Диссертация (Проектирование устройств автономного электропитания сенсорной телекоммуникационной системы мониторинга состояния газотранспортных сетей)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«МИРЭА - РОССИЙСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯНАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»На правах рукописиИванов Олег АлександровичПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ АВТОНОМНОГОЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СЕНСОРНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙСИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХСЕТЕЙДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наук НИУ ВШЭНаучный руководитель:д.т.н., профессорУвайсов Сайгид УвайсовичМосква – 2018-2ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................

4ГЛАВА 1 ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКАЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ................................................................................... 111.1ПРОБЛЕМЫ,ВОЗНИКАЮЩИЕПРИДЛИТЕЛЬНОЙЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОПРОВОДОВ .............................................................. 111.2СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧКИ ГАЗА ИЗМАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ............................................................

161.3ПРОТОКОЛЫ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ............................................ 241.4ДЕТЕКТОРЫ УТЕЧКИ ГАЗА ................................................................. 291.5ИСТОЧНИКИЭНЕРГИИДЛЯБЕСПРОВОДНЫХСЕНСОРНЫХЭЛЕМЕНТОВ ........................................................................................................ 321.6ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ...................................... 441.7ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1 ..............................................................................

45ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОНОМНОГОУСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.................................................................... 472.1ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К МЕТОДУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ482.2РАЗРАБОТКАМЕТОДАПРОЕКТИРОВАНИЯУСТРОЙСТВААВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ...........................................................

502.3МОДЕЛЬ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ .......... 532.4РАЗМЕЩЕНИЕ СЕНСОРНЫХ МОДУЛЕЙ .......................................... 712.5АЛГОРИТМРАСЧЕТАНАДЕЖНОСТИБЕСПРОВОДНОЙСЕНСОРНОЙ СЕТИ ............................................................................................. 782.6ВЫВОД ПО ГЛАВЕ 2 ............................................................................... 88ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОДУЛЯСЕНСОРНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ....................................... 90-3-3.1АЛГОРИТМ РАБОТЫ КОНТРОЛЛЕРА ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРА903.2АЛГОРИТМ ОГРАНИЧЕНИЯ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ......

963.3ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ ........................................................................... 1053.4РАСЧЕТ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА РАБОТУ СИСТЕМЫ ........................ 1133.5ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 ............................................................................ 121ГЛАВА 4 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОНОМНЫХ УСТРОЙСТВЭЛЕКТРОПИТАНИЯЭЛЕМЕНТОВБЕСПРОВОДНОЙСЕНСОРНОЙТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ .............................................................. 1224.1РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОНОМНЫХУСТРОЙСТВЭЛЕКТРОПИТАНИЯЭЛЕМЕНТОВБЕСПРОВОДНОЙСЕНСОРНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ................................. 1224.2ПРОГРАММЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ....... 1324.3ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДАИ МЕТОДИК .......................................................................................................

1344.4ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 ............................................................................ 145ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 146СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ..................................................................................... 148СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................

150Приложение 1 .......................................................................................................... 162Приложение 2 .......................................................................................................... 163Приложение 3. ......................................................................................................... 164-4ВВЕДЕНИЕАктуальность исследования.

Важнейшей стадией жизненного циклаизделий является проектирование, которое в большинстве случаев невозможнобез применения современных методов и средств автоматизации. Особенно этокасается проектирования электронных средств вообще, а также систем иустройств телекоммуникаций в частности.Современныеинформационныеителекоммуникационныетехнологиинаходят все большее применение в различных отраслях народного хозяйства, втом числе в нефтегазодобывающей и газотранспортной отраслях, которыеявляются важнейшей частью топливно-энергетического комплекса России.На данный момент порядка 20 % поступлений в федеральный бюджетприходятся на нефтегазовую отрасль, при этом доля природного газа составляетболее 50 %.

А значит, максимально надежное и эффективное обеспечениебесперебойного газоснабжения потребителей Российской Федерации, а такжевыполнение экспортных обязательств по контрактам на поставку газа в другиестраны является приоритетной задачей всех без исключения компанийучастников данной отрасли.Учитывая быстрые темпы развития сетей транспортировки природного газа,обладающих высоким риском возникновения различного рода аварийныхситуаций, становится необходимым принимать во внимание актуальностьпроблемы обеспечения безопасности и надежности эксплуатации газопроводов.Для решения данной проблемы создаются различного рода исследовательскиеподразделения.

