Разработка методов анализа и синтеза энергетических систем

На правах рукописи
Бучацкий Павел Юрьевич
Разработка методов анализа и синтеза энергетических систем
с нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии
Специальность: 05.13.01 – Системный анализ, управление
и обработка информации
(информационные
и технические системы)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар – 2013
2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный
технологический университет»
Научный руководитель
доктор технических наук,
профессор Симанков Владимир Сергеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Ключко Владимир Игнатьевич
ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», профессор кафедры
информационных систем и программирования;
доктор физико-математических наук, доцент
Тлячев Вячеслав Бесланович
ФГБОУ ВПО «Адыгейский государственный университет», заведующий кафедрой теоретической
физики
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Кубанский
государственный университет» (г. Краснодар)
Защита диссертации состоится «11» декабря 2013 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.04 в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар,
ул. Московская, 2А, корпус «Г», аудитория Г-248
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»
Автореферат разослан « 11 » ноября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук,
доцент
А.В. Власенко
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
В современном обществе появляются все новые проблемы, особо сложные на стыке наук, решение которых возможно только с учетом системы взаимосвязей объектов реального мира. Поэтому системность становится одним из
главных аспектов практической деятельности, она обеспечивает эффективные
способы преодоления проблемных ситуаций с использованием системных исследований, реализуемых на основе системного подхода.
Основу системных исследований составляет разработка общих методов и
средств анализа и синтеза объектов исследования, формализация описания их
целостных характеристик, анализ соотношений компонентов системы между
собой и окружающей средой. Таким образом, системность становится одним из
главных аспектов практической деятельности, что обуславливает проведение
комплексных исследований при решении практических задач.
Одной из таких задач является эффективность функционирования систем
энергоснабжения, которая является одной из важнейших характеристик обеспечения жизнедеятельности и развития региона. Повышение энергоэффективности и энергобезопасности, переход к рациональной модели потребления ресурсов при минимальных затратах на производство, преобразование, транспорт и потребление энергоносителей являются приоритетами стратегического
развития регионов. Внедрение нетрадиционных возобновляемых источников
энергии (НВИЭ) в энергобаланс региона - необходимое условие реализации
указанной стратегии.
Краснодарский край имеет многолетний опыт практического использования возобновляемых источников энергии. Согласно оценочным данным долгосрочной краевой целевой программе "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на территории Краснодарского края на период 2011 2020 годов" за счет реализации полного потенциала использования возобновляемых источников энергии в Краснодарском крае можно получать до
4
2200 МВт тепловой энергии и 1300 МВт электрической энергии взамен получаемой из традиционных углеводородов.
В связи с этим актуальным является разработка методики комплексной
оценки потенциала НВИЭ и вовлечения их в энергобаланс региона на основе
системных исследований, что требует совершенствования методологии системного анализа с применением современных информационно-коммуникационных
технологий.
Объект исследования: энергетическая система с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Предмет исследования: методика оценки эффективности вовлечения
НВИЭ в энергобаланс региона, её математическое и программное обеспечение.
Цель работы: разработка методики оценки эффективности вовлечения
нетрадиционных возобновляемых источников энергии в энергобаланс на основе методов и принципов системного подхода.
Для достижения цели в работе необходимо решить следующие задачи:
 обосновать необходимость применения методов системного анализа при
решении проблем вовлечения систем с НВИЭ в энергобаланс региона;
определить необходимый для этого инструментарий; определить возможности применения современных информационно-коммуникационных
технологий для реализации методов системного анализа;
 исследовать существующие модели поступления и потенциала НВИЭ;
определить систему математических моделей, позволяющих оценивать
поступление и потенциал различных НВИЭ с учетом особенностей технологии преобразования энергии; проанализировать технологии преобразования энергии, получаемой из НВИЭ, их технико-экономические характеристики, а также перспективы их дальнейшего развития;
 определить возможность использования и структуру геоиформационных
систем (ГИС) как технологии автоматизации системных исследований,
проанализировать возможность использования распределенных и уда-
5
ленных, оперативных и ретроспективных источников данных (баз данных
актинометрических наблюдений);
 разработать методику вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона, включающую выбор критериев оценки эффективности энергосистем с НВИЭ
из полной системы критериев; методы их количественной оценки; алгоритмы получения множества допустимых решений задачи многокритериальной оптимизации в условиях неполной исходной информации и выбора предпочтительных вариантов вовлечения НВИЭ в энергетическую систему;
 разработать программный комплекс для реализации предложенной методики вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона и выбора оптимальных
вариантов, проанализировать его структуру и возможности применения.
