Методи розрахунку електроспоживання і компенсуючих установок та системи управління ними (на промислових підприємствах, включаючи нерудні кар'єри)

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність: 05.09.03 - "Електротехнічні комплекси та системи"

МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ ЕЛЕКТРОСПОЖИВАННЯ І КОМПЕНСУЮЧИХ УСТАНОВОК ТА СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ НИМИ (НА ПРОМИСЛОВИХ ПІДПРИЄМСТВАХ, ВКЛЮЧАЮЧИ НЕРУДНІ КАР"ЄРИ)

РОГАЛЬСЬКИЙ БРОНІСЛАВ СТАНІСЛАВОВИЧ

Дніпропетровськ - 1999



Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Проблема підвищення ефективності електроспоживання актуальна для всіх країн, галузей і окремих підприємств хоча б тому, що зменшення енергоємності продукції дозволяє знижувати її собівартість і підвищувати конкурентоздатність. Актуальність проблеми визначається величиною енергоємності продукції. Гірничі галузі відносяться до одних з енергоємних (на видобуток, збагачення і переробку корисних копалин витрачається біля 20 % всієї виробленої в країні електроенергії). Актуальність проблеми посилюється в країнах з обмеженими енергоресурсами, і стає надзвичайно актуальною в умовах кризового стану економіки, коли відсутня альтернатива електрозбереженню.

На гірничих підприємствах (нерудних кар'єрах) практично не використовується такий важливий напрямок електрозбереження, як нормування електроспоживання. Для нормування електроспоживання і визначення електричних навантажень використовуються коефіцієнтні методи без врахування їх вірогідної природи. Розходження між фактичними і нормативними витратами і навантаженнями досягають 100 % і більше. Відсутні системи обліку і контролю електроспоживання основних кар'єрних електроприймачів - екскаваторів і бурових станків і їх приєднання до автоматизованих систем обліку і контролю електроспоживання.

Гірничі роботи до теперішнього часу проводяться в умовах недостатньої інформації про технологічні властивості гірничих порід, що ускладнює нормування і планування трудових, матеріальних і енергетичних ресурсів і заходів по електро- і ресурсозбереженню. Причина такого стану ѕ у відсутності досконалих технічних засобів автоматичного вимірювання буримості і екскавації гірничих порід в темпі процесу.

В електричних мережах ЕС (енергосистем) і споживачів мають місце підвищені втрати електроенергії (в 1,5 - 2 рази порівняно з країнами Заходу), які зумовлені недостатнім рівнем КРП (компенсації реактивної потужності), нерівномірністю добових графіків навантажень, відсутністю засобів оптимального (за умовою мінімуму втрат) управління компенсуючими установками і електричним навантаженням, а також ефективної системи взаєморозрахунків за КРП між ЕС і споживачами електроенергії.

Підвищення ефективності електроспоживання в електричних мережах ЕС і електротехнічних комплексах (ЕТК) підприємств вимагає відповідного вирішення зазначених вище проблем.

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності електро-споживання в електротехнічних комплексах підприємств, включаючи нерурні кар'єри.

Поставлена мета досягається розв'язанням наступних наукових задач:

1. Проведення експериментальних досліджень з метою виявлення закономірностей електроспоживання і формування масиву даних в умовах нерудних кар'єрів, розробка основних напрямків і рекомендацій підвищення ефективності електроспоживання, критеріїв економічної доцільності впровадження їх у виробництво і структури системи управління ним.

2. Розробка нових підходів і методів розрахунку електричних навантажень (уставок для систем управління), нормативних витрат і втрат електроенергії (параметрів для систем обліку і контролю електроспоживання) з врахуванням технологічних властивостей гірничих порід і їх вірогідної природи, а також систем управління електричним навантаженням, які дозволяють порівняно з відомими підвищити ефективність електроспоживання.

3. Обґрунтування і розробка критеріїв і способів визначення технологічних властивостей гірничих порід і оцінки якості масових вибухів, які дозволяють створювати комплексні системи обліку і контролю електроспоживання гірничих машин та технологічних властивостей порід в реальному темпі технологічних процесів.

4. Розвиток теорії розрахунку КУ (компенсуючих установок) на основі розробки нових підходів, критеріїв і методів, спрямованих на підвищення енергоефективності КРП (компенсації реактивної потужності) в мережах споживачів і ЕС (енергосистем) і методичне забезпечення систем управління (створення передумов для мінімізації втрат в електричних мережах і визначення уставок - вхідних реактивних потужностей (ВРП)). Розробка механізму збалансування інтересів ЕС і споживачів при взаєморозрахунках за КРП.

5. Розробка критеріїв, способів, алгоритмів та систем оптимального автоматичного управління КУ, які здійснюють мінімізацію втрат в електричних мережах споживачів і ЕС та координацію перетоків РП (реактивної потужності) на границі їх розподілу з врахуванням всіх можливих режимів її споживання, відсутності КУ в деяких вузлах або управління ними і зміни їх кількості в процесі управління.

Методика досліджень. Методологічну основу дисертаційної роботи складає теорія вірогідностей і математична статистика, кореляційний і регресійний аналіз, методи Чебишева і послідовного аналізу, теорія графів і апарат матричної алгебри, класичні методи одноцільової оптимізації без обмежень і метод неозначених множників Лагранжа.

Достовірність результатів досліджень підтверджується шляхом ретроспективної перевірки створених методів і моделей, розв'язанням відповідних задач за допомогою запропонованих і відомих методів та моделей і порівняння їх результатів, реалізації запропонованих способів, моделей і алгоритмів управління у вигляді пристроїв і систем, їх випробовувань на стендах і в умовах промислових підприємств, а також впровадження їх у виробництво і в навчальний процес.

