автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Теория и методы анализа электропотребления перегрузочных процессов и оптимизация электроснабжения портов

! 1 1 О 3 1

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫ!: МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Ш О Ш и И Н ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ТЕОН1Я И 11ВГОДЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОПОТРЕЕШШ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ и ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛШСГРОСНАЕЙЕЙШ ПОРТОВ

Спзцизльность - 05,09.03 8лок?ротегт'лзс1П1с* яснплог-сп и сиотеин, в«я,т:ая их уприжннз ц рзгулпрозсшнз

АВТОРЕ О 15 Р А 'Г диосорт&д!!'.: на сонспапи-з уюнол сяепонк доктора ?о:.;н:':ч<:ск!',:: кз,,<':

Лонлигра.;'. 199 [

У.') / /

Работа выполнена ь Ленинградском институте водного транспорта.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кудрин Б.И. , доктор технических наук, профессор Рубисоь Г.Ь. доктор технических наук, профессор Вилесов Д.Ь.

Ведущая организация - Ленинградский институт по проектированию на речном транспорте (Ленгипроречтранс).

Защита диссертации состоится октября 1991 г

в 0<> на заседании специализированного совета Д Ub3.2a.Uii в Ленинградском государственном морском техническом университете (190008 Ленинград, Лоцманская ул., 3). О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке морского технического университета.

Автореферат разослан

.Ученый секретарь специализированного совета канд.техн.наук, доц.

Ь.Ф.диденко

S 5 1 о

г ОБЩАЯ ХАРАКХЕШСВЩА

«иССерта^й\

—Актуальность теш. Вопроси рационального использования электроэнергии в промышленности, поиск методов научного обоснования оптимальных решений п электроснабжении промышленных предприятий ; для сокращения расходов энергетических, материальных и трудовых ! росурсоз иевгда стояли в центре интересов исследователей промышленной электроэнергетики. По море развития электрификации производства названные проблемы решались и развивались многими поколениями советских учёных и иииемороБ-знергетииов. их усилиями был достигнут прогресс данной области э"оний и практические результаты 13 совершенствовании снергоиспользовагая в промышленности, методов исследования и проектирования систем промышленной электро-анергатики.

Однако в последнее десятилетне возникло противоречие между достигнутым уровнем теории и нота-и задачами развития прзмишлен-ного электроснабжения, определенным: "снергсанчоскоЯ программой СССР на длительную перепектину". Существо отого противоречия состоит в том, что теория не дает ясных ответов на вопрос, как зависит злектропотрзблгмш от характеристик техники, технологии и организаций производства, особонно при его структурном изменении, т.к. применяемые методы анализа основаны на вмпнричесной информации j но связанно?! б явном ридо с факторами производственных условий. Опийю-с^атистаодсккс кзгоды планирования елакгродотрзб-лен:;л м его корипрэштя» допуезаошэ Госйланоы кг,г: исключение, йртенштей ftait ttpästteo. При акгшзэ и сшгссав систем сявк(фоснаб-ясняя oicjTcibyai chötchHos рассмотрение} отдельное подсистема проектируются раздельно на основа интуитивного подхода пж! еври-cnniecMix алгоритмов, по обладай?«: необходимой универсальностью « но гарантирущих оптимальней psmeimft.

В этих условиях ресурсосбережения трактуется кап любое сокра-с;сниэ расходов и таким образом сиеимьаы'сд два различных по сути направления ресурсосбережения: борьба с расточительностью и оконо-Ш1 я в полном смысле ¡этого слова, когда в соответствии с народнохозяйственны™ задачагш на основе шучнс-технйческого прогресса в технике, технологи« и научной организации труда снижаются объективно необходтже затраты ресурсов. Именно по этии причинам в Решении общего собрания отделений фиьико-техиических проблем энергетики ЛИ СССР и АН УССР от ¿6 миг. ¡Л«г года среди главных' на-

правлений научных исследований в области промышленной электроэнергетики названа необходимость "... шире развернуть научные исследования по разработке конкретных рекомендаций с целью достижения оптимальных уровней електрификации всех отраслей народного хозяйства и основных производственных процессов...".

Порты, единичная установленная мощность электроприёмников которых достигает 100 МЬт, годовой расход электроэнергии Ь0 млн-кВт ч и максимум нагрузки 10 ЫЬт, по сравнению с промышленными предприятиями обладают радом особенностей как по составу электроприёмников, так и условиями формирования систем электроснабжения. Зто, преаце всего, сезонность работы, спрос на электроэнергию, определяемых стохастическим транспортным процессом даке при его регулировании, особые условия функционирования электроустановок, режим их работы и линейное размещение основного энергоёмкого оборудования вдоль относительно узкой полосы причального фронта, с также организация ..роизБОдстьа, под котором следует понимать по-грузочно-раэгрузочные работы. Зто существенное своеобразие ввделя-ет порты в особый класс систем промышленной электроэнергетики, исследование которого представляет самостоятельную проблему. Цель работу. Целью работы является решение научной проблемы ресурсосбережения ь электроснабжении портов, обеспечивающее рациональное расходование и экономию электроэнергии, снижение материальны;: затрат на систему электроснабжения, сокращение трудоёмкости проектирования и эксплуатации электроснабжения портов.

