Принципы построения ОМИ и РМИ

Статья опубликована в научном журнале «Вестник СГТУ» (Саратов) № 4 (73) 2013

Авторы:

Шульга Татьяна Эриковна 

доктор физико-математических наук, доцент. Заведующий кафедрой «Прикладная информатика и программная инженерия» Саратовского государственного технического университета. Старший научный сотрудник межфакультетской лаборатории «Информационные технологии»;

Фомин Игорь Николаевич

директор консалтингового агентства «EnergoKB Group»

 


Принципы построения организационной и расчётной моделей измерений электроэнергии в информационных системах энергосбытовых организаций

        В начале XXI века во множестве стран мира произошла либерализация рынков электроэнергии, что привело к новому витку научных исследований в области обработки и хранения данных об энергопотреблении. Совершенствуя методы обработки информации, американский исследователь Реймонд Кимбол (Raymond Kimball) определил практические приёмы построения хранилищ данных и ключевые концепции многомерных баз данных, используемых при хранении данных об объёмах энергопотребления [1], профессор Владимир Воротницкий определил структуру коммерческих потерь электроэнергии и мероприятия по их снижению среди которых одним из важнейших стал учёт электроэнергии современными средствами информатизации [2], основоположник CASE- технологий – Александр Вендеров чётко определил методы и средства моделирования бизнес- процессов, которые можно использовать не только для разработки автоматизированных бизнес-процессов, но и в выявлении закономерностей проведения различных расчётов в электроэнергетике [3].

 

Также, в минувшее десятилетие профессор МЭИ Лев Осика впервые определил принципы коммерческого и технического учёта электрической энергии на оптовом и розничном рынках, в условиях реформы электроэнергетики в России, и определил технологию организации деятельности  операторов коммерческого учёта на рынках электроэнергии [4], а экономисты Людмила Богачкова [5] и Сергей Чернов впервые взглянули на энергосбытовую деятельность в условиях реформирования и определили проблемы и перспективы, которые в числе прочего, содержали задачи совершенно нового подхода к автоматизации электроэнергетики [6].

 

Среди учёных, работающих в этом направлении, были Юрий Александров, определивший единую концепцию производственного и финансового планирования в энергосистеме России, Павел Горюнов, определивший методы планирования в условиях реформы электроэнергетики, Владимир Иващенко, который структурировал процессы электропотребления промышленных предприятий и произвёл формализацию управления этими процессами [7], Александр Резчиков, который предложил модели и методы поиска данных и документов в автоматизированных системах, обрабатывающих информацию об энергопотреблении [8].

 

Однако большинство из этих работ посвящены проблемам совершенствования систем управления процесса производства и потребления электроэнергии и не касаются бизнес-процессов, происходящих на розничном рынке электроэнергии.  Если для производственных предприятия в литературе описан целый ряд моделей управления сложными процессами потребления электроэнергии [7,8], то для поставщиков электроэнергии на розничном рынке такие модели в настоящее время отсутствуют, несмотря на то, что энергосбытовые компании непосредственно участвуют в процессе ценообразования в электроэнергетике и напрямую влияют на энергоэффективность отрасли и экономики России в целом.

 

При формализации методов работы механизмов автоматического ценообразования и автоматизированного расчёта стоимости электроэнергии, требуется найти и формализовать принципы, по которым множество договорных, административных и технических условий электроснабжения имели бы отражение в автоматизированных информационных системах. Формирование структуры базы данных с учётом этого множества условий в компьютерных информационных системах – это формирование организационной и расчётной моделей измерений электроэнергии.

 

Методика поэтапного автоматизированного расчёта стоимости электроэнергии описана в [9]. В данной работе, для целей определения принципов формирования структуры базы данных, были решены задачи формализации понятий электроэнергетики с точки зрения информационных технологий, задачи определения принципов построения моделей измерений и задачи определения взаимосвязей моделей измерений электроэнергии.

