Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и проблемы повышения эффективности управления режимами электропотребления промышленных предприятий 15
1.1. Обзор и анализ работ по управлению режимами электропотребления промышленных предприятий 15
1.2. Постановка задач исследования 38
2. Системный анализ процессов и подходы к повышению эффективности управления режимами электропотребления промышленных предприятий 39
2.1. Анализ режимов функционирования электросетей промышленных предприятий и классификация электрооборудования по характеру потребления электроэнергии 40
2.2. Подход к оценке ущерба от кратковременного отключения (перевода на пониженный режим работы ) технологического оборудования, используемого для регулирования активной нагрузки предприятий 59
2.3. Построение информационно-логической схемы управления режимами электропотребления промышленных предприятий 62
3. Постановка задач, разработка моделей и методов управления режимами электропотребления промышленных предприятий 68
3.1. Декомпозиция задачи управления режимами электропотребления промышленных предприятий 68
3.2. Постановка и метод решения задачи построения нормативных графиков активной нагрузки предприятия и энергоемких подразделений 74
3.3. Постановка и метод решения задачи оперативного управления режимами электропотребления промышленных предприятий 76
3.4. Построение адаптивных процедур прогнозирования электрических нагрузок промышленных предприятий 84
3.5. Построение человеко-машинных процедур оперативного управления режимами электропотребления промышленных предприятий 91
4. Результаты оптимизации и эксплуатации моделей, методов и алгоритмов управления режимами электропотребления промышленных предприятий 96
4.1. Оптимизация моделей, методов и алгоритмов прогнозирования режимов электропотребления промышленных предприятий 97
4.2. Результаты эксплуатации моделей, методов и алгоритмов управления в составе действующей АСУ энергетикой промышленных предприятий 100
Заключение 104
Библиографический список
- Обзор и анализ работ по управлению режимами электропотребления промышленных предприятий
- Анализ режимов функционирования электросетей промышленных предприятий и классификация электрооборудования по характеру потребления электроэнергии
- Декомпозиция задачи управления режимами электропотребления промышленных предприятий
- Оптимизация моделей, методов и алгоритмов прогнозирования режимов электропотребления промышленных предприятий
Введение к работе
Экономия электрической энергии на всех стадиях ее жизненного цикла (производства, передачи, распределения и потребления) составляет важнейшую проблему энергетики России. Эффективное использование электроэнергии на уровне промышленных предприятий является одной из составляющих данной проблемы. 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.
Потребность в резком сокращении этой доли - необходимое условие внедрения в электроэнергетику промышленных предприятий современных АСУ, построенных на базе отечественных и импортных технических средств и специального математического обеспечения управления, включающего новые информационные технологии, математические модели, методы и алгоритмы построения таких систем.
Внедрение АСУ в электроэнергетику предприятий обеспечивает системность управления и высокое качество принятия управленческих решений, полностью отвечает требованиям концепции автоматизации управления энергетикой предприятий в условиях формируемого энергетического рынка.
Согласно правилам пользования электрической и тепловой энергией расчет за пользование электрической энергией для промышленных потребителей с присоединенной мощностью 750 кВА и выше, к которым относятся средние и крупные промышленные предприятия, осуществляется по двухставочному тарифу, который состоит:
из годовой платы за 1 кВт заявленной (абонированной) потребителем (предприятием) максимальной мощности, участвующей в максимуме нагрузки энергосистемы (основная ставка);
из платы за 1 кВт-ч отпущенной потребителю активной электрической энергии (дополнительная ставка)1.
Данными правилами пользования электрической и тепловой энергией устанавливаются также скидки и надбавки к тарифу на электроэнергию за компенсацию реактивной мощности.
Сложность объекта, многообразие его элементов, их функционирование в широком спектре частот изменений состояний породили большое число различных приемов, методов, систем и средств управления энергетическим хозяйством промышленных предприятий. Здесь традиционно используются такие системы как релейная защита, автоматическое включение резерва (АВР), автоматическое повторное включение (АПВ), системы локальной автоматики на энергообъектах, применяются разнообразные устройства - от простейших реле до систем автоматического управления (САУ). Внедрение в электроэнергетику промышленных предприятий АСУ является следующим шагом на пути совершенствования структур этих систем и повышения эффективности их функционирования.
Вопросы экономии электроэнергии на промышленных предприятиях рассматривались и ранее. Вначале в целях экономии электроэнергии предприятия стали использовать более точные приборы первичного учета, затем примитивные технические и программные средства для автоматического сбора, накопления, обработки, хранения и отображения полученной информации, технического и коммерческого учета электроэнергии, регулирования электронагрузок предприятий, позднее - автоматизированные системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ ) с несколько расширенным набором функций, такие как: устройство оптимального зонного регулирования реактивной и активной нагрузок в узле электросети потребителя или энергосистемы РРАН-1, автоматизированная система оперативного диспетчерского управления энергоснабжением
Правила пользования электрической и тепловой энергией (в ред. Приказов Минэнерго СССР от 23.12.88 №685, от 23.1189 №364, письма Минтопэнерго РФ от 14.07.92 № АД-3866/19) (с изменениями на 30 июня 1999 года). М.: ОРГРЭС, 1999.21 с.
