Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы определения электрических нагрузок . 9
1.1.Развитие методов расчета электрических нагрузок.
1.2. Анализ метода упорядоченных диаграмм. 20
1.3 Определение параметров электропотребления на высших уровнях СЭС.
1.4 Комплексный метод определения параметров электропотребления .
1.5. Стадийность проектирования в новых экономических условиях и принятие решений по системе электроснабжения
1.6. Проблемы черной металлургии на текущем этапе развития
2. Определение удельных расходов на ранних стадиях проектирования .
2.1 Анализ электрических показателей банка данных "Черметэлектро"
2.2 Определение удельных расходов с применением многомерной регрессии
2.3 Метод идентификации по удельным расходам. 95
2.4 Реализация метода идентификации по удельным расходам на примере БД "Черметэлектро".
3. Моделирование структуры и ценологических свойств систем электроснабжения .
3.1. Ценологический подход к изучению систем. 127
3.2. Математические модели формирования структурного разнообразия систем.
3.3 Использование моделей формирования структуры систем для различных типов распределений .
3.4. Модель разнообразия начальных рангов. 157
3.5 Теоретические следствия модели «идеальной» гиперболы.
3.6 Использование моделей «идеальной» гиперболы 169
4. Определение электропотребления предприятии с использованием ценологических структурных закономерностей
4.1. Определение электропотребления предприятий 184
с использованием «идеальной» ПР гиперболы.
4.2. Определение электропотребления предприятий с использованием «идеальной» HP гиперболы .
4.3. Метод структурообразующих рангов. 194
4.4 Прогнозирование электропотребления с 209
использованием метода структурообразующих рангов
5. Определение электропотребления предприятий с использованием ценологических структурных закономерностей при нехватке информации по начальным рангам .
5.1 Определение теоретических пределов погрешностей при нехватке информации.
5.2 Определение электропотребления при пропуске рангов.
5.3 Применение метода структурообразующих рангов при пропуске начальных рангов
6. Основные электрические показатели предприятия 237
6.1 Анализ основных электрических показателей предприятий.
6.2. Определение максимальной мощности 244
предприятий.
Заключение 253
Литература 255
- Комплексный метод определения параметров электропотребления
- Определение удельных расходов с применением многомерной регрессии
- Использование моделей формирования структуры систем для различных типов распределений
- Определение электропотребления предприятий с использованием «идеальной» HP гиперболы
Комплексный метод определения параметров электропотребления
Ранее для трансформаторов Тизо=8 С, а формула (1.7) получила название «восьмиградусное правило»: срок службы изоляции трансформаторов изменяется в два раза при изменении температуры на восемь градусов. Для других видов проводников, изоляции изменение срока службы в два раза вызывается изменением температуры от пяти до пятнадцати градусов: например, для современных трансформаторов известно «шестиградусное правило». В связи с указанными факторами были введены понятия допустимого тока проводника по допустимой (максимальной) температуре - Ід и по допустимому тепловому (химическому) износу изоляции - 1ди. В зависимости от материала, вида проводника и изоляции соотношение указанных токов может оказаться разным. Однако в нормативных документах /24 6/ в качестве длительно допустимого тока проводника указан Ід, что вызвано рядом причин: трудностями определения 1ди из-за его зависимости от тока, предшествующего максимальному, из-за многообразия материалов и видов изоляции и ряда других.
Таким образом, принципиально задача определения допустимости применения различных проводников для протекания неизменного известного тока успешно и достаточно строго решена с использованием классических физических законов. Конкретная реализация решения не представляет трудностей при использовании современных средств вычислительной техники. В нормативных документах, справочной литературе представлены зависимости допустимого тока от факторов, характеризующих параметры проводника в уравнении энергетического баланса: материал, вид проводника, способ, вид и условия прокладки.
