Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка задачи исследования и обоснование методов ее решения 15
1.1. Краткая характеристика объекта исследования 15
1.2. Обоснование метода оценки и прогнозирования ущерба на основе комплекса исходных моделей 23
1.3. Требования к исходным моделям 27
1.4. Обоснование принципа микромоделирования при оценке последствий нарушений электроснабжения 28
1.5. Исходные модели оценки ущерба на действующих НЛП 31
1.6. Исходные модели прогнозирования ущерба на действующих и проектируемых НПП 33
1.7. Структура диссертационной работы 35
Глава 2. Имитационное моделирование последствий нарушений электроснабжения технологических установок НПП 38
2.1. Формализованное представление производственного процесса НПП и его режимов 38
2.2. Принцип построения имитационных моделей 47
2.3. Математическая модель оценки среднего ожидаемого ущерба 49
2.4. Математическая модель оценки фактического ущерба 59
2.5. Подготовка исходной информации имитационного моделирования 64
2.5.1. Исходные данные для оценки среднего ущерба 64
2.5.2. Исходные данные для оценки фактического ущерба 65
2.5.3. Исходные данные для имитационного моделирования на ЭЦВМ 66
2.6. Описание блок-схемы алгоритма имитационного мо делирования на ЭЦВМ 70
Глава 3. Построение исходных аналитических моделей прог нозирования ущерба 75
3.1. Алгоритм построения прогнозирующих моделей 75
3.2. Формирование и анализ исходных данных для построения исходных моделей прогнозирования ущерба 81
3.3. Определение состава факторов, учитываемых в исходных моделях прогнозирования ущерба 86
3.4. Выбор вида зависимости ущерба от определяющих его факторов 97
3.5. Построение и анализ моделей прогнозирования ущерба 99
Глава 4. Использование исходных моделей в инженерных задачах 127
4.1. Влияние характера задачи и состава погашаемых установок на определение ущерба 127
4.2. Определение состава погашаемых установок 129
4.3. Выбор моделей определения ущерба 136
4.4. Определение ущерба от погашений группы установок НЛП 137
4.5. Построение производных моделей 144
4.6. Определение ущерба от нарушений энергоснабжения технологических установок НПП 147
Заключение 152
Литература 154
Приложения 180
- Требования к исходным моделям
- Принцип построения имитационных моделей
- Формирование и анализ исходных данных для построения исходных моделей прогнозирования ущерба
- Определение состава погашаемых установок
Введение к работе
"Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривают всемерное повышение эффективности производства, как принципиальную основу современного экономического развития страны. В одиннадцатой пятилетке намечены меры по повышению эффективности капитальных вложений, рациональному использованию основных фондов и всех имеющихся ресурсов. В этих условиях особую актуальность приобретают проблемы энергетики - одной из наиболее капиталоемких отраслей народного хозяйства. Основой экономической политики в области энергетики является комплексное решение задач повышения эффективности использования энергоресурсов страны, обеспечения надежности и маневренности энергосистем. Важнейшие задачи энергетики нашли отражение в "энергетической программе - крупнейшем документе перспективного значения, своего рода Г0ЭЛР0 в современных условиях" /2/.
Энергетическое хозяйство страны и его ведущее звено - электроэнергетика - имеют настолько тесные связи с потребителями, что последние во многом определяют структуру оборудования, функциональную специализацию различных энергетических объектов, режимы работы энергетических систем и всего энергетического оборудования /II/. В свою очередь энергетика, связанная практически со всеми отраслями промышленности, в значительной мере влияет на эффективность всего народного хозяйства страны. Поэтому межотраслевые проблемы энергетики должны рассматриваться как единое целое и решаться в комплексе.
Если народному хозяйству не будет обеспечена поставка необходимого количества электроэнергии, то наносимый ему экономический ущерб может в десятки раз превышать стоимость недоотпущенной электроэнергии /II/. Поскольку нельзя гарантировать безаварийную работу сложных энергетических сооружений, приходится считаться с известной возможностью ограничений потребителей. Необходимость частичного ограничения потребителей может возникнуть также из-за дефицита мощности и энергии при недостатке гидроресурсов, перебоях в поставке топлива и т.п. Свести к минимуму ущерб в этих условиях - задача большого государственного значения. Ее решение должно рассматриваться не только с точки зрения оптимизации резервирования (создания избыточности электроэнергетической системы путем установки дублирующего оборудования или выбора параметров основного оборудования и сетевых связей с запасом по мощности и пропускной способности), но и с точки зрения целенаправленного управления использованием резервов при отказах и возмущениях режимов, а при недостаточности резерва - минимизации экономических потерь у потребителей /29/.