предприятия «El-Диспетчер», АСКУЭ «Марсел», а также различные автомата-зированные системы диспетчерского управления (АСДУ) .
В последние годы активно ведутся работы по внедрению АСКУЭ. Минтопэнерго РФ издан ряд директивных и нормативно-методических документов по созданию таких систем, в частности: Постановление Правительства РФ от 2 ноября 1995 г. № 1087 «О неотложных мерах по энергосбережению»; Федеральный закон от 3 апреля 1996 г. N 28-ФЗ «Об энергосбережении»; Правила учета электрической энергии (утв. Минтопэнерго РФ и Минстроем РФ 19, 26 сентября 1996г.); Положение об организации коммерческого учёта электроэнергии и мощности на оптовом рынке от 12.10.2001 г.
Состав технических и программных средств существующих АСКУЭ и АСДУ весьма разнообразен. В общем случае в составе этих систем выделяют счетчики электрической энергии и мощности (как правило, с цифровым интерфейсом) устройства сбора и передачи данных (мультиплексоры, аналоговые коммутаторы, аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи, нормирующие усилители и др.), ЭВМ с установленным специализированным программным обеспечением.
В настоящее время осуществляется переход к использованию в энергетике новых подходов к построению структур автоматизированных систем управления, их аппаратного и программного обеспечения. Так, например, лучшим инструментом для сбора, обработки, визуализации и накопления информации о состоянии электроэнергетики промышленных предприятий являются различного рода готовые, серийно выпускаемые программные инструментальные среды Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA). Для построения АСДУ применяются импортные технологии ABB, адаптированные для применения в отечественных электрических сетях энергетических систем.
РД 34.09.101-94. Типовая инструкция по учету электроэнергии при ее производстве, передаче и распределении: СПО ОРГРЭС, 1995. 37 с.
Однако АСКУЭ и АСДУ, функционирующие в настоящее время на промышленных предприятиях, по-прежнему лишь контролируют процесс электропотребления. Эти системы, в основном, выполняют функции коммерческого и технического учета электроэнергии и электрической мощности, контроля качества электроэнергии, ведения баланса полученной и потребленной электроэнергии, расчета отдельных параметров электроснабжения, ведения графика планово-предупредительных работ электрооборудования, автоматического архивирования данных об электропотреблении. В отдельных случаях в том или ином объеме они позволяют имитировать штатные и нештатные (аварийные) ситуации на энергообъектах, могут использоваться в качестве тренажера для оперативного персонала энергетических подразделений предприятия. Однако при их построении разработчики основное внимание уделяют техническому обеспечению, а не системному анализу процессов электропотребления, постановке и решению математических задач. Эти системы, как правило, не решают оптимизационных задач. А именно эти задачи являются решающим фактором экономии электроэнергии на промышленных предприятиях.
Особая роль в экономии электроэнергии отводится оптимальному управлению режимами электропотребления промышленных предприятий, включающему регулирование активной и реактивной нагрузок предприятий, минимизацию потерь от перетоков реактивной мощности и поддержание напряжения в заданных пределах в их электрических сетях.
Регулирование активной нагрузки предприятий направлено на удовлетворение требований энергосистемы и осуществляется путем изменения режима работы (перевода на пониженный режим работы, отключения) электропотребляющего оборудования, которое по условиям работы допускает кратковременные перебои в электроснабжении.
Наиболее эффективным способом снижения потерь активной мощности, электроэнергии и напряжения в электрических сетях промышленных предприятий является компенсация реактивной мощности в узлах электросети, вклю-
чающая компенсацию реактивной нагрузки с помощью конденсаторных установок (например, автоматизированных конденсаторных установок типа АКУ, оснащенных регулятором реактивной мощности РРМ-03 производства ООО «ЭНСИТЕХ», Германия), устанавливаемых в непосредственной близости к потребителю электроэнергии с загруженным графиком работы. Такие системы компенсации реактивной мощности в наибольшей степени удовлетворяют требованиям как потребителей, так и поставщиков электроэнергии.
Регулирование реактивной мощности связано с выполнением требований энергосистемы по режиму ее потребления (генерирования) предприятиями и уменьшением потерь в их электрических сетях. Это достигается за счет компенсации реактивной мощности на вводах электроэнергии в предприятие и в узлах электросети путем изменения режима работы синхронных двигателей, батарей силовых конденсаторов, синхронных и тиристорных компенсаторов.
Наибольшее применение для регулирования реактивной нагрузки на промышленных предприятиях в настоящее время находят батареи силовых конденсаторов (БК). Это объясняется их сравнительной дешевизной, незначительными расходами на эксплуатацию, возможностью размещения в электрических сетях как в виде крупных единиц на подстанциях, так и в виде мелких установок непосредственно у потребителей.
Электрическая сеть является основной частью системы электроснабжения промышленного предприятия (СЭПП) и представляет собой иерархическую структуру, включающую несколько уровней. Обычно в электросети предприятия выделяют уровни: вводов электроэнергии в предприятие, главных понизительных и трансформаторных подстанций (комплектных двухтрансформа-торных электростанций типа КТП мощностью от 160 до 2500 кВА на напряжение до 10кВ и др.), отдельных трансформаторов (отечественных силовых масляных типов ТМ, ТМГ, ТМФ, ТМГФ и др. и импортных, например, хорошо зарекомендовавшей себя на российском рынке германской фирмы «Шнейдер Электрик»), секций шин и отдельных шин. Дополнительно могут быть выделе-
ны уровни распределительных устройств (пунктов, колонок и др.) и отдельных энергоемких потребителей. Однако рассматриваемые в работе задачи решаются на электросети предприятия и последние уровни не охватывают.
