.

6. Исследование и разработка методов синтеза структур ЭЭС аэропорта на основе анализа дерева целей, функций системы, многокритериальной оптимизации и имитационного моделирования.

7. Развитие теории надежности, повышения отказоустойчивости и живучести ЭЭС аэропортов.

8. Оценка практического применения разработанных методов при создании ЭЭС аэропорта с комбинированным использованием энергосистем и нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

9. Разработка теоретических и схемно-технических решений систем формирования децентрализованного распределенного комбинированного электроснабжения объектов аэропорта и размещения автономных источников и накопителей энергии в ЭЭС аэропорта.

10. Разработка методики синтеза и оптимизации решений о включении нетрадиционных возобновляемых источников энергии в энергобаланс аэропорта.

11. Формирование представления об оптимизированной (рациональной) модели развития ЭЭС аэропорта, ориентированной на задачи авиатранспортного производства.

12. Определение экстремальных значений характеристик (параметров) оптимизированной ЭЭС, исходя из рациональных и обоснованных значений, достигнутых в гражданской авиации России и зарубежных стран, а также исходя из разработок и рекомендаций в области электроэнергетики промышленных предприятий.

13. Разработка метода корректировки экстремальных значений характеристик (параметров) оптимизированной ЭЭС с учетом особенностей конкретного аэропорта, в том числе определение параметров, по которым отсутствует необходимость достижения экстремальных значений, отыскание взаимной противоречивости некоторых из них, выявленных опытом эксплуатации в конкретном аэропорту.

14. Определение оптимальной структуры, экономических показателей и условий функционирования ЭЭС аэропорта разработка вариантов состояний и направлений движения от существующего уровня развития ЭЭС аэропортов к оптимизированной модели.

15. Исследование уровня энергозатрат по отдельным составляющим декомпозиции технологического процесса авиатранспортной деятельности и разработка методов их снижения при наличии автоматизированной системы управления электроснабжением, осуществляющей непрерывное информационно-управляющее взаимодействие между энергетическим и производственно-технологическим оборудованием.

16. Выполнение расчетов на основе реальных примеров для получения общих количественных оценок, подтверждающих эффективность выбранных методов, достоверность и практическую пригодность полученных результатов.

17. .Создание и внедрение на основе проведённых теоретических исследований комплекса методик и технических средств, обеспечивающих повышение эффективности функционирования ЭЭС аэропорта.

Методы исследований. Теоретической основой повышения эффективности эксплуатации и надежности ЭЭС аэропортов является системный подход как направление методологии познания и практики, в основе которого лежит исследование объектов как системсистемный анализ как совокупность методологических средств, используемых для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам в различных областях. В ходе проведения исследований использовались методы теории больших систем, системного анализа, теории информации, теории распознавания образов, теория оценивания и управления ЭЭС. Методы теории автоматического управления, методы поисковой оптимизации, численные методы решения алгебраических и дифференциальных уравнений, математическое и физическое моделирование, методы теоретического, экспертного и экспериментального определения параметров и характеристик ЭЭС аэропорта, методы математической статистики, методы декомпозиции и параллельных вычислительных технологий в задачах энергетики.

Научная новизна работы и защищаемых положений состоит в теоретическом обобщении и решении проблемы создания методологии системных исследований ЭЭС аэропортов.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Развита теория информационного обеспечения ЭЭС аэропорта.

2. Разработана теория отказоустойчивости и живучести ЭЭС аэропортов, повышающих надежность электроснабжения и безопасность полетов.

3. Разработана концепция, определяющая общие принципы оптимального управления ЭЭС, позволяющие решить задачу минимизации энергозатрат при неснижаемом уровне надежности и безопасности полетов во всех производственно-технологических процессах в условиях действующего аэропорта при внедрении комплексов современного и перспективного оборудования.

4. Разработаны методы оперативного и долгосрочного управления электроснабжением аэропорта на основе инструментальных данных учета и автоматизации с применением прогнозирующих алгоритмов оценки электропотребления .

5. Развита концепция и предложен алгоритм формирования автоматизированной системы управления электроснабжением аэропорта, а также разработано методическое и аппаратурное обеспечение такой системы.

6. Предложены методы обоснования и формирования системы комбинированного энергоснабжения удаленного объекта аэропорта.

7. Разработан метод оптимизации размещения автономных источников и накопителей энергии в электрических сетях аэропорта.

8. Разработана экономико-математическая модель развития и оптимизации электроэнергетических систем аэропортов, позволяющая на базе системного подхода приводить все конкурирующие варианты энергоснабжения к единой структуре учитывающая динамику развития аэропортов и иерархию функционирования в условиях нестабильности ценовых факторов.

9. Разработан метод оценки состояния и формирования направлений и вариантов движения от существующего уровня развития ЭЭС аэропортов к оптимизированной модели.

