Системное описание электрического хозяйства

Электрическое хозяйство современного промышленного предприя­тия представляет собой сложную систему со множеством взаимосвя­занных и взаимодействующих между собой элементов, организованных в подсистемы. Систему и подсистемы можно рассматривать и опреде­лять не только как параметры электрических цепей со сложившихся позиций, опираясь на курсы "Теоретические основы электротехники", "Электрические машины", "Автоматизированный электропривод", "Электрические сети и системы", но и как сообщество слабосвязанных и слабовзаимодействующих изделий (техноценоз) систем нового типа, свойства которых начинают проявляться с определенной степенью слож­ности, точнее, с определенного уровня знаний о нем.

Описание (математическая модель) электрической части отрасли, предприятия, производства, цеха, отделения, участка, отдельной едини-

цы оборудования как объекта проектирования можно реализовать системой показателей (образов — графических, цифровых, таблично текстовых), соблюдая иерархию систем и выдерживая принципы це­лостности, автономности, дополнительности (сложная система во взаи­модействии со средой представляет разные свойства в различных си­туациях), действия, начинающиеся с порогового значения, неопреде­ленности, выбора, структурированности (устойчивости структуры любого ценоза) и устойчивости развития.

Оценим количественно электрическое хозяйство как систему на примере крупного металлургического комбината. На нем установлено 101 тыс. электрических машин средней мощностью 50,1 кВт (эксплуа­тируется 111 711 шт., 48,4 кВт), в том числе до 100 кВт (подключают­ся к 2УР) 76,7 тыс., 10,4 кВт; трансформаторов I—III габаритов, прак­тически соответствующих ЗУР, установлено 2626 шт. средней мощ­ностью 854 кВ • А; IV габарита и выше - 165 шт., 28 500 кВ • А (5УР); высоковольтных выключателей - 6136 шт.; количество шкафов и другого оборудования второго уровня — около 10 тыс. шт., количе­ство низковольтной аппаратуры всех видов — около 10 шт. на один электродвигатель. Такое количество элементов системы электроснабже­ния не дает возможности изобразить полную схему электроснабжения завода. Даже для 6УР и 5УР она может быть лишь упрощена аналогич­но рис. 1.2. Общее количество изделий, узлов, деталей, образующих электрическое хозяйство крупных предприятий, оценивается в 10¹⁰ (общее количество, образующее предприятие в целом, 10¹¹). Это и есть техноценоз — сообщество изделий. Для средних предприятий ко­личество элементов меньше в 10 раз, для мелких - в 100 раз.

Введем меру ¦ взаимодействия элементов х множества X и через x₁ обозначим количество элементов, мера взаимодействия которых имеет наибольший порядок f(x). При количестве элементов х_i-1 ме­ра взаимодействия которых на порядок ниже ¦(x_i-1), i =1,2,...,n, может быть образована система 5, состоящая из набора элементов x₁ + х₂ +... + x_k +... + х_п, где k < n, которая характеризуется функцио­налом

S = [¦(x₁), ¦(x₂),…, ¦(x_n),x₁,x₂,…x_n]. (1.2)

Изменяя порядок k, получаем различные системы. Последовательно используя системный анализ, можно выделить подсистемы электро­снабжения, обслуживания и др. Подсистемы имеют последовательно все большую меру взаимодействия, превращаясь на каком-то раз­биении в жесткие однозначно рассчитываемые электрические цепи: электроснабжение завода в целом, электроснабжение на стороне 110 кВ, электроснабжение отдельного сооружения и далее до отдельного электроприемника.

При разработке проектов электроснабжения не уделяется должного внимания технико-экономическому обоснованию принимаемых реше­ний, допускаются неэкономичные и нерациональные решения, перерас­ход электротехнического оборудования, ошибки в определении ра­счетных нагрузок. Оценка работы электрического хозяйства действую­щих предприятий по существующим критериям приводит к ошибоч­ным выводам об экономической целесообразности дополнительных капитальных вложений на реконструкцию системы электроснабже­ния. Для целей прогнозирования развития электрического хозяйства предприятий и оценки эффективности использования электрической энергии нужны объективные критерии, основывающиеся на системе обобщающих показателей, которые позволяют оценить варианты про­ектных решений и уровень эксплуатации электрического хозяйства.

