Определение потребности в электроэнергии сельскохозяйственных предприятий с применением динамических стохастических моделей

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

УДК 631.371

В.Н. БРОВЦИН, д-р техн. наук;

В.Н. СУДАЧЕНКО, канд. техн. наук;

A. Е. МАРКОВА, канд. c.-x. наук;

B. В. КОЗЛОВ;

АС. КОСТЯЕВ;

Д.С. НИСИН

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБНОСТИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ СТОХАСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

В статье обоснован метод определения параметров энергопотребления предприятиями молочного направления посредством динамических стохастических моделей и приведены результаты его использования для предприятий Ленинградской области.

Существующие нормы расхода электроэнергии не позволяют делать сравнительную оценку эффективности использования электроэнергии хозяйствами региона (района, области), получающих одинаковые показатели по валовому производству продукции, поскольку эта продукция могла быть произведена в разных природных условиях. В итоге существующие нормы расхода электроэнергии не могут быть инструментом управления энергосбережением на уровне района, области, региона, республики. Удельные расходы электроэнергии могут служить показателем оценки энергоэффективности работы предприятия, если они будут определены с учетом климатических условий территории, где производится сельхозпродукция.

Итак, задача состоит в том, чтобы по собранному объему данных о потреблении энергоресурсов, например, предприятиями молочного направления, построить эмпирические формулы, оценивающие влияние факторов на значения удельных показателей потребления ресурсов и позволяющие их прогнозировать.

При статистическом анализе одновременно обрабатывают данные нескольких выборок (вариантов), составляющих единый статистический набор данных, оформленный в виде специальной рабочей таблицы. Структура статистического набора данных и его последующий анализ определяются схемой и методикой эксперимента. В нашем

72

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2005. Вып. 77.

случае вариантом является фактический набор данных по использованию энергоресурсов одним из сельскохозяйственных предприятий исследуемого региона, специализирующихся по выпуску одного вида продукции. На рис. 1 представлена параметрическая схема сельхозпредприятия с использованием следующих обозначений:

т - период времени (сутки, квартал, год); к - номер текущего периода; n - номер прогнозируемого периода.

X - вектор показателей производства (выходных координат): r - удельный расход электроэнергии в отчетном (прогнозируемом) периоде, кВтч/т;

Э - расход электроэнергии на производство продукции за отчетный (прогнозируемый) период, кВтч;

U - вектор климатических параметров:

T -среднесуточная температура воздуха за отчетный (прогнозируемый) период, С;

дп -среднесуточное значение прямой солнечной радиации за отчетный (прогнозируемый) период, кВт/м2;

Яр - среднесуточное значение рассеянной солнечной радиации, за отчетный (прогнозируемый) период, кВт/м2;

о - сумма осадков за отчетный (прогнозируемый) период,

мм/м2.

Рис. 1. Параметрическая схема сельскохозяйственного предприятия для расчета энергозатрат и лимитов энергопотребления

Для дальнейших рассуждений введем следующие обозначения:

x1- r? х2 Э,— ; u1 ^ u2 Яп? u3 - qp? u4 o,‘ • •

73

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

В принятых, согласно параметрической схеме обозначениях, эти модели имеют вид [1]:

m m2

X

j=1 j=0

где Af[m^m\, Bj[m*n\, F[m*s\ - матрицы, элементы которых подлежат определению;

m - количество параметров состояния управляемого процесса;

п - количество управляющих воздействий; у - вектор, размерности s; составляется из описывающих детерминированный тренд функций; E[H(k)\=0, E[E(k)oEr(f)\=pSy; E(k) - последовательность независимых случайных величин размерности m с нулевым средним;

р - ковариационная матрица вектора шумов;

Sj- символ Кронекера.

Векторное разностное уравнение (1) можно свести к m раздельным скалярным уравнениям

xi

где вектор zi(k-1) имеет размерность пг и составлен из всех возмущений, действующих на объект; z(k-1) = [x1(k-1),..., xm(k-1),..., xi(k-mi),..., Xm(k-my), ux(k),..., un(k),..., ux(k-m2),.., Un(k-m2), y(k-1),..., y^k-!)]1^ pi - n-мерный вектор (коэффициенты j-х строк матриц параметров уравнения (1), i=1,2,...,m), соответствующий вектору неизвестных

коэффициентов i-го уравнения; пг < m:+(m2+1)+s; P = [pfpTm ] - п0-мерный вектор, составленный из коэффициентов матриц Аj,Bj,,Fj

m

уравнения (1); n0 =£ ni .

i=1

Выражение (2) представляет собой линейное по параметрам уравнение, оценку которых можно произвести методом множественной регрессии.

74

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2005. Вып. 77.

