Введение к работе
Актуальность темы. Результаты экспериментальных исследований свиде-тельтвуют о повсеместном невыполнении требований ГОСТ 13109-97 на качество электроэнергии. Это приводит к перерасходу электроэнергии на 10-15% и значительному ущербу вследствие отказов электрооборудования (ЭО). В связи с несовершенством существующих методов расчета электрических нагрузок реальная загрузка трансформаторов на предприятиях составляет 25-30 %, что обуславливает значительный перерасход стали и проводникового материала.
Особую сложность представляет собой исследование резкопеременных процессов изменения напряжения сети и тока (мощности) нагрузки. Случайный характер указанных величин требует применения статистических методов и использования специализированной аппаратуры для автоматизации исследований. Существующие методы и средства определения параметров резкопеременных процессов недостаточно точны и оперативны.
Требования к повышению качества электроэнергии обусловлены распространением сложного электронного оборудования, АСУ ТП, роботов, вычислительной техники, станков с числовым программным управлением, чувствительных к изменениям напряжения питающих сетей. Внедрение в производство мощных прокатных станов, дуговых сталеплавильных печей большой мощности, прессов, сварочных машин и другой резкопеременной нагрузки существенно ухудшает качество электроэнергии. Организация совместной работы указанных электроприемников (ЭП) возможна при оперативном контроле показателей качества электроэнергии (ПКЭ) и исследовании их влияния на работу сетей и ЭО для выбора наиболее эффективных мероприятий по регулированию напряжения
Из-за несовершенства существующих методов расчета электрических нагрузок силовые трансформаторы, кабели и другие токоведущие элементы (ТЭ) систем электроснабжения (СЭС) выбираются со значительным запасом. Повышение загрузки трансформаторов всего на 1% в масштабах страны позволило бы отказаться от продукции целого трансформаторного завода, а эффект от такого мероприятия составил бы сотни миллионов рублей.
Эффективное исследование случайных процессов изменения различных физических величин в СЭС возможно с применением методов моделирования, которые начали развиваться в энергетике в конце сороковых годов. Применение теории моделирования позволяет решать задачи исследования процессов изменения параметров режимов в СЭС путем построения систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) и испытания и контроля объектов (АСКИО). Такой подход при решении одних задач позволяяет существенно снизить трудозатраты и время получения нужных результатов, а при решении других задач оказывается единственным. Актуальным в этой области является решение проблемы моделирования в реальном масштабе времени резкопеременных процессов изменения тока, мощности нагрузки, напряжения сети.
Актуальность диссертационной работы подтверждается уровнем планирования научно-исследовательских работ (НИР), выполненных по теме под руководством Ермакова В.Ф. по плану экономического и социального развития РСФСР на 1982 г., утвержденному Постановлением СМ РСФСР № 606 от 9.11.81 г., плану комплексной научно-технической программы (КНТП) ГКНТ СМ СССР ОЦ003 (этап И2 задания 03 подпрограммы 0.01.ІЗіГО. уїверядаиному Постановлением
J WC. нХционл
J вИБЛИОТЕКд
I С. Петербург Ал /I
ГКНТ Госплана СССР № 473/249 от 12 12.80 г.. плану КНТП Госстандарта СССР 1012 02.86 (задания 01 01.08 и 01.01.09 раздела 01), утвержденному Постановлением Госстандарта СССР № 147 от 28.11.85 г., отраслевым планам НИР Минэнерго СССР на 1982 год (позиция 13/02069) и 1984 г (позиция 36/02117), плану КНТП Минвуза СССР «Потери энергии и их компенсация», утвержденному приказом Минвуза СССР № 443 от 28.04.80 г., плану региональной КНТП «Дон» на 1997 -2000 гт (Развитие народного хозяйства Ростовской области вузовской наукой).
Работа выполнялась по плану НИР ЮРГТУ (НПИ) в качестве раздела
научного направления «Рациональное использование топливно-энергетических
ресурсов и повышение эффективности работы электроэнергетических систем», ,
утвержденного Минвузом РСФСР 22 04 86 г, в соответствии с разделом «Теория
вероятностей и математическая статистика» перечня № 2727л-П8 в области
приоритетных направлений фундаментальных исследований и разделом «Системы
математического моделирования» перечня № 2728п-П8 в области критических «
технологий федерального уровня, утвержденных Правительственной комиссией по научно-технической политике России 21 июля 1996 г.
Значительный вклад в обоснование актуальности, постановку и решение ряда
задач развиваемого автором научного направления внести советские ученые Азарь-
ев Д.И [20], Астахов В.И [21], Баркан Я.Д. [22], Бахвалов Ю А. [23], Бобнев М П.