Все эти задачи должны решаться комплексно на всех иерархических уровнях электроэнергетических систем (ЭЭС). Оптимизация резервирования предполагает выбор оптимального резерва генерирующей мощности в отдельных ЭЭС, оптимального резерва объединений ЭЭС и пропускной способности межсистемных связей, резервирования в распределительных сетях и системах электроснабжения потребителей. Оптимальное управление режимами также предполагает разработку и согласование мероприятий и решений на всех уровнях ЭЭС.
Оптимизация надежности вновь разрабатываемого энергетического оборудования для установки на электростанциях, в основных и распределительных сетях энергосистем, системах внутреннего электроснабжения промышленных предприятий также является неотъемлемой частью общей проблемы.
Задачи, связанные с оптимизацией надежности систем энергетики в качестве общего критерия сравнительной экономической эффективности вариантов решений используют показатель приведенных затрат, соизмеряющий затраты на повышение надежности и на возмещение возможных ущербов у потребителей от перебоев в энергоснабжении. Необходимость учета ущерба при решении задач проектирования, эксплуатации и управления режимами на разных уровнях ЭЭС, разработки энергетического оборудования и т.п. признается большинством исследователей в этой области /4, 5, 8, 10, 16-5-27, 29 * 37, 40 * 43, 45, 46, 50 * 54, 56 * 61, 63, 64, 66 * 75, 80 4 96, 98, 99, 102 * 117, 119 * 130, 132, 133, 135 * 139, 141, 142, 143, 145, 146, 149, 152, 154 * 163, 167, 168, 169, 172 * 184, 186 * 191, 193 * 198/.
Поэтому,"важно определение действительных ущербов у потребителей в зависимости от глубины, продолжительности отключения... и других факторов и на этой основе определение неких усредненных показателей ущербов, принимаемых за основу укрупненных расчетов". Такая задача поставлена в решении совместного заседания Научного совета АН СССР по комплексным проблемам энергетики и Всесоюзного научного семинара "Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики", проведенного в октябре 1982 года по проблеме "Научные и инженерные проблемы надежности систем энергетики". Заседание рекомендовало обратить особое внимание на "повышение достоверности информации об ущербах от перебоев в энергоснабжении потребителей, что важно не только для эксплуатации, но и для проектирования и планирования систем энергетики".
В разные годы и в различных направлениях в области разработки методов объективной оценки ущербов у потребителей активно работали ЭНИН им. Г.М.Кржижановского, ВНИИПИЭнергопром, ВНЙИПЭМ (Куйбышевское отделение, ЛЕНПЭ0), ВПМ и НИИ Энергосетьпроект (Северо-Западное, Сибирское, Среднеазиатское отделения), КазНИИЭ, КирНИОЭ, Ленинградский инженерно-экономический институт, Ленинградский политехнический институт, Омский политехнический ин- ститут, Горьковский политехнический институт и др. Однако, в изучении последствий нарушений электроснабжения потребителей до настоящего времени остается много нерешенных вопросов. Этой проблеме было специально посвящено 27-е заседание Всесоюзного научного семинара "Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики", где рассматривалось состояние проблемы, отмечались недостатки существующих методов и моделей /37, 61, 187/. Критический анализ работ в этой области проводился также в /30, 31, 85, 108, ІІб, 119, 130/. Поэтому в настоящей работе не дается обзор работ по определению ущерба разными исследователями. По мнению автора, достаточное представление об этом дают перечисленные работы.
На 27-м заседании был также намечен круг важнейших задач в области исследования ущерба у потребителей.
Установление единой точки зрения по основным положениям имеющихся методических подходов.
Разработка методов объективной оценки ущербов с учетом нарушений технологического процесса у отключаемых потребителей.
Исследование вопросов формализации взаимосвязей между параметрами ограничений потребителей электроэнергии и возникающими у них ущербами при внезапных и преднамеренных ограничениях.
Создание надежной информационной базы, отсутствие которой во многом сдерживает непосредственное применение оценок ущербов в практике проектирования и эксплуатации.
Разработка методов переноса (пересчета) результатов определения ущерба с одного на другие предприятия данной отрасли, отличающиеся технологией и производительностью.
Увязка итоговой формы представления характеристик ущерба и расчетных моделей с требованиями задач, использующих эти характеристики, и с характером исходной информации.
Эти задачи актуальны и сегодня. Разработка в последнее время общего методического подхода к анализу и учету последствий нарушений электроснабжения промышленных потребителей /173/ создает объективные условия для их успешного решения сначала в рамках отдельных отраслей промышленности и в целом по народному хозяйству - на следующем этапе. В настоящей работе рассматривается нефтеперерабатывающая промышленность, для которой уже имеются работы, подготавливающие решение перечисленных выше задач с выработкой практических рекомендаций /5, 23, 24, 80*82, 87, 112, 114, 116, 117, 120, 125, 129, 132, 133, 152, 154*160, 167, 169, 181, 183/. Для нефтеперерабатывающих предприятий (НІШ) проблема является особенно актуальной, поскольку они играют важную роль в создании топливно-энергетической базы страны. Нефтеперерабатывающие предприятия являются объектами не только конечного использования энергии, но и производства переработанных энергоресурсов. На стадии облагораживания и переработки природных энергетических ресурсов нефтеперерабатывающим предприятиям принадлежит первое место как по их значению - свыше одной трети в энергетическом балансе промышленно развитых стран - так и по возможностям производства различных видов топлива и сырья (бензинов, дизельных топлив, керосина, бытового топлива, дистилляторов, мазута, смазочных масел, сырья для химической промышленности, дорожного строительства и др.).