Для достижения этой цели последовательно решались слодуацйо' задачи:

I) исследование ¡акономерностей формирования потребности в электроэнергии для заданной техники, технологии перегрузочные работ • и родима работы порта;

к) обоснование аналитических методов определения олектричос-ких нагрузок, параметров режима олзктропотребления и показателей внергоёмкосга для различны; уровней организационной структура 1: системы електроснабления портов;

3) разработка методов синтеза спстеш электроснабжения пс. основб ш^ю^лко-математичссган: моделей и строги;; алгоритмов поиска оптимально решений, отвечаициз; условиям функционирования норм и режиму его електропотребленик}

4) автоматизация проектирования систем электроснабжения и анализа елентропотребления с помощью ЭБй и разработка методики

оптимизации электроснабжения нак подсистемы СА1.Р береговых объектов водного транспорта;

5) разработка методики оценю! на Уш текущего состояние систем электроснабжения п процессе эксплуатации, приведения их к оптимальному состоянию и обоснование оптимального пути развития при росте электрических нагрузок,

ШШ2ав.й£<УШ1ШШШИЗд. Для решения указанных задач использованы методы теории вероятностен, случайных функций и теории массового обслуживания, математическое, статистическое и имитационное моделирование, линейное программирование и кластерный анализ. При исследованиях широко использовались УЪЛ, а результаты теоретических исследований проверялись путём натурных экспериментов.

I. Сформировано понятие объективной потребности ч электроэнергии как функции характеристик применяемой техники, технологии и организации перегрузочных работ, определена структура ей анализа и по-новому опрзделен смысл ¡экономии электроэнергии.

'¿. Обоснованы методы анализа режимов электропотробления для различных уровней системы электроснабжения, основанный на системном анализе функционирования порта и зависимости от интенсивностей транспортных потоков «.обработки флота

. 3, Решены общпз I! прикг.эдныо задачи по аналитическому определению потребности в электроэнергии, параметров режима элёктропо-требления и снергоёмкости технологических процессов портов»

4. Обоснованы принципы и мэгодн синтеза систем электроснабжения портов, удовлетворккцпх обтлктгпмуп потребность в электроэнергии, оптимальных сгоиомнчосга и способных к оптимальному развитию в услосилх ¡эксплуатации в соответствии с развитием портов.

1. Разработаны и реализованы на ЭШ методики расчёта электри-ческих нагрузок и показателей слоргоёмгсости перегрузочных проиос-сов.

2. Разработан и внедрён ;> прозктнуя практику комплекс эадтг как подсистема САПР по оптимизации электроенпбкения портов.

Создана и доведена до практического использования методика оценки на ЪОЬ'. текущего состояния системы электроснабжения, определения оптимального пути её развития, сроков и объёмов реконструкции для приведения к оптимальному состоянию.

4. предложены методики анализа эксплуатационных режимов олектропограбления, нормирования удельных расходов и эффективности использоьанин алектроанзргии, а также выполнения оценки производственной деятельности по энергетическим показателям.

Всё ото позволило обеспечить повышение эффективности процес- . сов проектирования и эксплуатации электроснабжения, снижение трудозатрат и повышение обоснованности принимаемых решений.

Результаты исследований в видз практических методик, нормативов и рекомендаций нашли отражение в разработанных под руководством автора 8 руководящих технических материалах, утвержденных Минречфлотом РСФСР. Подсистема АСУ "Расходы топливо-энергетических ресурсов" передам в эксплуатацию Горьковскоцу речному порту в составе "АСУ-порт". Подсистема оАЛР "Оптимизация электроснабжения портов" используется при проектировании с 19Ь5 года в проектных институтах: Ленгипроречтранс, Гипроречтранс, Укргип-роречтранс. По разработанным методикам по заданиям Г'лавПорта Мин-речфлота РСФСР, пароходств и портов проведены оценка, обоснованы объёмы и пути реконструкции более 40 портов.

Основные результаты и методы используются в учебном процессе Ленинградского института водного транспорта при изучении дисциплин "Электроснабжение береговых установок", "Организация, планирование и управление электрохозяйством", преддипломном курсе лекций и дипломном проектировании, а также при чтении лекций и проведении практических занятий на ФПК инженерно-технических работников при Ленинградском институте водного транспорта.

Лпробация_работьь Основные положения диссертационной работы по мере их разработки и получения результатов докладывались на научно-технических конференциях ЛИЫ'а, проводимых совместно с JI0 HTU водного транспорта с 1976 по I98B годы, на научно-технических конференциях в Новосибирском и Московском институтах инженеров водного транспорта, в Яенинх:радском инженерно-экономическом институте им.П.Тольятти (май i960), на республиканских соьещакиях-семинарах энергетиков речных портов (г.Ленинград, 1977 и iüöb), республиканской конференции "Современные проблемы энергетики" (г.Киев, октябрь 1985), секции Центрального правления ШЪ£Ш (гЛенинград, апрель 1SÖ7), всесоюзной конференции "Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления промышленных предпри-

тий" (г.Миасс, сентябрь 1987), на IX и X сессиях всесоюзного семинара АН СССР "Кибернетика электрических систем" (г.Новочеркасск, сентябрь 1987, октябрь 1988), а также на научных семинарах Мое- ' ковского энергетического института (апрель 1908) и Киевского политехнического института (июнь 1988).