Электросети промышленных предприятий эксплуатируются, как правило, по разомкнутым схемам при наличии резервных перемычек, число которых достигает сотен. При этом количество возможных вариантов формирования структур электросети практически безгранично.
Управление режимами электропотребления осуществляется путем воздействия на коммутационную аппаратуру электрической сети предприятия как отечественного: выключатели нагрузки серии АВ2М; автоматы серии АВМ; автоматические выключатели серии «Электрон»; выключатели нагрузки типа ВНР; выключатели масляные серий ВМ, ВПМ и ВПМП; выключатели высокого напряжения серии ВВГ; выключатели высоковольтные электромагнитные серии ВЭ; выключатели вакуумные серии ВВ и др., так и импортного производства (выключатели вакуумные серии BB/TEL10 и др.).
Актуальность работы. Повышение эффективности управления режимами электропотребления промышленных предприятий на основе применения автоматизированных систем, в основу построения которых положены математические методы, модели, алгоритмы и современные аппаратно-программные средства, позволяющие свести к минимуму штрафы за нарушение установленных лимитов на электрическую мощность (активную и реактивную) и издержки ввиду неэффективного использования электроэнергии, связанного с потерями активной мощности в электрической сети предприятия, нестабильностью напряжения на электроприемниках и др.
В нашей стране и за рубежом разработкой методов и средств регулирования режимов электропотребления различных потребителей занимаются: МЭИ, ОАО ВНИИЭ (г.Москва), Тяжпромэлектропроект (г.Москва), КазНИИЭ, Харьковский ГПУ, ИСЭПМ Коми научного центра УРО РАН, ИСЭМ СО РАН,
МП «Азимут» (г.Гродно), ОАО «Концерн Энергомера» (г.Ставрополь), Нижегородский государственный технический университет и другие организации.
Среди ученых, занимающихся исследованиями в этом направлении, следует отметить Некрасова А.С., Синяка Ю.В., Мелехина В.Т., Мелентьева Л.А., Клюева Ю.Б., Михайлова В.В., Веникова В.А., Федорова А.А., Шевченко В.В., Константинова Б.А., Кудрина Б.И., Беляева Л.С., Лойтера Э.Э., Головкина П.И., Непомнящего В.А., Кахановича B.C., Железко Ю.С., Червонного Е.М., Лоску-това А.Б., Папкова Б.В., Matthaus G., Zang L., Frost R., Ackerman J. [1-10 и др.].
Несмотря на продолжающиеся исследования в области управления электроэнергетикой промышленных предприятий, на современном этапе характеризуемом: ростом объемов информации, получаемой с объекта управления (ОУ) и используемой для принятия решений, стремлением оптимальным образом распорядиться этой информацией и переложить максимум возможного по выработке управленческих решений на ЭВМ, слабо разработаны как модели, применяемые для формализованного описания электроэнергетических процессов, так и методы решения задач управления режимами электропотребления предприятий, с системных позиций не рассмотрены вопросы по согласованию решений, получаемых при реализации этих задач.
Предлагаемые в литературе методы прогнозирования электрических нагрузок промышленных предприятий предъявляют весьма жесткие требования к исходной информации и поведения объектов управления и не обеспечивают необходимую для оперативного управления точность.
Модели и алгоритмы для принятия решений при управлении режимами электропотребления промышленных предприятий должны быть достаточно простыми, чтобы максимально сократить время счета при поиске решений, что очень важно при управлении в масштабе реального времени.
Актуальность и необходимость дальнейших исследований проблемы эффективного управления режимами электропотребления промышленных предприятий и определили выбор темы, целей и задач диссертационной работы.
Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности управления режимами электропотребления средних и крупных промышленных предприятий за счет автоматизации процесса управления ими на основе использования, современных технических средств, математических моделей и методов.
Направления исследований:
поиск новых путей построения систем автоматизированного управления режимами электропотребления промышленных предприятий, обеспечивающих целостность процесса управления, взаимную увязку и согласование реализуемых системой задач;
разработка математических моделей и алгоритмов решения задач управления режимами электропотребления промышленных предприятий: активной и реактивной электрической нагрузкой предприятия, напряжением в узлах электросети предприятия и потерями в ее элементах от перетоков реактивной мощности, предназначенных для работы в реальном масштабе времени в составе программного обеспечения АСУ энергетикой предприятий;
построение диалоговых процедур, основанных на интерактивном общении энергодиспетчера с ЭВМ, обеспечивающих согласование решений отдельных задач по управлению режимами электропотребления предприятий;
разработка рекомендаций по построению систем автоматизированного управления режимами электропотребления промышленных предприятий для целей электросбережения.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются методы теории случайных процессов, искусственного интеллекта, векторной оптимизации и статистического моделирования, а также специализированные программные средства для структурной и параметрической оптимизации предложенных в работе моделей и алгоритмов.
