Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Zkušenosti z provozu prediktoru spotřeby tepelné energie

Příspěvek informuje o využití adaptivního modelu spotřeby tepelné energie v soustavě centrálního zásobování teplem (CZT) v praxi během skutečného provozu teplárny. Mezi výsledky laboratorních zkoušek modelu a výsledky získanými v praxi při jeho použití ve vazbě na reálnou soustavu CZT se vyskytly rozdíly a některé provozní stavy lze jen obtížně simulovat. Čtenář zde bude seznámen s postupem uvádění prediktoru do provozu, s těžkostmi, které provázely jeho použití, a s provozními výsledky.
 
Na konferencích Technical Computing Prague byly postupně prezentovány práce na vývoji adaptivního modelu predikce spotřeby tepelné energie, který popisuje chování soustavy CZT. Teoretické práce byly zakončeny koncem roku 2008. Logicky navazujícím krokem bylo uvedení teoretických poznatků do takové podoby, aby prediktor bylo možné použít v průmyslové praxi.
 
Díky dlouholeté spolupráci Univerzity Jana Evangelisty Purkyně (UJEP) s místní teplárnou Dalkia Ústí nad Labem, a. s., společnost umožnila ověřit navrhované algoritmy v praxi. Měřilo se a kalibrační koeficienty algoritmů byly nastavovány v reálném provozu.
 
Soustava CZT provozovaná teplárnou Dalkia Ústí nad Labem patří k velkým soustavám. Ke zdroji je připojena třemi paralelními tepelnými napáječi (TN I, TN II a TN III). Jde o tři soustavy parního a kondenzátního potrubí, každá o délce asi 7 km, se jmenovitými průměry parovodů DN 500, DN 600 a DN 700. Rozvod tepelné energie po městě je zajištěn páteřními parovody napájejícími místní primární sítě. Soustava CZT dodává asi 3 300 TJ tepelné energie v páře za rok. K dané síti CZT je připojeno více než 1 300 odběrných míst, z nichž je zásobováno teplem asi 26 800 domácností a velká část průmyslových závodů ve městě.
 

Technické řešení způsobu využití prediktoru v praxi

 
Pro vyzkoušení prediktoru v praxi bylo vybráno výpočetní prostředí Matlab, a to pro snadné provozování a ladění algoritmů. Dále bylo nezbytné zajistit predikčním algoritmům přístup ke skutečným naměřeným údajům, popisujícím dodávku tepelné energie do soustavy CZT, a přístup na internet. Během jednání se zodpovědnými pracovníky teplárny byly precizovány tyto hlavní požadavky na zkušební provoz prediktoru:
  • predikční algoritmy svojí činností nesmí v žádném případě ovlivnit ani ohrozit chod automatizovaných a informačních systémů teplárny,
  • potřebná měření, zkoušení a kalibrace predikčních algoritmů nebudou zvyšovat provozní náklady teplárny,
  • prediktor a všechny jeho potřebné součásti nebudou provozovány na žádném zařízení, které je ve vlastnictví teplárny.
Uvedené požadavky vyústily v toto technické řešení:
  • prediktor byl provozován na samostatném počítači, který nebyl ve vlastnictví teplárny,
  • použitý počítač měl přístup na internet mimo síť teplárny,
  • pro předávání naměřených údajů byl na serveru teplárny vytvořen samostatný diskový prostor, do kterého měli přístup určení pracovníci teplárny a provozovatele prediktoru,
  • přenos naměřených hodnot byl „ruční“, tj. pověřený pracovník pravidelně exportoval naměřené údaje a ukládal je do určeného prostoru na disku v podobě excelové tabulky,
  • prediktor byl v pravidelných intervalech spuštěn, ze serveru teplárny byly načteny naměřené údaje a z internetu údaje reprezentující regionální předpověď počasí; z vložených data z teplárny a z internetu prediktor na základě prediktivního modelu vypočítal předpokládanou dodávku tepelné energie do soustavy CZT v následujících dnech; v případě, že nastala změna v soustavě CZT, prediktor vypočítal nové hodnoty parametrů soustavy a byl vytvořen aktuální prediktivní model.
 

Průběh zkušebního provozu

 
Prediktor byl spuštěn na samostatném PC a předpokládal se jeho automatický provoz. Po uvedení prediktoru do zkušebního provozu se projevily první problémy, které nemohly být předvídány ani nasimulovány a které bylo třeba řešit drobnými úpravami oproti původnímu projektu.
 
Například automatický spouštěč programů v operačním systému nefungoval tak, jak se od něj očekávalo, a po instalaci nových aktualizací provedl sám operační systém nové spuštění (restart) počítače. Tyto problémy byly odstraněny naprogramováním spouštěče v prostředí Matlab a zákazem instalace nových aktualizací operačního systému.
 