[24], Братин СМ [25], БудзкоИ.А. [26], Бусленко Н.П. [27], Вагин Г.Я. [15, 28],
Веников В.А. [18, 29], Волобринский С.Д. [30, 31], Гладкий B.C. [32], Гнеденко Б В
[33], Гурвич И.С. [34], Гутенмахер Л.И [19, 35], Денисенко Н А. [36, 37], Жежелен-
ко И.В. [3, 7, 14], Железко Ю.С. [4], Иванов B.C. [38], Каждая А.Э [39], Каялов
Г.М. [31,39], Константинов Б.А. [12], Копылов И.П. [40], Кудрин Б И [8], Курен
ный Э.Г. [6, 28], Лоскутов А.Б. [41, 42], Маркушевич Н С. [2, 22], Мирский Г.Я. [9],
Музыченко А.Д. [43], Никифорова В.Н. [44], Окунцов Е И [45], Пухов Г.Е. [46],
Салтыков В.М. [47, 48], Солдаткина Л.А [2], Степанов В.П. [7], Тропин В.В. [49 -
51], Фокин Ю.А. [52], Цветков Э.И. [И], Четвериков В.Н. [53,54], Шидловс-
кий А.К [28] и другие, и зарубежные авторы Ailleret Р. [55], Aro Martti [56]. Bigi S
[57], Dzierzanowski W. [58], FenalioPI. [59], Gaussens P. [60, 61], GlimnA.E. [62],
Hatorien Mauri [56], Kendall P.Y. [63], KimuraH [64], banner V [65], MartzlofF.D.
[66], Meynaud [67],Missen L.G. [68],SennP. [69], Tendon M.L. [70],Torseke P.E. [65],
Van Ness J.E. [71],Watson J.F. [72], Wehrli Bernard [73], Zinguzi T. [74, 75] и другие. ,
Автором продолжена работа в области разработки статистических методов автоматизированного исследования случайных процессов изменения напряжения, тока и мощности в электрических сетях, в рамках темы диссертации решено 5 взаимосвязанных проблем.
Цель работы. Разработка статистических методов и средств автоматизированного исследования напряжения, тока и мощности в электрических сетях СЭС, позволяющих повысить точность выводов при исследовании резкопеременных процессов и осуществить наиболее обоснованный выбор мероприятий по оптимизации качества электроэнергии для снижения ее расхода и повышения надежности работы ЭО, а также повысить загрузку трансформаторов и токоведущих элементов.
Общей целью тесно взаимосвязаны поставленные и решенные в диссертации проблемы:
- автоматизированного контроля и накопления информации о ПКЭ и параметрах электрической нагрузки (ПЭН);
обобщенной оценки влияния резкопеременных изменений напряжения на режимы работы и параметры ЭО;
определения расчетной мощности резкопеременной нагрузки;
моделирования резкопеременных изменений напряжения, тока и мощности нагрузки в электрических сетях переменного и постоянного тока.
На защиту выносятся:
- классификация вероятностных распределений различных ПКЭ и ПЭН,
которые необходимо измерять при контроле качества электроэнергии и иссле
дованиях электрической нагрузки;
методы автоматизированного контроля ПКЭ и ПЭН;
методы обобщенной оценки влияния на различное ЭО колебаний напряжения по их размаху и длительности, а также выбросов и провалов напряжения по их площади и длительности;
- метод определения срока службы ЭО по начальным вероятностным
моментам соответствующего порядка напряжения сети или тока нагрузки;
метод определения расчетной мощности (тока) нагрузки с учетом инерционности процесса нагрева и нелинейности параметров токоведущих элементов систем электроснабжения;
метод многомерного статистического анализа нестационарной мощности нагрузки;
метод моделирования случайных процессов;
метод формирования случайных равномерно распределенных двоичных чисел;
обобщенные блок-схемы одномерных, условных и многомерных статистических анализаторов случайных процессов, а также устройств для аналогового и физического моделирования детерминированных и случайных процессов изменения напряжения, тока и мощности в сетях переменного и постоянного тока;
комплекс устройств для моделирования и статистического анализа случайных процессов в электрических сетях, разработанных на базе предложенных блок-схем;
датчики равномерно распределенных случайных двоичных чисел.
Область и объект исследований. Предметом исследований являются процессы изменения напряжения, тока и мощности в электрических сетях СЭС и параметры ЭО.
Методы исследований При выполнении работы использовались методы теории вероятностей и математической статистики, аппаратурного исследования случайных процессов, математического анализа, векторной алгебры, теории конечных элементов, теории планирования эксперимента, широко применялись эвристические методы синтеза микроэлектронных и гибридных устройств для моделирования и статистического анализа случайных процессов в электрических сетях.
