Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы автоматизации управления электропотреблением промышленных предприятий и постановка задач исследования 23
1.1. Обзор и анализ работ по управлению электропотреблением промышленных предприятий 23
1.2. Постановка задач исследования 49
2. Разработка методологии построения систем автоматизированного управления электропотреблением . промышленных предприятий 51
2.1. Системный анализ энергетики промышленных предприятий 55
2.2. Методология построения систем управления электропотреблением предприятий 57
2.2.1. Формирование структуры принятия решений 60
2.2.2. Синтез функциональной и информационной структур 62
2.2.3. Построение организационно-технической структуры 66
2.3. Построение информационно -логической схемы управления 72
2.4. Определение уровня автоматизации управления электропотреблением предприятий 73
3. Анализ процессов электропотребления промышленных предприятий 75
3.1. Формализованное представление и анализ условий функциони рования систем электроснабжения предприятий 76
3.1.1. Формализованное описание систем электроснабжения 76
3.1.2. Классификация электропотребляющего оборудования 81
3.1.3. Статистический анализ электрических нагрузок 88
3.1.4. Оценка ущерба от перебоев в электроснабжении технологического оборудования 95
3.2. Распределение погрешности контроля электрических нагрузок по элементам контура управления 97
3.3. Выбор шага дискретности измерения электрических нагрузок 102
3.4. Обеспечение достоверности измерительной информации 104
4. Разработка математических моделей и методов управления электропотреблением промышленных предприятий 109
4.1. Формализация процесса планирования электропотребления на предприятиях ПО
4.1.1. Организация контроля и учета электропотребления 110
4.1.2. Методика планирования электропотребления 114
4.2. Методика построения нормативных графиков активной мощности 119
4.3. Формализация оперативно-диспетчерского управления электропотреблением предприятий 121
4.3.1. Оптимизация управления потреблением активной и реактивной мощности , 122
4.3.2. Минимизация потерь электроэнергии от потокораспреде-ления реактивной мощности в электросетях 129
4.3.3. Регулирование напряжения в узлах электросетей 129
4.3.4. Постановка и методы решения задачи оперативно-диспетчерского управления электропотреблением 130
4.4.Организация диалога энергодиспетчера с информационно-вычислительным комплексом 135
5. Разработка методов прогнозирования режимов электропотребления промышленных предприятий 141
5.1. Методы прогнозирования активных нагрузок 141
5.1.1. Статистические методы прогнозирования 142
5.1.2. Методы прогнозирования с помощью искусственных нейронных сетей 147
5.1.3. Методы прогнозирования на основе теории распознавания образов 157
5.2. Прогнозирование реактивных нагрузок 162
6. Разработка подхода к построению систем мониторинга технического состояния электропотребляющего технологического оборудования 163
6.1. Анализ проблемы и перспективных направлений обеспечения надежного функционирования технологического оборудования 163
6.2. Основные методы диагностики 169
6.3. Обобщенный алгоритм мониторинга 173
6.4. Система мониторинга на примере обработки деталей подшипников 178
7. Оценка эффективности автоматизированного управления электропотреблением промышленных предприятий 183
7.1. Исследование алгоритмов управления электропотреблением предприятий путем моделирования на ЭВМ 183
7.1.1. Оценка эффективности алгоритмов выбора состава потребителей электроэнергии для оперативного регулирования активной мощности 184
7.1.2. Оценка эффективности алгоритмов прогнозирования активной и реактивной нагрузок 196
7.2. Применение предложенного подхода к автоматизации управления электропотреблением предприятий 209
7.2.1. Оценка эффективности автоматизированного управления 209
7.2.2. Практические аспекты построения систем автоматизированного управления 211
Заключение 228
Список использованной литературы 232
- Обзор и анализ работ по управлению электропотреблением промышленных предприятий
- Методология построения систем управления электропотреблением предприятий
- Синтез функциональной и информационной структур
- Построение организационно-технической структуры
Введение к работе
Эффективное использование электрической энергии на промышленных предприятиях составляет важнейшую проблему электроэнергетики России. Это обусловлено ростом цен на электроэнергию и возрастанием ее доли в себестоимости продукции, которая для энергоемких предприятий довольно высока и может достигать 60% и более. Основным направлением, позволяющим сократить эту долю, является автоматизация управления электропотреблением предприятий.
Вопросы автоматизации управления, связанные с экономией электроэнергии, решались и раньше. Сначала стали использовать более точные приборы первичного учета электроэнергии, затем примитивные технические и программные средства для автоматического сбора, накопления, обработки, хранения и отображения информации по электропотреблению, позднее -автоматизированные системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) с несколько расширенным набором функций.
Это прежде всего устройства зонного регулирования реактивной и активной нагрузок в узловых точках электрических сетей потребителей и электроэнергетической системы (ЭЭС), а также автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ), использующие мнемощиты и автоматические средства связи, сигнализирующие положение коммутационной аппаратуры и изменение основных режимных параметров на электроэнергетических объектах.
В последнее время осуществляется переход к использованию в управлении электроэнергетикой новых информационных технологий и аппаратно-программных средств.
Для оперативного сбора, обработки и визуализации информации находят широкое применение серийно выпускаемые программные инструментальные средства, такие как SCAD А- системы, а для построения АСДУ -импортные технологии фирм ABB, SCHNEIDER, GROUPE, SIEMENS и ALSTOM, адаптированные для использования в отечественных ЭЭС. Реализация этих средств и технологий позволила совершить резкий скачок в сроках и качестве разработки АСКУЭ.
Минтопэнерго РФ изданы директивные и нормативно-методические документы, касающиеся создания АСКУЭ:
Постановление Правительства РФ от 02.11.1995 г. № 1087 «О неотложных мерах по энергосбережению»;
Федеральный закон от 03.04.1996г. №28-ФЗ «Об энергосбережении»;
Правила учета электрической энергии (утв. Минтопэнерго РФ и Минстроем РФ соответственно 19.09.1996г. и 26.09.1996г.);
Положение об организации коммерческого учёта электроэнергии и мощности на оптовом рынке от 12.10.2001 г.