Высокая энергоемкость, наличие внутренних резервов производства, маневренность технологической схемы и схемы электроснабжения, повышенные требования к надежности энергоснабжения с одной стороны обуславливают целесообразность использования нефтеперерабатывающих предприятий при оперативном управлении режимами энергетических систем. С другой стороны, специфика НЛП требует принятия решений на уровне энергетических систем (по резервированию, управлению) с учетом последствий ненадежного энергоснаб- жения нефтеперерабатывающих предприятий. Это обстоятельство также во многом определило выбор в качестве объекта исследований нефтеперерабатывающей промышленности. Кроме того, как уже отмечалось, эта отрасль является наиболее изученной в плане исследования ущерба от нарушений электроснабжения.
Первой и основной задачей является разработка математических моделей оценки ущерба с учетом специфики рассматриваемой отрасли промышленности, характера решаемых инженерных задач, информационной базы. За основу при этом может быть принята "Методика определения ущерба потребителей от перерыва электроснабжения", которая была разработана комиссией, организованной в 1966 году секцией промышленной энергетики Научного Совета по проблеме энергетики и электрификации Госкомитета по науке и технике.
Однако, предложенная в "Методике..." модель оценки ущерба должна быть соответствующим образом переработана и дополнена, поскольку с точки зрения обеспечения возможности решения поставленных в работе задач она имеет ряд существенных недостатков, например: а) модель ориентирована на оценку частных значений ущерба у дейст вующих потребителей, что не позволяет использовать полученные для них данные для прогнозирования ущерба на аналогичных действующих или проектируемых предприятиях отрасли; б) модель оценивает ущерб у отдельных потребителей, под которыми понимаются установки, агрегаты, цехи, предприятия в целом; при этом не учитываются внутренние связи между участками про изводства, запасы продукции и другие резервы предприятия; в) получаемые по модели частные значения ущерба не увязываются с погашаемой электрической мощностью; г) модель не увязана с конкретными инженерными задачами, требую щими разных оценок ущерба (ущерба от внезапных и преднамерен- ных отключений, ущерба с разной степенью усреднения информации, с разной точностью оценки и т.п.).
Настоящая работа ставит целью получение комплекса моделей, позволяющих в зависимости от характера решаемой с учетом ущерба задачи получать максимально точные (по возможности) оценки, основанные на детальном и глубоком анализе последствий отключений объектов производства нефтеперерабатывающих предприятий и некоторые усредненные оценки для массового практического использования. Модели должны оценивать последствия как фактически имевших место нарушений электроснабжения действующих НІШ, так и ожидаемых отключений действующих и проектируемых НЛП. При этом оценка ущерба должна осуществляться с учетом состава погашаемой электрической нагрузки и характера погашения.
Такой набор моделей в отличие от большинства имеющихся моделей, составляемых для отдельных частных задач, позволит в комплексе решать широкий круг инженерных задач (проектирования, эксплуатации и управления режимами) на уровне систем электроснабжения потребителей, а также строить на их основе различные производные модели для более высоких иерархических уровней электроэнергетических систем и получать усредненные показатели ущерба для укрупненных расчетов. Таким образом, работа направлена на обеспечение комплексного решения проблем энергетики с учетом ущерба от нарушений электроснабжения потребителей (НЛП).
Исследования по теме диссертации охватывают группу наиболее характерных предприятий нефтеперерабатывающей промышленности, что позволяет распространить результаты и выводы работы на другие НПП, использовать их для прогнозирования ущерба не только на действующих, но и на проектируемых типовых предприятиях отрасли.
Учитывая вероятностную природу ущерба,построение моделей предусматривается с привлечением математического аппарата модели- рования сложных систем, теории вероятностей и математической статистики, корреляционно-регрессионного анализа.
Тема диссертации непосредственно связана с выполнением работ по научной программе Координационного плана Госкомитета по науке и технике при Совете Министров СССР по проблеме 0.01.II "Разработать и внедрить новые методы и технические решения высокоэффективного использования топлива, электрической и тепловой энергии и вторичных энергетических ресурсов в промышленности, создать оптимальные системы надежного и эффективного энергоснабжения промышленных предприятий". Кафедра "Электроснабжение промышленных предприятий и городов" Горьковского политехнического института, на которой выполнялась диссертация, является официальным соисполнителем работ по теме 03.H.I указанной проблемы "Разработать принципы оптимального построения систем электроснабжения промышленных предприятий, обеспечивающие повышение качества, надежности и эффективности этих систем"( постановление № 526/260 от 22.12.80).
