Оптимальное управление на системном уровне электропотреблением объектов вспомогательных систем и дополнительных производств предприятий разделительно сублиматного комплекса атомной отрасли россии

На правах рукописи

ЛУКЬЯНЕНКО СЕРГЕЙ ФЕДОРОВИЧ ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ НА СИСТЕМНОМ УРОВНЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕМ ОБЪЕКТОВ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ ПРЕДПРИЯТИЙ РАЗДЕЛИТЕЛЬНО СУБЛИМАТНОГО КОМПЛЕКСА АТОМНОЙ ОТРАСЛИ РОССИИ 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск – 2013

Работа выполнена в Политехническом институте ФГАОУ ВПО "Сибирский федеральный университет", г. Красноярск

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент, Сизганова Евгения Юрьевна.

Официальные оппоненты: Христинич Роман Мирославович, доктор техниче ских наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Сибирский Федеральный университет», кафедра «Электро технология и электротехника», профессор.

Бастрон Андрей Владимирович, кандидат техни ческих наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», кафедра «Электроснабжение сельского хозяйства», доцент.

Ведущая организация: Красноярский филиал ОАО «Электропроект», г. Красноярск

Защита состоится "19" июня 2013 г. в 15.00 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.099.07 при ФГАОУ ВПО "Сибирский федеральный уни верситет" по адресу: г. Красноярск, ул. Ленина, 70, ауд. А-204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского феде рального университета.

Автореферат разослан "19" мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Чупак Татьяна Михайловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Предприятия разделительно-сублиматного ком плекса (РСК) атомной отрасли России применяют в технологическом процессе газоцентрифужную технологию, которая признана самым эффективным из промышленных методов обогащения урана. Однако на сегодняшний день, они столкнулись с тем, что зарубежные участники рынка урановой продукции вне дряют в свои производства данную технологию, что, несомненно, приведет к появлению жесткой конкуренции. На передний план выходит эффективность производства, сокращение различных видов издержек, а значит уменьшение се бестоимости готовой продукции. Одним из направлений повышения эффектив ности производств РСК является рациональное использование энергоресурсов.

Сегодня энергоэффективность и энергосбережение являются одним из стратегических направлений приоритетного технологического развития России, основные требования к которым определяет Федеральный закон № 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" от ноября 2009 года. Повышение энергоэффективности – это большая макроэко номическая задача, и ожидаемый эффект от её решения зависит не только от сокращения потребления энергоресурсов, но и от запуска новых инновацион ных процессов, от внедрения передовых технологических решений.

Электрическая нагрузка предприятий РСК делится на потребителей основной технологии (газовые центрифуги) и потребителей вспомогательных систем и дополнительных производств (ВСиДП). Значение электропотребления газовых центрифуг незначительно изменяется во времени и формирует постоянную составляющую общего графика нагрузки. Интерес представляют потребители ВСиДП, на долю которых приходится от 30 до 35% общего расхода электроэнергии, а режимы работы разнообразны и зависят от многих факторов. Именно эти потребители электроэнергии определяют переменную составляющую общего графика нагрузки, характеризующую его значительную неравномерность. Это ведет к перерасходу денежных средств из-за неэффективного потребления электроэнергии в условиях особенностей тарифной политики предприятий РСК.

Снижение электропотребления потребителей ВСиДП предприятий РСК в условиях постоянного роста цен за электроэнергию является актуальной задачей.

Объектом исследования является электропотребление ВСиДП предпри ятий РСК.

Предметом исследования является статическая и динамическая оптими зация электропотребления ВСиДП предприятий РСК.

Цель работы разработка методики статической и динамической оптимизации электропотребления ВСиДП предприятий РСК атомной отрасли России (на примере ОАО «ПО «Электрохимический завод» (ОАО «ПО «ЭХЗ»)), задействующей системный уровень оперативного и структурного управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ системы электроснабжения (СЭС) и современных методов управления электропотреблением предприятий РСК и сформировать базу данных по электропотреблению потребителей ВСиДП.

2. Построить статическую модель, электропотребления объектов ВСиДП, позволяющую определить объекты с нерациональным электропотреблением, получить научно обоснованные нормы расхода электроэнергии, осуществить прогнозирование электропотребления и норм на следующий временной интервал.

3. Реализовать динамическую модель электропотребления для определе ния потенциала энергосбережения объектов ВСиДП и индекса жизнеспособно сти объектов, требующих углубленного энергетического обследования.

4. Разработать технические мероприятия для снижения энергопотребле ния объектов ВСиДП с целью восстановления баланса между крупными и мел кими потребителями.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе ис пользовались методы теории вероятности и математической статистики, ими тационные методы моделирования, градиентные методы многомерной оптими зации и выпуклого анализа.

Научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту:

1. Впервые в рамках методики оптимального управления электропотреб лением техноценоза на системном уровне рассматривается электропотребление только части нагрузки крупного промышленного предприятия РСК, а именно потребителей ВСиДП ОАО «ПО «ЭХЗ», при этом определено и доказано, что выделенная часть нагрузки по параметру «электропотребление» обладает тех ноценологическими свойствами и к ней применима статическая и динамическая оптимизация электропотребления на системном уровне.

2. Предложен новый пространственно-технологический принцип форми рования объектов ВСиДП, позволяющий корректировать исходную информа цию и, тем самым, исключить процедуру верификации базы данных.

3. Разработана методика оптимального управления электропотреблением объектов ВСиДП, включающая статическую и динамическую модель, позво ляющая снизить себестоимость готовой продукции, за счет уменьшения энерге тической составляющей.

Значение для теории. Результаты, полученные при выполнении диссер тационной работы, создают теоретическую основу для распространения мето дики оптимального по электропотреблению управления системой электроснаб жения при решении задач энергосбережения и энергоэффективности на пред приятиях РСК атомной отрасли России.

Значение для практики заключается в создании методики оптимального управления электропотреблением объектов ВСиДП на системном уровне пред приятий РСК атомной отрасли России, что даёт возможность эффективно рас ходовать потребляемую электроэнергию, экономить финансовые средства и снижать себестоимость готовой продукции указанных предприятий.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается удовлетворительным совпадением результатов статического и динамического моделирования с фактическими данными электропотребления действующего оборудования ВСиДП ОАО «ПО «ЭХЗ», использованием известных научных положений теории ранговых параметрических распределений, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемой математической модели.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соот ветствии с паспортом специальности 05.1.02 «Электрические станции и электроэнергетические системы» содержание представленной диссертации со ответствует п. 8 «Разработка методов статической и динамической оптимиза ции для решения задач в электроэнергетике», п. 13 «Разработка методов ис пользования ЭВМ для решения задач в электроэнергетике».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы док ладывались и обсуждались на Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Электроэнергетика глазами молодежи", 2010 г. Екатеринбург;

XII, XIII Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, 2011, 2012 г. Нерюнгри;

XII Всероссийской научно технической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города», 2011 г. Красноярск, а также на постоянно действующем семинаре ка федры «Электротехнические комплексы и системы» Политехнического инсти тута СФУ.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 пе чатных работах, в том числе 3 статьи в изданиях по перечню ВАК.

Личный вклад. Основные научные результаты и положения, изложен ные в диссертации, постановка задач и методология их решения разработаны и получены автором самостоятельно. Общая научная идея, направления исследо ваний были разработаны и реализованы при участии научного руководителя.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит основной текст на 141 с., 29 иллюстраций, 7 таб лиц, 6 приложений на 70 с., списка использованных источников из 106 наиме нований на 11 с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложено краткое содержание работы, определены научная новизна и практическая ценность полученных ре зультатов, а так же апробированность полученных результатов.

В первой главе выполнен анализ системы электроснабжения и управления электропотреблением предприятий РСК.

Отмечено, что электрическая нагрузка предприятий РСК делится на потребителей основной технологии (газовые центрифуги) и потребителей ВСиДП, на долю которых приходится 65% и 35% общего расхода электроэнергии соответственно. Для газовых центрифуг технологический процесс одинаков по интенсивности и режиму работы для каждой смены.

Поэтому в работе принято допущение о незначительном изменении нагрузки газовых центрифуг, а значит, распределение параметра «электропотребление» будет подчиняться нормальному закону. Потребители ВС (системы обеспечения общезаводских нужд) и ДП формируют переменную составляющую общего графика нагрузки, поскольку режимы работы их разнообразны и зависят от многих факторов. Кроме этого, разнообразие потребителей ВСиДП, запитанных от электрооборудования уровня СЭС (6, кВ) предприятий РСК характеризуется как слабо связанное и слабо взаимодействующее счетное множество, ограниченное в пространстве и времени, имеющее общую конечную цель функционирования, необратимо развивающееся.

В настоящее время управление электропотреблением на предприятиях РСК организуется в виде административных систем руководства. Принятие управленческих решений специалистами и руководителями осуществляется на основе личного опыта без применения современных научно-обоснованных ме тодов управления. В этой ситуации актуально использование системы под держки принятия решений, в основу которой, заложены научные принципы ис следования больших технических систем.

Применение существующих методов управления электропотреблением для промышленных предприятий РСК ограничено жесткими технологическими тре бованиями. В то же время, энергосбережение, как частный случай управления электропотреблением, имеет возможность корректировать график нагрузки, не за трагивая в значительной степени особенности технологии производства.

Спектр методов нормирования и прогнозирования электропотребления, используемых и предлагаемых в настоящее время достаточно широк. Однако во многих из них потребление электрической энергии рассматривается как детерминированный процесс, анализ которого не учитывает системных свойств инфраструктуры в целом, снижая точность расчетных значений. В данной работе предлагаются методы нормирования и прогнозирования, основанные на кластерном анализе и ципфовой математической статистике.

