Автоматизація управління енергоспоживанням в сільськогосподарському виробництві

Размещено на http://allbest.ru

Кіровоградський державний технічний університет

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

АВТОМАТИЗАЦІЯ УПРАВЛІННЯ ЕНЕРГОСПОЖИВАННЯМ В СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОМУ ВИРОБНИЦТВІ

Виконав Плєшков Сергій Петрович

Кіровоград - 2003



АНОТАЦІЯ

Плєшков С.П. Автоматизація управління енергоспоживанням в сільськогосподарському виробництві.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів. - Кіровоградський державний технічний університет, Кіровоград, 2003.

Дисертація спрямована на вирішення актуальної наукової і технічної проблеми автоматизації управління енергоспоживанням сільськогосподарського виробництва в умовах невизначеності. На підставі аналізу процесів енергоспоживання обґрунтовано напрями енергозбереження у технологічних процесах сільськогосподарського виробництва з використанням автоматизованих систем управління енергоспоживанням. Розроблено стохастичні моделі графіків електричних навантажень, математичні моделі і алгоритми оперативного управління та прогнозування енергоспоживання в умовах невизначеності апріорної і поточної інформації. В дисертації розглянуті питання оптимізації процесів вироблення електроенергії комплексною електроенергетичною системою та управління енергоспоживанням з рахунок зсуву графіків технологічних процесів. Розроблено алгоритм управління, архітектуру та апаратний склад програмно-технічного комплексу, на основі об'єктно-орієнтованих інформаційних технологій.

автоматизація енергоспоживання технологічний



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні роки на Україні у зв'язку із зменшенням невідновлювальних природних енергетичних ресурсів і загостренням паливо - енергетичної кризи, виникла необхідність в енергозбереженні, використанні відновлювальних джерел енергії та засобів управління технологічними режимами енергоспоживання.

Для сільськогосподарського виробництва з централізованим електропостачанням, перспективним напрямком енергозбереження є використання нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії (ВДЕ), таких як енергія вітру, сонячна енергія й енергія біомаси. В даний час ВДЕ, конкурентноздатні для сільськогосподарського виробництва і дозволяють заощаджувати паливо й електроенергію.

На сучасному етапі реформування сільськогосподарського виробництва електрична енергія стає дедалі вагомішою часткою у собівартості продукції. За останні роки вартість електричної енергії для сільськогосподарського виробництва збільшилась у декілька разів. Для зниження енергоємності технологічних процесів та впровадження енергозберігаючих технологій необхідне детальне дослідження процесів енергоспоживання та обґрунтування напрямів автоматизації управління технологічних режимів енергоспоживання сільськогосподарського виробництва.

На теперішній час зусиллями українських та закордонних вчених вже розв'язано багато задач, пов'язаних з створенням автоматизованих систем контролю і управління енергоспоживанням (АСКУЕ), що функціонують в детермінованих або стохастичних умовах. Разом з тим, ще недостатньо розроблені математичні моделі електричних навантажень та алгоритми управління енергоспоживанням для сільськогосподарського виробництва в умовах невизначеності апріорної і поточної інформації. Подальшого розвитку потребує розробка архітектури АСКУЕ з широко розвиненими функціями управління та прогнозування енергоспоживання.

Актуальність проблеми автоматизації управління виробленням енергії енергетичними джерелами та технологічними режимами енергоспоживання є суттєвою для сільськогосподарського виробництва, де є значна нерівномірність споживання електричної і теплової енергії протягом доби, у робочі та вихідні дні, у різні сезони року, а також при регулярних і аварійних відключеннях від централізованого електропостачання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно плану науково-дослідних робіт кафедри «Автоматизації виробничих процесів» Кіровоградського державного технічного університету.

Результати роботи та створена система автоматизованого управління енергоспоживанням сільськогосподарського виробництва використані при розробці Програми енергозбереження Кіровоградської області до 2010 р.

Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є вдосконалення процесів енергоспоживання та енергозбереження у сільськогосподарському виробництві за рахунок автоматизації управління енергоспоживанням в сільськогосподарському виробництві в умовах невизначеності.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

- виявити особливості систем електропостачання сільськогосподарського виробництва з використанням як традиційних, так і нетрадиційних (відновлювальних) джерел енергії та технологічних режимів енергоспоживання;

- розробити математичні моделі електричних навантажень сільськогосподарського виробництва та математичні моделі управління електроспоживанням в умовах невизначеності;

- вибрати і обґрунтувати методи контролю і обліку електроспоживання;

- розробити математичну модель і алгоритми оперативного управління та прогнозування електроспоживання сільськогосподарського виробництва в умовах невизначеності;

- розробити математичні моделі та алгоритми управління енергоспоживання за рахунок зсуву графіків технологічних процесів;

- оптимізувати режими вироблення електричної та теплової енергії для комплексної електроенергетичної системи;

- визначити архітектуру системи автоматизованого контролю і обліку електроспоживання;

- створити систему АСКУЕ сільськогосподарського виробництва із широко розвиненими функціями управління технологічними процесами енергоспоживання і вироблення електричної енергії нетрадиційними (відновлювальними) джерелами;

- розробити дослідний зразок АСКУЕ і провести експериментальні та виробничі дослідження для підтвердження правомірності теоретичних розробок і прийнятих методів і рішень;

- визначити економічну ефективність АСКУЕ сільськогосподарського виробництва.

Об'єкт дослідження. - процеси вироблення електричної енергії нетрадиційними (відновлювальними) джерелами енергії та технологічні процеси енергоспоживання сільськогосподарського виробництва.

Предмет дослідження - технологія управління комплексною електроенергетичною системою вироблення та споживання електричної та теплової енергії сільськогосподарського виробництва.

Методи дослідження. В роботі використані наступні методи досліджень:

- аналіз і узагальнення сучасної науково-технічної літератури для формування вимог до структури АСКУЕ, розробки математичних моделей графіків електричних навантажень;

- теорія ймовірності та математична статистика, для побудови ймовірно-статистичних моделей графіків електричних навантажень сільськогосподарського виробництва в умовах невизначеності інформаційних потоків про електроспоживання;

- теорія випадкових процесів для забезпечення адекватності стохастичних моделей прогнозування електричних навантажень в умовах невизначеності апріорної і поточної інформації про енергоспоживання;

- методи оптимальної фільтрації Калмана для синтезу системи оперативного управління та прогнозування електроспоживання;

- елементи теорії штрафних функцій для обґрунтування моделі управління електроспоживанням за рахунок зсуву графіків технологічних процесів;

- системний аналіз та нелінійне і динамічне програмування для знаходження цільової функції багатоетапних задач управління виробництвом і споживанням електричної і теплової енергії;

- елементи теорії автоматичного управління для обґрунтування закону управління АСКУЕ технологічним процесом енергоспоживання;

- комп'ютерне моделювання та експериментальні дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів:

- дістала подальшого розвитку теорія побудови математичних моделей електричних навантажень, що дозволило отримати закономірності формування графіків енергоспоживання у сільськогосподарському виробництві в умовах невизначеності;

- обґрунтовано використання математичних моделей електричних навантажень та формування структури графіків навантажень для управління технологічним процесом виробництва та споживання електроенергії у сільськогосподарському виробництві в умовах невизначеності;

- на основі метода оптимальної фільтрації Калмана розроблена структура і визначені параметри фільтра - екстраполятора та створена математична модель і алгоритм оперативного управління та прогнозування електричних навантажень;

- вперше розроблено модель управління енергоспоживанням шляхом оптимізації зсуву графіків технологічних процесів сільськогосподарського виробництва;

- вперше визначено оптимізаційний функціонал та цільову функцію управління виробленням електроенергії комплексною електроенергетичною системою.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблені алгоритми управління енергетичними потоками на базі цільових функціоналів для оптимізації затрат на вироблення та споживання електричної та теплової енергії в технологічних процесах сільськогосподарського виробництва;

- розроблені структурні схеми побудови автоматизованої системи контролю та управління енергоспоживанням сільськогосподарського виробництва;

- обґрунтовано архітектуру та розроблено АСКУЕ для контролю і управління виробленням нетрадиційними (відновлювальними) джерелами енергії та енергоспоживанням, з функціями статистичного аналізу, ідентифікації та оперативного прогнозування графіків електричних навантажень.