По теме диссертации автором выполнены соответствующие разделы в отчетах по НИР кафедры /5, 68, 87, 125, 129, 152, 168/. Отчет /125/ является завершающим этапом работы, в котором отражены основные положения диссертации. Материалы отчета использовались при подготовке второй редакции "Рекомендаций по проектированию и эксплуатации систем электроснабжения новых, расширяемых и реконструируемых нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий" (утвержденных приказом № 582 Миннефтехимпрома СССР от 21.06.83), которые предназначены для использования в практике проектирования и эксплуатации систем электроснабжения предприятий Миннефтехимпрома СССР.
Методика определения ущерба от нарушений электроснабжения на действующих НІШ, разработанная с участием автора диссертации по хоздоговору с институтом Горькгипронефтехим, использовалась при проектировании систем электроснабжения предприятий Миннефте-химпрома.
Предложенные в работе модели оценки ущерба были использованы при разработке рекомендаций по составлению графиков ограничений и отключений действующего НІШ в Омском промузле, подтвержденный экономический эффект от внедрения которых составляет в среднем 50 тыс. рублей на одно отключение длительностью до одного часа.
Модели используются также при составлении графиков разгрузки НЛП в Горьковской энергосистеме, которые будут реализованы в 1984-1985 гг.
Использование результатов диссертационной работы подтверждено документами, приведенными в приложении 4.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Научной конференции 1981 года в Высшей технической школе г. Лейпцига, на 27-м, '32-м, 37-м, 40-м заседаниях Всесоюзного научного семинара "Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики", Всесоюзном научно-техническом семинаре "Молодые ученые и инженеры в борьбе за научно-технический прогресс в энергетике и электротехнике" (Минск, декабрь 1978), конференции "Основные направления повышения надежности электроустановок промышленных предприятий" (Челябинск, март 1979), Ш сессии Всесоюзного семинара "Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение промышленных предприятий" (Новочеркасск, апрель 1981), УШ Всесоюзной научно-технической конференции "Моделирование электроэнергетических установок" (Баку, октябрь 1982), I научно-технической конференции молодых ученых и специалистов Горьковского политехнического института (Горький, декабрь 1974), научно-технической конферен- ции "Актуальные проблемы электроэнергетики" (Горький, декабрь 1982).
По теме диссертации выполнено 7 печатных работ, 4 отчета по НИР (список приведен в приложении 3).
Требования к исходным моделям
Модели, принимаемые за исходные, должны обеспечивать:а) универсальность применения в инженерных задачах;б) максимально возможную в условиях решаемых задач точность определения ущерба;в) простоту и удобство практического использования;г) возможность перехода от них к производным моделям для разныхвременных и иерархических уровней задач электроэнергетики.
Перечисленные требования в наибольшей степени выполняются, если исходные модели строить для отдельных участков производства у потребителей. Построение исходных моделей для объектов производства, а не схемы электроснабжения диктуется тем, что ущерб от погашений тех или иных элементов или узлов схемы электроснабжения может различаться в десятки раз в зависимости от состава отключаемого при этом технологического оборудования. А погашения определенных совокупностей производственных механизмов и агрегатов характеризуются вполне однозначными последствиями.
В качестве объектов для построения исходных моделей должны быть приняты участки производства, способные в течение некоторого времени работать в отрыве от основного производства /179/ за счет запасов продукции на связях между участками. Такими участками для НПП являются технологические установки, разделенные накопителями продукции (резервуарами, газгольдерами), объем которых допускает рассогласование технологического процесса на смежных установках в течение достаточного длительного периода (от нескольких часов до нескольких суток) /184/.
Дробление производства на более мелкие .участки не имеет смысла. Технологическое оборудование в пределах установки на столько связано производственным процессом, что нарушение функционирования части его приводит к отключению от технологических блокировок всей установки.
Нефтеперерабатывающие предприятия характеризуются большим количеством и разнообразием технологических установок. Построение моделей для всех действующих установок с учетом их индивидуальных особенностей вряд ли оправданно и целесообразно (в стране насчитывается около тридцати НПП с количеством установок на каждом от 20-=-30 до 100). В то же время эти модели будут действительны только для тех установок, для которых они строились. Как показали исследования по группе НПП, экономические последствия нарушений функционирования разных технологических установок во многом идентичны по структуре. Это обстоятельство делает реальным построение некоторых единых моделей определения ущерба от погашений технологических установок, то есть исходных моделей.