П^бликаушь По материалам диссертации опубликовано 37 печатных работ.

Стр2ктура_и_объём_диссертациил Работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложений, изложена на 366 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 68 таблиц.

Первая глава посвящена системному описанию электрохозяйства портов, выявлению особенностей фуншдионирования, технологического и энергетического своеобразия, а также оценке состояния исследуемой проблемы и её соответствия современным задачам электроонерге-~ тики. На этой основе определены задач! данного исследования.

Вторая глава содерзкит обоснование методов экспериментального исследования электропотребления и результаты натурных экспериментов и статистического моделирования резтмои электропотребления.

В третьей главе излагаются методы и результаты моделирования репшоо олектропотрсблекмл электромеханчческнх систем машин и установок, перегрузочных процессов и порто» в целом.

Четвертая глава посгж^ка обосноганип аналитических методов расчёта нагрузок, угольных расходов'электроэнергии и параметров рзш/а олектреиотрсблешя для ршэяшнпх гадов мошчости и уровней системы электроснабжения,

В пят?;"; главе обосконывактся сснов.чу? принципы формализованного' синтеза систем электроснабжения и оптимизации их параметров.

Шестая глава содерзкит списание разработанных практических методик автоматизированного проектирования и оценки действующих си-с?см электроснабжения, а такте энергетическую и экономическую ОФ-фоктивность внедрения результатов исследований.

В приложениях приведены акты внедрения результатов работы.

ЦиДЫ-'ШйЬ PAbOïu

Ьлектрохозяйство портов с системной точки зрения рассматривается в трех аспектах: подсистема онергвтической системы, техническая система, производственная система, lia этой основе выявлены системные характеристики, основные требования и системе и цели её функционирования, а также произведено разделение олектрохозяйства как технической системы на ряд подсистем ио функциональному назначению, показана система связей и отношений ыи.мду частями, дли электрохозяйства как производственной системы построено дерево цепей, позволившее полнее уяснить его функции и задачи исследования различных сторон деятельности.

Ь'ассмотреннио общие характеристики олектрохозлйства портов как энергетической, технической и производственной системы показали, что оно обладает многофакторнь1Ш условиями функционирования, сложными и различными принципами организации, ьылолненный анализ по научной литературе определений сложной системы, её свойств и сравнение со свойствами ¡электрохозяйства портов показал, что применение системного подхода правомерно ио следущим основным причинам: входные воздействия (заявки на электроэнергию) имеют вероятностную природу, определяемую стохастическим характером транспортного процесса д&^е в условиях ого регулирования; составляйте систему электроснабжения части (питанная сотв, трансформаторные подстанции, распределительная сетв) содержат конкурентную ситуацию, когда изменение одной части приводит к изменению другой, а их качество оценивается противоречивыми, конкурирующий критериями и, наконец, сумма электрических нагрузок электрюприёмников не сводится к групповой нагрузке (общее иное, чем сумма частей} простым суммированием.

Признание системности электрохозяйства и его системы электроснабжения определило методы дальнейшего исследования его технологических и энергетических характеристик.

Первоначально были проанализированы структура грузооборота портов, динамика его изменения и распределение ио основным бассейнам страны и различным портам, особенности технологии переработки различных грузов. Рассмотрены распределения установлении.! мощности ыевду электроприёмниками и основные статьи расхица оьергсшческнх балансов портов, которые характеризуется тем, что ul-Uw'b пи установленной мощности и 'â-UV-Vi но олектронотреблению составлял1 электроустановки перегрузочных машин и механизмов. Анллнз ро!.,еьи не-

пользования этого технологического оборудования показывает, что коэффициент использования по времени составляет от 0,3 до и,ЗУ от фонда навигационного времени и имеет тенденцию к снижению, определяемую повышением эффективности транспортного процесса в целом. Проанализировано также распределение объёма перегрузочных работ по периодам гоца и величины машинного времени перегрузочных маснн при их использовании на различных грузах. Результаты анализа показывают, что более 0(Н общего объёма выполняется со И-Ш кварталах года, а коэффициент включения электроустановок составляет 0,38-0,5 на штучных грузах, 0,7~0,Ь4 - на лесных и 0,Ь-0,92 -■ на навалочных грузах.

Рассмотрение годовых графило» потреблении электроэнергии портов с различным общим потреблением показало, что несмотря на различия все они имеют выраженную сезонность потребления, характеризующуюся соотношением навигационного и межнавигационного потребления приближенно как 3:1.

Рост грузооборота водного транспорта неизбежно требует развития портов исходя из их места в транспортном процессе. к> если рост грузооборота носит плановый, предопродолонный характер, то соответствующее развитие электрической базы, как правило, не планируется. Поэтому было, выполнено исследование связи можду грузооборотом портов и установленной мощностью перегрузочного оборудования. В результате было получено следующее общее уравнение зависимости прироста установленной мо-дности § Р^ от прфоста грузооборота £ Л : ...

£ р3 « а * 8 , (I)

где а » 1,828-0,0915 +0,00195 й* ;

В - -0,728+0,0762 -0,00122 й* определяется исходя из среднегодового прироста грузооборота Д .

