/ Журнал «Промышленная Энергетика», 2011 - № 2, стр. 25 – 30.

Ценологические исследования распределительных сетей

центральной части России

Лесниченко А. Ю., инж., Кудрин Б. И., доктор техн. наук

Московский энергетический институт (технический университет)

Приведены результаты ценологических исследований электросетевого хозяйства центральной части России. Предложен новый подход к оценке взаимосвязи ценозов различной природы. Рассмотрен вопрос об оптимизации установленного оборудования в электросетях

Ценологическая теория нашла широкое применение в электрике металлургической и химической промышленности для прогнозирования электропотребления и управления потоками ремонтируемого оборудования. В настоящее время происходит переход энергокомпаний на тарифообразование с помощью RAB-регулирования (метод доходности инвестированного капитала), то для сдерживания роста тарифов актуально качественное управление активами. Применение техноценологического подхода может помочь в управлении бизнес-процессами прогнозирования энергопотребления, потерь энергии, технического обслуживания и ремонтов.

Нами были проведены исследования распределительного сетевого комплекса центра России в 11 областях и проанализированы данные по распределительным сетевым компаниям. Область исследований сопоставима по площади (рис.1.) с территорией Испании, по населению - с Нидерландами. В области проживает около 14,5 млн. человек. Численность персонала распределительных сетей около 28000 человек. Общая протяженность линий электропередач около 378 тыс. км. Количество подстанций 35-110 кВ - 2311 шт. мощностью 30102 МВА. Количество ТП 6-10 кВ – 85579 шт. мощностью 14325 МВА.

Рис. 1. География обслуживаемых областей.

При рассмотрении распределительных сетей как техноценоза, используется ценологический математический аппарат. Техноценоз – сообщество изделий конвенционно выделенного объекта; множество элементов-изделий, характеризующееся слабыми связями и слабыми взаимодействиями; система техногенного происхождения, выделяемая административно-территориально для целей инвестиционного проектирования, построения, обеспечения функционирования, управления, модернизации или ликвидации.

Ключевыми понятиями ценологической теории являются: ценоз, семейство изделий (оборудования), элемент-особь, вид, каста. Видом – элемент, имеющий совпадающие количественные и качественные характеристики. Технический вид – основное понятие классификации, служащее для выражения отношения между техническими классами при разбиении их на семейства и роды. Это структурная единица в систематике изделий: изделия двух разных видов отличаются количественной и обязательно качественной характеристиками; изделия одного вида изготавливают по одной проектно-конструкторской документации. К общим признакам относятся: некоторая заданная численность; тип организации; способность в процессе работы и воспроизводства сохранять качественную определенность; дискретность; целостность. Выделение каждой единицы оборудования происходит присвоением ей номера, паспорта. Простейшие изделия, у которых нет паспорта, не могут образовывать ценозы (болты, гайки, прокладки и т.д.). Ценоз образован элементами-особями, каждые два из которых не отличимые (одного вида) или различные (разных видов). В представленных исследованиях под особью понимаем конкретный трансформатор, опору, установленную в электросетях. Под видом понимаем присвоение единице оборудования какого-либо класса в электронном паспорте, согласно принятой классификации в корпоративной информационной системе, например для трансформатор ТМ-630/10, опора промежуточная П1-5.

Каждому элементу (штуке) соответствует пара чисел: номер элемента , где - число элементов-особей одного семейства, образующих перечень особей – текст , и номером вида , где - число видов, образующих словарь объемом . Особи одного вида образуют популяцию. Виды, каждый из которых представлен равным количеством особей, образуют касты. Каста – множество, образованное популяциями одинаковой численности. Таблица видового распределения может быть получена из текста непосредственно, если выбрать вначале все популяции, состоящие из одной особи . Они образуют первую касту , общее число видов в которой (табл. 1), численность особей в касте . Затем выбирают все виды, представленные двумя особями и т.д. [1]. В таблице 1 приведен пример для заполнения таблицы видового распределения.