В то же время исходные модели должны сохранять возможность учета индивидуальных особенностей установок, так как в противном случае они не позволяют учитывать при оценке ущерба состав погашаемых производственных объектов. Для решения большинства задач энергетики такие оценки ущерба непригодны.
В настоящее время достаточно четко выделяются два принципиально различных направления в разработке методов и моделей определения ущерба от нарушений электроснабжения промышленных потребителей: микромоделирование, основанное на технико-экономическом анализе последствий нарушений производственного процесса потребителей при отключении на них разных групп электроприемников, и макромоделирование, когда потребители представляются на уровне "черно-серых ящиков" и для них на основе априорных положений строятся зависимости ущерба от тех или иных входных параметров /57/. Подход с позиций макромоделирования используется, как правило, при решении задач высших временных и иерархических уровней электроэнергетических систем. Применение макромоделей существенно облегчает задачу оценки ущерба, так как не требует выполнения сложных расчетов (макромодели, как правило, представляются в простейшей аналитической форме), осуществления детального анализа технологического процесса производства потребителей, схемы их электроснабжения, последствий отключений разных наборов электроприемников и т.д. Однако, возможность оценки ущерба во всех случаях с использованием макроподхода вызывает сомнение по целому ряду причин.1. Упрощение объекта исследования, то есть укрупненное представление предприятий без учета технологических связей между их отдельными участками, не может не отразиться на точности оценки ущерба /74/.2. Оценка ущерба в общем виде на принципах макромоделирования не позволяет учесть технологические особенности отдельных потребителей /57/.3. Макромодели, основанные на расчете ущерба по конечным результатам функционирования отрасли или всего народного хозяйства в целом, обусловливают получение агрегированных показателей ущерба, которые могут использоваться для решения крупномасштабных задач при предварительных расчетах /136/. Для решения задач проектирования и эксплуатации систем электроснабжения промышленных потребителей они непригодны, так как не позволяют учитывать состав отключенного оборудования.4. Макромоделирование ущерба, агрегированного в пределах отрасли или всего народного хозяйства, неизбежно характеризуетсяшироким интервалом возможных значений, что затрудняет их использование в конкретных инженерных задачах, в частности - в оптимизационных исследованиях.5. Макромодели, как правило, учитывают только недовыпуск продукции при перерывах электроснабжения потребителей. Не принимается во внимание составляющая, связанная с увеличением себестоимости продукции вследствие нарушения нормального функционирования производства, так как ее невозможно определить на уровне макромоделирования /57/. Однако, эта составляющая может быть определяющей, например, для нефтеперерабатывающих предприятий, где за счет использования значительных запасов продукции недовыпуск может быть сокращен до весьма малых величин или даже исключен, а затраты на восстановление технологического процесса после перерывов электроснабжения существенны.6. Принимается, как правило, линейная зависимость недовыпуска продукции, а следовательно и ущерба, от величины отключенной мощности или недоотпущенной потребителям электроэнергии в широком диапазоне ограничений, что для большинства производств,в частности для НПП, не выполняется.7. Невозможно оценить точность и достоверность полученнойпо макромоделям информации об ущербах, проверить адекватностьмоделей реальным последствиям нарушений электроснабжения.
Модели, построенные на принципах микромоделирования, позволяют с наибольшей точностью и достоверностью оценить последствия нарушений ЭС потребителей с учетом их технологических особенностей, состава погашаемого оборудования. Микромодели являются, по сути дела, единственным источником информации об ущербах у конкретных потребителей, так как ущерб нельзя оценить статистически или экспериментально. Поэтому за исходный должен быть принят подход к разработке моделей количественной оценки последствий
Принцип построения имитационных моделей
Нарушение электроснабжения отдельной технологической установки, как уже отмечалось, сопровождается срывом технологического процесса не только на отключенной, но и на связанных с ней установках. Количество и состав связанных установок, на которых возникает ущерб, определяются длительностью перерыва электроснабжения и расположением отключенной установки в технологической схеме производства. Построение единой математической модели, однозначно оценивающей ущерб от отключения любой установки произвольной длительности невозможно. В то же время последствия нарушений технологического процесса на разных установках идентичны и могут оцениваться по единой математической модели с разными входными параметрами. Поэтому для оценки ущерба используется путь имитационного моделирования, составляющий эвристические и математические методы. При этом определение ущербов на отдельных установках осуществляется по стандартным математическим моделям, а состав установок, по которым должен определяться ущерб, и последовательность их рассмотрения в расчете устанавливаются по структурной схеме функциональных связей в зависимости от того, какая установка отключилась. Общая имитационная модель строится по модульному принципу, сущность которого заключается в том, что поведение отдельных элементов (установок, накопителей) описывается в виде стандартных математических схем -модулей, а схема связей элементов структурной схемы приводится к заранее определенному стандартному виду, учитывающему особенности определения ущерба для погашений разных установок (количество, состав, последовательность связанных установок) /13/. Построение имитационных моделей базируется на общих принципах, изложенных в /173/.