И все же действующие в настоящее время АСКУЭ: АСУЭ «Ток-С» (ООО «СКБ Амрита», г. Пенза); КТС «Энергия+» (НТП «Энергоконтроль», г. Заречный Пензенской области); АСКУЭ «Альфа Центр» (ООО «АББ ВЭИ Метроника», г. Москва); АСКУЭ на базе ПТК ЭКОМ (Инженерная компания ProSoft Systems, г.Екатеринбург) и другие (подробнее см.разд. 1) по-прежнему лишь контролируют процесс электропотребления, а не управляют им.
Ими реализуются функции:
коммерческого и технического учета электрической энергии и мощности;
контроля качества и ведения баланса полученной и потребленной электроэнергии;
расчета отдельных параметров электроснабжения;
- ведения графика планово-предупредительных работ (ППР) элек
трооборудования;
- автоматического архивирования данных об электропотреблении.
В отдельных случаях эти системы в том или ином объеме позволяют
имитировать штатные и нештатные ситуации на энергетических объектах и находят применение в качестве тренажеров для оперативного персонала энергетических подразделений промышленных предприятий.
Дальнейшее развитие АСКУЭ связано с более глубоким анализом процессов электропотребления промышленных предприятий и с формализацией управления этими процессами.
Формализация управления электропотреблением предприятий связана с постановкой и решением общей задачи управления (ОЗУ), заключающейся в обеспечении производства электрической энергией требуемого качества с минимально возможными затратами.
Неопределенность исходной информации и сложность процессов электропотребления как объекта управления (ОУ) приводят к необходимости расчленения (декомпозиции) ОЗУ на частные задачи управления (ЗУ), которые могут быть реализованы в реальных условиях.
На сегодняшний день методы согласования решений больших комплексов ЗУ в условиях неполной информации об ОУ и нетривиальной обстановки, требующей творческих решений, практически отсутствуют. Взаимная увязка ЗУ в данных условиях может осуществляться лишь при участии лица, принимающего решения (ЛПР). Система интерактивного общения ЛПР с ЭВМ при этом должна обеспечивать ввод и вывод информации, необходимой для принятия решений, в режиме реального времени (РВ).
Особую актуальность внедрение АСКУЭ приобретает для многономенклатурных производств, для которых сложно:
- организовать дифференцированное нормирование и планирование
потребления электрической энергии;
обеспечить эффективное использование разнотипного технологического оборудования (ТО) для регулирования активной мощности;
существенно сократить потери электроэнергии от потокораспреде-ления реактивной мощности в территориально-распределенных электросетях, характерных для этих предприятий.
Особое место среди задач АСКУЭ занимает задача мониторинга технического состояния электрооборудования. Эта задача заключается в обеспечении надежного функционирования оборудования за счет своевременного обнаружения дефектов, зарождающихся в нем, и вывода в ремонт.
Использование мониторинга направлено на совершенствование организации ремонта электрооборудования, при которой его эксплуатация осуществляется по состоянию, ресурсу или уровню надежности, а не заранее заданному регламенту по времени вывода в ремонт, как это выполняется до настоящего времени. При этом сводятся к минимуму внезапная поломка оборудования и, как следствие, нарушения производственного процесса, вызванные перебоями в электроснабжении. При правильно организованном мониторинге аварии на электрооборудовании не должны иметь места.
Решение задач АСУ электропотреблением промышленных предприятий должно осуществляться в тесном взаимодействии с другими подсистемами АСУ: АСУ энергетикой предприятий, АСНИ, АСТПП, АСУ основным производством, разного рода АСУ ТП, АСК, АСИ, АСУК и др.
Специальное математическое обеспечение управления (СМОУ) электропотреблением при этом является составной частью математического обеспечения интегрированной АСУ (ИАСУ) промышленных предприятий. Для разработки СМОУ в настоящее время целесообразно использовать готовые программные среды, например, такие как последние версии программных комплексов SAP R/3 и «Галактика».
Подсистемы сбора, обработки, визуализации и накопления информации по электропотреблению, а также АРМы управленческого персонала
службы главного энергетика (СГЭ) промышленных предприятий целесообразно строить на основе SCAD А- систем, например «Trace Mode», и оригинального СМОУ.
Настройка системы управления должна осуществляться с АРМа администратора.
В условиях автоматизации производства большое значение приобретает достоверность измерительной информации, которая является одним из основных факторов успешного решения задач управления. Эта информация нуждается в постоянном контроле и восстановлении в случае возникновения неисправностей в средствах измерения и каналах связи.
Совершенствованию управления электропотреблением промышленных предприятий посвящены работы В.Т.Мелехина, Ю.Б.Клюева, А.А.Тайца, А.А.Федорова, В.В.Шевченко, Б.И.Кудрина, П.И.Головкина, Э.Э.Лойтера, В.В.Михайлова, В.В.Непомнящего, Е.М.Червонного, Б.В.Папкова, R.Frost, J. Ackerman, H. Kanai и других авторов [1-11]. Важные результаты по управлению энерготехнологическими объектами получены Э.Я. Рапопортом [12].
В этих работах нашли отражение вопросы:
нормирования и планирования электрической энергии и мощности предприятий;
регулирования активных и реактивных нагрузок предприятий;
оценки ущербов предприятий от перебоев в электроснабжении;
сокращения потерь электрической энергии в электросетях предприятий;
организации ремонта и оптимизации функционирования электрооборудования предприятий.
Основополагающие результаты в области построения структур крупномасштабных систем управления содержатся в работах А.Г. Мамиконова, А.Д. Цвиркуна, АЛ. Копеловича, А.Ф. Резчикова и других ученых [13-21].
Под руководством чл.-корр. РАН А.Ф. Резчикова и при участии автора с 1972 года выполняются исследования по созданию систем автоматизированного управления энергетикой промышленных предприятий в Саратовском государственном техническом университете (СГТУ), с 1987 года-в филиале Института машиноведения (ИМАШ) им. А.А. Благонравова АН СССР в г. Саратове и с 1996 года - в Институте проблем точной механики и управления (ИПТМУ) РАН.