10. Разработаны методы анализа и снижения энергозатрат по всем составляющим декомпозиции технологических процессов авиатранспортной деятельности на основе непрерывного информационно-управляющего взаимодействия между энергетическим и производственно-технологическим оборудованием.

11. Разработаны методики регулирования нагрузки и электропотребления в режиме реального времени, сертификации электросветотехнического оборудования, совершенствования ремонта и модернизации оборудования, повышения достоверности показаний измерительных счетчиков и алгоритмизации задач диагностики системы измерений, повышения надежности электроснабжения, оценки и регулирования состояния электрооборудования и распределительных сетей аэропорта.

12. Разработаны методические рекомендации по определению экономически целесообразной структуры оптимальных параметров функционирования системы электроснабжения аэропорта и предложен метод корректировки экстремальных значений этих параметров с учетом особенностей конкретного аэропорта, в том числе по определению параметров, по которым отсутствует необходимость достижения экстремальных значений и по определению отыскание взаимной противоречивости некоторых из них, выявленных опытом эксплуатации в конкретном аэропорту.

13. Выполнены расчеты на основе реальных примеров и данных, получены количественные оценки, подтверждающих эффективность выбранных методов, достоверность и практическую пригодность полученных результатов.

На защиту выносятся:

1. Обобщенная методика анализа электроэнергетических систем аэропортов.

2. Развитие теории информационного обеспечения электроэнергетических систем и разработка автоматизированной системы обработки информации ЭЭС аэропорта.

3. Результаты сравнительного анализа эффективности различных методов прогнозирования расхода электроэнергии, алгоритм прогнозирующей оценки электропотребления аэропорта, метод и математический аппарат, позволяющие прогнозировать уровень расхода электроэнергии, исходя из реальных условий функционирования аэропорта.

4. Метод оценки эффективности функционирования электроэнергетической системы аэропорта, учитывающий структуру производственно-технологических процессов, природно-климатические условия функционирования, влияние внешних и внутренних факторов деятельности.

5. Обобщенный принцип многофакторной оптимизации электроэнергетических систем аэропорта.

6. Метод формирования и оценки энергетической эффективности децентрализованных систем сберегающего электроснабжения и разработанные на его основе методики оценки потерь электроэнергии в сетях аэропорта, построения энергосберегающей политики в аэропорту, построения банка данных по обеспечению комплексных исследований по энергопотреблению, а также рекомендации по выравниванию графиков нагрузки, повышению надежности электроснабжения объектов УВД и РСТО аэропорта.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием математического аппарата, адекватного решаемым задачампредставленным объемом статистического материалакачественным совпадением расчетных и экспериментальных данных, в том числе полученных путём моделирования, а также положительными результатами внедрения и эксплуатации компонентов ЭЭС аэропортов.

Практическая ценность работы. Теоретические положения и практические разработки обеспечивают научно-обоснованное развитие электроэнергетических систем аэропортов путем реализации и внедрения рекомендаций по их оптимальному функционированию. В том числе алгоритмов и программ выбора экономически целесообразного варианта развития ЭЭС, рекомендаций по повышению надежности схем электроснабжения, комплекса апробированных практикой инженерных методик для расчетов и оптимизации процесса ремонта электрооборудования, учета потерь электроэнергии, а также выравнивания графиков нагрузок аэропорта. Выполнение данной работы проводилось в рамках научно-исследовательской работы «Система совершенствования процессов эксплуатации электросветотехнического оборудования аэропортов на основе использования персональных ЭВМ» (Шифр 72.2.11.90), целевая комплексная программа «Энергия» северо-западного региона России. По результатам данной работы создан программный комплекс, позволивший внедрить подсистему АСУ электросветотехнического обеспечения полетов (ЭСТОП) в Ленинградском объединенном авиаотряде, включающую в себя автоматизированные рабочие места начальника ЭСТОП, начальника узла, начальника смены и инженера по учету. В АСУ ЭСТОП разработаны также обучающие программы по проверке знаний правил техники безопасности и правил эксплуатации электроустановок потребителей для электросветотехнического персонала и идентификации работы светотехнического оборудования ВПП.

По результатам диссертационной работы в Федеральном Государственном унитарном авиационном предприятии Пулково и других аэропортах внедрены методики по оценке потерь электроэнергии в сетях аэропорта, построению энергосберегающей политики в аэропорту, формированию банка данных для обеспечения комплексных исследований по энергопотреблению. Разработаны рекомендации по выравниванию графиков нагрузки, повышению надежности электроснабжения объектов УВД и РСТО аэропорта, совершенствованию системы учета потребления электроэнергии, автоматизации процессов энергоснабжения, ремонта электрооборудования, создания автоматизированной системы обработки информации ЭЭС аэропорта. Теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы при разработке энергетического паспорта ФГУАП Пулково, проведении сертификации качества электроэнергии, в разработках технического задания арх. № АМВЮ. 411 713.029.T3 и проекте арх. № АМВЮ. 411 713.029 Том 13. «Автоматизированная система коммерческого учета расхода электроэнергии и мощности ФГУАП Пулково (АСКУЭ Пулково)», выполненных государственным учреждением «Энерготестконтроль» под руководством автора (Приложения к диссертации № 1−3).