Таким образом, проведенный анализ позволил сформулировать требова ния к управлению потреблением электроэнергии (научное определение норм, текущее и перспективное прогнозирование расхода электроэнергии с определе нием потенциала энергосбережения, выявлением объектов ВСиДП нерацио нально потребляющих электроэнергию, с целью последующего проведения уг лубленного энергоаудита) предприятий РСК, из которых вытекают цель и зада чи исследований.

Во второй главе приведено обоснование применения техноценологиче ской теории к оптимизации электропотребления объектов ВСиДП предприятий РСК, а также реализован первый этап методики оптимального управления элек тропотреблением (рис.1).

Моделирование на основе техноценологических свойств – направление в исследовании действующих предприятий, введенное профессором Б. И. Кудри ным, которое положительно зарекомендовало себя как общий подход к анализу сложных технических систем и получило развитие в работах Фуфаева В.В., Прокопчика В.В., Гнатюка В.И., Исаева А.С., Кистенева В.К. и др.

Исследования в области энергосбережения условно разделяются на три уровня. Первый уровень соответствует исследованиям, нацеленным на кон кретные технические и технологические разработки, способствующие сниже нию энергопотребления. На третьем уровне исследований осуществляется стра тегическое планирование и прогнозирование в системах электроснабжения.

Связующим звеном в представленной классификации является промежуточный (второй) уровень исследований, называемый системным по отношению к пер вому и третьему. В качестве методологической основы на этом уровне приме няется методика оптимального управления электропотреблением техноценозов, основным инструментом которой является ранговый анализ H-распределений.

Задачей оптимизации в диссертационной работе является минимизация потребления электроэнергии объектами ВСиДП путем использования системы процедур оптимального управления с учетом критерия оптимальности, который выражается через целевую функцию (1) и два ограничения (2), (3).

Рис. 1. Методика оптимального управления электропотреблением объектов ВСиДП Целевая функция задает максимизацию интегрального показателя эффектив ности функционирования инфраструктуры, который определяется как отношение интегральных показателей качества IPw и затрат IPz:

( W1 (r )d r W2 (r )d r ) Z1 (r )d r IP IP w k max,,n 0 0 (1) IPz ( Z1 (r )d r Z 2 (r )d r ) W1 (r )d r 0 0 где W1 (r) – ранговое распределение объектов ВСиДП по электропотреблению, построенное в результате имитационного моделирования, при условии отсутст вия управляющего воздействия, направленного на энергосбережение;

W2 (r) – ранговое распределение объектов ВСиДП по электропотреблению, полученное при наличии управляющего воздействия;

Z2 (r) – ранговое распределение объ ектов ВСиДП по затратам на внедрение энергосберегающих технологий, по строенное по результатам моделирования;

Z1 (r) – ранговое распределение объ ектов ВСиДП по затратам на оплату за потребленную электроэнергию приме нительно к варианту без управляющих воздействий.

Первое ограничение позволяет устранить аномальные отклонения эмпи рических ранговых распределений по электропотреблению от гладких аппрок симационных кривых соответствующих распределений. Данное ограничение реализуется процедурами интервального оценивания, прогнозирования и нор мирования:

Ф( p )1 k w W (r ) Ф( p )1 k, W (rk ) (2) k k 2 где Ф( p ) – обратная функция Лапласа, задающая нижнюю и верхнюю гра ницы доверительного интервала;

wk – эмпирическое значение электропотребле ния k-го объекта ВСиДП, получаемое по результатам имитационного модели рования;

W(rk) – электропотребление, соответствующее рангу k-ого объекта на кривой W(r);

p – 95%-ная доверительная вероятность;

[k] – эмпирический стандарт распределения W(r) в кластере k-ого объекта ВСиДП.

Второе ограничение заключается в том, что совокупное электропотребле ние объектов ВСиДП не может быть ниже уровня, достаточного для выполне ния задач их основного предназначения:

W ( r )d r W *. (3) В диссертационной работе в качестве инфраструктуры рассматривается совокупность вспомогательных систем и дополнительных производств (ВСиДП) ОАО «ПО «ЭХЗ». В структуре ВСиДП функционирует множество подсистем, которые состоят из отдельных элементов (потребителей электриче ской энергии). Между элементами подсистем имеются связи (механические, электрические, пневматические и т. д.), которые можно описать различными законами физики, электротехники. ВСиДП имеют единую систему управления в лице генерального директора, его аппарата, завязанных в структуру подчи ненности;

систему всестороннего обеспечения (техническое обслуживание, ре монт, снабжение, подготовка кадров и др.);

общую территорию и, соответст венно, сходные условия работы. И, наконец, главное – ВСиДП функционируют с общей целью, которую можно определить как всестороннее обеспечение ос новного технологического процесса и получение наибольшей прибыли от про дажи продукции дополнительного производства при снижении затрат на обес печение этого процесса. К потребителям ВСиДП относятся компрессоры раз личного технологического назначения, системы вентиляции и водоснабжения, подъемно-транспортное оборудование, системы освещения, производство изо топов различных химических элементов, фтористоводородной кислоты и без водного фтористого водорода, переработка обедненного гексафторида урана.

