// Электрика. – 2006. – № 12.–
С. 12-15.
МНОГОУРОВНЕВЫЕ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ХОЗЯЙСТВОМ ПРЕДПРИЯТИЙ*
Управление развитием и
функционированием электрического хозяйства предприятия объективно необходимо на
различных иерархических уровнях и различных этапах его жизненного цикла (в статье
сознательно не затронута проблема оптимального проектирования СЭС). Под управлением понимают совокупность
действий, выбранных на основании определённой информации и направленных на
поддержание или улучшение функционирования объекта в соответствии с имеющейся
программой (алгоритмом) или целью функционирования [1].
Применительно к
электрическому хозяйству предприятия, основу которого составляет система
электроснабжения (СЭС), это означает, что СЭС на протяжении всего жизненного
цикла должна снабжать производство электрической энергией требуемого качества и
в необходимом количестве. Отметим, что энергоресурсосбережение
определено Правительством России в качестве одного из приоритетных направлений
развития науки и техники, поэтому формулировку цели функционирования СЭС
следует дополнить требованием об эффективном использовании электроэнергии – что
с точки зрения задач, сформулированных в [3], можно рассматривать как задачу макроэкономического
или геополитического управления.
Попытаемся сформулировать
основные задачи управления в современных условиях и наметить возможные пути их
решения. Естественное желание, которое появляется у исследователя, заключается
в стремлении "привязать" систему управления электрическим хозяйством
предприятия к уровням системы электроснабжения по напряжениям [2]. Однако
вполне корректна, с энергетической точки зрения, схема далеко не всегда может
служить прототипом системы управления в кибернетическом смысле. Для целей
системного описания СЭС и синтеза систем управления электропотреблением
необходимо чёткое определение функций каждого уровня СЭС, регулирующих
(управляющих) воздействий, свойств и характеристик.
Поскольку электрическое
хозяйство предприятия представляет сложную систему кибернетического типа [2, 4],
можно предположить, что система управления им должна иметь (и имеет)
иерархическую структуру (рисунок).
СЭС промышленного
предприятия имеет длительный жизненный цикл, измеряемый десятилетиями.
Следовательно, применительно к СЭС необходимо говорить о долгосрочном
(стратегическом) управлении. Задача стратегического управления осложняется тем,
что предвидеть перспективу предприятия на отрезок времени, превышающий пять
лет, практически невозможно. Но, исходя из техноценологических
представлений о сложных технических системах [2], можно сделать вывод, что
любая из таких систем должна обладать структурной устойчивостью. В работах Б.И.
Кудрина, В.В. Фуфаева, В.И. Гнатюка показано, что
если ранговое распределение установленного электрооборудования соответствует гиперболическому с показателем степени от 0,5 до 1,5, такую
техническую систему можно считать оптимальной по структурной устойчивости. Это
означает, что для управления предприятием можно руководствоваться, в том числе,
и желаемой структурой СЭС, приближая её к оптимальной.
Таким образом, оптимальная структура
СЭС может быть использована в качестве одной из целей долгосрочного управления,
которая периодически уточняется в результате решения оптимизационной задачи [3].
Для оптимальных по структуре
систем характерно оптимальное электропотребление [3].
Ранговый анализ статистики электропотребления предприятия позволяет определить
потенциал электросбережения и сформировать программу
целенаправленных действий для его реализации, т.е. даёт ещё один канал стратегического
управления. Более частная задача – задача прогнозирования электропотребления
[2] – не решает сама по себе задачи энергосбережения, но позволяет экономить
финансовые ресурсы предприятия.
Ключ к решению важной проблемы
продления ресурса безопасной эксплуатации основного электрооборудования
как СЭС, так и энергосистем даёт ещё одно применение рангового анализа. Речь идёт
о планировании электроремонтов. Постепенно во всём
мире переходят к обслуживанию и ремонту по техническому состоянию оборудования.
Для реализации такого подхода необходима статистика отказов оборудования,
ранговый анализ которой позволяет определять и планировать группы оборудования,
нуждающиеся в текущем ремонте или обслуживании.
Перечисленное выше следует относить к категории долгосрочного управления
электрическим хозяйством предприятия.
К тактическому уровню в предлагаемой схеме отнесено оперативно-диспетчерское
управление, поскольку оно постоянно направлено на обеспечение эффективной
эксплуатации электрического хозяйства, но принципиально не может работать в
темпе процесса потребления электроэнергии.
При повседневной эксплуатации на первый план выходит минимизация
электрических потерь в СЭС. Здесь следует говорить уже о ситуационном
управлении режимами напряжения и мощности [4], управлении процессами электропотребления
в реальном масштабе времени. Этот уровень управления в нашей схеме назван
исполнительным.
Принципиально
возможны статическая и динамическая постановки задачи оптимизации режимов СЭС. В первом случае речь идёт
об оптимальном управлении состояниями СЭС, а во втором – об оптимальном
управлении переходом из одного состояния в другое. В общем
задачу оптимального управления СЭС можно сформулировать следующим образом: для
заданного множества структур СЭС и вектора условно постоянной информации найти
векторы управляющих параметров и параметров состояния СЭС такие, что выбранный
показатель качества множества состояний на заданном интервале времени достигнет
своего экстремального значения при заданных ограничениях.
