Стохастические модели и методы оптимизации экономических параметров электроэнергетического комплекса угледобывающих предприятий Кравченко Оксана Александровна

Содержание к диссертации

Введение

1. Вопросы эффективного использования мощностей угледобывающих предприятий и систем электроснабжения 13

1.1. Состояние вопроса 13

1.1.1. Вопросы освоения мощностей и факторы, определяющие пропускную способность угледобывающего предприятия 13

1.1.2. Государственная инвестиционная политика в угольной промышленности как доминирующий механизм динамики пропускной способности угледобывающих предприятий по фронту горных работ 16

1.1.3. Теоретические вопросы оптимизации функционирования электроэнергетического комплекса предприятий 20

1.2. Общая характеристика объекта 30

1.2.1. Анализ технико-экономических показателей 31

1.2.2. Анализ функционирования и пропускной способности системы электроснабжения предприятия 34

1.3. Постановка задач исследований и методы их решения 46

1.4. Выводы по главе 49

2. Разработка экономико-математических моделей минимизации затрат на компоновку и функционирование источника питания угледобывающего предприятия 51

2.1. Основные принципы построения экономико-математической модели 51

2.2. Особенности двухэтапных задач с ИСТРА-связями при разработке стохастических моделей оптимизации 57

2.3. Экономико-математические модели минимизации затрат на компоновку и функционирование источника питания угледобывающего предприятия 62

2.3.1. Экономико-математическая модель минимизации затрат на компоновку и функционирование источника питания угледобывающего предприятия 64

2.3.2. Многофакторная стохастическая оптимизационная модель поставки электроэнергии подразделениям 66

2.3.3. Особенности применения экономико-математических моделей минимизации затрат на компоновку и функционирование источника питания угледобывающего предприятия для решения задач минимизации затрат на оплату электроэнергии 69

2.4. Случайные системные ситуации и имитационная модель их реализации 73

2.5. Характеристика и особенности применения градиентных методов стохастического программирования 84

2.6.Особенности применения стохастического метода линеаризации в задаче оптимизации экономических параметров электроэнергетического комплекса угледобывающих предприятий 90

2.7. Выводы по главе 107

3. Информационное обеспечение и инструментальные методы для реализации экономико-математических моделей 110

3.1.Статистическая обработка экспериментальных данных технико- экономических и технологических характеристик угледобывающего предприятия 110

3.1.1. Статистические оценки случайных величин 110

3.1.2. Анализ корреляционной зависимости характеристик функционирования предприятия 115

3.2. Оценка гипотез о законах распределения случайных величин технологических и технико-экономических данных 126

3.3. Моделирование случайных величин 131

3.4.Разработка программных средств имитационного моделирования и стохастической оптимизации 142

3.5. Выводы по главе 145

4. Применение экономико-математических моделей и методов при оптимизации экономических параметров электроэнергетического комплекса 146

4.1.Анализ результатов реализации многофакторной стохастической оптимизационной модели поставки электроэнергии подразделениям при различных уровнях освоения проектной мощности 146

4.2. Рекомендации по выбору оборудования на основе реализации экономико-математической модели 159

4.3.Особенности применения тактических решений в задаче управления электропотреблением 163

4.4. Выводы по главе 165

Заключение 167

Список используемой литературы 170

Приложение

• Анализ функционирования и пропускной способности системы электроснабжения предприятия
• Экономико-математические модели минимизации затрат на компоновку и функционирование источника питания угледобывающего предприятия
• Оценка гипотез о законах распределения случайных величин технологических и технико-экономических данных
• Рекомендации по выбору оборудования на основе реализации экономико-математической модели

Введение к работе

Актуальность темы диссертации Угольная промышленность несколько десятилетий относилась к дотационным отраслям, что обусловило сложности перехода на механизм самоокупаемости. Большая часть угледобывающих предприятий функционирует в условиях недоиспользования проектных мощностей, в том числе и мощности электроэнергетического комплекса, что оказывает негативное влияние на величину себестоимости угля.

Электроэнергетический комплекс угледобывающего предприятия представляет собой сложную систему, основным объектом которой является система электроснабжения (СЭС), включающая наиболее дорогостоящий ее элемент - главную понизительную подстанцию (ГПП). Оптимизация мощности ГПП в условиях установившейся неполной загрузки технологического оборудования, т.е. приведение номинальной мощности в соответствие с используемой мощностью , позволит провести оптимизацию оборудования всего электроэнергетического комплекса предприятия, что приведет к существенному снижению эксплуатационных затрат.