Особистий внесок здобувача. Всі результати дисертаційної роботи отримані особисто. У роботах [7, 10], які виконані у співавторстві з науковим керівником, автору належать основні ідеї, пов'язані з аналізом закономірностей електроспоживання та оптимізацією режимів енергоспоживання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювалися на IV Міжнародній науковій конференції «Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств» (24-26 травня 2000р. м. Маріуполь, Приазовський державний технічний університет), Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України (14-15 листопада 2001р. м. Харків, Харківський державний технічний університет сільського господарства), Міжнародній науково-технічній конференції «Автоматика та комп'ютерні технології в промисловості та АПК» (16-18 квітня 2002 р. м. Кіровоград, Кіровоградській державний технічний університет), 67-й науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених (24-25 квітня 2001р. м. Київ, Український державний університет харчових технологій) та науково-практичних конференціях викладачів, аспірантів і співробітників Кіровоградського державного технічного університету (1997-2003р.р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 10 друкованих працях. Серед них 1 стаття в науковому журналі України, 7 статей у збірниках наукових праць, а також 2 доповіді на науково-технічних конференціях.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, викладені загальні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі проведений аналіз систем електропостачання та джерел енергії в сільськогосподарському виробництві. Розглянуті системи централізованого електропостачання, дизельні та бензинові електричні станції, вітроелектрогенеруючі установки, сонячні електричні установки. Визначено їх переваги та недоліки при використанні в сільськогосподарському виробництві. Робиться висновок, про необхідність використання комплексних електроенергетичних систем з накопичувачами електричної і теплової енергії.

Проведений аналіз існуючих систем контролю та управління енергоспоживанням показав, що сучасні вітчизняні та закордонні автоматизовані системи орієнтовані на енергетичні системи та системи електропостачання промислових підприємств і реалізують в основному функції контролю і обліку. Для сільськогосподарського виробництва є потреба в розробці АСКУЕ з широко розвиненими керуючими функціями багатокритеріального управління виробленням і споживанням електроенергії для комплексних електроенергетичних систем.

В другому розділі проведені дослідження технологічних режимів енергоспоживання сільськогосподарського виробництва.

Проведений аналіз енергоспоживання технологічних процесів кормоприготування і роздачі кормів, отримання і переробки продукції тваринництва і птахівництва, а також в системах створення мікроклімату тваринництва та птахівництва, дозволив провести обґрунтування напрямків енергозбереження у технологічних процесах сільськогосподарського виробництва з використанням АСКУЕ.

Експериментальні та теоретичні дослідження електроспоживання сільськогосподарського виробництва проводилось для визначення закономірностей формування та створення інформаційної бази графіків електричних навантажень, що дає змогу вирішувати задачі управління процесами енергоспоживання в умовах невизначеності апріорної і поточної інформації.

Реальний процес зміни електричних навантажень у загальному розглядається як нестаціонарний випадковий процес, у якому можна розрізнити добові, недільні і сезонні цикли, які повторюються.

В той же час, аналіз експериментальних даних показує, що зміна навантажень на протязі доби може бути досить точно представлена сумою регулярної Рс та випадкової складової Рв(t). Регулярна складова має сенс математичного очікування випадкового процесу P(t), тому:

P(t)=Pc+Pв(t), (1)



де Pc - постійне (середнє) сезонне навантаження, Pв(t) - стаціонарний випадковий процес з нульовим математичним сподіванням та дробно-раціональною спектральною щільністю.

Стохастичний підхід до аналізу часового ряду з використанням виразу (1) дає змогу виділити регулярну та випадкову складову, котра моделюється стаціонарним випадковим процесом з нульовим математичним очікуванням.

Для побудови стохастичної моделі електроспоживання на основі інформаційної бази, отриманої в результаті експериментальних досліджень, визначаються наступні числові характеристики випадкового процесу P(t): щільність розподілу активного навантаження f(p); середнє активне навантаження вихідного графіка навантажень Pc; дисперсію навантаження вихідного графіка DP; середньоквадратичне відхилення у; кореляційну функцію R(ф); спектральну щільність випадкового процесу Pв(t) - Spp(s).

Характерною особливістю гістограм щільності розподілу навантажень молочних ферм (МТФ), ферм по відгодівлі свиней (СТФ) та великої рогатої худоби (ВРХ), побудованих за сезонними графіками на річному інтервалі часу, є наявність двох вершин. Виконані статистичні дослідження показали, що щільності розподілу активного навантаження f(p) визначаються як сума двох щільностей: для СТФ - нормального закону розподілу; для МТФ та ферм ВРХ - ряду Грама-Шарльє та нормального закону розподілу. Правомірність прийнятої гіпотези про вид розподілення f(р) визначалась по критерію згоди Колмогорова-Смірнова, який має більш високу чутливість, що особливо важливо для асиметричних розподілів.

