постоянная распределения, определяемая из условий нормировки

Если взять / £1 (x)dx и уменьшать х, то в какой-то точке а., обозначенной I = 1, интеграл станет равным единице: появился вид. Цело­численные значения [X] будут обозначать количество особей в образо­вавшейся касте. Аналогично образуются другие однородные касты в интервале / = 1, 2,..., R₂, R₂ = [R/a], где I - номер однородной

касты. Численность особей однородной касты N как функция N(j) определится из Z. = V"o/(^a,-)-

Таким образом, на отрезке Х& [ 1, R] распределение видов аппрок­симируется выражением W(i) =[J2(/)], а на полуинтервале Х& е [R, °°) - выражением N(j) = [Z (/) ]. Тогда число особей

Выражения (16.10) и (16.11) аналогичны (16.5) и (16.6).

Пусть U = const (общее количество элементов множества), R = = const (параметр размера множества), W₀i, W₀₂, a\, а_г — числен­ность первой касты и характеристический показатель соответственно до и после изменения структуры.

т. е. при воздействии на структуру параметры W₀ и а до и после изме­нения оказываются функционально связанными: при изменении па­раметра а значение параметра W₀ должно изменяться таким образом, чтобы функция £1 (х) в любом случае проходила через точку с коорди­натами (R, 1). Модель изображена на рис. 16.3. Продифференцируем функцию (16.12):

Анализируя (16.14), получим, что при увеличении численности вида на прирост dx (при фиксированном х) относительный спад количества видов составит —yx~¹dx. Продолжая увеличивать dx на такую же вели­чину, будем получать меньший в процентном отношении спад, чем при

первом шаге, т. е. относительный "отсев" видов по мере роста их чис­ленности все меньше и меньше сокращается пропорционально числен­ности вида. Переход к высшей численности (однородные касты) легче для видов, уже достигших высокой численности, чем для малочисленных видов. Легкость перехода в многочисленные саранчевые касты растет пропорционально имеющейся численности.

Алгоритм, полученный статистически, показывает, что в случае со­кращения видов неоднородных каст (представленных малым числом элементов) при неизменном общем количестве элементов множества все элементы сокращаемых видов, сохраняя форму гиперболы (устой­чивость структуры), с большей вероятностью перераспределяются в соседние касты, сдвигаясь постепенно к однородным (заполняя виды со средней численностью), и с меньшей вероятностью — сразу в од­нородные касты с численностью, близкой к N₀ (самый многочислен­ный вид). Алгоритм физически объясняется частичным сокращени­ем численности некоторых видов и возвратом их в неоднородные касты меньшей численности, а также гауссовым распределением видов в кастах, что предопределяет относительно равномерное сокращение числа видов в неоднородных кастах при воздействии, например, в направлении сокращения разнообразия.

Таким образом, статистически полученный алгоритм имеет строгое математическое обоснование и содержит физическую сущность про­цесса. В случае роста числа редких видов с одновременным уменьше­нием численности многочисленных каст (ростом разнообразия в си­стеме) модель интерпретируется в обратном порядке аналогичным образом.

Число видов, соответствующих данному изменению, определяется величиной

Допустим, при изменении параметров а и W₀ произошло перерас­пределение по структуре некоторого количества элементов, определяе­мого разностью (заштрихованная область на рис. 16.3):

Учитывая незначительное различие в объемах системного простран­ства, занимаемого элементами видов однородных каст по сравнению с элементами видов неоднородных каст, и относительную равноверо­ятность в этой связи увеличения численности каст, близких к N₀, пред­положим, что перераспределенные элементы, количество которых AU, образуют некоторую условную однородную виртуальную касту./V. Величина Д£/= N^ при Д5 -> 1 определяет ее количественно.

Пусть выявлен параметр множества, который отражает увеличение эффективности при увеличении мощности этого множества (его числен­ности), изменяющийся по закону

где ti - параметр при / = [х] = 1; 0 - показатель, характеризующий интенсивность изменения параметра Т(х). Таким параметром являет­ся, например, трудоемкость монтажно-эксплуатационных работ по электрооборудованию, отражающая затраты на создание и поддержа­ние функционирования ценоза.

Системный параметр для видовой структуры в целом ценоза

Формула (16.19) имеет достаточную точность вследствие незначитель­ного изменения части функции (16.17) при изменении аргумента в об­ласти, соответствующей однородным кастам.