Комплексное решение проблем экономической оптимизации используемой мощности угледобывающего предприятия с учетом технических и экономических факторов, в том числе и случайных, полученное на основе применения методов стохастической оптимизации, позволяет повысить эффективность работы действующих предприятий, уменьшить эксплуатационные затраты и потребности в финансовых ресурсах, направляемых на дополнительную оплату труда.

Степень разработанности проблемы. Исследованиям, связанным с повышением эффективности использования мощностей предприятий угледо

бывающей промышленности, экономико-математическим моделированием и оптимизацией производственных процессов, посвящены работы ряда ученых: П.З. Звягина, К.Н. Татомира, В.М. Голомолзина, А.С. Бурчакова, Б.М. Воробьева, A.M. Курносова, А.С. Астахова, М.И. Устинова и др.

Вопросы оптимизации СЭС предприятий широко представлены в работах ученых: Н.И. Волощенко, С.А. Волотковского, И.Е. Васильева, А.В. Гладилина, Г.М. Каялова, Н.А. Клименко, Б.И. Кудрина, Э.Г. Куренного, Г.Д. Медведева, В.И. Щуцкого, Г.С. Хронусова и др.

В работах профессора В.А. Кардаша и его учеников развивается новое научное направление оптимизации электроэнергетических комплексов на основе методов стохастического программирования с учетом технических и экономических факторов.

Объектом исследования является угледобывающее предприятие, его производственные мощности, технико-экономические показатели и СЭС, обеспечивающая функционирование отдельных подразделений и всего предприятия.

Предмет исследования - модели и методы оптимизации экономических параметров процесса функционирования электроэнергетического комплекса угледобывающего предприятия.

Целью работы является разработка системы экономико-математических моделей оптимизации экономических параметров электроэнергетического комплекса в условиях влияния стохастических факторов.

Для достижения цели потребовалось решить следующие задачи:

- выполнить статистический анализ технико-экономических показателей функционирования угледобывающего предприятия;

- разработать систему экономико-математических моделей минимизации затрат на компоновку и функционирование источника питания угледобывающего предприятия;

- разработать алгоритм реализации системы построенных моделей, включающий имитационную и оптимизационные модели (для оптимизации

экономических параметров электроэнергетического комплекса угледобывающего предприятия) и создать программный продукт для планирования развития электроэнергетического комплекса и регулирования ЭП.

Теоретической и методологической базой диссертационного исследования явились труды российских и зарубежных ученых, посвященные экономике электроэнергетики, методам системного анализа, математической статистики, статистического анализа, теории вероятностей, стохастической оптимизации, статистических испытаний, инженерно-экономического анализа, экономико-математического моделирования, средствам разработки информационных технологий.

Эмпирическая база исследований - статистические данные о деятельности предприятий ОАО «Ростовуголь», официальные материалы, опубликованные в периодической печати и правовые акты органов законодательной и исполнительной власти РФ.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:

1. Разработана система экономико-математических моделей минимизации затрат на компоновку и функционирование источника питания, отличающаяся от существующих аналогов, тем, что позволяет учитывать такие особенности как: категорию по надежности электроснабжения предприятия и отдельных электроприемников, минимизацию текущих затрат по угледобыче:

экономико-математическая модель минимизации затрат на компоновку и функционирование источника питания; многофакторная стохастическая оптимизационная модель поставки электроэнергии подразделениям.

2. Выполнена адаптация стохастического метода линеаризации в соответствии с особенностями экономико-математической модели (учитывается конкретная структура стохастического квазиградиента задачи), позволяющая повысить скорость сходимости процесса оптимизации.

3. Предложен алгоритм решения задачи оптимизации экономических пара метров электроэнергетического комплекса угледобывающего предприятия, применение которого позволяет оптимизировать экономические параметры электроэнергетических комплексов угледобывающих предприятий вне зависимости от их категории.

4. Предложен критерий окончания процесса оптимизации, основанный на оценке статистических свойств оптимизируемой величины; критерий учитывает особенности динамики целевой функции и позволяет, в отличие от уже известных, определять оптимальное решение при высокой величине дисперсии значений целевой функции.

5. Выполнено статистическое исследование технико-экономических параметров функционирования угледобывающего предприятия, на основе которого получены законы распределения случайных величин.