Метою отримання оцінок кореляційної функції та спектральної щільності змінюваної складової добового графіка навантажень являється доведення правомірності розглядання коливань електроспоживання сільськогосподарського виробництва як стаціонарного і ергодичного процесу та отримання вихідних даних для синтезу оптимальної системи оперативного управління та прогнозування електроспоживання.

Аналіз отриманих оцінок нормованих кореляційних функцій показує правомірність припущення про стаціонарність графіків електроспоживання для основних енергоємних споживачів сільськогосподарського виробництва (МТФ, СТФ, ферми ВРХ), так як виконується умова ергодичності та стаціонарності

випадкового процесу зміни електроспоживання сільськогосподарського виробництва протягом доби Pв(t).

Значення спектральної щільності випадкового процесу знаходилась на основі формули Блекмена-Тьюкі.

Аналіз графіків отриманих оцінок спектральних щільностей показує, що коливання добових графіків сільськогосподарського виробництва, не мають явно виражених періодичних складових.

Основна частина потужності коливань електроспоживання лежить в діапазоні до 9·10^-7 Гц, а вигляд графіка мало змінюється при переході від одного сезону до іншого. В той час, величина середньої потужності змінюється суттєво.

Отримані результати дають змогу зробити висновки:

- добові графіки електроспоживання сільськогосподарського виробництва (МТФ, СТФ, ферми ВРХ) представляють собою адитивну суміш постійної регулярної складової Pc і стаціонарного імовірного процесу;

- для вирішення задач прогнозування, отримана модель процесу електроспоживання у вигляді дробно-раціональної спектральної щільності. Її параметри мало залежать від сезону, чим забезпечується можливість побудови оптимальної системи оперативного прогнозування в умовах невизначеності для найбільш тяжких технологічних умов.

В третьому розділі розглянуті питання оптимізації технологічних процесів вироблення електроенергії комплексною електроенергетичною системою, задачі створення математичної моделі прогнозування електроспоживання та управління електроспоживання за рахунок зсуву графіків технологічних графіків.

Основні проблеми, які потрібно вирішити при створенні алгоритмів управління комплексною електроенергетичною системою (КЕЕС), це оптимізація технологічних процесів вироблення електроенергії ВЕУ, СЕУ, ДЕС та електроспоживанням від енергосистеми, перерозподіл між ними потужності, акумулювання надлишкової енергії.

Умови оптимального використання в сільськогосподарському виробництві різних джерел енергії (нетрадиційних, відновлюваних) визначаються сукупністю критеріїв оптимальності та системи обмежень (якість та собівартість електричної енергії, собівартість використання додаткових джерел енергії та ін.)

Основні змінні розділимо по наступним групам: простір вхідних сигналів - ; простір вихідних сигналів - ; простір керуючих діянь - ; параметри системи управління активністю і-го елемента

Тоді математична модель управління енергетичними джерелами, з урахуванням системи обмежень буде мати вигляд:



(2)

Системний вихід КЕЕС описується у вигляді:

.(3)

Вартісна оцінка електроенергії від енергосистеми:

(4)

Сукупні витрати:

.(5)

Баланс електроенергії:

.(6)



При паралельній роботі ВЕУ, СЕУ, ДЕС та енергосистеми, алгоритм системи управління в залежності від вітрових умов і сонячної радіації в регіоні розташування КЕЕС та тарифів реального часу виконує перерозподіл електроспоживання сільськогосподарського виробництва.

Результати моделювання показали, що при запропонованих параметрах КЕЕС, найбільша частка електроенергії надходить від енергосистеми. Але ВЕУ, СЕУ та ДЕС забезпечують значну частку електроенергії в піковій та полупіковій зонах з високим тарифним коефіцієнтом, що значною мірою зменшує величину оплати енергосистемі за спожиту електроенергію. В літньому сезоні ВЕУ та ДЕС забезпечують потреби споживача в електроенергії в піковій зоні більше, ніж на 85%, а при додатковому використанні ще й СЕУ, ця цифра досягає 95% і більше.

