Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие горнодобывающих отраслей промышленности является одним нз основных приоритетов структурной политики углубления экономических реформ на нынешнем этапе.
Повышение эффективности горного производства предусматривает интенсификацию горных работ за счет применения новых горных машин с увеличением их мощностей, развитием электрификации, автоматизации іг роботизации производственных процессов.
Развитие электрификации горного производства обусловлено дальнейшим углублением знании о процессах в системах электроснабжения горных предприятий (СЭГП).
Многообразие технологических факторов приводит к разнообразию структур электрических сетей и режимов работы, поэтому процесс проектирования СЭГП должен учитывати их целевое назначение, условия окружающей среды, ресурсы, выделяемые на их создание и функционирование, в том 'числе количество и качество потребляемой электроэнергии.
Особенностями СЭГП, наряду с относительно небольшими размерами, отсутствием сложнозамкнутых схем, являются сложность н информационная неопределенность режимов, динамичность состояний, вероятностный характер нагрузсч, их сложный спектральный состав, повышенная повреждте-мость оборудования и более значимые экономические последствия повреждений.
Производственные процессы ГП, нх высокая пространственно-временная динамичность являются источником специфических процессов в СЭГП— процессов статистической динамики, что определяет необходимость анализа режимов работы СЭГП во временной и частотной областях, с обязательным условием универсальности применяемых м?тодсв.
Сложность процессов, влияние многих факторов, учет имеющихся многокомпонентных ресурсов и необходимость принятия обоснованных и оперативных решен-'н в любой период жизненного цикла СЭГП предполагают использование при проектировании и эксплуатации СЭГП методов систем-
ного анализа (SADT), ЭВМ (CAD), вычислительного эксперимента. Совокупность этих методов, поддерживаемых инструментальными вычислительными системами, позволяет повысить качество принимаемых решений при минимальных материальных, энергетических и информационных затратах if является основным содержанием качественно новой методологии.— системного проектирования (СП) СЭГП.
В связи с изложенным, теоретическое обобщение существующих и разработка новых методов системного анализа и -проектирования оптимальных СЭГП, построение представительного и операционного набора предметно-ориентированных алгоритмов вычислительного эксперимента и оптимизации СЭГП могут быть квалифицированы как определенный вклад в развитие теории электрификации горного производства.
Связь темы диссертации с государственными научными программами
Работа выполнялась по заданиям общесоюзных государственных и отраслевых программ: «Программой САПР,» Минвуза РСФСР, планами важнейших ПИР Госкомитета по делам науки и высшей школы РСФСР (темы 47.01/02, 47.02/85) Сводного плана важнейших НИР по комплексной научно-технической проблеме САПР), программами ГКПТ СССР 0.05.02, 0.05.09.
Диссертационная работа является составной частью выполненных по данным программам исследований: отчеты СКГМИ 02850004012 (1984 г.), 02850063731 (1985 г.), 02860023214 (1985 г.), 02860091070' (1986 г.), 02890042182 (1987 г.), 02890059116 (1989 г.), 02900059217 (1990 г.).
Целью работы являются разработка концепции системного проектирования электроснабжения ГП, установление закономерностей формирования и развития СЭГП, разработка новых методов анализа процессов в них, позволяющих повысить эффективность функционирования в результате принятия оптимальных проектных решении с учетом имеющихся ресурсов, в условиях сгохастнчностп и высокой пространственно-временной динамичности внешней среды (горно-геологических факторов, способов технологи1)!, средств механизации и т. д.).
Идея работы заключается в том, что системное проектирование СЭГП должно основываться на применении методов системного анализа, вычислительного эксперимента на базе разработанных математических моделей и программного обеспечения процедур принятия оптимальных проектных решений, повышающих эффективность использования электроэнергии на ГП.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Концепция системного анализа и вычислительного эксперимента проектирования СЭГП, основанная на использовании адекватных моделей их элементов, учитывающих сто-хастичность и динамику'внешней среды.
-
Метод идентификации и синтеза моделей элементов СЭГП, основанный на использовании импульсных переходных функций (ИПФ) при создании адекватных электрических цепей (АЭЦ).
-
Метод расчета режимов работы СЭГП, учитывающий стохастический и сложный спектральный состав сигналов в электрических сетях (ЭСГП) и основанный на тензорном представлении сети.
-
Методы системного проектирования и параметрической оптимизации ЭСГП в условиях ограниченных многокомпонентных ресурсов, учитывающие многообразные, нелинейные критерии эффективности и ограничения.
-
Математическая модель синтеза ЭСГП оптимальных конфигураций, учитывающая различные критерии эффективности и нелинейные зависимости оценок ветвей от токорас-ііределения в сети и метод информационного анализа структур ЭСГП.