6. Разработана многофакторная стохастическая модель ЭП, позволяющая определять потребность в электроэнергии подразделений угледобывающего предприятия и отличающаяся возможностью учета случайных колебаний технико-экономических параметров (объема добычи и цены угля, времени простоев подразделений и т.д.).

7. Разработана программа для ЭВМ, оптимизирующая в интерактивном режиме технико-экономические параметры функционирования электроэнергетического комплекса угледобывающего предприятия, на основе которых осуществляется планирование развития электроэнергетического комплекса, выполнение проектов его реконструкции, планирование и регулирование ЭП.

Практическая ценность результатов исследования заключается в

следующем:

- построенная система моделей, реализованная в программе экономической оптимизации параметров системы электроснабжения угледобывающего предприятия, может быть использована как на этапе эксплуатации электроэнергетического комплекса, так и в процессе его проектирования; - разработанные рекомендации по повышению эффективности работы СЭС угледобывающего предприятия позволяют снизить эксплуатационные затраты на функционирование СЭС, и соответственно, себестоимость продукции угледобывающего предприятия;

- результаты исследований использованы также в учебном процессе по дисциплине «Моделирование экономических процессов» кафедры «Математика, информационные системы и технологии» ШИ (Ф) ЮРГТУ (НИИ) для студентов специальности «Информационные системы и технологии».

В диссертации представлены документы, подтверждающие факт внедрения и практическую полезность результатов исследования.

Основные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту:

1. Разработанная экономико-математическая модель минимизации затрат на компоновку и функционирование источника питания, позволяющая определить оптимальные значения затрат на покупку оборудования источника питания, налоговых платежей, затрат на оплату за электроэнергию, затрат на оплату за заявленный максимум мощности при различных уровнях загрузки технологического оборудования.

2. Разработанная многофакторная стохастическая оптимизационная модель поставки электроэнергии подразделениям угледобывающего предприятия, позволяющая определить оптимальные параметры функционирования предприятия: эксплуатационные затраты источника питания, мощности подразделений, величину и приоритетность поставки электроэнергии подразделениям для планирования мероприятий по регулированию режимов ЭП, ущербы от недопоставки электроэнергии подразделениям, и отличающаяся возможностью учета коррелирован ности факторов, влияющих на экономические показатели работы предприятия.

3. Адаптированный в соответствии с особенностями экономико-математической модели метод стохастической линеаризации, отличающийся возможностью учета технико-экономических характеристик изу 1

чаемого объекта, и позволяющий повысить скорость сходимости процесса оптимизации.

4. Разработанный инструментарий (алгоритм и компьютерная программа)

для экономической оптимизации параметров СЭС с учетом влияния случайных факторов, позволяющий повысить эффективность функционирования и планировать развитие электроэнергетического комплекса угледобывающего предприятия с учетом роста освоения проектных мощностей.

5. Полученные законы распределения случайных величин технико-экономических параметров работы угледобывающего предприятия и построенные имитационные модели расширяют область их приложения и позволяют комплексно подходить к оптимизации работы производственных составляющих, определяющих загрузку технологического оборудования и экономическую эффективность производства.

6. Многофакторная стохастическая модель электропотребления угледобывающего предприятия, позволяющая определять потребность в электроэнергии его подразделений и отличающаяся возможностью учета случайных колебаний технико-экономических параметров (объем добычи и цена угля, время простоев подразделений и т.д.).

Работа выполнена в рамках паспорта специальности 08.00.13 - «Математические и инструментальные методы экономики» п. 1.4. «Разработка и исследование моделей и математических методов анализа микроэкономических процессов и систем: отраслей народного хозяйства, фирм и предприятий......

Апробация работы. Работа выполнялась в соответствии с комплексными научно-техническими программами Южно-Российского государственного технического университета (НПИ): «Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение надежности функционирования энергосистем», «Проблемы развития социально-экономических процессов в условиях перехода к рыночным отношениям». Рекомендации по повышению эффективности работы СЭС угледобывающего предприятия им. Чи

ха, разработанные на основе научных исследований, проведенных в диссертационной работе, и «Программа экономической оптимизации параметров системы электроснабжения шахты с учетом влияния случайных факторов» внедрены в ОАО «Ростовуголь».

