Керування режимами електроспоживання промислових підприємств з використанням ресурсу технологічного процесу

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

УДК 517.977.5:65.011.46:621.311.1.003

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КЕРУВАННЯ РЕЖИМАМИ ЕЛЕКТРОСПОЖИВАННЯ ПРОМИСЛОВИХ ПІДПРИЄМСТВ З ВИКОРИСТАННЯМ РЕСУРСУ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ

05.13.07 - Автоматизація процесів керування

Прокопець Микита Валерійович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут», Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор, Праховник Артур Веніамінович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», директор інституту енергозбереження та енергоменеджменту, завідувач кафедри електропостачання

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Ланкін Юрій Миколайович, інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона Національної академії наук України, завідувач відділом автоматичного регулювання процесів зварювання та нанесення покриттів

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Борукаєв Зелімхан Харитонович, інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова Національної академії наук України, завідувач відділом інформаційного забезпечення задач математичного і електронного моделювання

Захист відбудеться « 18 » жовтня 2010 р. о 14³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.04 у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий « 15 » вересня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _______________ Л.С.Ямпольський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми: Однією з найбільш важливих проблем електроенергетики України є проблема підтримання в енергосистемі балансу між генерацією й споживанням електричної енергії та потужності. Проблема значною мірою викликана нерівномірністю електроспоживання. Вона суттєво впливає на ефективність роботи енергосистеми, створює додаткові економічні витрати та заважає забезпеченню надійного та якісного електропостачання споживачів. Вирішенню цієї проблеми присвячено багато праць вітчизняних та зарубіжних вчених: С.В.Геллінгса (C.W.Gellings), В.І.Гордєєва, С.П.Денисюка, С.В.Дікмарова, В.П.Дрьоміна, І.В.Жежеленко, В.Т.Заїки, О.В.Кириленко, В.Г.Кузнєцова, Е.Г.Куреного, В.Д.Лепорського, Г.Г.Півняка, А.В.Праховника, Г.Є.Пухова, Ю.Т.Разумного, Б.С.Рогальського, В.П.Розена, Б.С.Стогнія, С.Н.Талукдара (S.Talukdar), Дж.Х.Чемберлина (J.H.Chamberlin), А.К.Шидловського, О.С.Яндульського та інш.

Найбільш значні споживачі електричної енергії в Україні - промислові підприємства. Обсяг споживання електричної енергії промисловими підприємствами становить близько 60% її загального споживання. Режими електроспоживання промислових підприємств значною мірою впливають на режими роботи всієї енергосистеми. Це робить промислові підприємства ланкою енергосистеми, де реалізація політики енергозбереження і ефективного використання енергетичних ресурсів може привести до відчутних результатів для електроенергетики України.

Існуючі в Україні диференційовані за періодами часу тарифи на електричну енергію стимулюють діяльність промислових підприємств щодо вирівнювання графіку навантаження енергосистеми. Підтримуючи оптимальні для енергосистеми режими електроспоживання, підприємство знижує власні витрати на електричну енергію й тим самим підвищує конкурентоспроможність виробленої продукції. Проте, в наш час, участь промислових підприємств у підтримці балансу між генерацією й споживанням в енергосистемі є незначною. Однією з причин цього є те, що існуючі методи та засоби керування режимами електроспоживання промислових підприємств ще недостатньо розвинуті й не забезпечують підприємствам можливості ефективно використовувати всі існуючи в них ресурси керування електроспоживанням. У більшості випадків для керування режимами електроспоживання промислових підприємств використовуються об'єкти споживання допоміжного виробництва, потужність яких зазвичай незначна у порівнянні з потужністю, що споживається основним виробництвом. Методи та засоби автоматизованого керування режимами електроспоживання, які забезпечують використання ресурсу технологічного процесу основного виробництва практично відсутні. Створення таких методів та засобів дасть промисловим підприємствам ефективний інструмент, що дозволить добиватися відчутного зниження витрат на електричну енергію в умовах дії стимулюючих тарифів, та приймати активну участь в підтриманні балансу потужності в енергосистемі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами:Робота виконувалася у відповідності до задач держбюджетних тем №2467 «Створення автоматизованої системи обліку, контролю та управління використанням енергоресурсів», номер держреєстрації 0100U002239 та №2959-П «Розробка методів інтегрування розосередженої генерації в централізовану систему енергопостачання», номер держреєстрації 0106U002932, що виконувались в інституті енергозбереження та енергоменеджменту НТУУ «КПІ».

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення конкурентоспроможності промислових підприємств за рахунок мінімізації витрат на споживану електричну енергію в умовах дії стимулюючих тарифів шляхом оптимального керування режимами електроспоживання з використанням ресурсу технологічного процесу. Для досягнення мети поставлені й вирішені наступні задачі:

1. Дослідження загальних властивостей технологічних процесів - споживачів електричної енергії та побудова концептуальної моделі електроспоживання узагальненого технологічного процесу. Аналіз можливостей перерозподілу електроспоживання технологічних процесів в умовах диференційованих за періодами часу тарифів на електричну енергію.

2. Розробка методики побудови математичних моделей електроспоживання технологічних процесів, що дозволяють здійснювати перерозподіл потужності електроспоживання на інтервалі часу технологічного циклу при існуючих технологічних обмеженнях.

3. Розробка структури автоматизованої системи керування, що використовує математичну модель електроспоживання технологічного процесу для оптимального керування режимами електроспоживання промислових підприємств в умовах диференційованих тарифів на електричну енергію та контролю електроспоживання.