Беручи до уваги, що формування графіків електричних навантажень сільськогосподарського виробництва являється випадковим процесом з досить високою динамікою змін навантажень, а інформаційний потік про електроспоживання має дискретний характер, то математична модель прогнозування графіків навантажень повинна визначатись, виходячи з умов невизначеності.

Для зниження невизначеності апріорної інформації на основі досліджень (Розділ 2) виконується ідентифікація і групування інформаційних потоків по електроспоживанню, а для поточної інформації використовується метод оптимальної фільтрації Калмана.

Добові графіки сільськогосподарського виробництва не мають скритих періодичностей і представляють адитивну суміш постійної Рс та змінної складової Рв(t), котра являється стаціонарним випадковим процесом з нульовим математичним очікуванням і дробно-раціональною спектральною густиною Spp(s).

Структурна схема системи включає споживача Р₁, лічильник S₁, та прогнозуючий пристрій W₁. В подальшому будемо вважати, що вимірювання плинного значення споживаємої потужності Р(t) здійснюється з помилкою х(t), а передаточна функція лічильника S₁(s) дорівнює:

S₁(s)=1 (7)

Помилка х(t) представляє собою стаціонарний випадковий процес з нульовим математичним очікуванням та спектральною густиною виду:

S_хх(s)=R

Для вирішення поставленої задачі використовується метод оптимальної фільтрації Калмана з врахуванням того, що задана частина системи являється неперервною, а фільтр-екстраполятор буде реалізований з допомогою дискретної техніки.

Аналіз результатів моделювання показав, що математичне очікування помилки прогнозу близьке до нуля, а дисперсія не перевищує 0,8 (%)².

За добовий інтервал часу, на основі спектральних щільностей, отримані моделі формуючих фільтрів, що дозволяє виконувати вірогідне прогнозне моделювання коливань навантажень. Отримані структури і параметри оптимального фільтра дозволяють використовувати його в реальному масштабі часу і адаптивно прогнозувати поточні відхилення фактичних значень навантаження від середнього графіка. Накопичення графіків навантажень в системі АСКУЕ дозволить обновити та створити нову інформаційну базу для прогнозування і оптимізації режимів електроспоживання в умовах невизначеності.

Упорядкування графіків роботи технологічних установок і агрегатів, утворення полуфабрикатів кормів, запасів холодної і гарячої води дає можливість зниження електроспоживання в періоди пікових і напівпікових навантажень енергосистеми шляхом відключення на різні терміни часу окремих агрегатів або всього технологічного циклу.

Враховуючі присутність біологічних об'єктів в сільськогосподарському технологічному циклі, деякі технологічні операції неможливо змістити в часі, або величина зсуву не може перевищувати заданих значень.

Серед витрат від зсуву графіків, можливо виділити наступні витрати: енергетичні витрати; витрати від зміни режиму утримання біологічних об'єктів; витрати, пов'язані з роботою персоналу.

В зв'язку з тим, що будь-які величини зсуву графіка навантажень від положення визначеного технологічними графіками, призводять до додаткових витрат, необхідно визначити оптимальне співвідношення між додатковими витратами від зсуву графіків та отриманою економією по оплаті електроенергії.

Для розрахунку моделі зсуву задамо матрицю планованого споживання електроенергії в технологічному процесі Рm,n (технологічний графік), де m - кількість неоднорідних споживачів, n - кількість розбиттів графіка на добовому інтервалі часу.

Для циклічного зсуву графіка споживання енергії, введемо векторну функцію зсуву:

(8)

де x - величина циклічного зсуву вправо, j - номер споживача.

Для визначення величини зсуву, без врахування напрямку зсуву (знаку), визначимо скалярну функцію:

(9)

(10)



Обмеження при зсуві:

.(11)

Величина оплати при зсуві j-ro графіка на x - позицій:

.(12)

В зв'язку з технологічними обмеженнями на зсув графіків електроспоживання, вираз (12) доповнимо функцією штрафу:

.(13)

Цільовий функціонал для всіх m споживачів можна представити у вигляді:

.(14)

Штрафні функції введені додатнім членом в цільовий функціонал для співставлення економії по оплаті за електроенергію і додатковими витратами від зсуву графіків.

Знаходження екстремуму функціонала відповідає поставленій задачі по оптимізації затрат на технологічний процес на добовому інтервалі часу.

