Содержание выпуска (elibrary.ru)
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОДАХ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Филимонова А.А., Чичиров А.А., Чичирова Н.Д., Баталова А.А.
Казанский государственный энергетический университет,г. Казань, Россия
Резюме: ЦЕЛЬ. В связи с массовым внедрением высокотехнологичных парогазовых турбин на российских тепловых электростанциях (ТЭС) к питательной воде котлов-утилизаторов предъявляются повышенные требования, в том числе по ограничению содержания органических веществ. Статья посвящена качественному и количественному анализу органических веществ в технологических водах ТЭС, включающему определение источника органических примесей, их состава и влияния на работу оборудования. МЕТОДЫ анализа: химические и физико-химические (УФ-спектроскопия). Исследования охватывает исходную природную воду, питательные воды котлов, в том числеполученные на разных водоподготовительнох установках (ВПУ) – ионитнойхимобессоливающей и испарительной, а также основной турбинный конденсат. Кроме того, исследовались производственные воды с промежуточных ступеней обработки воды — отработанные регенерационные и промывочные воды ионитных ВПУ, продувочные воды испарительной ВПУ, циркуляционные воды системы оборотного охлаждения. РЕЗУЛЬТАТЫ. По результатам УФ-спектрометрического анализа органической фракции, выделенной из разных технологических вод ТЭС, был показано преимущественное содержание в них гумусовых веществ, а именно, гуминовых и фульвокислот в разных соотношениях. Органическая часть щелочных отработанных регенерационных растворов представлена фульвокислотами с сильнокислотными группами. Гуминовые кислоты присутствуют на анионитных фильтрах I ступени в значительно меньших количествах. По УФ — спектрам химически обессоленной воды можно заключить наличие в ней гуминовых кислот в связи с прохождением гуминовых кислот через слабоосновной (средне основной) анионит I ступени и осаждение их на анионитеII ступени. В продувочной воде испарительной установки обнаруживаются гуминовые и фульвокислоты в связи с Na-катионированием на предочистке без подкисления в отличие от предочистки для ионитнойхимобессоливающей установки. В обессоленной воде испарительной установки характерны УФ-спектры гуминовых кислот в связи с особенностями строения этой фракции и легким попаданием в газовую фазу. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Сделаны выводы по составу органической части вод, особенностям их поведения, а также перспективам использования спектрального метода для автоматизированного экспресс-анализа производственных вод.
Ключевые слова: электронная спектроскопия; гумусовые вещества; водоподготовительные установки ТЭС; питательные воды парогенераторов.
Благодарности: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90034.
Для цитирования: Филимонова А.А., Чичиров А.А., Чичирова Н.Д., Баталова А.А. Спектроскопическое исследование поведения органических примесей в технологических водах тепловых электростанций // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №3 (55). С. 3-12.
SPECTROSCOPIC STUDY OF THE ORGANIC IMPURITIES BEHAVIOUR IN THERMAL POWER PLANTS TECHNOLOGICAL WATERS
АА. Filimonova, АА. Chichirov, ND. Chichirova, АА. Batalova
Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
Abstract: PURPOSE. In connection with the massive introduction of high-tech combined-cycle turbines at Russian thermal power plants (TPPs), increased requirements are imposed on the feed water of waste heat boilers, including those for limiting the content of organic substances. The article is devoted to the qualitative and quantitative analysis of organic substances in the process waters of thermal power plants, including the determination of the source of organic impurities, their composition and influence on the operation of the equipment. METHODS of analysis: chemical and physico-chemical (UV spectroscopy). The research covers the initial natural water, boiler feed water, including those obtained at various water treatment plants (WTP) — ion-exchange chemical desalination and evaporative, as well as the main turbine condensate. In addition, industrial waters from intermediate stages of water treatment were studied – waste regeneration and washing waters of ion-exchange VLUs, purge waters of evaporative VPUs, and circulating waters of the circulating cooling system. RESULTS. According to the results of UV spectrometric analysis of the organic fraction isolated from different technological waters of thermal power plants, the predominant content of humic substances in them, namely, humic and fulvic acids in different ratios, was shown. The organic part of the alkaline spent regeneration solutions is represented by fulvic acids with strongly acidic groups. Humic acids are present on stage I anion exchangers in much smaller quantities. According to the UV spectra of chemically desalinated water, one can conclude the presence of humic acids in it due to the passage of humic acids through the weakly basic (medium basic) anion exchanger of the first stage and their deposition on the anion exchanger of the second stage. Humic and fulvic acids are found in the blowdown water of the evaporation plant due to Na-cationation in the pretreatment without acidification, in contrast to the pretreatment for the ion exchanger chemobesalt. In the demineralized water of the evaporation plant, UV spectra of humic acids are characteristic due to the structural features of this fraction and easy entry into the gas phase. CONCLUSION. Conclusions are drawn on the composition of the organic part of waters, the features of their behavior, as well as the prospects for using the spectral method for automated express analysis of industrial waters.
Keywords: electron spectroscopy, humus substances, water treatment plants of thermal power plants, feed waters of steam generators.
Acknowledgments: The reported study was funded by RFBR according to the research project № 20-38-90034.
For citation: Filimonova АА, Chichirov АА, Chichirova ND, Batalova АА. Spectroscopic study of the organic impurities behaviour in thermal power plants technological waters. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):3-12.
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОВЫХ СЕТЯХ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Ахметова И.Г., Лапин К.В.
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
Резюме: ЦЕЛЬ. Рассмотреть проблему расчет тепловых потерь в нестационарных условиях при постоянно изменяющимся градиенте температур. Использовать в качестве данных для расчетов тепловых потерь в режиме реального времени системы дистанционного съема показаний приборов учета тепловой энергии. Провести испытания тепловых сетей на фактические потери тепловой энергии в нестационарном режиме и построить математическую функцию (зависимости) изменения соотношения фактических и нормативны тепловых потерь для участка теплосети, находящего в процессе эксплуатации. МЕТОДЫ. При решении поставленной задачи применялся метод расчетов тепловых потерь в режиме реального времени с использованием системы дистанционного съема показаний приборов учета тепловой энергии. РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье описана актуальность темы, приведены результаты исследования для получения возможности проведения испытаний тепловых сетей на фактические потери тепловой энергии в нестационарном режиме и построение математической функции (зависимости) изменения соотношения фактических и нормативны тепловых потерь для участка теплосети, находящего в процессе эксплуатации. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Применение метода расчетов тепловых потерь в режиме реального времени с использованием системы дистанционного съема показаний приборов учета тепловой энергии дает возможность разработать метод расчета тепловых потерь в нестационарных условиях. В работе приводятся результаты исследования для получения возможности проведения испытаний тепловых сетей на фактические потери тепловой энергии в нестационарном режиме и построение математической функции (зависимости) изменения соотношения фактических и нормативны тепловых потерь для участка теплосети, находящего в процессе эксплуатации. Полученные результаты также могут быть использованы для повышения надежности тепловых сетей за счет своевременного обнаружения отклонений фактических эксплуатационных условий от нормативных (участки тепловой сети с нарушением теплоизоляционного слоя, находящиеся во влажной среде, интенсифицирующей процессы наружной коррозии металла).