Основные положения и результаты исследований были представлены на конференциях и семинарах: научная конференция НГТУ «Экономические основы эффективного использования ресурсов предприятий» (Новочеркасск, 1998), вторая Международная научная конференция «Математические методы и компьютеры в экономике» (Пенза, 1999), Международная научно-практическая конференция «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2002), четвертая Международная научная практическая конференция «Экономические реформы в России» (Санкт -Петербург, 2001), Международная научно-практическая конференция «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2001).

Концепция диссертационного исследования. Авторская концепция диссертационного исследования состоит в обосновании принципов оптимизации затрат на функционирование электроэнергетического комплекса, как производственной составляющей, с учетом влияния социально-экономических и техногенных факторов в условиях неопределенности, в разработке моделей, методов и алгоритмов инструментального обеспечения управления производственным процессом.

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 7 печатных работ общим объемом 1,08 п.л.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 227 наименований и 7 приложений, имеет общий объем 279 страниц, включая 115 рисунков и 45 таблиц.

Анализ функционирования и пропускной способности системы электроснабжения предприятия

Энергоснабжение угледобывающего предприятия им. Чиха, как структурного подразделения ОАО «Ростовуголь» производится на основе следующих договоров: договор №70-3-15-97 от 12 февраля 1997 года «На поставку, получение и оплату электроэнергии и мощности и оказание услуг по функционированию ФОРЭМ»; договор № АП-Ю -13/114-М (П) от 24 декабря 1999 года «Оказания услуг по организации функционирования и развитию ЕЭС России»; генеральный договор № Д 2 -01 от 30 марта 1998 года «Об оказании услуг по передаче электроэнергии и мощности через сети ОАО «Ростовэнерго», заключенные соответственно с РАО ЕЭС «России», с ЦДР РАО ЕЭС «России», с ОАО «Ростовэнерго». Угледобывающее предприятие им. Чиха относится к электропотребителям I категории, это обусловлено наличием большого числа электроприемников, которые должны снабжаться электроэнергией в бесперебойном режиме, как правило, эти подразделения поддерживающие систему жизнеобеспечения предприятия.

В силу этого система электроснабжения подключена к двум независимым подстанциям Ш-30 и Ш- 50. ГПП угледобывающего предприятия Ш-45 мощностью 50 MB-А была пущена в действие в 1987 году в период строительства предприятия. Основными ее элементом являют ся два понижающих трансформатора марки ТДТНШ - 25000/110 - 78 УК мощностью 25 MBA и конденсаторная установка мощностью 480 квар. Временной ряд расходов электроэнергии всего предприятия за месяц с 1995 по 2001 годы с выделением I, И, III категорий по надежности электроснабжения построенный на основе данных табл. 2.5. приложения № 2, показан в табл. 1.1. и на рис. 1.2., а по подразделениям - на рис. 1.3-1.6., рис. 3.1-3.10 приложения № 3. Как видно из рис. 1.2. потребление электроэнергии подразделениями, относящимися к I категории составляет около 55 % от ЭП в целом по предприятию.

Сезонность электропотребления выражена не ярко, как видно из рис. 1.8. Относительная автокорреляционная функция ( -1 г{т) 1) R{m)_ r{m) = D Автокорреляционная функция электропотребления угледобывающего предприятия в именованных единицах [20] TJXQDW - статистическая оценка дисперсии временного ряда, вычисленная по (3.3.); п - количество значений временного ряда; т - дискретный сдвиг временного ряда, т = 0,1,...; w,. - потребление электроэнергии в і - ом месяце. Отсутствие периодической составляющей в корреляционной функции г(т) свидетельствует о том, что временной ряд электропотребления Wt не имеет сезонной составляющей. Графики режимных дней наиболее точно характеризуют величину используемой мощности на предприятии, данные замеров осуществлявшихся в 1995 - 1999 гг. представлены в табл. 1.2., на рис. 1.9. - 1.11., рис. 3.11 - 3.13 приложения № 3. Характеристики графиков режимных дней (среднее значение мощности рс\ среднее квадратическое отклонение а ; суточный расход электроэнергии w.), представленные в табл. 1.З., изменяются в большом диапазоне, нестабильны, что соответствует неустойчивому характеру работы предприятия в этот период.

