Формирование управляющих воздействий при управлении иерархическими многоуровневыми системами электроснабжения

УДК 621.3

ФОРМИРОВАНИЕ УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ИЕРАРХИЧЕСКИМИ МНОГОУРОВНЕВЫМИ СИСТЕМАМИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В.М. Степанов, А. А. Шпиганович

Проведен анализ функционирования систем с избыточностями. Надежность уровня системы может быть повышена за счет использования избыточностей. Целесообразность такого повышения должна основываться на экономическом расчете с учетом технических параметров и характеристик оборудования.

Ключевые слова: избыточность, эффективность, функционирование систем электроснабжения, отказ электрооборудования.

Для иерархических многоуровневых систем с избыточностями особенно, когда осуществляется управление ими, настолько вынужденные остановки исполнительных машин от отказов элементов системы непредсказуемы, что оценку появления остановок можно осуществить, только используя подход электроценоза. Когда анализируемые факторы невзаимосвязаны между собой или связь очень слабая, то другие методы не будут объективны. В этом случае его применение необходимо обосновать, доказав нецелесообразность применение других методов. В данном случае подход основывается на том, что хотя анализируемые системы иерархические, многоуровневые, но обладают всеми видами избыточности, в том числе и информационной избыточностью, что теоретически должно исключить все виды отказов.

Для анализа производства металлургического завода на основании эксплуатации систем электроснабжения предполагалось, что чем ближе электрооборудование расположено к первому уровню системы, тем оно сильнее влияет на вероятность вынужденных остановок электроприемников. В рассмотренном случае согласно использования подхода электроценоза установлено, что значительное влияние оказывает четвертый уровень (рис. 1).

Вероятность отказа оборудования этого уровня довольно высока, это говорит о низкой надежности системы данного уровня. Если рассматривать электроснабжение электроприемников относительно всех шести уровней, то в отношении надежности элементы системы соединены последовательно. Это упрощает оценку отказов отдельного оборудования высших уровней на вынужденные остановки приемников. С повышением уровня увеличивается и количество электрооборудования, находящегося без электроснабжения. Для оборудования высших уровней обычно предусмотрено его резервирование, использование структурной избыточности.

30

Это подтверждает целесообразность применения избыточности для стабильного функционирования предприятия. В данном случае вероятность возникающих отказов теряет свою пропорциональность.

Для оценки функционирования электрооборудования целесообразно учитывать на каком из уровней системы электроснабжения оно расположено. Надежность уровня системы может быть повышена за счет использования избыточностей. Целесообразность такого повышения должна основываться на экономическом расчете с учетом технических параметров и характеристик оборудования. Суточная нагрузка на технологическую машину

Асуг = Ксм • б • Тсм • псм

где б - средняя производительность технологической машины за ее машинное время; Тсм _ число часов в рабочей смене; псм - количество смен в сутки.

\ 2 3 4 5 6 Уровни системы

электроснабжения

Рис. 1. Вероятность отказов электрического оборудования уровней системы электроснабжения

При использовании избыточностей уменьшается длительность вынужденных перерывов в производственном процессе, что приводит к возрастанию нагрузки на технологические машины. Относительный прирост нагрузки составляет

к

а = ——,

Ксм

где К , Ксм - сменный коэффициент машинного времени без избыточности и использованием избыточности в системе.

Сменный коэффициент машинного времени технологической машины

к„. =

к

+ а

1Т

у К2Т

1

+ к_

р

V СЭ

1

¿=1

р;

,

где К1Т и К2Т - коэффициенты готовности по группам последовательных и параллельных перерывов в технологическом процессе без учета вероятности работы оборудования рассматриваемого уровня системы электроснабжения; а - оценочный коэффициент; Рсэ - вероятность работы электрооборудования уровня системы электроснабжения без учета избыточности; Р1 - вероятность работы ьой единицы электрооборудования, подлежащей замене; п - число единиц электрооборудования, подвергшегося воздействию избыточности; Ксэ- коэффициент связи между оборудованием системы без наличия в ней избыточности; и К1 - коэффициенты связи, показывающие, во сколько раз уменьшается вероятность остановок технологических машин от отказов ьой единицы электрооборудования, подвергшегося избыточности.