Исследования проводятся в рамках научно-исследовательских работ, выполняемых лабораторией системных проблем управления и автоматизации в машиностроении ИПТМУ РАН и кафедрой «Системотехника» СГТУ, а также договоров с промышленными предприятиями: ОАО «Саратовское электроагрегатное производственное объединение», ОАО «Саратовстрой-стекло», ОАО «Трансмаш» (г. Энгельс) и др.
В 1979 году впервые в регионе внедрена АСУ энергохозяйством на Саратовском электроагрегатном производственном объединении (СЭПО)*. Участники разработки системы, включая" автора, в 1983 году награждены серебряными и бронзовыми медалями ВДНХ СССР.
Однако несмотря на большой объем исследований по управлению электроэнергетикой промышленных предприятий:
отсутствует единый методологический подход к построению эффективных систем управления электропотреблением, основанный на системном анализе и прогнозировании управляемых процессов, максимальном учете динамических факторов производства;
не используются взаимосвязанные комплексы математических моделей и методов нормирования, планирования и регулирования режимов электропотребления, а также механизмы адаптации имеющихся моделей и методов к изменяющимся условиям производства;
* Автоматизированная система управления энергохозяйством предприятия АСУ «Энергетик»: Информ. листок № 171-80 / ЦНТИ. Саратов, 1980. 4 с.
- нуждаются в дальнейшей проработке вопросы обеспечения досто
верности измерительной информации и надежного функционирования элек
трооборудования, используемого в технологических процессах.
Отсутствие действенных мер совершенствования управления электропотреблением промышленных предприятий определило выбор темы, цели и содержания данной работы.
Объект исследований - системы автоматизированного управления электропотреблением промышленных предприятий.
Предмет исследований - методология построения систем автоматизированного управления электропотреблением промышленных предприятий, а также модели, методы и алгоритмы, обеспечивающие повышение эффективности функционирования этих систем.
Цель работы - разработка теоретических основ автоматизированного управления электропотреблением промышленных предприятий на основе совершенствования структур, моделей и методов управления, использования современных информационных технологий и человеко-машинных процедур, позволяющих обеспечить принятие и реализацию адекватных и эффективных управленческих решений.
Направления исследований. Исходя из поставленной цели, определены следующие основные направления исследований:
системный анализ энергетики промышленных предприятий и разработка на его базе теоретико-методологических основ, обеспечивающих структуризацию и целостность процесса управления, согласование функций, реализуемых системой управления, и их подчиненность целям управления предприятием;
постановка и разработка методов решения задач управления электропотреблением промышленных предприятий (нормирования и планирования расхода электроэнергии, регулирования электрических нагрузок, минимизации потерь электроэнергии от потокораспределения реактивной мощно-
сти в электросетях и поддержания в заданных пределах уровня напряжения в их узлах), обеспечивающих эффективное управление в условиях ограничений, установленных договором электроснабжения или вводимых ЭЭС в случаях дефицита генерируемых мощностей;
построение интерфейса общения энергодиспетчера с информационно-вычислительным комплексом по согласованию решений указанного перечня задач;
разработка методов оперативного прогнозирования электрических нагрузок промышленных предприятий, обеспечивающих необходимую точность прогноза в условиях жестких ограничений по мощности, вводимых энергоснабжающей организацией;
разработка подхода к построению автоматизированных систем мониторинга технического состояния электропотребляющего технологического оборудования промышленных предприятий, обеспечивающих принятие обоснованных решений по его текущему обслуживанию и выводу в ремонт.
Методы исследований. Исследования выполнены на основе:
системного анализа при разработке методологии построения систем автоматизированного управления электропотреблением предприятий;
методов векторной оптимизации, целочисленного программирования, искусственного интеллекта и нечеткой математики при разработке задач управления электропотреблением предприятий;
теории вероятностных процессов, распознавания образов и искусственного интеллекта при разработке методов и моделей прогнозирования электрических нагрузок предприятий;
методов функциональной диагностики, спектрального анализа и экспертных оценок при построении системы мониторинга технического состояния электрооборудования предприятий;
- методов математического моделирования при анализе и оптимиза
ции алгоритмов управления электропотреблением и прогнозирования элек
трических нагрузок предприятий.
Научная новизна исследований состоит в системном анализе энергетики промышленных предприятий и решении на этой основе актуальной научно-технической проблемы по разработке теоретических основ автоматизированного управления их электропотреблением.
Теоретические основы включают:
методологию построения систем управления электропотреблением промышленных предприятий, основанную на структуризации и унификации процесса проектирования этих систем;
разработку взаимосвязанного комплекса математических моделей, методов и человеко-машинных процедур управления электропотреблением промышленных предприятий, обеспечивающих выполнение ограничений ЭЭС и снижение издержек предприятий на электропотребление.
Основные научные результаты диссертационной работы.
Предложена новая методология построения систем автоматизированного управления электропотреблением промышленных предприятий, в основу которой положено представление структуры этих систем в виде совокупности взаимосвязанных структур: принятия решений, функциональной, информационной, организационно-технической и последовательный (итерационный) их синтез.
На основе синтезированных структур предложена информационно-логическая схема, объединяющая распределенные по циклам реализации управляющих воздействий и организационно-техническим средствам функции, выполняемые системой управления, в единую автоматизированную систему. Данная схема положена в основу разработки специального математического обеспечения управления электропотреблением предприятий.
Впервые предложены методики построения нормообразующих математических моделей и нормативных графиков активной мощности, которые позволяют в автоматическом режиме осуществлять планирование потребления электроэнергии и активной мощности для предприятий и их структурных подразделений, исходя из фактических условий функционирования производства.
Приведены новые постановки и методы решения задач:
управления потреблением активной и реактивной мощности;
минимизации потерь электроэнергии от потокораспределения реактивной мощности в электросетях и поддержания напряжения в их узлах, обеспечивающие оптимизацию режимов электропотребления предприятий. Предложены способы разрешения конфликтов между этими задачами, которые позволяют согласовывать их решения в условиях неполноты и нечеткости информации о состоянии процесса электропотребления предприятий.
Предложены и обоснованы ранее неизвестные адаптивные методы оперативного прогнозирования активной и реактивной нагрузок промышленных предприятий, которые в условиях глубокого снижения электрической мощности обеспечивают необходимую точность прогноза и своевременное принятие решений по регулированию режимов электропотребления.
