ЛЕКЦИЯ 3 СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ ОБЪЕКТОВ НАУКИ И ТЕХНИКИ. СИСТЕМНЫЕ

СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ПРОМПРЕДПРИЯТИЙ Д.т.н., проф. ГРУНТОВИЧ Николай

Васильевич

ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ «ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИННОВАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ»

процессом и размещающихся на определенной территории. Приемником электрической энергии (электроприемником)

называется аппарат, агрегат, механизм, предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид.
ГРУППЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЭ: промышленные и приравненные к ним потребители (ПП); производственные сельскохозяйственные потребители; бытовые потребители; общественно-коммунальные потребители
ПП были и остаются наиболее энергоемкой группой потребителей ЭЭ: доля промышленности и строительства в суммарном электропотреблении по народному хозяйству составляет около 65%, по транспорту - 6,2%, сельскому хозяйству- 10%, на коммунально-бытовые нужды тратится около 18,8%.

и количественное изменение технологического оборудования, привело к росту количества электроприемников

(ЭП) от 102до 105 по отдельным производствам

автоматизацией производства,
внедрением поточных и автоматических линий,
широким использованием электротехнологии,

автоматизации электропривода,
механизацией подсобных и вспомогательных работ.

системой!!!
Важным элементом в электроснабжении промышленных предприятий являются подстанции. За последние

30-40 лет на смену традиционной главной понизительной подстанции (ГПП), работающей в последовательной цепи с распределительным пунктом 6-10 кВ (РП) пришла подстанция глубокого ввода (ПГВ), которая совмещается с РП и позволяет приблизить высокое напряжение к месту потребления электроэнергии.
Если рассматривать классификацию системы электроснабжения по уровням, то можно отметить рост количества элементов при движении “сверху-вниз”, т.е. от границы раздела предприятия с энергосистемой до конечных цеховых электроприемников в сетях напряжением до 1 кВ.

установок, генерирующих, преобразующих и передающих электроэнергию, посредством которых осуществляется снабжение

предприятия электроэнергией и эффективное использование ее в процессе производства.

В качестве примера можно привести электрическое хозяйство крупного металлургического комбината, включающего:
2 ТЭЦ;
18 ГПП с высшим напряжением 220-110 кВ;
92 РП напряжением 6-10 кВ;
1160 цеховых трансформаторных и преобразовательных подстанций (ТП), на которых установлено 2100 трансформаторов I-III габаритов;
2760 высоковольтных электродвигателей;
44000 км линий напряжением до 1 кВ;
109000 электродвигателей различных типов напряжением до 1 кВ;
1600000 источников света.

многодвигательным приводом, связанные технологически или территориально и образующие единое изделие

с известной паспортной мощностью;
2УР – силовые распределительные шкафы и щиты переменного тока напряжением до 1 кВ и до 1,5 кВ постоянного тока, вводно-распределительные устройства и магистрали;
3УР – распределительное устройство низкого напряжения цеховой ТП напряжением 6-10/0,4кВ;
4УР – секции шин распределительного пункта (подстанции) 6-10 кВ, а при рассмотрении следующего уровня загрузка РП в целом;
5УР – шины главной понизительной подстанции или подстанции глубокого ввода;
6УР – граница раздела предприятия с энергосистемой (энергоснабжающей организацией), которая указывается в договоре на пользование электроэнергией.

промышленного предприятия, то их общее количество составит порядка 106-1010 штук

элементов.
Практически это счетное множество, число элементов которого при принятии многих решений точно не может быть определено, но может быть предложена система обозначений, а для описания такой системы можно применить теорию множеств. Основные положения этой теории заключаются в том, что добавление или исключение конечного числа элементов не меняет мощности счетного множества. Применительно к цеховому электроснабжению это означает, что добавление нескольких электроприемников на 1УР не меняет схему электроснабжения на 3УР и выше, не меняет расчетную нагрузку цеха и его электропотребление.