Научная новизна работы. В работе предложены:
а) методы, автоматизированного контроля ПКЭ; многомерного исследования электрических нагрузок; оценки влияния на ЭО колебаний напряжения по их размаху и длительности, а также выбросов и провалов напряжения по их площади и длительности; определения срока службы ЭО по начальным вероятностным моментам соответствующего порядка напряжения сети или тока нагрузки; определения
расчетной мощности (тока) нагрузки с учетом инерционности процесса нагрева и нелинейности параметров токоведущих элементов СЭС; многомерного статистического анализа нестационарной мощности нагрузки; моделирования случайных процессов; формирования случайных равномерно распределенных двоичпых чисел,
б) способы получения статистических распределений ПКЭ; проведения
многоуровневого статистического анализа площади и длительности выбросов и
провалов напряжения; многомерного статистического анализа мощности нагрузки,
усредненной на различных интервалах; разделения и многомерного статистичес
кого анализа стационарной и нестационарной составляющих мощности нагрузки;
моделирования детерминированных и случайных процессов изменения напряжения
в сети переменного тока- прямоугольных, ступенчатых, треугольных и трапецие
видных изменений с варьируемыми амплитудой, крутизной, длительностью возму
щений и пауз между ними; получения физических моделей процессов изменения
полной мощности (тока) нагрузки индивидуальных и групповых ЭП в сети пере
менного тока;
в) обобщенные блок-схемы одномерных, условных и многомерных статис
тических анализаторов случайных процессов, а также устройств для аналогового и
физического моделирования детерминированных и случайных процессов изме
нения напряжения, тока и мощности в сетях переменного и постоянного тока;
Практическая полезность. На основе проведенных теоретических исследований для реализации предложенных методов созданы:
а) комплекс приборов для автоматизированного контроля ПКЭ: статисти
ческие анализаторы отклонений напряжения АОН, колебаний напряжения АКОН,
коэффициента несимметрии АКН, длительности провалов напряжения АДПН,
отклонений частоты АОЧ, колебаний частоты и фазы АКЧФ, параллельный статис
тический анализатор отклонений и колебаний напряжения АОКН-П; анализаторы
позволяют автоматически получать гистограммы и функции распределения (ФР)
измеряемых ПКЭ и предназначены для контроля соответствия качества электро
энергии в сетях промышленных предприятий и энергосистем нормативам ГОСТ
13109-97; применение приборов существенно снижает трудоемкость контроля
ПКЭ, повышает его оперативность, точность, позволяет снизить потери электро
энергии в сетях и повысить надежность работы электрооборудования СЭС;
б) многомерный статистический анализатор усредненной мощности на
грузки АМН-МУ, предназначенный для получения семейств ФР усредненной на
различных интервалах мощности нагрузки, его применение позволяет в результате
обследования электрических нагрузок уточнить значения коэффициента максиму
ма, учитывая различный сглаживающий эффект процесса нагрева выбираемых
токопроводов в зависимости от их сечения, а также определить фактический коэф
фициент загрузки токоведущих элементов, установленных в действующих СЭС;
в) устройства для моделирования резкопеременных процессов изменения на
пряжения и полной мощности (тока) в сетях переменного и постоянного тока, мощ
ные имитаторы перерывов питающего напряжения, циклических выбросов и прова
лов напряжения с заданными параметрами, выбросов, провалов и колебаний напря
жения с монотонно изменяющимися параметрами; прецизионные имитаторы для
поверки статистических анализаторов колебаний, выбросов и провалов напряже
ния, а также колебаний частоты и фазы; аналоговые и гибридные моделирующие
устройства, используемые в составе САПР и АСНИ, позволяют решить ряд проект-
ных и научно-исследовательских задач СЭС. мощные имитаторы используются для исследования влияния изменений напряжения сети на ЭО, прецизионные имитаторы предназначены для метрологического обеспечения анализаторов АКОН, АДПН, АКЧФ, средства поверки которых серийно не выпускаются.
Всего для практического использования по теме работы разработано 40 устройств различного назначения.
Внедрение. По выполненным под руководством автора 10 хоздоговорам в эксплуатацию ОАО "Ростовэнерго", ПО "Атоммаш", "Ростссльмаш", "Каменский машзавод", и других промышленных предприятий внедрено 9 комплексов приборов для контроля качества электроэнергии, отдельных приборов комплекса и ряд других устройств Всего в производство внедрено 14 изобретений с суммарным экономическим эффектом по данным ЦСУ СССР - 1,4 млн руб. (в ценах 1990 года). Авторское свидетельство № 455489 в 1983 году внедрено по отрасли в серийное производство п/я А-3283.