Данная модель прогнозирования роста Ру была разработана на уровне 1973 года, а в 1903 году была проверена правомерность её примеиешя. Получешшо результаты показали, что она с погрев-ностыс не Солее 10$ позволяет прогнозировать роет Р^ для портов и пароходств со сложившейся структурой грузооборота, оеиоенной проектной мощностью и обоснованны!! резервом пропускной способности т.е. для объектов с нормальным техшко-эк'оном1ческим развитием. Значительные отклонения результата прогноза от фактического в

меньшую сторону говоря? об излишней перегрузочной технике, не оправданной объёмом грузовых работ (порты восточных бассейнов), в больщую - отсутствием резерва пропускной способности (ВолгоДонское пароходство).

Исследованные свойства электрохозяйства портов, их систем электроснабжения и признания необходимости системного подхода выявили недостатки существующих методоз анализа электропотребления перегрузочных процессов к методов синтеза систем электроснабжения портов. Это определило основные направления данного исследования. '

В конечном итоге создать систему электроснабжения - это выявить потребность в электроэнергии и установить способ её удовлетворения. Отсюда выдвинуты два взаимосвязанных исходных положения.

I) Для заданных технологических и производственных условий и применяемой техники существует объективно обусловленная характеристиками этих исходных факторов потребность в электроэнергии. Задачей анализа, следовательно, является достоверное выявление этой потребности и установление её зависимости от соответствующих факторов: интенсификации производства, научно-технического прогресса в технике и технологии, научной организации труда. Решение этой задачи предложено строить на следующих выдвинутых принципах;

Рассмотрение потребности в электроэнергии осуществляется на системной основе, т.е. электрохозяйство рассматривается как целостность, а окончательное решение по каждому из уровной системы электроснабжения достигается на компромиссе между подходами от общего к частному и от частного к общему;

единственной объективной реальностью признается непрерывный (неосреднённый) график потребления мощности (энергии) технологической установкой, процэссом или объектом в целом, эквивалентирование этого графика для получения необходимых расчётных величин должно осуществляться по строгим критериям;

основой определения энергоёмкости являются электроприёммш: машин и механизмов, электропотребление которых должно определяться аналитически или моделированием на ЭШ;

расчётные электрические нагрузки, удельные расходы электроэнергии и показатели режима потребления должны рассматриваться как единая энергетическая задача проектирования и эксплуатации электроустановок.

2) Для каждого значения потребности в электроэнергии соъехта, .ориентированной во времени и пространстве, долина существовать определенная система электроснабжения, которая характеризуйте* минимумом затрат на своё создание, эксплуатацию и развитие ^ соответствии с изменяющейся потребностью в электроонергии. Задача синтеза, следовательно, состоит в строгом (объективном) определении параметров этой системы и строиться на следующих принципах:

методы должны реализевызать системный подход в смысле обоснования параметров части системы с учётом целого;

главным системообразующим свойством является объак,:;;п;;г..г. потребность в электроэнергии, ориентированная во ьреу.^и ли.-еяран-стве. Преобразование этой потребности в расчётные ¿-¡¿груз::« .'¡о ступеням иерархии системы (уровням) определяет её параметра с ¿чёгом технических ограничений;

процесс принятия решений может быть формализуем на бауе зко-номика-математических моделей;

свойства системы должны отвечать минимуму приведенных оатрат за определенный расчётный период;

система должна быть приспособлена к изменению режима и параметров электропотребления и оптимальному развитию.

В соответствии с этими принципами и решались поставленные задачи.

С точки зрения диалектической связи необходимости ч ности при постановке задач и разработке экспериментальных л-.этодов анализа преследовалась цель рассмотрения случайных проявле.чт;Я процессов для установления в конечном итоге закономерного внутреннего содержания, т.е. главной целью явилось совершенствование методэз экспериментального анализа на основе более глубокого понимания информации об электропотреблении как результате научно-техничаской деятельности в области техники и технологии.

В соответствии с вышеизложенными принципами ¡график эледтрч-чес5<ой нагрузки анализировался как случайная функция, для чего были-определены необходимая длительность рсаглзацли, условия стационарности и эргодичности, необходимая скорость дискретизации исходного процесса для обработки на ЭВМ по частоте включения электроприводов перегрузочных машин как характеристики.спектра частот графиков их нагрузки. Исходя из цикличности работы перегрузочных машин и экспериментальных материалов были обоснованы модели корре-

лящониых функций и способ их ашроксима'дш, а также метод оценки спектральной плотности по обоснованным моделям корреляционной функции. Б отличии от применяемых методов корреляционного анализа графикой электрических нагрузок предложена определять значения корреляционной функции с помощью представления исходного, неосред-нённого графика нагрузки процессом со стационарными приращениями.

Данное предложение вытекает из того,, что при традиционном применении корреляционно!! теории для надежной оценки корреляционной функции и спектральной плотности необходимы.тысячи и десятки тысяч наблюдений, что, как правило, недостижимо ъ практических приложениях стой теории-в области ьлсктрических нагрузок, uoатому получаемые оценки является слишком ориентироьочными и силу следующих причин:

для оргодачеекого процесса значения корреляционно;;. функции ( % ) быстро убывают с ростом Т , а стандартные отклонения сценок k ( Т ) примерно одинаковы, И!.л « порядок J^j п -Т , где fi - число наблюдений;

соседние оценки k (Т ) !:оррелз:роьини между собой. Иоатому при на очень большом ¡1 , ниеицим место в действительности, приходится резко ограничивать wtcJio максимальных .тагоь корреляционной функции.