Ключевые слова: теплоснабжение; цифровизация; тепловые сети; надежность; потери тепловой энергии; методика испытаний.
Благодарности: Работа, по результатам которой выполнена статья, выполнена по Государственному контракту от 15 января 2016 г. в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса на 2014-2020 годы».
Для цитирования: Ахметова И.Г., Лапин К.В. Исследование нестационарных процессов теплообмена в тепловых сетях централизованного теплоснабжения // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. № 3 (55). С. 13-26.
REASERCH THE NON-STATIONARY HEAT EXCHANGE PROCESSES IN DISTRICT HEATING NETWORKS
IG. Akhmetova, KV. Lapin
Kazan State Power Engineering University Kazan, Russia
Abstract: THE PURPOSE. To consider the problem of calculation of heat losses under non-stationary conditions under constantly changing temperature gradient. To use as data for the calculation of heat losses in real time systems of remote readout of thermal energy meters. To carry out tests of heat networks on actual losses of heat energy in non-stationary mode and to construct mathematical function (dependencies) of change of ratio of actual and normative heat losses for a section of heat network, which is in operation. METHODS. In addressing the issue, the method of calculation of heat losses in real time using the system of remote readout of thermal energy metering devices was used. RESULTS. The article describes the relevance of the topic, provides the results of research to obtain the possibility of testing of thermal networks for actual loss of thermal energy in non-stationary mode and construction of mathematical function (dependencies) changes in the ratio of actual and normative heat losses for the part of the heating network under operation. CONCLUSION. The application of the method of calculation of heat losses in real time using the system of remote retrieval of readings of heat energy metering devices makes it possible to develop a method of calculation of heat losses in non-stationary conditions. The study results for obtaining the possibility of testing of thermal networks for actual thermal energy losses in non-stationary mode and construction of mathematical function (dependency) changes in the ratio of actual and normative heat losses for the part of the heating network under operation. The obtained results can also be used to increase the reliability of heat networks by means of timely detection of deviations of actual operating conditions from normative conditions (parts of the thermal network with defective thermal insulation layer, located in a moist environment intensifying processes of external corrosion of metal).
Keywords: Heat supply; digitalization; thermal networks; reliability; thermal energy loss; test method.
For citation: IG. Akhmetova, KV. Lapin. Reaserch the non-stationary heat exchange processes in district heating networks. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):13-26.
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЕЧИ ЗА СЧЕТ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ БОРТОВОГО ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА
Мустафин Р.М.
Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия
Резюме: ЦЕЛЬ. Исследовать область применения системы термохимической рекуперации (ТХР) теплоты отходящих дымовых газов на металлургической печи. Сравнить полученные результаты по энергетической эффективности для металлургической печи с применением технологии ТХР и без неё. МЕТОДЫ. В качестве методов исследования выбрано компьютерное моделирование в программном продукте Aspen Hysys. Aspen HYSYS является одним из ведущих симуляторов химических процессов на рынке или, по крайней мере, в мире химической инженерии. РЕЗУЛЬТАТЫ. В работе сравниваются два способа энергосбережения: наиболее распространенный – это предварительный подогрев воздуха и топлива перед горением за счет теплоты дымовых газов; и использование теплоты отходящих дымовых газов для проведения реакций ТХР. Исследовано влияние давления и соотношения окислителя к топливу в паровой конверсии метана на конечный состав топлива. Наибольший выход водорода виден при соотношении окислителя к топливу 1:1 и при давлении 5 бар. Исследована тепловая эффективность печи с применением системы ТХР, видно, что при стандартном методе энергосбережения (предварительный подогрев воздуха и топлива перед горением) тепловая эффективность печи ниже, чем при применении системы ТХР. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Полученные результаты показывают большую эффективность ТХР по сравнению с предварительным подогревом топлива и воздуха. Применение технологии термохимической рекуперации теплоты отходящих дымовых газов позволяет повысить эффективность работы металлургической печи на 2035%. Для большей эффективности необходимо определить лучшее соотношение β водяного пара к метану, увеличение этого показателя повышает эффективность регенерации, однако при этом увеличиваются затраты на производство пара. Поэтому наиболее распространенным и эффективным считается соотношение β = 2.
Ключевые слова: энергосбережение; водородное топливо; компьютерное моделирование; Aspen HYSYS; металлургическая печь; повышение энергетической эффективности.
Благодарности: Исследование выполнено в рамках работы над грантом РНФ № 191900327, тематика: Разработка и оптимизация технологии термохимической регенерации теплоты продуктов сгорания органического топлива: экспериментальное и численное исследование.
Для цитирования: Мустафин Р.М. Повышение энергетической эффективности работы металлургической печи за счет внедрения технологии бортового производства водородного топлива // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №3 (55). С. 27-37.
IMPROVING THE ENERGY EFFICIENCY OF THE METALLURGICAL FURNACE DUE TO THE INTRODUCTION OF THE TECHNOLOGY OF ONBOARD PRODUCTION OF HYDROGEN FUEL
RM. Mustafin
Samara State Technical University, Samara, Russia
Abstract: THE PURPOSE. To research the field of application of the thermochemical recovery system (TCR) of the heat of exhaust flue gases in a metallurgical furnace. To compare the results obtained on energy efficiency for a metallurgical furnace with and without the use of TCR technology. METHODS. Computer modeling in the Aspen Hysys software product was chosen as the research method. Aspen HYSYS is one of the leading chemical process simulators on the market or at least in the world of chemical engineering. RESULTS. The paper compares two methods of energy recovery: the most common is preheating of air and fuel before combustion with the heat of flue gases; and the use of the heat of the flue gases as supply heat for the reactions of the TCR. The influence of pressure and the ratio of oxidizer to fuel in the steam conversion of methane on the final composition of the syngas is investigated. The greatest yield of hydrogen is visible at the ratio of oxidizer to fuel 1:1 and at a pressure of 5 bar. The thermal efficiency of the furnace with the use of the TCR system is investigated, it is seen that with the standard method of energy recovery (preheating of air and fuel before combustion), the thermal efficiency of the furnace is lower than with the use of the TCR system. CONCLUSIONS. The results obtained show a greater efficiency of TCR compared with preheating of fuel and air. The use of thermochemical heat recovery technology of exhaust flue gases makes it possible to increase the efficiency of the metallurgical furnace by 2035%. For greater efficiency, it is necessary to determine the best ratio of β water vapor to methane, an increase in this indicator increases the efficiency of regeneration, but at the same time the costs of steam production increase. Therefore, the ratio β = 2 is considered the most common and effective.