Предложен новый подход к построению автоматизированных систем мониторинга технического состояния электропотребляющего технологического оборудования промышленных предприятий, в основу которого положено объединение функций контроля технического состояния оборудования и качества изделий, обрабатываемых на нем.
Такой подход обеспечивает оперативность и достоверность оценки технического состояния электрооборудования, принятие своевременных и обоснованных решений по его обслуживанию и выводу в ремонт.
Достоверность и обоснованность полученных результатов достигается за счет:
корректного применения системного анализа, статистической теории, векторной оптимизации, целочисленного программирования, нечеткой математики и искусственного интеллекта при исследовании процессов электропотребления, разработке методологии построения систем, моделей, методов и алгоритмов управления;
анализа и оптимизации алгоритмов управления электропотреблением и прогнозирования электрических нагрузок предприятий путем моделирования на ЭВМ;
практической апробации результатов работы в составе действующих АСУ энергетикой промышленных предприятий.
На защиту выносятся теоретические основы автоматизированного управления электропотреблением промышленных предприятий, включающие:
системный анализ энергетики промышленных предприятий и основанную на нем методологию построения систем автоматизированного управления их электропотреблением, обеспечивающую совместимость и интеграцию этих систем с другими подсистемами АСУ предприятий;
постановку и методы решения взаимосвязанного комплекса задач планирования и управления электропотреблением промышленных предприятий, а также методы согласования решений этих задач на основе диалога энергодиспетчера с информационно-вычислительным комплексом, обеспечивающие принятие эффективных решений в реальных условиях производства;
адаптивные алгоритмы оперативного прогнозирования электрических нагрузок промышленных предприятий, обеспечивающие необходимую точность прогноза в условиях изменения характера электропотребления и работу в режиме реального времени;
подход к построению автоматизированных систем мониторинга технического состояния электропотребляющего технологического оборудования
промышленных предприятий, позволяющий повысить достоверность долгосрочного прогнозирования и распознавания дефектов, развивающихся в функционирующем оборудовании;
- результаты практической апробации методологии, математических моделей, методов и алгоритмов управления, предложенных в работе.
Практическая значимость работы заключается в создании концепции построения систем управления электропотреблением промышленных предприятий, обеспечивающей улучшение показателей функционирования электроэнергетики предприятий и способствующей совершенствованию различных видов ее деятельности (экономической, финансовой, научно-технической и др.), что существенно в условиях рыночных отношений.
Представленные в работе методы, модели и человеко-машинные процедуры обеспечивают: снижение максимальной мощности, потребляемой предприятиями в часы максимума нагрузки ЭЭС, и объемов электропотребления; поддержание величины реактивной мощности в границах, установленных договором электроснабжения; минимизацию потерь электроэнергии от потокораспределения реактивной мощности в электросетях и поддержание уровня напряжения в их узлах в пределах, определенных нормативными документами.
Мониторинг технического состояния электропотребляющего технологического оборудования предприятий, основанный на предложенном алгоритме, позволяет сократить количество неплановых остановок технологических процессов, время простоя при ремонте и издержки на ремонт оборудования, а также ликвидировать последствия аварий на нем.
Полученные результаты включены в Концепцию промышленной политики Правительства Саратовской области, а также использованы в работе региональной энергетической комиссии Саратовской области и Комитета по промышленности и энергетике Государственной Думы РФ (Распоряжение Губернатора области от 13.03.97 г., № 326-Р).
Материалы исследований использованы в лекционных курсах: «Теория принятия решений», «Цифровое управление», «Базы и банки данных» и др., читаемых автором в СГТУ студентам специальности 220200 - Автоматизированные системы обработки информации и управления.
Мотивация исследований. Исследования выполнены в соответствии с планами НИР, проводимых кафедрами АСУ и системотехники СГТУ (№№ГР 77032642, 77032643, 01830077743 и др.) с 1972 по 2002 гг. и лабораторией системных проблем управления и автоматизации в машиностроении ИПТМУРАН (№№ ГРО 1.88.0 030932, 01.9.40002035, 01.960.004382, 01.200.202058 и др.) в рамках программы фундаментальных исследований АН СССР «Повышение надежности систем «машина-человек-среда» и Комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления РАН в период 1987-2004 гг.
Предложенная методология построения систем управления электропотреблением предприятий является одной из составляющих Единого плана исследований и опытных работ межотраслевого научно-технического комплекса «Надежность машин» (головная организация - ИМАШ им.А.А.Бла-гонравова РАН), осуществляющего построение базы для поиска и отработки принципиально новых решений, направленных на повышение экономического и технического уровня промышленного производства, качества и надежности современного технологического и энергетического оборудования.
Реализация результатов исследований. Результаты работы внедрены в рамках хоздоговоров, выполняемых ИПТМУ РАН: №18 от 04.01.91 г. с ОАО «Саратовское электроагрегатное производственное объединение»; №30 от 31.12.92г. с ПО «Бином», г.Саратов; №40 от 31.03.92г. с ЗАО «Хим-волокно», г.Энгельс; №22 от 05.04.99 г. и № 1496 от 20.09.02г. с ОАО «Сара-товстройстекло»; №28 от 03.11.03 г. с ЗАО «Тесар-СО», г. Саратов.