Перед использованием процедуры регрессионного анализа необходимо провести корреляционный анализ переменных (r(k-1), r(k-2),...,T(k), T(k-l),...) с целью выявления их взаимосвязи с зависимыми переменными (r(k) и Э(к)) и между собой. По результатам корреляционного анализа в модели следует исключить те независимые переменные, коэффициенты корреляции которых с зависимыми переменными незначимы, а зависимые переменные, коэффициенты взаимной корреляции которых значимы и близки по абсолютной величине к l, заменить одной переменной, т. к. они влияют на процесс как одна независимая переменная. Последнее обстоятельство важно в связи с тем, что при увеличении тесноты связи между независимыми переменными снижается точность оценки параметров регрессионного уравнения.

Для расчета удельных показателей использована информация по ежемесячному расходу электроэнергии на производство продукции, предоставленная сельхозпредприятиями Ленинградской области в 2002-2005 гг. для целей энергетических экспресс-обследований.

Для Ленинградской области характерна неоднородность климатических условий. Одним из основных принципов агроклиматического районирования является подразделение территории по продолжительности периода со среднесуточными температурами воздуха выше 10 оС, сумме положительных температур и количеству осадков за этот период. На территории области четко выделяется 5 агроклиматических районов [2].

На территории IV агроклиматической зоны, охватывающей три административных района области (Волосовский, Гатчинский и Ломоносовский) находится наибольшее количество сельхозпредприятий овощемолочного направления. В связи с этим разработка методики расчета статистических норм расхода электроэнергии и ее апробация проведена на примере сельхозпредприятий, расположенных на территории IV агроклиматической зоны.

Корреляционный анализ поквартальных данных, полученных по результатам работы сельскохозяйственных предприятий молочного направления и климатических условий показал, что затраты электроэнергии не зависят (не коррелированны) от осадков и, кроме того, дп и др сильно коррелированны с Т. Существенно коррелированными (коэф. корр. > 0,95) с энергетическими параметрами и значимыми (p<0.05) оказались следующие входные переменные: Э(к-2), Э(к-4),

75

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

г(к-2), г(к-4), Т(к), Т(к-2), Т(к-4), которые и были использованы для последующего регрессионного анализа.

Ниже представлена модель прогноза усредненных энергетических показателей на предприятиях молочного направления, расположенных в IV агроклиматической зоне Ленинградской области:

r(k) = 65,07 + 0,76 • r(k - 4) -1,55 • T(k),

Э

(Д2)г=0,875, (Л2)э=0,848.

Результаты расчета энергетических показателей по модели (3) представлены в табл. 1.

Таблица 1

Прогноз усредненных удельных затрат и величин расхода электроэнергии на производство молока для предприятий молочного направления в IV агроклиматической зоне

Год, квартал Ср. сут. темпе- ратура, oC Станд. ошибка, oC Уд. затраты электроэнергии, кВтч/т Станд. ошибка, кВтч/т Затраты электроэнергии, кВтч Станд. ошибка, кВтч

2005

4 -3,09 1,32 311,98 44,62 359556,51 30843,08

2006

1 -5,26 1,45 347,27 44,63 388832,20 30857,96

2 11,15 1,53 227,26 44,64 248238,01 30867,80

3 16,44 1,63 183,83 44,65 210100,39 30880,85

4 -5,73 1,69 311,66 44,65 358542,76 30889,07

При сравнительном анализе удельных затрат в 2005 г. по районам за базу сравнения (100 %) принимаем среднеквартальные удельные затраты электроэнергии на производство молока по агроклиматической зоне в 2005 г. c учетом прогноза на IV квартал. Аналогично производится анализ электроэффективности производства молока за любой отчетный (прогнозируемый) период. Результаты порайонного анализа за отчетный 2005 г. и за 2006 г. по районам представлены в табл. 2.

76

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2005. Вып. 77.

Таблица 2

Результаты сравнительного анализа эффективности (по расходу электроэнергии) производства молока по районам, кВтч/т