02 п Ц2

а б

Рис. 2. Оценочные зависимости оправданного применения

а - структурной, б - временной избыточности для усеченно-нормального закона распределения отказов при нормирующим множителе 1,0

Коэффициент готовности системы при воздействии отдельного возмущающего фактора

кг=

Учитывая, что Л и 1в являются случайными переменными, то математическое ожидание коэффициента готовности кг и дисперсия при воздействии на систему отдельного 1-го возмущающего фактора, уста-

навливающих прямую взаимосвязь между функциональными возможностями электроприемников с помощью амплитудно-временных параметров потоков электрической энергии, имеет вид

кг

1+ ЛТВ

1 + —

(1+ятву

^тЯ)2+{аяТв)2

°кг

{атЯ)2+{аяТв)2

(1 + лтву

где Л - допустимая интенсивность отказов; Тв - требуемое среднее время восстановления.

Подставляя зависимость (11) в (9) определяем математическое ожидание Ксм и среднее квадратическое отклонение ег^ сменного коэффициента машинного времени.

Для установления условий реализуемости функциональной электротехнической системы определяется уровень ее надежности

Ку

где qн и qc - вероятностные отказы системы электроснабжения существующего и нового технического уровня; ку - комплексный коэффициент технического уровня системы, равный

-ис -<Ц(п)с 5Цус А^ Пэс + О ПС + Лс. £ст

кос/н к2ин кин ки

где к0ис и к0ин - коэффициенты несимметрии напряжения по нулевой последовательности существующего и нового технического уровней; к2ис и кгш- коэффициенты несимметрии напряжения по обратной последовательности существующего и нового технического уровней; кис и кин - коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения существующего и нового технического уровней; ки(П)С и ки(П)Н - коэффициенты п-гармонической составляющей напряжения существующего и нового технического уровней; и - установившееся отклонения напряже-

ус ун

ния существующего и нового технического уровней; др и др - допол-

С н

нительные потери от протекания токов высших гармоник на существующем и новом техническом уровне; Пэс, Пэн - отношение потерь электрической энергии в существующих системах и нового технического уровня; О и о потери электрической энергии при ее преобразовании в элек-

НС ЛИ

тропитающих системах существующего и нового технического уровней;

Л с, Лн -величина кпд в существующих системах электроснабжения и нового технического уровня; кст и ^ст - сменные коэффициенты машинного времени без избыточности и с использованием избыточности в системе.

Исходя из структуры взаимоувязанного электрооборудования в технологической системе и равной вероятности отказа коэффициент готовности имеет вид

^гн = ЙН ,

Чн+К^дп

где 1;дп - допустимое время простоя

Подставляя зависимость (13) в (14) определяем математическое

ожидание и среднее квадратическое отклонение ош.

Коэффициент технического использования расчитывается через коэффициент готовности

кшн = кш,

1 +

и с учетом ¿дп, <7 ^п и (30) определяются математическое ожидание эффективности распределения электрической энергии ктин и среднее квадратическое отклонение Оши, и подставляя из (14) кгн в (10), получаем математическое ожидание коэффициента эффективности использования электрической энергии ктиэ и среднее квадратическое отклонение Октэ в зависимости от кем и <7ксм сменного коэффициента машинного времени.

Показатели с индексами (с) и (н) устанавливаются на основе информационно-аналитического анализа функционирования систем электроснабжения и технологического процесса.

Формирование управляющих воздействий распределением и эффективностью использования электроэнергии устанавливается на основе нейронной сети, которая в многоуровневой системе электроснабжения при рациональном управлении энергетическими потоками выполняет функцию модели энергетического потока и реакции его на изменение состояния анализируемой системы при известной нагрузке, позволившей получить цифровую модель энергетического потока:

У

где V -вектор-функция небалансов мощности в узлах нагрузки, X и У векторы столбцы зависимых и независимых параметров режимов работы (рис.

3).

Формирование структуры функциональных связей конструктивной схемы и расчета установившегося режима сводится к минимизации суммы квадратов невязок - небалансов узловых мощностей.

г =

/

где Ъ - целевая функция, отражающая сумму невязок мощностей на ]-той итерации для системы, состоящей из j объектов.