Предложенный подход к построению систем автоматизированного управления электропотреблением предприятий использован при создании
АСУ энергообеспечением ОАО «Саратовское электроагрегатное производственное объединение» и ОАО «Саратовстройстекло», а в настоящее время проходит апробацию на ОАО «Трансмаш» (г. Энгельс). Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при чтении лекций, выполнении курсового и дипломного проектирования, подготовке кандидатских диссертаций.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались во Всесоюзной школе и на Всесоюзных семинарах по методам синтеза и планирования развития структур сложных систем (Ташкент, 1981,1987), на III Всесоюзном совещании по автоматизации проектирования систем автоматического и автоматизированного управления технологическими процессами (Иваново, 1981), на Всесоюзном совещании «Оптимизационные задачи в автоматизированных системах управления» (Нальчик, 1981), на Всесоюзном семинаре «Проблемы создания и развития автоматизированных систем научных исследований коллективного пользования в городском хозяйстве» (Москва, 1983), в отраслевой школе-семинаре «Применение ЭВМ в промышленной энергетике» (Свердловск, 1987), в Межреспубликанской школе-семинаре «Анализ и синтез распределенных информационных управляющих систем» (Батуми, 1987), на Всесоюзном семинаре «Синтез структур автоматизированного управления в крупномасштабных системах» (Херсон, 1989), на 3-й Украинской конференции по автоматическому управлению (с приглашением иностранных специалистов) «Автоматика-96» (Севастополь, 1996), на Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 1999), на XVII Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-17» (Кострома, 2004), на VI Международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» и VII Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем «ДТС-2004» (Саратов, 2004), на Первой Всероссийской научно-технической конференции
с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление» (Владимир, 2004), на 2-й Международной научной конференции «Аналитическая теория автоматического управления и ее приложения» (Саратов, 2005), на Международных конференциях «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (Саратов, 1997,2002, 2004, 2006), а также на научных семинарах кафедры «Системотехника» СГТУ, ученых советах и семинарах лаборатории системных проблем управления и автоматизации в машиностроении ИПТМУ РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 60 работ, включая публикации в изданиях из перечня ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит:
в системном анализе энергетики промышленных предприятий, формулировании на этой основе и решении научно-технической проблемы по разработке теоретических основ автоматизированного управления электропотреблением предприятий;
в разработке методологии построения систем автоматизированного управления электропотреблением предприятий;
в разработке методики нормирования и планирования потребления электрической энергии и мощности на предприятиях;
в постановке и разработке методов решения задач управления и прогнозирования режимов электропотребления предприятий;
в разработке методов и построении человеко-машинных процедур, обеспечивающих согласование решений задач управления;
в построении системы и разработке алгоритма мониторинга технического состояния электропотребляющего технологического оборудования;
в анализе и обобщении результатов, полученных при эксплуатации моделей, методов, алгоритмов и человеко-машинных процедур в составе действующих АСУ энергетикой промышленных предприятий.
Обзор и анализ работ по управлению электропотреблением промышленных предприятий
Промышленные потребители электрической энергии (абоненты) с присоединенной мощностью (нагрузкой) 750 кВА и выше оплачивают электроэнергию по двухставочному тарифу, включающему плату:
- за заявленную мощность (основная ставка);
- за фактически потребленную электроэнергию (дополнительная ставка). Заявленная мощность - максимальная активная получасовая
(усредненная за 0,5 часа) мощность, отпускаемая абонентам (промышленным предприятиям) в часы максимума нагрузки ЭЭС. Эта мощность фиксируется в договорах электроснабжения и периодически проверяется энергоснабжающей организацией.
Если активная получасовая мощность, потребляемая абонентами в часы максимума нагрузки ЭЭС, в течение квартала превышает заявленную, то они платят штраф (оплачивают превышение по повышенному тарифу) или подвергается принудительному отключению (отключаются один или несколько вводов электроэнергии). Поэтому абонентам невыгодно занижать величину заявляемой мощности. Им также невыгодно и завышать значение данной мощности, так как при этом оплачивается фактически неиспользуемая мощность. Отсюда возникает задача определения оптимальной величины заявляемой абонентами максимальной активной мощности.
Значение заявленной мощности выступает в качестве ограничения при нормальных условиях функционирования потребителей электрической энергии и ЭЭС. При возникновении аварийных ситуаций на электрических сетях потребителей и в случаях необходимости принятия неотложных мер по предотвращению или ликвидации аварии в ЭЭС энергоснабжающая организация для абонентов может вводить более жесткие ограничения на величину потребляемой ими активной мощности.
Такие взаимоотношения поставщика и потребителей электроэнергии регламентируются Положением об ограничении или временном прекращении подачи электрической энергии (мощности) потребителям при возникновении и угрозе возникновения аварии систем электроснабжения, утвержденным постановлением Правительства РФ от 22 июня 1999 года № 664. Этим Положением впервые узаконено применение устройств противоаварийной автоматики. Ранее применение противоаварийной автоматики регламентировалось лишь на уровне правил технической эксплуатации [22].
Для управления потреблением активной мощности на промышленных предприятиях используются специально выделенные потребители- регуляторы (ПР) активной нагрузки. В качестве таких потребителей выступают отдельные энергоемкие электроприемники и их группы, для которых по условиям эксплуатации возможны кратковременные перерывы в электроснабжении. Отключения (подключения) ПР осуществляются путем воздействия на коммутационный аппарат систем электроснабжения промышленных предприятий (СЭПП).
Для обеспечения экономически выгодных режимов функционирования энергоснабжающая организация устанавливает ограничения также и на уровень реактивной мощности абонентов. Ограничения могут быть дифференцированы по времени суток (регламентируется договором электроснабжения).
При выполнении данных ограничений абоненты получают скидки с тарифа, а при нарушении - надбавки к нему. Поэтому экономически невыгодно нарушать их. Значительная экономия для потребителей электрической энергии получается от оптимизации процесса нормирования, планирования и управления электропотреблением.
При этом необходимо также стремиться:
- к минимизации потерь электроэнергии в электросетях, возникающих из-за потокораспределения (перетоков) реактивной мощности;
- к поддержанию в допустимых пределах, установленных нормативными документами, напряжения на зажимах электроприемников (колебание напряжения на электроприемниках допускается в пределах ±5% или от -5% до + 10% от номинальной величины);
- к обеспечению надежного функционирования электропотребляющего оборудования.
До последнего времени управление электропотреблением предприятий осуществлялось преимущественно за счет организационно-технических мероприятий с минимальным привлечением технических средств, таких как энергодиспетчерский щит, устройства дистанционного управления коммутационной аппаратурой электросетей и селекторной связи, аппаратура КИПиА и локальная автоматика.
И лишь на современном этапе автоматизации управления электроэнергетикой предприятий большое внимание стало уделяться разработке и внедрению автоматизированных систем управления. В основу построения этих систем положены современные информационные технологии и аппаратно-программные средства.
РАО «ЕЭС России» разработана концепция построения таких систем.