 

Для этих целей, на этапах исследования, была поставлена задача  построения модели объектной структуры и модели технической структуры типового энергосбытового предприятия, используя CASE – технологии, применяемые в современных методах и средствах проектирования информационных систем [3]. В энергосбытовых предприятиях при моделировании технической структуры, кроме определения модели технического взаимодействия подразделений, определяется иерархия измерений электроэнергии.

 

Измерения — первичная функция программно- аппаратного комплекса предназначенного для биллинга электроэнергии и ключевая концепция многомерных баз данных. Многомерное моделирование предусматривает использование измерений для предоставления максимально возможного контекста для измеряемых фактов[1]. Измерения используются не только для определения каких-либо показателей (например, показаний счётчика электроэнергии), но и для выбора и агрегирования данных на требуемом уровне детализации. Измерения организуются в иерархию, состоящую из нескольких уровней, каждый из которых представляет уровень детализации, требуемый для соответствующего анализа или расчёта.

 

Иерархия моделей измерений – это совокупность данных, измеренных или рассчитанных в различных точках измерения и в точках учёта электроэнергии, взаимосвязанных определённым образом и объединенные в группы по заданным признакам. Иерархия моделей измерений применяется для измерений объёмов закупаемой электроэнергии в разных точках поставки и объёмов реализуемой электроэнергии в разных точках подключения в различных аналитических разрезах.

 

Иерархия моделей измерения строится на линиях перетока, на которых определяется переток электроэнергии из оптового рынка электроэнергии в розничный, от точек поставки, до точек подключения потребителей, от точек измерения до точек коммерческого или технического учёта. Данные об энергопотреблении, на основании которых осуществляется биллинг, формально могут быть представлены в виде набора векторов. Эти векторы являются основной базой для определения структуры хранения данных и производства расчётов. Каждый набор сущностей, на которых формируются данные об энергопотреблении  можно описать системой взаимосвязанных фреймов или объектов в объектно-ориентированном программировании и отдаленно таблиц в СУБД , каждый из которых содержит в себе набор слотов (полей).

 

Слоты фреймов различаются по своему функциональному назначению. Для хранения и обработки информации об энергопотреблении, с целью биллинга, можно определить различные слоты теории фреймов [10]:

  • слоты-идентификаторы (имя объекта) – специальные слоты, по которым  идентифицируется фрейм (имеется у каждого фрейма); (должно быть выравнивание по ширине)
  • слоты-значения (поля объекта) – содержат заданные (константные) значения (например, учётные или расчётные показатели). Эти слоты могут так же играть роль формальных параметров подпрограмм, прикрепленных к фрейму;
  • слоты-подпрограммы (методы объекта) – реализуют расчетные алгоритмы, используя в качестве входных значений слоты-значения своего фрейма или фрейма, связанного с ним;
  • слоты-ссылки (в совокупности определяют структуру фреймовой сети (подобно связям в таблицах БД или наследования в ООП)) – хранят ссылки на другие фреймы информационной структуры.

Структуру фрейма можно представить как структуру объекта в программировании, которая может быть представлена в следующем виде различных зависимостей. Наполняемость фреймов слотами различна (различно количество слотов и их функциональное назначение) и устанавливается на этапе проектирования информационной структуры.

Такое представление связей в предметной области позволяет чётко определять объекты, которые должны существовать в объектно-ориентированной платформе автоматизированной системы. Слоты-подпрограммы организуются таким образом, что они могут вызываться как по запросу (обращение к определенным функциям программы), так и при осуществлении доступа к фрейму или его обновлении (изменении наполняемости слотов-значений). 