Установлено, что устойчивость структуры проявляется реализацией ее в пределах изменения характеристического показателя 0 < а <, 2. Проведенные исследования статистического материала по более чем 500 выборочным обследованиям, охватывающим 1,5 млн. изделий-особей, показали "технологическую равнозначность" вариантов струк­туры в этих пределах. При выборе отдельного элемента системы электро­снабжения, например электрического двигателя привода технологиче­ского агрегата, существует область равнозначных по критерию народ­нохозяйственных затрат вариантов как следствие свойства данного критерия — его пологости в зоне минимума. Установлено, что реализа­ция структуры в указанных пределах характеристического показателя есть результат случайного и неуправляемого процесса формирования системы в целом - отражения множества областей равнооптимальных вариантов отдельных элементов.

Компьютерная имитационная модель управления видовой структу­рой ценоза в интерактивном режиме позволяет изменять состояние структуры и изучать влияние этого изменения на показатели эффектив­ности, реализуя изменение Н-распределения "норма" - изменения характеристического показателя в пределах 0 < а < 2 с шагом, рав­ным 0,1. В результате получаются количественные оценки параметров Н-распределения и эффективности этих изменений, которые реализу­ются при создании и последующей эксплуатации за счет сокращения разнообразия. Это и вызывает увеличение производительности труда на 25-30%.

Вопросы для самопроверки

Рассмотрите разные, в том числе и известные Вам, варианты орга­
низации управления системами электрики.

Назовите основные семейства эксплуатируемого в промышлен­
ности электрооборудования и соотнесите их с назначением и работа­
ми, выполняемыми электроремонтным цехом.

Рассмотрите функции и назначение подразделений цеха (участка)
сетей и подстанций промышленного предприятия по уровням системы
электроснабжения.

Перечислите электротехнические лаборатории, возможные на
крупном предприятии, и соотнесите их с изучаемыми специальными
дисциплинами.

Определите объем, например, диспетчерскбго управления систе­
мами электроснабжения, объем диспетчеризации и телемеханики при­
менительно к рис. 1.3,1.4,2 8.

Каковы основные функции электротехнического персонала цеха?

Приведите возможные варианты организации ремонта и обслужи­
вания цехового силового электрооборудования.

Сформулируйте основные принципы, которые должны быть исполь­
зованы при определении численности электротехнического персонала
по заводу в целом и централизованным службам электроремонта.

На основе анализа структуры установленного и ремонтируемого
электрооборудования по критериям Н-распределения (по повторяе­
мости) поясните физический смысл отсутствия среднего (математи­
ческого ожидания) и теоретическую бесконечность дисперсии.

Укажите границы управления структурой проектируемого, уста­
новленного и ремонтируемого оборудования, обеспечивающие повы­
шение производительности труда электротехнического персонала завода.

ПОСЛЕСЛОВИЕ

Со времени написания настоящего учебника (1989 г.) произошли кардинальные изменения, заключающиеся не только в распаде Совет­ского Союза, но и в переходе к иному общественному строю — капи­тализму. Это привело к необходимости многочисленных исправлений в учебнике, особенно касающихся комплекса вопросов, связанных с проектированием электрической части промышленного предприятия и согласованием технических решений с энергосистемами; с органи­зацией электрического хозяйства и управлением им; с составлением энергобаланса, учетом и контролем параметров электропотребления, нормированием и внедрением энергосберегающих мероприятий; с технико-экономическими расчетами в системах электроснабжения, при выборе электропривода, электрооборудования, электроосвеще­ния, аппаратуры, проводниковой продукции и др.

В значительной степени оказался ослаблен монополизм организаций электроэнергетики, ведомств, включая головные проектные институ­ты, в части решений, опирающихся на так называемую народно-хозяй­ственную эффективность: предприятия и организации, в том числе част­ные фирмы, стали принимать технические решения по электроснабже­нию, опираясь на свои собственные интересы (развитие цивилизации показало, что законодательная защита этих интересов и способствует оптимальному развитию общества). Например, предприятие стало про­кладывать "медь" там, где раньше это категорически запрещалось Госстроем СССР, устанавливать коммутационные аппараты или приме нять схемные решения с повышенной надежностью там, где раньше рекомендовались упрощения.

Задержка с изданием связана и с недостатком финансирования выс­шей школы, в частности, издание настоящей книги невозможно было бы без поддержки Западно-Сибирского металлургического комби­ната (генеральный директор Б. А. Кустов, главный электрик В. А. Бли­нов), специалисты которого (Л. Л. Гензель, П. Т. Юнников, Е. П. Оси­пов) содействовали оформлению теоретических взглядов на особен­ности электрики как науки и практику применения количественных ограничений закона информационного отбора.