Согласно концепции эти системы являются многоуровневыми, охватывающими РАО «ЕЭС России», ее региональные отделения, отдельные ЭЭС и их структурные подразделения, а также потребители электроэнергии, включая промышленные предприятия. В настоящее время функционирует ряд АСДУ ЭЭС, которые решают учетные задачи и обеспечивают дистанционную передачу управляющих воздействий (УВ) на исполнительные механизмы, имеют программное обеспечение (ПО), которое по надежности и составу реализуемых функций не уступает зарубежным аналогам [23-25 и др.].
Характерным примером таких систем является АСДУ Гродненскими электрическими сетями [24], в основу построения которой положен современный информационно-управляющий комплекс «Grodno».
Система содержит графическую, информационно-справочную подсистемы и осуществляет контроль отпуска электроэнергии потребителям, учет и анализ аварийных ситуаций, возникающих на них.
Среди зарубежных разработок можно выделить систему ELDAC [26, 27], которая предназначена:
- для автоматического регулирования отпуска электроэнергии в соответствии с изменяющимся спросом;
- поддержания в заданных пределах частоты и напряжения в электросети.
При построении АСКУЭ основное внимание уделяется вопросам управления потреблением активной мощности приемниками электроэнергии. При этом выделяется:
- пассивное управление, при котором ПР отключаются (переводятся на пониженный режим электропотребления) на весь период ограничения, вводимого ЭЭС;
- активное управление - когда режимы работы ПР задаются в зависимости от того, как складывается график электропотребления.
Пассивное управление широко использовалось и раньше. Это простейший способ регулирования режимов электропотребления приемников электроэнергии по активной мощности, осуществляемый за счет организационно-технических мероприятий.
Методология построения систем управления электропотреблением предприятий
Подсистема управления электропотреблением промышленных предприятий является самой крупной и непосредственно связанной с производственным процессом, от которой в значительной мере зависит эффективное функционирование предприятия в целом. Поэтому этой подсистеме при разработке АСУ энергетикой предприятий уделяется особое внимание. Целью (этой подсистемы является эффективное (надежное и экономичное) снабжение промышленных предприятий электроэнергией. Выполнение этой цели достигается решением общей задачи управления \П, Ф}, где 77- описание объекта управления, а Ф - критерий управления им [114].
Здесь Я w и W - соответственно тариф на электроэнергию и объем ее потребления предприятием (включая потери в электросети); Я и &W - соответственно тариф на электроэнергию, потребленную сверх договора, и её расход; Лр и Ps - соответственно тариф на договорную (заявленную, абонированную) мощность, участвующую в максимуме нагрузки ЭЭС, и величина этой мощности; Я Р и A.PS - соответственно тариф на активную мощность, потребленную сверх заявленной, и ее величина; XQ и Q - соответственно тариф на реактивную мощность в часы максимума нагрузки ЭЭС и максимальная величина этой мощности; kw = k w [или kw = k"w\ - коэффициент платы за потребленную [или генерируемую] реактивную энергию сверх значений, установленных в договоре (утверждается органом по регулированию тарифов); YP - издержки предприятий по регулированию активной мощности в часы максимума нагрузки ЭЭС, являющиеся функцией глубины снижения и времени ограничения огр нагрузки; Уто - ущерб от ненадежной работы электрооборудования у„„ и несвоевременного вьюода его в ремонт 3.
Указанные выше тарифы обычно дифференцированы по времени суток, дням недели, месяцам, сезонам и режимам электроснабжения [115]. Применение дифференцированных тарифов стимулирует потребителя к снижению потребляемой мощности в часы максимальных нагрузок ЭЭС и переносу электропотребления в зону действия минимальных ставок тарифа, соответствующих минимуму ее нагрузки. Этим достигается желаемое для ЭЭС выравнивание графика нагрузки как в течение суток, так и по дням недели. Поэтому дифференцированные по времени тарифы выгодны и энер-госнабжающей организации, и потребителям электроэнергии.
Представить описание П и Ф аналитически на пространстве параметров и характеристик состояний ОУ практически невозможно. Поэтому реализуется взаимосвязанная совокупность задач управления.
Разложение ОЗУ электропотреблением промышленных предприятий на частные ЗУ создает возможность разумного выбора и реализации отдельных комплексов задач. При этом каждый комплекс задач функционирует в соответствии со своими локальными критериями эффективности, отражающими ту или иную сторону процесса элёктропотребления предприятия. Эти критерии согласуются с критерием Ф, который выступает в данном случае как оценочный. В качестве локальных критериев могут выступать непосредственно составляющие критерия Ф, определенные выражением (1).
В работе предлагается подход к построению систем автоматизированного управления электропотреблением промышленных предприятий, основанный на представлении их структур в виде совокупности взаимосвязанных структур: принятия решений (структура решения ОЗУ), функциональной, информационной и организационно-технической [114, 116-122].
Далее рассмотрены подходы к формированию структуры принятия решений и синтезируемых на ее основе функциональной, информационной, и организационно-технической структур. Формирование структуры принятия решений
Структура принятия решений (СПР) ііо управлению электропотреблением промышленных предприятий является представлением ОЗУ в виде совокупности ЗУ Z, описанной ориентированным графом G\{Z, V\) (рис.2), где Z = {zi}, і = 1,1 (/=4) - множество вершин (задач управления) графа; которых необходима для решения ЗУ zt,.
Все задачи управления являются оптимизационными, т.е. при решении любой из них необходимо получить максимальную в соответствии с критерием (1) эффективность. Для разрешения конфликтов между ними решаются задачи координации, в которых используются различные способы формального выражения компромисса, а также интуиция и опыт управленческого персонала промышленных предприятий.
Наибольшая эффективность при разрешении конфликтов между ЗУ достигается в случае использования диалоговых процедур, основанных на интерактивном общении энергодиспетчера с информационно-вычислительным комплексом (ИВК) [113,123-127]. Такой подход к разрешению конфликтов позволяет энергодиспетчеру в диалоге с ИВК изменять условия решения ЗУ, осуществлять просмотр полученного множества решений и выбор одного из них.
В разд. 4 приведены подробные результаты, полученные в этом направлении.
