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 w_i 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 В_i при входных данных А_i выражается в виде соотношения

В_i=А_i ◦R=А_i ◦(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.