Кроме социальных, организационных и технических причин, вызы­вающих неравномерное, а в отдельных случаях и быстрое старение от­дельных положений настоящего учебника, следует учитывать продол-

жающуюся дифференциацию знаний и развитие общей науки об элект­ричестве. Это отразилось, в частности, в появлении специальности 181300 "Внутризаводское электрооборудование", головной кафедрой по которой определена кафедра "Электроснабжение промышленных предприятий" Московского энергетического института (технического университета) и которая будет готовить по этой специальности бакалав­ров, инженеров, магистров в рамках направления "Электротехника". Специальность 10.04 "Электроснабжение" (по отраслям) будет гото­вить специалистов по направлению "Электроэнергетика".

Два разных подхода к электроснабжению, отразившихся в разделе­нии специальности, проявилось с самого начала индустриализации, когда собственно и возникла необходимость решать проблемы электроснаб­жения промышленных предприятий.

Первый подход, отраженный в плане ГОЭЛРО, а сейчас, в разработ­ках развития отдельных энергосистем и РАО "ЕС России" в целом, рассматривал предприятия до границы раздела с энергосистемой 6УР, обеспечивая заявленную предприятием мощность, расход (лимит) электроэнергии, надежность электроснабжения, включая поддержание частоты, требования по регулированию значения параметров электро­потребления. Все многочисленные вопросы, возникающие при этом, безусловно, сложны и важны, и требуют специального подхода и спе­циального учебника.

Второй подход, отраженный в настоящем издании, ставит своей целью рассматривать особенности электроснабжения, начиная с грани­цы раздела предприятие - энергосистема вниз, до отдельного электро­приемника любой мощности и напряжения. Значение напряжения на границе раздела может быть различным (для ряда предприятий оно достигло величины 330 кВ; обычно для крупных предприятий оно составляет 110 кВ). В этом случае все вопросы по созданию (проек­тирование и строительство), обеспечению функционирования (эксплуатация, текущее обслуживание, все виды ремонта) и обеспече­нию развития электрического хозяйства в целом' и отдельных его ча­стей (модернизация, реконструкция, техническое перевооружение, уничтожение) должны решаться силами электротехнического персона­ла завода и входят собственно в электроснабжение промышленных предприятий в широком смысле, но относимом только к юридической (по договору) части электрических сетей и систем (электроэнерге­тике), закрепленной за предприятием.

Это направление как внутризаводское электроснабжение, электро­снабжение промышленных предприятий в смысле, понимаемом Н. В. Ко-пьяовым, А. С. Либерманом, В. С. Волобринским, Г. М. Каяловым, Б. А. Константиновым, Ю. Л. Мукосеевым, А. А. Федоровым и др., сформулировало эту дисциплину как науку и как специальность в 50— 60-е годы в рамках электроэнергетики, с одной стороны, и электро­механики (электротехнологии, электропривода) - с другой. Неоцени-

ма роль в практическом становлении электроснабжения институтов Укртяжпромэлектропроект, Тяжпромэлектропроект, Электропроект (с их отделениями по всему бывшему СССР) и ряда головных инсти­тутов базовых отраслей промышленности.

Теоретической основой первого направления является классическая электротехника, опирающаяся на законы Ньютона—Максвелла, кото­рые, в свою очередь, могут быть выведены из принципа наименьшего действия: фактически происходящему движению системы соответствует экстремальное значение интегрального выражения, обладающего раз­мерностью произведения энергии на время и называемого функциона­лом действия.

Электроснабжение промышленных предприятий в нашем смысле включает в себя теоретические наработки электроэнергетики, но в пре­деле опирается на достижения физики и математики последних лет, ставящие в особое положение неравновесные состояния, самоорганиза­цию сложных систем, фрактальность объектов и явлений, что количе­ственно отражает некоторое фундаментальное свойство природы — производить отбор. Для электрического хозяйства промышленных предприятий — производить информационный отбор отдельных еди­ниц электрооборудования, схемных решений по электроснабжению.

Математической основой, на которую со временем будут опирать­ся основные решения по электрическому хозяйству, оптимизации и прогнозу, будут фрактальные представления Мандельброта, область математики, связанная с созданием общей теории предельных теорем для сумм независимых случайных величин, использование характери­стических функций (безгранично делимых распределений).