При изменяющимся во времени токе, температура проводника в любой момент времени может быть определена через тепловой эквивалент реального тока - это такой неизменный по величине ток, который вызывает тот же перегрев проводника над окружающей средой, что и реально изменяющийся ток. Определение эквивалентного тока связано с временем осреднения Тоср=3 То. За указанное время при не изменном токе проводник достигает 95 % от установившейся температуры, в соответствии с (1.3). С точки зрения выбора проводника нас интересует тепловой эквивалентный ток, соответствующий максимальной температуре нагрева проводника, так называемый «греющий максимум» или расчетный ток. Так как основная трудность РЭН состоит в определении активной мощности, то соответственно вводят понятие расчетная мощность Рр, связанной с расчетным током известным соотношением. Расчетная мощность Рр - это максимальная мощность Рм при соответствующем интервале осреднения (более подробно понятие «максимум мощности» будет рассмотрен в разделе 2.1) При известном графике изменения тока (мощности) , определение расчетного тока не представляет труда. Однако, определение расчетного тока для всего многообразия нагрузки, то есть разнообразных электроприемников (ЭП) и режимов их работы, которые встречаются в инженерной практике, представляет значительные трудности и получило название - расчет электрических нагрузок (РЭН).
Так как цели и методы РЭН отличаются для разных уровней СЭС удобно использовать терминологию, предлагаемую в /151,152,159/, аналогичное выделение уровней используется в /265/.Выделяют шесть уровней СЭС: отдельный ЭП - 1УР, групповой щиток питания, распределительный пункт до 1 кВ (РП) , шинопровод (ШП) - 2УР, распределительное устройство (РУ) низкого напряжения цеховой трансформаторной подстанции - ЗУР, РУ высокого напряжения (6-10 кВ) - 4УР, РУ 6-10 кВ ГПП-ПГВ - 5УР, граница раздела с энергосистемой - 6УР.
В наиболее простом виде РЭН и выбор проводников были представлены в первых отечественных учебниках: в 1915 году вышел учебник В.В.Дмитриева «Электрическое распределение механической энергии на фабриках и заводах», в 1925 году - учебник С.А.Ринкевича «Электрическое распределение механической энергии» /251/. Наиболее простым и одним из первых методов РЭН для группы ЭП, пожалуй, следует считать метод коэффициента спроса - Кс, предложенный в 1891 году английским электротехником Р.Э.Б.Кромптоном /254/: Рр=Кс Руст, (1.8) где Руст" установленная мощность электроприемников (в общем случае - сумма номинальных мощностей), кВт.
В нашей стране на практике этот метод начал применять с 1936 года Ю. Л .Мукосеев, с определением Кс по результатам обследования действующих предприятий, а в 1940 году Ю.Л.Мукосеев для цехов малого и среднего машиностроения предложил метод удельной нагрузки на единицу площади /216/:
Определение удельных расходов с применением многомерной регрессии
Можно указать на различную достоверность параметров электропотребления, получаемых из отчетности предприятия. Наиболее достоверным показателем является общее электропотребление предприятия - Wr, кВтч, так как фиксируется фактическое значение по счетчикам коммерческого учета. Не менее «надежное» значение Vj, т - объема выпускаемой і-той продукции, который также жестко связан с коммерческими расчетами и входит в разнообразные формы отчетности.
Существующая на конкретном предприятии система учета ЭЭ приводит к достоверному удельному общезаводскому (общепроизводственному) расходу ЭЭ wir кВтч/т в БД. Удельные расходы определяются как отношение фактического расхода энергии на соответствующем уровне СЭС на производство данного вида продукции (или работы) к общему количеству произведенной продукции (или выполненной работы) в принятых при планировании и учете единицах измерения /233/. Удельные расходы ЭЭ являются наиболее важным показателем для проектирования. При известных планируемых объемах выпуска продукции проектируемого производства знание достоверных удельных расходов позволяет определить расходы ЭЭ на производство. Поэтому решение задачи определения параметров электропотребления начнем с определения достоверных значений удельных расходов ЭЭ на ранних стадиях проектирования.
Проанализируем существующие статистические данные. В зависимости, какие расходы ЭЭ используются при определении, различают удельные расходы: общезаводские, общепроизводственные, цеховые, агрегатные. В БД представлены общезаводские удельные расходы ЭЭ на производство вида продукции, входящие в отчетность предприятия. Они включают в себя расход ЭЭ на все сопутствующие непосредственно производству нужды (водоподготовка, осушка и разделение воздуха, столовая и т.д.) учитывают расходы на основные и вспомогательные технологические процессы, на вспомогательные нужды производства, а также потери энергии в преобразователях и электрических сетях предприятия. Подробнее они будут рассмотрены в разделе 2.2.