Структура принятия решений позволяет рассматривать ОЗУ электропотреблением предприятий по частям, решая задачи заметно меньшей сложности. Оптимальность управления электропотреблением предприятий в целом при этом достигается координацией и согласованием результатов решения этих задач. Действующие в настоящее время АСКУЭ являются, в основном, системами учета, обработки данных и слежения за ними. Экономический эффект от внедрения таких систем не может быть большим из-за того, решаемые ими задачи составляют лишь подготовительный этап (построение информационной базы) для интегрированного управления электропотреблением промышленных предприятий.
Отдельные же задачи управления, реализуемые АСКУЭ, характеризуются отсутствием оптимизационных процедур, необходимых для принятия эффективных управленческих решений (см. разд. 1).
Внедрение предложенного в работе комплекса ЗУ является естественным развитием существующих АСКУЭ, которое обеспечивает разумное сочетание формализованных методов и интуиции человека в управлении электропотреблением предприятий, позволяющее принимать адекватные решения в реальных условиях производства [19, 113, 117, 128, 129].
Синтез функциональной и информационной структур
Функциональная структура получается из СПР путем представления задач управления zteZ, і = 1,1 в виде взаимосвязанной совокупности
ФУНКЦИЙ С = {Cj}, j = 1,/.
На первом этапе синтеза функциональной структуры удобно рассматривать укрупненные функции (см. подразд. 2.1), а на последующих этапах переходить к их детализации, исходя из состояния электроэнергетики предприятия, для которого разрабатывается система, и возможностей ее модернизации.
Функциональная структура, как и СПР, изображается в виде графа Gi{C, V2), где С - множество вершин (функций) графа, a Vi - множество его дуг, отражающих взаимосвязь функций.
Функциональная структура управления электропотреблением предприятий
Номера функций на рис. 3 означают:
1 - регистрация телесигналов о состоянии коммутационной аппаратуры электросети и мониторинг технического состояния электропотребляющего ТО предприятия; 2 - регистрация и проверка на достоверность статистических данных по активным нагрузкам, вычисление фактических получасовых нагрузок предприятия, групп потребителей и энергоемких агрегатов; 3 -регистрация и проверка на достоверность статистических данных по реактивным нагрузкам; 4 - регистрация и проверка на достоверность данных по напряжению в узлах электросети; 5 - определение суточных расходов электроэнергии по предприятию, группам потребителей и энергоемким агрегатам; 6 - определение расходов электроэнергии по предприятию и производственным подразделениям за месяц; 7 - прогнозирование нагрузок и потребления электроэнергии по предприятию и производственным подразделениям; 8 - формирование области решения многокритериальной задачи (области Парето) оперативно-диспетчерского управления электропотреблением предприятия; 9 - определение показателей режимов электропотребления предприятия и их предельных значений; 10 - отображение оперативной информации о текущем состоянии СЭПП с устройств связи с ОУ; 11 - поиск решения задачи оперативно-диспетчерского управления электропотреблением предприятия путем интерактивного общения энергодиспетчера с ИВК; реализация УВ с запросом подтверждения исполнения (АРМ энергодиспетчера); 12 - запреты на реализацию УВ от диспетчера производственно-диспетчерского отдела (ПДО) предприятия; 13 -выбор топологии электросети и оценка состояния СЭПП (с использованием ГИС - технологий); 14,18 - отображение оперативной информации по электропотреблению на АРМы главного энергетика, экономиста и инженера по ремонту оборудования; 15 - формирование БД для решения задач управления электропотреблением предприятия; 16 - расчет норм расхода электроэнергии и построение нормативных графиков электропотребления по производственным подразделениям и предприятию; планирование электропотребления предприятия и производственных подразделений; моральное и материальное стимулирование персонала производственных подразделений предприятия за рациональные режимы электропотребления; 17-определение величины заявляемой предприятием мощности; составление и оптимизация электробалансов по предприятию, производственным подразделениям и энергоемким потребителям электроэнергии; анализ результатов мониторинга технического состояния ТО; анализ УВ по изменению режима работы электрооборудования; моральное и материальное стимулирование персонала СГЭ за экономию электроэнергии; 19-утверждение графиков проведения ремонта оборудования.
Информационная структура включает информацию, необходимую для поддержки функций, реализуемых системой управления, а также взаимодействия системы управления с ОУ и внешними системами (основное и вспомогательное производство предприятия, АСУК, энергоснабжающая организация и др.). В соответствии с этим в информационном обеспечении выделяется входная, внутренняя (промежуточная) и выходная (управляющая) информация.
Входная информация представляет собой совокупность исходных данных, к которым относятся все первичные данные, нормативно-справочная информация (НСИ), а также преобразованные (промежуточные) данные, полученные в результате решения задач управления.
К выходной относится информация, получаемая в результате решения ЗУ. Эта информация предназначена для непосредственного использования в управлении.
Промежуточная информация является результатом решения ЗУ и используется в качестве входной для решения других задач.
Информационная структура представляется в виде графа Gi{C, V{), где Vi - множество дуг, описывающих информационные связи между функциями, которые являются источниками и приемниками данных (связанность по данным) (рис.4). Фактически граф G3(C, К3) является графическим представлением путей перемещения данных в системе управления.
Внутренняя vi1, vi" ..., Vn11 и выходная V27, V28, V29, v30, V31, V32, V33 информация формируется соответствующими функциями, содержание которых представлено в пояснении к рис. 3.
Формы представления выходной информации (экранные формы, бумажные носители) разрабатываются и утверждаются по согласованию с заказчиком на стадии технического проектирования АСУ.
Входная и внутренняя информация образуют БД, содержащую:
- сведения о составе производственных подразделений и электрооборудовании, размещенном в них;
- данные о структуре электрической сети и ее параметрах;
- данные о показателях качества изделий;
- измерительную (сигнальную) информацию, получаемую с ОУ (подробнее см. подразд. 3.1).
Построение БД осуществляется на основе широко используемых СУБД реляционного типа. Для обеспечения достоверности измерительной информации применяются ИНС (подробнее см. подразд. 3.4), а документированной - таблицы, в строках которых находятся вводимые в БД величины и в столбцах - условия (соотношения), выполнение которых контролируется.