Методы исследования: математического моделирования, математической статистики, оптимизации в условиях неопределенности, теории полезности, обработки экспертных знаний.
Научная новизна выполненных в диссертации исследований заключается в разработке методического, математического и программного обеспечения
технологии вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона и состоит в следующем:
- проведено исследование энергетической системы с НВИЭ методами
системного анализа, включающее обоснование и определение возможности использования методов многокритериальной оптимизации, анализа и принятия решений; разработку системы моделей поступления и
потенциала НВИЭ с учетом особенностей технологии преобразования
энергии;
- обоснована возможность интеграции геоинформационных технологий
и инструментария системного анализа для хранения и доступа к пространственно-временным данным, используемым для построения моделей поступления и определения потенциала НВИЭ;
- выполнен синтез методики выбора и оценки критериев эффективности
энергетических систем с НВИЭ;
6
- разработана методика вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона, реализующая оценку эффективности различных вариантов замещения
энергии, получаемой от НВИЭ, на основе решения задачи оптимизации сочетания характеристик моделей источников нетрадиционной
энергии и современных технологий ее преобразования;
- создан программный комплекс, реализующий предложенную методику.
Практическая значимость работы заключается в обобщении опыта проведения системных исследований в области НВИЭ, предложена методика оценки эффективности вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона, создан и апробирован программный комплекс, который использован при принятии решений по
вопросам оценки эффективности вовлечения солнечных, ветровых и других
установок в энергосистему различных районов Краснодарского края и Республики Адыгея.
Реализация и внедрение результатов работы.
Проведение исследований, отражённых в диссертации, было поддержано
в рамках проектов РФФИ: «Системный анализ энергокритичных объектов на
основе возобновляемых источников энергии» (№06-08-96804), «Теоретические
исследования и системные решения развития альтернативной энергетики в
Южном Федеральном округе» (№08-08-99132)
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 24 международных, всероссийских и региональных конференциях. Некоторые из них: международная научно-практическая
конференция «Актуальные проблемы управления - 2002» (Москва, 2002 г.);
международная научная конференция «Системный синтез и прикладная синергетика» (Пятигорск, 2006 г.); научно-практическая конференция грантодержателей Российского фонда фундаментальных исследований и администрации
Краснодарского края «Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края» (Краснодар, 2009
г.); IX Всероссийская научная конференция молодых ученых и аспирантов
7
«Информационные технологии, системный анализ и управление» ЮФУ, (Таганрог, 2011 г.); международная научная конференции «Актуальные проблемы
прикладной математики, информатики и механики», Воронежский государственный университет (Воронеж, 2012 г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
- методика применения математического обеспечения системных исследований на основе многокритериальных оптимизационных моделей,
анализа и принятия решений в задаче эффективного вовлечения НВИЭ
в энергобаланс региона;
- система математических моделей для оценки комплексного потенциала
НВИЭ с возможностью интеграции в современные ГИС, включающая
модели поступления
и характеристики технологий преобразования
энергии, полученной от различных видов ВИЭ;
- методика определения эффективности вариантов вовлечения НВИЭ в
энергобаланс региона;
- программное обеспечение методики вовлечения НВИЭ в энергобаланс
региона.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит
172 страницы машинописного текста, 43 рисунка, 19 таблиц, список литературы из 139 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цель и задачи исследования, сформулирована научная проблема.
В первой главе рассмотрены вопросы методологии системного анализа,
этапы его проведения, даны основные определения и терминология, используемые в системных исследованиях, проанализирован опыт применения систем-
8
ного анализа в энергетике. Обоснован выбор методов математического моделирования, многокритериальной оптимизации, экспертных оценок, анализа и
принятия решений как основного инструментария при исследовании сложных
многопараметрических энергосистем.
Из рассмотренных видов систем, исследуемых методами системного анализа, выделены сложные системы, характеризующиеся большой размерностью
признакового пространства и иерархической структурой элементов с разветвленными информационными связями. Одной из таких систем является энергетическая система с НВИЭ. Она обладает многими свойствами нестационарных
систем, связанных с распределенностью структуры, многомерностью и неопределенностью параметров, определяющих состояние и условия ее функционирования. Такие системы характеризуются рядом признаков и свойств, отражающих взаимодействие элементов с внешними и внутренними связями. Следовательно, энергетические системы с НВИЭ являются многоцелевыми по своей
природе, а их оптимизация должна проводиться по совокупности критериев
эффективности на основе задачи принятия решений по многим критериям.