Выносимые на защиту результаты. В соответствии с целью работы получены результаты, обеспечивающие сокращение затрат промышленных предприятий на электропотребление за счет удовлетворения требований энерго-
снабжающей организации по активной и реактивной нагрузкам, снижения потерь электроэнергии в электросети от перетоков реактивной мощности и поддержания напряжения в узлах электросети в пределах установленных норм. На защиту выносятся наиболее значимые из полученных результатов:
Подход к повышению качества управления режимами электропотребления промышленных предприятий, в основу которого положена информационно-логическая схема (ИЛС) управления, позволяющая системно подойти к решению взаимосвязанного комплекса задач: регулирования активной и реактивной нагрузок, минимизации потерь и поддержания напряжения в пределах установленных норм в узлах электрической сети предприятий.
Адаптивные процедуры оперативного прогнозирования активной и реактивной нагрузок на основе фильтров Брауна и искусственных нейронных сетей (ИНС), обеспечивающие точность, необходимую для управления режимами электропотребления промышленных предприятий в условиях реализации управляющих воздействий.
Математические модели и алгоритмы оперативного управления электронагрузками, поддержание необходимых уровней напряжения и минимизация потерь от перетоков реактивной мощности в электросетях предприятий, положенные в основу построения программного обеспечения управления режимами электропотребления предприятий.
Человеко-машинные процедуры взаимодействия энергодиспетчера с ИВК в процессе решения задачи оперативного управления режимами электропотребления промышленных предприятий, обеспечивающие своевременное принятие эффективных управленческих решений в постоянно изменяющихся условиях многономенклатурного производства.
Интерактивный механизм управления режимами электропотребления предприятий обеспечивает координацию выполняемых ИВК функций по решению задач в соответствии с ситуациями, возникающими на ОУ.
Научная новизна. На основе анализа процессов потребления промышленными предприятиями электроэнергии предложена информационно-логическая схема управления, позволившая с единых системных позиций осуществлять построение систем автоматизированного управления режимами электропотребления предприятий.
Разработаны адаптивные процедуры оперативного прогнозирования активной и реактивной нагрузок промышленных предприятий на основе статистического метода и методов искусственного интеллекта, обеспечивающие точность и оперативность, необходимую для принятия эффективных решений по управлению режимами электропоребления предприятий.
Предложены алгоритмы оперативного управления электронагрузками промышленных предприятий, позволяющие обеспечить существенную экономию электроэнергии за счет удовлетворения требований энергоснабжающей организации по активным и реактивным нагрузкам, снижения потерь в электросетях и поддержания напряжения в их узлах в пределах установленных норм.
Построены человеко-машинные процедуры решения взаимосвязанного комплекса задач по управлению режимами электропотребления предприятий.
Выполнена оптимизация разработанных моделей и алгоритмов управления путем моделирования на ЭВМ.
Практическая ценность работы заключается в снижении издержек промышленных предприятий от неэффективного регулирования электрических нагрузок и напряжения на потребителях, нарушения требований энергетической системы по режимам электропотребления.
Внедрение в состав АСУ энергетикой промышленных предприятий предложенных алгоритмов управления способствует созданию оптимальных условий функционирования энергосистемы.
Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность полученных результатов и рекомендаций обеспечивается корректным применением системного и статистического анализа процессов электропотребления, методов
искусственного интеллекта, апробацией разработанных задач, математических моделей и методов в составе действующих АСУ энергетикой предприятий.
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы использованы при разработке АСУ энергетикой на ОАО «Саратовское электроагрегатное производственное объединение», ОАО «Сара-товстройстекло» и внедрены как составная часть системы управления режимами электропотребления этих предприятий.
Материалы нашли применение в учебном процессе в лекционных курсах, лабораторных работах, курсовых и дипломных проектах для студентов специальности 220200 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» в Саратовском государственном техническом университете.
Эти материалы использованы также в отчетах о НИР Института проблем точной механики и управления (ИПТМУ) РАН (№ гос. per. 01.200.2 02058).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета (2003-2004 гг.), Первой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «МЕХАТРОНИКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ, УПРАВЛЕНИЕ» (МАУ'2004) (г.Владимир, 2004 г.), Международной научной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (г.Саратов, 2004 г.), VII Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем «ДТС-2004» (г. Саратов, 2004 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 8 статьях и двух отчетах о НИР ИПТМУ РАН.
Обзор и анализ работ по управлению режимами электропотребления промышленных предприятий
Особую актуальность автоматизация управления режимами электропотребления промышленных предприятий приобретает в условиях дефицита мощности в энергетической системе. В этом случае промышленные предприятия несут ущерб не только из-за штрафов за нарушение установленных лимитов на электрическую мощность ( активную и реактивную ) и потребление электроэнергии, но и в результате вынужденных отключений технологического оборудования, непосредственно участвующего в производственном процессе.
На величину активной получасовой (усредненной за 0,5 часа) мощности (нагрузки) предприятия энергетической системой устанавливается ограничение, в качестве которого в нормальных условиях функционирования предприятия выступает поквартально заявляемая им энергосистеме максимальная получасовая мощность.