Формализованное представление производственного процесса и его режимов в условиях нарушений функционирования отдельных технологических установок является, по сути дела, первым этапом построения имитационных моделей. На этом этапе строится функциональная структурная схема производства и вводятся основные допущения к расчету ущерба. Разработка имитационных моделей предполагает далее составление математических модулей оценки последствий нарушений функционирования установок в результате перерыва электроснабжения (отключенных) и вынужденного останова (связанных); использования накопителей в условиях полного или частичного прекращения поступления (отбора) продукции.
При этом математические модели оценки среднего ожидаемого ущерба от возможных нарушений электроснабжения и фактического ущерба от имевших место погашений установок НІШ несколько различаются. В 2.3. и 2.4. приведены расчетные выражения, из которых формируются основные модули имитационных моделей оценки среднего и фактического ущерба соответственно.
Следующим этапом является определение состава и формы представления исходной информации. Для определения среднего ущерба на этом этапе по структурной схеме функциональных связей установок устанавливается состав и очередность рассмотрения связанных с отключенной установок в расчете, состав используемых накопителей продукции, а также подготавливаются необходимые для реализации математических моделей технико-экономические показатели установок и накопителей.
Для оценки фактического ущерба заполняются специальные формы, в которых отражаются реальные последствия нарушения электроснабжения; фиксируется состав установок, на которых произошел срыв технологического процесса; приводятся фактические данные о длительности простоя установок и экономических потерях.
Если имитационное моделирование осуществляется с использованием ЭЦВМ, исходные данные представляются в соответствующей форме, позволяющей автоматизировать процесс расчета. ЭЦВМ используется для оценки средних ущербов в многовариантных оптимизационных расчетах, а также в работах исследовательского характера. Оценка фактического ущерба производится, как правило, в единичных случаях и осуществляется без ЭЦВМ.
Математическая модель имитационного оценивания последствий нарушений электроснабжения технологических установок для НПП разработана на основе имеющихся в этой области работ /23, 24, 112, 116, 120, 133, 157, 158, 167, 169, 181/. Основные положения модели, использующейся при имитационном моделировании, представлены в /125/, выполненной с участием автора диссертации.
Модель оценки среднего ущерба составлена с учетом ряда допущений.1. Длительность нарушения электроснабжения задается фиксированными значениями і .2. Времена наладки технологического процесса, пуска установок, использования накопителей, являющиеся случайными величинами, принимаются равными их математическим ожиданиям.3. Объем запасов продукции в накопителях в момент отказа рассматривается как случайная величина, подчиняющаяся равномерному закону распределения.4. Зависимость среднего времени наладки технологического процесса от длительности перерыва электроснабжения аппроксимируется кусочно-линейной функцией.5. Время пуска установок после восстановления технологических параметров не зависит от длительности перерыва электроснабжения.6. Не учитываются повреждения технологического и энергетического оборудования, порча сырья, брак продукции и т.п. При правильном построении схемы электроснабжения и выбореее режимов вероятность подобных последствий перерывов электроснабжения незначительна. Поэтому при оценке среднего ожидаемого ущерба они могут не рассматриваться.7. Предполагается, что простои установок из-за нарушенийэлектроснабжения используются для проведения мелких профилактических ремонтов. Поэтому обслуживающий персонал установок (как правило, немногочисленный) занят ремонтно-восстанови-тельными работами и простой его может не учитываться при оценке среднего ущерба.8. Затраты на восстановление запасов продукции в накопителях, использованных для снижения ущерба от нарушений электроснабжения технологических установок, не учитываются, поскольку запасы создаются и используются, главным образом, по требованиям технологии производства. Для нужд энергетики они используются гораздо реже и в меньшем объеме, поэтому затраты на восстановление незначительны и могут не учитываться.
Обоснование правомерности принятых допущений дается в перечисленных выше работах /23, 24 и др./.Для оценки среднего ожидаемого ущерба приняты следующие расчетные выражения.1. Ущерб от нарушения электроснабжения технологическойустановки НІШ при заданной длительности перерыва электроснабжения 1Э складывается из трех составляющих:
Формирование и анализ исходных данных для построения исходных моделей прогнозирования ущерба
Исходные данные об ущербе для построения прогнозирующих моделей являются результатом имитационного моделирования на ЭЦВМ, достаточно трудоемкого и дорогостоящего. Поэтому имитационный эксперимент должен планироваться так, чтобы обеспечить получение минимального, достаточного и представительного объема исходной информации.