Принятие решений все в большей мере основывается на решениях, принимаемых на более высокой ступени иерархии. В проектировании сложилась последовательность: а) схема развития отрасли (регио­на); б) ТЭО предприятия (тендер); в) проект (как стадия) предприя­тия или цеха (комплекса); г) рабочая документация на объект и от­дельные части проекта. Но и в момент принятия решения на i-м уров­не иерархии полных электрических данных по элементам получить нельзя из-за практической счетности и множества данных по каждо­му из элементов, которых, строго говоря, требуют теоретические основы электротехники для расчета электрических нагрузок, пере­ходных режимов (свойство фрактальности). Эти понятия независимы от неполноты и неопределенности исходной информации, от несогла­сованности технологических требований, сроков строительства, вы­деляемых ресурсов, от противоречивости отдельных норм и др.

Счетным множеством называют множество, которое приводится во взаимно однозначное соответствие множеству натуральных чисел (целых положительных чисел) N = {1, 2...}. Назовем практически счет­ным такое множество N_t, число элементов которого к моменту при­нятия решения точно не может быть определено, но может быть пред­ложена система нумерации, обозначений. Тогда для целей курса при­менима теория множеств и строго можно записать

N_t = N_t – a = N_t + a, (1.3)

т. е. добавление или исключение конечного числа элементов а не меняет мощности практически счетного множества.

Этим положением инженеры интуитивно руководствуются: добав­ление или исключение некоторого числа элементов не меняет техниче­ского решения, например изменение нескольких электроприемников на 1УР не меняет схему электроснабжения, расчетную нагрузку, не тре­бует индексации заказных спецификаций, корректировки кабельных трасс, смет. Может возникнуть вопрос о числе элементов, начиная с

которого следует учитывать практическую счетность. Это в опреде­ленной степени связано с природой элемента. Системные свойства, проявляющиеся в устойчивости гиперболического Н-распределения структуры электрического хозяйства как техноценоза, обнаруживают­ся при числе элементов 100-200, а особо выражены при 1000—1200 элементах (применительно к электродвигателям 1УР).

Проблема фрактальности заключается в том, что любое изучение может быть сколь угодно глубоким и широким: обнаруживаются все (новые возможные зависимости, которые на 10-200% могут изменить результаты. Например, расчетная нагрузка электродвигателя определяется технологическим режимом (зависящим от множества факторов), КПД и коэффициентом мощности (которые зависят от режима, изношенности и др.), законом распределения, отклонениями частоты и напряжения, цикличностью, температурой окружающей среды, условиями вентиляции, состоянием с обслуживанием и др. Крупный комбинат выплавляет сталь 250 марок и выпускает прокат 1000 профилеразмеров, изменяющих загрузку основной технологической линии. Оче­видно, что практически невозможно выполнить все измерения или просчитать все сочетания.

Практическая счетность множества элементов, образующих элект­рической хозяйство, неисчерпаемость каждого элемента вглубь и вширь делают необходимым системное описание, опирающееся на иерархическую систему показателей (рис. 1.8). При выполнении проектов величина электрических показателей (соответствующих уровням системы электроснабжения, объектам и стадиям проектирования) есть прогнозируемая величина, а для действующих - реализация пока­зателя из множества возможных значений (проектных вариантов).

Система технико-экономических показателей определена основны­ми электрическими показателями, которые описывают электрическое хозяйство по 6УР системы электроснабжения. К ним отнесены: полу­часовой максимум нагрузки Р_тах, МВт; коэффициент спроса k_c — отношение максимальной нагрузки к установленной мощности электро­приемников по заводу Р МВт; годовое число часов использования максимума Т, ч, — отношение годового расхода электроэнергии А, МВт • ч, по предприятию к максимальной нагрузке; количество установленных электродвигателей Д, шт., и их средняя мощность р_ср, кВт (условный электродвигатель); электровооруженность труда А — годовое потребление электроэнергии, приходящееся на одного трудя­щегося, Ч_т, МВт -ч/чел; производительность электротехнического персонала а_э — годовое потребление электроэнергии, приходящееся на одного электрика, Ч_э МВт • ч/чел (весь электротехнический персо­нал предприятия в целом). Основные показатели функционально опре­деляют ряд других показателей (табл. 1.2). В табл. 1.3 указаны значе­ния основных показателей для некоторых предприятий.

На числовой оси каждый показатель изображается точкой, а все вместе основные показатели образуют многомерное пространство

P_o = P_maxK_cТДР_срА_ТА_э, (1.4)

определяющее электрическое хозяйство как систему.