Преимущество модели процэоса со стационарными при рвениями, разработанной А.Н.Кодиогоров;^, дает возможность определить значения К СС ) исходного процессы, через значения струлт^-пой функ-"ции DÎT) процесса со мациоиариыми прирав1ениг.:.и.

К (Т) - >2 [!)(--•) -Г(Т)]. Ui

Поскольку D ( 'L ) для стационарного процусса опрсделкс-тся с меньшей ошибкой, чем К v 1 ), то при экспериментальном определении надежные и достоьериые данные г.алучавтан при П около тысячи данных.

При анализа перегрузочная малаша иошмал&иь как единая электроустановка, независимо от числа составляющих сь электроприводов. Предложенные методы анализа и гипотезы относительно характеристик случайных функций графиков электрических нагрузок проверялись на полученных из натурних зкспериу.а;.Ч)п афиюхх ит'ившх к реактИи-"ннх нагрузок перегрузочных машин на различных родах Tpjpa. йкспе-рименталышй материал прецстасляет собой записи гр&шкоь нвгрузки

на самопишущих приборах.

Результаты анализа индивидуальных графиков нагрузки перегрузочных машин показали, что:

процесс потребления электроэнергии является стационарным и эргодичным;

распределение ординат графика несимметрично, а математическое ожидание (средняя мощность) не совпадает с наиболее вероятным значением;

нормированная корреляционная функция периодична, затухает при увеличении Т и может быть описана выражением

кСГ) = е-!Г1Т'(сО&^Т - ^ 51П ут) } 13)

где у = - определяется средней продолжительностью цикла

, а сС по процедуре аппроксимации экспериментального материала; для расчетных моделей значение сС может быть принято по соотношению , которое равно для навалочных

грузов - 0,32, для штучных - 0,9Ъ;

спектральная плотность имеет пик в зоне малых частот, т.е. спектр является узкополосным, а дисперсия процесса в основном определяется частотами колебания в пределах 0,<! Гц.

Эти результаты положены в дальнейшем в обоснование расчётных методов. Поскольку большинство средств изменения, используемых а практике энергетических измерений, дают осреднённые графики нагрузок, то была обоснована и разработана специальная методика расчёта корреляционной функции исходного неосреднённого процесса по его осреднённым оценкам.

Показатели режима потребления электроэнергии исследовались как случайная величина. В качестве показателей рассматривались: коэффициент использования установленной мощности за цикл работы машины, вариация графика нагрузки. Были обоснованы необходимый объём выборки, способ её разбиения для повышения точности оценок и способ обработки статистической информации, при этом влияние случайности ограничено рамками одного рода груза. Но этому призна-"V с учётом технологических особенностей разнообразные грузы разбиты на три группы: навалочные, лесные и штучные. Априорно была выдвинута гипотеза о нормальном распределении значения среднецик-ловой уо'цнссти перегрузочных машин.

Уга гипотеза ochoш,далась, во-первых, на закономерном изменении энергоёмкости в зависимости от рода груза, а, во-вторых, на случайном изменении технологических факторов, ни один из которых не является преобладающим: время цикла, конечные точки положения груза, число включений электроприводов в цикле, колебания веса подъёма груза, квалификация портовых рабочих и т.д.

В качестве исходной информации использовались ранее упомянутые графики нагрузки, которые усреднялись по циклам. Б результате анализа получены оценки величины коэффициентов использования для различных грузов: навалочные - Ки =С,ч93, 6"ци =G,U9b; лесные -Ки =0,385; 0-Кц =0,Н; штучные - к„ =0,¿95, <5"к„ =0,0'7Ь. При этом подтвердилась гипотеза о нормальном распределении среднецикло-вой мощности или -коэффициента использования, одновременно было об- ' наружено, что большей средней мощности соответствовала большая дисперсия графика нагрузок. Исследование зтого явлении дало возможности получить корреляционные ураьнениим связи между Км и'коэффициентом вариации V • Результаты экспериментального анализа электропотребления дали возможность в дальнейшем использовать модель нормального распределения и характеризовать цикловую нагрузку перегрузочной машины двумя коэффициентами Ки и V- .

Трудности получения достоверного экспериментального материала' ' по электрическим нагрузкам групп перегрузочных машин, связанные с режимом их использования в портах и особенностями построения электрических сетей причального фронта, предложено преодолеть с помощью статистического моделирования'на сйм. исходными данными для моделирования являлись индивидуальные графики перегрузочных машн, tía ЭВМ осуществлялось суммирование их со случайным сдвигом, распределенным по закону равномерной плотности, и полная обработка полученной статистической инфорлацда. При моделировании в отличие от еущеетвувдей практики анализировались все три ьида мощности: активная, реактивная и полная. Выполненные расчёты показали, что при количестве машин, начиная с двух, закон распределения ординат Иеосредненных. графиков может быть принят нормальным как для активной, так и для реактивной .мощностей. Пошмо индивидуальных статистических характеристик графиков были проанализированы показатели связи между активными и.реактивными нагрузками. /

