Методы, модели и алгоритмы для системы поддержки принятия решений оптимизации потерь электроэнергии в системе электроснабжения промышленного предприятия

Актуальность темы

Эффективное управление промышленным предприятием (ПП), представляющим собой сложную технико-экономическую систему, зависит от согласованного функционирования всех ее производственных подсистем, имеющих собственные целевые функции оптимизации.

Последние годы характерны увеличением уровня стоимости электроэнергии, а также увеличением суммарных потерь в энергетике России как в абсолютном (с 79 до 103,5 млрд. кВг-ч) так и в относительном (с 8,51 до 13,1%) значениях, при том, что потребление электроэнергии в 2001 г. составило лишь около 75% уровня 1991 г /10, 18, 21/. Все это обеспечивает важность роли подсистемы энергосбережения, определяющей и контролирующей значительный комплекс управленческих решений в системе электроснабжения промышленного предприятия (СЭСПП).

СЭСПП как сложная информационно-техническая система, описывается N-мерным вектором локальных критериев управления, соответствующим типовым подзадачам СЭСПП. В данной работе из всей совокупности управляющих показателей СЭСПП (надежность обеспечения электроэнергией, поставка электроэнергии необходимого объема и качества, уменьшение затрат в системе и т. д.) выбран показатель, соответствующий подзадаче оптимизации потерь электроэнергии, что обеспечит эффективность функционирования СЭСПП в стоимостном и производственном аспектах, так как стоимость потребленной электроэнергии может составлять значительную часть в себестоимости продукции.

Сложность СЭСПП приводит к необходимости использовать для управления иерархический, или распределенный принцип. Согласно этому принципу, общая задача управления всей СЭСПП разделяется на совокупность подзадач, каждой из которых должна соответствовать система поддержки принятия решений (СППР). В рассматриваемой работе из комплекса подзадач управления СЭСПП выбрана подзадача управления оптимизацией потерь электроэнергии. Термин «оптимизация потерь» будет применяться далее в работе для сокращения следующей фразы: оптимизация системы электроснабжения промышленного предприятия с целью сокращения потерь с учетом величины финансирования проведения энергосберегающих мероприятий.

Объективно возникающая таким образом научно-техническая задача разработки методов, моделей и алгоритмов для СПГ1Р по управлению оптимизацией потерь электроэнергии в СЭСПП является актуальной и практически востребованной в управлении промышленным предприятием, потому что важную роль, особенно в последнее время, играет ведение хозяйственной деятельности любого промышленного предприятия на основе внедрения энергои ресурсосберегающих технологий.

Научной проблемой сокращения потерь электроэнергии в системах электроснабжения занимались различные ученые, наиболее известными из которых являются Г. Я. Вагин, А. А. Глазунов, Ю. С. Железко, Г. М. Каялов, А. Б. Лоскутов, B.C. Орлов, В. А. Строев и другие /15, 24, 28, 29, 37, 56, 87, 92/. В работах этих ученых проблема сокращения потерь рассматривается как чисто техническая задача и без каких-либо дополнительных ограничений. Разработкой СГ1ПР в области электроэнергетики занимались А. А. Башлыков, А. Е. Курилов, Г. Е. Поспелов, В. А. Ириков, В. Н. Тренев, А. В. Глазго и другие /8, 9, 15, 34, 35, 71, 88/. Основное направление этих СППР — выработка управляющих решений в энергосистемах и, в том числе, сокращение потерь в них, вопросы оптимизации потерь в СЭСПП в данных работах рассматривались только косвенно. Таким образом, имеются все предпосылки для разработки СППР оптимизации потерь электроэнергии в СЭСПП.

Диссертационная работа выполнялась в рамках областной целевой программы «Энергосбережение Курской области на период 2002;2005 гг.», утвержденной постановлением Курской областной Думы № 378−1П-ОД от 31 января 2002 г, а также целевой программы «Энергосбережение.

Минобразования России", которые являются составными частями Федеральной целевой программы «Энергосбережение России» (1998;2005 г. г.).

Объектом исследования является подсистема управления энергосбережением, в частности, оптимизацией потерь электроэнергии, как часть системы управления СЭСПП.