Если максимальная за сутки активная получасовая нагрузка предприятия в часы максимума энергетической системы в течение квартала превышает заявленную, то предприятие платит энергосистеме штраф или подвергается принудительному отключению (одного или нескольких вводов электроэнергии в предприятие ). Предприятию невыгодно занижать значение заявляемой мощности, так как при ее завышении предприятием оплачивается фактически неиспользуемая мощность. При этом оно также терпит ущерб.
В связи с вышеизложенным возникает задача определения оптимального значения заявляемой энергосистеме активной получасовой мощности (ограничения по активной мощности ) и регулирование величины активной мощности с целью предотвращения ее выхода за установленное ограничение (заявленную (заявленную энергосистеме максимальную получасовую мощность или более жесткое ограничение, установленное энергосистемой в связи с дефицитом генерируемой мощности ). Для оперативного управления активной нагрузкой используются специально выделенные потребители-регуляторы (ПР) электрической энергии предприятия. В качестве ПР обычно используются отдельные энергоемкие потребители и группы потребителей электроэнергии, для которых по условиям их эксплуатации возможны кратковременные перерывы в электроснабжении. Отключения осуществляются путем воздействия на коммутационный аппарат СЭПП.
Временное отключение установок потребителей электроэнергии может производиться также энергосистемой в условиях возникновения аварийных режимов в их работе и в случаях необходимости принятия неотложных мер по предотвращению или ликвидации аварии в системе. В связи с этим, постановлением правительства РФ от 22 июня 1999 года № 664 было утверждено «Положение об ограничении или временном прекращении подачи электрической энергии (мощности) потребителям при возникновении и угрозе возникновения аварии систем электроснабжения», которым впервые узаконено применение устройств противоаварийной автоматики (ПА). До этого Положения применение ПА регламентировалось лишь на уровне правил технической эксплуатации [11].
Для обеспечения экономически выгодных режимов функционирования энергосистема устанавливает ограничения на уровень реактивной мощности потребителей электроэнергии: максимальное и минимальное значения реактивной мощности. Данные ограничения обычно дифференцируются по времени суток (являются функциями текущего времени ).
Напряжение на зажимах электроприемников при этом не должно выходить за допустимые пределы: максимальное и минимальное значения, установленные нормативными документами ( колебание напряжения на электроприемниках допускается, как правило, в пределах ±5% или от -5% до +10% от номинального напряжения). Необходимо также стремиться к минимизации потерь электроэнергии в электрической сети, возникающих в ней из-за перетоков реактивной энергии.
До недавнего времени задачи управления режимами электропотребления промышленных предприятий решались за счет организационно-технических мероприятий с минимальным привлечением технических средств, таких как энергодиспетчерский щит, дистанционное управление коммутационной аппаратурой СЭПП, селекторная связь, аппаратура КИПиА, локальная автоматика.
В настоящее время осуществляется переход к использованию в энергетике предприятий аппаратно-программных средств.
С этой целью РАО «ЕЭС России» разработана концепция построения автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии на основе современных технических средств. Согласно этой концепции АСКУЭ являются многоуровневыми системами, охватывающими РАО «ЕЭС России», региональные отделения РАО «ЕЭС России», отдельные энергосистемы, их структурные подразделения и промышленные предприятия.
На российском рынке имеют место различные АСКУЭ: СУЭ «Ток» ООО «СКВ Амрита», г. Пенза; КТС «Энергия+» НТП «Энергоконтроль», г. Заречный Пензенской области; АСКЭ «Альфа Центр» ООО «АББ ВЭИ Метроника», г. Москва и др., позволяющие осуществлять сбор, накопление, обработку, хранение и отображение полученной информации по точкам измерений, формировать баланс потребления электрической энергии, создавать коммерческие и технические системы учета электрической энергии и мощности и практически не реализующие ни одной из задач управления. Существуют и АСДУ энергосистем, реализующие учетные задачи и обеспечивающие дистанционную передачу управляющих воздействий (УВ) на исполнительные органы, программное обеспечение которых по надежности и составу реализуемых ими функций не уступает зарубежным разработкам [11-14 и др.]. Среди действующих в настоящее время аппаратно-программных средств управления электроэнергетикой промышленных потребителей следует выделить следующие: АСКУЭ «ИВК Метроника-Альфа2.19» для малых и средних промышленных предприятий; оперативно - информационный комплекс ДС-АЛЬФА, находящийся в промышленной эксплуатации Мосэнерго и Днепрэнерго; программно-аппаратный комплекс для проектирования оперативно-информационных комплексов и решения задач диспетчерского управления «ДИСПЕТЧЕР - 5», эксплуатируемый в ЦЦУ ЕЭС, ОДУ Северо-Запада и ОДУ Центра; программный комплекс «Энергостат» по анализу и планированию режимных параметров энергообъединений; режимный тренажерный комплекс «Каскад» для диспетчерского персонала энергосистемы, внедренный в Бурятэнерго и Тюменьэнерго; территориально-распределенная автоматизированная система учета и контроля энергопотребления (АСКЭП), предназначенная для сбора, хранения и отображения информации об электропотреблении на промышленных объектах; человеко-машинный интерфейс «Каскад» для диспетчерского персонала, введенный в эксплуатацию в Мосэнерго, Ставропольэнерго и Южэнерго; экспертные системы для оперативного управления в энергообъединениях, используемые в службе оптимизации электрических режимов ОДУ Центра.