Полученные результаты как характеристики электропотребления позволяют составить общее представление о процессах, происходящих в электрических системах портов. Однако даже при изложенных выше новых методах экспериментального анализа эта информация является "

недостаточной для решения многих актуальных задач электроснабжения. Было признано, что построение методов расчета электропотребления на чисто статистической основе не имеет перспектив развития, т.к. требует непрерывных, многотрудных и обширных натурных исследований для приведения статистических показателей электропотребленин в соответствие с непрерывно меняюцимися производственными условиями. Кроме того, в противовес установившейся концепции о случайном характере процесса элоктрспотреблешя было выдвинуто положение, что стохастическим является производственный процесс, а электропотребление возникает закономерно, Поэтому дальнейшая работа была направлена на поиск аналитических методов определения исследуемых параметров электропотребления. С этой целью первоначально был проанализирован процесс возникновения потребности в электроэнергии на всех ступенях системы электроснабжения от требований конкретной работы (установки) до точки присоединения к энергосистеме. Объективная потребность в электроэнергии рассматривалась как фуин ця трёх групп факторов:

физико-технических, определявших физические закономерности преобразования электроэнергии в другие виды энергии в заданной технической структуре электроустановки машины-орудия»

технологических, учитыванцих изменение энергоёмкости в зависимости от принятой технологии использования мшшны или механизма, технологических требований к электроустановке и нормативов труда;

оюганизационных, влияющих на электропотребление в зависимости от принятой организации погрузочно-разгрузочных работ и эксплуатации.

Б связи с большой трудоёмкостью учёта всех факторов при про-вецении расчётов был выбран метод"моделирования на ЬЬМ с ориентацией на получение численн х значений, первоначально была проанализирована энергоёмкость электромеханических систем с электродвигателями типа МТН, 4МТН, АО и 4А. Ряды номинальных параметров этих двигателей были аппроксимированы зависимостями, что значительно сократило необходимую базу данных, моделирование осуществлялась для стандартных режимов при различных значениях Пв, числа зкллчь-ний в час, коэффициента инерции, требуемой механический м частоты вращения, а также стандартных (типоьих; способах пуска и торможения. Ь р^а^льтате расчётой определялись параметра ^/¡¿ла., характеристики олоктрсприлсда, прог сдались проверки н! нагель, дм~ лам» ческу и перегрузочную способность, г>ос.ле вм<3|^>аяся лод-

ходящий электродвигатель. Затем для каждого момента времени (через 0,1 о) рассчитывалась полезная мощность и потери мощности, формировался график изменения потребляемой мощности и определялись его характеристики Ки и V" . выполненные массовые расчёты позволили выяснить влияние параметров режима работы и рабочей ыашинь ш влектропотребленив и, в частности, зависимость величины установленной мощности от правил выбора мощности электродвигателя по трём критериям: нагреву, перегрузочной и динамической способностей. Результаты моделирования показали, что при одной и той же мощности, требуемой для машины, показатели алентропотребления отличаются в 2-3 раза и зависимости от значзния неучитываемых ныне факторов: числа включений, момента инерции, габарита двигателя и т.п. .'¿то подтверждает неудовлетворительность действующей методики определения расчётной (электрической нагрузки по некоторым обобщенным коэффициентам, принимаемым, как правило, боа учёта свойств и условий функционирования конкретной электроустановки.

Влияние на влентропотребленин перегрузочных машин технологических и организационных факторов анализировалось на основе имитационного моделирования погрувочно-разгруаочных работ при применении основной перегрузочной техники портов - портальных кранов, а качэотвв технологической и организационной бааы моделирования были приняты нормативы технологии и времени а соответствии с типовыми технологическими схемами на погруаочио-раегруаочные работы в портах, утверзденкые соответствующими ведомствами. На етой основе рассчитывались циклограммы работы механизмов крана для каждого варианта перемещения грузй, определялись длительность цикла крана И фактические значения 1Ш каждого электродвигателя» при расчёте параметров циклограмм по заданным линейным и угловым перемещениям груза для каждой операции принималось, что скорость в процессе равгона и торможения изменяется линейно. Длительности разгона и торможения электроприводов принимались равными и обосновывались для механизма подъёма исходя из допустимого ускорения, а для механизмов поворота и изменения вылета стрелы - по проведенным предварительно расчётам для известных конструкций кранов соответственно 7 и 3 с. Коэффициенты загрузки механизма подъёма определялись в соответствии с родом груза и применяемыми -грузозахватными приспособлениями,

Первоначально для каждого электропривода рассчитывались моменты на валу для всех операций и режимов. Цри моделировамш, помимо частных оацач определения электрических величин, необходимо-

было решить задачу перехода от моментов (мощностей) механизмов к потребляемой из сети мощности электродвигателя. Коэффициенты полезного действия механизма подъёма определялись: "при подъёме груза

-4

. ~ О! I4)

Ч п.Мех. = [(Ц

при спуске груза

г

ном.мех

= 2 -

Мвх

(5)

где оС = 0,58 (I - ^„„р,. - коэффициенты постоянных потерь. Коэффициенты полезного действия электродвигателей при всех текущих (частичных) загрузках ка[ благодаря исследованиям В.Н.Шорина возможно определить по формуле

Чг-

4 +

(< " 5 нон ) - ч»м )

Ни ^„ьи (\ - Б »он К я)

(6)

где Ч ,5 - каталожные данные значений к.п.д. и скользнем "»и

жения.