и 0,4кВ, которые в последние годы начали появляться на предприятиях

Беларуси, России и других стран СНГ. Проблема строительства собственных энергоисточников решается крупными и средними металлургическими, химическими и нефтехимическими предприятиями с целью уменьшения своей зависимости от энергосистем в снабжении электрической и тепловой энергией. Характерными в этом отношении является пример Магнитогорского металлургического комбината (ММК), который последовательно реализует эту концепцию, вводя новые мощности на своих электростанциях и получая вдвое более дешевую энергию по сравнению с покупаемой в ОАО «Челябэнерго».

обновление и увеличение номенклатуры выпускаемого электрооборудования. Произошло значительное обновление парка

выпускаемых электродвигателей и генераторов. Например, АО “Привод” (г. Лысьва) освоило выпуск турбодвигателей для привода высоконапорных компрессоров на металлургических заводах мощностью 20000 и 31500 кВт напряжением 10 кВ и турбогенераторов мощностью от 600 до 63000 кВт напряжением от 0,4 до 10 кВ. При этом выпускается значительное количество генераторов для «малой» энергетики с мощностным рядом: 600; 800; 900; 1000; 1250; 1500; 2000; 2500; 4000 кВт. В АО “Элсиб” освоен серийный выпуск новых электродвигателей: типа РДБ – асинхронный трехфазный двойного питания 1000кВт, 6кВ, который предназначен для привода механизмов с регулированием частоты вращения от 500 до 1000 об/мин; типа АВП – асинхронный вертикальный, мощностью от 400 до 2000 кВт, напряжением 6 и 10 кВ, который предназначен для привода механизмов насосной группы.

“ВИТ” (Украина), совместно с корпорацией “Союз”, ведут разработки сухих трансформаторов

мощностью 100-2500 кВА напряжением 6-10кВ, которые предназначены для замены совтоловых трансформаторов на металлургических, нефтехимических и целлюлозно-бумажных предприятиях. Главным достоинством сухих трансформаторов, кроме пожаробезопасности, является их экологическая чистота. ОАО «ВИТ» разработало и изготавливает масляные токоограничивающие реакторы типа РОМР-35 со встроенными резисторами и сухие реакторы типа СРОСЗ для сглаживание пульсаций выпрямленного тока в схемах преобразователей. Реакторно-резисторное устройство РОМР-35 включается между нейтралью трехфазной группы трансформаторов (автотрансформаторов) напряжением 110-750 кВ и контуром заземления и предназначено для ограничения токов несимметричных КЗ. Индуктивность реактора и сопротивление параллельного ему нелинейного резистора снижает токи КЗ в 1,2-1,5 раза, соответственно уменьшая нагрузки на электрооборудование в 1,5-2,2 раза и облегчают условия гашения дуги.

линий, электротехнологических установок, электротранспорта, низковольтного электрооборудования. Предприятие АВВ Москабель начало

с 1998 г. производство кабелей 6-220 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена, которые имеют много преимуществ перед кабелями с бумажной изоляцией и постепенно заменяют последние на рынке электротехнической продукции. Такие кабели изготавливаются на напряжение 10 кВ в однофазном исполнении на токи 1000-1300 А, что позволяет использовать их на промышленных предприятиях для передачи мощностей до 22 МВА по одной кабельной линии. Применение таких кабелей на энергоемких предприятиях позволяет отказаться от токопроводов для распределения электроэнергии, которые очень ненадежны в эксплуатации и занимают много места в наземном генплане.
Широкое распространение получил частотно-регулируемый электропривод, который является средством экономии электроэнергии, но предъявляет «жесткие» требования к электрическим сетям в части помех по цепи питания.

и эксплуатируемого электрооборудования, которое предъявляет высокие требования к качеству электрической

энергии.
Например, на производстве металлокорда БМЗ, пущенном в 1987г., для целей регулируемого электропривода агрегатов и линий непрерывного производства установлено 340 тиристорных преобразователей частоты, 600 микропроцессорных контроллеров и 36 локальных систем автоматизации, с которыми связано более двухсот ПЭВМ. В силовой части применено 54 цеховых трансформаторных подстанций напряжением 10/0,4 кВ, 13400 электродвигателей различной мощности. Потребление электроэнергии производством металлокорда в 2000 г. составило 97 млн. кВтч.

