// Электрика. – 2006. – № 12.– С. 12-15.

 

 

МНОГОУРОВНЕВЫЕ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ХОЗЯЙСТВОМ ПРЕДПРИЯТИЙ*

В.И. Пантелеев

Красноярский государственный технический университет

 

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=AB,                                                                                         (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=АiR=Аi ◦(AB),                                                                            (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 словарьл. 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.