Представляя (1.4) в виде матрицы [Ро], можно сравнивать раз­личные предприятия между собой, применив теорию распознавания образов, кластер-анализ, профессионально-логические методы и эксперт­ные системы. Электрические показатели при создании информационного банка

W^б = {A} * {P} * {B} * {C} * {П} (1.5)

перегруппировываются соответственно на матрицы: удельных и общих расходов электроэнергии; электричерких данных, относящихся к систе­ме электроснабжения; количества электрооборудования; стоимостей и штатов; проектных данных. В банк помещается и матрица {М} тех­нологических показателей.

Если электрическое хозяйство или его часть выделены как система (1.2) и описаны (1.5), то для целей принятия решений по электроснаб­жению и для их оптимизации электрическое хозяйство как система опи­сывается тремя классами моделей: 1) агрегативными; 2) экономико-математическими; 3) (техно) ценологическими.

В условиях проектирования общее электропотребление А находит­ся, как правило, для предприятия и производств (цехов) в целом и определяет вместе с Р_тах условия присоединения к энергосистеме. Значение Р_тах рассчитывается для всех уровней системы электро­снабжения, начиная от группы электроприемников, цеховой ТП и т. д. до предприятия в целом. Поскольку при проектировании Р устанав­ливается для каждого уровня системы электроснабжения на основании расчетов, в соответствии со сложившейся терминологией этот показатель называется расчетной нагрузкой. Для действующих предприятий Р_тах указывается в договоре на пользование электроэнергией и называется заявленным Р_тахз, а при контроле параметров электропотребления определяется его фактическое значение P_max

Число часов использования максимума нагрузки определяется по аналогии с энергосистемами. Если показатель Т_тах находится для действующего предприятия, то А и Р_тах берутся с учетом собст­венных нужд, потерь в сетях, трансформаторах и преобразователях. В задачах по электроснабжению Т_тах также используется для вычис­ления потерь электроэнергии (через время максимальных потерь t ) в элементах системы электроснабжения (питающих ЛЭП, трансформа­торах ГПП), а также для оценки неравномерности режимов потреб­ления электроэнергии.

Коэффициент спроса определяется через Р_тах и Р_у. При этом под Р_у понимается установленная мощность электроприемников, т. е. сумма номинальных (паспортных) активных мощностей электро­приемников. Значения коэффициента спроса К_с для различных групп электроприемников, производств и предприятий в целом разных отрас­лей промышленности принимаются при проектировании по справоч­ным материалам. Установленная мощность электроприемников пред­приятия может быть определена по отчетным данным.

Показатели Д и Р_ср (условный электродвигатель) являются основ­ными критериями, которые определяют электроремонтную базу и систему обслуживания электрического хозяйства, включая числен­ность электротехнического персонала. Электровооруженность труда определяется среднесписочной фактической численностью промышленно-производственного персонала за отчетный год. Необходимость мак­симального использования электрооборудования, применение электро­энергии в технологических процессах обусловливают целесообразность оценки производительности труда электротехнического персонала со­гласно табл. 1.2, а не по штатному коэффициенту, получившему широ­кое распространение на электростанциях.

Опыт применения системы электрических показателей позволяет выделить ряд общих свойств в формировании и развитии электриче­ского хозяйства предприятий:

1) электрическое хозяйство является устойчивой системой, что озна­чает прогнозируемое изменение показателей во времени. Существует
постоянство структуры установленного электрооборудования как не­
которое свойство техноценоза. Изменение численных значений элект­рических показателей (А, Р_тах, Д, Р_у идр.) во времени и наличие за­кономерностей в их изменениях позволяют использовать это при решении перспективы развития предприятия;

2) оптимальное значение каждого из показателей для различных
предприятий указать теоретически не представляется возможным из-за
индивидуальности каждого системного объекта. Создание информа­ционной базы данных по электрическому хозяйству предприятий позво­ляет установить диапазон изменения показателей и выявить особенно­сти технологии и электроснабжения, присущие данному предприятию;

3) низки фактические значения коэффициента использования К_и и высоки значения коэффициента максимума К_м, наблюдаемые практически на всех промышленных предприятиях независимо от отрасли промышленности. Фактические значения коэффициента спроса оказа­лись вдвое ниже проектных, принимаемых при расчете электрических нагрузок.