(математически счетным) числом элементов. Уже недостаточно изучать и описывать только

тот или иной элемент, электрическую цепь, где связи определяются законами электротехники. Необходимо описывать все множество элементов, когда связи между ними слабы.
Слабыми являются и взаимодействия между элементами. Системный подход к описанию объекта требует применения математических методов, вычислительных машин и информационных баз данных, которые являются основой системного анализа. Его сущность заключается в том, что целое, т.е. объект исследования необходимо разделить на части, из которых он состоит. Это означает разделение электрического хозяйства предприятия на отдельные подсистемы. Такое разделение возможно при следующем условии: взаимодействия между частями должны отсутствовать или по крайней мере должны быть настолько слабыми, чтобы ими можно было пренебречь. Только при этом условии части, которые считаются подсистемами, можно отделить логически и описать математически.
Если рассматривать связи между отдельными элементами системы электроснабжения, то во многих случаях они тоже оказываются слабыми. Например, электроприменики одной и той же технологической линии цеха могут питаться от разных силовых шкафов, магистралей, цеховых ТП.
Каждая из выделенных подсистем характеризуется наличием целей функционирования и развития, в значительной степени противоречивых.

Надежность достигается резервированием элементов (два трансформатора, две линии, резервный агрегат

и т.п.), что требует существенного увеличения затрат на электроснабжение. Экономичность же электроснабжения предполагает решение задачи с минимумом затрат.
Рассматривая электрическое хозяйство промышленных предприятий как большую сложную систему, можно отметить, что управление ею может опираться, на кибернетические представления, а с другой стороны – на системные представления.
Во втором случае электрическое хозяйство есть слабо связанное и слабо взаимодействующее практически бесконечное множество изделий (целостность), конвенционно выделяемых как сообщество, однозначно не описываемое системой показателей, тождественно не равное другому при совпадении показателей, необратимо развивающееся.

рост количества ЭП производственных механизмов и установок, их средней установленной

мощности (Рср, кВт) и, соответственно, электропотребления ПП

использовать для прогнозирования показателей электропотребления трендовые зависимости временного ряда и

подтверждалась результатами типологического и структурного анализа параметров режимов электропотребления ПП

Проведенные за этот период исследования структуры суточного электропотребления ПП на годовом интервале, позволили не только выявить закономерности формирования структуры суточного электропотребления каждого ПП, но и доказать устойчивость структуры во времени. При структурном анализе проводилось разбиение суточного электропотребления на группы, объединяющие дни с близкими значениями электропотребления. По результатам кластеризации для каждого ПП строилась структурная модель суточного электропотребления: по оси абсцисс откладывалось количество суток, вошедших в класс (временная емкость класса), а по оси ординат – среднесуточное электропотребление класса. В структурной модели выделялся базисный класс (самый емкий по количеству дней, вошедших в него). У ПП базисный класс по временной емкости составлял от 70 до 95% исследуемой выборки.

стали нестабильными. Нестабильность режимов работы ПП сказалась на их структуре

электропотребления: у большинства ПП структурная модель суточного электропотребления трансформировалась в модель с дроблением ступеней, в которой невозможно выделить базисный класс. ПП, имеющие модель электропотребления с дроблением ступеней, первыми ощутили на себе сложности прогнозирования и нормирования расхода ЭЭ, так как их режимы работы отличает многовариантность, учесть которую не представляется возможным с использованием аналитических подходов и месячной, квартальной статистики по потреблению ЭЭ и технологическим показателям.