Использование для этих целей методов планирования эксперимента, основанного на одновременном варьировании всех или большинства признаков, включаемых в модель, не представляется возможным. Планирование эксперимента может использоваться в том случае, когда все факторы являются управляемыми, то есть их значения могут фиксироваться на задаваемых уровнях. В имитационном эксперименте рассматриваются отключения отдельных технологических установок, которым соответствуют вполне определенные сочетания всех контролируемых параметров. Подобрать какой-либо стандартный план наблюдений можно было бы в том случае, если бы мы располагали достаточно большим объемом исходных данных. Для НІШ такой путь невозможен, поскольку коли чество однотипных установок даже для группы предприятий существенно ограниченно.
Планирование в данном случае состоит в выборе состава и количества анализируемых на имитационной модели предприятий и установок с тем, чтобы обеспечить возможность применения математического аппарата корреляционно-регрессионного анализа и переноса результатов моделирования на широкий круг аналогичных предприятий. Для этого построение моделей осуществляется по совокупности данных группы предприятий отрасли. С целью расширения области использования моделей рассматривались НПП с достаточно широким диапазоном варьирования факторов, характеризующих как количественные, так и качественные различия отдельных предприятий.
Исходные модели строятся для установок одного функционального назначения. Количество их на НПП различно. Например, установки первичной переработки нефти обычно работают параллельно в количестве до десяти-пятнадцати установок. На предприятии может быть и единственная установка того или иного типа; отдельные виды установок не всегда присутствуют в технологической схеме НПП; существует целый ряд уникальных установок. Поэтому объем исходной информации для построения отдельных моделей различен. Для некоторых редких типов объем данных настолько мал, что не позволяет использовать методы статистической обработки:. Для них определение ущерба возможно либо по имитационным моделям либо по прогнозирующим моделям, которые определяют усредненные показатели ущерба для установок независимо от их функционального назначения и строятся по совокупности исходных данных для всех установок анализируемых предприятий (модели для условной установки). Общее количество установок, рассмотренных при построении прогнозирующих моделей, составляет более двухсот.
Построение многофакторных моделей с использованием математического аппарата корреляционно-регрессионного анализа требует выполнения условия однородности исходной информации /151/
Требование однородности достигается путем многомерной группировки - образования однородных групп из разнородной многомерной совокупности исходных данных. Это позволяет получить обоснованные дифференцированнные модели только для тех объектов, которые попали в один однородный класс /3/. При этом имеется в виду однородность как качественная, так и количественная, которые рассматриваются как, соответственно, необходимое и достаточное условие однородности статистических наблюдений /55/. Необходимое условие выявляется на первом же этапе формирования совокупностей исходных данных, их деления на классы по числу градаций качественного признака (в данном случае - по признаку функционального назначения установок). Достаточное условие однородности - близость количественных признаков - только тогда имеет смысл, когда выступает не самостоятельно, а в единстве с необходимым признаком - однокачественностью явлений /151/.
В /55/ отмечается, что в настоящее время нет единого мнения о том, что считать показателем близости количественных признаков. В качестве одномерных критериев количественной однородности совокупности предлагается, например, использовать нормальность закона распределения случайной величины /200/, коэффициент вариации /151/, различные непараметрические критерии /28/. Еще большая неопределенность существует в решении проблемы проверки однородности многомерной группировки. По мнению /б/, если задан критерий для одномерного случая, то может быть составлен и соответствующий многомерный критерий. Однако, как отмечается в /55/ практика пока не располагает таким критерием одномерной группировки, удобным в интерпретации для многомерного случая.
В чисто теоретическом плане задачи формирования однородных многомерных совокупностей ставились и успешно решались. В литературе, посвященной теории распознавания образов /39, 44, 131, 140, 165/, даются критерии и алгоритмы многомерной классификации. Практическая реализация их чаще всего осуществляется для случая, когда одномерные случайные величины предполагаются нормально распределенными, а распределение случайной величины в m -мерном пространстве рассматривается как многомерное нормальное /55/.
В /140/ автор считает, что достаточная степень однородности будет обеспечена, если многомерное распределение моделируемого показателя Ч и влияющих на него факторов будет близким к нормальному. То есть, проверка однородности сводится к проверке гипотезы о нормальности распределения многомерной совокупности.
В /39/ предлагается способ, сочетающий метод группировок с методом корреляционно-регрессионного анализа. Он позволяет выделить качественно отличные группы, имеющиеся в совокупности, на основе общего для совокупности уравнения регрессии. Совокупность признается однородной или делится на однородные классы, основываясь на отношении фактического и рассчитанного по уравнению регрессии результативного признака.