В целях повышения надежности и безопасности подземных систем электроснабжения применено электрическое разделение поверхностных и подземных сетей, характеризуемое обособленным питанием подземных высоковольтных приемников. Система с обособленным питанием представляет собой схему, при которой питание всех потребителей, установленных в подземных выработках, или в части их осуществляется от отдельных сетей, гальванически не связанных с сетями находящимися на поверхности [203]. К особенностям режимов работы системы электроснабжения угледобывающих предприятий относят протяженные электрические сети ограниченной пропускной способности и вследствие этого заниженные уровни напряжения в режиме наибольших нагрузок и завышенные напряжения в режимах малых нагрузок. Для электроаппаратуры характерны большая частота и высокий темп коммутационных операций. Большая часть электродвигателей выбрана со значительным запасом по тепловой мощности, так как они работают в режиме резкопеременных нагрузок с частыми тяжелыми пусками, осуществляемыми в ряде случаев под нагрузкой. Графики электрических нагрузок основных горных машин и механизмов, а также участковых комплектных трансформаторных подстанций в целом характеризуются значительными кратковременными перегрузками при относительно низких значениях средних нагрузок за смену. Все эти факторы оказывают влияние на режим работы электрических сетей и должны учитываться при выборе способов и средств рационального использования и экономии электроэнергии [108]. К основными потребителями электроэнергии угледобывающего предприятия можно отнести такие подразделения, как: лавы, водоотлив, подземный людской подъем, внутришахтный транспорт (ВШТ), проходка, очистные сооружения, угольный подъем, породный подъем, клетевые подъемы 1 и 2 и их собственные нужды, блок очистки шахтных вод (БШВ), котельная, механический цех, компрессорная, вентиляционные стволы 1 и 2, административно-бытовой комбинат (АБК) [85]. Перечисленные подразделения объединены в единую систему электроснабжения, структура которой схематично представлена на рис. 1.12. Основное технологическое звено - лавы, производятся очистные работы и транспортировка угля по лаве, основными потребителями являются угольные комбайны (именно с их помощью добывается уголь), конвейеры (служат для транспортировки угля), электробуры, электронасосы для откачки воды. Внутришахтный транспорт осуществляет доставку горной массы в угольный склад, оборудования, материалов, его основные потребители -контактные электровозы типа К -14 и конвейеры.

Экономико-математические модели минимизации затрат на компоновку и функционирование источника питания угледобывающего предприятия

Экономико-математические модели минимизации затрат на компоновку и функционирование источника питания угледобывающего предприятия тесно взаимосвязаны и представляют собой систему моделей, взаимосвязь между которыми показана на рис. 2.2. Из рис. 2.2. видно, что многофакторная стохастическая оптимизационная модель поставки электроэнергии подразделениям угледобывающего предприятия используется дважды: первоначально - для оценки текущего состояния и функционирования СЭС, а после оптимизации - для определения оптимальных значений: эксплуатационных затрат источника питания, мощности подразделений, ущербов от недопоставки электроэнергии подразделениям, величины и приоритетности поставки электроэнергии подразделениям, планирования мероприятий по регулированию режимов электропотребления. При построении моделей исходя из специфики угледобывающего предприятия были приняты следующие допущения: производственные мощности предприятия в рассматриваемый период времени фиксированы и ограничены в соответствии с п. 1.2.; уголь реализуется в запланированные сроки; согласно норм Правил устройства электроустановок ГПП оснащается двумя трансформаторами одинаковой мощности, коэффициент загрузки которых не должен превышать 0,5. Для моделей базовый период времени принят равным месяцу, вследствие того, что учет данных об объеме добычи угля, его цене, простоях, электропотреблении по подразделениям осуществляется ежемесячно. При разработке моделей за основу были приняты экономико-математические модели оптимизации проектной мощности источника электроэнергии и определения оптимальных плановых резервных мощностей электроэнергетической системы, представленные в работах профессора В.А. Кардаша [70, 72], показавшие свою эффективность при оптимизации систем в сельском хозяйстве, теплоснабжении, электроэнергетике [18, 70 - 76, 94, 119]. 3) Содержательно целевая функция представляет собой минимизацию суммарных затрат на строительство и эксплуатацию источника питания, оплату за электроэнергию, затрат от ее потерь в трансформаторах ГПП и от ущербов вследствие недопоставки электроэнергии [126]. Ограничение 1) выражает требование, чтобы инвестиции в реализацию проекта не превышали лимитов инвестиционных средств.