Превращение электрического хозяйства в сложную систему, в си­стему нового типа, и оптимизация его построения и функционирования требуют адекватных математических моделей, восходящих к киберне­тике, системотехнике и системологии, к теории нечетких множеств

прогнозирования и катастроф. Этот аппарат не укладывается в рамки понятий, обычно применяемых в курсе электроснабжения. Ниже по­ясним основные модели, а также лежащие в их основе постулаты. Агрегат как система задается формальным пространством

S = {T, X, Г, Y, Z, G, В}, (1.6)

где Т — множество рассматриваемых моментов времени t G Т; х £ X — входной, у Î Y — выходной, g Î Г — управляющий сигналы; z Î Z — состояние; H и G— операторы переходов и выходов, реализующих z(t) и y(t)\ В — пространство параметров агрегата b Î В. По суще­ству агрегат есть "черный ящик", а траектория его "движения" во времени и есть развитие электрического хозяйства. Разница между тем, что мы проектируем, и фактической траекторией характеризует оиибку.

Агрегативный подход реализуется следующим образом. Требуется получить электрические показатели на 6УР, 5УР, 4УР (стоимости, шта­ты и др.) Р = у (t) при заданных технологических показателях М = x(t). Тогда из множества показателей W^б, хранящихся в информа­ционном банке [см. (1.5)], машина рекомендует множество {Р}, наиболее соответствующее заданным {М} и времени. Проектировщик, осуществляя профессионально-логический анализ, задает управляющие сигналы, воздействуя на состояние (1.6), меняет параметры и принима­ет окончательное решение.

Экономико-математические модели — широкий класс моделей, при­меняющихся для описания электрического хозяйства. Эти модели тесно. Переплелись с методами оптимизации, их трудно отделить от исследо­вания операций, кибернетики. Экономико-математические модели - это исследование формы (не обязательно выпуклой) некоторого мно­жества (не обязательно плотного) в пространстве определенной про­ектировщиком размерности (см. гл. 15). Задача сводится к определе­нию предположительной области (точки), когда накладываются, на­пример, ограничения Парето.

Третий класс моделей отражает новое научное направление. Иссле­дования основаны на утверждении: любые два элемента, режима, со­стояния системы электроснабжения считаются одинаковыми (одного вида) или различными. Электрическое хозяйство рассматривается состоящим из случайно попавших в нее элементов (особей), как свое­образное сообщество изделий (техноценоз), образованное из практи­чески счетного количества слабо связанных и слабо взаимодействую­щих изделий в условиях дефицита ресурсов.

Главным результатом подхода является обнаружение широкого класса явлений, для которых отсутствует математическое ожидание, а дисперсия теоретически бесконечна. Явление проявляется при про­ектировании всегда, когда сказываются системные свойства. Поэто­му при проектировании для любого завода нельзя использовать сред-

ние удельные расход электроэнергии, средние стоимости; среднее количество электрооборудования, кабельной продукции.

Все три класса моделей действуют, по-видимому, от ЗУР и выше, не используя явно законы Максвелла, Ома, Кирхгофа и другие зако­ны классической электротехники, действующие на 2УР, 1УР. Мы осно­вываемся на следующих допущениях:

2) электрическое хозяйство W É М есть целое, обладающее количественными характеристиками, которые не сводятся к суммированию
элементов и их свойств и Î W. Знание об этом в целом не может быть
получено на основе исследования и описания свойств отдельных эле­ментов или цепей, составленных из них;

3) электрическое хозяйство W может быть описано иерархически
системой показателей W₀, из которых могут быть выбраны показа­тели, необходимые и достаточные для принятия человеком решения
в условиях неопределенной информации и дефицита времени;

4) процесс принятия проектного решения неформализуем и должен
осуществляться на основе профессионально-логического анализа в
экспертном режиме САПР. Решения должны опираться на устойчивость
развития электрического хозяйства и на устойчивость его структуры.

Процессы выбора электрооборудования и проводников, как указы­валось, опираются в пределе на законы Ньютона—Максвелла-Лорен­ца, в основе которых лежат фундаментальные постулаты классической физики:

1К) справедлив принцип невозможности. Нельзя различить две электрические цепи, если параметры их неотличимы;

2К) состояние (физическое) электрической цепи, электрической машины, любого изделия в любой момент времени полностью опреде­ляется его параметрами в тот же момент времени;

ЗК) пространство и время однородны и изотропны.