В соответствии с изложенным рассчитывались нагрузочные диаграммы каждого электропривода, которые затем суммировались для Каждого момента до получения графиков активных и реактивных Нагрузок за цикл работы крана. Г1о этой информации определялись: средние активные и реактивные нагрузки, среднеквадратичные отклонения гра-' фиков, а также удельные показателя- Ки » Ур Т/ъ. • ^ Ч'с « коэффициент использования грузоподъемности, удельный расход на переработку грузов в зависимости от параметров перемещения груза (высоты подъёма и опускания, угла поворота и изменения вылета стрелы), принятой технологии и организации грузовых рабоф на различных причалах портов.

Проведенные массовые расчёты и обобщение полученных результатов показали, что оНи не противоречат данным натурных экспериментов, с одной стороны, и дают более широкую и обоснованную картину исследуемого явления, с другой.

Использование результатов исследований транспортного процесса па водных перевозках грузов, построенных на теории массового обслу-

■эдванчя. и эксперименты, проведенные в составе данного исследования,

подтвердил;!, что грузопоток в портах удовлетворительно описыуаетсл моделью простейшего потока, а число заявок (судов) на обслуживание за любой фиксированный интервал времени распределено ро закону Пуассона, В общей теории обоснования порта как системы кассового обслуживания используется модель системы с очередью, что позволяет определить еффективную структуру порта, число причалов, ¿t резервы пропускной способности. При исследовании элэктропотребдения порт понимается как данность и в этом случае требованияt находящееся в очереди, теряется для обеспечения электроэнергией в данный момент и поэтому можно использовать модель массового обслуживания с отказами. Для успешного функционирования участка порта, спецйшдази-рованного по определенному роду груза, необходимо, чтобы число причалов fli было не меньше приведенной плотности Судопотока

Mi, где At - интенсивность I -го судопотока» Vi - интенсивность обработки судов на 1 -ом специализированно« причале.

Если порт имеет tn. участков, специализированных по разным родам груза с количеством причалов И \ на каждой участке ( I = 1,2,.,., tn ), то поступающие на них грузопотоки интенсивности At являются независимыми. Тогда каждый из участков может находиться в некотором состоянии jt , которое характеризуется количеством судов, находящихся под обработкой, или количеством занятых причалов - Jt «= 1,2,,.., ni . Вероятности состояний Vl(j=V»j(t) могут быть определены по системе уравнений в матричной форме

D[VJ - ГAJ [VJ

(7)

где

в = dAt -iv,i

оператор дифференцирования

- вектор вероятностей состояний i -го участка, а матрица [Ai] имеет вид

-А; v¿ О 0 . . 0 0

А; -(Al* Vi) ¿Vi 0 . . 0 0

[А,] . О * Ai -(Ai'íVO SVí . . 0 0

О О 0 o . . ■ Ai - П; Vi

С учетом того, что вероятности состояний группы причалов (участка) связаны соотношением = 1 - . . . - VI » то выра-

жение (7) примет вид

В ММ = [ДЛГЛЫВ.]. (о)

Соотношение (8) позволяет найти вектор вероятностей'стационарных состояние

[У*} = - [а,Г[В] . .

Полученное решение в виде

позволяет найти различные характеристик злектропотреблэгаш порта. Математическое ожидание мощности X, потребляемой I -ьм участком при условии, что в момент 1=0 участок находился в состоянии М; для моментов времени 0 может быть определено

Ыо)Х^иММ , «о

где = 1,2,..., ГЦ} /{1- мощность одного причала.

Потребление мощносш портом опрэделится исходи из состояния его участков ={](,•••; ]т] .'где С =1,2,..., I -

число возможных состояний. Взролуноеть нахождения порта в иомзит I в состоянии 2{ равна , догорая характеризуется равенстга-

!Л1

( 4(20 « У(/], • ъу . . ] £ = { •

V Ь;

(И)

Первое.равенство спрздзллотсл К'гпгисжостыз грузопотояоа участков, второе - тем, что Ь набероэ состолгшП образуй? полную группу событий.

Математическое ожидание мощности порта

м{х(0} - £ (12)

1 СИ 1м

характеризует некоторое стационарное состояние электропотребления порта. В отличие от существующей теории, которая обычно оперфует с нагрузками Хтаки Хе, вводится новое, дополнительное понятие - средняя мощность стационарного состояния X м • Если принять, что в момент 1=0 мощность равна Хтх , то в момент 1т0<3 будет иметь место

М { К«») = + Хт ; <13>

где Д - стационарные состояния участков, характе-

ризуемые средним Числом занятых причалов.

Особый интерес представило выяснение закономерности перехода от максимума Нагрузки к стационарному состоянию. Расчеты пр< различных т , ги , X1 , VI , XI позволили установить характер этой зависимости от рода груза, технологии переработки груза и характеристик транспортного процесса. В результате уравнение (9) преобразуется в аппроксимкруодую зависимость вида

;<(!) - + (х™* - е"а\ Ш)

где а - некоторая функция интенсивности судопотока А; и

Интенсивности обработки судов , определяемая по результатам расчёта уравнения (9). Таким образом была обоснована методика построения графика по продолжительности нагрузки аналитическим путём и преодолена условность его графического определения.