4. Дослідження режимів електроспоживання експлуатаційної ділянки магістрального нафтопроводу, визначення ресурсу керування електроспоживанням та можливостей його використання в умовах диференційованих за періодами часу тарифів на електричну енергію.

Об'єктом дослідження є режими електроспоживання промислових підприємств в умовах дії диференційованих тарифів на електричну енергію.

Предмет дослідження - оптимальне керування режимами електроспоживання промислових підприємств з використанням ресурсу технологічного процесу.

Методи досліджень. Робота виконувалась у відповідності до методології теорії прийняття рішень. Побудова концептуальної моделі електроспоживання узагальненого технологічного процесу здійснювалась з використанням методології системного аналізу. При постановці та вирішенні оптимізаційних задач використовувались методи динамічного та дискретного програмування.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше створено концептуальну модель електроспоживання узагальненого технологічного процесу, що дозволяє визначити умови перерозподілу потужності електроспоживання на інтервалі часу технологічного циклу та, за допомогою функції щільності розподілу енергії, встановити відповідність між параметрами процесу електроспоживання, фазовим станом та швидкістю його змінення в точці фазової траєкторії.

2. Розроблено методику побудови математичних моделей, що дозволяють здійснювати перерозподіл потужності електроспоживання технологічних процесів на інтервалі часу технологічного циклу. Методика відрізняється використанням опорного енергетичного режиму та графу функціональних зв'язків складових технологічного процесу при формалізації технологічних обмежень для формування області допустимих траєкторій реалізації технологічного процесу в фазовому просторі і визначення функцій щільності розподілу енергії цих траєкторій.

3. Запропоновано спосіб контролю електроспоживання технологічних процесів, що відрізняється використанням математичної моделі електроспоживання технологічного процесу та дозволяє відслідковувати змінення енергетики технологічного процесу в режимі реального часу й здійснювати оперативне перепланування траєкторії реалізації процесу у відповідності до встановлених відхилень.

4. Удосконалено метод керування електроспоживанням експлуатаційних ділянок нафтопроводів. Метод дозволяє адаптувати нерівномірність багатодобових циклів електроспоживання експлуатаційних ділянок до умов диференційованих за періодами часу тарифів на електричну енергію й відрізняється плануванням оптимальної послідовності технологічних циклів з урахуванням величин відхилень їх електроспоживання та продуктивності від відповідних значень опорного енергетичного режиму.

Практичне значення одержаних результатів: Результати роботи містять вирішення проблемних питань автоматизації процесів керування електроспоживанням промислових підприємств в умовах диференційованих тарифів на електричну енергію з використанням ресурсу технологічного процесу. Результати досліджень використані при розробці методики оптимального керування електроспоживанням експлуатаційної ділянки "Мозир-Кобрин" магістрального нафтопроводу "Гомельтранснефть "Дружба" в умовах дії диференційованих за періодами часу тарифів на електричну енергію. Апробація методики підтвердила її ефективність. За результатами роботи розроблене програмне забезпечення, що дозволяє планувати оптимальні режими електроспоживання експлуатаційних ділянок нафтопроводів в умовах диференційованих тарифів на електричну енергію.

Особистий внесок здобувача: Наукові положення, висновки і рекомендації, викладені в дисертації, отримано здобувачем особисто. У працях, виконаних у співавторстві з науковим керівником та співробітниками університету, особистий внесок автора становить: [1]-досліджені метрологічні можливості використання автоматизованих систем обліку енергії для керування електроспоживанням промислових підприємств;[2,4]-розроблені питання структурної побудови автоматизованих систем оптимального керування електроспоживанням промислових підприємств, що використовують математичні моделі електроспоживання технологічних процесів;[3]-запропоновані способи формалізації технологічних обмежень при побудові математичних моделей електроспоживання технологічних процесів;[5]-розроблено положення концептуальної моделі електроспоживання узагальненого технологічного процесу;[7]-запропоновано спосіб контролю електроспоживання технологічних процесів;[8,9]-визначено ресурс керування електроспоживанням експлуатаційної ділянки нафтопроводу та запропоновано спосіб його використання. енергосистема навантаження споживання

Апробація результатів дисертації: Основні теоретичні положення та результати роботи доповідалися на VIII Міжнародної конференції “Контроль і управління в складних системах (КУСС-2005)” (Вінниця, 24-27 жовтня 2005 р), Міжнародної науково-практичної конференції “Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології” (17-19 травня 2006 р., Чернівці), XIII Міжнародної конференції з автоматичного управління (Автоматика-2006, Вінниця 25-28 вересня 2006 р.), V міжнародної науково-практичної конференції «Комп'ютерні системи в автоматизації виробничих процесів» (Хмельницький 17-19 травня 2007р.).

Публікації: Результати досліджень опубліковані у 11 наукових працях, з яких 9 - статті у наукових фахових виданнях, що відповідають переліку ВАК, 2 роботи депоновані в ДНТБ України.