Анализ режимов функционирования электросетей промышленных предприятий и классификация электрооборудования по характеру потребления электроэнергии
Объектом реализации УВ по регулированию режимов электропотребления промышленных предприятий является электрическая сеть предприятия, которая эксплуатируется по разомкнутым древовидным схемам и имеет иерархическую структуру (рис. 1). На рис. 2 представлен фрагмент низковольтной части электросети.
Для компактного описания структуры электросети, совокупности элементов у-го уровня поставим в соответствие некоторое множество чисел натурального ряда, которое назовем множеством индексов элементов электросети предприятия у-го уровня Mj = {1, 2, ...,/,..., nij}.
С учетом введенной формализации сети функционирование системы электроснабжения предприятия в части регулирования режимов электропотребления можно представить следующим образом.
Система электроснабжения промышленного предприятия представляет со-бой динамическую стохастическую систему, состояние которой в каждый из фиксированных моментов времени t=rAt, г = 0,..., R (At - интервал ввода информации в вычислительный комплекс) можно характеризовать набором параметров (О (v) » огр» yij»Kij»Ql»Сгмин» С макс»Q.s Qw »« sl hwv, 4»UI»Uмин» Uмакс )» где Х- пространство возможных состояний СЭПП; Pv, Ру - соответственно активные получасовые нагрузки v-ro ввода и /-го узлау-го уровня электросети; Рогр -ограничение по активной получасовой мощности, установленное энергосистемой; у у — оценка удельного ущерба, приходящегося на единицу времени, обычно измеряемую в минутах, простоя ПР электрической нагрузки, включающего: ущерб от простоя рабочих; плату за фонды и амортизационные отчисления на отключаемое оборудование; расходы на оплату за электрическую мощность; издержки от нарушения технологических процессов (ТП), от отключения (перевода на пониженный режим работы) /-го ПР электрической нагрузки j-то уровня [77], kij - булева функция, равная 1, если осуществляется воздейст-вие на /-й ПР электрической нагрузки у-го уровня, и 0 - в противном случае;
Qi - реактивная мощность, передаваемая по / - му участку электрической сети предприятия; Qs - мощность ИРМ на / - м участке сети; s - номер секции ИРМ
(батареи конденсаторов); Qw - мощность ИРМ на вводах электрической энергии в предприятие; v - номер ввода; w - номер секции ИРМ; Wv - общее количество секций в ИРМ; hsi - булева переменная, принимающая значение равное 1, если s-я секция ИРМ включается и 0 - в противном случае; h — булева переменная, принимающая значение равное 1, если w-я секция ИРМ включается и 0 - в противном случае; Ri - активное сопротивление / - го участка электросети; Ui - напряжение в местах подключения ИРМ; QMHli, QMaKC - минимальное и максимальное ограничения по реактивной нагрузке предприятия; Ui (t) — напряжение на 1-й участке электросети; /ми„, /макс - минимальное и максимальное ограничения по напряжению.
В ряде случаев используются локальные средства поддержания реактивной нагрузки и напряжения. Функция kij определяется булевым выражением ки=аил/1 луи, где а/у, Ду, у/у - булевы переменные: " 1, если i-й потребитель может быть использован для регулирования активной нагрузки; а/у = \ 0, если i-й потребитель не может быть использован для регулирования (запреты на отключения и подключения, поступающие из энергобюро, от энергодиспетчера и др.), А/Ч Уч = 1, если i-й потребитель включен; О-в противном случае, 1, если i-й потребитель рекомендуется для регулирования нагрузки; О-в противном случае.
Реализация УВ, осуществляемых на множестве этих параметров, направлена на минимизацию ущербов от перебоев в электроснабжении, штрафов за нарушение установленных энергосистемой ограничений по активной и реактивной нагрузкам, минимизацию потерь в электросети предприятия от перетоков реактивной мощности.
Регулирование активной и реактивной нагрузок промышленных предприятий с целью удовлетворения требований договора с энергоснабжающей организацией, уменьшение потерь активной электроэнергии, обусловленных перетоками реактивных мощностей в электрических сетях предприятий, является реальной эксплуатационной технологией электросбережания. Эффективное регулирование реактивных перетоков необходимо также для обеспечения первоочередных условий качества электрической энергии - поддержания уровней напряжения в узлах электросети предприятия.
Для повышения эффективности регулирования режимов электропотребления (повышения управляемости) необходимо упорядочение структуры электросети предприятия.
При регулировании активной нагрузки предприятия в систематическом ее снижении не могут участвовать ПР электрической нагрузки, отключение которых недопустимо по соображениям безопасности персонала, катастрофических последствий или может привести к существенному браку и поломке оборудования в результате изменений в технологических процессах производства. Все остальные ПР электрической нагрузки могут быть использованы для регулирования.
Декомпозиция задачи управления режимами электропотребления промышленных предприятий
В предыдущем разделе рассмотрена ИЛС, позволяющая с общих позиций осуществлять исследование методов и построение математических моделей для задачи управления режимами электропотребления промышленных предприятий.