В настоящей работе впервые предложен новый принцип формирования объектов: 1. Объект совокупность потребителей одной секции подстанции 10/0, или 6/0, кВ;

2. Объект совокупность нескольких потребителей (например, двигателей насосов системы водоохлаждения), объединенных одним технологическим процессом одного подразделения;

3. Объект совокупность потребителей двух и более секций одной подстанции 10/0, или 6/0, кВ, имеющих электрические связи на стороне 0, кВ;

4. Объект совокупность потребителей разных подстанций 10/0, или 6/0, кВ, имеющих электрические связи на стороне 0, кВ. Это позволяет группировать потребители ВСиДП в пространственно-технологические кластеры, корректи руя исходную информацию по электропотреблению для дальнейшего ее анализа, тем самым повышая достоверность результатов моделирования.

В результате сформирована база данных по электропотреблению за пери од с 2007 по 2011 г.г., которая содержит информацию о 99 объектах (групп по требителей) ВСиДП, эксплуатируемых на ОАО «ПО «ЭХЗ».

Для применения положений техноценологической теории доказано совме стное выполнение двух гипотез: 1) ранговое распределение электропотребления объектов ВСиДП не подчиняется нормальному закону распределения;

2) сово купность данных по электропотреблению объектов ВСиДП является значимо взаимосвязанной.

В ходе исследования построены ранговые параметрические распределе ние ВСиДП по электропотреблению за 2007-2011 годы, а также структурно топологическая динамика рангового распределения электропотребления в це лом за 60 месяцев (рис. 2).

Рис. 2. Структурно-топологическая динамика рангового распределения электропотребления ВСиДП Аппроксимация эмпирических распределений по электропотреблению методом наименьших квадратов позволила получить коэффициенты для традиционно сложившейся аналитической зависимости (4), наилучшим образом описывающей совокупность точек, рангового параметрического распределения объектов ВСиДП по параметру электропотребление.

W (t ) Wr (t ) (4), (t ) r где W1(t) – электропотребление объекта ВСиДП с первым рангом, r – ранг объекта;

(t) – характеристический ранговый показатель, определяющий степень крутизны кривой и отражающий устойчивость структуры в целом – своеобразную эффективность электропотребления каждого объекта ВСиДП согласно его месту в инфраструктуре.

Анализ полученных коэффициентов (параметров рангового распределе ния W1 и ) и характер их изменения во времени (рис. 3) показывают уменьше ние обоих, что свидетельствует об уменьшении разницы между электропотреб лением крупных и мелких объектов ВСиДП.

Рис. 3. Динамика первой точки W1 и коэффициента Это обусловлено снижением электропотребления крупных (энергоемких) объектов, в результате реализации мероприятий политики энергосбережения на ОАО «ПО «ЭХЗ», реконструкции основного производства в последние годы.

Электропотребление мелких объектов ВСиДП изменяется незначительно, а зна чит, нарушается соотношение электропотребления между крупными и мелкими объектами рассматриваемой части СЭС, что указывает на ухудшение ее ста бильности. В данном случае управленческие решения должны касаться в первую очередь мелких объектов, способствуя уменьшению их электропотребления.

В третьей главе реализован второй этап методики оптимального управ ления электропотреблением, где отражено построение и анализ статической модели электропотребления объектов ВСиДП, в процессе которых осуществля ется полномасштабная обработка данных по электропотреблению. Она включа ет в себя интервальное оценивание, прогнозирование и нормирование электро потребления объектов ВСиДП.

Статическая модель электропотребления объектов ВСиДП описывается следующими уравнениями:

совокупный параметрический ресурс инфраструктуры по электропо треблению:

W W (r )d r, (5) ширина доверительного интервала в одну сторону от аппроксимацион ной кривой:

, pd Ф 1 (t ) (6) где – среднеквадратическое отклонение экспериментальных точек от теоретической кривой;

(t) – функция Лапласа;

pd – априорно принимаемая доверительная вероятность;

прогнозируемое значение электропотребления n-го объекта ноевой касты ВСиДП, k Wn C1 Ci maxt i (7) i где C1, Ci – коэффициенты регрессии i-го члена полинома;

max(t) – оптималь ная глубина предыстории;

k-го объекта пойнтер- и саранчовой касты ВСиДП W W Wk 0 dr k d r, (8) 0r 0r k где W0 и W0k – значение электропотребления для первой точки распределения с учётом и без учёта k-го объекта ВСиДП;

и k – соответствующие ранговые ко эффициенты с учётом и без учёта k-го объекта ВСиДП;

суммарное W W П d r, (9) 0r П где W0П и П – прогнозные параметры распределения, определяемые на основе анализа временных рядов;