Структура та обсяг роботи: Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та п'ятьох додатків. Загальний об'єм роботи 183 сторінки, у тому числі: 22 рисунка, з яких 4 на окремих сторінках, 11 таблиць, список з 97 використаних джерел, 5 додатків на 40 сторінках, в яких 5 таблиць та 17 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дисертації, визначено об'єкт і предмет дослідження, наукову новизну, а також наведені відомості щодо апробації та публікації результатів.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан однієї з найвагоміших проблем електроенергетики України - підтримання балансу між генерацією і споживанням електричної енергії та потужності, а також шляхи та можливості вирішення цієї проблеми за рахунок вирівнювання графіку навантаження енергосистеми. Існуючі в Україні тарифи на електричну енергію стимулюють діяльність промислових підприємств в напрямку підтримання графіків навантаження, оптимальних для енергосистеми. Проте, окрім стимулюючих тарифів, вагомим фактором, що обумовлює участь промислових підприємств у процесі вирівнювання електричного навантаження енергосистеми, є наявність в них технічних можливостей і засобів керування режимами електроспоживання.

Найбільш дослідженими на сьогодні методами оптимального керування режимами електроспоживання промислових підприємств в умовах дії диференційованих за періодами часу тарифів є методи, засновані на використанні у якості ресурсу керування, споживачів-регуляторів потужності. Ці методи відрізняються простотою, надійністю і мінімальним ризиком керуючих впливів. Але ці методи не завжди є достатньо ефективними, тому що потужність споживачів-регуляторів зазвичай значно нижча за потужність, що споживається основним виробництвом. Для підвищення ефективності керування електроспоживанням промислових підприємств, потрібен ресурс керування, пов'язаний з технологічним процесом (ТП) основного виробництва. Особливістю такого ресурсу є те, що його безпосередній зв'язок з ТП зумовлює підвищену відповідальність його використання. Це ускладнює створення засобів автоматизації процесів керування з використанням такого ресурсу. На сьогодні, практично єдиним шляхом вирішення такої задачі є математичне моделювання об'єктів керування і процесів керування. Тобто, математична модель технологічного процесу, що відображує властивості його електроспоживання, повинна стати принциповою основою побудови автоматизованих систем оптимального керування режимами електроспоживання (АСК ЕС), що використовують ресурс ТП.

Розгляд тенденцій розвитку засобів автоматизації промислових підприємств вказує на інтеграцію в єдину систему усіх функцій інформаційної підтримки автоматизованого керування виробництвом. З огляду орієнтації на такий підхід, АСК ЕС для реалізації керуючих та контрольних функцій, повинні використовувати існуючі на промислових підприємствах системи автоматизації технологічних процесів (АСК ТП) та системи автоматизації обліку електричної енергії (АСОЕ). При цьому, у переліку критеріїв автоматичного керування виробництвом критерій: мінімальне споживання електроенергії потрібно замінити на більш загальний критерій - мінімальна вартість спожитої електроенергії.

Другий розділ присвячено побудові концептуальної моделі електроспоживання узагальненого ТП та дослідженню можливостей реалізації керуючих функцій АСК ЕС.

З огляду на задачу керування електроспоживанням, в роботі досліджуються наступні класи ТП:

а) по характеру протікання у часі: неперервні, періодичні;

б) по цільовому призначенню: основні, допоміжні;

в) по характеру праці, що використовується: автоматизовані;

г) по вкладеності: окремі, часткові.

Спосіб дії на предмет праці не має особливого значення при реалізації функцій АСК ЕС по керуванню електроспоживанням, головна умова - протікання ТП відбувається з споживанням електричної енергії.

В роботі задача керування режимами електроспоживання ТП розглядається на інтервалі часу технологічного циклу. Для задач керування режимами електроспоживання неперервних ТП технологічний цикл може бути виділений як період часу, за який необхідно виконати певний обсяг технологічного завдання.

В результаті системного аналізу отримано концептуальну модель електроспоживання узагальненого ТП. Об'єктом моделювання є енергетична складова ТП, що являє собою сукупність всіх споживачів електричної енергії, які беруть участь у виконанні технологічних операцій і, таким чином, безпосередньо впливають на змінення поточного стану ТП. Узагальнений ТП як об'єкт електроспоживання має дві властивості: властивість споживання та властивість стану. Властивість споживання це процес споживання електричної енергії, що розгортається у часі. Властивість стану відбиває поточний стан технологічної задачі, що виконується. Для зручності математичного опису системи, властивість стану характеризується інтегральною величиною - фазовим станом ТП .

Фазовий стан це стан ТП на інтервалі часу технологічного циклу, що однозначно визначається щодо вихідного стану (старт ТП) за значеннями параметрів ТП, що контролюються.

Вхідною змінною є споживана електрична потужність . Вихідною змінною є поточний фазовий стан ТП , що характеризує просування ТП у виконанні поставленого технологічного завдання й відповідає рівню його завершеності.

Параметром, що відображає енергетичні потреби ТП на інтервалі фазових станів технологічного циклу, є функція щільності розподілу енергії , яка встановлюється на етапі формалізації фазового стану процесу. Зв'язок між вхідною й вихідною змінними відображається наступним співвідношенням:

(1)

Аналіз співвідношення (1), з точки зору можливості реалізації функції керування режимами електроспоживання, дозволяє зробити наступний висновок: змінення потужності електроспоживання ТП може відбуватися шляхом змінення швидкості реалізації ТП , а також шляхом змінення поточної потреби ТП в енергії, яку відображує функція .