На основе изучения источников литературы показано распределение инструментов системного анализа по этапам его проведения. Отмечено, что для
исследования выбранного типа систем применимы методы моделирования,
теории оптимизации и принятия решений на этапах определения целей системы, анализа и синтеза системы. Это позволит построить модель, адекватно отражающую суть исследуемого объекта.
В главе рассмотрены и проанализированы основные методы многокритериальной оптимизации, их классификация, отражены возможности применения
методов многокритериальной оптимизации при исследовании различных типов
энергетических систем. Установлено, что для определения оптимальных решений при исследовании и проектировании систем энергоснабжения региона с
НВИЭ применимы методы математического программирования (Паретооптимизация), анализа иерархий. Рассмотрена классификация методов приня-
9
тия решений. Обосновано, что при решении поставленной задачи исследования
эффективными являются методы теории полезности.
На основании проведенного обзорного исследования выполнена постановка задачи для дальнейшей работы, а также определены методы ее решения.
Во второй главе исследованы модели поступления и потенциала НВИЭ,
проведена их верификация на основе данных многолетних метеорологических
наблюдений.
Моделирование системы поступления возобновляемой энергии для
оценки ее потенциала в заданном районе представляет собой синтез
математических моделей, описывающих процессы поступления энергии от
различных
источников,
Проанализированы
и
параметров
математические
технологии
модели
ее
преобразования.
возобновляемых
источников
энергии (поступление энергии солнечной радиации с учетом облачности,
поступление
энергии
ветрового
потока,
биоэнергии,
геотермальной,
гидроэнергии), разработанные известными учеными Виссарионовым В.И.,
Безруких П.П., Стребковым Д.С., Сидоренко Г.И., Алхасовым А.Б., Лукутиным
Б.В., Попель О.С., (модели реализованы в различных регионах Российской
Федерации), а также учеными КубГТУ Симанковым В.С., Бутузовым В.А.,
Зангиевым Т.Т. В работе над уточнением и адаптацией рассмотренных моделей
для регионов Краснодарского края и Республики Адыгея (рисунок 1), принимал
участие и автор.
Для определения возможностей вовлечения НВИЭ в энергобаланс
конкретного региона необходимо с достаточной точностью определить их
потенциал
на
основе
существующих
для
большинства
территорий
климатических, актинометрических, метеорологических, геологических и
других статистических данных. Комплексный потенциал НВИЭ является
аддитивной величиной, которую можно оценить как для исследуемого района в
целом, так и для любой его части.
10
Математические модели НВИЭ
Гидроэнергия
Поступления
солнечной радиации
E  gQH
Геотермальная
энергия

Энергия биомассы

E0  ρ r cr Gz 2 2
При безоблачном небе с учетом крутизны
 
склона E   E cos( N s , N s )
 
cos( N s , N s )  cos(u) sin( h)  sin( u) cos(h) cos( A  Ex)
При безоблачном небе
Чистого метана
E  ηH M f M VB
Волновая энергия
2
E
2


1,25ρg 2 H S TZ
2
2
 616 Дж/(м 3  с 2 ) H S TZ
64π
 n
 
H S  4  a  4    h 2  n
 i 1  
Прямом сжигании
1/ 2
E  λM 0  λM
100  OV
100
з
t со
лн
Qсут
возм
Q сут



1
  sin(Al( t ))  dt
 СП
 А  B    C  r  D
sin(
Al
(
t
))





в
е со л н 

С учетом облачности
сут
 Qотн  Qвозм
f (Qотн ) 
1

1
( a 1)
Qотн
 (1  Qотн ) (b 1)
B ( a, b)
Приход энергии ветрового потока E  1 q 3
2
p(  в ) 
k1  в 
 
A1  A1 
k 1 1
в
  
exp   в 
  A1 
k1




a b
B(a, b)   Q(отн
 (1  Qотн ) ( b 1) d(Qотн )
0
Рисунок 1 – Комплекс математических моделей НВИЭ
Проведенная верификация указанных моделей на примере региональных
данных многолетних наблюдений показала их достаточную точность и адекватность для решения задач и достижения цели исследования.
Неотъемлемым структурным элементом общей схемы вовлечения НВИЭ в
энергобаланс региона являются технологии преобразования НВИЭ. В связи с
этим на основе анализа большого числа источников информации установлены
современные наиболее перспективные технологии преобразования основных
видов возобновляемой энергии (солнечной, ветра, биомасс, приливов и волн),
определены критерии их выбора, исследованы прогнозы динамики их развития.