В основу наукового узагальнення покладені роботи:

з теорії розрахунку електроспоживання авторів Белих Б.П., Волотковського С.А., Олейнікова В.К., Праховніка А.В.;

по вимірюванню технологічних властивостей гірничих порід авторів Сімкіна Б.А., Тангаєва І.А.;

з оптимізації КРП і режимів мереж авторів Железко Ю.С., Журахівського А.В., Зоріна В.В., Кузнецова В.Г., Щербини Ю.В.;

в області створення засобів та систем автоматики для гірничих підприємств, систем управління електроспоживанням та компенсуючими установками авторів Баркана Я.Д., Іванова А.О., Мокіна Б.І., Півняка Г.Г., Разумного Ю.Т., Родькіна Д.Й.;

В дисертації виконані наукові узагальнення в галузях розрахунку електроспоживання і компенсуючих установок, розробки способів вимірювання категорій порід і управління компенсуючими установками та електричним навантаженням, які полягають в аналізі методів, моделей і способів з врахуванням вірогідної природи категорій порід і електроспоживання, в отриманні вперше запропонованих підходів і залежностей щодо визначення нормативних витрат і втрат електроенергії і компенсуючих установок; критеріїв оцінки технологічних властивостей порід, відхилення фактичного потокорозподілу реактивної потужності від оптимального значення, допустимості спрощеного розподілу компенсуючих установок в електричних мережах і ефективності управління ними, методів і моделей визначення і прогнозу нормативних витрат і втрат електроенергії, вхідних активних (метод прогнозу максимальних навантажень) і реактивних (метод «граничних затрат») потужностей, коригування економічної і балансової задач компенсації, на основі яких здійснено розвиток теорії розрахунку електроспоживання і компенсуючих установок (методичного забезпечення систем управління і контролю) та нових напрямків в розробці способів вимірювання категорій порід (за критерієм енергоємності технологічних процесів) і управління компенсуючими установками та електричним навантаженням (за критерієм мінімальних втрат), що дозволяє створювати відповідні системи контролю і управління, які забезпечують вирішення значної прикладної проблеми - підвищення ефективності електроспоживання в електротехнічних комплексах підприємств і енергосистем.

Ідея роботи полягає в підвищенні ефективності електроспоживання за рахунок розробки способів і систем оптимального (за критерієм мінімальних втрат) управління електричним навантаженням і компенсуючими установками, систем контролю електроспоживання гірничих машин і технологічних властивостей порід, програмного і методичного забезпечення вказаних систем (методів розрахунку вхідних потужностей (уставок), нормативних витрат і втрат, компенсуючих установок).

Основні наукові положення та результати, що виносяться на захист, їх новизна.

Наукові положення:

1. Принципово новий підхід щодо визначення втрат в електричних мережах ґрунтується на використанні встановлених на розрахунковий період питомих норм (без втрат) і підвищенні їх точності, питомого часу (на одиницю продукції чи роботи), оперативно заданої продуктивності гірничої машини (цеху), що дозволяє враховувати зміни технологічних властивостей порід (через питому норму) і визначати «чистий» час тривалості технологічного процесу в розрахунковому періоді (через питомий час і задану продуктивність), уникати суттєвих похибок (до 70%) при визначенні норми втрат за відомими підходами і методами.

2. Способи вимірювання технологічних властивостей гірничих порід (буримості і екскавації) і оцінки якості масових вибухів за критерієм повної питомої енергоємності відповідного технологічного процесу, зміна якої в процесі буріння або екскавації порід відображає їх динаміку, відрізняються від відомих більшою точністю (шляхом врахування енергії на створення осьового тиску на забій свердловини і її продувку), інформативністю (отриману інформацію можна використовувати для обліку і контролю нормативного і загального електроспоживання гірничих машин) та можливістю автоматизації процесу вимірювання, що дозволяє створювати комплексні системи контролю електроспоживання гірничих машин і технологічних властивостей порід в реальному темпі технологічних процесів.

3. Механізм збалансування інтересів енергосистеми та споживачів (при компенсації реактивної потужності в їх мережах) ґрунтується на принципово новому підході щодо визначення вхідної реактивної потужності (на основі системного підходу і з позиції окремого споживача), порівняно з відомими передбачає оцінку втрат від координації перетоків реактивної потужності і їх зниження в мережах енергосистем за рахунок установки КУ у споживачів, застосування принципів комплексності і збалансованності фінансового примушення і заохочення до впровадження оптимальної КРП, рівноправ'я поставщиків і споживачів і дозволяє ефективніше стимулювати зниження втрат в їх мережах.

4. Способи оптимального (за критерієм мінімальних втрат) автоматичного управління КУ ґрунтуються на вирішенні економічної задачі КРП за критерієм мінімальних затрат і балансової - за критерієм мінімальних втрат, що створює передумови для оптимального управління КУ, і полягають у підтриманні в кожному вузлі умови оптимального потокорозподілу реактивної потужності у всіх можливих режимах її споживання (в т.ч. малоймовірних і нестабільних) при врахуванні балансової умови на вводі підприємства, відсутності КУ в деяких вузлах або управління ними і зміни їх кількості в процесі управління, що дозволяє порівняно з відомими способами створювати системи управління КУ, які забезпечують координацію перетоків реактивної потужності на границі розподілу мереж ЕС і споживачів та мінімізацію втрат в їх мережах.

Наукові результати:

Встановлені закономірності електроспоживання електротехнічних комплексів в умовах нерудних кар'єрів. Вперше встановлено, що закон розподілу питомої енергоємності буріння залежить від співвідношення м'яких і міцних порід, які добуваються, і змінюється в просторі (по окремих горизонтах) і в часі (протягом строку експлуатації родовища). Результати експериментальних досліджень послужили основою для вирішення ряду завдань (формування масиву даних, розробка основних напрямків і практичних рекомендацій підвищення ефективності електроспоживання і критеріїв економічної доцільності впровадження їх у виробництво і т.ін.). Запропонована структура системи управління електроспоживанням відрізняється від відомих комбінованим застосуванням засобів управління, що дозволяє мінімізувати затрати при її створенні, і виконанням нових функцій (контроль технологічних властивостей гірничих порід, регулювання якості гірничої маси і т. ін.);

2. Встановлено, що застосування для прогнозу максимальних поквартальних навантажень (уставок для систем управління) класичних методів, основаних на використанні часових рядів, призводить до суттєвих похибок (- 64 ё 70%). Показано, що в умовах нерудних кар'єрів найкращі результати дають моделі, які встановлюють зв'язок цих навантажень з основними технологічними факторами і відрізняються від відомих прийнятною точністю прогнозу (похибка не виходить за межі ± 5%). Розроблені системи оптимального (за критерієм мінімальних втрат) управління електричним навантаженням, використання яких дозволяє зменшити втрати електроенергії і її питому вартість, а також межі відхилення напруги від номінального значення протягом доби. Новизна і практична цінність запропонованих систем і пристроїв підтверджується також 5 авторськими свідоцтвами і патентами на винаходи.