Змінення функції можливе для ТП, які є складними системами. В результаті декомпозиції, складний ТП представляється системою взаємопов'язаних елементарних технологічних процесів (ЕТП). Декомпозиція ТП здійснюється за такими правилами: кожний ЕТП повинен мати окреме технологічне завдання, що відповідає його ролі й призначенню в ТП, режим реалізації кожного ЕТП повинен мати автономність (у рамках зв'язків з технологічними режимами інших ЕТП), кожний ЕТП повинен мати засоби контролю й керування електроспоживанням і засоби контролю виконання технологічного завдання (контролю фазового стану). Взаємозв'язки між режимами реалізації ЕТП в структурі ТП встановлюються за допомогою функцій зв'язку - співвідношень, що відображують залежність фазових станів взаємодіючих ЕТП у єдиночасовому зрізі технологічного циклу ТП. Реалізація ТП, які є складними системами, може здійснюватися по різних траєкторіях простору фазових станів. При цьому, кожній траєкторії відповідає своя функція щільності розподілу енергії.

Обмеження застосування положень концептуальної моделі визначаються можливостями забезпечення відповідності функції реальній енергетиці ТП. В загальному випадку, структура функції , що враховує зміну умов реалізації ТП, має вигляд:

де - базова частина функції (функція , що відповідає типовим умовам реалізації ТП);

- приріст функції на інтервалі технологічного циклу, який може бути визначений на момент старту ТП (враховується як вихідні умови при старті ТП);

- приріст функції від дії факторів, що впливають на енергетику ТП, закони змінення яких на інтервалі технологічного циклу невідомі на момент старту ТП, але можуть бути враховані під час реалізації ТП за допомогою функцій впливу;

- приріст функції від дії факторів, що впливають на енергетику ТП, який не може бути врахований внаслідок складності визначення значень факторів або визначення їх функцій впливу. Складова відображує невизначеність енергетики ТП на інтервалі технологічного циклу.

Чим більше коефіцієнт складових та в структурі функції

тим важче визначити ресурс керування електроспоживанням, оптимальну траєкторію реалізації ТП та здійснити планування режимів реалізації ТП.

Побудова математичних моделей електроспоживання ТП на основі положень концептуальної моделі електроспоживання узагальненого ТП дозволяє приймати рішення про розподілення ресурсу керування електроспоживанням до початку технологічного циклу шляхом планування оптимальних фазових траєкторій та здійснювати реалізацію планованих траєкторій в режимі програмного керування.

Третій розділ присвячено питанням структурної побудови АСК ЕС промислових підприємств, що використовують ресурс ТП.

На рис.1 наведено функціональну схему АСК ЕС промислового підприємства, що використовує ресурс ТП.

Система керування працює у двох режимах: режимі планування й режимі програмного керування. Планування фазової траєкторії реалізації ТП передує старту технологічного циклу. Планування здійснюється блоком планування (БП) на підставі даних про розподіл ресурсу керування на інтервалі технологічного циклу, закладених у математичній моделі (ММ) електроспоживання ТП, початкових умов, а також інформації про розташування інтервалу технологічного циклу щодо тарифних зон доби й тарифів на електричну енергію. Результатом планування є планована фазова траєкторія реалізації ТП , що відповідає критерію мінімальної вартості електроспоживання.

У режимі програмного керування АСК ТП здійснює реалізацію . АСК ЕС контролює відхилення поточної фазової траєкторії , визначеної за допомогою ММ за показами технологічних датчиків , від планованої . Одночасно, АСК ЕС здійснює неперервний контроль електроспоживання ТП, порівнюючи фактичне електроспоживання , визначене за показами АСОЕ, з належним споживанням , визначеним за допомогою ММ відповідно до поточного фазового стану ТП .

Рис. 1. Схема автоматизованого керування режимами електроспоживання ТП

При відхиленні від , що перевищує припустиме значення, АСК ЕС за показами технологічних датчиків та по відхиленню електроспоживання визначає характер та причину відхилення і здійснює перепланування для частини технологічного циклу, що залишилася. Оператор отримує повідомлення про параметри та об'єкт відхилення.

Співвідношення ММ електроспоживання ТП встановлюються в опорному енергетичному режимі, що відповідає наступним умовам: режими роботи енергетичного та технологічного обладнання максимально наближені до номінальних, вплив зовнішніх факторів типовий для даної реалізації ТП (нормальні умови реалізації ТП). ММ електроспоживання ТП має наступну структуру:

а) сукупність функцій що характеризують щільність розподілу енергії електроспоживання кожним ЕТП;

б) орієнтований граф функціональних зв'язків ЕТП, що відображує структуру складного ТП з урахуванням функціональних зв'язків між фазовими станами окремих ЕТП;

в) - функціональні співвідношення, що визначають відповідність значень змінних фазових станів ЕТП масиву показів технологічних датчиків (встановлюються в опорному енергетичному режимі);

г) - функції впливу, що дозволяють врахувати вплив факторів на енергетику i-го ЕТП;

д) сукупність функцій, що визначають можливості змінення швидкості реалізації кожного ЕТП .

Планування оптимальної траєкторії реалізації ТП у фазовому просторі здійснюється з використанням ММ розподілу ресурсу керування електроспоживанням ТП, що створюються на основі ММ електроспоживання ТП. ММ розподілу ресурсу керування електроспоживанням періодичного ТП представляється функціоналом:

(2)

де -вартість спожитої електричної енергії;

- функція ціни на електричну енергію, що відображує умови тарифних зон;

- кількість ЕТП в структурі ТП.

Для врахування факторів, що впливають на енергетику ЕТП, функції корегуються за допомогою функцій впливу:

де - функція щільності розподілу енергії i-го ЕТП в опорному режимі;

- кількість факторів, що впливають на енергетику ТП;

- функція впливу j-го фактору на енергетику i-го ЕТП;

- закон змінення j-го фактора у часі.