Практически все результаты работы внедрены в учебный процесс дисциплин кафедры № 11 Академии Гражданской авиации.

Результаты внедрения подтверждаются соответствующими актами.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и межвузовских конференциях, в том числе на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы проектирования, строительства, механизации и эксплуатации аэропортов» (Киев, КНИГА, 1985 г.) — Научнотехнической конференции профессорско-преподавательского состава КНИГА (Киев, КНИГА, 1985 г.) — Всесоюзной научно-техническая конференции по современным проблемам проектирования, строительства и эксплуатации аэропортов (Москва, ГПИ НИИ Аэропроект, 1986 г.) — Научнотехнической конференции профессорско-преподавательского состава КИИГА (Киев, КИИГА, 1986 г.) — Методическом совещании руководящего состава служб ЭСТОП МГА (Красноярск, 1988 г.) — Научно-технические конференции «Проектирование, строительство, эксплуатация и механизация аэропортов» (Киев, КИИГА, 1989 г.) — 3-ей международной научно-технической конференции «Методы управления системной эффективностью функционирования электрифицированных и пилотажно-навигационных комплексов «Авионика — 95» «(Киев, КМУГА, 1995 г.) — Международной научно-технической конференции «Проблемы совершенствования систем аэронавигационного обслуживания и управления подвижными объектами «Аэронавигация — 96» «(Киев, КМУГА, 1996 г.) — Международной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности полетов в новых экономических условиях» (Киев, КМУГА, 1997 г.) — Международной научно-практической конференции «Проблемы развития систем аэронавигационного обслуживания и авионики воздушных судов» (Киев, КМУГА, 1998 г.) — Второй международной конференции и выставке «Аэропорт-99» (Киев, КМУГА, май 1999 г.) — 7-ом заседании аэродромного комитета ассоциации стран СНГ «Аэропорт» ГА. (Санкт-Петербург, ГУАП Пулково, июнь 1999 г.) Международной научно-технической конференции «Авиа-99» в рамках 1-й Международной специализированной выставки «АВИАМИР XXI века» (Киев, КМУГА, октябрь 1999 г.) — 8-ом заседании аэродромного комитета ассоциации стран СНГ «Аэропорт» ГА (Минск, Раубичи, октябрь 1999 г.) — Международной научно-технической конференции «АВИА-2000» (Киев, НАУ, октябрь 2000 г.) — III Международной научно-технической конференции «АВИА-2001» (Киев, НАУ, апрель 2001 г.) — IV Международной научно-техническая конференции «АВИА-2002» (Киев, НАУ, апрель 2002 г.).

Публикация результатов работы. Основные результаты работы опубликованы в 44 научных трудах (в 41 печатных работах, выпущенных центральными и отраслевыми издательствами и 3 научно-исследовательских отчетах).

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и. приложений. Основная часть диссертации содержит. страниц текста,. рисунков,. таблиц и библиографию из. наименований. Общий объём работы с приложениями. страниц.

Основные результаты, полученные в главе 5, состоят в следующем:

1. Усовершенствована методика оценки надёжности электроснабжения аэропортов путём введения дополнительных показателей.

2. Предложены методы оценки надёжности электрооборудования и программного обеспечения на разных этапах жизненного цикла.

3. Разработан метод по регулированию нагрузки и электропотребления с учётом требований надёжности и возможности их экономического анализа.

4. Разработаны алгоритмы проведения сертификации источников и электросветотехнического оборудования.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1.

Введение

дополнительных показателей расчёта надёжности электрооборудования позволяет выявлять отказы и принимать своевременно меры по их предупреждению на основании прогнозирования состояния ЭЭС аэропортов.

2. Предложенный метод регулирования нагрузки и электропотребления позволяют оценивать экономические последствия от проводимых результатов управляющих воздействий на систему.

3. Предложенный алгоритм сертификации испытаний позволяет обеспечить их достоверность и точность.

Научные результаты, полученные в главе 5, изложены в работах автора[179, 181, 182, 184, 186,192, 194, 197, 198,201−204].

Заключение

.

Диссертационная работа направлена на решение научно-технической проблемы, имеющей важное народно — хозяйственное значение — повышение эффективности эксплуатации и надёжности электроэнергетических систем аэропортов путём многокритериальной оптимизации их подсистем.