3. Розроблено метод визначення та оперативного нормування втрат в електричних мережах, який дозволяє порівняно з відомими методами уникнути суттєвих похибок (до 70 %). Підвищення точності визначення основної складової питомих норм призводить до відповідного підвищення точності норми втрат. Для підвищення точності норм запропоновано підходи: прямого визначення норм для гірничих машин експериментальним шляхом і широкої їх диференціації (по окремих родовищах, уступах і т. ін.); укрупнення технологічних вузлів, для яких визначаються норми; виділення масиву гірничих порід, що оббурюється і розпушеного вибухом, як об'єктів нормування, обліку і контролю електроспоживання; використання кривих розподілу питомого електроспоживання для прогнозу витрат електроенергії. На основі підходів розроблено: метод «технологічних норм» (для розрахунку цехових і заводських норм), який ґрунтується на використанні масиву даних, отриманих в умовах нерудних кар'єрів; моделі прогнозу питомого електроспоживання по вхідних і (або) вихідних параметрах режиму буріння або екскавації (вперше), які відрізняються від відомих підвищеною точністю (похибка становить 0,13-1,5%), модель довгострокового (до 5 років) прогнозу електроспоживання з використанням кривих його розподілу (вперше).

4. Створено системи контролю електроспоживання гірничих машин, технологічних властивостей порід і якості масових вибухів, які відрізняються від відомих більшою точністю (шляхом врахування енергії на створення осьового тиску на вибій свердловини і її продувку), зручністю вимірювання у виробничих умовах ( в т. ч. за допомогою електролічильників), більшою інформативністю (отриману інформацію можна використовувати для обліку і контролю нормативного і загального електроспоживання гірничих машин) і можливістю автоматизації процесу вимірювання. Запропоновано метод побудови технологічних шкал буримості і екскавації гірничих порід і оцінки якості масових вибухів (вперше). Розроблено давач глибини буріння свердловин. Наукова новизна і практична цінність запропонованих способів і систем підтверджується також 5 авторськими свідоцтвами на винаходи. Дані розробки розвивають новий напрямок визначення технологічних властивостей порід за повною питомою енергоємністю відповідного технологічного процесу.

5. Розроблені основні положення системи взаєморозрахунків за КРП, яка відрізняється від відомих наявністю механізму збалансування інтересів ЕС і споживачів, можливістю визначення взаємопов'язаних значень ВРП, що створює передумови для оптимізації перетоків РП в мережах ЕС, більшою точністю розрахунків (за рахунок вилучення подвійної оплати реактивної енергії і уточнення тарифу на активну енергію і області його застосування), врахування вірогідної природи РП і можливостей регуляторів дискретного управління (шляхом встановлення зони нечутливості для ВРП).

6. Для розв'язання економічної задачі КРП розроблено метод «граничних затрат», який ґрунтується на застосуванні запропонованих нової шкали питомої вартості БК (батарей конденсаторів); удосконаленого підходу щодо визначення питомої ваги джерел у вузлі і параметрів еквівалентного джерела; критерію для оцінки відхилення фактичного потокорозподілу РП від оптимального значення (вперше) і відрізняється від відомих структурою цільової функції (без окремого виділення постійної складової затрат, яка враховується вектором питомих затрат на генерацію РП по окремих вузлах), відносною простотою (відсутні обернені матриці) і підвищеною точністю розрахунків (тільки застосування нової шкали питомої вартості БК дозволяє зменшити похибку розрахунків до 40%). Метод коригування економічної задачі КРП по кривих DЗ=f(Y₀, DY_дод) запропоновано вперше, відрізняється широкою областю застосування, дозволяє обґрунтувати більш високу степінь КРП і підвищити її енергоефективність, його можна розглядати як спосіб врахування постійної складової затрат на передачу РП по мережах підсистеми. Вперше запропоновано критерій допустимості спрощеного розподілу КУ в мережах підсистеми і споживачів, який дозволяє за певних умов зменшити об'єм обчислювальної роботи або обґрунтувати застосування оптимізаційних методів. Методи і моделі вирішення і коригування балансової задачі КРП відрізняються від відомих врахуванням відсутності в деяких вузлах КУ. Розроблено підхід і метод визначення ВРП з позиції окремого споживача (вперше), який дозволяє визначити ефективність КРП в його мережах; уточнити ВРП, яку визначила і задала ЕС; збалансувати інтереси ЕС і споживачів і відрізняється від відомих використанням в розрахунках тарифної вартості втрат і середньозваженої питомої вартості КУ, коригуванням економічної задачі КРП і т.ін. Поетапне вирішення економічної і балансової задач КРП за критеріями, відповідно, мінімальних приведених затрат і втрат спрощує розрахункові методи і в той же час підвищує їх точність (шляхом коригування отриманого рішення), створює передумови для оптимального управління КУ.

7. Вперше розроблені системи оптимального (за критерієм мінімальних втрат) автоматичного управління БК (їх структурні схеми і алгоритми управління): по величині поточних втрат; по величині збільшення або зменшення втрат, які дозволяють порівняно з відомими підвищити ефективність управління. Доказано, що в тому чи іншому вузлі можуть наступати малоймовірні і нестабільні режими споживання реактивної потужності. Вперше розроблені системи оптимального автоматичного управління БК шляхом підтримання у вузлах умови оптимальності потокорозподілу РП. Обґрунтовано, що функції систем централізованого управління можна виконувати за допомогою групи спеціально створених автоматичних регуляторів локальної дії. Розроблено ряд пристроїв, які реалізують даний спосіб, з параметрами управління: по Q i U вузла з врахуванням наявності або відсутності трансформаторів з РПН; по Q або U вузла; за часом доби. Системи, що створюються із n таких пристроїв, є альтернативними по відношенню до централізованих систем управління, основною їх перевагою є відсутність ліній зв'язку. Розроблено також системи оптимального автоматичного управління реактивним навантаженням підприємства за допомогою групи СД, сумісного і роздільного управління СД і БК, а також управління БК в мережах з несиметричним навантаженням. Порівняно з відомими запропоновані системи забезпечують виконання вимог енергосистеми щодо споживання РП із її мережі і мінімізацію втрат при всіх можливих режимах її споживання. Їх новизна і практична цінність підтверджується також 8 авторськими свідоцтвами і патентами на винаходи. Дані розробки розвивають новий напрямок в створенні способів і систем оптимального автоматичного управління КУ.