Указаны основные достоинства и недостатки технологий преобразования, стоимостные характеристики и основные энергетические соотношения для расчета
производства энергии.
Определено, что основные исследования в области развития источников
НВИЭ направлены на снижение себестоимости преобразователей за счет повышения их КПД, снижения потребления материалов, повышения энергоемкости, использования органических материалов взамен дефицитного сырья.
11
Таким образом, рассмотренные модели в сочетании с характеристиками
технологий преобразования могут быть использованы как основа методики
оценки эффективности размещения объектов нетрадиционной энергетики в исследуемом регионе.
В третьей главе определена возможность и методическая база использования геоинформационных систем для моделирования потенциала возобновляемых энергоресурсов в выбранном регионе.
Для успешного применения рассмотренных в главе 2 моделей необходимо оперировать большим объемом исходных данных, характерных для исследуемого района местности – климатическими, актинометрическими, метеорологическими, геологическими и др. Хранение такого рода информации по итогам многолетних наблюдений и удобный доступ к ней обеспечивается геоинформационными системами (ГИС). Назначением ГИС является ввод, хранение,
обработка и вывод геопространственно-временной информации по запросам
пользователей. Таким образом, ГИС интегрируется с соответствующими подсистемами, реализованными в виде отдельных автоматизированных систем.
Связь технологий автоматизированных систем с технологиями ГИС для исследования энергосистем с НВИЭ представлена в таблице 1.
Таблица 1
Связь технологий автоматизированных систем с технологиями ГИС
для исследования энергосистем с НВИЭ
Название автоматизированных систем
1
Исходная технология
2
Автоматизированный сбор первичных данных о характеристиАвтоматизированные
ках местности
системы научных исАвтоматизированный сбор перследований.
вичных данных и их обработка с
целью унификации
Построение тематических сводных таблиц на основе запросов
Cистемы управления
информации о характеристиках
базами данных (СУБД).
местности, источников и преобразователях НВИЭ.
Порожденная ГИС-технология
3
Автоматизированный сбор первичных данных о характеристиках
местности
"Сквозные технологии" сбора данных в полевых условиях
Построение тематических карт на
основе запросов информации о
характеристиках местности, источников и преобразователях
НВИЭ.
12
Продолжение таблицы 1
1
Автоматизированные
системы обработки
экономической информации
Автоматизированные
системы управления
2
Применение методов деловой
графики для визуализации статистических данных многолетних актинометрических наблюдений.
Применение интерфейса ODBC
для связи с удаленными базами
данных
Применение набора форм для
формирования отчетной документации
Совмещение экономической информации об энергетических
системах с НВИЭ с позиционными данными о характеристиках местности для пространственного анализа и оптимизации экономических задач
Принятие решений о вовлечении
НВИЭ в энергобаланс региона
на основе оптимизации аналитических решений экономических
и управленческих задач
Решение маркетинговых задач в
области энергосистем с НВИЭ и
технологий их преобразования
на основе автоматизированных
информационных систем
Маркетинговые инРешение маркетинговых задач в
формационные системы
области энергосистем с НВИЭ и
технологий их преобразования
на основе автоматизированных
информационных систем
3
Применение методов деловой
графики для визуализации статистических данных на картах (ветровая активность, облачность, радиационный баланс, гидрология и
т.д.)
Применение интерфейса ODBC
для связи ГИС с внешней базой
данных
Создание и применение набора
форм для формирования отчетной
документации
Совмещение экономической информации об энергетических системах с НВИЭ с позиционными
данными о характеристиках местности для пространственного анализа и оптимизации экономических задач
Поддержка принятия решений о
вовлечении НВИЭ в энергобаланс
региона на основе оптимизации
аналитических решений, дополненных визуальным представлением информации в виде карт и
деловой графики
Решение маркетинговых задач в
области энергосистем с НВИЭ и
технологий их преобразования на
основе применения геоинформационных систем
Решение маркетинговых задач в
области энергосистем с НВИЭ и
технологий их преобразования на
основе дополнительных возможностей геоинформационного моделирования. Геомаркетинг
Анализ таблицы 1 подтверждает, что ГИС является современным обобщением автоматизированной интегрированной информационной системы с пространственной локализацией данных, в которой заимствованы методы и технологии из
других ранее существовавших информационных систем.