Keywords: energy saving; hydrogen fuel; computer modeling; Aspen HYSYS; metallurgical furnace; energy efficiency improvement.
Acknowledgements: The research was carried out within the framework of the work on the grant of the Russian National Science Foundation No. 191900327, subject: Development and optimization of the technology of thermochemical heat recovery of combustion products of organic fuels: experimental and numerical research.
For citation: Mustafin RM. Improving the energy efficiency of the metallurgical furnace due to the introduction of the technology of onboard production of hydrogen fuel. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):27-37.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В БЕЗДЕФЕКТНЫХ И ДЕФЕКТНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ
Гапоненко С.О., Кондратьев А.Е., Ульябаева Г.Ш.
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
Резюме: ЦЕЛЬ. Определить зависимости влияния дефектов трубопроводов на собственные частоты колебаний в среде конечноэлементного моделирования ANSYS. Выявить информативный частотный диапазон для контроля технического состояния исследуемых трубопроводов. МЕТОДЫ. При выполнении работы применялись методы математического моделирования, численные, логико-вычислительные методы, вероятностно-статистические методы математической обработки результатов измерений. РЕЗУЛЬТАТЫ. Определены собственные (резонансные) частоты трубопроводов с использованием модального анализа. В качестве объектов исследований использовались стальной трубопровод без дефекта и трубопроводы с дефектами 2 мм, 3 мм, 5 мм и 6 мм. На основе расчетов были определены информативные диапазоны частот для контроля технического состояния бездефектных и дефектных трубопроводов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В результате исследований, проведенных с помощью модального анализа, были рассчитаны собственные (резонансные) частоты трубопроводов без дефектов и с дефектами различных размеров. Полученные данные можно использовать для определения размеров дефекта по наличию выявленных частот. Основываясь на расчетах, можно сделать вывод, что частоты 6681; 7156; 7240.1; 7682.5; 8240.2; 8839.2 Гц наиболее характерны для дефекта 2 мм; 6724.4; 7255.7; 7687.6; 8203.9; 8858.1; 9413.4 Гц для дефекта 3 мм; 5772; 6705.5; 7176.7; 7204.4; 7656.1; 8831.8 Гц для дефекта 5 мм; 5799.9; 6644.9; 7035.3; 7216.4; 8189.9; 8869.9 Гц для дефекта 6 мм.
Ключевые слова: трубопровод; модальный анализ; колебания; информативно-частотный диапазон; дефект.
Для цитирования: Гапоненко С.О., Кондратьев А.Е., Ульябаева Г.Ш. Анализ результатов численного моделирования колебательных процессов в бездефектных и дефектных трубопроводах // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №3 (55). С. 38-47.
NUMERICAL SIMULATION OF OSCILLATORY PROCESS IN DEFECT-FREE AND DEFECTIVE PIPELINES
SO. Gaponenko, AE. Kondratiev and GSh. Ulyabaeva
Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
Abstract: THE PURPOSE. To determine the dependences of the influence of pipeline defects on the natural oscillation frequencies in the ANSYS finite element modeling environment. To identify an informative frequency range for monitoring the technical condition of the pipelines under study. METHODS. Methods of mathematical modeling, numerical, logical-computational methods, probabilistic-statistical methods of mathematical processing of measurement results were used in the performance of the work. RESULTS. The natural (resonant) frequencies of pipelines are determined using modal analysis. As objects of research, a steel pipeline without a defect and pipelines with defects of 2 mm, 3 mm, 5 mm and 6 mm were used. Based on the calculations, informative frequency ranges were determined for monitoring the technical condition of defect-free and defective pipelines. CONCLUSION. As a result of studies conducted using modal analysis, the natural (resonant) frequencies of pipelines without defects and with defects of various sizes were calculated. The obtained data can be used to determine the size of the defect by the presence of detected frequencies. Based on the calculations, it can be concluded that the frequencies 6681; 7156; 7240.1; 7682.5; 8240.2; 8839.2 Hz are most characteristic of a 2 mm defect; 6724.4; 7255.7; 7687.6; 8203.9; 8858.1; 9413.4 Hz for a defect of 3 mm; 5772; 6705.5; 7176.7; 7204.4; 7656.1; 8831.8 Hz for a 5 mm defect; 5799.9; 6644.9; 7035.3; 7216.4; 8189.9; 8869.9 Hz for a 6 mm defect.
Keywords: pipeline; modal analysis; oscillations; informative frequency range; defect.
For citation: Gaponenko SO, Kondratiev AE. and Ulyabaeva GSh. Numerical simulation of oscillatory process in defect-free and defective pipelines. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):38-47.
ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
Казаков1 В.Г., Громова1 Е.Н., Алешина2 А.С.
1 Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна
2 Санкт-Петербургский Политехнический университет Петра Великого
Резюме: ЦЕЛЬ. Целью исследования являлась разработка энерготехнологического комплекса на основе сверхкритического водного окисления (СКВО), имеющего высокую производительность по целлюлозе при исключении потребления затрат энергии от внешнего источника в установке, работающей в стационарном режиме. МЕТОДЫ. В основу разработки энерготехнологического комплекса положены результаты исследований поведения воды при сверхкритических параметрах. Время реакции окисления при таких параметрах среды на два-три порядка меньше, чем в известных способах получения целлюлозы. При сверхкритических параметрах имеет место многостадийный процесс газификации, состоящий из выщелачивания сахарозы (гемицеллюлозы и лигнина) в раствор, а затем газификации этих компонентов без химического воздействия на целлюлозу. РЕЗУЛЬТАТЫ. В условиях СКВО возможно организовать проведение технологического процесса без «зависания» технологической щепы как это бывает в варочном котле. При хорошем перемешивании технологической щепы, воды и окислителя можно устранить непровар целлюлозы, а также получить α-целлюлозу с низким содержанием примесей. Предложенное энерготехнологический комплекс позволяет существенно повысить эксергетический КПД в сравнении с классическим методом переработки от 48 до 80 % в отсутствии таких технологических переделов, как варка древесной технологической щепы, выпаривание, СРК, печи карбонизации. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В результате обработки технологической щепы в кипящем слое при суб-и сверхкритических параметрах без применения химикатов с дополнительной классификацией волокнистых материалов в кипящем слое и очисткой от химических примесей α-целлюлозы качество продукции повышается, а удельные энергетические и капитальные затраты снижаются. Кроме того, значительно сокращается время варки.