Качественное совершенствование проектирования, построение и функционирование электрического хозяйства в целом опираются на другие постулаты, которые применительно к электрическому хозяй­ству интерпретируются следующим образом:

1T) существует достаточно много систем отсчета, относительно ко­торых два электрических хозяйства как техноценозы могут быть равно­правны и неравноправны. Введение иерархической системы показателей есть соглашение — конвенционный акт;

2Т) состояние электрического хозяйства в любой момент времени не определимо системой показателей тождественно точно. Чем больше па­раметров и точнее каждый из них определяется, тем менее точно для каждого времени описьюается система;

ЗТ) для электрического ценоза существует направленность разви­тия, исключающая обратимость. Пространство кусочно анизотропно. Цикл техноэволюции квазистационарен, а ценоз существует лишь как открытая система, сформировавшаяся под действием закона информа­ционного отбора.

Практика строительства и эксплуатации, реальные трудности управ­ления электрическим хозяйством, трудности проектирования, оценки и планирования развития делают необходимой реализацию теоретиче­ски неизбежного перехода от К-постулатов к Т-постулатам. Но такой переход требует и психологической перестройки. Трудно осознать, что часть и целое "одинаковы" (равномощны), что вычитание или прибав­ление конечной величины не меняет результата, что основная часть про­цессов и структур, с которыми имеет дело проектировщик, не имеет математического ожидания (среднее не имеет смысла), а ошибка мо­жет быть теоретически сколь угодно большой (дисперсия стремится к бесконечности).

Любой проектируемый объект при иерархическом разбиении модели­руется иерархической системой показателей: отрасль, предприятие,..., рольганговый двигатель, подшипник. Технолог-проектировщик опре­деляет основные технические решения на уровне цеха, отделения, соо­ружения и оперирует системой показателей (параметров, признаков) или схемами, упрошенными планами. Можно выделить k признаков R для предприятия i из общего количества существующих призна­ков W, R^k_i Î W. Если каждый признак есть точка на оси признака, то геометрически Ç R^k_i. можно представить как некоторую область в мно­гомерном пространстве. Это есть образ проектируемого объекта, по­нятный ЭВМ. Если задать эталон (объект-аналог, желаемый объект) R^k_э Î W, то ЭВМ осуществит сравнение по заданным проектировщиком критериям.

Осознание первого Т-постулата и использование его в режиме САПР означает решение проблем экспертизы, оценки, выбора решения (при информационном обеспечении). Устраняется субъективизм- договари­ваться следует не о выборе аналога [это делает ЭВМ, определив об­ласть D(F) = åⁿ_э (Ç R^k_i R^k_э)® min], а о показателях, которые суще­ственны.

Вопросы для самопроверки

1. Попытайтесь выделить электрику известных Вам объектов и оце­нить ее границы и относительную стоимость.

2. Какие объективные стороны электрики требуют решений, осно­ванных на строгих законах электротехники, и какие - творческих ре­шений, опирающихся на интуицию, общую культуру и информационно-
технические образы-знания?

3. Что такое электроприемник, потребитель, система электроснаб­жения?

4. В чем качественные различия между: 1) электроустановками как
изделиями (сооружениями), которые созданы по классическим законам
физики - электротехники, механики, сопромата и др.; 2) электриче-

ским хозяйством промышленного предприятия; 3) энергосистемой как производителем и продавцом электрической энергии?

5. Что такое подстанция, ТП, КТП, РУ, РП, ЦРП, ГРУ, ОРУ, ЗРУ, КРУ,
ЩСУ, ШР, УРП, ГПП, ПГВ, ОП?

6. Поясните особенности каждого из уровней системы электроснаб­жения.

7. Конкретизируйте технические условия при питании предприятия
от любого из уровней системы электроснабжения.

8. Как подразделяются электроустановки по величине напряжения,
режиму нейтрали, роду тока и частоте?

9. Охарактеризуйте каждый из уровней системы электроснабжения
количеством элементов и интервалами передаваемой мощности.

10. Рассмотрите особенности графического изображения схем и
планов электроснабжения применительно к каждому из уровней си­стемы электроснабжения.

11. Классифицируйте промышленные предприятия по величине электрической нагрузки и условиям подключения к соответствующему уров­ню системы электроснабжения.

12. Поясните необходимость категорирования электроприемников
по надежности электроснабжения и различия их электроснабжения.

13. Напишите формулы, определяющие основные и вспомогательные
электрические показатели.

14. Какие объективные стороны отражают модели системного опи­сания электрического хозяйства?

15. Сравните фундаментальные постулаты, определяющие электроснабжение как науку, с постулатами классической физики.

ГЛАВА ВТОРАЯ

Поиск по сайту: