Введение к работе
Актуальность проблемы. Совершенствование существующих н внедрение новейших технологий с оптимальними энергозатратами на единицу продукции) проведение активной энергосберегающей политики в сфере прондаленности и транспорта является важнейшей народнохозяйственной задачей. Перевод эконоыики Российской федерации на энергосберегающий путь развития обеспечивает уменьшение удельной энергоёмкости национального дохода, значительное сокращение затрат на использование топливно-энергетических ресурсов и, в первую очередь, в области выработки и потребления электрической энергии.
Ознин из основных направлений развития электроэнергетики и электрификации является интенсификация и повышенна эффективности научных исследований по проблеме электромагнитной совместимости (ЭШ), успешное решение которой во ыногш определяется комплексом .научно-технических задач, связанны с оптимизацией качества и снижением потерь электроэнергии в системах электроснабжения электрических железных .еорог и промышленных предприятий.
Необходимость проведения таких научных исследований, обусловлена тем, что современный этап развития промышленности и транспорта характеризуется постоянным ростом предприятий, использующих в технологических процессах энергоемкое электротехническое оборудование. Режим их ряботы связан как о симметричным, так и несимметричным отбором мощности от трехфазной ско -темы, значительной долей потребления реактивной мощности на частоте основной гармониям а несинусоидальной формой кривых потребляемого тока я питающих напряженна (полупроводниковые преобразователе, электровозы постоянного it переменного «ока, дуговые сталеплавильные и руднотермическна печч, газоразрядные лампы, магнктодкнамичесюга насосы, установки электросварки, електрошлакового переплава I: др.). Сегодня нет такой отрасли народного хозяйства, где бы не набледался прогрессирующий рост
числя и мощности несимметричных и несинусоидальнііх приемников одектрической энергии. Аіедрение таких приемников электроэнергии (ЭП) вызвано, с сдной стороны, необходимостью совершенствования способов производства продукции на основе нсвеГыих достижений науки и техники, особенностьа ведения технологических процессов на предприятиях, с другой, применение таких ЭП ведет к сушеатвиннсцу снижении показателей качества электроэнергии (ПКЭ) в системах электроснабжения и отрицательно ска-зызастся на их технико-экономических показателях.
Комплекс научно-технических задач по улучшении качества электрической энергии (КЗ), сохранению условий электромагнитной совместимости и повыпени» функционального состояния элект-ршееккх сетей и систем электроснабжения определил новое научное напраоление а области методологии, анализа и синтеза проблемы многоцелевой оптимизации параметров и показателей качества электрической анергии кескшет ричиых и несинусоидалъных резников рабоги электрических систем, іорчирование и развитие этого научного направления сзязано с работами таких творческих коллективов, как ШЖЗ, ИЭ АН Украина, СЭИ АН РФ, ЭНИНа, ВАСХНИЛа, ЮІІо, ЛНИШа, КГУПс, ШУПс, ЗЗИИГа, РШГа, ИРИИГа, УЭМЛИГа, ХабИКїїГа, Омского института инженеров железнодорожного транспорта (ОмИИГа), Омского Государственного технического университета (ОиГГУ), Мариупольского металлургического института (ММИзі) И пп;
В течение двух десятилетий крупные народнохозяйственные задачи этой проблемы реиалнсь под руководством и непосредственной участии автора на предприятиях цветной металлургии, железнодорожного транспорта и Министерства обороны. Проведенные исследования в области многоцелевой оптимизации качества олскт -' роэнергии и средств её улучшения выполнялись в соответствии с основными направлениями развития естественных наук АН" РФ по комплексной проблеме "Научные основы электрофизики и електроенергетики"; планами НИР комплексной целевой программы 0.Ц.0ОЗ (подпрограмма 0,01.ІЗЦ "Повышение качества электрической энер-
гни по напряженно и снижению потерь в электрических сетях ЕЭЭС"); программой по решении важнейших научно-технических проблем 0.01. II (п.НІ "Провести исследования систем электроснабжения (СЭС) промьаиенных предприятий и разработать принципы оптимального построения СЭС» обеспечивающие повышение качества, надежности и эффективности СЭС")» страслеэдаи программами ШІЦіЗЕГККГа СССР ("Совершенствование электротехнического хозяйства электролизных цехоа алюминиевых заводов с целья экономии электроэнергии" от 18.12.1985 г., "Нормализация показа -теяей качества электроэнергия я компенсация реактивной мощности на предпріктиях алюминиевой подотрасли ШИЦЗКГШГа" от 26.0G.I939 г.); отраслевыми программами ШС по решению научно-технических проблем (Указания ШС от 24.10.1985 г. » 1250-У, от 28.12.1990 г. - » 2950-У).
Целью диссертационной работы является разработка к развитие теоретических основ многоцелевой оптимизации качества электрической энергии, практическая реализация которой на бале многофункциональных оптимизирующих устройств позволяет обеспечивать условия электромагнитной совместимости в электрических сетях и функциональное состояние систем электроснабжения (СЭ) с требуемыми технико-экснокичееккия показателями.
Основные задачи работы:
-
Исследовать и обобщить системные признаки несимметричных к несинусоидальных режимов СЭ электрических железных дорог и промысленных предприятий» позволяющих методологически обосновать основы системного анализа прогноэирозачия и оптимизации КЗ в злектріческих системах с мощными несимметричными я нелинейными нагрузками.
-
Обобщить принципы формирования критерия оптимальности
и системы ограничений, определяющих область оптимальных решений структуріс-яарамстрячесного синтеза с использованием элементов автоматизированной системы проектирования многофунхцяоиалыпв оптимизирующих устройств.
3. Выполнить системный анализ критериев выбора структур и
параметров устройств при детерминированном и вероятностном характере нагрузки, математических моделей элементов сетей, поз-волтций перейти к разработке теоретических основ одно- и многокритериальной оптимизации КЗ.
-
Разработать математические модели скалярного синтеза, обеспечивающих оптимальные решения при выборе структур и параметров устройств многоцелевого назначения.
-
Исследовать и разработать основные положения теории векторной оптимизации многофункциональных оптимизирующих устройств с использованием принципа оптимальности по Парето.
-
Разработать принципы практической реализации теоретических основ многоцелевой оптимизации КЭ в области программного и математического обеспечения отдельных структур системы4 автоматизированного проектирования.
7» Разработать комплекс технических решений при проектировании и эксплуатации устройств многоцелевого назначения, повышающих технико-экономические показатели систем электроснаб -кения электрических железных дорог и промышленных предприятий.
Ыетоды исследований. Теоретические « практические иссле-доваїшя проблемы качества элекгричесхсй энергии в области структурного ч параметрического синтеза многофункциональных оптимизирующих устройств выполнены с использованием аппарата системного анализа. Методология системных исследований означает переход к этапу разработки и воспроизводства на ЭВМ организованных структур правил, алгоритмов и математических моделей при создании элементов автоматизированной системы проектирования устройств многоцелевого назначения. Выбор управлящих ре -шений строится с использованием методов теории ряды Фурье, математической статистики, аппарата теории матриц в сочетании с классическим анализом многофазных электрических цепей в фазных я симметричных координатах, методов скалярной и векторной оптимизации с использованием принципа оптимальности по Парето.
fta/чная новизна. Установлены особенности применения системного анализе как рецептурного аппарата при рошений проблемы
влектромагнитной совместимости и качества электроэнергии,поз
воляющие в отличие от известных подходов, выполнить анализ и
предложить классификации оптимизационных задач по типам их
функций. .
Предложены и разработаны обобщенные метода теории скалярного синтеза, в той числе и метод поэтапной оптимизации структур и параметров многофункциональных оптимизирующих устройств (ЫСУ-ИЭ) как при детерминированной, так и стохастической форме представления нагрузок СЭ. Предложенные методы составляют основу математического и программного обеспечения системы автоматизированного проектирования М0/-КЭ.
Разработан и исследован на принципмс скалярной оптимизации широкий класс устройств, отличных от известных решений. Структурно-параметрический синтез, выполненный на базе этой теории, обеспечивает улучшение НЭ и снижение её потерь' одновременно по нескольким Ш0 и параметрам режима СЭ с помощью одного устройства многоцелевого назначения. Одновременное воздействие на функциональное состояние СЭ осуцесталястея по совокупности таких признаков, как фильтрация выигчх гармонических, симметрирование токов и напряжений» компенсация реактивной модности на основной частоте, изменение значения величины напряжения в узле нагрузки я повышение уровня ЭШ»
Поставлена задача векторной оптимизации структур и параметров устройств, обоснованы критерии оптимальных решений и выполнена характеристика их построения. Разработан метод решения бикрктериальных задач, исследована область парето-эффек-тивных решений и показана целесообразность применения одно-, двух- и трехфазных устройств.
Впервые сформулированы и развиты основные положения теории векторной оптимизации МОУ-НЭ для разветвленной электрической сети с п нагрузочными узлами. Разработана и исследована математическая модель (ММ) трехкритериальной задачи, указано, что размерность и сложность решения розрастают по мере увеличения числа критериев в одної Ш, но практическая реализация такой
оптимизационной задачи даст выигран в технико-экономическом аффекте в пределах 10 % при одних и тех же затратах.
Предложены алгоритмы технологии проектирования и разработана структура программного обеспечения на уровне функционально-параметрической подсистемы, сформулированы задачи проекти -рования и на уровне конструкгорско-технологической подсистемы, позволяющие обобщить концепси» отдельных структур системы автоматизированного проектирования МОУ-КЭ.
" Предложены математические модели определения критериев вффектизности мероприятий и технических средств многоцелевого назначения, обобщены практические результаты эффекта от Ш/-КЭ в системах электроснабжения электрических железных дорог и промышленных предприятий. Впервые разработаны и применяются нормативные документы в Российской Федерации по оценке расчетного и фактического вклада потребителя в ухудшение КЭ, а также по условиям его влияния на ПКЭ при присоединении к электрическим сетям (в соавторстве).
По результатам теоретических исследований разработан ряд технических решений, отдельные аспекты которых подтверждаются авторским свидетельством на изобретение.
Практическая ценность. На основании выполненных исследований и разработок решена научная проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение в области электромагнитной совместимости и качества олектроэнерпш в СЭ электрических железных дорог и промышленных предприятий с устройствами многоцелевого назначения. Её результаты позволили:
- обобщить на принципах системного анализа основные функ
циональные признаки СЭ и разработать методологические основы
технологии отдельных структур системы автоматизированного про
ектирования МОУ-КЭ с заданнымитехнико-экономическими характе
ристиками;
- реализовать в ряде проектных институтов поиск новых схе
мотехнических решений устройств оптимизации качества электри
ческой энергия, разработать специальные реакторы ЫСУ-КЭ, редей-
8 .
ные защиты, предложить различные конструктивные исполнения устройств;
v- создать математическое и программное обеспечение считая их отдельными структурами системы автоматизированного проектирования устройств;
- разработать с участием автора практические рекоиендацин для нормативно-технических документов по применению скидок и надбавок за компенсацию реактивной мощности и качество электроэнергии, а также предложить рекомендации в Правила по при -соединению потребителей по условиям влияния на качество электроэнергии.
Полученные результаты навли применение в учебных курсах "Электроснабжение электрических железных дорог", "Электрические сети и энергосистемы'', "Тяговые подстанции", "Релейная защита" специальности 1004.
Основные положения» выносимые на защиту.
I. Практические результаты системного анализа качества электрической анергии в электрических системах с иощпыми несимметричными и нелинейными нагрузками.
"2. Теория скалярного синтеза оптш ильных структур и параметров ИОУ-Ю с учетом детерминированного и вероятностного характера изменения параметров режимов работы СЭ.
3. Метод решения бикритериальных задач при структурно-параметрическом синтезе устройств.
4. Метод выбора решений и исследования задач векторной оптимизации структур и параметров ИОУ-КЭ.
5. Комплекс технических устройств и решений при проектировании и эксплуатации устройств многоцелевого назначения и методи оценки их эффективности.
Внедрение на электрических железных дорогах и в промыяяен-ности. Научные результаты работы использованы при разработке норштивно-техничесиих документов, к числу которых относятся "Правила применения скидок и надбавок к тарифам за качество электроэнергии" и "Правила присоединения потребителя к сети об-
щего назначения по условиям влияния на КЭ", а также техничес-, кал документация при проектировании и эксплуатации широкого класса МС7-КЭ напряжением 0,4} 10,0 и 27,5 кБ в системах электроснабжения электрических железных дорог и промышленных предприятий. К числу практических разработок относятся:
-
Многофункциональные оптимизирующие устройства классом напряжений 27,5 кВ (ЫСУ-КЭ - 27,5) на ЮЬшо-УральскоЙ, Западно-Сибирской. Забайкальскойї Средне-Азиатской железных дорогах.
-
йильтро-компенсирующие устройства классом напряжения 10 кВ (ФНУ-Ю) на Братском алюминиевой заводе.
-
Методика и рекомендации по выбору параметров фильтро-компенсирувдкх устройств классом напряжения 0,4 кЗ (ФКУ-0,4)
в локальной системе электроснабжения с повышенными требованиями f КЭ (предприятия Минобороны).
-
Техническая часть проекта по выбору параметров,структур, мест размещения, основного оборудования, релейных защит, системы управления ЫОУ-КЭ - 27,5 Шроектно-изыекательские институты "Сибгипротранс" - г.Ноаосибирск, "Днепрогипротранс"-г.^репропетровск).
-
Техническая часть проекта по выбору параметров.струк-тур, мест размещения, основного оборудования, релейных защит, системы управления ФКУ-Ю (ГПИ "Цветметэяекгропроект" -гЛашкеиг).
-
Отдельные компоненты системы автоматизированного проектирования САПР МОУ-КЭ в части методики двухэтапной оптимизации структур, параметров, математических моделей, программного обеспечения, синтеза схем и конструктивных решений (ГПИИ "Тренсэлектропроект" - г.Ыосква).
-
Рекомендации, материалы в нормативко-технические документы по применению скидок я надбавок за КЭ и к требованиям присоединения потребителей по условиям влияния на КЭ (ЗШИЭ -г.Москва, 1991 г.).
Экономический эффект от внедрения ЫСУ-КЗ - 27,5 на Юкно-Уральской, Западно-Сибирской железных дорогах соответственно
-..--' -10 '
составил 527,0 (цены 1986 г.), 2,5 . Юэ (цени 1991 г.) тыс. рублей в год, на Братском алюминиевом заводе эффективность внедрения ФКУ-10 составила 1,7 млн.рублей в год (цены 1989 и 1991 гг.). Общий экономический эффект, включая и выполненные проекты устройств, по ценам до 1991 года свыше 10 млн.рублей в год.
Апробация работы. Материалы диссертации и её отдельные положения, начиная с 1971 года, докладьгаались и обсувдались на всесоюзных конференциях, совещаниях* семинарах, одной республиканской конференции, ряде отраслевых совещаний, семинаров, научно-технических конференций вузов страны и одной международной конференции, в том числе на;
-
Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности устройств преобразовательной техники", г.Киев, 1972 г.
-
Республиканском научно-техническом семинаре "Повышение качества электрической энергии в распределите :ьных сетл*", г.Киев, 1974 г.
-
Всесоюзной научнс-техничеі. кой конференции "Современные" задачи преобразовательной техники", г.Киев, 1975 г.
-
Четвергом всесоюзном научно-техническом совещании "Повышение качества злеетріческой энергии", г.Винчица, 1978 г.
-
Второй всесоюзной конференции "Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса", г.Новосибирск, 1980 г.
-
Третьей всесоюзной конференции "Развитие производительных сил Сибири и задачи усчорлздя научно-технического прогресса", г.Улан-^дэ, 1981 г.
-
Третьей всесоюзной научно-техничаспй конференции "Проблемы преобразовательной техники", г.Киев, 1983 г.
3. Всесоюзной научно-технической хдаферен-вт "Пути повчзе-
ния эффективности использования и экономии электрозгнергии в
системах электроснабжения п^омыш знностя.и транспорта", г.Ка
зань, 1984 г.
9. Четвертой всесоюзной конференции "Развитие производи
тельных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического
прогресса", г.Кркутск, 1985 г.
-
Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники", г.Киев, 1987 г.
-
Научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества электроснабжения", г.Мариуполь, 1990 г.
12. lAteftnationai jctentifte co/ifeience ел ш Gua&-
tu of е?есЫса1 cuetgy? S/iafa, РоЄолсі , /9Р/уем.
-
Всесоюзном научно-техническом совещании "Снижение потерь и повьдение качества электроэнергии в электрических сетях энергосистем", г.Бишкек, 1991 г.
-
Сетевых научно-практических семинарах, конференциях
по разработке и внедрению новых систем электроснабжения, преобразовательной техники, устройств компенсации реактивной мощности и повышения качества электрической энергии, коммутационной аппаратуры на электрифицированных железных дорогах (г.Абакан, 1977 г.; г.Ростов, 1986 г.; г.Горышй, 1987 г.).
-
Отраслевых совещаниях, по совершенствованию электротехнического хозяйства и нормализации показателей качества электроанергии на предприятиях цветной металлургии (г.Ташкент, 1985, 1987 гг.; г.Запорожье, 1990 г.).
-
Научно-технических советах: Главного управления электрификации и энергетического хозяйства ШС (г.Москва, 1984 г.; секции энергосистем и сетей Центрального правления ИГО энергетики и электротехнической промышленности, г.Ленинград, 1977 г. г Главного управления по энергетике, автоматизации и экологии ыинцветыета (г.Ташкент, 1934, 1985, 1989 гг.); служб электроснабжения Южно-Уральской, Восточно-Сибирской, Западно-Сибирской, Средне-Азиатской, Забайкальской железных дорог (г.Челяоинск, І97І-І99І гг.; г.Иркутск, 1978-1985 гг.; г.Новосибирск, 1984-1991 гг.; ^Ташкент, 1988-1990 гг.){ г.Чита, 1990-1993 гг.| отдела главного энергетика Братского алюминиевого завода (г.Братск, 1985-199I гг.).
17. Научно-технических конференциях, семинарах кафедр ОмИИГа и других вузов {г.Омск, 1974, 1978, 1980-1988, 1990 гг.).
Многофункциональные оптимизирующие устройства класса МОУ-КЭ отмечены серебряной медалью ВДНХ СССР, а также дипломами всесоюзних конкурсов на лучшее предложение по экономии электрической и тепловой энергии (1977 г. - поощрительская премій, 1984 г. - вторая), дипломом ЦП НТО железнодорожного транспорта за лучшее предложение в разработке и внедрении многофункциональных оптимизирующих устройств (1985 г. - первая премия).
Публикации. По результатам исследований соискателем лично и в соавторстве опубликованы: монография, учебное пособие, 78 статей и докладов, получено авторское свидетельство на изобретение, а также написано при участия и научном руководстве ав -тора 28 отчетов по темам НИР. Всего по теме диссертации опубликовано 106 (печатные и рукописные) работ.
Структура и обърм работы. Диссертация состоит из двух томов. Первый ток включает в себя введение, семь глав, заключение, 'список литературы и содержит 256 г. машинописного текста, 17 с. рисунков, 17 с. таблиц, 21 с. списка литературы (239 наименований). Второй той состоит из шести глав, где на 85 с. описаїш теоретические исследования прикладного характера, схемные, конструктивные и другие техническиэ решения, материалы по внедрении и экономический эффект в отраслях народного хозяйства.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность коллективу кафедры "Тяговые подстанции и их автоматизация", специалистам НИИ, проектных институтов, вузов, железных дорог и БрАЗа, совместная работа и творческие дискуссии, с которыми способствовали решению поставленных задач.