Зв'язок з державними і галузевими програмами НДР. Результати, викладені в дисертації, отримані в процесі наукових досліджень, які проводились автором: за цільовою комплексною програмою Держплану УРСР "Енергокомплекс" (1984р, завдання РН01.07Ц01.06), за міжвузівською програмою "Економія електроенергії" (1982р.), тематичними планами РПО "Укршляхбудіндустрія" і "Укрнерудпром", виробничих об'єднань і окремих підприємств. Всього виконано за період з 1977-1997р. 11 госпдоговірних тем.

Практична цінність і реалізація результатів роботи.

Практична цінність наукових положень і результатів, викладених в дисертаційній роботі, полягає в тому, що вони спрямовані на розв'язання конкретних задач методичного і технічного забезпечення електрозбереження в електротехнічних комплексах підприємств і мережах ЕС. Запропоновані моделі і методи реалізовані у вигляді алгоритмів і програм розрахунку, а способи визначення технологічних властивостей гірничих порід, управління електричним навантаженням і КУ ѕ у вигляді алгоритмів і програм управління; дослідних, експериментальних і серійних зразків пристроїв і систем (на базі мікропроцесорної техніки). Більшість теоретичних положень роботи доведено до конкретних інженерних методик, технічних вимог і галузевих нормативних матеріалів.

За результатами досліджень розроблені: "Отраслевая инструкция по нормированию расхода электроэнергии на буровые работы" Тернополь: Збруч, - 1982. - 71с., "Сборник инструкций по нормированию расхода электроэнергии, расчету КРМ и регулированию режимов электропотребления" Отчет по НИР. - Винница, 1986.-202с. - номер госрегистрации 01825046307, які впроваджені на підприємствах РПО "Укршляхбудіндустрія" і "Укрнерудпром". Пристрої і системи управління КУ впроваджені на ряді підприємств Хмельницької і Вінницької областей. Окремі положення системи взаєморозрахунків за КРП використані при розробці "Методики розрахунків плати за перетоки РП між ЕС та її споживачами" (НТУУ "КПІ").

На основі матеріалів дисертаційної роботи для студентів і аспірантів електро-енергетичних спеціальностей підготовлені три навчальні посібники і монографія. Теоретичні розробки, програми для ЕОМ і технічні засоби використовуються в курсах "Теоретичні основи електропостачання", "Проектування систем електропостачання", "Енергозберігаючі технології в електроенергетиці", при створенні лабораторних стендів, в дипломному проектуванні, в дослідженнях студентів і аспірантів.

Апробація. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались на 35 Всесоюзних, Республіканських і міжнародних науково-технічних конференціях, семінарах і нарадах (1977 - 1999рр.), а також вузівських конференціях (1976 - 1999рр.), а пристрої і системи демонструвались на ВДНГ СРСР (1989 і 1991рр.; отримані дві срібні медалі) і на ІII-му міжнародному салоні винаходів "Inventika - 96" (Румунія, м. Яси, 1996; отримана золота медаль) і вузівських виставках (1986 - 1997 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 105 наукових праць, в т.ч. отримано 18 авторських свідоцтв і патентів на винаходи, зареєстровано у ВНТІЦ 7 звітів по науково-дослідних роботах, видано три навчальних посібника і монографія і ряд методичних вказівок для студентів і аспірантів електроенергетичних спеціальностей.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку літератури із 251 назв, додатків. Дисертаційна робота викладена на 301 сторінках машинописного тексту з рисунками і таблицями.

Короткий зміст роботи

електроспоживання потужність компенсуючий контроль

Перший розділ присвячений аналізу стану проблем, що досліджуються. Встановлено, що масив даних по електроспоживанню електротехнічних комплексів нерудних кар'єрів практично відсутній, що створює певні труднощі при визначенні, нормуванні і прогнозуванні електроспоживання. Використання розрахункових коефіцієнтів, отриманих в умовах інших кар'єрів і наведених в нормативних документах і довідковій літературі призводить до значних похибок (через суттєву відмінність технологічних властивостей порід, неврахування їх вірогідної природи, відсутність диференціації по окремих горизонтах і т. ін.). Створення масиву даних для нерудних кар'єрів вимагає проведення експериментальних досліджень.

Аналіз добових графіків і часових рядів максимальних поквартальних навантажень нерудних кар'єрів показує, що специфічні умови роботи цих підприємств призводять до значних коливань як добових, так і поквартальних максимальних навантажень. Часові ряди не володіють властивостями стаціонарності і періодичності, не дивлячись на те, що вплив такого фактору як сезонність, на ці ряди, вилучений. Фактичні зміни математичного сподівання і дисперсії протягом періоду дослідження функції вносять істотні похибки в розрахунки (-64 ё +70 %), що підтверджується прогнозом навантажень за допомогою трендових та адаптивних моделей і моделей авторегресії. Вирівнювання добових графіків електричних навантажень за ініціативою споживачів з метою підвищення ефективності електроспоживання, практично не застосовується (через відсутність чітких критеріїв економічної доцільності вирівнювання і систем ефективного стимулювання та управління).

Певною проблемою при визначенні нормативних витрат електроенергії є прогнозування її втрат в мережах і трансформаторах в майбутньому (розрахунковому) році. Встановлено, що їх визначення за середнім навантаженням минулого року і календарним часом роботи агрегату (цеху) в майбутньому році або за усередненим коефіцієнтом втрат призводить до суттєвих похибок (до 70 %).

Відсутність спеціальних систем обліку і контролю електроспоживання гірничих машин і вимірювання технологічних властивостей порід в темпі процесу знижує ефективність нормування і планування електроспоживання, трудових і матеріальних ресурсів, не дозволяє розрахувати необхідну кількість обладнання і ремонтну базу.