В частности, в 1972 году была создана Европейская научноисследовательская группа по трубопроводам (EPRG).По оценке ПАО «Газпром» сегодня общая протяженность линейныхучастков (ЛУ) магистральных газопроводов (МГП) составляет порядка 170-5тыс.км., из которых около 40% ЛУ уже выработали свой номинальный ресурс,составляющий 30 лет. Газовые магистрали проложены, в основном, в крайненеблагоприятнойсреде,пагубноевоздействиекоторойприводиткихпреждевременному износу и старению.

А непредвиденные утечки газа, влекут засобой дополнительные расходы на содержание газопроводной сети.Проведенный анализ причин возникновения аварийных ситуаций показал,что наиболее распространенными дефектами на магистральном газопроводе (МГ)являются коррозия и повреждение из-за механического воздействия.

Однакоогромная протяженность и разветвленность газопроводов в России, ихпрохождение по территориям со сложным рельефом и разнообразнымиклиматическими условиями, а также отсутствие развитой и разветвленнойсистемы коммуникации, значительно усложняет, а в ряде случает и делаетнеприменимыми, многие из современных методов неразрушающего контролятехнического состояния газотранспортных сетей (ГТС).При проектировании новых участков МГП уже изначально учитываются всенеобходимые средства контроля их состояния. Но касательно эксплуатирующихсяучастковгазотранспортныхсетейпроведенныйванализпоказал,чтоприменяемые сегодня средства технического контроля не позволяют создатьсистему непрерывного и автоматического мониторинга.

Поэтому было показано,что в настоящее время для решения задачи обеспечения непрерывногомониторинга состояния ГТС наиболее перспективным является использованиераспределенной беспроводной сенсорной телекоммуникационной системы свозможностью передачи информации о месте повреждения газопровода до пунктасбора данных.

Так как данные сенсорные системы обнаружения утечки метанапредполагается размещать в отдаленных труднодоступных местах, то возникаетпроблема создания бесперебойной и высоконадежной системы автономногоэлектроснабжения ее беспроводных сенсорных модулей.Известные на сегодня методы проектирования телекоммуникационныхсенсорных сетей исходят из принципа организации электроснабжения их модулей-6от одиночного химического источника тока, что сильно ограничивает условияэксплуатации и продолжительность работы, ввиду сильной зависимости еговыходных характеристик от воздействующих факторов окружающей среды.Поэтому актуальной является научная задача проектирования устройствавтономногоэлектропитанияэлементовбеспроводнойсенсорнойтелекоммуникационной системы мониторинга состояния газотранспортных сетейпри использовании альтернативных источников энергии, а также созданияалгоритмов и математических моделей функционирования данных устройств.Степень проработанности проблемы исследования.

Известны работы вэтой области Бубличенко И.А., Бондаренко П.М., Гумерова А.Г., Гурария М.Л.,Егурцова С.А., Ионина Д.А., Клюева В.В., Козинцева В.И., Косицына В.Е.,Медведева Е.М., Орлова В.М., Плюснина И.И., Солдатова А.Н., СамохваловаИ.В., Бушмелева П.Е, Гончарова В.А. и многих других отечественных изарубежных ученых, чей вклад в создание систем мониторинга газотранспортныхсетей неоценим.Методология проектирования источников питания подробно описана вработах Баса А.А., Кожарского Г.В., Орехова В.И., Ромаша Э.М., Кофанова Ю.Н.,Тумковского С.Р., Увайсова С.У., Четти П., Salama А., Bercowitz R. А такжесоздано достаточное количество мощных средств компьютерного моделированияэлектрических, тепловых и механических процессов, таких как SolidWorks,ANSYS, MicroCap, АСОНИКА и другие.Однаковопросупроектированияустройствэлектропитаниясиспользованием альтернативных источников энергии, особенно если речь идет осверхнизком уровне мощности (до 1 Вт), уделено крайне мало внимания.