Розроблена модель управління формує оптимальний графік навантажень шляхом перерозподілу навантажень з пікової в напівпікову і нічну тарифні зони. При цьому економічна ефективність від управління процесами електроспоживання складає від 0,99% до 11,5% добової вартості спожитої електричної енергії.

В четвертому розділі проводилось визначення архітектури та розробка апаратного та програмного складу АСКУЕ. При визначенні необхідних вимог до системи розглядаються як технічні вимоги до пристрою, так і існуючі нормативні правила і документи.

Програмно-технічного комплекс АСКУЕ включає в себе ПЕОМ з шиною ISA та додатково розроблений контролер.

При реалізації АСКУЕ в сільськогосподарському виробництві, система забезпечює: достовірність та якість інформації; потокове архівування інформації по енергоспоживанню; розрахунки по тарифам реального часу; отримання інформації про стан технологічного процесу; визначення необхідних керуючих дій і видачу сигналів управління технологічним процесом; агрегатування в складі систем вищого рівня, прийом і передачу інформації по каналам зв'язку; перешкодостійкість, відновлюваність після перебоїв в живленні, збереження інформації.

При розробці програмного забезпечення використана об'єктно-орієнтована методологія, що забезпечує: можливість розширення моделі; повторне використання програмного коду і компонент; використання механізмів абстракції, інкапсуляції, успадкування та поліморфізму.

Інформаційний зв'язок між операціями реального часу і програмою - супервізором виконується за допомогою трьох динамічно змінюваних потокових буферів. Програма - супервізор забезпечує сумісну роботу різних моделей і об'єктів за допомогою інформаційних об'єктно-орієнтованих повідомлень. Для виконання операцій реального часу використовується апаратне переривання від таймеру, що дозволяє виконувати критичні операції вводу/виводу в реальному масштабі часу.

Розроблений програмно - апаратний комплекс контролю, обліку і управління енергоспоживанням для сільськогосподарського виробництва може виконувати такі функції:

- технічний і комерційний облік перетоків електроенергії;

- управління технологічними процесами та режимами енергоспоживання з метою зменшення витрат на електричну та теплову енергію;

- управління нетрадиційними та відновлюваними джерелами енергії.

В п'ятому розділі проводилась економічна оцінка ефективності та лабораторно - виробничі випробування автоматизованої системи контролю та управління енергоспоживанням сільськогосподарського виробництва. В загальному економічний ефект від впровадження АСКУЕ визначається наступними чинниками:

1. Впровадження точного і достовірного комерційного і технічного обліку електроспоживання та переходу до диференційованих тарифів реального часу.

2. Зменшення оплати за електроенергію за рахунок автоматичного управління зсувом технологічних процесів сільськогосподарського виробництва для зниження електроспоживання в періоди пікових і напівпікових тарифних зон.

3. Оптимізація багатокритеріального розподілення ресурсів вироблення електроенергії від різних джерел живлення (енергосистема, ДЕС, ВЕУ, СЕУ) в залежності від потужності електроспоживачів, тарифних зон і вартості виробленої електроенергії.

Вихідними даними для розрахунків економічної ефективності являється сільськогосподарське виробництво з характерною типовою структурою електроспоживання (МТФ - максимальне навантаження Рм=100 кВт, ВРХ - Рм=80 кВт, СТФ - Рм=125 кВт).

По результатах розрахунків повна собівартість АСКУЕ сільськогосподарського виробництва з врахуванням програмно-технічного комплексу і лічильників, складає 8380,4 грн. а річні експлуатаційні витрати 3602,5 грн. Сумарна ефективність для типового сільськогосподарського виробництва (МТФ, СТФ, ферми ВРХ) складає близько 27 тис. грн., а період окупності 3 місяці.

Результати експериментальних досліджень показали повну працездатність та спроможність АСКУЕ виконувати функції контролю, автоматичного управління виробництва електроенергії різними джерелами та технологічними процесами енергоспоживання. Отримані результати експериментальних досліджень показують, що АСКУЕ максимально використовує вироблену електроенергію ВЕУ, СЕУ та ДЕС в піковій та полупіковій тарифних зонах доби.

Виробничі випробування експериментального зразку АСКУЕ були проведені на підстанції сільськогосподарського призначення «Верблюжка 35/10 кВ Новгородківській філії ВАТ «Кіровоградобленерго» та на сільськогосподарському підприємстві ЗАТ «Долинський плодорозподільник». Виробничі випробування засвідчили, що розроблена АСКУЕ є універсальною і може бути застосована не тільки для управління технологічними процесами енергоспоживання, а й для комерційного та технічного контролю за електроспоживанням сільськогосподарського виробництва.