Из существенных изменений, которые не вошли в учебник, отметим изменения, связанные с приборным обеспечением учета, контроля и экономии электроэнергии. Федеральная энергетическая комиссия ре­комендует для промышленных предприятий более широкое внедрение дифференцированных тарифов (в каждый реальный момент времени стоимость электроэнергии изменяется, поэтому внедрение дифферен­цированных по зонам суток тарифов с временным интервалом 30 мин неизбежно в самом ближайшем будущем). Осуществление надзора за организацией учета производства и потребления электрической и теп­ловой энергии определено Правительством Российской Федерации — Постановлением Совета Министров от 12.05.93 № 447 "О государст­венном энергетическом надзоре в Российской Федерации".

Действующие в стране свыше 19 млн. однофазных и около 1,5 млн. трехфазных счетчиков изготовлены, в основном, как индукционные системы с максимальным межповерочным интервалом 16 лет. Такие счетчики на Западе начинают заменяться электронными счетчиками (класса 0,5—1,0), а в последнее время - так называемыми интеллекту­альными датчиками, которые встраиваются, например, в высоковольт­ную ячейку и подключаются к существующим трансформаторам тока

и напряжения, обеспечивая цифровую запись мгновенных значений. Такой датчик, присоединенный к микропроцессору или компьютеру, обеспечивает расчет любых параметров электропотребления, включая активную и реактивную мощности, все показатели качества электри­ческой энергии, делая возможным отказ от существующей релейной или иной защиты и автоматики. Однако, эти интеллектуальные датчики еще очень дороги и едва ли получат массовое распространение в ближайшие 5 лет. Что касается электронных датчиков, то причин замены ими на Западе индукционных счетчиков несколько: электронные счетчики вы­полняют больше функций; точность их выше при сравнимой долговеч­ности и сопоставимости цен; их конструкция позволяет в одном кор­пусе реализовать многотарифность, одновременное изменение несколь­ких параметров, дистанционное снятие показаний по каналам связи, работу с компьютером. Выпускаемые в России свыше 20 типов различ­ных счетчиков, что связано с отделением Литвы (в Вильнюсе находил­ся завод—монополист по изготовлению счетчиков и изготовлению ин­формационных измерительных систем, описываемых в учебнике и еще эксплуатируемых на целом ряде предприятий) пока еще вдвое дороже индукционных и имеют более чем вдвое меньший максимальный меж­поверочный интервал.

В условиях изменения форм собственности и увеличения стоимости электрической энергии возрастает необходимость энергосбережения, подход к которому также изменяется. В 1993-94 гг. произошло увели­чение удельных расходов, связанное с падением объемов производства. Значение А традиционно рассчитывают по полезной или полной рабо­те, затрачиваемой на выпуск продукции (энергозатраты). Если ее изме­рять (рассчитывать) применительно к отдельному электроприемнику (изделию — станку, насосу, печи и др.), то такая постановка вопроса правильна. Но ее директивно распространяли и распространяют сейчас на совсем иные системы — техноценозы (участки, отделения, цеха, про­изводства, предприятия в целом). А это уже ошибочно, так как для ценозов характерны специфические свойства;.обязательное наличие изменяющейся постоянной составляющей электропотребления; отсут­ствие средней величины А для производства одного назначения, но образующих разные ценозы; нелинейное изменение постоянной состав­ляющей и А при изменении объемов производства или внешних условий.

Намечающиеся изменения в нормировании и определении парамет­ров электропотребления на перспективу математически будут опирать­ся на композицию гауссова распределения для нормально работающих агрегатов (участков, отделений, цехов, отдельных зданий и сооруже­ний) и Н-распределения, характеризующего растянутый "хвост" — об­ласть неудовлетворительной работы, ведущей к перерасходу электри­ческой энергии. Получасовой максимум и суточное электропотребление

по заводу в целом могут служить при создании системы диспетчеризации управления электроснабжением для оценки ритмичности производ­ства (технологическим руководством) и величины энергозатрат (в период падения производства снижение электропотребления про­исходит почти вдвое медленнее, что обусловливает рост удельных расходов).

Принимаемый закон по энергосбережению предусматривает органи­зационные, экономические, учетно-контролирующие решения и норма­тивно-правовые акты и механизмы, которые обеспечат снижение энер­гоемкости валового национального продукта. Это возможно, если бу­дет реализован новый подход, опирающийся на системное техноценоло-гическое моделирование структуры и развития электрического хозяй­ства промышленного объекта. Такой подход особенно необходим для предприятий, которые используют возможность снижения оплаты за электроэнергию при переходе к декларированию энергобаланса, прогно­зированию основных и вспомогательных показателей электрохозяй­ства, изменению удельных расходов в условиях многономенклатурного производства.

