INFOKOMMUNIKÁCIÓS TECHNOLÓGIA KIDOLGOZÁSA ÉS REGIONÁLIS HASZNOSÍTÁSA AZ ENERGIAELOSZTÁS TERÜLETÉN Szakonyi Lajos PTE PMMK Műszaki Informatika Tanszék

1.Előzmények Műszaki technológiai folyamatok identifikálásánál az elsődleges feladat a folyamat absztrahált leírása matematikai modell formájában. A vizsgált anyag – és energiaáram hálózat (városi vízgőzhálózat) üzemviteli paramétereinek helyes beállítása, az energia fogyasztói igényekhez igazodó, folyamatosan kontrollálható és módosítható elosztása igényli a matematikai modellen végzett vizsgálatot, a számítógépes szimulációt. GVOP /3.0 Projektünk (GVOP /3.0 ) bázisrendszeréül a Pécs városi vízgőzhálózat szolgál, mely éves szinten ~130 ezer tonna vízgőz elosztásával, ~550 mFt energiaköltség kiszámlázásával a város jelentős részére terjed ki, s a jelenleginél jóval nagyobb vízgőzigény ellátására alkalmas. Pécs városi vízgőzhálózat topológiája

Az energiaveszteségek csökkentésének igénye indokolja a veszteségek felmérését, helyi és időbeli pontosítását, továbbá a javaslattételt az energiatakarékosabb üzemvitelre. Az előbbiek alapján feladataink: -a működő rendszeren elvégzett megbízható mérések, a kísérleti identifikáció ; - a fogyasztói igényekhez igazodó, változtatható üzemállapotok és beavatkozások lehetőségének biztosítása; - az előbbi üzemállapot-alternatívákat megvalósító, energiaáram elosztás modellezésére szolgáló, nemlineáris hálózati matematikai modellek kidolgozása; - az optimális üzemvitel és számítógépes irányítási stratégia felállítása; - az energetikai veszteségek csökkentése mellett az energiaellátás biztonságát is szolgáló szakértői és döntéstámogató rendszer kimunkálása.

Tanszékünk regionális célok megvalósítása érdekében a termelői- szolgáltatói szférával (a PÉTÁV Távfűtő Kft.) együttműködve, a műszaki informatika szak gesztor tanszékétől elvárható kutatási-fejlesztési irányoknak (nagy rendszerek komplexitás-kezelése, mesterséges intelligencia alkalmazások, infokommunikációs technológiák kifejlesztése, hasznosítása) is megfelelve törekszik a projekt megvalósítására 2.Az alkalmazott kutatás célja, főbb tevékenységei A projekt fő célja a konzorciumi partner által működtetett energiaáram hálózatra telepítendő számítógépes monitoring és irányítási rendszer létrehozásának elősegítése, mely megteremti a lehetőségét: - az energiaelosztás folyamatos ellenőrzése és szabályozása révén az időszakosan jelentkező „többletenergia” célirányos hasznosításá- nak, a gerinchálózaton és a fogyasztónál jelentkező energiaveszteségek csökkentésének;

-az elszámolás alapját jelentő ellenőrzött és dokumentált energiaáram mérések, ezek igények szerinti feldolgozása és kiértékelése által az energiát előállító, szolgáltató és felhasználó közötti szerződésteljesítések ellenőrzésének; -az előbbi szerződő felek közötti megállapodásoknál az optimális energiaelosztást és felhasználást jelentő üzemeltetési stratégia kidolgozásának. A projekt betervezett, elvégzendő tevékenységei -a kísérleti identifikáció elvégzését, az energiaelosztás ellenőrzését biztosító monitoring rendszer; - az anyag- és energiaáram hálózat modelljeként, változó „forrásokkal”, ellenállásokkal, fogyasztóhelyekkel működtethető szimulációs rendszer; - a változó topológiák, üzemállapotok követésére alkalmas üzemviteli programcsomag; - az előbbi matematikai modellekhez illesztett irányítási stratégia, szakértői és döntéstámogató rendszer létrehozását célozzák meg.

Az így megvalósuló teljes infokommunikációs technológia (a kialakított szoftvercsomag) alkalmas lehet egy régió meghatározó energia- elosztó rendszerei (városi távfűtő, gázszolgáltató, vízmű hálózat stb.) informatikai infrastruktúrájának kialakítására, továbbfejlesztésére. 3.Az anyag- és energiaáram hálózat identifikációs vizsgálata Az identifikációs vizsgálatok során a következő főbb feladatok elvégzésére kerül sor: 1. A vízgőzhálózat identifikációs méréseinek elvégzése az állandó, ill. változó impedanciával rendelkező ellenállásokat (az egyes berendezések, csővezetékek adott kondenz-terhelés esetén állandó, a záró-szerelvények százalékos nyitásuktól függően változó impedanciájú ellenállások) tartalmazó ágak jellemzőinek meghatározása céljából. 1. A vízgőzhálózat identifikációs méréseinek elvégzése az állandó, ill. változó impedanciával rendelkező ellenállásokat (az egyes berendezések, csővezetékek adott kondenz-terhelés esetén állandó, a záró-szerelvények százalékos nyitásuktól függően változó impedanciájú ellenállások) tartalmazó ágak jellemzőinek meghatározása céljából. 2. A vízgőzhálózatot stacionárius állapotban leíró hálózatos modell felállítása, mely feltételezi 2. A vízgőzhálózatot stacionárius állapotban leíró hálózatos modell felállítása, mely feltételezi

az egyes ágakat jellemző egyenletek:az egyes ágakat jellemző egyenletek: ahol ahol - az ág passzív elemein létrejövő össznyomásesés; - az ág passzív elemeinek összellenállástényezője, amely a vezetékszakasz ellenállástényezőjének és az adott szerelvény-nyitáshoz tartozó változó ellenállástényezőnek összege; - a passzív elem térfogatárama; - az ágra jellemző állandó; - kondenzáram/vízgőzáram arány (kondenz- terhelés); - anyagi minőségtől függő tényező.

a vízgőzhálózatra vonatkozó csomóponti egyenletek:a vízgőzhálózatra vonatkozó csomóponti egyenletek:ahol - az i. csomópontba befutó j. áram; - az i. csomópontba befutó forrásáram. a vízgőzhálózat hurokegyenleteinek:a vízgőzhálózat hurokegyenleteinek:illetveahol - a k. ág nyomásesése; - a k. ágban levő forrásnyomás; - csomóponti nyomások, a k. ág végpontjainak egy választott bázispontra vonatkoztatott nyomásai ismeretét.

3. A vízgőzhálózat nemlineáris egyenletrendszerének numerikus megoldása iteratív módszerrel, azaz a hálózatelemek és állan- dóinak, a csomóponti forrásáramok, a ágforrásnyomások, továbbá a csomóponti nyomások becsült értékeinek (az egyenletrendszer megol- dásához szükséges kezdeti feltételek) ismeretében a csomóponti nyomások és az ágáramok aktuális értékeinek meghatározása. 4. A hálózati egyenletek megoldása Célunk tehát a technológiába történő beavatkozások esetén az ágáramok aktuális értékének a meghatározása. Tekintsük a vízgőzhálózatnak egy olyan ágát, amely ideális nyomás-, ill. áramforrást tartalmaz A vízgőzhálózat ága

Az ábrán feltüntetett jelölések figyelembevételével a következőkben a hálózati egyenletek csomóponti alakját (F(p’)) kívánjuk megadni. A hálózat valamennyi ágában lévő passzív elemre a nyomásesés és a térfogatáram közötti nemlineáris összefüggés: : A nyomások és a térfogatáramok lehetséges összevonásával: ( ; ) ( ; ) Az ágadmittancia definiáló összefüggése: A térfogatáramot kifejezve: s ezt az előző összefüggésbe behelyettesítve:

Az ágimpedancia definiáló összefüggése: Az egyes ágak admittanciáit egyetlen diagonális mátrixban egyesítve nyerjük a hálózat primitív admittancia mátrixát. A passzív elemek eredő ellenállástényezői: A csomóponti áramokra vonatkozó alaptétel: Az előbbi összefüggések csomóponti áramokra kifejezett alakját: behelyettesítve az előző egyenletbe nyerjük a hálózati egyenletek csomóponti alakját:

ahol - ág-csomóponti mátrix transzportáltja; - topológiai mátrix; - primitív admittancia mátrix (az ágadmittanciákból képzett diagonális mátrix); - csomóponti nyomás vektor; - csomóponti forrásáram vektor. A gázhálózatok egyenleteinek megoldására szolgáló gyakorlati módszerek egy része a Newton-Raphson eljárást használja. E módszer lényege: Legyen az összesen - számú ismeretlent tartalmazó nemlineáris egyenletrendszer általános alakja:

Ha az egyenletrendszer megoldásértékeinek első közelítése, ezeknek a valóságos megoldásoktól való eltérése, ezeket behelyettesítve az előbbi alakba: Az F 1, F 2 … F n függvényeket Taylor sorba fejtve és a magasabbrendű tagokat elhagyva:

Az függvények, s a differenciálhányadosok adott értékűek, így ismeretlenekre nézve elsőrendű lineáris egyenletrendszer megoldása a feladat. A nemlineáris egyenletrendszer megoldásának így nyert, első közelítését induló értékként használva az eljárás ismétlésével hasonló lineáris egyenletrendszer nyerhető, mely újabb közelítést szolgáltat. Az eljárás konvergál, ha környezetében teljesül: Az előbbi egyenletrendszer mátrixos formában megjelenítve:

Az általános alakú, mátrixos formában megadott egyenletrendszerhez hasonló eredményre vezet a hálózati egyenletek csomóponti alakjának megoldása is, ha, illetve a csomóponti nyomások két egymásutáni iterációs ciklusban számított értékeinek vektora: illetve az vektorfüggvény, valamint ennek Jakobi-féle mátrixa közötti kapcsolat a következő: ahol - Jakobi-féle mátrixból számítható inverz mátrix. A teljes mátrix pedig a következőképp jellemezhető: ahol - a differenciális admittancia mátrix; ill.- a topológiai mátrix, illetve annak transzformáltja.

A Newton-Raphson algoritmus a nemlineáris hálózat csomóponti egyenletére felírva: ahol - a hálózati egyenletet a csomóponti nyomásoktól függően jellemző vektorfüggvény i-edik közelítése; - az előbbi vektorfüggvény Jakobi-féle mátrixa; - a Jakobi-féle mátrixból képezhető inverz mátrix, amely a mátrix adjungáltja és a mátrix determinánsa hányadosaként értelmezhető; - a csomóponti nyomások két egymásutáni iterációs ciklusban számított értékeinek vektora. Így jutottunk el tehát a hálózat csomóponti egyenleteinek megadásával a mátrixos formában megjelenített, általános alakú egyenletrendszerig.

5. A projekt várható regionális hatásai A projekt alábbiakban megnevezett eredmény-mutatói: - a vízgőzfogyasztások megbízható mérése, a fogyasztóhelyek folyamatos és egyidejű megfigyelhetősége (a megvalósult monitoring rendszer), - a vízgőzhálózat energiatermelőhöz és fogyasztókhoz igazodó működtetése változó energiaelosztással, beavatkozó szervek alkalmazásával (a kialakítandó irányítási rendszer), - a biztonságos üzemvitelt, gazdasági és egyéb szempontokat is támogató szakértői rendszer kialakítása elsősorban a konzorciumi partnert (PÉTÁV Távfűtő Kft.), de az energiaelosztásban érintett, jelenlegi nagyfogyasztókat is befolyásolják. Ugyanakkor a betervezett ütemezéssel a teljes infokommunikációs rendszer kifejlesztése (ennek mindhárom eleme) egyben hatásmutató szerepet is betölt.

Ugyanis a teljes infokommunikációs rendszer létrehozásával, s ennek - az energiaelosztásban érdekelt valamennyi partner (termelő, szolgáltató, felhasználók) számára biztosított - elérhetőségével vélhetően további egyez- tetések indulnak meg az egyes partnerek között a tényleges energiafel- használások, illetve az arányosan leosztott veszteségek kiszámlázása érdekében a termelő és a fogyasztók igényeinek és lehetőségeinek összehangolása céljából. Az egyes partnereknél - a kialakított és elérhető infokommunikációs technológia, - az üzemvitelről (a rendelkezésre álló hőenergiáról, annak állapotáról, kalorikus jellemzőiről), az üzemviteli változásokról (a beavatkozások, az energiaelosztás módosításának lehetősége) mindenkor rendelkezésre álló információ új fejlesztéseket, a fajlagos energiafelhasználás, illetve az energia-veszteségek csökkentésére irányuló innovatív tevékenységeket indít el.

A vízgőzhálózat jelenlegi kiépítettségét és kapacitását alapul véve a számító- gépes felügyeleti rendszer kialakítása és üzembe helyezése növeli esélyét új nagyfogyasztók bevonásának és kiszolgálásának is, ami ugyancsak új beruházásokhoz, a kapacitások jobb kihasználásához vezethet. Rövidtávon az energiaelosztásban résztvevő partnerek egyéni érdekei, illetve lehetőségei nem szorgalmazzák az energiaáram-hálózat nagy költségekkel járó korszerűsítését. Hosszútávon, illetve regionális szinten azonban mindenképp eldön- tendő, hogy az energiaellátás korszerűsítése, az energiaveszteségek csökkentése milyen alternatívákból választva valósítható meg. Ezeket az alternatívákat szeretné feltárni a projekt innovatív informatikai alkal- mazásokkal, infokommunikációs technológiák alkalmazásával. A műszaki informatikai ismeretek gyakorlatban való hasznosítása, a legújabb kutatási irányok (nagy rendszerek komplexitás-kezelése, mester- séges intelligencia-alkalmazások stb) követése és gyakorlati alkalmazása nagymértékben indokolja, hogy a partner biztosítsa a technológiai rend- szer elérhetőségét, az alkalmazott kutatás-fejlesztés művelésének, az infokommunikációs rendszer kiépítésének lehetőségét a non-profit szervezet számára.