Одна из важных задач управления режимами СЭС – распознавание состояний. Для её решения следует применять специальные методы обработки информации – в частности, теорию распознавания образов (ТРО), нейронные сети, нечёткую логику.
Задача распознавания состояний СПЭ заключается в отыскании правил
классификации и распознавании состояний на основании перечней признаков [4]. На
начальном этапе из множества возможных состояний составляют обучающую выборку и
формулируют правило классификации, при помощи которого в ней выделяют классы.
Состояния одного класса характеризуются малым отличием оптимальных значений
управляющих параметров. Затем формулируют решающее правило, по которому "распознают"
текущее состояние, относя его к одному из известных классов. Используя принцип
классификации, можно разделить все объекты на непересекающиеся классы,
описанные на языке словаря признаков.
Любое распознающее устройство характеризуется наличием трёх функциональных
блоков: X – измерения параметров; E – принятия решений; S – исполнительных устройств. Представляет
несомненный интерес использование в качестве информационной основы (т.е. блока
измерения параметров) цифровых счётчиков, применяемых в
современных АСКУЭ. Второй блок – это устройство, реализующее алгоритм
распознавания (обычно ЭВМ). В качестве блока S могут выступать исполнительные механизмы РПН трансформаторов,
регуляторы токов возбуждения СД и др.
Можно разработать алгоритм распознавания [5], который относит объект к классу wi на основании значения меры близости:
, (1)
где L – принятая мера близости;
K – число классов.
С другой стороны, алгоритм разбиения множества
состояний системы на классы определяется функцией сходства двух состояний
:
, (2)
где выражает меру близости,
принимая значения
. (3)
Данный алгоритм можно реализовать видоизменённой нейронной сетью Кохонена [4] (второй подход).
Управление режимами СЭС возможно и на основе нечёткой логики [6]. Если в электрической сети возникает потеря напряжения, вызванная дефицитом реактивной мощности, то необходимо осуществить компенсацию (КРМ). Можно записать в виде правила: ЕСЛИ потеря напряжения большая, ТО осуществить КРМ. Так как предпосылка и заключение в этом правиле численно не определены, их можно представить в виде нечётких чисел, каузально связанных нечётким бинарным отношением R:
ARB=A→B, (4)
где A и
B – соответственно нечёткие
предпосылки и заключения во множествах предпосылок X(АU)
и заключений Y(ВU).
По свойству нечёткого бинарного отношения R=X×Y процесс
получения нечёткого результата Вi при
входных данных Аi выражается
в виде соотношения
Вi=Аi ◦R=Аi ◦(A→B),
(5)
где ◦ – знак композиции; →
– нечёткая импликация (связка, логическое И).
В теории нечётких множеств нечёткий вывод является максиминной композицией, а импликация – взятием максимума,
следовательно, перейдя к функциям принадлежности нечётких чисел, получим
. (6)
Таким образом, стратегическое
управление развитием электрического хозяйства предприятия должно опираться на техноценологическое представление о нём. Для построения
системы ситуационного управления режимами СЭС можно использовать существующие
(или создаваемые) АСКУЭ. Ситуационное управление режимами следует рассматривать
как основу энергосбережения.
Список литературы
1. Политехнический словарь/Гл. ред. акад. А.Ю. Ишлинский.
М.: "Советская энциклопедия", 1980. 656 с.
2. Кудрин Б.И.
Электроснабжение промышленных предприятий: Учебник для студентов вузов. М.: Интермет инжиниринг, 2005. 672 с.
3. Гнатюк В.И. Закон оптимального построения техноценозов. Вып. 29. "Ценологические исследования". М.: Изд-во ТГУ – Центр системных исследований, 2005. 384 с.
4. Пантелеев В.И., Филатов А.Н.
Управление режимами реактивной мощности и напряжения промышленного предприятия.
Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. 116 с.
5. Пантелеев В.И., Шевченко
В.В. Классификация состояний электрической системы промышленного предприятия с
помощью искусственных нейронных сетей// Известия ВУЗов. Проблемы энергетики.
2004. № 5–6. С. 19–25.
6. Нечёткие множества в
моделях управления и искусственного интеллекта/ А.Н. Аверкин, И.З. Батыршин, А.Ф. Блишун, В.Б. Силов, В.Б. Тарасов /Под ред. Д.А. Поспелова. М.: Наука.
Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. 312 с.
7. Пантелеев В.И., Туликов
А.Н. Математическая
постановка задачи управления режимами систем электроснабжения промышленных
предприятий /Вестник Ассоциации выпускников
КГТУ. Вып. 12./ Под ред. А.А. Михеева, В.А. Кулагина. Красноярск: ИПЦ КГТУ,
2005. С. 136−139.
Рис. Иерархия системы
управления электрическим хозяйством предприятия
* Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России по НИР "Теоретические основы
энергосберегающего управления режимами систем электроснабжения" в рамках
тематического плана КГТУ.