ВИСНОВКИ

1. Аналіз систем електропостачання, джерел енергії в сільськогосподарському виробництві та технологічних процесів енергоспоживання дав змогу створити автоматизовану систему управління виробництвом електроенергії та технологічними процесами енергоспоживання та впровадити енергозберігаючі режими засобами АСКУЕ.

2. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дозволили визначити закономірності формування графіків електричних навантажень, створити інформаційну базу графіків електричних навантажень. Дослідження графіків електричних навантажень МТФ, СТФ, ферм ВРХ, показало, що технологічні процеси електроспоживання мають регулярну та випадкові складові. Для оцінки характеристик цих складових розроблено математичну модель електроспоживання, як об'єкта управління в умовах невизначеності.

3. Визначені щільності розподілення ймовірностей навантажень, як композиції нормальних законів розподілення для СТФ і композиції ряду Грамма-Шарлье та нормального закону розподілення для МТФ та ферм ВРХ. Обґрунтовано, що періодична складова добових графіків навантажень незначна в порівнянні з випадковою складовою, яка представляє собою стаціонарний ергодичний імовірний процес формування навантажень сільськогосподарського виробництва.

4. Створені математичні моделі електроспоживання та отримані випадкові складові навантажень для МТФ, СТФ, ферм ВРХ у виді спектральних щільностей дали можливість розробити моделі та алгоритми оперативного прогнозування та управління електроспоживанням в умовах невизначеності.

5. Розроблена АСКУЕ дозволяє (у відповідності з сезонними графіками електричних навантажень) на основі визначених критеріїв оптимізації режимів вироблення електроенергії ВЕУ, СЕУ та ДЕС забезпечити електропостачання сільськогосподарського виробництва в залежності від тарифів реального часу. Умови оптимального використання різних джерел енергії визначаються сукупністю критеріїв оптимальності та системи обмежень (низька якість електроенергії відновлювальних джерел енергії, собівартість електроенергії та інші).

6. Виконане моделювання енергетичних ресурсів КЕЕС на основі вітрового і сонячного потенціалу Центрального регіону України, добових сезонних графіків вироблення електроенергії СЕУ та ВЕУ. Результати моделювання показали, що СЕУ, ВЕУ та ДЕС забезпечують значну частку електроспоживання в піковій та полупіковій зонах з високими тарифними коефіцієнтами. В літній сезон ВЕУ та ДЕС забезпечують потреби в електроспоживанні в піковій зоні на 85 %, а при додатковому використанні СЕУ ця цифра досягає 95 %.

7. На основі метода оптимальної фільтрації Калмана розроблена структура і визначені параметри фільтра - екстраполятора та створена математична модель і алгоритм оперативного прогнозування електричних навантажень в умовах невизначеності. Моделювання роботи фільтра - екстраполятора в реальних умовах електроспоживання показало, що математичне очікування помилки прогнозу близьке до нуля.

8. Запропоновано математичну модель управління електроспоживанням сільськогосподарського виробництва за рахунок зсуву графіків технологічних процесів з використанням штрафних функцій. Враховуючи присутність біологічних об'єктів в сільськогосподарському технологічному процесі, введені технологічні обмеження на зсув графіків електроспоживання. Формування оптимального графіка електричних навантажень виконується за рахунок перерозподілу електричних навантажень з пікової в напівпікову і нічні тарифні зони. В процесі формування оптимальних графіків електричних навантажень вводиться обмеження електроспоживання в піковій зоні за рахунок зсуву операцій технологічних процесів (перерозподіл навантажень) в інші тарифні зони. При цьому економічна ефективність від управління технологічним процесом електроспоживання складає від 0,99% до 11,54% добової економії коштів за спожиту електроенергію.

9. На основі сформованих положень і вимог визначений та розроблений апаратний склад програмно-технічного комплексу АСКУЕ. Розроблена функціональна та електрична принципова схема контролера контролю та управління електроспоживанням сільськогосподарського виробництва. Розроблено програмне забезпечення програмно-технічного комплексу АСКУЕ з використанням об'єктної орієнтованої методології.