Загальними недоліками систем і шкал взаєморозрахунків за КРП є: наближене врахування віддаленості споживачів до джерел живлення; неврахування вірогідного характеру реактивних навантажень і можливостей регуляторів (в основному дискретної дії) та інтересів споживачів; недостатній стимулюючий вплив на споживачів і т. ін.

Відомі методи розрахунку КУ мають ті чи інші суттєві недоліки: допускається пропорційний розподіл КУ в мережах споживачів; не враховується або враховується наближено постійна складова затрат при визначенні ВРП; не передбачається визначення ВРП з позиції окремого споживача; в розрахунках використовуються усереднені вартості БК без врахування їх типу, роду установки, призначення і способу управління і т.ін., що призводить до заниження степені КРП і збільшення похибки розрахунків. Більшість із розглянутих методів призначені для замкнених мереж, відрізняються складністю і недоступністю для персоналу енергосистем і споживачів і тому не знайшли широкого застосування в проектній і експлуатаційній практиці. Електричні мережі нерудних кар'єрів працюють в режимі підвищених втрат енергії і напруги.

Для управління КУ застосовуються в основному пристрої локальної дії, які не відповідають сучасним вимогам щодо управління і підвищення ефективності електроспоживання. Відсутні системи оптимального (за умовою мінімальних втрат) управління КУ, що не дозволяє реалізувати можливості додаткового зниження втрат в мережах ЕС і електротехнічних комплексів підприємств за рахунок оптимізації потокорозподілу реактивної потужності.

Другий розділ присвячений встановленню закономірностей електроспоживання, розробці основних напрямків і рекомендацій підвищення його ефективності і структури системи управління ним. Проведені експериментальні дослідження електроспоживання в умовах нерудних кар'єрів, розташованих в різних регіонах України. Встановлено, що питома енергоємність буріння w_о.б змінюється в широких межах як в плані, так і по глибині масиву (уступу, кар'єру). Коефіцієнт варіації w_о.б на верхніх добувних горизонтах досягає 30 - 60%, а на нижніх ѕ зменшується до 10 - 20%. Статистичні розподіли величини w_о.б на верхніх горизонтах вирівнюються, як правило, кривими Пірсона, на нижніх - нормальними кривими, а в цілому по кар'єру - кривими Пірсона (на початку і в кінці періоду експлуатації родовища, коли переважають м'які або міцні породи) і нормальними кривими (в середині періоду, коли добувні роботи проводяться на всіх робочих горизонтах), тобто закон розподілу залежить від співвідношення м'яких і міцних порід, які добуваються, і змінюється протягом періоду розробки родовища. Визначені параметри розподілу по кожному кар'єру. Доведено, що енергоємність буріння однотипними буровими станками на одноіменних родовищах, як правило, суттєво відрізняється (на 5 - 70%), що свідчить про необхідність створення статистичних моделей для кожного родовища.

Встановлено, що питома енергоємність екскавації мало змінюється по площі і глибині добувних горизонтів і більшою мірою залежить від якості подрібнення гірничої маси і категорій порід за труднощами екскавації. Досліджено вплив різних факторів на електроспоживання екскаваторів, бурових станків і кар'єрів в цілому.

Розроблені основні напрямки і рекомендації підвищення ефективності електроспоживання і структурна схема системи управління ним. Запропонований критерій економічної доцільності і черговості впровадження заходів підвищення ефективності електроспоживання: З_рЈ З_d, де З_р і З_d - приведені затрати на здійснення технологічної операції (процесу, виду роботи) в розрахунковому і базовому роках. Значення величин З_р і З_d визначаються за формулами, наведених в роботі.

При З_р=З_d підприємство отримає економію електроенергії при відсутності прибутку. Разом з тим впровадження заходів по елктрозбереженню не повинно погіршувати економічні показники підприємства. Можна поставити умову, щоб ефективність цих заходів була не меншою ефективності виробництва продукції:

(1)

де П_р і З_п - відповідно прибуток і собівартість продукції, які плануються на розрахунковий рік. Умова (1) може служити також критерієм першочерговості впровадження заходів по електрозбереженню. Всі інші заходи (з меншим прибутком) впроваджуються в другу чергу. При наявності конкуруючих варіантів і незначній різниці між значеннями З_р (±5%) перевага надається варіанту з більшою економією електроенергії.

Третій розділ присвячений розробці методів і моделей розрахунку електроспоживання і систем управління ним. Аналіз впливу різних факторів на формування максимальних навантажень показав, що в кінцевому підсумку наслідки дії тих чи інших факторів зводяться до зменшення або збільшення бурових, добувних або вскришних робіт. Запропоновано використати ці фактори для побудови кореляційної моделі прогнозу максимальних поквартальних навантажень, що заявляються. Для умов Гніванського кар'єру така модель, з врахуванням апріорної інформації, має вигляд:

(2)

з основною похибкою s = 0,085 МВт,

де - прогнозна величина максимального навантаження підприємства на IV-й квартал N + 1 року (N - поточний рік); П_г.м^IV, П_d^IV - відповідно найбільша середньочасова продуктивність кар'єру по гірничій масі і бурінню; DР₃₀^IV - заплановане збільшення або зменшення максимального навантаження на IV-й квартал N+1 року (зупинка обладнання для ремонту чи реконструкції і т.ін.). Ретроспективна перевірка моделі показала, що похибка прогнозу не виходить за межі ±5%. В основу запропонованого методу «технологічних норм» покладені індивідуальні агрегатні питомі витрати електроенергії, які визначаються експериментальним способом за певних виробничих умов роботи обладнання. Індивідуальна технологічна норма витрат електроенергії на екскавацію гірничих порід:

w_o.тijs = K_д ЧK_п ЧМ(w_оijs). (3)

Середньозважені групові норми на екскавацію породи і-ї категорії і екскаваторні роботи:

w_o.тi = , w_o.т =. (4)

В формулах (3)ё(4): М(w_oijs) - математичне сподівання питомої витрати електроенергії на екскавацію породи і-ї категорії при використанні екскаватора типу j і транспортного засобу типу S, кВтЧг/т.; К_д = 1,05ё1,1 - коефіцієнт, який враховує витрати електроенергії на допоміжні технологічні операції; К_п = 1,01-1,03 - коефіцієнт, який враховує витрати електроенергії на переміщення екскаваторів за межі небезпечної зони вибуху; П_ijs - плановий об'єм робіт на екскавацію породи і-ї категорії j-м екскаватором в s-й транспортний засіб.