Результаты диссертации внедрены в проектную практику ОАО ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект», а также нашли применение в учебном процессе Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) при разработке и совершенствовании лекционных курсов "Качество электроэнергии в промышленных сетях" и "Вероятностно-статистические методы в электроэнергетике" и при создании учебных лабораторий с аналогичными названиями. В учебный процесс кафедры "Электроснабжение промышленных предприятий и городов" ЮРГТУ (НПИ) внедрено 11 изобретений автора.
Апробация. Результаты работы прошли апробацию на научно-технических конференциях (НТК), ВДНХ, ВВЦ, в конкурсах научных работ:
а) докладывались и обсуждались на 67 НТК, симпозиумах и семинарах (всего сделано 100 доклгдов), в том числе на 10 международных, 35 всесоюзных, 3 республиканских, 5 региональных, 3 областных и 11 внутривузовскюг Международных НТК "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2000, 2001, 2002 гт ; "Моделирование. Теория, методы и средства", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2001, 2002 гг ; "Современные энергетические системы и комплексы и управление ими", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2001, 2002, 2003 гг , "Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2001 г.; "Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы- проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2005 г.; III Всесоюзном симпозиуме "Проблемы создания преобразователей формы информации". Киев, институт кибернетики АН УССР, 1976 г; Всесоюзных научных семинарах "Кибернетика электрических систем", Москва, МЭИ, 1976, 1981, 1987, 1988 гг, "Кибернетика электрических систем: Электроснабжение промышленных предприятий", Ростов-на-Дону, РИИЖТ,1973 г.; Новочеркасск, НПИ, 1980, 1981, 1984, 1987, 1988, 1992, 1993, 1995, 1996, 1998, 2000, 2002 гг., Киев, КПИ, 1982 г ; Донецк, ДПИ, 1983 г; Гомель. ГПИ, 1991 г.; на Всесоюзных НТК и семинарах, проводимых в Москве МДНТП: "Новая техника в электроснабжении и электрооборудовании промышленных предприятий", 1975 г.; "Новые электронные приборы и устройства", 1976, 1982 гг ; "Качество электрической энергии в сетях промышленных предприятий и меропрятия по его обеспечению", 1977 г; "Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в промышленности", 1981 г., "Электрические нагрузки и электро-
потребление в новых условиях хозяйствования", 1989 г.; Всесоюзных НТК "Моделирование электроэнергетических систем", Баку, Азинефтехим, 1982 г ; Рига, ФЭИ АН Лат. ССР, 1987 г.; "Бенардосовские чтения", Иваново, ИЭИ, 1985, 1992 гт ; "Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления промышленных предприятий", Челябинск, УДНТП, 1984, 1991 тт., "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий", Жданов, ЖдМИ, 1983 г.; "Электробезопасность и надежность эксплуатации электрооборудогания", Калининград-Светлогорск фирма "Балтик легис интернешнл", 1991 г ; Республиканских НТК "Методы и средства повышения качества электрической энергии", Киев, ИЭД АН УССР, 1976 г.; "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике", Иваново, ИЭИ, 1991 г, Всероссийских семинарах "Пути повышения надежности электроснабжения потребителей", Москва, ОРГРЭС, 1996 г.; "Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики", Москва-Вышний Волочок, РГУНГ, 2000 г. и других НТК;
б) демонстрировались на Международных выставках "Метрология-86",
Москва, 1986 г., "Телеком-87", Женева, 1987 г; ВДНХ СССР, Москва, 1981-1983,
1985, 1986, 1990, 1991 гг.; ВВЦ РФ, Москва, 1993 - 1996 гг;
в) представлялись на Всесоюзные конкурсы научных работ, проводимые
Центральным правлением НТОЭ и ЭП, Ленинград. 1981,1985 гг.
По результатам апробации и внедрения работы автор награжден серебряной и 2 бронзовыми медалями ВДНХ СССР, 3 медалями "Лауреат ВВЦ" РФ, стал лауреатом I и III премий Центрального правления НТОЭ и ЭП, в 1986 г. ему присвоено звание заслуженного изобретателя РСФСР.
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 1 научной монографии, 36 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах и 38 патентах на изобретения.
Всего по теме опубликовано 240 работ, получено 100 авторских свидетельств и патентов; 94 работы выполнены самостоятельно и опубликованы без соавторов; выпущено 10 отчетов о НИР, подана 1 заявка на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка литературы, приложений. Объем работы - 500 страниц, включая 93 рисунка и 4 таблицы. Список литературы содержит 575 наименований.