 

При описании прикладных структур хранения информации об энергопотреблении, а так же для  повышения уровня структуризации знаний о различных прикладных объектах электроснабжения, фреймы объединяются в сеть (ациклический граф «ослабленной иерархии»), в которой фреймы, расположенные ниже в сети, могут наследовать значения слотов разных фреймов, расположенных выше [10]. Это хорошо согласуется с концепцией объектно-ориентированного программирования (свойство «наследование», «полиморфизм»).  Такая структура может допускать перекрытие значений слотов фреймов, переопределения (расширения) слот-подпрограмм, допускает установку наибольшего приоритета данным, поступившим от внешних источников (перекрываются унаследованные данные), и множественное наследование данных, которое требует разрешения неопределённости. Для реализации информационной структуры данных рекомендуется запретить множественное наследование и организовать отдельные фреймы, которые на основе исходных, результирующих данных (расчётных или учётных показателей), осуществляет свои учётные или расчётные функции.

Учётные и расчётные функциональные характеристики автоматизированных систем для расчёта цены и стоимости электроэнергии описаны в работе [11]. Имея набор измеренных, рассчитанных и связанных между собой учётных и расчётных показателей, биллинговая информационная система формирует расчётную модель, согласно которой производятся измерения электроэнергии.

 

В электроэнергетике, расчетная модель - это описание электроэнергетической системы, предназначенное для построения математической модели процесса производства, передачи и потребления электрической энергии, с помощью которой рассчитываются технически реализуемые в этой электроэнергетической системе объемы потребления электрической энергии и соответствующие им цены. Расчетная модель в качестве необходимой составляющей включает расчетную схему данной электроэнергетической системы и различные системные ограничения [12]. Модели измерений в информационных системах энергосбытовых организаций описаны в работе [13]. Данные о потребляемых объёмах и ценах на электроэнергию хранятся в информационной системе согласно организационной и расчётной модели измерений.

 

Организационная модель измерения электроэнергии (ОМИ) – это модель, описывающая (или отражающая в информационной системе) элементы электрической сети (как реальные, так и абстрактные), и структуру данных об объёмах перетока и потребления электроэнергии. Организационная модель измерения отражает технические условия электроснабжения и определяет структуру базы данных, в которых хранятся сведения об объёмах потреблённой энергии. Задачей организационной модели измерений является формирование корректных учётных показателей.

 

Расчётная модель измерения электроэнергии (РМИ) – это модель, описывающая (или отражающая в информационной системе) правила и методы обработки информации о ценах и стоимости закупаемой и реализуемой электроэнергии. Расчётная модель измерения отражает экономические условия электроснабжения и определяет структуру базы данных, в которой хранятся данные необходимые для расчёта цен и стоимости  потреблённой энергии. Задачей расчётной модели измерений является формирование корректных расчётных показателей.

Важной задачей построения модели различных технических структур является её визуализация. Как правило, визуализация модели технической структуры делается в рамках различных методик, отличающихся,  прежде всего своим подходом к тому, что представляет собой моделируемая отраслевая задача.

 

В зависимости от целей и задач построения иерархии моделей измерения, для визуализации моделей можно использовать четыре способа визуализации:

  • В виде древовидной структуры;
  • Проекцией линий перетока электроэнергии на организационно-технические условия электроснабжения;
  • Построением ориентированных графов;
  • Построением матриц.

Рассмотрим каждый из этих способов.

В существующих информационных системах, применяемых в отрасли, часто используют древовидную структуру, в которой зарегистрированы все реальные и абстрактные элементы электрической сети. Организационная модель при этом выстраивается для каждого n-ного объекта электроснабжения обвязкой n-ых элементов, участвующих в электроснабжении. Количество и иерархия элементов определяется электрической схемой, а также целями и задачами формирования модели измерения.

Поскольку объектные методики рассматривают моделируемую предметную область как набор взаимодействующих объектов – производственных единиц, то для визуализации иерархии моделей измерения можно применять использование объектной методики и принять в качестве таких единиц элементы электрических сетей, в которых формируются учётные и расчётные показатели. Таким образом, объект определяется как осязаемая реальность – предмет или деятельность, оперирующая вышеперечисленными фреймами. При этом способе задачей визуализации иерархии моделей измерений является проецирование цепей питания различных категорий потребителей на виды деятельности энергосбытового предприятия, а также на способы отражения этой деятельности в управленческом и финансовом учёте. Объектный подход позволяет построить более обобщённую и устойчивую к изменениям модель, соответствующую существующим структурам организации электроснабжения потребителей.