Установлено, что в результате создается новая технология, представляющая собой совокупность приемов, способов и методов применения аппаратно-
13
программных средств обработки и передачи информации на основе реализации
функциональных возможностей ГИС. Это позволяет объединить в одно приложение массивы пространственно-временных данных из существующих ГИС с
моделями поступления и преобразования энергии из нетрадиционных возобновляемых источников для создания новых ресурсов.
Определено, что в качестве системы обработки информации в составе
рассматриваемой интегрированной технологии необходимо использовать расчетно-аналитический модуль. Он включает в себя математические модели поступления и преобразования энергии из нетрадиционных источников, динамическое моделирование и расчет показателей эффективности их использования в
различных климатических и географических условиях.
Таким образом установлено, что геоинформационные системы и технологии представляют собой прикладной инструментарий системного анализа, который позволяет интегрировать пространственно-временные базы данных по
моделям поступления и преобразования энергии от нетрадиционных источников в привязке к характеристикам местности с другими источниками данных, а
также использовать СУБД для упорядочивания, поддержки, обработки и визуализации имеющихся в их распоряжении данных.
В четвертой главе предложена методика синтеза оптимальных решений
задачи вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона.
Полученная методика позволяет определить возможные объемы энергии от
нетрадиционных источников и сформулировать эффективные варианты вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона (территории). Она является результатом
проведенных системных исследований.
Разработана полная система критериев эффективности энергосистем с
НВИЭ (рисунок 2), а также методика их количественной оценки.
Критерии эффективности
ЭК с НВИЭ
2. Потребность в
ресурсах
1. Выполнение заданных функций
3. Народно-
хозяйственный
ущерб
2.1. Материальные
ресурсы
1.1. Выполнение
прямых функций
1.1.1.Удовлетворен
ие текущего спроса
на энергию
1.2. Выполнение дополнительных
функций
1.1.2.Обеспечен
ие технологического резерва
1.2.1.Произв
одство сырья
1.3. Охрана
окружающей
среды
1.4.Социаль
ный эффект
1.1.1.2.Удовлетвор
ение графика
нагрузки
1.3.1.Охрана
атмосферы
1.4.1.Обеспе
чение работой
1.1.1.3.Обеспечени
е надежности энергоснабжения
1.3.2. Охрана
гидросферы
1.4.2.Обеспечен
ие материальных потребностей
2.1.2. Оборудование
2.1.2. Невозобновляемые
2.1.3. Здания и сооружения
2.1.2. Возобновляемые
2.1.4. Обеспеченность материалами
2.2. Природные ресурсы
2.3. Трудовые ресурсы
2.2.1. Земельные
ресурсы
2.3.1. Для проектирования
2.2.2. Водные
ресурсы
2.2.3. Воздушные
1.1.1.4.Обеспече
ние качества
энергии
1.3.3.Охрана
геосферы
1.4.3.Обеспечен
ие культурных
потребностей
ресурсы
2.2.4. Полезные
1.3.4.Охрана
биосферы
2.3.2. Для строительства
2.3.3. Для эксплуатации
3.1. Прямой ущерб от
перерывов в энергоснабжении
3.2. Дополнительный
ущерб от перерывов
в энергоснабжении
3.3. Ущерб экологии
3.4. Социальный
ущерб
3.3.1. Ущерб биосфере
3.4.1. Снижение уровня здоровья
населения
3.3.2. Ущерб атмосфере
3.4.2. Снижение
комфорта
3.3.3. Ущерб гидросфере
3.4.3. Травматизм
3.3.4. Ущерб геосфере
3.4.4. Необеспечение
культурных потребностей
2.4. Ресурс времени
ископаемые
Рисунок 2 – Полная система критериев эффективности энергосистем с НВИЭ
14
1.1.1.1Отпуск требуемого кол-ва
энергии
2.1.1. Энергетические ресурсы
15
Определено, что выбор совокупности критериев для оценки эффективности альтернативных вариантов вовлечения НВИЭ в энергобаланс должен производиться на основе полной системы критериев эффективности. Использование иерархии целей позволяет приспосабливать требования общих целей к конкретным задачам, решаемым при вовлечении НВИЭ в энергобаланс исследуемого региона
Рассмотренные методы оценки критериев эффективности на основе иерархии целей позволяют осуществлять выбор системы критериев эффективности
для каждого конкретного исследования региональной энергосистемы.
На основе выбранных критериев построена оптимизационная модель с заданной целевой функцией и системой ограничений. Для определения множества допустимых решений поставленной задачи в рамках предложенной методики использован следующий алгоритм построения оптимального множества
вариантов производства энергии с использованием НВИЭ на основе решения
задачи линейного программирования с интервально заданными коэффициентами целевой функции при заданных ограничениях и принятия решений.