Ограничение 2) отражает наличие инерционно-стратегических связей балансы мощностей в СЭС в каждой из возможных системных ситуаций, т.е. ограничение 2) связывает стратегические переменные и тактические переменные. Содержательно это условие означает, что сумма величин потребной мощности и недоподачи (резерва) мощности по предприятию в ситуации со соответствуют оптимальной мощности источника питания угледобывающего предприятия. Стохастические ограничения: ограничение 3) - балансы денежных средств по текущим эксплуатационным затратам на функционирование источника питания; ограничение 4) балансы электроэнергии у каждого из подразделений; ограничение 5) условие не отрицательности переменных. В модели (2.15) - (2.20) используются следующие обозначения: Идентификационные индексы: к = \,п _ индекс подразделения; = ЬГ - индекс периода капвложений.

Коэффициенты целевой функции: о- приведенные единовременные затраты в расчете на 1 кВт мощности на стадии t реализации проекта, руб. /кВт; i = ф "V U + Щ Ф) - коэффициент переводящий величину активной мощности трансформатора к полной мощности; кф - коэффициент формы суточного графика нагрузки в режимный день; 18 Р - значение средневзвешенного тангенса в целом по угледобывающему предприятию; с{со) - стоимость электроэнергии в ситуации со, руб./кВт-ч; L(co) - цена угля в ситуации со, руб. /т.; D{co) - объем добычи угля по предприятию в ситуации со, т./мес; z(co) - доля потерь электроэнергии в трансформаторе в расчете на единицу поданной электроэнергии в рассматриваемый период в ситуации со; q(co) — удельные эксплуатационные затраты на подачу электроэнергии в расчете на 1 кВт-ч в рассматриваемый период в ситуации со, руб./кВт-ч; tloe(co) - время работы лав в месяц в ситуации со, ч.; Gk — оператор, характеризующий взаимосвязь работы подразделения с работой очистных забоев, как указано в п. 3.3. Другие обозначения: wnnn ( ) - потребность к - го подразделения в электроэнергии в ситуации со, кВт-ч; tk(co) - время работы к - го подразделения в ситуации со , ч.; К - лимит инвестиций, выделяемых на реализацию проекта создания источника питания в период t за весь период реализации проекта, руб.; Q - лимит средств, выделяемых на эксплуатационные затраты источника питания, руб.; - норматив капитальных затрат в расчете на 1 кВт мощности на стадии t реализации проекта, руб./кВт; Y - оператор, определяющий учет ущерба от недопоставки электроэнергии, при х Ртп{а ) равен 1, при х РПОТ{со) равен 0.

Оценка гипотез о законах распределения случайных величин технологических и технико-экономических данных

Проверка гипотезы о том, что выборки сделаны из генеральных совокупностей, распределенных в соответствии с одним из теоретических законов F (х): гамма-законом, законом Симпсона, нормальным, логнормальным, равномерным, экспоненциальным законами [193] при объемах выборок N (N 100) осуществляется по одному из двух критериев [34]: со , W. При объемах выборок 50 /V 100 для проверки согласия применяют критерий со2. Результаты наблюдений случайной величины X располагают в порядке возрастания: JCI Х2 .... х, ... х и вычисляют значение критерия: где F(XJ) -значение функции теоретического распределения для аргумента Xj, i= \, 2,..., N. Критическую область определяют в соответствии с выражением: coN Qa , где Qa определяется по [34] в зависимости от уровня значимости а. Критерий W применяется для проверок согласия опытного распределения с нормальным или логарифмически нормальным распределением для объема выборки от 3 до 50. Результаты наблюдений случайной величины X располагают в порядке возрастания: х\ х2 .... Xj ... xN и вычисляют значение критерия:

Критическую область определяют в соответствии с выражением: W W , W - вычисленное значение критерия. W - определяется по [34] в зависимости от уровня значимости а.

На основе проведенных статистических исследований, результаты которых представлены в табл. 1.1., на рис. 3.1 - 3.10, рис. 3.14 - 3.21 приложения № 3 были выдвинуты гипотезы о распределении рассматриваемых случайных величин ЭП угледобывающего предприятия и подразделений и проведена проверка достоверности выдвинутых гипотез согласно (3.11), (3.12), результаты которой представлены в табл. 3.9.-3.12.