10. Результати експериментальних та виробничих досліджень показали повну працездатність та спроможність АСКУЕ виконувати функції контролю, автоматичного управління виробництвом електроенергії різними джерелами та технологічними процесами енергоспоживання. Отримані результати експериментальних досліджень показують, що АСКУЕ максимально використовує вироблену електроенергію ВЕУ, СЕУ та ДЕС в піковій та полупіковій тарифних зонах доби. АСКУЕ є універсальною і може бути застосована не тільки для контролю і управління енергоспоживання, а й для організації комерційного і технічного обліку за витратами електроенергії, теплової енергії, води, газу у сільськогосподарському виробництві.

11. Економічна ефективність розробленої системи АСКУЕ визначається зменшенням оплати за електроенергію за рахунок автоматичного управління зсувом операцій технологічних процесів для зниження електроспоживання в періоди пікових і полупікових тарифних зон доби, оптимізацією вироблення електроенергії СЕУ, ВЕУ, ДЕС та впровадженням точного комерційного і технічного обліку електроспоживання.

12. Аналіз розрахунків оплати за спожиту електроенергію показує, що простий перехід з одноставочного на диференційовані тарифи для сільськогосподарського виробництва економічно недоцільний. Економічна ефективність досягається тільки після упорядкування режимів роботи технологічних установок і агрегатів, та впровадження АСКУЕ. Сумарна економічна ефективність від впровадження АСКУЕ для типового сільськогосподарського виробництва (МТФ, СТФ, ферми ВРХ) складає близько 27 тис. грн., а період окупності 3 місяці.



ПУБЛІКАЦІЇ

Плєшков С.П. Система автоматичного контролю енергетичних режимів сільськогосподарського виробництва. //Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування /техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація./ - Вип.3. - Кіровоград: КІСМ, 1998. - С. 118-121.

Плєшков С.П. Система контролю та автоматичного управління електроспоживанням сільськогосподарським виробництвом за тарифами реального часу. //Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету /техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація./ -Вип.8 - Кіровоград:КДТУ, 2001. - С.175-178.

Плєшков С.П. Енергозбереження в сільськогосподарському виробництві з використанням комплексних систем обліку і контролю електроспоживанням. //Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету /техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація./ -Вип.11. - Кіровоград:КДТУ. 2002. - С.84-87.

Плєшков С.П. Розробка математичної моделі зсуву технологічних графіків для автоматизації управління електроспоживанням в сільськогосподарському виробництві. // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. / Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. / - Вип. 32. - Кіровоград:КДТУ, 2002. - С.130-134.

Плешков С.П. Разработка автоматизированной системы контроля, учета и управления электропотреблением сельскохозяйственного производства. // Сборник научных трудов Кременчугского государственного политехнического института/ проблемы создания новых машин и технологий./ - Вип.2. -Кременчуг: КГПИ, 1999. - С.147-149.

Плєшков С.П. Застосування математичних моделей електроспоживання сільськогосподарського виробництва в системах автоматичного контролю та управління //Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства /Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України. / -Вип.6. Харків:ХДТУСГ, 2001. - С.269-273.

Плєшков С.П., Пащенко В.Ф. Аналіз закономірностей електроспоживання в сільськогосподарському виробництві. //Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування /техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація./ -Вип.3. - Кіровоград:КІСМ, 1998. -С.113-118. (Здобувачем проведено аналіз закономірностей електроспоживання)

Плєшков С.П. Пристрої для перешкодостійкої передачі телемеханічної інформації по розподілювальних електричних мережах //Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування. -Вип.1. - Кіровоград:КІСМ, 1997. - С.15-18.

Плешков С.П. Энергосбережение в сельскохозяйственном производстве с использованием автоматизированной системы контроля и управления электропотреблением. //Збірник праць IV Міжнародної наукової конференції / ефективність та якість електропостачання промислових підприємств/ - Маріуполь:2000. - С.275-276.

Плєшков С.П., Пащенко В.Ф. Оптимізація режимів енергоспоживання в сільськогосподарському виробництві. Програма і матеріали 67-ї наукової конференції студентів, аспірантів і молодих вчених; 24-25 квітня 2001р. - У2Ч - К.: УДУХГ. 2001. - Ч2 - с.126. (Здобувачем обґрунтована модель оптимізації режимів енергоспоживання)

Размещено на Allbest.ru

...