 

Графическое отображение совокупности данных в иерархии измерений и проекция элементов технической структуры на виды деятельности энергосбытового предприятия позволяет наглядно представить организационную и расчётную модели измерений электроэнергии и дать им определения. Типовой вид соответствия организационной и расчётной моделей измерений (рис. 3) показывает, как разделены потребители по способам определения объёмов потребления, по способам учёта электроэнергии, по способам электроснабжения и как связаны между собой показатели информационного, технического и экономического характера. Результатом этого способа визуализации стало нахождение принципов зеркального отображения моделей разделённых осью, разделяющей виды деятельности, модели измерений и статьи бухгалтерского учёта.

 

Построенные таким образом модели показывают, как могут быть связаны друг с другом различные объекты реального мира и информационной системы и наталкивают на мысль визуализации моделей измерения в виде графов. Используя теорию графов как раздел дискретной математики или теории множеств, организационную модель измерений можно задать как конечное множество X, состоящее из n элементов (X = {1, 2, ..., n}), которые и формируют вершины ориентированного графа, и множество дуг подмножества (V = (v1, v2, ..., vт)), при этом V X [14].

 

При разработке биллинговых информационных систем, визуализация ОМИ и РМИ с помощью графов даёт возможность наглядно представить разработчику прикладную задачу и корректно проектировать структуры реляционных баз данных предметной области (рис. 4). Граф, как и большинство других математических объектов, может быть представлен на компьютере (сохранен в его памяти). Рациональнее всего использовать хранение графа в виде двумерного массива, которым собственно и является матрица. 

 

Стоимость электроэнергии, поставляемой в различные точки поставки на розничном рынке электроэнергии, это прямое или декартово произведение двух множеств, элементами которого являются всевозможные упорядоченные пары элементов исходных множеств учётных и расчётных показателей, характеризующих объёмы и цены потребляемой электроэнергии в различных расчётных периодах. Это обстоятельство делает необходимой разработку математического описания производственных ситуаций в классе графовых и логико-лингвистических моделей, допускающих работу в зависимости от качественного типа. Указанные модели наглядны и удобны для лиц принимающих решения, имеют выразительную способность, близкую к естественному языку, и широко используются при создании банков знаний, а также интеллектуальных систем управления сложными производственными процессами [8].

 

Таким образом, матрица и графы, как модели прямого произведения массивов также подходит для визуализации ОМИ и РМИ. Для этого существуют несколько способов его интерпретации, среди которых матрицы смежности и матрицы инцидентности. Причем размеры этих массивов, зависят от количества вершин и/или ребер в конкретном графе, а произведение двух объектов будет наследовать структуры, имевшиеся на множествах-носителях исходных объектов.

 

Договорные и технические условия электроснабжения определяют структуру баз данных, описывающие иерархичные модели измерений электроэнергии и методы определения объёмов потребляемой электроэнергии и цен на каждый час (получас).  Информационные элементы рассмотренной модели хранятся в базе данных реляционного типа в виде совокупности отношений различной структуры. Поиск этих элементов осуществляется по запросу СУБД, сформированному на языке SQL и выдаваемому при обработке каждой производственной ситуации. Для формирования указанного запроса необходимо определить структуру области базы данных, хранящей информационные элементы рассматриваемой модели [8].

Основными принципами построения организационной модели является учёт взаимосвязей и иерархий реальных и абстрактных сущностей:

  • в электрических цепях электроснабжения;
  • в технических условиях электроснабжения;
  • в способах измерения электроэнергии;
  • в методах расчёта объёмов планового и фактического потребления электроэнергии.

 

Основным способом формирования организационной модели в информационной системе является организация связей или отношений между элементами, входящими в организационную модель.