и внешними.
К внутренним факторам, дестабилизирующим режимы работы ПП, в

первую очередь, относятся: частый выход из строя изношенного технологического оборудования и необходимость выполнения производственной программы в условиях проводимой реконструкции и модернизации технологического оборудования.
Анализ возрастного состава технологического оборудования, проводимый в рамках энергетических обследований показал, что для большинства ПП 70% оборудования имеет наработку 25-30 лет, является морально и физически устаревшим и требует своей замены или модернизации.
Внешними факторами, дестабилизирующими режим работы ПП, является поиск поставщиков сырья и рынка сбыта продукции.

электрическое хозяйство промышленных предприятий для 6УР можно описать и прогнозировать

развитие с помощью электрических показателей, которые впервые были использованы в черной металлургии проф. Кудриным Б.И.. К таким показателям отнесены: получасовой максимум нагрузки Рм, МВт; коэффициент спроса Кс – отношение максимальной нагрузки к установленной мощности электроприемников Ру предприятия, о.е.; годовое число часов использования максимума Тм – отношение годового расхода электроэнергии W, МВт.ч. по предприятию к максимальной нагрузке; количество установленных электродвигателей N, шт. и их средняя мощность Рср, кВт (условный электродвигатель); электровооруженность труда Ат – годовое потребление электроэнергии отнесенное к численности трудящихся, МВт.ч/чел.; производительность труда электротехнического персонала Аэ - годовое потребление электроэнергии отнесенное к численности электриков, МВт.ч/чел. (электротехнический персонал предприятия в целом).

основные показатели образуют многомерное пространство Ро ={ Рм; Кс; Тм; N;

Рср; Ат; Аэ},

как систему двумя классами моделей:
1) агрегативными;
2) экономико-математическими.

тенденций, но и разработку концепций и стратегии развития на перспективу,

включая разработку способов и средств управления режимами работы электрооборудования. Эти функции в рамках управления электрическим хозяйством предприятий выполняют планирование и его составной элемент - прогнозирование.
При наличии суточных графиков нагрузки предприятий на уровне региона могут решаться задачи выбора оптимальных интервалов режимных зон для дифференцированных тарифов на электроэнергию, оценки резервов снижения максимума нагрузки, определения договорной мощности промышленных предприятий.
Прогнозирование на основе экономико-математических моделей основано на системе показателей, характеризующих объект, и направленных на исследование некоторого множества в пространстве определенной размерности с выбором предпочтительной области (зоны) и учетом заданных ограничений. К этому классу можно отнести методы оптимизации и методы исследования операций.
Экономико-математические модели прогнозирования электрических показателей предприятий не нашли широкого применения в отечественной практике, хотя за рубежом они применяются при оценке спроса на электроэнергию в условиях дифференцированных тарифов и изменениях стоимости топлива, а также при изменениях количества смен на предприятиях.

временной последовательностью наблюдений. При этом в качестве аргумента функции прогноза

используется время. Влияние других факторов (объем производства, особенности технологии, социальные факторы) учитываются приближенно.
Для повышения точности прогноза временной ряд обычно разлагают на трендовую, гармоническую и случайную составляющие.
При прогнозировании параметров электропотребления гармоническая составляющая появляется из-за сезонных изменений и недельных циклов.
Случайная же составляющая обусловлена действием различных случайных факторов и погрешностями исходных данных. Электрическое хозяйство предприятий является достаточно устойчивой (инерционной) системой, что объясняется устойчивостью структуры установленного электрооборудования и большим сроком его службы и отражается в закономерных изменениях числовых значений электрических показателей. Это позволяет использовать для прогнозирования методы экстраполяции с учетом тренда.

электроемкости продукции, также можно отнести к многофакторным методам.
В последние годы

в связи с нестабильностью производственных процессов на промышленных предприятиях интерес к многофакторным методам прогнозирования параметров электропотребления значительно возрос, особенно к моделям, учитывающим влияние технологических факторов на электропотребление агрегатов и линий непрерывного производства. Такой подход позволяет установить закономерности формирования энергозатрат в виде многофакторных моделей, отражающих количественные соотношения между расходом электроэнергии и основными технологическими факторами и показателями производства, отражающими индивидуальные особенности конкретного предприятия.