Індивідуальна технологічна норма на буріння породи:



w_o.тij = М(w_оij) + (5)

де М(w_оij) - математичне сподiвання витрат електроенергії на буріння 1 п.м. свердловини станком і-го типу на j-му добувному горизонті; w_о.дn - питома витрата електроенергії на виконання n-ї допоміжної технологічної операції; N - кількість допоміжних технологічних операцій.

В роботі наведені: типова структура норм, математичні сподiвання питомих витрат електроенергії на виконання одиниці робіт для різних гірничих машин, добувних горизонтів і кар'єрів, дані про допоміжні технологічні операції і формули для визначення загальновиробничих цехових, заводських і галузевих норм і допоміжних потреб.

Вперше запропонований метод визначення і нормування втрат в електричних кар'єрних мережах в залежності від встановлених на розрахунковий період питомих норм (без втрат). Норми втрат визначаються за формулами:

- в живлячих кабелях гірничих машин і механізмів

Dw_о.к = 10^-3 ; (6)

- в живлячих трансформаторах гірничих машин і механізмів

Dw_о.т = ; (7)



- в цеховій розподільчій мережі

Dw_о.ц = ; (8)

- в цеховій розподільчій мережі при виробництві кількох видів нормованої продукції

Dw_{о.ц =} ; (9)

- в загальному елементі мережі, через який одержують живлення декілька цехів (міжцехові мережі), які випускають один чи декілька видів продукції

Dw_{о.е =} ; (10)

- в загальному елементі мережі у випадку живлення кількох цехів з різною змінністю роботи

Dw_{о.е =} ; (11)



В формулах (6)ё(11) : w_оij, w_о.ц, w_о.цi, w_о.цij - індивідуальна і цехові норми, відповідно, на виробництво одиниці продукції і-м агрегатом на j-му горизонті; без втрат в трансформаторах і живлячих кабелях; при виробництві і-го виду продукції; на виробництво і-го виду продукції в j-му цеху; t_oij - середній час виконання одиниці роботи (продукції) і-м агрегатом на j-му горизонті; К_фij, К_ф.ц, К_ф.е - коефіцієнти форми графіків навантажень, відповідно, і-го агрегату при його роботі на j-му горизонті, цеху і загального елементу; R_ij, R_e.ц, R_ел - активні опори відповідно, кабелю і-го агрегату, що працює на j-му горизонті; мереж цеху (еквівалентний), загального елементу; U_нij, U_н - номінальна або середня фактична напруга живлення і-го агрегату, що працює на j-му горизонті; мереж цеху або загального елементу; tgj_ij, tgj_ц, tgj_е - те ж, коефіцієнти реактивної потужності; Т_р - календарний час роботи цеху (цехів) в розрахунковому періоді; П_ij, П_ц, П_ці, П_цij - план виробництва, відповідно, для і-го агрегату, що працює на j-му горизонті; цеху; і-го виду продукції; і-го виду продукції в j-му цеху.

Визначення втрат електроенергії в залежності від величин w_о і П дозволяє уникнути зазначених вище похибок (розд. І), враховувати зміну умов і режиму роботи обладнання в розрахунковому році, нормувати самі втрати і досягати більшої точності розрахунків.

Запропоновано масив, що оббурюється, і масив, розпушений масовим вибухом, вважати об'єктами планування, контролю і обліку гірничих робіт і електроспоживання. За допомогою методу Чебишева побудовані кореляційні моделі прогнозування питомої енергоємності буріння для масиву порід, що оббурюється, в умовах Полонського кар'єру:

(12)



де - тривалість буріння 1 м свердловини; - частота обертання бурового ставу; - тиск бурового ставу на вибій свердловини; - питома витрата реактивної енергії на 1 м бурiння. Значення , , , є математичні сподівання випадкових величин. Ретроспективна перевірка показала, що похибка прогнозу не виходить за межі:+0,13ё-1,5%. Побудовані також моделі для прогнозування питомого електроспоживання на екскавацію розпушеного вибухом масиву гірничих порід.

При довгостроковому прогнозуванні електроспоживання пропонується використовувати криві розподілу питомої енергоємності відповідного технологічного процесу (статистичні моделі родовищ):

W_ат = (13)

де W_а.т- прогноз витрат електроенергії на період Т; n - кількість технологічних процесів; m - кількість гірничих машин; w_о.s - питома енергоємність і-го технологічного процесу, який виконується j-м механізмом (чи групою механізмів) при s-й частоті функції розподілу; К - кількість розрядних частот; П_ij - об'єм роботи для j-го агрегату в і-му технологічному процесі, який буде виконуватись в прогнозному періоді Т; j_s - s-та розрядна частота функції розподілу; W_a.дt - витрати електроенергії на допоміжні потреби підприємства в t-му році.

В четвертому розділі обґрунтовується необхідність створення систем обліку і контролю електроспоживання гірничих машин і способів та технічних засобів вимірювання технологічних властивостей гірничих порід (в темпі процесу). На основі аналізу відомих способів і технічних засобів та результатів експериментальних досліджень сформульовані вимоги до критеріїв буримості і екскавації гірничих порід. Ряд недоліків відомих способів можна уникнути, якщо енергію обертання і тиску бурового ставу на вибій свердловини враховувати інтегрально за допомогою електролічильників у вигляді енергії, яка споживається двигунами обертача і гідронасоса. Тоді питому енергію руйнування породи у вибої свердловини (на одиницю об'єму) можна визначити за формулою:

E_o = (14)

де D_о - діаметр свердловини; DS - довжина дільниці свердловини, після закінчення буріння якої здійснюється реєстрація показань приладів; W_а.об, W_а.гн - відповідно, споживання активної енергії двигунами обертача і гідронасоса за період буріння свердловини довжиною DS.