Построение организационно-технической структуры
Функции распределяются между элементами организационно -технической структуры (ОТС) 0={ок}, образующими иерархические уровни управления. В качестве «типовых» уровней управления выступают:
- главный энергетик и его заместители о\;
- начальники структурных подразделений СГЭ о2;
- энергодиспетчеры оз;
- информационно-вычислительные комплексы 04. Организационно-техническая структура представляет собой граф J4( О у Vn), где Vi, - множество дуг, отражающих каналы связи для передачи информации между организационными и техническими средствами системы управления.
Достаточно полную характеристику методов построения ОТС сложных, крупномасштабных, систем управления можно найти в работах [12-16], а АСУ энергетикой промышленных предприятий - в монографии [19].
Автоматическая часть систем управления электропотреблением промышленных предприятий реализуется на основе аппаратно и программно совместимых технических средств: интеллектуальных датчиков; измерительных преобразователей; коммутаторов; микропроцессорных контроллеров; ПЭВМ, размещенных на рабочих местах сотрудников СГЭ (рабочие станции, а также АРМы главного энергетика, энергодиспетчера, инженера по ремонту энергооборудования, экономиста и др.) и объединенных в локальные вычислительные сети (ЛВС), связанные между собой и другими ЛВС; исполнительных механизмов и прочих технических средств, производимых фирмами: Siemens, Analog Devices, Grayhill, Octagon Systems, Fastwel, Advantech, Measurement Computing, Industrial Tech, TREI GmbH и Pepperl+Fuchs Group.
Локальные вычислительные сети и их компоненты для обеспечения высокой надежности функционирования систем управления должны допускать дублирование [119-121].
Для ввода информации с датчиков в ЭВМ используются унифицированные сигналы постоянного тока (0-5, 0-20 и 0-100мА), постоянного напряжения (0-5 и 0-10В) и частотные (1,5-2,5 и 4-8 кГц).
Унификация сигналов может осуществляться с помощью индивидуальных и групповых нормирующих преобразователей или путем применения датчиков с унифицированным выходным сигналом. При разработке ПО АСУ электропотреблением предприятий целесообразно опираться на современные инструментальные программные средства построения систем управления:
- CASE-средства, такие как BPwin, ERwin (Logic Works), CASE.Аналитик (Эйтекс), Rational Rose (Rational Software) и др. [130];
- SCAD А-системы, такие как InTouch, InTrack, InBatch, InSupport (Wonderware), Citect (Ci Technologies), Genie (Advantech), Genesis (Iconics), КРУГ-2000 (НПФ «Круг»), Trace Mode (AdAstra) и др. [131], позволяющие систематизировать и автоматизировать все этапы разработки ПО, обеспечить унификацию проектных решений, облегчить обслуживание, развитие и модификацию программных систем.
SCADA-системы представляют собой, как правило, двухуровневые структуры. На нижний уровень - контроллеры - возлагается реализация функций по управлению ТП, а на верхний уровень - ПЭВМ - выполнение функций человеко-машинного интерфейса. В контроллерах допустимо использование модулей собственной разработки. Для подсоединения драйверов ввода-вывода SCADA-системы содержат как стандартные, так и внутренние механизмы. При создании ПО контроллеров обычно используются собственные языки программирования.
Наряду с функциями информационного обеспечения системы управления, для программной реализации которых используются CASE-технологии, и функций РВ, программируемых с помощью SCADA-пакетов, АСУ электропотреблением предприятий включает функции, часть из которых может быть реализована системами более высокого уровня (управления предприятиями) - ERP (Enterprise Resource Planning)-системами такими, как «Галактика» (корпорация «Галактика»), SAPR/3 (фирма SAP AG), 1С: Предприятие 8.0 (фирма «1С») и др.
Для принятия решений в слабоформализуемых условиях, например, в предаварийных и аварийных ситуациях на электрических сетях, целесообразно использовать экспертные СРВ, создаваемые с помощью инструментальных средств, предлагаемых фирмами Gensym, Palarian, COGSYS и другими ведущими производителями программных продуктов.
При этом интерес представляют ориентированные на создание СРВ коммерческие оболочки экспертных систем:
- G2, GDA и NeurOn-Line фирмы Gensym Corp. с надстройками, позволяющими осуществлять имитационное моделирование и исследование сложных производственных ситуаций с помощью ИНС;
- Activation Framework корпорации Realime Intelligent Systems с инструментарием для формирования прикладных программ обработки данных в режиме РВ и др.
Следует отметить, что большой опыт разработки статических и динамических ЭС (ЭС, функционирующих в режиме РВ), построенных на основе средств G2, накоплен в Московском инженерно-физическом институте (науч. рук., д.т.н., проф. Г.В. Рыбина).
Указанные средства ПО АСУ электропотреблением предприятий ориентированы на работу в среде различных версий операционных систем: Windows, Unix, Dos и др. Для разработки ПО реализации функций, не охваченных этими средствами, могут быть использованы объектно-ориентированные языки, среды программирования и специализированные пакеты, поддерживаемые данными операционными системами.
В качестве организационно-технических средств автоматизированного проектирования в АСУ электропотреблением предприятий необходимо широко применять АРМы проектировщиков, конструкторов и т.д., построенные на основе ПЭВМ IBM AT и их технического окружения, использующие в качестве базового ПО AutoCAD (фирма Autodesk) со специализированными приложениями, КОМПАС (компания АСКОН) и другие графические программные средства ведущих отечественных и зарубежных фирм. В состав АРМов включаются также Mathcad, Maple V, Matlab и другие системы автоматизации математических и научных расчетов. Для решения слабоструктурированных задач проектирования можно использовать программные комплексы, реализующие методы группировки данных (кластерного анализа), многомерного шкалирования и искусственного интеллекта в сочетании с теорией нечетких множеств (интеллектуальные АСУ). Хранение результатов проектных работ может быть обеспечено, например, системами электронного архивирования типа Search фирмы InterMech, работающими на основе промышленных СУБД InterBase или Oracle.
Похожие диссертации на Теоретические основы автоматизированного управления электропотреблением промышленных предприятий