1. Определяется векторный критерий F=(f1, f2, …fm), принимающий значения в пространстве m-мерных векторов Rm (f1, f2, …fm – числовые функции,
определенные на Rm и задающие систему ограничений).
2. Формируется целевая функция max F ( x) и задаются ограничения
xX
X  {x  R n | f j ( x)  0, j  1,..., m, x j  0}
3. Определяется множество всех эффективных решений по Парето
X E  {x  X | ~
x  X : f i (~
x )  f i ( x)  f i ( ~
x )  f i ( x)} .
4. Для каждого x  X E определяется функция полезности u (x) .
4.1. Проверяются структурные условия независимости выбранных
критериев.
4.2. Определяются одномерные функций полезности u j ( x j ) на значениях критериев Хj;
16
4.3. Определяются значения весовых коэффициентов kj (i=1,…,r) как
решения r независимых уравнений, в которых kj являются неизвестными.
4.4. Определяется функция полезности u(x). В общем виде формула
для u (x) (в случае взаимонезависимости критериев X1, X2,….., Xm, по
полезности) имеет вид:
m
m
j 1
j 1
u( x)   k j u j ( x j )  k  k j k i u j ( x j )ui ( xi )  ...k m1 k1 k 2 ...k m u1 ( x1 )u 2 ( x2 )...u m ( xm ) ,
где k – общая константа шкалирования, значение которой является
m
решением уравнения 1  k   (1  kk j ) .
j 1
5. Определяется ожидаемая полезность каждого из рассматриваемых вариантов по формуле E j (u)   p( x j )u ( x)dx . Если ожидаемая полезность одного ваx
рианта выше, чем другого, ему следует отдать предпочтение.
Результатом работы приведенного алгоритма является ранжирование вариантов вовлечения НВИЭ по их ожидаемой полезности.
При формировании целевой функции для решения задачи оценки эффективности вариантов вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона необходимо
учесть параметры моделей поступления энергии от нетрадиционных источников, основные характеристики технологий ее преобразования, а систему ограничений формировать на основе интервальных значений критериев эффективности, выбранных из общей системы критериев.
Основной целью при вовлечении энергии от НВИЭ является максимизация
годового производства энергии от НВИЭ. Объем вовлекаемой энергии зависит
от мощностей имеющихся энергетических установок по производству электроэнергии с использованием определенного вида технологии преобразования
энергии, полученной от нетрадиционных источников, а также коэффициенты
эффективности использования указанных мощностей. В качестве ограничений
определим расхождение между стоимостью энергии, получаемой от НВИЭ по
17
всем имеющимся в рассматриваемом регионе технологиям преобразования, и
стоимостью энергии от традиционных источников. Также возможно включить в
рассмотрение ограничение на допустимую площадь отчуждаемых земель при
использовании определенной технологии преобразования энергии, последствия
от воздействия на окружающую среду, ограничения возможных вариантов вовлечения по критерию затрат на создание объектов НВИЭ и т.д.
Описанные алгоритмы синтезированы в единую методику оценки эффективности вариантов вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона. Она представляет собой усовершенствованный методический подход к решению поставленной задачи. Предложенная методика позволит лицу, принимающему решения,
проводить анализ эффективности вовлечения НВИЭ в энергосистему региона
для выбора наилучших вариантов.
В пятой главе представлена структура программного комплекса, реализующего предложенный методический подход; приведены оценочные расчеты,
выполненные с использование программного приложения, позволяющие определить структуру полезных объемов вовлечения НВИЭ в региональный энергобаланс.
Предложенная методика оценки эффективности вариантов вовлечения
НВИЭ в энергобаланс реализована в виде программного комплекса «СИБУРЭН-ККА1.0». Его структура представлена на рисунке 3.
Установлено, что программный комплекса для решения поставленной задачи структурно должен состоять из трех основных блоков: ввода, хранения и
предобработки данных; моделирования, оценки эффективности и принятия решений; визуализации результатов. Каждый из них выполняет определенные
функции.
18
Массивы и базы данных ГИС
Региональные
Глобальные
Информационные массивы
Web-интерфейс
БД характеристик местности
БД источников
энергии
БД технологий
преобразований.
БД тарифов
потребления
БД программного
модуля
Подсистема
предобработки данных
Блок работы с
данными
Построение
модели
Оценка эффективности модели
Оценка результатов моделирования
Блок принятия решений
Территориальные БД
Расчетноаналитический блок
Блок визуализации результатов
Рисунок 3 – Структура программного комплекса
Выполнено проектирование реляционной структуры базы данных с учетом требований целостности данных предметной области и интеграции с геоинформационными системами (рисунок 4).