Ключевые слова: газификация; сверхкритическое водное окисление; сверхкритические флюиды; древесина; целлюлоза; переработка древесины
Для цитирования: Казаков В.Г., Громова Е.Н., Алешина А.С. Энерготехнологический комплекс для глубокой переработки древесины // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №3 (55). С. 48-58.
ENERGY TECHNOLOGY COMPLEX FOR DEEP PROCESSING OF WOOD
VG. Kazakov1, EN. Gromova1, AS. Alyoshina2
1 St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design
2 Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
Abstract: THE PURPOSE. The aim of the study was to develop an energy technology complex based on supercritical water oxidation, which has high cellulose productivity while excluding energy consumption from an external source in a stationary installation. METHODS. The development of the energy technology complex is based on the results of studies of the behavior of water at supercritical parameters. The oxidation reaction time at such medium parameters is two to three orders of magnitude less than in known methods for producing cellulose. Under conditions of supercritical aqueous oxidation, a multi-stage gasification process takes place, consisting of leaching sucrose (hemicellulose and lignin) into a solution, and then gasification of these components without chemical exposure to cellulose. RESULTS. In conditions of supercritical water oxidation, it is possible to organize the technological process without «hanging» of technological chips, as it happens in a digester. With good mixing of technological chips, water and oxidizer, it is possible to eliminate the non-vapor of cellulose, and also to obtain α-cellulose with a low content of impurities. The proposed energy technology complex allows to significantly increase the exergetic efficiency in comparison with the classical method of processing from 48 to 80% in the absence of such technological alterations as cooking of wood chips, evaporation, IBS, carbonization furnaces. conclusion. CONCLUSION. As a result of processing technological chips in the fluidized bed at sub- and supercritical parameters without the use of chemicals with additional classification of fibrous materials in the fluidized bed and purification from chemical impurities of α-cellulose, product quality increases, and specific energy and capital costs decrease. In addition, the cooking time is significantly reduced.
Keywords: gasification; supercritical water oxidation; supercritical fluids; wood, cellulose; wood processing.
For citation: Kazakov VG, Gromova EN, Alyoshina AS. Energy technology complex for deep processing of wood. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):48-58.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРЕДНЕГОДОВОЙ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА НА ОСНОВЕ ДАННЫХ ВЕТРОИЗМЕРЕНИЙ
Хассан Ф.А., Гайнуллина Л.Р., Тимербаев Н.Ф.
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
Резюме: ЦЕЛЬ. Рассмотреть проблемы, возникающие при измерении скорости ветра. Собрать данные с анемометров и флюгеров ветроизмерительного комплекса, установленного на контрольной площадке Республики Татарстан. Провести анализ полученных результатов и расчеты по измеренным данным. Разработать методику расчета прогноза годового направления ветра различных скоростей. МЕТОДЫ. Измерения характеристик ветра были проведены в соответствии с ГОСТ Р 54418.12.2-2013 и ГОСТ Р 54418.12.3-2012. Расчеты были проведены в Excel. РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье описана актуальность темы, рассмотрены перспективы ветроэнергетики с курсом на повышение эффективности измерения характеристик ветра и обработки результатов. Проведены измерения характеристик ветра в течение 2020 года на контрольной площадке Республики Татарстан. Произведен расчет средних скоростей ветра, построена гистограмма частоты скоростей ветра. Для каждого часа в сутках в течение месяца (года) рассчитана средняя скорость ветра по каждому анемометру и построены соответствующие графики. Рассчитаны и построены суточные и годовые графики распределения скоростей по направлениям. Разработана методика оценки и прогнозирования среднегодовой скорости и направления ветра на основе данных ветроизмерений. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Использование разработанной методики дает возможность повысить точность определения направлений ветра с различными интервалами скоростей. Определены превалирующие интервалы скорости ветра за год в секторах направлений по 220.
Ключевые слова: скорость ветра; направление ветра; распределение ветра; методика оценки; анемометр; флюгер; возобновляемые источники энергии.
Для цитирования: Хассан Ф.А., Гайнуллина Л.Р., Тимербаев Н.Ф. Методика оценки и прогнозирования среднегодовой скорости и направления ветра на основе данных ветроизмерений // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №3 (55). С. 59-68.
A METHODOLOGY TO ESTIMATE AND FORECAST THE AVERAGE THE ANNUAL SPEED AND DIRECTION OF THE WIND BASED ON WIND MEASUREMENT DATA
F.A. Hassan, L.R. Gainullina, N.F. Timerbaev
Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
Abstract: The goal of this study is to encounter the problems of measuring wind speed, the data are collected using anemometers and wind vanes installed at the control site in Tatarstan Republic. The data are analysed and calculation are made based on the measured data. A method is developed to calculate the forecast of the annual wind direction of various speeds. The method used is carried out in accordance with GOST R 54418.12.2-2013 and GOST R 54418.12.3-2012, the calculations are carried out in Excel. The results of the article describes the prospect if the wind energy, considering the improvement of the efficiency of the measurement of wind characteristics and processing the results. The measurements of wind characteristics are carried out during 2020 at the control site, Tatarstan Republic. The average wind speed is calculated, and the histogram of wind speed with respect to frequency of the wind is plotted. For each hour in a day during months (year) the average wind speed is calculated for each anemometer (Diurnal), the graphs are plotted. The daily and annual graphs of the distribution of speeds in directions are calculated and built. A methodology has been developed for assessing and predicting the average annual wind speed and direction based on wind measurement data. In conclusion, the use of the developed technique makes it possible to increase the accuracy of estimating wind directions with different wind speed intervals. The prevailing wind speed intervals for the year are defined in the sectors of directions by 220.