Для этого в информационной системе нужно совершить «обвязку» этих элементов:

  • связать между собой питающие центры, распределительные устройства, отходящие и входящие фидеры, согласно принципиальной электрической схеме электроснабжения;
  • задать каждому потребителю – договор электроснабжения;
  • задать каждому договору электроснабжения – объекты электроснабжения;
  • задать каждому объекту электроснабжения – точки учёта электроэнергии;
  • задать каждой точке учёта – прибор учёта;
  • задать каждой точке учёта – точки подключения;
  • задать каждой точке поставки - точки измерения;
  • задать каждой группе точек поставки – свои точки поставки.

Формирование учётных показателей и передача данных коммерческого учёта – важная задача организации оптового рынка электроэнергии [12]. Их число определяется сложностью электрической цепи и задачами учётной политики предприятия. В общем случае, организационная модель измерений определяет способ хранения информации об энергопотреблении в базе данных информационной системы.

 

Основными принципами построения расчётной модели является учёт взаимосвязей и иерархий:

  • в методах учёта и расчёта объёмов потребления;
  • в методах учёта и расчёта потерь;
  • в методах учёта тарифов и расчёта цен или предельных уровней цен;
  • в методах расчёта стоимости отклонений;
  • в методах расчёта стоимости закупленной и реализованной электроэнергии.

 

Основным способом формирования расчётной модели в информационной системе является организация связей или отношений между элементами, входящими в эту модель.

Для этого в информационной системе нужно совершить «обвязку» этих элементов:

  • задать каждой точки учёта - вид начисления оплаты за потреблённую электроэнергию или ценовую категорию;
  • задать каждому виду начисления - метод расчёта стоимости;
  • задать каждому виду начисления – тип тарифа, по которому будет производиться биллинг электроэнергии.

 

Производя такую обвязку, в информационной системе регистрируются учётные показатели, определяется прямая связь их друг с другом или связь посредством заданных математических моделей, выраженных в расчётных формулах. Таким образом, в информационной системе рождается модель, учитывающая связь методов расчёта потерь в сетях и методов определения объёмов потребления на точках учёта субабонентов и транзитных точках учёта, зонность тарифов, а также множество других учётных показателей. Расчётные показатели, связанные в определённую иерархию, можно использовать для получения различных дополнительных данных для целей управления, аналитики или прогнозирования.

 

Структура ОМИ зависит напрямую от технических условий электроснабжения и лишь иногда может изменяться, исходя из нетехнических - административных и договорных условий. РМИ жёстко связана с организационной моделью и всегда изменяется при изменении организационной модели, административных, договорных или технических условий электроснабжения.

 

В реальной информационной системе присвоение одной группе справочников информационной системы соответствия других справочников и присвоение им учётных показателей является важной задачей формирования расчётной модели измерений, в которой задаются основные фреймы и их слоты объектно–ориентированного программирования. Известно, что опыт специалиста по выбору рациональной стратегии поведения в сложных производственных ситуациях выражается не столько количественными соотношениями,  сколько качественными формулировками и зачастую может быть использован в системе управления только в том виде, в котором он был зафиксирован на практике [15].

 

Формированием организационной модели измерений должен заниматься профессиональный техник - электрик или инженер-электрик, знающий особенности договорных и экономических условий закупки и реализации электроэнергии потребителям. Формированием расчётной модели измерений должны заниматься экономисты, знающие особенности электроснабжения и точки подключения потребителей на схеме. Совместная работа профессионалов различных направлений позволяет сформировать предельно чёткую иерархическую структуру.Таким образом, в настоящей статье были даны определения различным терминам и понятиям, находящимся на стыке электроэнергетики, экономики и информатики и показана их роль в формировании моделей измерений электроэнергии. Проведённое исследование позволило сформулировать основные принципы построения моделей измерений и имеет большую значим ость для специалистов разрабатывающих биллинговые информационные системы и непосредственно работающих в отрасли.