Objevovaly se také chyby zapříčiněné operátorem (nesprávné zadání naměřených údajů) a chybné nebo chybějící údaje předpovědi počasí. Každá takováto chyba měla za následek zastavení výpočtů. Aby nedocházelo k těmto hrubým chybám, výpočet probíhal souběžně ještě na jednom počítači pod stálým dohledem vývojáře prediktoru, který průběžně odstraňoval chyby. Po delším provozu již operátor nabyl zkušenosti a uvedené chyby se přestaly vyskytovat. Při trvalém použití bude prediktor doplněn o modul, který zajistí automatické načítání vstupních údajů do výpočtu a jejich verifikaci.
 
V průběhu ověřovacího provozu byl prediktor postupně vylepšován a spolu s tím se zlepšovala i kvalita predikce. Postupným zaváděním jednotlivých opatření byly posléze výpadky prediktoru redukovány na minimum.
 

Výsledky ročního provozu prediktoru

 
Pro kontrolu výsledků a k usnadnění dalších zkoušek byl vytvořen prohlížeč predikovaných a naměřených hodnot. Výstupem z tohoto prohlížeče jsou grafy uvedené na obr. 1 obr. 3.
 
Za první rok provozu prediktoru (prediktor byl spuštěn 13. ledna 2009) byly získány výsledky znázorněné na obr. 1, kde červeně je zakreslena vypočítaná predikce dodávky tepelné energie do soustavy CZT, získávaná s předstihem, a modrá čára zobrazuje následně získanou skutečnost.
 
Vypočítanou relativní chybu predikce dodávky oproti skutečnosti zobrazuje histogram na obr. 2.
 
Pro porovnání výsledků byly vypočítány také absolutní chyby predikce teploty vzduchu. Výsledek je uveden na histogramu na obr. 3. V daném případě byly určeny počty výskytů rozdílů predikované a skutečné teploty venkovního vzduchu menší než 1, 3, 5 a 7 °C.
 

Závěr

 
Výsledky prvního roku ověřovacích zkoušek prediktoru spotřeby tepelné energie v praxi ukázaly, že prediktor je schopen celkem přesně předpovídat dodávku tepelné energie do soustavy CZT a jeho začlenění do informačního systému teplárny je přínosem. V průběhu zkušebního provozu byl prediktor začleněn do reálného provozu teplárny a postupně byly odstraňovány jeho nedostatky, které se v praxi projevily. Velké problémy byly s vydáváním tzv. záplat systému Microsoft Windows a s automatickým novým spouštěním systému. Z dalších problémů byly zdaleka nejvýznamnější zadávání chybných naměřených údajů do výpočtu a výpadky způsobené nedodáním údajů o předpovědi počasí. Vyvinuté predikční algoritmy jsou univerzální a je možné je použít jak pro dodávku tepelné energie do celé soustavy CZT, tak i pro části zásobované oblasti. Aby je bylo možné použít v konkrétních případech, je nutné upravit pouze obslužné moduly, které zajišťují potřebný servis pro hlavní predikční modul. Tyto obslužné moduly musí být připraveny individuálně pro každý jednotlivý konkrétní případ.
 
Literatura:
[1] ŠÍPAL, J.: Zkušenosti z provozu prediktoru spotřeby tepelné energie. In: Technical Computing Prague 2009; sborník abstraktů, s. 98, Humusoft, Praha, 2009, ISBN 978-80-7080-733-0.
[2] ŠÍPAL, J.: Adaptive Modeling of District Heating Network. Electronics and Electrical Engineering, 2009, No 8 (96), pp. 65–68, ISSN 1392-1215.
[3] ŠÍPAL, J.: Matlab a analýza dat v průmyslu. In: Technical Computing Prague 2008; sborník abstraktů, s. 101, Humusoft, Praha, 2008, ISBN 978-80-7080-692-0.
[4] ŠÍPAL, J.: Adaptivní modelování dodávky tepelné energie do soustavy centrálního zásobování teplem. Automa, 2008, roč. 14, č. 5, s. 22–24, ISSN 1210-9592. Dostupný z <http://www.automa.cz>.
[5] ŠÍPAL, J.: Nové možnosti řízení tepelné energie. In: Technical Computing Prague 2007, sborník abstraktů, s. 127, Humusoft, Praha, 2007, ISBN 975-80-7080-658-6.
[6] ŠÍPAL, J.: Model dodávky tepelné energie do městské sítě centralizovaného zásobování teplem. Energetika, 2006, č. 12, s. 400–403, ISSN 0375-8842.
doc. Ing. Jaroslav Šípal, Ph.D.,
katedra strojů a mechaniky Fakulty výrobních
technologií a managementu UJEP
 
Obr. 1. Porovnání predikované a skutečné dodávky tepla během téměř ročního provozu prediktoru
Obr. 2. Zobrazení rozložení relativní chyby predikce dodávky tepla: vodorovná osa (%)
Obr. 3. Zobrazení rozložení chyby předpovědi teploty venkovního vzduchu: vodorovná osa (°C)