критерий формирования кластеров объектов ВСиДП по сходному элек тропотреблению:

n d E2 ri,Wi,rj,W j extr, Q( S ) )S (10) f 1 ( r,W ), ( r i i j, W j f где d E ri,Wi,r j,W j взвешенное евклидово расстояние между соседними точ ками рангового распределения по электропотреблению;

среднее значение нормы для s-ой группы объектов:

r W s r 1 n Wi, s Ws r s (11) rs rs 1 ns i где rs-1 и rs – левая и правая ранговые границы нормируемой группы объектов ВСиДП на распределении;

W0 и параметры рангового распределения;

ns – количество объектов ВСиДП в s-ой группе;

Wi – эмпирическое значение элек тропотребления i-го объекта ВСиДП;

эмпирический стандарт для s-ой группы объектов:

1n W s Wi.

s s (12) ns 1 i Уравнение (5) определяет совокупный параметрический ресурс инфра структуры по электропотреблению (рис.2).

В процессе моделирования определены точки эмпирического рангового распределения по электропотреблению объектов ВСиДП, выходящих за пределы гауссового переменного доверительного интервала, построенного относительно аппромаксимационной кривой распределения, полученной по методу наимень ших квадратов. Это достигнуто решением уравнения (6). Точки, выходящие за пределы доверительного интервала, фиксируют объекты рассматриваемой ин фраструктуры, нерационально потребляющие электроэнергию.

В результате получен список очередности проведения энергоаудита для объектов ВСиДП:

- потребляющих электроэнергию аномально мало – 18 объектов;

- потребляющих электроэнергию аномально много – 63 объекта.

Заниженное электропотребление наблюдается, с одной стороны, у энер гоемких объектов ВСиДП, относящихся к системам водоснабжения, холодиль но-компрессорному оборудованию. Это связано с регулированием режимов (снижением) потребления промышленной, деарированной воды, азота и сжато го воздуха в подразделениях в рамках проводимой политики энергосбережения, реструктуризации и реконструкции предприятия в последние годы. С другой стороны, многократное резервирование схем электроснабжения, ликвидация ряда дополнительных производств диктует появление малоиспользуемого и малоэлектронагруженного оборудования.

Завышенное электропотребление наблюдается у значительного количест ва объектов ВСиДП, относящихся к различным системам обеспечения работы основного оборудования. В данном случае процесс энергоаудита подразумевает экспертную оценку (совместно персоналом служб энергетика, КИПиА, механи ка, технолога) работы оборудования с целью снижения электропотребления.

Для прогнозирования электропотребления использовались ципфовая ма тематическая статистика и структурно-топологическая динамика ранговых рас пределений, которые учитывают влияние системных свойств рассматриваемой инфраструктуры на процесс электропотребления отдельных объектов.

Условное деление происходит по значению электропотребления отдель ного объекта: ноева каста, состоящая из объектов с наибольшим электропо треблением;

пойнтер-касту образуют объекты со средним электропотреблени ем;

саранчовая каста – объекты с малым электропотреблением.

Для прогнозирования временных рядов электропотребления объектами ноевой касты используется уравнение (7), объектами пойнтер- и саранчовой каст (8). Общий прогноз электропотребления рассматриваемого техноценоза в целом осуществляется решением уравнения (9).

Опытным путем определено, что глубина предыстории прогнозирования по статистическим данным электропотребления, позволяющая получить наи более точные прогнозные значения, шесть месяцев. Прогнозирование осуще ствлялось для двенадцати месяцев 2011 года по всем объектам ВСиДП (рис. 4).

При сравнении прогнозных и фактических значений электропотребления объ ектов ВСиДП определена средняя относительная ошибка для каждого месяца 2011 года (табл. 1).

Рис.. Прогноз электропотребления объектов рассматриваемого техноценоза на декабрь 2011 года Таблица Средняя относительная ошибка общего прогноза (2011 г.) Номер 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 месяца,% -5 -4,5 3,8 1,5 -3,5 3,5 2,2 -1,6 3,7 4 1,3 -0, В данном случае модель отражает значительное совпадение для боль шинства объектов рассматриваемой инфраструктуры. Наибольшую ошибку да ет прогноз для первой точки и трех-четырех последних, что увеличивает значе ние средней ошибки. Стоит отметить, что объекты соответствующие 1, 96, 97, 98, 99 рангам всегда лежат ниже (выше) доверительного интервала. Поэтому следует предположить, что в случае проведения комплекса технических меро приятий по результатам целенаправленного энергоаудита, точки попадут в до верительный интервал, и это снизит ошибку прогнозирования.

В основе нормирования электропотребления рассматриваемой инфраструк туры лежит кластер-анализ, по результатам которого объекты ВСиДП разбиты на 20 кластеров по «сходному» электропотреблению, при этом использовался крите рий, выраженный уравнением (10). В результате получены нормы электропо требления (среднее и стандарт) для каждого объекта ВСиДП (рис. 5), которые эф фективны только для исследуемой инфраструктуры и не применимы для другой.