В результате проведённых исследований получены следующие основные научные результаты:

1. На основе анализа технологических процессов аэропорта и обработки статистических данных разработана структурно-балансовая модель ЭЭС аэропортов и получена эмпирическая зависимость расхода электрической энергии от видов работ и природно-климатических условий.

2. На основе теоретико-множественного описания информационной среды разработана модель формирования интегрированной базы данных для задач энергетики.

3. На основе классификации свойств пользователей и решаемых задач предложена методика адаптации автоматизированной обработки информации к условиям её функционирования при управлении электроснабжением аэропортов.

4. Проведена систематизация управленческой информацией по типам и уровням управления. Разработана автоматизированная система обработки информации ЭЭС аэропортов, оптимизированная по времени и трудозатратам.

5. На основе использования нейросетевых методов разработаны алгоритмы автоматизации задач оценки показателей функционирования ЭЭС аэропортов.

6. Определён комплекс показателей эффективности эксплуатации и надёжности ЭЭС аэропортов. Разработаны модели и методы формирования оптимизированных ЭЭС аэропортов.

7. Предложен механизм использования параллельных вычислительных технологий для задач энергетики и разработаны функциональная схема и аппаратно-программные средства реализации АСУ ЭСА.

8. Разработаны алгоритмы обработки информации по электропотреблению в условиях ограниченных исходных данных и многофакторная модель прогнозирования уровня расхода электроэнергии аэропортов.

9. Разработан метод структурирования сберегающих систем энергоснабжения объектов аэропортов в условиях одновременного использования централизованных, возобновляемых и накопительных источников энергии.

10.Разработаны структурные схемы и алгоритмы функционирования различных систем комбинированного сберегающего электроснабжения объектов аэропортов.

11.Предложен метод оптимизации размещения АИП и накопителей энергии в ЭЭС аэропортов.

12.Предложен метод оценки надёжности оборудования и программного обеспечения на различных этапах жизненного цикла электрооборудования и программного обеспечения.

13.Разработан метод по регулированию нагрузки и электропотребления с учётом требований надёжности, обеспечивающий возможность их экономического анализа.

H.Разработаны алгоритмы проведения сертификации источников энергии и электросветотехнического оборудования.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

I. В условиях перехода к рынку особое значение приобретают системные методы анализа, позволяющие прогнозировать электропотребление на основе комплексных моделей, учитывающих характер поведения временного ряда электропотребления, объемов работ, требования безопасности полётов и надежности электроснабжения.

2. Крупномасштабность и территориальная разобщённость объектов ЭЭС аэропортов, а также невозможности проведения натурных экспериментов при исследовании таких систем требует привлечения специальных методов и моделей, позволяющих концептуально объединить различные способы структурирования знаний, необходимых для исследования и прогнозирования развития указанных систем.

3. Интегрирование локальных баз данных на логическом и физическом уровнях позволяет осуществлять независимое эволюционное архивирование баз данных и формирование программного обеспечения различных задач.

4. Систему поддержки принятия решений по обеспечению энергетической эффективности ЭЭС аэропортов целесообразно разрабатывать и использовать на уровне детального описания энергетических объектов и систем и уровне агрегированного представления информации и обобщения результатов исследований.

5. Использование системы поддержки принятия решений, содержащие интеллектуальные модули, позволяет решать неформализованные задачи оценки, диагностики и прогнозирования состояния ЭЭС аэропортов.

6. Разработанная АСУ ЭСА позволяет повысить уровни надежности и безопасности полетов, минимизировать вмешательство персонала в работу ЭЭС аэропортов и производить обоснованное снижение электропотребления.

7. Использование системы комбинированного электроснабжения объектов, позволяет осуществлять выравнивание графика нагрузки, обеспечить статическую и динамическую устойчивость работы системы электроснабжения, локализацию возникающих отказовисключить развитие отказа электроснабжения в системную аварию.

8. Оптимизация размещения АИЛ и накопителей энергии позволяет улучшить технико-экономические показатели эффективности и надёжности ЭЭС аэропортов.

9.

Введение

дополнительных показателей в расчёты для оценки надёжности оборудования и программного обеспечения позволяет выявлять отказы и принимать своевременно меры по их предупреждению на основании прогнозирования состояния ЭЭС аэропортов.

Ю.Предложен метод оперативного регулирования нагрузки и электропотребления позволяющий оценивать экономические последствия от проводимых управляющих воздействий и оптимизировать работу системы электроснабжения в режиме реального времени.

11.Предложенный алгоритм проведения сертификационных испытаний электрооборудования и ЭЭС аэропортов позволяет обеспечить оценку соответствия сертификационным требованиям с использованием статистических методов, методов идентификации, планирования экспериментов и экспертных оценок, что позволяет получить достоверные оценки при минимальных затратах.