Запропонований більш інформативний і зручний для вимірювання критерій буримості гірничих порід - повна питома енергоємність буріння w_о.d (кВтЧг/п.м.):

(15)

де t_о - тривалість буріння одного метра свердловини; Р_об, Р_гн - середня активна потужність, яка споживається відповідно, електродвигунами обертача і гідронасоса за період t_o; t_дi - тривалість виконання і-ї допоміжної технологічної операції; Р_ді - середня активна потужність, яка споживається буровим станком за період t_дi; Р_п.д - сумарна активна потужність, яка споживається приймачами системи продувки і допоміжних потреб за період t_о; N - кількість пробурених метрів свердловини; n - кількість допоміжних технологічних операцій.

Встановлено, що значення величин Р_об, Р_гн і t_о в процесі буріння змінюються в широких межах. При цьому ці величини є взаємозалежні між собою, а величина t_о = f(Р_об, Р_гн). Перша складова виразу (15) найбільшою мірою відображає динаміку w_о.d. Зміна фізико-механічних властивостей порід заставляє машиністів змінювати параметри режиму буріння n(частоту обертання бурового ставу) і F (осьовий тиск на вибій свердловини), що в свою чергу призводить до зміни величин Р_об, Р_гн і t_о. Друга складова виразу (15) теж відображає динаміку w_о.d(при Р_п.д = const вона змінюється пропорційно t_о). Третя складова не впливає на динаміку w_о.d (ці витрати розподіляються на кожний пробурений метр свердловини рівними добавками). Окрім фізико-механічних властивостей порід, на зміну величини w_о.d впливають інші фактори: глибина буріння, тип бурового станка і інструмента, затуплення шарошки, порушенність породи масовими вибухами, обводненність порід, сезонність. Тип бурових станків і інструментів враховується установленням для кожного з них відповідної шкали буримості, а глибина - побудовою шкал буримості в цілому для родовища. Неминуче затуплення шарошки до моменту її заміни, обводненність порід, порушенність масиву вибуховими роботами можна вважати як еквівалентну зміну властивостей гірничих порід і, відповідно, їх буримості. Для вияснення впливу можливих відхилень параметрів n i F від оптимальних значень на точність оцінки буримості гірничих порід проведені експерименти, результати яких наведені в роботі у вигляді таблиць і побудованих залежностей w_о.d=f(n, F). Їх аналіз показав, що незначна неточність установки параметрів буріння n i F (1-2%) не впливає істотно на зміну величини w_о.d, яка об'єктивно відображає опір порід даному виду руйнування. Розроблені метод і пакет програм обробки експериментальних даних і побудови технологічних шкал буримості порід на ПЕОМ. Як приклад в табл.1 показані шкали буримості для бурових станків Полонського кар'єру (родовище гранітів).



Таблиця 1. Технологічні шкали буримості гірничих порід.

Категорія порід	Повна питома енергоємність буріння, кВтЧг/пЧм
по ЦБНТ	СБШ-320	СБШ-250	СБМК-5
VII	-	-	0,241-0,250
VIII	-	6,06-7,96	0,251-0,260
IX	-	7,97-8,07	0,261-0,280
X	-	8,08-10,77	0,281-0,320
XI	-	10,78-11,42	0,321-0,364
XII	11,86-14,26	11,43-14,19	0,365-0,400
XIII	14,27-15,79	14,20-16,89	0,401-0,450
XIV	15,80-19,18	16,90-19,66	0,451-0,520
XV	19,19-20,85	19,67-25,10	0,521-0,560
XVI	20,86-23,44	25,11-28,02	0,561-0,630
XVII	23,45-25,55	28,03-34,83	0,631-0,690
XVIII	24,56-29,08	34,84-39,35	0,691-0,790

Запропоновано критерії і способи вимірювання категорій порід за труднощами екскавації і оцінки якості масових вибухів. Розроблено комплекс технічних засобів вимірювання буримості, датчик глибини буріння свердловини і система вимірювання категорій порід за труднощами екскавації і якості масових вибухів. Створені експериментальні зразки мікропроцесорної системи обліку і контролю електроспоживання бурових станків і вимірювання буримості порід і датчика глибини буріння. Впровадження у виробництво даних розробок дозволяє повною мірою розв'язати проблему одержання інформації про технологічні властивості гірничих порід і на цій основі підвищити ефективність електроспоживання і гірничих робіт в цілому.

П'ятий розділ присвячений розробці методів розрахунку КУ і системи взаєморозрахунків за компенсацію. Сформульовані вимоги щодо КРП і управління КУ.

З метою підвищення точності розрахунків розроблена нова шкала питомих вартостей БК з врахуванням їх типу, роду установки, напруги, способу управління, кількості регульованих секцій і постійної складової затрат на КРП в цінах 1990р. (табл.2).

Таблиця 2. Шкала питомих вартостей батарей конденсаторів.

Спосіб установки, номінальна напруга	Питома вартість БК, тЧкрб./МВар (крб/кВар)
	Нерегульованих для мереж	Регульованих автоматично при кількості секцій	При індивідуальному приєднанні до електроприймача
	освітлювальних	силових	1	2	3 - 6
БК внутрішньої установки:
0,38 кВ	7,0	10,0	11,0	11,5	15,0	5,4
6(10) кВ	-	4,7	8,5	12,5	-	4,0
БК зовнішньої установки:
6(10)кВ	-	4,5	7,5	11,0	-	-
БК стовпові 6(10)кВ	-	4,2	-	-	-	-

Розв'язання економічної задачі КРП пропонується методом «граничних затрат» шляхом мінімізації цільової функції:

З = (16)

де _н - вектор-рядок реактивних навантажень підсистеми; - вектор питомих витрат на генерацію РП джерелами у вузлах мереж підсистеми; Y = Q_е/Q_м - вхідна РП для мереж підсистеми (у відн.од.); Q_е - ВРП для мереж підсистеми (в абс.один); Q_м - найбільше реактивне навантаження на вводі мереж підсистеми; = - _рt - матриця коефіцієнтів розподілу (матриця шляхів); - діагональна матриця активних опорів віток схеми заміщення мереж підсистеми; - діагональна матриця коефіцієнтів С_оі/K_oU_ні²; (С_оі - питома вартість втрат в і-й вітці схеми заміщення мереж підсистеми; U_ні - номінальна або середня фактична напруга в і-й вітці; К_о - коефіцієнт відхилення фактичного потокорозподілу від оптимального значення (за умовою мінімуму втрат)):

K_o = (17)

де R_е - еквівалентний опір мереж підсистеми, Ом. За умовою ¶З/¶y = 0 і враховуючи , отримаємо оптимальне значення ВРП для мереж підсистеми:

(18)

де _в - матриця реактивних навантажень віток схеми дерева.