Keywords: wind speed; wind direction; wind distribution; assessment technique; anemometer; wind vane; renewable energy sources.
For citation: AF. Hassan, LR. Gainullina, NF. Timerbaev A methodology to estimate and forecast the average the annual speed and direction of the wind based on wind measurement data. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):59-68.
СУБОПТИМАЛЬНОСТЬ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНЫХ ПЕРЕТОКОВ МОЩНОСТИ
Семенов Д.А., Сидорова А.В., Русина А.Г.
Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, Россия
Резюме: ЦЕЛЬ: сегодня задача поиска оптимального перетока мощности (ОПМ) в энергосистеме особенно важна, т.к. ОПМ позволяет вести экономически эффективный режим работы электрической сети. Главной целью данного исследования является рассмотрение вопроса о влиянии начальных условий расчета на общий результат. МЕТОДЫ: В расчетах используются два метода: децентрализованный метод «внутренней точки» (МВТ) и метод оптимизации направленных коэффициентов (МОНК). РЕЗУЛЬТАТЫ: Целевая функция была минимизирована для централизованного, двух децентрализованных и трех децентрализованных случаев. Установка разных начальных фазовых углов напряжения приводит к большему количеству итераций. Результаты демонстрируют точность алгоритма МОНК и зависимость от отправной точки. ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Исследовано влияние начальной точки на сходимость, количество итераций. Выявлено, что в методе МВТ целевая функция и количество итераций увеличивается от начальной разности фаз напряжения между шинами. Эта зависимость возрастает с увеличением количества областей в расчете. Предложенный алгоритм МОНК с децентрализацией на уровне каждого узла и модифицированными транслируемыми переменными показал хорошую общую производительность с точки зрения скорости и точности сходимости.
Ключевые слова: децентрализованная энергосистема; метод внутренней точки; метод оптимизации направленных коэффициентов; оптимальные перетоки мощности.
Для цитирования: Семенов Д.А., Сидорова А.В., Русина А.Г. Субоптимальность децентрализованных методов расчета оптимальных перетоков мощности // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №3 (55). С. 69-80.
SUB-OPTIMALITY OF DECENTRALIZED METHODS FOR CALCULATION OF OPTIMAL POWER FLOWS
DA. Semenov, AV. Sidorova, AG. Rusina
Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
Abstract: GOAL: Today, the task of finding the optimal power flow (OPF) in the power system is especially important, because OPF allows for a cost-effective operation of the electrical network. The main goal of this study is to consider the issue of the influence of the initial conditions of the calculation on the overall result. METHODS: Two methods are considered in the calculations: the decentralized «inside point» method (IPM) and method of optimization with directional coefficients (MODC). RESULTS: The objective function was minimized for the centralized, two decentralized and three decentralized cases. The result of setting different initial voltage phase angles is a large number of iterations. The results demonstrate the accuracy of the MODC algorithm and dependence on the starting point. CONCLUSION: The influence of the starting point on the convergence and the number of iterations has been studied. It is revealed that in the MBT method the objective function and the number of iterations increase from the initial voltage phase difference between the barses. This dependence increases with the increase in the number of regions in the calculation. The proposed MONK algorithm with decentralization at the level of each node and modified broadcast variables showed good overall performance in terms of speed and accuracy of convergence.
Key words: decentralized power system; interior point method; directional coefficient optimization method; optimal power flows.
For citation: Semenov DA, Sidorova AV, Rusina AG. Sub-optimality of decentralized methods for calculation of optimal power flows. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):69-80.
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ПАРЕТО ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ВАРИАНТОВ РЕКОНСТРУКЦИИ ВЛ-110 КВ: АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ И ТЕХНИКО- ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
Тошходжаева М.И1., Тошходжаев1 Н.А., Грачева 2 Е.И.
1Политехнический институт Таджикского технического университета имени академика М.С. Осими
2Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
Резюме: ЦЕЛЬ. Применение метода Парето для оптимизации вариантов реконструкции воздушных линий электропередач напряжением 110 кВ. В статье приведены возможности применения метода Парето для оптимизации вариантов реконструкции воздушных линий электропередач, которые способствуют повышению их надежности. МЕТОДЫ. Для выбора оптимального варианта реконструкции применен метод Парето и аддитивной свёртки, графическим способом. Разработан алгоритм многокритериальной оптимизации воздушных линий, которые учитывают экономические, технические, физико механические и комплексные показатели надежности. Алгоритм включает в себя: выбор цели разработки, формулировку исходных данных, критерии выбора оптимального варианта реконструкции воздушных линий, разработку альтернативных вариантов, выбор оптимального варианта с учетом технико- экономических показателей. Приведена блок -схема разработанного алгоритма. РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье описана актуальность темы исследования. Новизна исследования заключается в доказательстве необходимости учета множества факторов при реконструкции воздушных линий. Следовательно, исследование сводится к решению задачи многокритериальной оптимизации, с учетом мнения эксперта и при учете весовых коэффициентов. Приведены основные результаты технико-экономического сравнения вариантов реконструкции воздушных линий электропередачи.
Ключевые слова: метод Парето; воздушные линии; реконструкция; критерии выбора; надежность.
Для цитирования: Тошходжаева М.И., Тошходжаев Н.А., Грачева Е.И. Применение метода Парето для оптимизации вариантов реконструкции ВЛ-110 кВ: алгоритм решения и технико-экономическое обоснование // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №3 (55). С. 81-88.
APPLICATION OF THE PARETO METHOD TO OPTIMIZE OPTIONS FOR RECONSTRUCTION OF VL-110 KV: SOLUTION ALGORITHM AND FEASIBILITY STUDY
MI. Toshkhodzhaeva1, NA. Toshkhodzhaev1, EI. Gracheva2
1Polytechnic Institute of the Tajik Technical University named after Academician M.S. Osimi.
2Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
Abstract: THE PURPOSE. Application of the Pareto method to optimize options for the reconstruction of overhead power lines with a voltage of 110 kV. The article presents the possibilities of using the Pareto method to optimize options for the reconstruction of overhead power lines, which contribute to improving their reliability. METHODS. To select the optimal reconstruction option, the Pareto method and additive convolution were applied, in a graphical way. An algorithm for multicriteria optimization of overhead lines has been developed, which takes into account economic, technical, physical and mechanical and complex reliability indicators. The algorithm includes: the choice of the development goal, the formulation of the initial data, the criteria for choosing the optimal option for the reconstruction of overhead lines, the development of alternative options, the choice of the optimal option, taking into account technical and economic indicators. A block diagram of the developed algorithm is given. RESULTS. The article describes the relevance of the research topic. The novelty of the study lies in the proof of the need to take into account many factors in the reconstruction of overhead lines. Consequently, the study is reduced to solving the problem of multicriteria optimization, taking into account the opinion of an expert and taking into account weight coefficients. The main results of the technical and economic comparison of options for the reconstruction of overhead power lines are given.