Структурированы данные об объектах мониторинга как географических
объектах (координаты, принадлежность району и т.п.), объектах источниках
энергии (существующих и возможно рекомендованных к установке), характеристиках технологий преобразования энергии от нетрадиционных источников,
потребителях энергии, текущие данные мониторинга влияния на экологическое
состояние. Для каждого вида энергоресурса представлены определенные параметры (скорость ветра, количество солнечный дней, уровень воды, объем выработки биоэнергии). Учтены связи источников и потребителей энергии.
19
Рисунок 4 – Структура базы данных программного комплекса
20
В качестве примера рассмотрено применение разработанной методики и
программного комплекса для оценки использования возобновляемых источников энергии в энергосистемах Краснодарского края и Республики Адыгея. В результате работы программы получена таблица распределения возможных объемов вовлечения различных видов НВИЭ по районам Краснодарского края и
Республики Адыгея. На ее основе выполнена графическая интерпретация (рисунок 5).
а) ветровая энергия
б) солнечная энергия
в) энергия биогаза
г) гидроэнергия
Рисунок 5 – Распределение возможных объемов вовлечения различных видов
НВИЭ по районам Краснодарского края и Республики Адыгея
Разработанный программный комплекс может быть применен для оценки
эффективности вариантов вовлечения НВИЭ в энергобаланс различных по величине территорий. Наличие web-интерфейса существенно расширяет возможности программы по взаимодействию с удаленными источниками информации.
В заключении отражены основные выводы и результаты диссертации,
подчеркнута ее практическая значимость.
21
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В работе предложены, разработаны, успешно апробированы и внедрены
на практике новые методики, модели, программный комплекс, обеспечивающие
проведение системных исследований сложных энергетических систем. При
этом получены следующие основные результаты.
•
Обоснована необходимость системного подхода при решении задачи вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона. Рассмотрены вопросы методологии системного анализа, этапов его проведения, распределение математических методов и информационно-коммуникационных технологий по
этапам.
• Установлено, что базовым методом системного анализа при исследовании систем энергоснабжения, как представителей класса сложных систем,
является моделирование, а также методы теории оптимизации, анализа и
принятия решений. Они применяются на этапах определения целей системы, анализа и синтеза системы.
• Исследованы модели НВИЭ, являющиеся наиболее подходящими для
оценки потенциала НВИЭ при определении возможности их эффективного вовлечения в энергобаланс. Выполнена адаптация и верификация для
условий конкретного региона.
• Исследована возможность применения существующих геоинформационных систем и актинометрических баз данных для оценки проектов возобновляемой энергетики. Установлено, что геоинформационные системы и
технологии являются инструментарием системного анализа, позволяют
интегрировать пространственно-временные базы данных по моделям поступления и технологиям преобразования энергии с источниками данных
многолетних актинометрических наблюдений для заданной местности.
• Определена роль расчетно-аналитического модуля в составе ГИС, который включает в себя математические модели поступления и преобразования энергии от НВИЭ, динамическое моделирование и расчет показателей эффективности вовлечения видов нетрадиционной энергии в различных климатических и географических условиях, обработку, обобщение и
визуализацию результатов моделирования в виде интерактивных карт.
22
• Сформулирована полная система критериев эффективности в энергетических системах с НВИЭ на основе иерархии целей. Она является основой
для выбора критериев при решении различных практических задач в области нетрадиционной энергетики. Предложены методы количественной
оценки критериев.
• Разработана методика оценки эффективности возможных вариантов вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона. Она включает в себя выбор критериев эффективности для оценки из полной системы критериев, формирование целевой функции с учетом противоречивых факторов в условиях
неточных или неопределенных исходных данных на основе количественной оценки предпочтений ЛПР по отношению к альтернативным вариантам в задаче многокритериальной оптимизации, алгоритмы поиска и анализа решений этой задачи, обеспечивающих наиболее предпочтительный
вариант вовлечения энергии.
• Реализован программный комплекс на базе предложенной методики. В
нем предусмотрена возможность интерактивного ввода данных, а также
их загрузки из локальных и удаленных баз ГИС, формирование базы данных по моделям поступления и технологиям преобразования энергии, получаемой от нетрадиционных источников. Программа имеет удобный и
наглядный интерфейс для диалога с пользователем. Описана его структура и функциональное назначение отдельных модулей и программы в целом. Наличие web-интерфейса существенно расширяет возможности программы по взаимодействию с удаленными источниками информации.