В соответствии с ИЛС основное содержание задачи управления режимами электропотребления предприятий составляют [85-87]: задача определения величины максимальной активной получасовой мощности, рекомендуемой для заявления предприятием энергосистеме [88]; задача построения нормативных графиков активной нагрузки предприятия и энергоемких подразделений; задача регулирования активной получасовой мощности предприятия; задача регулирования реактивной мощности предприятия; задача минимизации потерь в электрической сети предприятия от перетоков реактивной мощности; задача поддержания напряжения в узлах электросети предприятия в пределах установленных норм.
В данном разделе рассмотрены задачи автоматизированного управления режимами электропотребления на промышленных предприятиях.
Задача определения величины максимальной активной получасовой мощности, рекомендуемой для заявления предприятием энергосистеме. На величину активной получасовой мощности (нагрузки) предприятия энергетической системой устанавливается ограничение Рогр, в качестве которого в нормальных условиях функционирования предприятия выступает поквар 69 тально заявляемая им энергосистеме мощность Ps,k ( j = 1,4 - текущий номер квартала; к = 1, К - порядковый номер года). Если максимальная за сутки активная получасовая нагрузка предприятия в часы максимума энергетической системы в течение квартала превышает PSjk, то предприятие платит энергосистеме штраф или подвергается принудительному отключению (одного или нескольких вводов электроэнергии в предприятие). Поэтому предприятию невыгодно занижать значение заявляемой мощности. При завышении этой мощности предприятием оплачивается фактически неиспользуемая мощность. При этом оно также терпит ущерб.
Возникает задача по определению величины максимальной активной получасовой мощности, рекомендуемой для заявления предприятием энергосистеме.
Задача построения нормативных графиков активной нагрузки предприятия и энергоемких подразделений. Нормативные графики активной нагрузки представляют собой плановые траектории потребления электроэнергии производственными подразделениями и предприятием в целом.
Регулирование режима активного электропотребления предлагается осуществлять на основе построения и отслеживания с минимальным ущербом данных графиков для производственных подразделений и промышленного предприятия в целом.
Нормативные графики нагрузок для потребителей электроэнергии строятся путем усреднения ансамблей реализаций нагрузок по ним за истекший период (как правило, месяц, квартал).
Оптимизация режимов электропотребления достигается за счет выдерживания энергоемкими подразделениями и предприятием установленных для них нормативных графиков нагрузок.
Математическая постановка и метод решения задачи приведены в под-разд. 3.2. Задача регулирования активной получасовой мощности предприятия. Особую актуальность автоматизация управления электропотреблением предприятий приобретает в условиях дефицита мощности в энергосистеме. В этом случае промышленные предприятия несут ущерб не только из-за штрафов за нарушение установленных лимитов на электрическую мощность ( активную и реактивную) и потребление электроэнергии, но и в результате вынужденных отключений ТО, непосредственно участвующего в производственном процессе.
С целью исключения превышения активной получасовой (усредненной за 0,5часа) мощностью предприятия Pit) ограничения Рогр, установленного энергосистемой, через фиксированные промежутки времени Л производится контроль значений этой мощности энергетической службой предприятия. При попадании P(t) в область (l-S)Porp P(t) Рогр (величина д обычно составляет 0,05) возникает необходимость в мероприятиях по регулированию активной нагрузки путем изменения режимов работы специально выделенных электроприемников -потребителей-регуляторов активной электрической нагрузки предприятия. При решении данной задачи выбор ПР электрической нагрузки осуществляется по критерию минимума ущерба для промышленного предприятия: y(AP,torp)- min, где у - ущерб, который несет промышленное предприятие в результате регулирования активной нагрузки; АР - глубина снижения нагрузки предприятием; forp- длительность перебоев в электроснабжении электроприемников. В качестве ограничения при этом выступает количество переключений электрической сети предприятия. К ущербу приводит не только изменение режимов работы основного, технологического, оборудования. Длительное и частое отключение вспомогательного оборудования также может приводить к существенному расстройству ТП. Так отключение синхронных электродвигателей компрессоров приво 71 дит к перерыву ТП. Длительность перерыва ТП слагается из времени, необходимого на последующий пуск оборудования и времени доведения технологического режима до номинального уровня [89]. Отключению, в первую очередь, подлежат электроприемники производственных подразделений, нарушивших заданный режим электропотребления. Если P(t) (l-S)Porp и не все ПР электрической нагрузки включены, то выполняется анализ возможности их подключения и, если это возможно, выбор подключаемых электроприемников. В первую очередь подключается оборудование, от отключения которого ущерб максимален.
Принятие окончательного решения по изменению режимов работы ТО осуществляется энергодиспетчером службы главного энергетика в контексте с решением других задач управления электропотреблением промышленного предприятия (см. подразд. 3.6).
Для исключения участия в снижении активной нагрузки одних и тех же электроприемников, предусматривается временное исключение их из состава ПР электрической нагрузки предприятия. Временный запрет на использование этих электроприемников для регулирования активной нагрузки предприятия налагается диспетчером ПДО промышленного предприятия (см. рис. 10).