Год, квартал Волосовский Гатчинский Ломоносовский IV Клим. зона

2002

1 354,4 366,7 639,1 404,2

2 231,9 265,1 302,3 257,4

3 188,7 213,1 226,6 204,6

4 325,3 337,5 540,2 360,1

За год 275,1 295,6 427,0 306,6

2003

1 355,5 394,5 516,1 397,2

2 220,7 283,8 287,3 252,4

3 190,7 208,4 242,9 206,7

4 302,2 329,4 501,3 338,0

За год 267,3 304,0 386,9 298,6

2004

1 329,9 374,4 481,0 371,6

2 212,2 288,2 243,7 244,4

3 187,9 206,6 202,1 199,3

4 283,1 315,2 461,2 317,8

За год 253,3 296,1 347,0 283,3

2005

1 327,9 361,8 443,0 359,7

2 211,0 268,9 235,0 235,5

3 180,6 194,7 191,3 189,2

4 285,5 310,0 421,3 312,0

За год 251,2 283,9 322,7 274,1

2006

1 323,0 348,9 410,8 347,3

2 208,6 252,7 226,9 227,3

3 177,2 188,1 185,5 183,8

4 291,5 310,2 395,0 311,7

За год 250,1 275,0 304,5 267,5

77

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Продолжение таблицы 2

Год, квартал Волосовский Гатчинский Ломоносовский IV Клим. зона

% от 2005 года

1 91% 101% 123% 100%

2 90% 114% 100% 100%

3 95% 103% 101% 100%

4 92% 99% 135% 100%

За год 92% 104% 118% 100%

% от 2006 года

1 93% 100% 118% 100%

2 92% 111% 100% 100%

3 96% 102% 101% 100%

4 94% 100% 127% 100%

За год 93% 103% 114% 100%

Примечание. Курсивом выделены прогнозируемые значения.

Из табл. 2 следует, что минимальные удельные расходы на производство молока как в отчетном 2005 г. так и прогнозируемые в 2006 г. были и будут в Волосовском районе. На втором и третьем местах Гатчинский и Ломоносовский районы, соответственно. Отметим, что наибольшее уменьшение удельных расходов прогнозируется в Ломоносовском районе (4% к прогнозируемому среднезональному), в то время как для передового Волосовского района возможно увеличение на 1%. В табл. 3 приведены удельные расходы электроэнергии лучшими предприятиями в каждом районе.

Таблица 3

Удельные расходы электроэнергии на производство молока в лучших хозяйствах IV климатической зоны Ленинградской области, кВтч/т

Год, квартал Волосовский ЗАО «Ущеви-цы» Гатчинский ЗАО «Гатчинское» Ломоносовский ЗАО «Копорье» IV клим. зона

2002

1 161,2 209,5 284,1 404,2

2 134,9 174,0 142,2 257,4

3 109,6 193,1 157,6 204,6

78

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2005. Вып. 77.

Продолжение таблицыЗ

Год, квартал Волосовский ЗАО «Ущеви-цы» Гатчинский ЗАО «Гатчинское» Ломоносовский ЗАО «Копорье» IV клим. зона

4 151,7 210,0 505,1 360,1

За год 139,3 196,6 272,3 306,6

2003

1 161, 1 200,6 248,5 397,2

2 139,9 183,7 159,5 252,4

3 116,2 191,1 172,8 206,7

4 145,7 266,1 392,8 338,0

За год 140,7 210,4 243,4 298,6

2004

1 123,0 188,9 272,5 371,6

2 112,4 161,6 131,0 244,4

3 94,6 166,4 136,1 199,3

4 114,0 244,2 399,2 317,8

За год 111, 0190,3 234,7 283,3

2005

1 170,2 220,5 284,2 359,7

2 134,9 172,4 149,1 235,5

3 109,5 164,1 141,1 189,2

4 156,7 255,9 374,0 372,0

За год 142,8 203,2 237,1 274,1

2006

1 202,9 247,2 289,7 347,3

2 150,7 179,2 161,5 227,3

3 123,7 164,7 147,2 183,8

4 193,3 268,9 358,9 377,7

За год 167,5 213,5 239,3 267,5

% от 2005

1 47% 61% 79% 100%

2 57% 73% 63% 100%

3 58% 87% 75% 100%

79

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Продолжение таблицы3

Год, квартал Волосовский ЗАО «Ущевицы» Гатчинский ЗАО «Гатчинское» Ломоносовский ЗАО «Копорье» IV клим. зона

4 50% 82% 720% 700%

За год 52% 74% 87% 100%

% от 2006

1 58% 69% 83% 100%

2 66% 79% 71% 100%

3 67% 90% 80% 100%

4 62% 86% 115% 100%

За год 63% 80% 89% 100%

Примечание. Курсивом выделены прогнозируемые значения.

Наилучшим хозяйством по зоне является ЗАО “Ущевицы” (Воло-совский район). Следует отметить, что удельные расходы электроэнергии во всех лучших хозяйствах по отношению к среднему по зоне в 2006 г. возрастут. Это, скорее всего, связано с тем, что большинство других хозяйств по зоне принимают меры по снижению энергозатрат на производство молока. Аналогичный анализ можно провести по худшим хозяйствам районов и региона в целом.

ВЫВОД

Предложенный метод оценивания энергетических параметров деятельности сельскохозяйственных предприятий посредством динамических стохастических моделей имеет общий характер и может быть использован при определении энергетических параметров и их прогноза для любых энергетических ресурсов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кашьяп Р.Л., Рао А.Р. Построение динамических стохастических моделей по экспериментальным данным. - М.: Наука, 1983. -384 с.

2. Агроклиматические ресурсы Ленинградской области. - Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 287 с.

80

Получено 29.04.2005.