Таблица 1. Пример видового распределения

Порядковый номер касты, k	Число особей в касте,	Общее число видов в касте,	Численность особей в касте,	Относительная частота появления касты,	Перечень видов
1	62019	1	62019	0,1454	Опора промежуточная П1-5, 3.407.1-136
2	49135	1	49135	0,1152	Опора промежуточная П1-4, 3.407.1-136
…	…	…	…	…	…
93	149	3	447	0,001048	Опора граненая коническая ОГКН-9, Опора промежуточная П30,26.0085,2ц. б/отв., Опора промежуточная ПН-2ДД,3.407-85
…	…	…	…	…	…
257	25	1	25	0,0000586	Опора перекрестная ПКН-4ДБ,3.407-85

В таблице 2 приведен пример для заполнения таблицы рангового распределения.

Таблица 2. Пример рангового распределения

Ранг,	Число элементов-особей в виде,	Вид
1	62019	Опора промежуточная П1-5, 3.407.1-136
2	49135	Опора промежуточная П1-4, 3.407.1-136
…	…	…
198	95	Опора анкерная (концевая) АКН-3ДД,3.407-85
…	…	…
622	1	Опора угловая промежуточная УПН-5ДД, 3.407-85

В зависимости от представления исходных данных и задач, стоящих перед исследователем, возможно использование разных представлений гиперболических H-распределений. Возможные формы математических выражений для H-распределений приведены в таблице 3, где – значения первой точки; β – характеристический коэффициент (показатель); r – ранг. На рис. 2 представлено графическое представление гиперболического ранговидового распределения для данных из таблицы 2.

Рис. 2. Ранговидовое распределение для данных по опорам линий электропередач из таблицы 2

Таблица 3. Математическое представление аппарата Н-распределения

Распределение	Ось абсцисс	Ось ординат	Форма записи
Видовое	Число особей в виде (численность популяции)	Количество видов с одинаковой численностью	Ω(х)=W₀/х^1+α
Ранговидовое	Ранг	Число особей в виде	Λ(r)=В/r^β
Ранговое по параметру		Число особей в виде	Λ(r)=В/r^β
Ранговое по параметру		Значение параметра	W(r)=W₁/r^β

Анализ схем подстанций показал, что подавляющее большинство схем электроснабжения потребителей можно свести к схеме с шестью уровнями электроснабжения с небольшими вариациями. Типовая схема электроснабжения приведена на рис. 3. Можно заметить, что, несмотря на использование типовых схем подстанций, совокупность установленного на них оборудования часто страдает ассортицей, т.е. сосредоточением различающегося. Ассортица – явление сосредоточения (появления, одновременно существования), при близких требованиях и ограничениях на существование (одинаковость экологических ниш), различных изделий, применение различных технологий, использование различных материалов во время построения, функционирования и развития техноценоза; сосредоточение, появление различного в системе, ограниченной в пространстве-времени; количественная величина видового разнообразия; характеристика процесса непрерывного изменения числа видов, взаимодействующих по определённым функциональным требованиям [2].

Рис. 3. Типовая схема электроснабжения потребителей

Представляется целесообразным уделить внимание разработке мероприятий по борьбе с ассортицей, поскольку это явление приводит к увеличению расходов на производство, эксплуатацию, ремонт и увеличению складских запасов и т.д. Необходимо проанализировать редкие виды на возможность замены на более распространенные. Например, трансформаторы ТМ560 достаточно редко встречаются и при этом имеют, как правило, значительную наработку. Соответственно при разработке мероприятий по техническому перевооружению подстанций имеет смысл рассмотреть возможность замены ТМ560 на значительно более распространенные ТМ630 (соотношение по частоте появления приблизительно 1 к 47). Следует отметить также, что количество трансформаторов, представленных одной особью, насчитывается около 50 штук в каждой из областей. А в среднем по областям на 100 видов, в каждом из которых до 10 особей приходится всего около 250 единиц оборудования.

В ходе исследований был проведен подробный анализ установленного оборудования в распределительных сетях. Были построены множества аппроксимирующих гиперболических кривых для выбранных видов оборудования [3]. Результаты этих аппроксимаций для одной из областей приведены в таблице 4, из которой следует, что величина характеристического показателя β находится в пределах установленных теорией.