Проверка гипотез о распределении случайных величин потребления электроэнергии вентиляционного ствола 2 и удельных эксплуатационных затрат в соответствии с одним из теоретических законов: гамма-законом, нормальным, логнормальным, равномерным, экспоненциальным законами показала, что представляется сложным выдвинуть гипотезу о распределении этих случайных величин. Это объясняется малым размером выборки данных и нестабильностью работы угледобывающего предприятия.

Проанализировав гипотезы о распределении случайных величин потребления электроэнергии вентиляционного ствола 2, удельных эксплуатационных затрат, удельных потерь электроэнергии по гамма-закону нормальному, логнормальному, экспоненциальному законам по критерию со" можно выдвинуть гипотезу о распределении этих величин по гамма-закону, так как опытные значения критерия наиболее близки к теоретическому по сравнению с опытными значениями критерия при выдвижении гипотез о распределении по перечисленным выше законам.

Проверка гипотез о распределении случайных величин времени простоев вследствие отключения электроэнергии, повреждения кабеля, замены и ремонта электрооборудования, замены и ремонта оборудования с механическими повреждениями, проведения подготовительных работ в нишах в соответствии с одним из теоретических законов: гамма-законом, нормальным, логнормальным, равномерным, экспоненциальным законами показала, что представляется сложным выдвинуть гипотезу о распределении этой случайной величины, в связи с малым размером выборки данных, поэтому принята гипотеза о распределении случайных величин по экспоненциальному закону [25].

Таблица 3.11. Результаты проверки согласия распределения величин по критерию со при уровне значимости 0,05

Принято допущение о равномерном распределении величины времени простоев внутришахтного транспорта вследствие отсутствия порожних вагонеток, так как опытное значение критерия незначительно отличается от допустимого теоретического, как видно из табл. 3.13. Таблица 3.13. Результаты проверки согласия распределения величин времени простоев внутришахтного транспорта вследствие влияния техно-генных факторов по критериям со и W при уровне значимости 0,05

Анализ проверки согласия распределения величин времени простоев внутришахтного транспорта вследствие влияния техногенных факторов должен проводиться по критерию W при уровне значимости 0,05, так как объем рассматриваемой выборки не превышает 50, но вследствие того, что критерий W позволяет осуществлять проверку согласия распределения величин только по нормальному и логнормальному законам, а эти законы не проходят по критерию W (опытное значение критерия для случайной величины времени простоя вследствие ремонта и замены электрооборудования при нормальном законе составляет 1,04, при логнормальном законе составляет 3,26, а теоретическое - 0,918), поэтому проверку согласия распределения величины времени простоя вследствие ремонта и замены электрооборудования провели по критерию со2.

При моделировании работы СЭС угледобывающего предприятия был использован метод статистических испытаний (Монте-Карло), который базируется на использовании случайных чисел, т.е. возможных значений некоторой случайной величины с заданным распределением вероятностей [166, 175, 223, 224, 226]. Моделирование электропотребления угледобывающего предприятия включает в себя моделирование величин потребления электроэнергии подразделений, времени их работы и простоев, добычи угля, его себестоимости, цены электроэнергии, ее потерь в трансформаторах ГПП, удельных эксплуатационных затрат источника питания, как видно из п. 3.1. -3.2., распределенных по гамма-закону, закону Симпсона, нормальному, экспоненциальному, логарифмически нормальному, равномерному законам распределения, плотности распределения которых представлены в (3.13) -(3.18).

Рекомендации по выбору оборудования на основе реализации экономико-математической модели

При проектировании электроустановок угольных предприятий, как указано в инструкции по проектированию электроустановок угольных шахт, разрезов, обогатительных и брикетных фабрик [63] должны выполняться требования действующих «Правил безопасности в угольных шахтах», «Правил устройства электроустановок» [149 - 151].

Выбор мощности трансформаторов Г1111, как указано в инструкции по проектированию электроснабжения промышленных предприятий СН-174-75 [64], следует производить в соответствии с нормами технологического проектирования понижающих подстанций с высшим напряжением 35 - 750 кВ, согласованными с Госстроем СССР.

При этом при выходе из работы одного трансформатора оставшийся в работе трансформатор должен обеспечивать работу предприятия на время замены выбывшего трансформатора с учетом возможного ограничения нагрузки без ущерба для основной деятельности предприятия и с использованием допустимой перегрузки трансформатора по ГОСТ 14209-97 [36, 64].