Keywords: Pareto method; overhead lines; reconstruction; selection criteria; reliability.
For citation: Toshkhodzhaeva M, Toshkhodzhaev NA, Gracheva EI. Application of the pareto method to optimize options for reconstruction of vl-110 kV: solution algorithm and feasibility study. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):81-88.
УГРОЗЫ И УЯЗВИМОСТИ ОБЪЕКТОВ КИБЕРФИЗИЧЕСКОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ЦИФРОВОЙ ТРАСФОРМАЦИИ ЕЕ СВОЙСТВ
Гурина1 Л.А., Зорина2 Т.Г., Томин1 Н.В., Прусов2 С.Г.
1Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, г. Иркутск
2Институт энергетики Национальной академии наук Беларуси, г. Минск
Аннотация: ЦЕЛЬ. Анализ угроз и уязвимостей при оценке рисков цифровизации объектов информационно-коммуникационной и технологической инфраструктур киберфизической энергетической системы (КФЭС), в том числе и при кибератаках. МЕТОДЫ. При проведении исследований использовались закон Парето и АВС-анализ, позволяющий классифицировать и оценить риски цифровизации по степени их важности. РЕЗУЛЬТАТЫ. Проанализированы факторы, обусловливающие возникновение рисков при цифровизации и информатизации объектов энергетики. Выявлены угрозы кибербезопасности цифровой платформы управления КФЭС и наиболее уязвимые к кибератакам ее компоненты. Полученные оценки рисков цифровизации объектов энергетики на примере реальной энергосистемы позволили выделить наиболее значимые риски с точки зрения возможного ущерба. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Проведенные исследования могут быть полезными при переходе к риск-ориентированному управлению КФЭС, а также при разработке мер по снижению рисков при цифровизации объектов энергетики.
Ключевые слова: киберфизическая энергетическая система; цифровая трансформация; цифровая платформа управления; риск; кибербезопасность.
Благодарности: Работа выполнена в рамках научного проекта «Теоретические основы, модели и методы управления развитием и функционированием интеллектуальных электроэнергетических систем», № FWEU-2021-0001.
Для цитирования: Гурина Л.А., Зорина Т.Г., Томин Н.В., Прусов С.Г. Угрозы и уязвимости объектов киберфизической энергетической системы при цифровой трансформации ее свойств // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №3 (55). С. 89-98.
THREATS AND VULNERABILITIES OF THE OBJECTS OF CYBER-PHYSICAL ENERGY SYSTEM IN THE CONTEXT OF DIGITAL TRANSFORMATION OF ITS PROPERTIES
Gurina1 LA, Zoryna2 TG, Tomin1 NV, Prusov2 SG.
1The Institute of Energy Systems named after L.A. Melentyev SO RAS, t. Irkutsk
2 Institute of Energy of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk
Annotation: THE PURPOSE. Analysis of threats and vulnerabilities in the assessment of risks of digitization of objects of information and communication and technological infrastructures of cyberphysical energy system (KFES), including cyber-attacks. PRACTICE. The studies used the Pareto Law and ABC-analysis to classify and assess the risks of digitization according to their degree of importance. RESULTS. The factors that determine the occurrence of risks at digitization and informatization of power facilities have been analyzed. The threats to cybersecurity of the KFES digital management platform and its components that are most vulnerable to cyberattacks have been identified. The obtained assessments of risks of digitization of power facilities on the example of the real energy system allowed to highlight the most significant risks in terms of possible damage. CONCLUSION. The studies carried out could be useful in the transition to risk-based management of CFES, as well as in the development of measures to reduce risks in the digitization of energy facilities.
Keywords: cyberphysical energy system; digital transformation; digital management platform; risk; cyber security.
Acknowledgements: The work was done within the framework of the scientific project «Theoretical bases, models and methods of management of development and operation of intelligent electric power systems», FWEU-2021-0001.
For citation: Gurina LA, Zoryna TG, Tomin NV, Prusov SG. Threats and vulnerabilities of cyberphysical energy system objects in the digital transformation of its properties. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):89-98.
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА ДЛЯ АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Хальясмаа1,2А.И., Ревенков1И.С., Сидорова2А.В.
1Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург, Россия
2Новосибирский государственный технический университет,
г. Новосибирск, Россия
Резюме: ЦЕЛЬ: Данная статья посвящена совершенствованию системы оценки технического состояния трансформаторного оборудования за счёт применения алгоритмов машинного обучения. Сегодня, в связи с появлением большого числа методов и систем для оценки технического состояния, вопросы анализа и прогнозирования технического состояния трансформаторного оборудования стоят достаточно остро, так как в большинстве систем не учитывается чувствительность к различным схемно-режимным параметрам энергосистемы (ЭЭС). МЕТОДЫ: В данной работе основным методом исследования является математическое моделирование. В качестве расчетного примера проводится комплексная оценка технического состояния трансформаторов тока и создание прогнозной модели на базе существующей системы мониторинга состояния (датчиков), методов на основе технологии цифровой двойник и машинного обучения, которые позволяют формализовать экспертные знания, определить неявные корреляции и автоматизировать процесс принятия решения. Предложен алгоритм прогнозирования состояния с возможностью построения моделей линейной регрессии, «дерево решений» и «случайный лес». В качестве анализируемого оборудования выбраны группа однофазных трансформаторов тока 110 кВ типа ТФНД-110М II одной из ячеек ОРУ 110 кВ. РЕЗУЛЬТАТЫ: для прогнозирования скорости развития термического дефекта внутренней изоляции группы трех однофазных трансформаторов тока создана база данных. Алгоритм прогнозирования технического состояния в виде моделей линейной регрессии, «дерева решений» и «случайного леса» показал, что лучшие показатели точности модели были получены у алгоритма линейной регрессии. ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Полученные в данной статье результаты прогнозирования технического состояния трансформаторного оборудования говорят о том, что в существующих системах низкая чувствительность к различным схемно-режимным параметрам ЭЭС. Решение таких задач возможно с помощью методов на основе технологии цифровой двойник и машинного обучения. Данные, получаемые в результате моделирования, помогают повысить точность рекомендации по недопущению развития дефекта и продлению срока службы оборудования.