Під час планування, АСК ЕС здійснює мінімізацію функціоналу (2) з урахуванням наступних обмежень:

де - тривалість технологічного циклу ТП в опорному енергетичному режимі;

,

де - функції, що визначають межі допустимого змінення швидкості реалізації i-го ЕТП;

,

де - функції, що накладають обмеження на розлагодження фазових станів i-го та j-го ЕТП.

У загальному випадку, задача мінімізації функціонала (2) вирішується з використанням методу динамічного програмування.

У четвертому розділі наведені результати дослідження ресурсу керування електроспоживанням експлуатаційної ділянки магістрального нафтопроводу та способу його оптимального використання в умовах диференційованих за періодами часу тарифів на електричну енергію.

Дослідження режимів електроспоживання експлуатаційної ділянки магістрального нафтопроводу показало, що ресурс керування електроспоживанням визначається:

а) можливістю адаптації технологічної нерівномірності електроспоживання (рис. 2) на інтервалі часу виконання технологічної задачі к умовам тарифних зон суток;

Рис. 2. Технологічна нерівномірність режиму електроспоживання експлуатаційної ділянки на інтервалі часу в один місяць

б) можливостями змінення швидкості реалізації ТП;

в) можливостями зсуву енергозатратних процедур пуску насосних агрегатів в зони низької ціни.

У відповідності з сформульованими у другому розділі правилами декомпозиції ТП, у якості ЕТП експлуатаційної ділянки розглядаються окремі технологічні режими транспорту нафти, які пов'язані з устаткуванням, що використовується, і характеризуються показниками продуктивності та електроспоживання.

Залежність економічного ефекту від моменту перемикання технологічних режимів має вигляд:

(3)

де - інтервали часу, на які поділяється доба при перемиканні режимів;

- усереднені потужності суміжних режимів;

- усереднені тарифні коефіцієнти, що відповідають інтервалам ;

- коефіцієнт перемикання режимів.

Залежність від моменту перемикання для літнього сезону показано на рис. 3. Аналіз залежності дозволяє зробити висновок, що перемикання з режиму більшого споживання в режим з меншим споживанням оптимально здійснювати в інтервалі часу з 7 до 8 год., а з режиму меншого споживання в режим з більшим - на початку або наприкінці доби. Аналіз залежності також вказує на оптимальність використання при плануванні режимів електроспоживання експлуатаційної ділянки системи двох цінових зон.



Рис. 3. Залежність від моменту перемикання технологічних режимів

Тарифні коефіцієнти цінових зон розраховуються виходячи з їх тривалості у відповідності із залежностями (3) для різних сезонів року.

Математична модель розподілу ресурсу керування електроспоживанням експлуатаційної ділянки, відповідно до (2), має вигляд:

(4)

де - поточний фазовий стан i-го ЕТП (маса нафти, що транспортована);

- поточна масова витрата нафти.

Задача планування полягає у виборі ЕТП та визначенні моментів часу старту й зупинення ЕТП , що забезпечують мінімізацію функціоналу (4).

Задача вирішується при наступних обмеженнях:

де - маса нафти, яку необхідно транспортувати за час технологічного циклу у відповідності до умов технологічного завдання;

де - мінімальна й максимальна продуктивності експлуатаційної ділянки, обумовлені технологічним завданням;

де - мінімально й максимально припустимі тривалості ЕТП, відповідно до умов технологічних обмежень.

Умови технологічного завдання відображуються в параметрах опорного енергетичного режиму експлуатаційної ділянки і задають обмеження на обсяг і тривалість виконуваного завдання, продуктивність і тривалість технологічних режимів, кількість перемикань режимів.

При виборі ЕТП, необхідно відповідно до (3), забезпечити найбільшу різницю потужності електроспоживання суміжних ЕТП. Математично задача зводиться до задачі булевого лінійного програмування максимізації лінійної форми

де - припустима кількість режимів;

- середньогодинна потужність i-го та опорного режимів;

- вектор вибору ЕТП.

Задача вирішується при обмеженнях на кількість ЕТП, що обираються (відповідно до кількості перемикань, встановлену для опорного режиму), на відхилення продуктивності ЕТП від продуктивності опорного режиму та на тривалість безперервної роботи насосних агрегатів.

При використанні двох цінових зон, задача визначення розбивається на два етапи: визначення оптимальної тривалості ЕТП та визначення оптимальної послідовності ЕТП. Критерієм оптимізації тривалості ЕТП є мінімізація загальної вартості спожитої електроенергії. Тривалість ЕТП задається у кількості зон низької та високої ціни, які перекриває цей ЕТП. При цьому, функціонал (4) перетворюється у лінійну форму

,

де - кількість ЕТП;

- тривалість у часах зон низької та високої ціни;

- тарифні коефіцієнти зон низької та високої ціни;

- кількість зон низької та високої ціни відповідно, які перекриває i-тий ЕТП.

Задача вирішується при обмеженнях на тривалість кожного ЕТП, по обсягу технологічного завдання, порядку використання цінових зон.

Перемикання режимів експлуатаційної ділянки здійснюється шляхом запуску одних насосних агрегатів та зупинення інших. Під час пуску насосного агрегату, у перехідному режимі витрачається кількість електроенергії, що приблизно дорівнює його електроспоживанню за годину роботи в режимі, що встановився.