При этом задействованы уравнения (11) и (12). Значения норм и стандартов за шесть последних месяцев в базе данных (с июля по декабрь 2011 года), позволили спрогнозировать их значения на следующий временной интервал, используя экст раполяцию аналогично методике прогнозирования, представленной выше уравне ниями (7), (8), (9).

В любом случае нормы необходимо уточнять ежемесячно, одновременно с изменением базы данных по электропотреблению, что позволит устанавли вать для объектов ВСиДП научно обоснованные ежемесячные нормы расходо вания электроэнергии и как следствие, стимулировать энергосбережение и снижать затраты на оплату электроэнергии.

Рис. 5. Статическое описание норм кластеров рассматриваемой инфраструктуры по электропотреблению за январь 2007 года (фрагмент) В четвертой главе реализованы третий и четвертый этапы методики оптимального управления электропотреблением инфраструктуры. Создана динамическая модель процесса электропотребления объектов ВСиДП ОАО «ПО «ЭХЗ», с помощью, которой устранены недостатки статической модели, а именно, малый период прогнозирования и невозможность сравнения вариантов управления электропотреблением. Предложены технические мероприятия по энергосбережению для объектов ВСиДП с завышенным электропотреблением.

Динамический характер модели придает развитая система входных параметров, корректировка которых осуществляется дополнением исходной базы данных модели, реализованной на предыдущих временных шагах, данными по изменению условий функционирования объектов ВСиДП, а также данными по электропотреблению объектов на следующий временной шаг.

В ходе моделирования процесса электропотребления объектов ВСиДП преобразующие функции, выраженные уравнениями (13) и (14), используются следующим образом: если на объект ВСиДП оказывалось управляющее воздей ствие, направленное на внедрение энергосберегающих технологий, то исполь зовался закон Вейбулла-Гнеденко w = mw + w (v (,, ) - 1), (13) в противном случае использовался нормальный закон w = mw + w n (, m1, 1 ), (14) где w реализуемое в модели значение электропотребления объекта ВСиДП;

mw, w математическое ожидание (среднее) и среднее квадратичное отклонение (стандарт) электропотребления, получаемые для объектов ВСиДП в ходе процедур нормирования прогнозирования;

v (,, ) преобразующая функция Вейбулла-Гнеденко с параметрами и ;

случайное число от 0 до 1, генерируемое датчиком случайных чисел;

n (, m1, 1 ) преобразующая функция нормального распределения с параметрами (m1, 1 ).

Параметр распределения зависит от амплитуды управляющего воздействия:

А = (U ), (15) где А вектор параметров объектов ВСиДП;

U вектор функций амплитуд управляющих воздействий, направленных на энергосбережение.

Параметр распределения определяет «ширину зоны принятия решений» на реализацию мероприятий по энергосбережению и зависит от степени свобо ды системы управления по реализации воздействий, направленных на энерго сбережение:

= (V ), (16) где вектор параметров ;

V вектор функций, характеризующих степень свободы подсистем управления объектов ВСиДП по принятию решений на вне дрение энергосберегающих технологий.

Зависимость векторов А и от векторов U и V осуществляется через ожидаемую полезность выполнения мероприятий по энергосбережению:

А, =P( U, V, D, T ), (17) где P функционал ожидаемой полезности, определенный на гиперпростран стве ( U, V, D, T );

D пространство состояний, определяющее финансовую по литику объектов ВСиДП по стимулированию процесса энергосбережения;

T пространство состояний, определяющее тарифную политику на рынке электро энергии.

При фиксированных областях в пространствах D и T применительно к объекту ВСиДП с рангом r для определенной транзакции квазипараллельного алгоритма модели определяется интегральная функция полезности:

(u, v) = (u, v) p(u, v)d u d v, dt (18) r где r (u, v) ожидаемая полезность управляющего воздействия для объекта dt ВСиДП с рангом r в условиях заданного варианта финансовой и тарифной по литики по стимулированию энергосбережения;

(u, v) функция полезности, соответствующая значениям функций u и v;

p(u, v) функция вероятности, оценивающая реализацию значений u и v.

Оптимизационные процедуры связаны с моделированием процесса элек тропотребления рассматриваемой инфраструктуры, которое осуществляется имитационными методами с использованием транзактного способа организа ции квазипараллелизма (рис. 6). Процесс функционирования объектов ВСиДП моделируется агрегатным методом. Оптимизационные процедуры в рамках мо дели реализуются с использованием градиентных методов многомерной опти мизации и выпуклого анализа. Многомерная оптимизация дополняется эффек тивными процедурами одномерного поиска.