Ключевые слова: силовой трансформатор; трансформатор тока; цифровой двойник; прогнозирование состояния; диагностика технического состояния; машинное обучение.
Для цитирования: Хальясмаа А.И., Ревенков И.С., Сидорова А.В. Применение технологии цифрового двойника для анализа и прогнозирования состояния трансформаторного оборудования // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. № 3 (55). С. 99-113.
APPLICATION OF DIGITAL TWIN TECHNOLOGY FOR ANALYSIS AND PREDICTION STATE OF POWER TRANSFORMER EQUIPMENT
AI. Khalyasmaa1,2, IS. Revenkov1, AV. Sidorova2
1Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin
Ekaterinburg, Russia
2Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
Abstract: GOAL: This paper is devoted to improvement the technical condition assessment system of transformer equipment by machine learning. Today, due to the emergence of a large number of methods and systems for assessing the technical condition, the issues of analysis and forecast the technical condition of transformer equipment are quite acute, because in most systems there is no sensitivity to various scheme-mode parameters of the interconnected power system (IPS). METHODS: In this paper, the main research method is mathematical modeling. As a calculation example, a complex assessment of the technical condition of current transformers and the creation of a predictive model are researched. A predictive model is created based on the existing condition monitoring system (sensors) and methods (digital twin and machine learning).
These methods formalize expert knowledge, find implicit correlations, and automate the decision-making process. This paper contains a state prediction algorithm with the ability to build a linear regression model, «decision tree» and «random forest». Researched equipment is a group of single-phase current transformers 110 kV type TFND-110M II. RESULTS: A database was created to predict the rate of development of a thermal defect in the internal insulation of a group of three single-phase current transformers. The algorithm for predicting the technical condition in the form of a linear regression model, a «decision tree» and a «random forest» showed that the best accuracy indicators were obtained from the linear regression algorithm. CONCLUSION: The results of forecasting the technical condition of transformer equipment obtained in this article indicate that in existing systems there is no sensitivity to various scheme-mode parameters of the IPS. The data obtained because of the simulation helps to give the right recommendations to prevent the development of a defect and extend the life of the equipment.
Key words: power transformer; current transformer; digital twin; condition prediction; technical condition diagnostics; machine learning.
For citation: Khalyasmaa AI, Revenkov IS, Sidorovа AV. Application of digital twin technology for analysis and prediction state of power transformer equipment. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):99-113.
ПРИМЕНЕНИЕ ПОШАГОВОГО МЕТОДА ОБУЧЕНИЯ ДЛЯ ЭВОЛЮЦИОННОГО АЛГОРИТМА В ЗАДАЧАХ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ
Тань Лиго1, Новикова2 С.В.
1Харбинский политехнический университет, г. Харбин, Китай
2Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева, г. Казань, Россия
Резюме: ЦЕЛЬ. Статья посвящена разработке нового метода аппроксимации Парето-оптимального множества для задач многокритериальной оптимизации на основе модификации эволюционных алгоритмов. В задачах многокритериальной оптимизации требуется определить неизвестные вектора параметров модели, удовлетворяющие сразу нескольким оптимизационным критериям, часто противоречащим друг другу. Одним из подходов является применение принципа Парето, когда в качестве решения принимается не единственный вектор, а множество векторов — точек многомерного пространства поиска, являющихся наилучшими с точки зрения оного из критериев. Результирующий набор оптимальных точек составляет так называемое Парето-оптимальное множество (ПОМ). Определение элементов такого множества не составляет труда в случае дискретных задач, однако в непрерывных случаях определение ПОМ является проблематичным. В работе предлагается метод решения данной задачи. МЕТОДЫ. В работе предложен пошаговый эволюционный метод аппроксимации ПОМ на основе модификации эволюционного генетического алгоритма многокритериальной оптимизации с применением этапов обучения и забывания. В качестве базового генетического алгоритма аппроксимации Парето-оптимального множества на этапе обучения использован метод Гауссовой смеси. На этапе забывания происходит удаление тех компонентов смеси, которые являются неперспективными с точки зрения оптимизации. Таким образом, эволюционный поиск становится целенаправленным, количество вычислений резко сокращается по сравнению с классическим генетическим многомерным методом. РЕЗУЛЬТАТЫ. В результате проведения серии из 31 вычислительного эксперимента на шести тестовых наборах многокритериальных задач проведено исследование точности и количества вычислений для предложенного алгоритма, и двух классических алгоритмов SMEA и MDESL для проведения сравнительного анализа по двум метрикам – IGD и HV. Анализ сравнительной эффективности проведен по усредненным значениям метрик по каждой серии экспериментов. Предложенный алгоритм показал наилучшие результаты для всех шести тестовых наборов согласно метрике IGD, и для трех из шести тестовых наборов согласно метрике HV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Доказано преимущество предлагаемого метода перед известными эволюционными алгоритмами нахождения приближенных значений оптимальных в смысле Парето точек. Показано, что точность аппроксимации выше, а количество вычислений меньше, чем в сравниваемых методах для используемых наборов данных двух- и трехкритериальной оптимизации с различными видами Парето-фронтов.
Ключевые слова: многокритериальная оптимизация; Парето-фронт; генетические алгоритмы; Гауссова смесь; эволюционные алгоритмы, Парето-оптимальное множество; пошаговое обучение.
Для цитирования: Тань Лиго, Новикова С.В. Применение пошагового метода обучения для эволюционного алгоритма в задачах многокритериальной оптимизации // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №3 (55). С. 114-125.