 

Все дальнейшие процедуры автоматизированного расчёта стоимости электроэнергии могут быть произведены согласно построенным организационным и расчётным моделям, которые должны являться скелетом любой информационной биллинговой системы. Полученные результаты на дальнейших этапах исследования будут использоваться для разработки унифицированных методов интервального и интегрального расчёта стоимости потреблённой электроэнергии. Практическая значимость, описанного этапа исследования методов автоматизированного расчёта цены и стоимости реализуемой электроэнергии на розничном рынке, заключается в предоставлении разработчикам биллинговых информационных систем наглядных моделей для проектирования специализированного программного обеспечения.

 

Литература

  1. 1. Kimball R. The Data Warehouse Toolkit: Practical Techniques for Building Dimensional Data Warehouses (Практические приёмы построения хранилищ данных) / John Wiley & Sons, New York, 1996;
  2. 2. Воротницкий В. Э., Арентов Ю.А., Калинкина М.А., Структура коммерческих потерь электроэнергии и мероприятия по их снижению. Метрология электрических измерений в электроэнергетике. // Доклады научно-технических семинаров и конференций 1998-2001. под общей редакцией д.т.н., проф. Загорского Я.Т. – М., 2001. с. 47-54;
  3. 3. Вендров А.М., CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. // СУБД 1995. № 3;
  4. 4. Осика Л. К., Коммерческий и технический учёт электрической энергии на оптовом и розничном рынках. Теория и практические рекомендации. // М: Н–ЭНАС, 2004.;
  5. 5. Богачкова, Л. Ю., Иншаков О. В., Москвичев Е. А. Совершенствование функционирования распределительных сетевых коипаний на либерализуемых розничных рынках электроэнергии в РФ / Препринт, Изд-во ВолГУ 2012 – с. 72;
  6. 6. Чернов С. С., Энергосбытовая деятельность в условиях реформирования: проблемы и перспективы // Проблемы современной экономики.- 2011-№ 4 (40);
  7. 7. Иващенко В.А., Теоретические основы автоматизированного управления энергопотреблением промышленных предприятий / Иващенко В.А. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук:  Саратовский государственный технический университет. Саратов, 2006;
  8. 8. Резчиков А.Ф., Кушников В.А., Родичев В.А., Шлычков Е.И., Антонов А.В., Модели и методы поиска данных и документов в системах управления сложными человеко- машинными комплексами // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2005. Т. 2. № 1 (7). с. 83-92.
  9. 9. Фомин И. Н., Методика поэтапного автоматизированного расчёта стоимости потреблённой электроэнергии" // Труды Академэнерго 2013 № 3, с. 103-115;
  10. 10. Минский М., Фреймы для представления знаний /М. Минский - М.: Мир, 1979;
  11. 11. Фомин И. Н., Учётные и расчётные функциональные характеристики автоматизированной системы для расчёта цены и стоимости электроэнергии // Проблемы управления в социально-экономических и технических системах ИЦ "Наука" - 2013. с. - 135-138;
  12. 12. Горбатенко О. В., Трушина О. К., Формирование учётных показателей и передача данных коммерческого учёта / Горбатенко О. В., АНО «Учебный центр НП «Совет рынка», 2011. с. - 84;
  13. 13. Фомин И. Н., Модели измерений в информационных системах энергосбытовых организаций // «Высокие технологии, исследования, финансы» - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. с. - 213-217;
  14. 14. Бурков В.Н., Заложнев А.Ю., Новиков Д.А. Теория графов в управлении организационными системами / Бурков В.Н., М.: Синтег, 2001. с. – 124;
  15. 15. Поспелов Д. А.,  Логико-лингвистические модели в системах управления / Д.А. Поспелов. М.: Энергоиздат, 1981. с. – 220.

 

Компания "ОргЦентр"© 2009-2017г. Все права защищены
Копирование материалов сайта возможно только с ссылкой на источник
Энергосбытам Электросетям Генераторам Потребителям
Консалтинговое агентство "EnergoKB Group"

Яндекс.Метрика