G. Статистические закономерности процессов повреждаемости горно-шахтного электрооборудования, позволившие обосновать математические модели процессов его функцію нирования и метод расчета показателей эффективности функционирования СЭГП, оптимального резервирования элементов СЭГП, временных характеристик оптимальных стратегий профилактики электрооборудования.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
представительным объемом статистического материала, позволившего получить оценки результатов исследований с доверительной вероятностью более 0,9 при точности не менее 0,05;
удовлетворительной сходимостью результатов вычислительных экспериментов с экспериментальными данными (погрешность не более 5%);
положительными результатами внедрения основные алгоритмов и программ в практику проектирования и эксплуатацию электрических систем и сетей горных предприятий.
Научная новизна результатов исследований заключается в:
— разработке концепции применения методов системного анализа и вычислительного эксперимента при проектировании оптимальных СЭГП;
разработке математических моделей элементов и процессов' СЭГП, учитывающих стохастичность и динамику внешней среды; метода идентификации моделей элементов СЭГП с помощью ИПФ, метода синтеза АЭЦ, позволяющих повысить точность и достоверность результатов анализа режимов ЭСГП;
разработке научных основ методики анализа режимов ЭСГП во временной и частотной областях, статистического, спектрального анализа объектов предметной області! (ПрО) СЭГП и установлении их тензорного характера;
теоретическом обосновании методов анализа эффективности оптимизационных алгоритмов СП СЭГП, позволяющих принимать решения по выбору рациональных оптимизационных алгоритмов при проектировании СЭГП;
разработке математических моделей и вычислительных процедур СП оптимальных ЭСГП при разнообразных, нелинейных целевых функциях и ограничениях, позволяющих обоснованно и рационально использовать технические и финансовые ресурсы;
теоретическом обосновании методов параметрической оптимизации ЭСГП при разнообразных комбинациях целевых функций и многокритериальной оптимизации, позволяющих принимать обоснованные проектные решения;
теоретическом обосновании и разработке метода построения оптимальных конфигураций ЭСГП при нелинейных оценках характеристик ветвей сети, с учетом горно-геологических, технологических факторов и различных критериев оценки эффективности сети;
теоретическом обосновании методов информационного анализа и оптимизации структур ЭСГП на основании полуденных информационных оценок, позволяющих улучшить качество принимаемых решений .при проектировании СЭГП;
теоретическом обосновании комплекса мер по повышению эффективности функционирования СЭГП на основании 'выявленных статистических закономерностей процессов повреждаемости горно-шахтного электрооборудования, позволяющих принимать обоснованные решения с учетом фактического состояния элементов и используемых конфигураций сетей.
Научное значение работы состоит в разработке концепции применения методов системного анализа и вычислительного эксперимента при проектировании СЭГП; построении теоретико-множественной модели функционирования СЭГП; разработке математических моделей элементов СЭГП, учитывающих процессы статистической динамики1; получении ИПФ элементов СЭГП и синтезе АЭЦ; установлении тензорного характера объектов ЭСГП и разработке математического обеспечения методов анализа режимов ЭСГП при снг-
налах сложных форм, стохастических и динамических процессах; теоретическом обосновании методов анализа эффективности оптимизационных алгоритмов СП СЭГ'П; создании математических моделей и процедур проектирования оптимальных ЭСГП при разнообразных, нелинейных целевых функциях и ограничениях; разработке метода информационного анализа структур ЭСГП, получении оценок процесса структуризации сетей, структурной энтропии их изоморфных и неизоморфных графов, процедур оптимизации структур ЭСГП на основании полученных оценок; установлении статистических свойств и закономерности процессов повреждаемости горно-шахтного электрооборудования, теоретическом обосновании комплекса мер повышения эффективности функционирования СЭГП.
Совокупность разработанных теоретических положений является новым достижением в развитии теории электрификации горных предприятий и позволяет осуществлять на их основе повышение эффективности использования электроэнергии на горных предприятиях.
Практическое значение работы состоит в разработке методик анализа и моделирования режимов работы элементов СЭГП в условиях статистической динамики с использованием статистического и имитационного моделирования сигналов; системного проектирования ЭСГП при разнообразных критериях и ограничениях; параметрической оптимизации ЭСГП при нелинейных критериях и ограничениях; синтеза ЭСГП оптимальных конфигураций; повышения эффективности функционирования СЭГП с учетом процессоз повреждаемости электрооборудования.
Разработанные методики явились основанием для создания программных комплексов диалогового автоматизированного проектирования электрических сетей горных предприятий; имитационного моделирования и анализа режимов электрических сетей с расчетом рабочих и аварийных режимов; энерго-математического моделирования технологических процессов на открытых горных работах.