Тому під час визначення послідовності ЕТП необхідно мінімізувати сумарну кількість пусків насосних агрегатів. Задача представляє собою асиметричну задачу комівояжера, що використовує матрицю переходів, елементами якої є кількість пусків насосних агрегатів при переході з режиму в режим.

Але вирішувати її треба по кроках, з перевіркою умови порядку використання цінових зон

(5)

де - номер кроку.

Задача відноситься до класу N-P. При невеликій кількості режимів (10-12) точний розв'язок можна одержати повним перебором можливих варіантів з перевіркою умови (5). При великому числі режимів, наближений розв'язок може бути знайдено за поліноміальний час із використанням жадібних алгоритмів.

Отримані наукові результати були використані під час розробки методики оптимального керування електроспоживанням експлуатаційної ділянки магістрального нафтопроводу «Гомельтранснефть «Дружба» на напрямку «Мозир-Кобрин» в умовах дії диференційованих за періодами часу тарифів на електричну енергію.

У додатках до дисертації наведено числові та графічні дані по режимам функціонування експлуатаційної ділянки «Мозир-Кобрин», лістинг та екранні форми розробленого програмного забезпечення планування оптимальних режимів електроспоживання, акти впровадження результатів роботи.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена вирішенню задачі мінімізації витрат промислових підприємств на споживану електричну енергію в умовах дії стимулюючих тарифів шляхом оптимального керування режимами електроспоживання з використанням ресурсу технологічного процесу. Впровадження методів і засобів, побудованих на основі розроблених положень, дозволить промисловим підприємствам підвищити конкурентоспроможність, а також буде сприяти вирівнюванню графіку навантаження енергосистеми й підтримці в енергосистемі балансу між генерацією і споживанням електричної енергії й потужності.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Створено концептуальну модель електроспоживання узагальненого технологічного процесу, яка встановлює зв'язок між параметрами процесу електроспоживання, фазовим станом технологічного процесу та швидкістю його змінення в точці фазової траєкторії. Аналіз математичних співвідношень концептуальної моделі дозволив виділити можливості оптимізації режимів електроспоживання промислових підприємств, пов'язані із зміненням поточної швидкості реалізації технологічного процесу та зміненням щільності розподілу енергетичних потреб технологічного процесу на інтервалі фазових станів технологічного циклу.

2. Розроблено методику побудови математичних моделей електроспоживання технологічних процесів, що дозволяє створювати математичні моделі, які визначають можливості перерозподілу потужності електроспоживання на інтервалі часу технологічного циклу при збереженні загальної продуктивності та енергоємності технологічного процесу. Методика вирішує задачі формалізації станів технологічних процесів, визначення функцій щільності розподілу енергії, нормалізації факторів, що впливають, та урахування результатів їх впливу на енергетику технологічного процесу. Математичні моделі, які створюються за допомогою розробленої методики, дозволяють формувати у фазовому просторі область допустимих траєкторій реалізації технологічного процесу, що відповідає заданим технологічним обмеженням та визначати функції щільності розподілу енергії кожної траєкторії. На основі методики розроблено математичну модель розподілу ресурсу керування електроспоживанням, що встановлює зв'язок фазової траєкторії реалізації технологічного процесу із вартістю спожитої електричної енергії з урахуванням умов тарифної системи.

3. Розроблено структуру й алгоритм роботи автоматизованої системи керування електроспоживанням промислових підприємств, орієнтованої на використання ресурсу технологічного процесу. Використання математичних моделей електроспоживання технологічних процесів дає можливість планувати розподіл ресурсу керування електроспоживанням на період часу вирішення технологічного завдання та здійснювати контроль траєкторії реалізації процесу в режимі реального часу в координатах фазового стану й електроспоживання з можливістю оперативного перепланування траєкторії при зміненні умов реалізації процесу.

4. Запропоновано спосіб контролю електроспоживання технологічного процесу в режимі реального часу, заснований на використанні математичної моделі електроспоживання технологічного процесу. Контроль здійснюється шляхом порівняння поточних вимірювань споживаної електроенергії й потужності із розрахованими значеннями, отриманими за допомогою математичної моделі для відповідної точки фазової траєкторії.

5. Проведено аналіз технологічних режимів експлуатаційної ділянки магістрального нафтопроводу. У результаті аналізу встановлено, що в умовах дії диференційованих за періодами часу тарифів на електричну енергію технологічна нерівномірність багатодобових циклів електроспоживання експлуатаційної ділянки суттєво впливає на вартість спожитої електроенергії. Удосконалено метод керування електроспоживанням експлуатаційних ділянок нафтопроводів. Метод дозволяє адаптувати технологічну нерівномірність електроспоживання до умов диференційованих тарифів шляхом планування оптимальної послідовності технологічних циклів з урахуванням величин відхилень їх електроспоживання й продуктивності від відповідних значень опорного енергетичного режиму та вибору оптимальної тривалості зазначених циклів з урахуванням технологічних обмежень.

6. За результатами досліджень розроблена методика оптимального керування електроспоживанням експлуатаційної ділянки "Мозир-Кобрин" магістрального нафтопроводу "Гомельтранснефть "Дружба". Результати апробації зазначеної методики на експлуатаційній ділянці підтвердили її ефективність. Середнє значення економічного ефекту від застосування методики на експлуатаційній ділянці, при середньомісячному електроспоживанні близько 25 млн кВт•год, складає близько 26 тис. у.о. на місяць (312 тис. у.о. на рік). Розроблене програмне забезпечення дозволяє здійснювати планування оптимальних режимів електроспоживання експлуатаційних ділянок нафтопроводів в умовах диференційованих тарифів на електричну енергію.