Рис. 6. Схема модели процесса электропотребления объектов ВСиДП при транзактном способе имитации (ПП – подпрограммы) По результатам модельной реализации преобразующих функций (13) и (14) определен потенциал энергосбережения объектов ВСиДП ОАО «ПО «ЭХЗ» (рис. 7):

Wt W1 (r )d r W2 (r )d r, (19) 0 Рис. 7. Оценка потенциала энергосбережения объектов ВСиДП на 2012 год Как показало моделирование (рис. 8), внедрение на объектах ВСиДП ме тодологии оптимального управления электропотреблением позволит в бли жайшие пять лет снизить электропотребление на 61086,197 МВтч и сэконо мить значительные денежные средства (с учетом постоянного роста цен на электроэнергию) за счет организационных и технических мероприятий с быст рым сроком окупаемости. Данная величина составляет 28,8% от электропо требления ВСиДП и 6,2% от электропотребления всего предприятия.

По результа там моделирования определен показа тель эффективности функционирования объектов ВСиДП в условиях статиче ской и динамиче ской оптимизации электропотребления при отсутствии за трат на внедрение данной методики:

Рис. 8. Результаты реализации динамической модели IP = 0,29.

Процедура интервального оценивания выявила объекты ВСиДП, нера ционально потребляющие электроэнергию. Таковых оказалось 81,8% от общего числа, поэтому проведено дополнительное исследование с целью определения объектов, энергоаудит которых является первоочередной задачей. Для этого проведена оценка жизнеспособности объектов ВСиДП.

Индекс жизнеспособности – угол, который отражает динамику изменения доли электропотребления каждого объекта ВСиДП в общем электропотреблении инфраструктуры (рис. 9) и определяется уравнением:

= arctg (a), (20) где a – коэффициент регрессии в уравнении тренда Y = aX + b временного ряда относительного электропотребления объекта (полученный по МНК).

Рис. 9. Макроиндикатор, отражающий динамику электропотребления объекта № Объекты ВСиДП ОАО «ПО «ЭХЗ», требующие первоочередного углуб ленного энергетического обследования, имеющие наибольшее значение индек са жизнеспособности:

номер объекта 3 16 22 31 34 индекс жизнеспособности 1,78 4,48 1,72 2,5 1,72 1, В завершении работы реализован четвертый этап методики оптимального управления – предложены технические мероприятия по энергосбережению для объектов ВСиДП с завышенным электропотреблением. В частности, для объек та № 3, основная нагрузка которого состоит из сетей освещения необходимо заменить люминесцентные и дуговые ртутные лампы энергосберегающими и светодиодными соответственно. Электроэнергетическая эффективность ламп различна, что делает целесообразной замену одних типов ламп на другие. При менение энергоэффективных светильников новых конструкций снижает элек тропотребление, а энергоэффективность определяется по формуле:

W ( P - P ), (21) ст нов где Pст мощность старых энергоемких ламп;

Pнов мощность новых энерго сберегающих ламп;

число часов использования осветительной нагрузки.

Результаты расчетов представлены в таблице 2.

Таблица Экономический эффект от замены ламп в сетях освещения объекта № Тип Энергосбе ЛДЦ ДРЛ Светодиодные Характеристики регающие Номинальная мощность, Вт 40 15 700 Количество, шт. 55 55 250 Число часов использования осве 168 168 403 тительной нагрузки в месяц, час Потребляемая электроэнергия, 369,6 138,6 70525 8664, кВтч/мес.

Экономический эффект, руб/мес. 577,5 154651, Затраты, тыс.руб. 11 Окупаемость, мес. 19 12, Таким образом, замена ламп позволит снизить электропотребление объ екта №3 на 62,1 МВтч в месяц, тем самым корректируя форму рангового рас пределения, увеличивая устойчивость всей инфраструктуры.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Анализ СЭС предприятий РСК показал, что наибольший интерес с точки зрения энергосбережения представляют потребители ВСиДП, форми рующие переменную составляющую графика нагрузки, на долю которых приходится от 30 до 35% общего расхода электроэнергии, а режимы их работы разнообразны и зависят от многих факторов.

2. В результате проведенного анализа современных методов управления электропотреблением установлено, что для промышленных предприятий РСК управление электропотреблением традиционными методами ограничено жесткими технологическими требованиями. Энергосбережение, как частный случай управления электропотреблением, имеет возможность выравнивать график нагрузки, с учетом технологических особенностей производства.

3. Предложенный принцип формирования объектов ВСиДП дает возмож ность объединить потребителей в пространственно-технологические кластеры, корректируя этим исходную информацию по электропотреблению для даль нейшего анализа, что позволяет исключить процедуру верификации базы дан ных и повышает достоверность результатов моделирования.

4. Разработана методика оптимального управления электропотреблением объектов ВСиДП, включающая статическую и динамическую модель, позво ляющая снизить себестоимость готовой продукции за счет снижения энергети ческой составляющей.

5. Получена статическая модель электропотребления ВСиДП, которая позволила определить 81 объект (81,8% от общего числа объектов), нерационально потребляющий электроэнергию и требующий проведения углубленного энергоаудита;

научно обоснованные нормы расхода электроэнергии;

прогнозные значения электропотребления и норм на следующий временной интервал отдельными объектами и всей инфраструктурой в целом. При этом средняя ошибка общего прогноза не превышает 5%.