Разработанные программные вычислительные комплексы в виде отдельных подсистем реализованы на ЕС ЭВМ, микро- и персональных ЭВМ: программные вычислительные подсистемы «Модель», «Сеть», «Оптимум-1», «Оптимум-2»; инструментальная вычислительная система автоматизированного проектирования технологических процессов открытых горных работ, включающая энерго-математические модели; комплекс программ САПР СЭГП-микро.
Реализация результатов работы. Методики системного проектирования ЭСГП при разнообразных критериях и ограничениях; параметрической оптимизации ЭСГП при нелинейных критериях и ограничениях; синтеза ЭСГП оптимальных
конфигураций в виде документации («Система автоматизированного проектирования электрических сетей торных предприятий: Комплект программной документации») и программный комплекс диалогового автоматизированного проектирования электрических сетей горньгх предприятий внедрены Государственным проектным и научно-исследовательским институтом «Гипроникель» (Санкт-Петербург), Институтом горного дела им. А. А. Скочинского (Москва), институтом «Кавказгипроцветмет» (г. Владикавказ), Всесоюзным научно-исследовательским и проектным институтом «Тяжпром-электропроект» (г. Волгоград), институтом «ЮжНИИгипро-газ» (г. Донецк), Тырныазтзским вольфрамо-молибденовым комбинатом, Норильским горно-металлургическим комбинатом.
Методика анализа и моделирования режимов работы элементов СЭГП в условиях статистической динамики с использованием статистического и имитационного моделирования сигналов и программный комплекс имитационного моделирования режимов электрических сетей угольных разрезов внедрены Институтом горного дела им. А. А. Скочинского.
Методика повышения эффективности функционирования СЭГП, учитывающая процессы повреждаемости электрооборудования, и программное обеспечение анализа режимов электрических сетей с расчетом рабочих и аварийных режимов внедрены на Тырпыаузском вольфрамо-молибденовом комбинате.
Программное обеспечение энерго-математического моделирования технологических процессов на открытых горных работах и комплект программной документации («Специальное программное обеспечение «Технология») внедрены Институтом горного дела им. А. А. Скочинского.
Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при чтении лекций по курсам дисциплин электротехнического профиля (спец. 10.0-4.01, 10.04.04), при выполнении учебно-исследовательских и научно-исследовательских студенческих работ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на III Международном симпозиуме по ТОЭ (Москва, 1985), VIII, IX, XI, XII научно-методических семинарах «Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике» (Куйбышев, 1984), (Иваново, 1985), (Новочеркасск, 1987), (Челябинск, 1989), Республиканской научно-технической конференции «Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике» (Иваново, 1991), межвузовском научно-методическом семинаре «Математические модели и вычислительная техника в управлении учебным процессом высшей школы» (Рига, 1986), 1-й Всесоюзной научно-технической конференции «Электробезопасность на горііо-
"рудных предприятиях черной металлургии СССР» (Днепропетровск, 1975), Всесоюзной научно-технической конференции «Современное взрывозащищенное оборудование» (Донецк, 1975), научно-методическом семинаре отделения технической кибернетики АН Молд. ССР «САПР электрических сетей» (Кишинев, 1985), Всесоюзном научно-техническом совещании «Актуальные задачи развития Южно-Якутского угольного, Канско-Ачннского и Экнбастузского топливно-энергетических комплексов» (Москва, 1984), II Всесоюзной межвузовской конференции по проблемам охраны труда (Казань, 1974), Республиканской научной конференции «Развитие производительных сил СОАССР до 2000 г.» (Орджоникидзе, 1985), XXVII научно-технической конференции Новочеркасского политехнического института (Новочеркасск, 1978), научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и промышленных установок» (Пермь, 1977), Всесоюзной научно-технической конференции «Экономические параметры горных предприятий будущего» (Москва, 1976), научно-технической конференции Московского горного института (Москва, 1974), научно-технических конференциях Северо-Кавказского горно-металлургического института (Орджоникидзе, 1977—1990), Новополоцкого политехнического института (Новополоцк, 1979—1981), Всесоюзном научно-методическом совещании (Кыштым, 1991), Республиканском научно-методическом совещании «Компьютеризация учебного процесса» (Астрахань, 1992).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 64 научные работы.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов н заключения, изложенных на 435 страницах машинописного текста, содержит 221 рисунок и 12 таблиц, список использованной литературы из 259 наименований и приложения.
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту— проф., до'кт. техн. наук В. И. Щуцкому за методическую помощь при подготовке и завершении диссертации.