Таблица 4. Характеристические показатели β ранговидового распределения установленного оборудования в распределительных электросетях

Область

Вид оборудования

Трансформаторы тока

Опоры
6-10 кВ

Опоры
0,4 кВ

Счетчики
электроэнергии

Белгородская

1,58

2,56

2,33

2,75

В наше время роль техники в жизни общества возрастает с каждым годом. Техническая реальность способна влиять и оказывать существенное влияние на жизнь людей. Распределение техники по повторяемости оказывает влияние и на структуру обслуживающего персонала. Поскольку для энергокомпаний важным является не только эксплуатация установленного оборудования, но и работа с клиентами: удовлетворение потребностей в технологическом подключении к сетям, повышение качества электроснабжения, то решающим значением для эффективной деятельности можно назвать учет особенностей совокупности потребителей. Нами был проведен расчет аппроксимаций для структур потребителей электроэнергии (юридических лиц) в различных регионах. В зависимости от количества потребленной электроэнергии было осуществлено моделирование структуры потребителей H-кривыми ранговидового распределения. Результаты моделирования для потребителей, персонала, оборудования РЗА и ПА, силовых трансформаторов представлены в таблице 5.

Таблица 5. Результаты аппроксимации ранговидовым H-распределением различных исследованных распределений

	Исследуемое распределение
Область	Потребители по величине электропотребления	Распределение списочного состава персонала по должностям	Оборудование РЗА и ПА	Силовые трансформаторы
Область	β	β	β	β	Количество видов	Величина достоверности аппроксимации R²
Белгородская	2,02	1,56	1,46	1,94	195	0,97
Брянская	1,99	1,43	1,46	1,81	148	0,98
Воронежская	2,02	1,47	1,64	1,81	176	0,98
Костромская	1,79	1,37	1,39	1,81	166	0,97
Курская	1,99	1,49	1,14	2,02	115	0,97
Липецкая	2,08	1,49	1,48	1,99	128	0,97
Орловская	2,08	1,32	1,59	1,81	127	0,98
Смоленская	1,92	1,42	1,47	1,93	161	0,96
Тамбовская	1,80	1,37	1,47	1,88	128	0,98
Тверская	1,96	1,48	1,34	1,95	162	0,97
Ярославская	2,10	1,38	1,23	1,86	137	0,97

Как легко предположить, структура установленного оборудования определяет и соответствующее распределение поврежденных деталей по видам и причинам повреждений. Такой анализ возможен, поскольку существующая информационная система предоставляет и такую информацию. В таблице 6 приведена информация по значениям характеристического показателя β на протяжении нескольких лет в Белгородской области для причин и деталей, которые повреждались в результате отключений в электросетях. Здесь распределение построено по принципу укрупненной классификации всех единиц оборудования по видам. За один вид принят: трансформатор, масляный выключатель, предохранитель, кабель, провод, вакуумный выключатель, опорный изолятор и т.д.

Таблица 6. Характеристические показатели β ранговидового распределения поврежденных деталей и причин повреждений по годам

Область	Распределение поврежденных деталей
Область	2006	2007	2008	2009
Белгородская	1,60	1,62	1,75	1,77
Область	Распределение причин повреждений
Область	2006	2007	2008	2009
Белгородская	2,31	2,16	2,72	2,55

Изучая частоты, с которыми повреждаются те или иные детали по различным причинам, можно разрабатывать специальные мероприятия и корректировать техническую политику энергокомпании для снижения аварийности.

Безусловно, очевидной является электрическая связь между потребителем и системами электроснабжения, которые обеспечивают необходимый транспорт энергии от генерирующей компании. Взаимосвязи между потребителем и энергоснабжающей организацией заключаются в наличии договорных отношений и электрической связью между приемниками потребителя и оборудованием сетевой компании. Проведенные исследования позволяют оценить взаимосвязь субъектов энергетики как ценологически связанных структур.