6. Реализация динамической модели электропотребления ВСиДП дает возможность получить прогнозные значения электропотребления объектов на среднесрочную перспективу пять лет с учетом применения организационных и технических мероприятий по энергосбережению, на основании которых опре делен потенциал энергосбережения объектов в размере 61086,197 МВтч. Дан ная величина составляет 28,8% от электропотребления ВСиДП и 6,2% от элек тропотребления предприятия в целом.

7. На основе анализа динамики изменения доли электропотребления каж дого объекта ВСиДП в общем электропотреблении инфраструктуры определены шесть объектов, энергоаудит которых является первоочередной задачей для вы деленного сегмента нагрузки.

8. Выделены основные потребители ВСиДП, для которых обоснованы технические мероприятия по энергосбережению. Целенаправленное комплекс ное применение технических мероприятий по энергосбережению в сочетании с процедурами интервального оценивания, прогнозирования и нормирования по зволяет снизить электропотребление множества мелких объектов ВСиДП. Это приближает форму ранговых распределений к идеальной, что приводит к рав номерному распределению электроэнергии между совокупностью крупных и мелких потребителей, и, как следствие, увеличивает устойчивость всей инфра структуры объектов ВСиДП, а также снижает ошибку прогнозирования.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, определенных ВАК:

1. Лукьяненко С. Ф. О возможности внедрения методики оптимального управления электропотреблением техноценоза в электрохозяйство предприятий разделительно-сублиматного комплекса атомной отрасли России / Е. Ю. Сизга нова, С. Ф. Лукьяненко // «Энергосбережение и водоподготовка» №1, – 2012 г.

С. – 58-60.

2. Лукьяненко С. Ф. Системные исследования статической модели электропотребления объектов вспомогательных систем и дополнительных производств ОАО «ПО «ЭХЗ» / Е. Ю. Сизганова, С. Ф. Лукьяненко // «Энергосбережение и водоподготовка» №5, – 2012 г. С. – 66-68.

3. Лукьяненко С. Ф. Реализация динамической модели электропотребления ОАО «ПО «ЭХЗ» / Е. Ю. Сизганова, С. Ф. Лукьяненко // «Энергосбережение и водоподготовка» №2, – 2013 г. С. – 72-74.

В других изданиях:

4. Лукьяненко С. Ф. Техноценологический подход в вопросе оптимального управления электропотреблением / Е. Ю. Сизганова, С. Ф. Лукьяненко // Электроэнергетика глазами молодежи: Труды всероссийской науч. тех. конф. / Под общей редакцией П. И. Бартоломея. – Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2010 г.

С. – 295-299.

5. Лукьяненко С. Ф. Ранговый анализ как метод исследования больших тех нических систем особого ценологического типа / Е. Ю. Сизганова, С. Ф. Лукь яненко // Электроэнергетика глазами молодежи: Труды всероссийской науч.

тех. конф. / Под общей редакцией П. И. Бартоломея. – Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2010 г. С. – 278-281.

6. Лукьяненко С. Ф. Что препятствует энергосбережению на промышленных предприятиях разделительно-сублиматного комплекса атомной отрасли России / Е. Ю. Сизганова, С. Ф. Лукьяненко // Материалы 12 всероссийской науч. пр.

конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. – Нерюнгри: Изд-во СВФУ, 2011 г. С. – 149-151.

7. Лукьяненко С. Ф. Внедрение энергоменеджмента на промышленных пред приятиях разделительно-сублиматного комплекса атомной отрасли России / Е.

Ю. Сизганова, С. Ф. Лукьяненко // Материалы 12 всероссийской науч. пр.

конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. – Нерюнгри: Изд-во СВФУ, 2011 г. С. – 152-153.

8. Лукьяненко С. Ф. Ценологический подход к нормированию электропо требления промышленных предприятий / Е. Ю. Сизганова, С. Ф. Лукьяненко // Материалы 13 всероссийской науч. пр. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. – Нерюнгри: Изд-во СВФУ, 2012 г. С. – 279-281.

9. Лукьяненко С. Ф. Оптимальное управление электропотреблением / Е. Ю.

Сизганова, С. Ф. Лукьяненко // Энергоэффективность систем жизнеобеспече ния города: материалы 12 всероссийской науч. пр. конф. / Под общей редакци ей В. И. Пантелеева. – Красноярск: МВДЦ «Сибирь», 2011 г. С. – 131-132.

10. Лукьяненко С. Ф. Ценологический подход к прогнозированию электропо требления промышленных предприятий / Е. Ю. Сизганова, С. Ф. Лукьяненко // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: материалы 12 все российской науч. пр. конф. / Под общей редакцией В. И. Пантелеева. – Красно ярск: МВДЦ «Сибирь», 2011 г. С. – 142-145.