Результати досліджень дозволять розробникам автоматизованих систем керування електроспоживанням промислових підприємств визначати ресурс керування електроспоживанням, пов'язаний з технологічними процесами, та оптимально використовувати цей ресурс на інтервалі часу вирішення технологічного завдання. Результати роботи також дозволять розробникам автоматизованих систем керування технологічними процесами й автоматизованих систем обліку електроенергії розширити функції цих систем щодо контролю за електроспоживанням технологічних процесів у режимі реального часу. Результати проведених досліджень можуть бути безпосередньо використані при керуванні режимами електроспоживання експлуатаційних ділянок нафтопроводів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Праховник А.В. Автоматизированные системы контроля и учета энергии и управление электропотреблением промышленных предприятий / А.В. Праховник, В.П. Калинчик, Н.В. Прокопец // Вестник Нац. техн. ун-та «Харьк. политехн. ин-т». Серия «Электротехника, электроника и электропривод». - 2003. - Т. 1, Вып. 10. - С. 18-23.

2. Розен В.П. Структура системы управления энергопотреблением использующая математическую модель объекта управления / В.П. Розен, Н.В. Прокопец // Вісник Нац. техн. ун-та України “Київ. політехн. ін-т”. Серія “Гірництво” : зб. наук. пр. - 2003. - Вип. 9. - С. 118-122.

3. Розен В.П. Математическая модель системы управления электропотреблением / В.П. Розен, Н.В. Прокопец // Промислова електроенергетика та електротехніка. Промелектро. - 2004. - №6. - С. 22-26.

4. Розен В.П. Управление электропотреблением промышленных предприятий / В.П. Розен, Н.В. Прокопец // Інформаційні технології та комп'ютерна інженерія : Міжнар. наук.-техн. журн. - 2006. - №1(5). - С. 35-38.

5. Розен В.П. Використання внутрішніх резервів технологічних процесів при керуванні режимами електроспоживання промислових підприємств / В.П. Розен, М.В. Прокопець // Автоматизація виробничих процесів : Всеукр. наук.-техн. журн. - 2006. - №1(22). - С. 26-30.

6. Прокопец Н.В. Условия создания на промышленных предприятиях средств оптимального управления электропотреблением / Н.В. Прокопец // Вісник Хмельницького національного університету. - 2007. - Т. 1, №2. - С. 181-185.

7. Розен В.П. Контроль ефективності використання енергетичних ресурсів на промисловому підприємстві / В.П. Розен, М.В. Прокопець // ЕНЕРГЕТИКА: економіка, технології, екологія. - 2007. - №1(20). - С. 57-62.

8. Праховник А.В. Оптимальное управление электропотреблением при магистральной транспортировке нефти / А.В. Праховник, Н.В. Прокопец // Промислова електроенергетика та електротехніка. Промелектро. - 2008. - №4. - С. 50-54.

9. Праховник А.В. Планирование оптимального режима электропотребления на эксплуатационном участке нефтепровода в условиях дифференцированных тарифов на электроэнергию / А.В. Праховник, Н.В. Прокопец // Адаптивные системы автоматического управления. - 2009. - №15(35). - С. 84-90.

10. Прокопец Н.В. Основные принципы построения системы оптимального управления режимами электропотребления, использующей ресурс управления, связанный с технологическим процессом / Н.В. Прокопец ; Нац. техн. ун-т Украины «Киев. политехн. ин-т». - К., 2006. - 21 с. - Деп. в ГНТБ Украины 06.02.06, №8.

11. Прокопец Н.В. Синтез математической модели технологического процесса для системы управления электропотреблением промышленного предприятия / Н. В. Прокопец ; Нац. техн. ун-т Украины «Киев. политехн. ин-т». - К., 2006. - 37 с. - Деп. в ГНТБ Украины 27.03.06, №23.

АНОТАЦІЯ

Прокопець М.В. Керування режимами електроспоживання промислових підприємств з використанням ресурсу технологічного процесу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - Автоматизація процесів керування. - Національний технічний університет України «КПІ». - Київ, 2010.

Дисертаційну роботу присвячено вирішенню задачі мінімізації витрат промислових підприємств на споживану електричну енергію в умовах дії диференційованих тарифів шляхом оптимального керування режимами електроспоживання з використанням ресурсу технологічного процесу.

Досліджено умови побудови на промислових підприємствах автоматизованих систем оптимального керування режимами електроспоживання, які використовують ресурс технологічного процесу.

Проведено системний аналіз електроспоживання узагальненого технологічного процесу та побудовано його концептуальну модель.

Розроблено методику побудови математичних моделей електроспоживання технологічних процесів.

Розроблено структуру автоматизованої системи керування режимами електроспоживання технологічних процесів, що використовує математичну модель електроспоживання.

Запропоновано спосіб контролю електроспоживання технологічних процесів з використанням математичних моделей електроспоживання.

Досліджено режими електроспоживання експлуатаційної ділянки магістрального нафтопроводу, визначено ресурс керування електроспоживанням та можливості його використання в умовах диференційованих тарифів на електричну енергію.

Отримані наукові та прикладні результати будуть корисними для розробників автоматизованих систем оптимального керування режимами електроспоживання промислових підприємств.

Ключові слова: автоматизована система керування, математична модель електроспоживання, контроль електроспоживання, оптимізація режимів електроспоживання.