Подход к электроснабжению промышленных предприятий от 6УР вниз может измениться, если получит развитие тенденция, вытекающая из количественных ограничений Н-распределения и заключающаяся в стремлении потребителей иметь собственные источники питания. Для крупных и средних промышленных предприятий речь идет о строитель­стве тех или других собственных электростанций, которые будут покры­вать переменную или часть базовой нагрузки так, что оплата за заяв­ленный, но неиспользованный максимум будет отсутствовать. Такая тенденция объясняется тем, что величина тарифов за заявленный полу­часовой максимум непропорционально велика, в то время как для соб­ственного источника питания определяющей является лишь топливная составляющая стоимости энергии.

Существенно изменяется подход к технико-экономическим расчетам в системах электроснабжения. И дело не только в несопоставимости цен для разных интервалов времени. Само понятие о народнохозяйственной эффективности для частника и самостоятельного предприятия не имеет смысла; речь идет о возможной прибыли, об окупаемости и надежности капитальных вложений. Из учебника исключены все укрупненные пока­затели стоимости и обширные статистические материалы, использовав­шиеся проектировщиками ранее. Сохранен принцип расчета экономиче­ской эффективности, который может быть использован в новых усло­виях.

Кардинально изменился подход к созданию систем автоматизиро­ванного проектирования САПР. Стало очевидно, что намечавшаяся в стране глобальная система САПР-Электро и не могла быть реализована (это же относится ко всем ведомственным системам, таким как САПР-

Чермет. Автор с 1976 г. и особенно с 1985 г. доказывал, что такие си­стемы и в принципе не могли быть созданы). Приведенные в учебнике сведения по САПР-Электро представляют собой алгоритм выполнения проекта в ручном или машинном варианте и поэтому не требуют из­менения. Переход на персональную компьютерную технику (сети) и использование мощных центральных процессоров дают возможность индивидуальной работы каждому проектировщику. Задача автоматиза­ции проектирования в этом случае формулируется как высокая готов­ность специалиста работать с имеющимися стандартными пакетами, которые обеспечивают текстовую и графическую часть, создание ин­формационных банков, возможность выполнения расчетов, предусмот­ренных курсом "Электроснабжение промышленных предприятий". Речь идет об индивидуальных директориях, индивидуальных банках показателей и графических изображений с возможностью выхода в не­которую сеть. В ближайшие пять лет даже для оснащенных достаточ­ным количеством вычислительной техники проектных организаций не ожидается полный выпуск проектной документации с работой по се­тям из-за различия в программном и лингвистическом, методическом, техническом, организационном и финансовом обеспечениях. Возникает необходимость в создании некоторой классификации, кодировании,-защиты от несанкционированного доступа. Внедрение этого дало бы возможность по-иному изложить раздел САПР-Электро.

В течение 1993-94 гг. в стране вышел ряд документов, регламенти­рующих взаимоотношения энергосистем и предприятий. В частности, с 01.01.94 действуют новые "Правила применения скидок и надбавок к тарифам на электрическую энергию за потребление и генерацию реак­тивной мощности". Надбавки взимаются за потребление реактивной мощности и (или) энергии, превышающей установленные в договоре экономические значения, и за генерацию реактивной энергии в сеть. Потребление реактивной мощности и (или) энергии в диапазоне от нулевого до экономического значения надбавками не облагается. Скид­ки предоставляются за потребление реактивной энергии из сети: а) в ча­сы ее малых нагрузок в случае, если энергоснабжающая организация устанавливает такие часы в договоре; б) сверх установленных в дого­воре экономических значений в периоды специальных режимов работы компенсирующих устройств в случае, если такие периоды установлены договором.

Учет реактивной мощности в часы максимальных нагрузок энерго­системы, осуществляемый у потребителей, рассчитывающихся за элект­роэнергию по двухставочному тарифу, должен производиться с помощью счетчиков или других приборов учета, фиксирующих 30-минутный мак­симум реактивной нагрузки в часы максимальных нагрузок энергоси­стемы. При нескольких питающих линиях за расчетную реактивную мощность принимается 30-минутный максимум суммарной реактивной нагрузки, определяемый специальным устройством - сумматором.

При отсутствии учета потребления реактивной мощности и энергии их значения для промышленных потребителей принимают равными 0,8 потребления активной мощности и (или) энергии.

В настоящее время рассматривается вариант или второго издания этого учебника с необходимыми дополнениями и изменениями для специальности 18.13 "Внутризаводское электрооборудование", или вы­пуска базового учебника "Теоретические основы электроснабжения" с привлечением ведущих специалистов стран СНГ для написания каж­дым из них соответствующих разделов.