Проблемы определения расходов ЭЭ на производство основных видов продукции не существовало бы, если удельные расходы на один и тот же вид продукции на разных предприятиях были бы близки друг к другу, то есть имели бы незначительный разброс. Тогда можно сразу определить годовое электропотребление проектируемого предприятия на производство основных видов продукции: N Wro = wicp-Vi (2.1) 1=1 где wicp - средний удельный расход ЭЭ на выпуск і-й продукции, по предприятиям отрасли, кВтч/т; V± - объемы выпускаемой продукции, известные из технического задания на строительство предприятия, т; N - количество основных видов продукции, шт.
Так как структура предприятий, номенклатура выпускаемой продукции, условия функционирования существенно различны, то и величины удельных расходов на выпуск одинаковых видов продукции на разных предприятиях отличаются существенно. В результате, приходим к положению впервые с формулированному проф. Кудриным Б.И.: удельные расходы ЭЭ по одинаковым агрегатам на разных предприятиях близки друг к другу, а удельные расходы по заводу, производству, цеху на разных предприятиях, могут отличаться значительно. Указанное положение все больше находит понимание в среде ученых и практиков /223, 224/. Так анализ БД предприятий черной металлургии /1/ показал, что удельные общезаводские расходы на разных предприятиях за разные годы могут значительно отличаться: агломерат - в 14,1 раза; чугун - в 36; электросталь - в 1,9; кокс - в 7,5; конвертерная сталь - в 17; мартеновская сталь - в 10,1; метизы - в 112; огнеупоры - в 17,5; окатыши -в 2,5; прокат - в 3,5; руда железная товарная - в 20,7; руда марганцевая - в 8,5; трубы стальные - в 25,5 раза. Более подробные результаты анализа сведены в табл. 2.1.
Причем динамика изменения удельных расходов для разных предприятий может быть прямо противоположена. Так на рис. 2.2 показаны примеры изменения удельных расходов за указанный период на производство чугуна и проката на разных предприятиях отрасли. Можно видеть и увеличение, и уменьшение, и, практически, неизменные величины удельных расходов, наблюдаются и резкие изменения. Что противоречит устоявшимся представлением об уменьшении удельных расходов во времени.
Использование моделей формирования структуры систем для различных типов распределений
Сделаем небольшое отступление, связанное с малой распространенностью указанного подхода. Эмпирически обнаруженные зависимости, характеризующие структуру больших систем - ценозов, оказалось имеют «негауссовские» свойства. С эмпирической точки зрения это объясняется эффектами концентрации и рассеяния. Например, 60%-70% электродвигателей предприятия принадлежат 10% видов (здесь - типов, марок), или на 5%-10% видов продукции,. выпускаемых предприятием, расходуется 60%-70% от общего электропотребления, т.е. наблюдается концентрация в более узком диапазоне, чем при гауссовском распределении. С другой стороны, оставшиеся 30%-40% двигателей представляют 90% видов (типов, марок), 30%-40% общего расхода ЭЭ предприятия приходится на остальные 90%-95% видов, выпускаемой продукции, т.е. в отличие от гауссова распределения здесь наблюдается длинный "хвост".
Оказалось, что эмпирически полученные зависимости хорошо описываются математической теорией, созданной независимо от практических исследований. Она носит название теории устойчивых распределений и разработана математиками в середине 20 века, а ее создатели: П. Леви, А. Я. Хинчин /303/, Б.В. Гнеденко, А.Н. Колмогоров /4 4/ и др. Первые работы, по установлению связи таких распределений с законом Ципфа, выполнены Б.Мандельбротом. Исследования суммы случайных величин, количество которых стремится к бесконечности, определили условия, когда распределение суммы этих величин сходится к гауссовому (как предельного для суммы случайных величин с конечной дисперсией), а в каких случаях к негауссовым распределениям (с бесконечной дисперсией), и не подпадающих под действие центральной предельной теоремы /148, 360, 370/. Поэтому Н-распределения (3.1)-(3.4) являются эмпирическим проявлением целого класса негауссовых распределений, существование которых доказано теоретически /240/. В частности, системы, описываемые такими распределениями нельзя характеризовать средними величинами (математическим ожиданием) и дисперсией, что является естественным при традиционном подходе.