Виходячи з умови балансу РП на вводі мереж підсистеми і визначення величини y, знаходимо:

Q_e = Y_оптQ_м; а_опт = 1 - Y_опт; Q_ку = Q_м - Q_е = а_оптQ_м, (19)

де а_опт - оптимальна степінь КРП в мережах підсистеми; Q_ку - оптимальна потужність КУ, які доцільно установити в мережах підсистеми.

Для коригування економічної задачі запропоновані алгоритм і програма на ПЕОМ і графо-аналітичний метод. Спочатку визначаються приведені затрати на КРП за умови зниження втрат в мережі підсистеми при Y = Y_опт:



З₁ = , (20)

далі - економія приведених затрат DЗ і приведені затрати після зменшення потужності трансформаторів і ЛЕП, що проектуються, або віддалення реконструкції діючих:

З₂ = (21)

де ў - скоригована діагональна матриця активних опорів віток схеми заміщення мереж підсистеми; Yў_опт - нове (знижене) оптимальне значення ВРП, при якому виконується умова З₂ Ј З₁.

Графо-аналітичний метод коригування полягає в наступному. На рис. 1 величина Y_опт і З₁ прийняті за 100% (точка перетину координат). Величина DЗ* визначається в % від З₁: DЗ^* = (DЗ/З₁)100. Одержана величина DЗ* відкладається на осі ординат. Перетин прямої DЗ* з відповідною кривою DЗ = f(Y_опт, DY_дод) дає на осі абсцис допустиме додаткове зниження ВРП Y_опт до величини DY_дод(%), яке відповідає умові З₂ Ј З₁. Тоді нове значення величини ВРП: Y`_опт=(DY_дод Y_опт)/100. Якщо пряма DЗ* не перетинається з відповідною кривою DЗ*=f(Y_опт, DY_дод), тобто лежить вище цієї кривої, то в мережах даної підсистеми економічно доцільна повна КРП. Далі визначаються нові значення величин Q_е, а_опт, Q_ку. Розрахунки показують, що врахування додаткового ефекту DЗ дозволяє економічно обґрунтувати більш високу степінь КРП і навіть повну компенсацію та істотно зменшити втрати в мережах підсистеми.

Діючі нормативні документи по проектуванню КРП рекомендують пропорційний розподіл БК серед вузлів мереж підприємств. Із рис.2 видно, що пропорційний розподіл БК призводить до збільшення затрат на передачу РП при зростанні К_о і Y_опт. За критерій допустимості пропорційного розподілу прийнята величина збільшення затрат порівняно з оптимальним розподілом. Пропорційний розподіл допустимий, якщо збільшення затрат не виходить за межі точності розрахунку і вихідних даних (наприклад, 5%). За певних умов застосування пропорційного розподілу дозволяє зменшувати обсяги і тривалість розрахунків або обґрунтувати застосування оптимізаційного методу розподілу. Математична модель для розв'язання балансової задачі (визначення ВРП на вводах вузлів ЕС і споживачів):

(22)

В формулах (22): - вектор-стовпець ВРП на вводах вузлів підсистеми; Q_еі - ВРП в і-му вузлі підсистеми; Q_ні - реактивне навантаження і-го вузла; Q_куі - потужність КУ в і-му вузлі. Використовуючи метод неозначених множників Лагранжа і враховуючи, що

= -С_pt, ,

(де - матриця з'єднань віток для розімкненої мережі), одержимо:



(23)

де - матриця провідностей віток; l - коефіцієнт Лагранжа. Далі послідовно проводиться перевірка виконання технічних обмежень (22) і, при необхідності, коригування розв'язку. Після чого визначаються потужності КУ у вузлах підсистеми:

Запропонована математична модель розв'язання балансової задачі з врахуванням неустановки в деяких вузлах КУ або (і) відсутності управління ними:

(24)

де _е - вектор-стовпець ВРП на вводах вузлів підсистеми, в яких передбачається установка КУ; _н - вектор-стовпець реактивних навантажень вузлів, в яких з різних причин КУ відсутні. Виходячи з умов ¶F/¶_e = 0 i ¶F/¶l = 0, дістанемо:



(25)

Розроблений метод коригування розв'язку балансової задачі, який не вимагає в процесі коригування зміни структури мереж. В основу метода покладені принцип умовної зміни активних опорів вхідних віток в ті вузли, в яких неможлива установка БК або не виконуються технічні обмеження, і ітеративна процедура їх визначення. При переході від n-ї до n+1 ітерації використаний принцип найменших втрат. Величина опору і-ї вітки в кожній наступній n+1 ітерації визначається за формулою:

(26)

де (Q_еі)_n - оптимальна РП, яка розподіляється в і-у вітку при n-й ітерації; r_in - активний опір і-ї вітки при n-й ітерації. Даний метод більш зручний з точки зору розробки програм на ЕОМ.

Передбачена можливість коригування балансової задачі з метою врахування фактичних рівнів напруги у вузлах мереж підсистеми (при наявності такої інформації).

Поряд з системними розрахунками по визначенню ВРП для навантажувальних вузлів ЕС і споживачів запропоновано визначати ВРП з позиції окремого споживача шляхом мінімізації цільової функції:

(27)



де З_п.п1 - питомі затрати підприємства на РП і енергію, які споживаються із мережі ЕС; З_п.п2 - еквівалентні питомі затрати на передачу РП по мережі підприємства. За умовою ¶З/¶Y=0 отримуємо:

(28)

Далі виконують коригування величини Q_e.п аналогічно як для мереж підсистеми і її порівняння з ВРП, яку задала ЕС. За вихідну величину для подальших розрахунків приймається менша із одержаних ВРП.

Запропоновані і викладаються в роботі математичні моделі визначення ВРП з позиції споживача при наявності в його мережах СД, оптимізації розміщення КУ в мережах споживачів і оптимального завантаження СД. Визначені особливості розрахунку КРП і управління КУ в кар'єрних мережах. Запропоновані формули і критерії для оцінки ефективності і похибки розрахунку КРП.

...