Были проанализированы гиперболические ранговидовые H-распределения по электротехническому оборудованию, потребителям по величине электропотребления, а также был выполнен ранговый анализ штатного персонала по должностям сетевой компании. Поскольку необходимо оценить структурные взаимосвязи различных сущностей, то для того, чтобы получить матрицу с равным количеством строк, предлагается провести кластер анализ каждого ранговидового распределения. Причем, для каждого распределения было принято деление на одинаковое количество кластеров. Разбиение исходных данных на кластеры выполнено с использованием метода К-средних. Для формирования матрицы, для расчета корреляций, интервалы данных были заменены на среднее значение кластера.

В таблице 7 приведены расчеты коэффициента корреляции между различными структурами техноценологического и социального характера. При расчете было установлено, что все корреляции значимы на уровне p<0,05. Очевидно, что приведенные данные расчетов доказывают:

1) Инвариантность структуры ценозов любой природы;

2) Тесную ценологическую взаимосвязь между потребителем и энергоснабжающей организацией.

Исходя из вышеизложенного, можно предложить кибернетическую схему жизненного цикла региональных техноценозов – субъектов энергетического рынка (рис. 4).

Рис. 4. Кибернетическая схема жизненного цикла техноценозов

Схема показывает взаимосвязи между различными ценозами (техно, социо, бизнес и т.д.). Значит, что при наличии потребности в обществе техноценоз будет возникать. При изменении каких-либо параметров потребностей – должен будет измениться, а при исчезновении потребностей – прекратить свое существование.

Выводы и заключение.

По результатам обработанного обширного массива статистической информации можно сделать несколько основных выводов:

1. В результате системных исследований было установлено важное свойство в организации распределительных сетей: структура региональных распределительных электросетевых компаний хорошо описывается гиперболическими H-распределениями. Причем, совокупность установленного оборудования в регионе можно представить как техноценоз.

2. Представляет собой высокий интерес распределение не только оборудования, но и других важных составляющих субъектов энергетического рынка, таких как потребители, персонал компаний, объекты генерации. Схожесть математического описания этих важных компонент свидетельствует о высоком влиянии техносферы на жизнедеятельность человека.

3. Необходимо дальнейшее изучение принципов образования, построения и системной динамики крупных инфраструктурных объектов для совершенствования хозяйственной деятельности. Распределение установленного генерирующего оборудования также вызывает большой интерес. Развитие распределенных, диверсифицированных по источнику энергии производителей влияет на уровень энергетической безопасности региона и надежность электроснабжения потребителей [4].

Литература

1. Электроснабжение промышленных предприятий; учебник для студентов высших учебных заведений/ Б.И. Кудрин. - М.: Интермет Инжиниринг, 2007. – 672 с.: ил.

2. Философия техники: классическая, постклассическая, постнеклассическая. Словарь / Под общ. ред. проф. Б.И. Кудрина. Вып. 37. «Ценологические исследования». М.: Технетика, 2008. - 180 с.

3. Лесниченко А.Ю. Ценологическое определение структуры техобслуживания и ремонтов в распределительных сетях среднего напряжения. // Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование: сборник трудов Седьмой междунар. научн.-практ. конф. "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности". - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. - 2009. - С. 363-365.

4. Лесниченко А.Ю. Влияние распределенной генерации с использованием ВИЭ на надежность электроснабжения потребителей. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 2. - М.: Издательский дом МЭИ. - 2010. – C. 370-371.

Переменная	Персонал по штатным должностям	Опоры 6-10 кВ	Трансформаторы тока	Силовые трансформаторы	Потребители по объему электропотребления	Счетчики электроэнергии	Опоры 0,4 кВ
Персонал по штатным должностям	1	0,70	1,00	0,98	0,81	0,99	0,95
Опоры 6-10 кВ	0,70	1	0,67	0,70	0,81	0,70	0,77
Трансформаторы тока	1,00	0,67	1	0,97	0,78	0,99	0,93
Силовые трансформаторы	0,98	0,70	0,97	1	0,89	0,95	0,97
Потребители по объему электропотребления	0,81	0,81	0,78	0,89	1	0,76	0,91
Счетчики электроэнергии	0,99	0,70	0,99	0,95	0,76	1	0,92
Опоры 0,4 кВ	0,95	0,77	0,93	0,97	0,91	0,92	1