Оптимальное значение активной мощности Ропт 4900 кВт соответствует среднесуточной Рс, т.к. получено по средним суточным значениям электропотребления отдельных подразделений. В качестве оценки расчетного значения активной мощности в работе принята величина эффективной мощности Рр = Рэф = кф-Рс=кф- Ропь Р = 1,053 4900 = 5160 кВт.

Коэффициент формы кф для угледобывающего предприятия, полученный по графикам электрической нагрузки режимных дней, рис. 1.9 - 1.11, 3.11.- 3.13. приложения № 3 равен 1,053. Среднее и расчетные значения реактивной мощности угледобывающего предприятия определяется по средневзвешенному cos pCH где / - номер подразделения; oct- доля / - го подразделения в ЭП предприятия; cos(pCBl -средневзвешенный cos 9 /- го подразделения; Согласно (4.1), данных табл. 1.2 и [108] средневзвешенный по угледобывающему предприятию СО$фсв равен 0,73. По QOS(pCB определяется средневзвешенный tg(pcB = 0,95 Реактивная мощность трансформатора определяется по формуле: Полная средняя и расчетная мощности определяется по формуле:

Таким образом, при полученной с помощью модели (2.15) - (2.20) расчетной активной мощности подразделений угледобывающего предприятия х соответствующей Ропт 4900 кВт, полные средняя и расчетная мощности электропотребителей будут соответственно 7117 кВА и 6759 кВА.

Исходя из допущений п. 2.3. и приведенных выше норм проектирования [36, 64] из ряда трансформаторов, мощности которых соответствуют: 4000 кВА, 6300 кВА, 10000 кВА, 16000 кВА, 25000 кВА можно предвари тельно выбрать для оборудования источника питания трансформаторы мощностью как 6300 кВА, так и 10000 кВ-А каждый.

В работе [108] рекомендуется выбирать трансформаторы такой мощности, чтобы расчетная мощность была менее мощности выбираемого трансформатора, т.е. при полной мощности соответствующей 7117 кВА, необходимо выбрать два трансформатора мощность каждого из которых соответствовала 10000 кВА, один - рабочий, другой - резервный.

В работе [203] рекомендуется на подстанциях, питающих электропотребителей I, II и III категорий устанавливать два трансформатора, мощность каждого из которых рассчитана на 100% - ную нагрузку электропотребителей I категории. Оба трансформатора в нормальном режиме находятся в работе.

Среднее значение величины полной мощности электроприемников I категории ш. им. Чиха составляет 3554 кВА, максимальная величина - не превышает 5006 кВ-А, т.е. при нормальной работе ГПП можно принять трансформаторы, мощность каждого из которых составляет 6300 кВА. В данном случае при отключении одного из трансформаторов потребители I категории отключаться не будут.

Среднее значение величины полной мощности электроприемников I и II категорий ш. им. Чиха составляет 5124 кВА, максимальная величина - не превышает 8084 кВА. В этом случае при выходе из строя одного из трансформаторов мощностью 6300 кВ-А второй будет перегружен на 12,75%.

Как отмечалось в п. 4.1., с ростом уровня освоения проектных мощностей угледобывающего предприятия величина используемой мощности электропотребителями будет возрастать, при этом оптимальное значение полной мощности трансформаторов при функционировании трех лав составит 8656 кВА, при работе четырех - 9376 кВ-А, а при достижении проектной мощности - 9954 кВ-А.

При увеличении объемов производства трансформаторы мощностью 10000 кВ-А позволят обеспечить функционирование электропотребителей предприятия в оптимальном режиме. С учетом приведенных выше обоснований и допущений в работе для угледобывающего предприятия предлагается выбрать трансформаторы SH = 10000 кВА. взамен существующих двух 5Н 25000 кВ А., при этом затраты при реконструкции на покупку и монтаж оборудования снизятся на сумму около 1 млн. руб., эксплуатационные затраты уменьшатся на 30%, величина налоговых платежей по налогу на имущество предприятий снизится более чем в два раза.

Снижение мощности трансформаторов ГПП с 25000 кВА до 10000 кВА приведет к снижению токов короткого замыкания в сети 6 кВ, что позволит заменить высоковольтные выключатели и другие аппараты (разъединители, шины, изоляторы) при истечении срока эксплуатации на менее мощные и более дешевые. В данном случае облегчается режим работы релейной защиты. Следовательно, оптимизация мощности источника питания позволит провести оптимизацию оборудования всего электроэнергетического комплекса предприятия.