Предметом исследования являются методы, модели и алгоритмы для СГ1ПР оптимизации потерь электроэнергии.

Цель и задачи исследования

Целью работы является повышение эффективности управления СЭСПП путем разработки методов, моделей и алгоритмов для СГ1ПР по оптимизации потерь электроэнергии.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Анализ моделей и методов описания и управления СЭСПП, существующих СППР применительно к задаче оптимизации потерь электроэнергии, а также методов решения оптимизационных задач для получения управляющих решений в СППР по оптимизации потерь электроэнергии. Исследование существующих методов и методик определения потерь электроэнергии в СЭСПП.

2. Разработка модели описания СЭСПП в виде специализированного графа и матрицы путей как способа представления графа.

3. Разработка метода выбора оптимального решения на основе применения модификации метода ветвей и границ.

4. Разработка математической модели оптимизации потерь электроэнерги и.

5. Разработка структурно-функциональной схема СГШР оптимизации потерь электроэнергии в СЭСПП.

6. Проведение экспериментальных исследований по экономии электроэнергии с использованием СППР на ОАО «Электроагрегат».

Научная новизна диссертационной работы:

1. Предложено использование специализированного графа для описания СЭСПП, отличающегося комплексным применением альтернативного и группового выбора энергосберегающих мероприятий.

2. Разработана матрица пути как способ представления предложенного графа и обеспечивающая представление пути в графе от заданной вершины до некоторой конечной.

3. Разработана математическая модель оптимизации энергосбережения в системе электроснабжения промышленного предприятия на основе многокритериальных оценок, сочетающая в себе методики альтернативного выбора вариантов из некоторого множества решений и поиска оптимального варианта.

4. Разработана модификация метода ветвей и границ, имеющая меньшую вычислительную сложность и облегчающая подготовку исходных данных за счет осуществления неполного перебора вариантов.

5. Предложено и обосновано использование метода анализа иерархий (далее МАИ) для выбора энергосберегающих мероприятий.

6. Разработана структурно-функциональная схема СППР оптимизации потерь электроэнергии в СЭСП1Т, позволяющая произвести многокритериальный выбор энергосберегающих мероприятий при ограниченном объеме финансирования.

Практическая ценность работы определяется следующим:

1. Разработана программная реализация СППР, позволяющая получить оптимальное решение и предложить рекомендации по выбору энергосберегающих мероприятий при фиксированном размере финансирования;

2. Повышена эффективность использования денежных средств предприятия, выделяемых на цели энергосбережения, за счет выбора группы мероприятий, обеспечивающих наибольший экономический эффект, т. е. за счет получения оптимального решения;

3. Разработан комплекс критериев для применения МАИ при выборе мероприятий по энергосбережению, позволяющий получить более полную оценку эффективности предлагаемых мероприятий по сравнению со стандартными методиками;

4. Решены практические задачи с использованием методик, разработанных в диссертационной работе. По результатам работы, на насосной станции ОАО «Электроагрегат» внедрен частотно-регулируемый привод на основе тиристорного преобразователя частоты AT 04−055−3001. Годовой экономический эффект от внедрения составляет 342 тыс. руб. Предложены рекомендации по модернизации системы электроснабжения ОАО «Электроагрегат» и ОАО «Михайловский ГОК" — разработан комплекс мероприятий по энергосбережению для Курского драмтеатра им. А. С. Пушкина.

На защиту выносятся:

• специализированный граф для описания СЭСПП и матрица путей, как способ его представления;

• математическая модель оптимизации потерь электроэнергии и модифицированный метод ветвей и границ для выбора вариантов энергосберегающих мероприятий;

• структурно-функциональная схема СППР оптимизации потерь электроэнергии в СЭСПП.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научных семинарах кафедры «Электроснабжение» Курского государственного технического университета и на научно-технических конференциях в городах Москве, Хмельницком (Украина) и Курске.

Реализация и внедрение.

Результаты работы внедрены на ОАО «Электроагрегат» и в учебном процессе на кафедре «Электроснабжение», что подтверждено актами о внедрении.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ.