Приэтом, в известных работах не учитываются вопросы разработки методовповышения энергоэффективности и влияния условий эксплуатации на приемопередающие модули телекоммуникационных систем. В связи с этим, научнаязадача создания метода проектирования, основанного на моделях и алгоритмахфункционированияустройствавтономногоэлектропитаниябеспроводной-7сенсорнойтелекоммуникационнойсистемымониторингасостояниягазотранспортных сетей, является своевременной и актуальной и имеет всепредпосылки для ее решения.Объектом исследования является процесс проектирования беспроводныхсенсорных телекоммуникационных систем (БСТС) мониторинга техническогосостояния газотранспортных сетей.Предмет исследования: метод, модели и алгоритмы проектированияустройствавтономногоэлектропитаниямодулейсенсорнойтелекоммуникационной системы мониторинга состояния газотранспортных сетей.Цель и задачи диссертационного исследованияЦелью данной работы является повышение энергоэффективности сенсорныхтелекоммуникационныхсистеммониторингатехническогосостояниягазотранспортных сетей (ГТС) за счет разработки метода проектирования иалгоритмов функционирования устройств автономного электропитания (УАЭ) ихбеспроводных модулей.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиетеоретические и прикладные задачи:1.Анализ особенностей УАЭ БСТС и состояния проблемы ихпроектирования.2.РазработкаметодапроектированияУАЭБСТСмониторингатехнического состояния ГТС.3.Исследование влияния условий окружающей среды на режимыработы автономных источников энергии.4.Исследование и разработка моделей и алгоритмов функционированиямодулей БСТС мониторинга технического состояния ГТС для снижения общегоэнергопотребления УАЭ.5.Разработкаметодикипроектированияустройствавтономногоэлектропитания модулей беспроводной сенсорной телекоммуникационной сети.-8-6.Апробацияивнедрениерезультатовработывпрактикупроектирования УАЭ БСТС.Теоретическая значимость исследования заключается в развитии теориипроектирования беспроводных сенсорных телекоммуникационных систем, атакже автономных устройств электропитания ее структурных единиц.Практическая значимость результатов работы состоит в том, чтопредложенные метод, модели и методика проектирования позволяют повыситьэнергоэффективностьинадежностьбеспроводнойсенсорнойтелекоммуникационной системы для непрерывного мониторинга состояния ГТС,в том числе за счет снижения среднего энергопотребления ее беспроводныхмодулейприиспользованииразработанныхмоделейиалгоритмовфункционирования на 20-30 %.Методы исследованияРабота базируется на методах системного анализа, методах математическогои имитационного моделирования, методах численных экспериментов, теориинадежности, методах построения телекоммуникационных систем, методахпроектирования радиотехнических и телекоммуникационных устройств и систем.Основные положения, выносимые на защиту.1.Методэлектропитаниясистемыиметодикабеспроводныхмониторингапроектированиямодулейтехническогоустройствсенсорнойсостоянияавтономноготелекоммуникационнойгазотранспортныхсетей,позволяющие повысить их энергоэффективность на 30 %.2.Модель распределения потоков электрической энергии в автономнойсистеме электропитания от источников к нагрузке, позволяющая определить-9требования к солнечной панели, ветрогенератору и аккумуляторной батарее(АКБ), исходя из чувствительности детектора, местоположения и метеоусловий.3.сенсорнойАлгоритм обеспечения требований по надежности беспроводнойтелекоммуникационнойсистемыдлядостижениязначениявероятности безотказной работы не ниже 0,95.4.Комплексалгоритмовтелекоммуникационнойсистемыфункционированиямониторингамодулясенсорнойтехническогосостояниягазотранспортных сетей, обеспечивающий увеличение времени автономнойработы беспроводных модулей на 10 % и снижение энергопотребления на20-30 %.Достоверностьподтверждаетсяпроведеннымиполученныхкорректнымчисленнымивработеиспользованиемэкспериментами,результатовисследованияматематическогосопоставлениемаппарата,полученныхданных с ранее опубликованными результатами других исследователей, а такжевнедрениемрезультатовработывинженернуюпрактикуустройствэлектропитания.Апробация результатов работыРабота в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались наследующихмеждународныхироссийскихнаучныхконференциях:международная научно-практической конференция «Инновации на основеинформационных и коммуникационных технологий» (Сочи), 2010 г., 2014 г., 2015г.;международнаянаучно-практическаяконференция«Инновационныетехнологии, научные и технические достижения, их правовая защита» (Тольятти),2011 г.; международная научно-практическая конференция учащихся и студентов(Москва), 2012 г.; всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика:Эффективность, надежность, безопасность» (Томск), 2012 г.; международнаянаучно-практическаяконференция«Инновационныеинформационные-10технологии» (Прага), 2012 г., 2013 г.; межвузовская научно-техническаяконференциястудентов, аспирантов имолодыхспециалистовим.