Справедливость применения Н-распределения в виде (3.1)-(3.4) для моделирования структуры ценозов, кроме примеров в разных областях знания показанных выше, подтверждается огромным статистическим материалом в сотнях публикаций, посвященных анализу структуры систем электроэнергетики, энергосистем и отраслей промышленности России, электрохозяйства промышленных предприятий различных отраслей, разнообразие электрических аппаратов, электрических машин в СЭС предприятий, электропотребление структурных подразделений предприятий, энергоисточников войсковых соединений и др. - примеры работ /42, 99, 105, 125, 148, 177, 179, 182, 214, 235, 249, 252, 296, 304/.
С одной стороны указанное направление в науке является междисциплинарным по своей сути, так как предполагает наличие единых структурных закономерностей для систем-ценозов любой природы. С другой стороны к настоящему моменту времени нельзя признать законченными создание теоретических основ данного направления. Поэтому у нас в стране продолжаются исследования, направленные на теоретическое осмысление, описание обнаруженных закономерностей специалистами совершенно разных областей знания (примеры работ): к.ф.-м.н., д.филос.н. Шрейдер Ю.А. /318/, д.т.н. Кудрин Б.И. /148,161/, к.т.н. Хайтун /299,300/, к.биол.н. Левич А.П. /186/, к.т.н. Чайковский Ю.В. /305/, к.т.н. Яблонский А.И. /323/, к.ф.н. Орлов Ю.К. /231, 232/, д.ф.-м.н. Трубников Б.А. /280/, к.ф.-м.н., Крылов Ю.К. /161/и другие. Наряду с этим, на основе обнаруженных закономерностей разрабатываются прикладные методы, решающие конкретные практические задачи. В области техники такие работы в стране выполняются учеными научной школы профессора Б.И. Кудрина (примеры таких работ показаны выше). А так как данное направление находится на этапе становления, то разработка прикладных методов в ряде случаев приводит к необходимости решения теоретических вопросов: Гнатюк В.И. - оптимизация структуры техноценозов /42/, Фуфаев В.В. - динамика показателей и структуры техноценозов /296/, Лагуткин О.Е., Ошурков М.Г. - прогнозирование параметров техноценозов /17 9, 304/, Жилин Б.В. - закономерности параметров разнообразия ценозов, «идеальная гипербола» /105/ и др.
Таким образом, обнаруженные ранее явления устойчивости структуры систем ценологического типа, позволяют говорить о фундаментальном свойстве природы в организации больших систем. В данном направлении ведутся интенсивные разработки учеными разных специальностей. Тем не менее, законченной теоретической базы ценологического подхода не создано, но возможна разработка методов, опирающихся на такой подход. В частности, для определения параметров электропотребления предприятия в целом, при неизвестном полном перечне видов продукции невозможно применение традиционных методов. Но так как СЭС крупных предприятий отвечают признакам, характерным для техноце-нозов, то возможно использование ценологических закономерностей структуры.
Определение электропотребления предприятий с использованием «идеальной» HP гиперболы
Можно видеть (рис. 4.1), что даже при существенном изменении структуры расходов ЭЭ применение «идеальной» РНР гиперболы показывает хорошую точность в определении электропотребления предприятия в целом. Заметим, что погрешность снижается в периоды стабильной структуры расходов ЭЭ (1970-1973 г.г. и 1984-1990 г.г.), хотя между собой такие структуры отличаются существенно. Так как проектирование системы электроснабжения осуществляется для максимальной загрузки технологического оборудования, то есть, в этом смысле, для стабильных условий, следует ожидать соответствия структуры электропотребления «идеальному» Н-распределению.