Оптимизация моделей, методов и алгоритмов прогнозирования режимов электропотребления промышленных предприятий
Количественной мерой оценки качества выполнения прогноза электрических нагрузок принято максимальное значение относительной среднеквадрати-ческой ошибки от„ = max max , r , n » t e[t,t+t ] Pt, где Pt и Pnp, - действительное и прогнозное значения нагрузок. По сгенерированным в ходе проведенных машинных экспериментов реализациям процессов изменения электрических нагрузок P(t) определены: оптимальные значения объемов выборок, используемых для построения моделей ( алгоритмов ) прогнозирования ( предыстории ) fc0pt» равные для активной нагрузки пяти и для реактивной четырем; значения коэффициентов сглаживания фильтров Брауна aopt, равные 0,2 как для активной, так и для реактивной нагрузок; структуры и параметры ИНС. Качество прогноза оценивалось на реализациях, характеризующих изменения электрических нагрузок при нормальных режимах функционирования ТО и в условиях реализации управляющих воздействий. В ходе проведения экспериментов глубина снижения электрических нагрузок АР и А(2 изменялась в диапазоне от 0 до 55% от их максимальных значений (лимитов). Из приведенного в разд.З анализа следует, что для удовлетворения установленного ограничения по точности прогнозирования электрических нагрузок, составляющего 1,5-1,6% от максимального уровня их изменения, при прогнозировании на 2 At необходимо использовать процедуру коррекции, начиная с АР и AQ, превышающих для фильтров Брауна 1,2%, а для ИНС 1,5-2,0%.
Многие существующие алгоритмы обучения характеризуются высокими вычислительными затратами, поэтому выбор эффективных алгоритмов обучения является важной задачей при их использовании в условиях оперативного управления, когда фактор времени является решающим.
Методы и алгоритмы обучения ИНС подробно изложены в [105,106] и других работах. Обучение ИНС для прогнозирования активной и реактивной нагрузок осуществлялось с помощью: алгоритма обратного распространения ошибки и комбинированного алгоритма, построенного на основе алгоритма обратного распространения ошибки и метода Коши.
При использовании комбинированного алгоритма, если имело место улучшение весовых коэффициентов, то их изменение сохранялось. В противном случае оно сохранялось с вероятностью, определяемой вероятностью Коши.
Время обучения ИНС архитектуры 5-3-1, обеспечивающее ограничение на точность прогнозирования, для активных нагрузок при обучении сети по алгоритму обратного распространения ошибки - 6 с при 50-250 итерациях обучения, а по комбинированному алгоритму - 12-18 с при 1200 итерациях обучения сети (ПК Celeron 1800).
Для реактивных нагрузок время обучения ИНС структуры 4-3-1 по комбинированному алгоритму- 10с при числе итераций обучения 300-500. Обобщенные результаты прогнозирования активных и реактивных электрических нагрузок, полученные с помощью различных моделей для разных значений АР и Д 2, представлены в табл. 1 и 2. Результаты, представленные в табл.1, показывают на существенное преимущество ИНС по качеству, производимых ими прогнозов активной мощности над фильтрами Брауна в широком диапазоне изменения глубины ограничений по нагрузке. Таблица 1 Обобщенные результаты прогнозирования активной электрической нагрузки на два интервала упреждения, выполненного с помощью фильтра Брауна второго порядка и ИНС Глубина снижения активных Максимальное значение относительной среднеквадратической ошибки в проц. нагрузок АР в проц. дБ макс макс макс без коррекции исходных данных 0 ±1,35 ±0,80 ±0,50 1 ±1,42 ±0,94 ±0,73 с коррекцией исходных данных 5 ±1,39 ±0,78 ±0,58 55 ±3,01 ±1,98 ±1,17 Примечание: Таблица составлена по результатам проведенных экспериментальных исследований и имитационного моделирования: 5макс - прогнозирование с помощью фильтров Брауна второго порядка; «Jj f1 -прогнозирование с помощью ИНС с коррекцией, обученной по алгоритму обратного распространения ошибки; д 2 - прогнозирование с помощью ИНС с коррекцией, обученной по комбинированному методу (алгоритма обратного распространения ошибки и метода Коши)
Принятие решений по снижению активной нагрузки предприятия обычно осуществляется по ее прогнозным значениям на два-три интервала. Поэтому, как правило, нет необходимости иметь точный прогноз на первом прогнозном интервале. 100 Таблица 2 Обобщенные результаты прогнозирования реактивной электрической нагрузки на два интервала упреждения, выполненного с помощью фильтра Брауна второго порядка и ИНС Глубина снижения реактивных Максимальное значение относительной среднеквадратической ошибки в проц. нагрузок AQ в проц. дБ макс еШС1 макс сИНС2 макс без коррекции исходных данных 0 ±1,37 ±0,82 ±0,52 1 ±1,48 ±0,99 ±0,79 с коррекцией исходных данных 5 ±1,43 ±0,83 ±0,65 55 ±3,2 ±2,2 ±1,29 4.2. Результаты эксплуатации моделей, методов и алгоритмов управления в составе действующей АСУ энергетикой промышленных предприятий Снижение ущерба промышленных предприятий в результате регулирования электрических нагрузок при использовании предлагаемых в работе моделей, методов и алгоритмов достигается за счет: более обоснованного заявления энергосистеме активной мощности; удовлетворения ограничений по активной и реактивной нагрузкам, устанавливаемых энергосистемой; минимизации потерь мощности в электросетях предприятий; поддержания напряжения в узлах электросети в пределах установленных норм. В табл. 3 приведены показатели эффективности управления режимами электропотребления для предприятий машиностроения.
