АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД

Системи водопостачання одні з найбільш енергоспоживаючих об’єктів, що широко використовуються у всіх сферах людського життя, тому розробка і впровадження енергоощадливих та енергоефективних алгоритмів та методик дуже актуальне питання, що потребує негайних рішень. Нещодавно з’явилися нові технології, що можуть значною мірою покращити керування та моніторинг якості систем водопостачання. Вони базуються на застосуванні асинхронних двигунів, програмованих логічних контролерів (PLC), систем диспетчерського керування та збору даних (SCADA-системи), цифрових сигнальних процесорів (DSP), бездротових давачів, відновлювальних джерелах енергії та сучасній теорії автоматичного керування. При аналізі існуючих досягнень в області автоматизації систем водопостачання необхідно підкреслити, що оптимізація та можливості системи залежать від її типу. Коротко розглянемо основні методи сучасних енергозберігаючих методик.

Метод предиктора потреб був розроблений за останні 20 років. Усі ідеї цього методу прогнозування базуються на експериментальних дослідженнях та статистичних методах. Поточна потужність та споживання води записуються та використовуються для екстраполяції напряму споживання. Аналітичні методи моделювання ефективні для циклічних змін споживання. Однак, відхилення від цих варіацій призводять до непрацездатності предикторів. Для збільшення точності прогнозування було запропоновано використання динамічних моделей водоспоживання як коливальну функцію замість статичної бази даних [1]. Ця ідея базується на векторах Такенса.

Методи нечіткої логіки генерують правила прогнозування з бази даних спостерігача, використовуючи статистичну інформацію. Це дає можливість керувати неповною та неоднозначною інформацією. Точність прогнозування вища у порівнянні з доступною базою знань від людських експертів. Нейронні мережі (НМ) стали потужними інструментами прогнозування споживання електричної енергії (так само як і для води), використовуючи їх здатність самонавчатись. Ідея полягає у тому, що прогнозування отримується НМ, шляхом додавання корекції у вибраній базі даних схожих елементів.

Математична модель всієї системи водопостачання нелінійна, мультизмінна, взаємозв’язана, має розподілені та нестаціонарні параметри. Спроба оптимізувати системи керування водопостачанням, що складається з сукупності некерованих та керованих за швидкістю насосів була запропонована у [2]. Головна функція оптимального керування базується на інтегральних критеріях продуктивності постачання води та споживаної потужності насосними станціями. Параметри системи водопостачання можуть бути визначені з достатньою точністю лише експериментально. Деякі з них можна ідентифікувати за допомогою спостерігачів та можуть використовуватися для реалізації адаптивного алгоритму керування.

Деякі автори використовують апроксимацію статичних характеристик насоса додатково використовуючи інші добре відомі характеристики для моделювання системи водопостачання, а при врахуванні динаміки використовується тільки динамічна модель привідного двигуна [3]. Найпоширеніший метод – це апроксимація динаміки насосної установки нелінійним диференційним рівнянням першого порядку, що базується на апроксимації параболічних характеристик насосу та гідравлічної мережі в усталеному режимі [4].

Існує ще одне направлення у цій сфері, яке потрібно висвітлити - це системи керування з фотоелектричними насосами водопостачання. Використання відновлювальних джерел енергії у сфері водопостачання зараз активно впроваджується, в основному у країнах з малими електропостачальними системами [5]. Календарне планування роботи насосів означає генерування сигналів завдання для частотно-керованих, некерованих насосів та рівнів резервуарів водосховищ для реалізації стратегії оптимізації витрат всієї системи, враховуючи щоденні коливання тарифу потужності. У науковій літературі представлені чотири методи календарного планування роботи насосів. Найпростіший базується на технології бази знань і видає набір контрольних правил у формі «якщо, … то» [6]. Два інші методи, побудовані на теорії оптимального керування, є методами динамічного програмування та релаксації Лангранжиана [7]. Головні задачі таких систем видавати необхідні витрати води з метою забезпечення потрібного водяного тиску для задоволення найвищих споживачів.

Наступні технічні рішення використовують в локальних системах для забезпечення деякого рівня енергозбереження. Найпопулярніший та найпростіший метод – використання частотно-керованого асинхронного двигуна для обертання відцентрового насосу. Зменшення швидкості обертання насосу тільки на 10% дає економію електроенергії у 27%. Коефіцієнт корисної дії насосу практично не змінюється при зміні швидкості. Інша перевага цього методу – збереження водних ресурсів через уникнення перекачування зайвої кількості води та завдяки зниженню витоку води при проривах труб за рахунок зниження тиску. Керовані електродвигуни також дають можливість організації електромеханічної системи керування водопостачанням з енергозберігаючими алгоритмами. У наш час найпоширенішим технічним рішенням є стабілізація тиску на виході насосу. Система автоматично збільшує швидкість насосу, якщо збільшується споживання води і навпаки. Цей метод дає приблизно 40% енергозбереження у порівнянні з керуванням методом перекривання вентилів.

Система може також включати декілька паралельно з’єднаних некерованих насосів, які вмикаються або вимикаються у залежності від різниці тиску на виході від його завдання. Метод систематичної оптимізації, який висвітлений у [8] базується на топологічних та геометричних властивостях цільової функції для отримання деякої множини локальних оптимальних рішень для паралельно з’єднаних насосів. Запропонований метод має властивість систематично знаходити множину локальних оптимальних рішень та гарантує математичну локальну оптимальність для отриманих рішень. Для двох паралельно працюючих насосів було отримано три локальних оптимальних рішення і одне з отриманих рішень призводить до мінімальної енергії. Прогнозуюче керування також можливе у малих системах. Менша кількість споживачів та необхідність прогнозувати їх потреби на короткий період погіршує точність прогнозування. Створення такого прогнозування потребує багато експериментально отриманої інформації та статистичної обробки, і ціна за його впровадження може не покрити у майбутньому отримане енергозбереження.

Більш ефективним може бути застосування ігрових підходів для визначення фактичних потреб споживачів у режимі реального часу. Необхідно підкреслити, що керування будь-якою системою водопостачання можна розглядати як гру між постачальником та споживачем. Такий підхід може значно підвищити ефективність систем водопостачання. Ціллю гри може бути мінімально можливе споживання енергії постачальника при задоволенні потреб споживача. У результаті гри виникає компромісне рішення, що задовольняє як постачальника так і споживача [9].

Розглянуті вище способи забезпечують певний рівень енергозбереження, але оскільки робоча точка не завжди опиняється на лінії максимального ККД при використанні вищерозглянутих алгоритмів керування, енергоефективність системи може знижуватися. Ця задача розв’язується за допомогою екстремальної системи керування ККД насосної установки [10]. Значна увага також приділяється втратам у привідному асинхронному двигуні. Екстремальні алгоритми забезпечують зменшення сумарних втрат до мінімально-можливого значення шляхом зниження напруги статора [11-12]. Поєднання двох останніх алгоритмів може суттєво підвищити енергоефективність системи водопостачання в цілому та забезпечити певний рівень енергозбереження [13].