АНОТАЦИЯ

Прокопец Н.В. Управление режимами электропотребления промышленных предприятий с использованием ресурса технологического процесса. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - Автоматизация процессов управления. - Национальный технический университет Украины «КПИ». - Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению задачи минимизации затрат промышленных предприятий на потребляемую электрическую энергию в условиях действия дифференцированных тарифов путем оптимального управления режимами электропотребления с использованием ресурса технологического процесса.

Исследованы условия создания на промышленных предприятиях автоматизированных систем оптимального управления режимами электропотребления, использующих ресурс технологического процесса.

Разработаны вопросы функционирования автоматизированных систем управления режимами электропотребления в составе интегрированных автоматизированных систем управления промышленными предприятиями, включающие взаимодействие указанных систем со средствами автоматизированных систем управления технологическими процессами и автоматизированных систем учета электроэнергии, а также реализации функций управления электропотреблением и контроля электропотребления технологических процессов.

Проведен системный анализ и построена концептуальная модель электропотребления обобщенного технологического процесса. Выбор в качестве объекта исследования обобщенного технологического процесса, имеющего ограниченный технологический цикл, и обладающего свойствами, общими для технологических процессов - потребителей электрической энергии, расширяет область применения результатов исследований.

Построенная концептуальная модель устанавливает связь между параметрами процесса электропотребления, фазовым состоянием технологического процесса и скоростью его изменения в точке фазовой траектории.

Анализ математических соотношений концептуальной модели позволил выделить составляющие ресурса управления электропотреблением технологических процессов, связанные с изменением текущей скорости реализации процесса и изменением плотности распределения энергетических потребностей процесса на интервале фазовых состояний технологического цикла.

На основе положений концептуальной модели разработана методика построения математических моделей электропотребления технологических процессов, позволяющих осуществлять перераспределение мощности электропотребления на интервале времени технологического цикла при существующих технологических ограничениях.

Построение таких моделей связано с решением задач формализации фазовых состояний и технологических ограничений технологических процессов, определения функций плотности распределения энергии технологических процессов, нормализации влияющих факторов и формализации их влияния на энергетику процесса. Разработана структура автоматизированной системы управления, использующая математическую модель электропотребления технологического процесса для оптимального управления режимами электропотребления промышленных предприятий в условиях стимулирующих тарифов на электрическую энергию и контроля электропотребления.

Использование математических моделей электропотребления технологических процессов позволяет планировать траекторию реализации и режим электропотребления процесса на период времени решения технологической задачи и осуществлять контроль траектории реализации процесса в режиме реального времени в координатах фазового состояния и электропотребления с возможностью оперативного перепланирования траектории при изменении условий реализации процесса.

Исследованы режимы электропотребления эксплуатационного участка магистрального нефтепровода, определены составляющие ресурса управления электропотреблением и возможности их использования в условиях дифференцированных по времени суток тарифов на электрическую энергию. Усовершенствован метод управления электропотреблением эксплуатационных участков нефтепроводов.

Метод позволяет адаптировать неравномерность многосуточных циклов электропотребления эксплуатационных участков к условиям дифференцированных по времени суток тарифов на электрическую энергию путем планирования оптимальной последовательности технологических циклов с учетом величин отклонений их электропотребления и производительности от соответствующих значений опорного энергетического режима.

На основе полученных результатов разработано программное обеспечение, позволяющее планировать оптимальные режимы электропотребления эксплуатационных участков нефтепроводов в условиях дифференцированных тарифов на электрическую энергию.

Результаты исследований позволят разработчикам автоматизированных систем управления электропотреблением промышленных предприятий определять ресурс управления электропотреблением, связанный с технологическими процессами, и оптимально использовать этот ресурс на интервале времени решения технологической задачи.

Результаты работы также позволят разработчикам автоматизированных систем управления технологическими процессами и автоматизированных систем учета электроэнергии расширить функции этих систем по контролю за электропотреблением технологических процессов в режиме реального времени.

Результаты проведенных исследований могут быть непосредственно использованы при управлении режимами электропотребления эксплуатационных участков нефтепроводов.

Ключевые слова: автоматизированная система управления, математическая модель электропотребления, контроль электропотребления, оптимизация режимов электропотребления.

ABSTRACT

Prokopec N.V. Industrial enterprises' power consumption modes control by using the resource of technological process. - Manuscript.

The thesis for scientific degree of Candidate of Technical Sciences by speciality 05.13.07 - Process control automation. - National Technical University of Ukraine “KPI”. - Kiev, 2010.

The thesis is devoted to the problem of industrial enterprises' power consumption modes control in the conditions of the differentiated tariffs on electric energy. For increasing the control efficiency, it is suggested to use a resource, related to the technological process of the mainline. The construction conditions of the automated control systems which use such resource were researched. The analysis of the generalized technological process' power consumption was accomplished and its conceptual model was built. The construction methods of the technological processes' mathematical models for the mentioned automated control systems were developed. The structure of the automated control system was developed. The controlling efficiency questions of using power resources on an industrial enterprise were considered. The power consumption modes for technological process of oil transport by operating area of main oil pipeline were explored. The resource components of operating area's power consumption modes control and the ways of their optimal use were determined. The scientific and applied results that have been got, will be useful for the designers of the automated control systems which perform the optimal industrial enterprises' power consumption modes control by using the resource, related to the technological process of mainline.

Keywords: automated control system, mathematical model of the power consumption, power consumption modes control, power consumption modes optimization.

Размещено на Allbest.ru

...