Анализ приведенных существующих методов свидетельствует о том, что строгая проверка однородности исходной информации -достаточно сложная самостоятельная задача. Ее решение требует наличия большого объема информации, знания законов распределения результативного признака и отдельных факторов, использования методов распознавания образов. В рамках поставленной задачи это вряд ли разрешимая проблема. Кроме того, практиче
Определение состава погашаемых установок
Связь между погашаемой мощностью и составом отключаемых технологических установок, как уже отмечалось, устанавливается с учетом характера решаемой инженерной задачи. Поэтому алгоритмы определения состава погашаемых установок в разных задачах имеют свои особенности. Рассмотрим наиболее характерные случаи, перечисленные в пп. I -J- 4 раздела 4.1.1. Состав погашаемых технологических установок может задаваться непосредственно условиями задачи в виде количества и перечня отключаемых установок. Такая ситуация характерна, например, для задач, связанных с анализом надежности конкретных установок действующих НПП, проектированием электроснабжения отдельных установок и их определенных совокупностей (комбинированных установок, технологических блоков), определением ущерба от фактических погашений установок и т.д.2. Задается отключаемая мощность при погашении определенных узлов нагрузки схемы электроснабжения производства. В этом случае состав погашаемых объектов производства усанавливается через множество электроприемников, подключенных к данным узлам нагрузки /180/. Для этого осуществляется совместный анализ схемы электроснабжения и структурной схемы производства, в результате которого строится двудольный граф, отображающий взаимосвязь между узлами нагрузки и технологическими установками (рис. 4.1.). Для построения такого графа вначале составляется два отдельных графа. Один из них характеризует связи между узлами нагрузки (ТП, РП, РТП, ГПШ - вершинами графа. Другой граф отображает структурную схему производства. Вершины графа - технологические установки - объединяются ориентированными ветвями, характеризующими функциональные связи между установками. Двудольный граф связывает вершины обоих графов. Он позволяет установить состав погашаемых установок при отключении любого узла нагрузки.
Если от общих узлов нагрузки питаются кроме технологических установок общезаводские энергетические установки, обеспечивающие снабжение производства топливом, водой, паром и другими энергоносителями (компрессорные, насосные, распределительные пункты и т.п.), объединенный граф составляется из трех частей. Он отображает связь технологических установок с узлами нагрузки и общеэнергетическими установками (рис. 4.2.). На основании такого графа определяется состав технологических установок, отключаемых как непосредственно от узла нагрузки, так и вследствие погашений энергетических установок. Так как технологический процесс на установках не может продолжаться при прекращении их топливно-, паро-, водоснабжения, они останавливаются и входят, таким образом, в состав фактически погашаемых технологических установок. Особенности определения ущерба на них рассмотрены в 4.6.3. При проектировании электроснабжения НПП, когда решается вопрос группировки электроприемников в узлы нагрузки, врезультате технико-экономических расчетов принимается вариант, обеспечивающий минимум годовых приведенных затрат с учетом ущерба от нарушений электроснабжения.
Анализ структурной схемы производства (графа функциональных связей между установками) позволяет сформировать узлы нагрузки таким образом, чтобы отключение нагрузки сопровождалось ущербом, математическое ожидание которого по совокупности узлов было минимально:где эІ - средний ущерб от погашения І -го узла нагрузки, Зі - вероятность погашения t -го узла нагрузки, 11 - количество узлов нагрузки в схеме электроснабжения. Технико-экономическое сравнение возможных вариантов схемы электроснабжения в функции приведенных затрат должно учитывать составляющую ущерба . Однако количество таких вариантов для НПП, технологические схемы которых содержат до ста установок, может быть очень большим и полный перебор их в сравнительных расчетах практически нереален.
Поэтому выработаны общие принципы согласования схем электроснабжения НІШ с функциональными схемами производства, позволяющие формирование ограниченного набора вариантов, близких к оптимальному с точки зрения последствий нарушений электроснабжения и экономичности распределения электроэнергии. Такая задача рассматривается в /173, 179, 180/. В соответствии с приведенными в них рекомендациями при составлении вариантов схемы электроснабжения следует стремиться к снижению общего количества связей между технологическими установками, подключаемыми к разным узлам нагрузки. При этом используется известный в технической кибернетике принцип разрезания графа на подграфы, минимально связанные между собой. Такой подход обеспечивает согласование территориального и функционального принципов разбиения установок на группы, подключаемые к узлам нагрузки. Это позволяет получить минимальные технологические потери во всех режимах для каждого из намеченных к сравнению вариантов схемы /179/.4. В задачах, допускающих при заданной величине отключаемой мощности выбор погашаемых узлов нагрузки, состав отключаемых технологических установок оптимизируется по условию сохранения выпуска продукции предприятием при минимальном ущербе.
При выборе состава погашаемых установок необходимо прежде всего обеспечить отключение заданной мощности. Для НПП, характеризующихся высоким коэффициентом заполнения суточного графика нагрузки, состав погашаемых установок мало зависит от момента отключения, а погашаемая мощность определяется суммированием расчетных нагрузок установок.
Более сложным является выполнение условия сохранения выпуска продукции. Если задаваемая мощность отключения невелика и лежит в пределах мощности единичных технологических установок, по формулам (2.1. 4- 2.22.) определяется ущерб от недовыпуска продукции энп и полный ущерб э и выбирается для отключения установки с