Таким образом, предлагаемый подход, основанный на устойчивости соотношений параметров структуры ценозов, показывает хорошую адекватность при существенно различных условиях, в широком диапазоне исходных данных. Это позволяет использовать его при разработке метода определения электропотребления предприятий по известной структуре расходов ЭЭ начальных рангов.
Ранее было показано, что, используя «идеальную» ПР или РНР гиперболу, удается подобрать такое единственное значение S за все годы функционирования предприятия, при котором обеспечивается достаточная точность определения электропотребления предприятия. Для применения «идеальной» ГЕР или РНР гиперболы необходимо определение S не из сравнения модельного и фактического электропотребления, как это делалось на проверочных выборках ранее, а по параметрам структурного разнообразия начальных рангов.
Следует заметить, что S, получаемое описанным выше. способом, зависит не только от фактического количества видов продукции, которое изменяется для разных предприятий. На параметр S оказывают влияние отклонения в структуре расходов ЭЭ от гиперболического распределения. Во-первых, такие отклонения могут быть вызваны нестабильным состоянием ценоза (реконструкции на предприятии, существенное изменение объемов производства.и т.п.). Во-вторых, искажения структуры проявляются при включении в начальные ранги не только самых больших расходов ЭЭ. Например, по данным аналитического обзора ОАО «Металлург-пром» за 1997 г. расход ЭЭ на подъем и подачу воды от всего промышленного электропотребления на предприятиях отрасли составлял: Тулачермет - 17,1%, ОАО Магнитогорский МК - 6,5 %, ОАО Н-Тагильский МК - 8,3%, ОАО ЗСМК -0,4%. Заметим, что этот показатель электропотребления отсутствует для ряда предприятий в БД /1/, и, соответственно, не использовался при определении суммарного электропотребления предприятий. Однако можно видеть, что на ряде предприятий, где указанные значения велики, отсутствие информации по ним могут вносить искажение в структуру расходов ЭЭ начальных рангов, то есть в основные ранги будут включены расходы ЭЭ с меньшими значениями.
В-третьих, известно, что такие отклонения теоретически предсказывались и наблюдаются в ценозах различной природы в форме волнообразных кривых, накладывающихся на гиперболу: в /199/ отмечается, что накладываются функции, медленно меняющиеся в смысле Карамата, и это является следствием предельной теоремы Гнеденко-Деблина для негауссовых распределений.
Очевидно, что формальное аналитическое описание влияния этих факторов отсутствует. Заметим, что влияние всех перечисленных факторов, вызывающих отклонения от гиперболического описания в общей структуре, проявляется тем сильней, чем меньше информации мы имеем о структуре начальных рангов (мало So) . Поэтому удовлетворительные результаты преобладают для предприятий, которые в БД представлены с So 4.
Для исключения влияния второго фактора анализировалось фактическое отношение (WI/WS0) DAKTV которое сравнивалось с рассчитанным отношением для «идеальной» гиперболы (WI/WSO)MOA/ которые сведены в табл. 4.4.
Если (WIAVSO)OAKT (WI/WSO)MO ТО последний расход ЭЭ WSo исключался из анализа, то есть So уменьшалось на единицу. В этом случае полагаем, что в исходных данных пропущен какой-то расход ЭЭ, величина которого больше известного WSo. Если (\УІАУ5О)ФАКТ (W1/WSO)M(W» ТО последний расход ЭЭ не исключался из рассмотрения, то есть So оставалось без изменения.
В случае проектирования нового предприятия указать на предпроектных стадиях реальное общее количество видов продукции S проектируемого предприятия - затруднительно. Учитывая тот факт, что параметр S при применении «идеальной» ПР или РНР гиперболы рассматривается как константа структуры, а не как реальное количество видов, определить эту величину на этапе проектирования эксперт-но - невозможно. Для решения этой задачи при использовании существующей информации, содержащейся в БД, при проектировании новых предприятий были произведены следующие исследования. Для предприятий, приведенных в БД /1/, после однозначного определения параметров «идеальной» гиперболы, параметр S определялся из условия минимизации ошибки за все годы эксплуатации фактического и модельного (получаемого по модели «идеальной» гиперболы) суммарного электропотребления.