Рис. 3. Структура нейронной сети для определения структуры и функциональных связей конструктивной схемы и расчета параметров режима работы распределительной сети

Экономический эффект обеспечивается относительным приростом нагрузки технологических машин, который рассчитывается по формуле

Э =

УС-А

суг Пдн

100

(а-1),

где Э - годовой экономический эффект; у - удельный вес условно-постоянных расходов на обслуживание оборудования рассматриваемой подсистемы; С - себестоимость выпускаемой продукции; пдн - число рабочих дней в году.

В общем случае количество и стоимость используемого электрооборудования при применении избыточностей для различных уровней системы отображено графически на рис. 4.

Определяющим в оценке экономического эффекта служит сменный коэффициент машинного времени. При структурной избыточности он равен

Кем,сн = [к + ксэРсэ ¡о Р

Значение сменного коэффициента в случае временной избыточности определяется зависимостью

Ксмзн = [к + ксэрсэ/8оор

Это довольно сложные зависимости, которые определяются не только по вероятностным параметрам электрооборудования, но и с учетом функций их распределения, что наглядно подтверждается рис. 3 а и б. Как показывают выполненные исследования не всегда избыточности могут оказаться оправданными. Для анализируемых систем оправданные области использования избыточностей на рис. 3 а и б отображены цифрой.

Рис. 4. Экономическая оценка уровневой структуры системы

электроснабжения

Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что системы электроснабжения современных предприятий являются многоуровневыми. Оценка возникновения отказов в таких системах должна осуществляться на основании метода электроценоза. Предотвращение возникновения отказов должно осуществляться посредством избыточностей, включая избыточность управления.

Список литературы

1. Шпиганович А.Н., Пушница К.А. Повышение безотказности ки-слородно-конвертерных производств путем улучшения защиты систем их электроснабжения от коммутационных перенапряжений. Сталь. №6. М.: Интермет Инжиниринг. 2015. С. 55-57.

2. Шпиганович А.Н., Костина И.И. Технико-экономический анализ систем электроснабжения с применением временной избыточности. Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. №2. 2013.

3. Шпиганович A.A., Дмитриенко Д.Ю. Технико-экономический появления вынужденных остановок электроприемников систем электроснабжения со структурной избыточностью. Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. №2. 2013.

36

4. Шпиганович А. А., Скоморохов П.И. Исследование негативных сетевых возмущений в системах электроснабжения листопрокатных производств. Вести ВУЗов Черноземья. №4. 2014.

5. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов [Текст] / Ф.А. Лихачев. М.: Энергия, 1971. 145 с.

6. Рихтер И. Компенсация емкостных токов замыкания на землю в стях высокого напряжения [Текст] // Электричество. 1961. №11. С 13-16.

7. Белицкий О.В. Обслуживание электрических подстанций [Текст] / О.В. Белицкий, С.И. Лезнов, А.А. Филатов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 416 с.

8. Валеев Г.С. Четырехстержневой дугогасящий реактор с подмаг-ничиванием [Текст] / Г.С. Валеев, О.А. Петров, Е.Д. Панова // Электрические станции. 1983. №3. С. 21-25.

9. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций [Текст] / Б.Н. Неклепаев. М.: Энергия, 1976. 552 с.

10. Осипов Э.Р. Сравнительный анализ способов заземления нейтрали в задаче подавления дуговых замыканий на землю [Текст] / Э.Р. Осипов, В.К. Обабков // Изв. Вузов. Горный журнал. 1988. №3. С 37-41.

11. Трухин А.П. Эффективность различных способов заземления нейтрали сетей 6-10 кВ [Текст] / А.П. Трухин // Режимы нейтрали в электрических системах. 1974. №2. С. 47-50.

Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ener-gy@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Шпиганович Алла Александровна, канд. техн. наук, доц., sanastu.lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет

FORMA TION OF CONTROL EFFECTS IN THE MANAGEMENT OF HIERARCHICAL MULTI-LEVEL THE POWER SUPPLY SYSTEMS

V.M. Stepanov, A.A. Shpiganovich

The analysis of the functioning of the systems with redundant. The reliability level of the system can be improved through the use of redundancy. Appropriateness of such an increase should be based on economic calculation taking into account the technical parameters and characteristics of the equipment.

Key words: redundancy, efficiency, operation of power supply systems, electrical

failure.

Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical science, professor, head the department, energy@tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Spiranovich Alla Aleksandrovna, candidate of technical science, docent, sanastu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk state technical University