APPLICATION OF THE STEP LEARNING METHOD FOR THE EVOLUTIONARY ALGORITHM IN PROBLEMS OF MULTI-CRITERIA OPTIMIZATION
Tan Liguo1, SV. Novikova2
1Harbin Institute of Technology Harbin, China
2Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, Kazan, Russia
Abstract: THE PURPOSE. The article is devoted to the development of a new method for approximating the Pareto-optimal set for multiobjective optimization problems based on the modification of evolutionary algorithms. In multicriteria optimization problems, it is required to determine unknown vectors of model parameters that satisfy several optimization criteria at once, often contradicting each other. One of the approaches is the application of the Pareto principle, when not a single vector is taken as a solution, but a set of vectors — points of a multidimensional search space, which are the best from the point of view of one of the criteria. The resulting set of optimal points is the so-called Pareto-optimal set (POS). Determining the elements of such a set is not difficult in the case of discrete problems, however, in continuous cases, the definition of POM is problematic. The paper proposes a method for solving this problem. METHODS. The paper proposes a step-by-step evolutionary method for approximating the POM based on a modification of the evolutionary genetic algorithm for multicriteria optimization using learning and forgetting stages. The Gaussian mixture method was used as the basic genetic algorithm for approximating the Pareto-optimal set at the training stage. At the stage of forgetting, those components of the mixture that are unpromising from the point of view of optimization are removed. Thus, the evolutionary search becomes purposeful, the number of calculations is sharply reduced in comparison with the classical genetic multidimensional method. RESULTS. As a result of a series of 31 computational experiments on six test sets of multicriteria problems, a study was made of the accuracy and number of calculations for the proposed algorithm, and two classical algorithms SMEA and MDESL for comparative analysis by two metrics — IGD and HV. Comparative efficiency analysis was carried out using the averaged values of the metrics for each series of experiments. The proposed algorithm showed the best results for all six test sets according to the IGD metric, and for three of the six test sets according to the HV metric. CONCLUSION. The advantage of the proposed method over the known evolutionary algorithms for finding approximate values of optimal points in the sense of Pareto is proved. It is shown that the approximation accuracy is higher, and the number of calculations is less than in the compared methods for the used data sets of two- and three-criterion optimization with different types of Pareto fronts.
Keywords: multiobjective optimization; Pareto front; genetic algorithms; Gaussian mixture model; evolutionary algorithms; Pareto optimal set; step by step learning.
For citation: Tan Liguo, Novikova SV. Application of the step learning method for the evolutionary algorithm in problems of multi-criteria optimization. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):114-125.
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КОНТРОЛЯ СМЕЩЕНИЯ БОРТОВ КАРЬЕРОВ
Мади1,2 П.Ш., Алькина1 А.Д., Юрченко2,3 А.В., Мехтиев4 А.Д., Аймагамбетова5 Р.Ж.
1Некоммерческое акционерное общество «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова», Караганда, Казахстан
2Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия
3Томский государственный университет, Томск, Россия
4Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, г. Астана, Республика Казахстан
5Казахстанский институт стандартизации и метрологии, г. Астана, Республика Казахстан
Резюме: ЦЕЛЬ. Разработка лабораторного образца волоконно-оптической системы и аппаратно-программного комплекса для контроля смещения пород прибортового массива с целью повышения безопасности проведения горных работ. Реализация целей данной научной работы позволит создать измерительный комплекс низкой стоимостью одной точки измерения и низким энергопотреблением. Аппаратно-программный комплекс контроля позволяет частично решить проблемы точности и достоверности выходных данных при контроле смещения прибортового массива открытых разработок. МЕТОДЫ. При решении поставленной задачи применялся метод спектрального анализа светового пятна, падающего на поверхность фотоматрицы, установленной на выходе из оптического волокна при расхождении ее торцов внутри оптической ферулы. Это формирует дополнительные потери, которые можно численно преобразовать в картину изменения пикселей и далее уже в численное значение смещений. РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье описана актуальность темы, рассмотрены особенности настройки аппаратно-программного комплекса контроля смещения бортов карьера. Предлагается новое техническое решение для контроля смещения бортов, с широким набором возможностей регулирования чувствительности датчика смещения. Анализ выполняется с помощью интеллектуальных инструментов программирования. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Использование датчиков смещения с аппаратно-программным комплексом контроля дает возможность повышения уровня точности и достоверности полученных данных движения пород прибортового массива. Рассмотренный аппаратно-программный комплекс контроля рекомендован к дальнейшей разработке и внедрению на горных предприятиях с соблюдением требований промышленной безопасности.
Ключевые слова: оптический контроль; смещение бортов карьера; аппаратно-программный комплекс; точность измерения.
Для цитирования: Мади П.Ш., Алькина А.Д., Юрченко А.В., Мехтиев А.Д., Аймагамбетова Р.Ж. Аппаратно-программный комплекс для контроля смещения бортов карьеров // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №3 (55). С. 126-143.
AUTOMATED SYSTEM HARDWARE AND SOFTWARE CONTROL COMPLEX
PSh. Madi1,2, АD. Аlkina2, AV. Yurchenko2,3, AD. Mekhtiyev4, RZh. Aimagambetova5
1Non-profit joint stock company «Karaganda Technical University named after Abylkas Saginov», Karaganda, Kazakhstan Republic of Kazakhstan
2National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
3Tomsk State University, Tomsk, Russia
4S. Seifullin Kаzakh Agrotechnical University, Astana, Republic of Kazakhstan
5Kazakhstan Institute of Standardization and Metrology, Astana, Kazakhstan Republic of Kazakhstan
Abstract: THE PURPOSE. Development of a laboratory sample of a fiber-optic system and a hardware and software complex for monitoring the displacement of rocks of the instrument array in order to improve the safety of mining operations. The realization of the goals of this scientific work will allow creating a measuring complex with a low cost of one measurement point and low energy consumption. The hardware and software control complex allow partially solving the problems of accuracy and reliability of output data when monitoring the displacement of the instrument array of open developments. METHODS. In solving this problem, the method of spectral analysis of a light spot incident on the surface of a photomatrix was used, installed at the exit from an optical fiber when its ends diverge inside an optical ferule. This generates additional losses, which can be numerically converted into a picture of pixel changes and then into a numerical value of offsets. RESULTS. The article describes the relevance of the topic, discusses the features of configuring the hardware and software complex for monitoring the displacement of the sides of the quarry. A new technical solution is proposed for controlling the displacement of the sides, with a wide range of possibilities for adjusting the sensitivity of the displacement sensor. The analysis is performed using intelligent programming tools. CONCLUSION. The use of displacement sensors with a hardware and software control complex makes it possible to increase the level of accuracy and reliability of the obtained data on the movement of rocks of the instrument array. The considered hardware and software control complex is recommended for further development and implementation at mining enterprises in compliance with industrial safety requirements.
Keywords: optical control; displacement of the sides of the quarry; hardware and software complex; measurement accuracy.
For citation: PSh. Madi, АD. Аlkina, AV. Yurchenko, AD. Mekhtiyev, RZh. Aimagambetova Automated system hardware and software control complex. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;3(55):126-143.