1. Разработан ряд требований, предъявляемых к программному обеспечению СППР, и рассмотрено взаимодействие лица, принимающего решение, с СППР, разработана структурно-функциональная схема СГГПР по оптимизации потерь электроэнергии в системе электроснабжения промышленного предприятия.

2. Разработаны алгоритмы работы отдельных модулей и блоков СПГ1Р, в частности, алгоритмы обработки матрицы путей и модифицированного метода ветвей и границ, реализовано программирование СППР по оптимизации потерь электроэнергии в СЭСПП.

3. Предложена методика определения потерь электроэнергии в элементах СЭСПП с учетом реального графика нагрузки, обеспечивающая повышение точности (на 5−7%) по сравнению со стандартными методиками.

4. Показан пример принятия решения при выборе мероприятия по экономии электроэнергии на насосной станции ОАО «Электроагрегат». В результате принято решение о внедрении частотно-регулируемого привода для электродвигателя насоса на основе тиристорпого преобразователя частоты AT 04−055−3001. Данное предложение внедрено с годовым экономическим эффектом 342 тыс. руб., что подтверждается актом о внедрении.

5. Приведен пример решения задачи оптимизации потерь электроэнергии для участка цеха ОАО «Электроагрегат». Получена зависимость эффекта от объема финансирования, изменяющегося в некотором интервале.

6. Проанализированы зависимости Е (К) и E/K (N) и предложено использование оценки эффективности принимаемого решения (при заданном К). При использовании этих данных ЛПР может выбрать наилучшее решение общей задачи (в рамках промышленного предприятия) оптимизации потерь электроэнергии, что является целью рассмотренного процесса управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Разработана информационная модель управления СЭСПП с учетом подчиненности и иерархии отдельных структурных подразделенийразработана схема управления процессом оптимизации потерь электроэнергии на промышленном предприятии.

Предложено использование специализированного графа (дерева), содержащего характерные точки (вершины) системы электроснабжения, дуги графа определяют технико-экономические мероприятия экономии электроэнергии, в предложенном графе имеется альтернативный выбор мероприятий и групповой выбор.

Разработана матрица путей как наиболее удобная форма представления специализированного графа СЭСПП, что показано практически путем сравнения с другими формами представления.

2. Предложено и обосновано использование для выбора альтернативных мероприятий метода анализа иерархий, позволяющего получить более полную оценку эффективности предлагаемых мероприятий по сравнению со стандартными методиками.

3. Разработана математическая модель оптимизации потерь электроэнергии в системе электроснабжения промышленного предприятия, сочетающая в себе методики альтернативного выбора вариантов из некоторого множества решений и поиска оптимального решения (количества вариантов, обладающих максимальным эффектом при выполнении условия ограниченных капитальных вложений).

4. Предложен модифицированный метод расчета на основе метода ветвей и границ, сочетающий в себе достоинства данного метода и переборных методов, позволяющий сократить время поиска оптимального решения.

5. Разработана структурно-функциональная схема СППР по оптимизации потерь электроэнергии, т. е. система, позволяющая произвести выбор некоторых энергосберегающих мероприятий из списка при ограничении по финансированию программы энергосбережения на предприятии. Разработана программная реализация данной СГ1ПР при широком использовании баз данных, в частности, БД оборудования, мероприятий, показателей, матрицы путей и т. д.

6. Разработаны основные алгоритмы работы СППР, включающие в себя алгоритм модифицированного метода ветвей и границ, алгоритм обработки матрицы путей и алгоритм расчета потерь электроэнергии по графику нагрузки трансформаторной подстанции с учетом времени работы и простоя.

7. Решены практические задачи с использованием методик, разработанных в диссертационной работе.

По результатам работы на насосной станции ОАО «Электроагрегат» внедрен частотно-регулируемый привод на основе тиристорного преобразователя частоты AT 04−055−3001. Годовой экономический эффект от внедрения составляет 342 тыс. руб. Предложены рекомендации по модернизации системы электроснабжения ОАО «Электроагрегат» и ОАО «Михайловский ГОК».