• Программный комплекс «СИБУРЭН-ККА1.0» применен при оценке эффективности возможных вариантов вовлечения НВИЭ в энергобаланс
территориальных образований Краснодарского края и Республики Адыгея. В результате получено распределение возможных объемов энергии
от различных видов нетрадиционных источников. Отличительной особенностью разработанного программного комплекса является удобная
графическая интерпретация результатов расчетов, что позволяет работать
ним не специалистам в области информационных технологий
23
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации
результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и
кандидата наук:
1. Симанков, В.С. Оценка эффективности вовлечения нетрадиционных возобновляемых источников энергии в энергобаланс региона / В.С. Симанков,
П.Ю. Бучацкий // Вестник Адыгейского государственного университета.
Сер. Естественно-математические и технические науки – Майкоп, 2012. –
Вып. 2. – С. 123-132.
2. Бучацкий, П.Ю. Перспективные технологии преобразования возобновляемой энергии / П.Ю. Бучацкий // Вестник Адыгейского государственного
университета. Сер. Естественно-математические и технические науки. –
Майкоп, 2012. – Вып. 4. – С. 210-216.
3. Симанков, В.С. Программный модуль определения возможных объемов вовлечения возобновляемой энергии в региональный энергобаланс / В.С. Симанков, П.Ю. Бучацкий // Вестник Адыгейского государственного университета. Сер. Естественно-математические и технические науки. – Майкоп,
2013. – Вып. 1. – С. 105-110.
Другие издания:
4. Симанков, В.С. Методология моделирования физических процессов в энергетических комплексах с нетрадиционными источниками энергии и оптимизация их параметров / В.С. Симанков, П.Ю. Бучацкий, А.В. Шопин //
Труды физического общества Республики Адыгея. – Майкоп, 1998. – № 3. –
С. 18-27.
5. Симанков, В.С. Моделирование инсоляции при управлении фотоветроэнергетическими системами / В.С. Симанков, П.Ю. Бучацкий, А.В. Шопин //
Труды физического общества Республики Адыгея. – Майкоп, 2000. – № 5. –
С. 67-72.
6. Симанков, В.С. Моделирующий комплекс поступления энергии для оперативного управления автономными фотоветроэнергетическими системами /
В.С. Симанков, П.Ю. Бучацкий, А.В. Шопин // Труды физического общества Республики Адыгея. – Майкоп, 2002. – № 7. – С. 13-21.
24
7. Бучацкий, П.Ю. Алгоритм управления сложными системами по многим
критериям / П.Ю. Бучацкий // Информационные технологии, системный
анализ и управление: материалы IV Всерос. науч. конф. молодых ученых,
аспирантов и студентов / ТГРУ. – Таганрог, 2006.
8. Симанков, В.С. Формирование дерева целей и системы критериев эффективности в альтернативной энергетике на основе системного подхода / В.С.
Симанков, П.Ю. Бучацкий // Вестник Адыгейского государственного университета. Сер. Естественно-математические и технические науки. – Майкоп, 2007. – Вып. 4. – С. 39-48.
9. Бучацкий, П.Ю. Математические модели как инструментарий системных
исследований в энергетике / П.Ю. Бучацкий // Материалы IV Всероссийской научной конференция молодых ученых, 8-9 февраля 2007 года. Ч. 1. –
Майкоп: Изд-во АГУ, 2007.
10.Системный анализ энергокритичных объектов / В.С. Симанков, Т.Т. Зангиев, В.А. Бутузов, П.Ю. Бучацкий, А.В. Шопин // Вклад фундаментальных
исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края: материалы Всерос. конф. грантодержателей регион. конкурса РФФИ и администрации Краснодарского края «ЮГ РОССИИ». – Краснодар, 2007.
11.Теоретические исследования и системные решения развития альтернативной энергетики в Южном федеральном округе / В.С. Симанков, Т.Т. Зангиев, В.А. Бутузов, П.Ю. Бучацкий, А.В. Шопин, И.С. Децкин // Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края: материалы науч.-практ. конф. грантодержателей РФФИ и администрации Краснодарского края. – Краснодар, 2009.
12.Бучацкий, П.Ю. Привлечение нетрадиционных возобновляемых источников энергии в энергобаланс региона / П.Ю. Бучацкий, А.В. Шопин // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние
и пути развития `2009: материалы междунар. науч.-практ. конф. – Одесса,
2009.