Полученные результаты стимулировали дальнейшие исследовании по аналитическому описанию режимов электропотребления, а именно: установление частоты возникающих максимумов нагрузки, их единичной длительности И е конечном, итого построения аналитической модели »'руппових графиков вдоктриЦеской нагрузки.

Расчётный график по Продолжительности нагрузки позволяет определись суммарную длительность Нагрузки Хк , но не даёт длительность единичного события, когда набдвдается эта нагрузка, йпвтоцу для решения отой задачи предложено названный график раз-

(15)

бить на две группы:

К при { К5> Хк} и N при | X < Xк} .

Тогда матрица интенсивностей переходов [А] может быть разбита на четыре подматрицы: [А им] . С А км МА ик] и [А ни]• Состояния К и IV несовместны и, если система находится в состоянии К , то К = I, а, М = 0. На этом основании условные вероятности по состояниям внутри группы И будут распределены

ук(х|к-о - .

а решение системы уравнений, описывающих процесс перехода

[V,] = ук(х|к-\) в[Л:п • (16)

Элементы вектора состояний являются несовместными, т.и, наблюдается только одна нагрузка, ч^о дай? вероятность пребывания системы в состояниях группы К : /(«, я |УкШ] , гдо ~ зданичный 'вектор.

Тогда средняя длительность максимума величины л«

равна

м(Ц.([сГ [в^^ги^-м'сл«]"^] , (17)

а число таких максимумов за период а равно

о а

I таки;

Выполненные расчёты по установлению обнаруженных закономерностей, аппроксимация с их псмоцьр реальных роншов олейтрспотрсЗ-ления выявило, что аналитические Иодоп обладаю'." хорошей сходимостью с натурными графинам» нагрузки, ото дало основание ут^ер-здать, что разработанная методика позволяет перейти от ныне применяемого графического представления рэг.имов аяэктропотрсОлзнии и эго аналитическому описают, отрадащему тог-нолошиземю 11 оргаки-агщисшшз условия функционирования оОгшста споДОр^фИкацни.

Обосновании» аналитически об»;ш ¡закономерности форшронашл и параметров элентропотрэбления позволили сформировать изТоды расчёта электрических нагрузок и удельный расходов с-лентро-энергии.

В соответствии с различными функциональным назначением электроустановок и степенью обобщения аяектрапотреблекая система электроснабжения была разделена на 3 уровня:

Уровень I (У 1) - кабель перегрузочной машина, питательная нолон-

ха, распределительная сеть 0,4 кЬ. Уровень £ (УЙ) - трансформаторная подстанция. Уровень 3 (Уз) - распределительная и питающие линии высшего напряжения.

Для У X характерны! резкопеременный характер нагрузки с вариацией нагрузки V" > I, йначительная протяжённость линий,' неопределенность точек присоединения к сети, вызванная перемещениями перегрузочных машин вдоль причального фронта,

Исходя из втого для У I предложены следующие расчётные нагрузки >

среднеквадратичная X в - для выбора сечения линий по условию нагрева;

средняя Хс - для проверки выбранных сечений по потере напряжения!

пиковая Хпики её длительность - для проверки сети по допустимым колебаниям напряжения.

Эти нагрузки определяются путём эквивалентирования неосредненных графиков нагрузок, получаемых моделированием технологических процессов погрузки-выгрузки на специализированных причалах. Хоти исходным является непрерывные грефши нагрузки перегрузочной машины. Главным в расчёте сети является нагрузка питательной колонки, т.к. из-за Перзмещзиик маши: возможно различное сочетание нагрузок в различных точках сети. Для суммарной нагрузки У 1 принята модель нормального закона распределения нагрузок и, следовательно, они " могут, учлгывая независимость г.опонтов включения маяын, исчерпывающе описываться двумя первыми моментами:

- | Хс1 \ 63., - /Iе"' (18>

В ооответотвии с размещавшем перегрузочных улшин и планами их технологического переглзцешл для каздой питательной колонки выбирает-' ся максимальная но воомошых нагрузок, которая и используется в дальнеГшых расчёта,..

Для У 2 характерны: значительная степень обобщения нагрузок, вависящая ох числа подстанций и их мощности, большие резервы перегрузочной способности трансформаторов, возможные, изменения числа трансформаторов на подстанции.

Это определяет расчёт для У 2 следугщих нагрузок:

среднеквадратичная сменная Хэсм ~ лля пнбора номинальной мощности трансформатора j

максимальные часовые Х9 - для проверки трансформаторов на перегрузочную способность;

минимальные часовые X е m;n - для обоснования числа трансформаторов и ступеней регулирования компенсирующих устройств;

пиковые X лик - для определения колебаний напряжения и способ его регулирования.

Следовательно, потребовалось обосновать закономерности связи б -нагрузок о Исходными нагрузками У I и законы их распределения. В существующей теории ¡электрических нагрузок обоснование закона производится по эффективному числу элекгроприёмшков- П j .3 настоящее время в технической литературе и руководящих материалах по расчёту нагрузок принято считать, что названный закон является нормальным при П s > 5. Эта рекомендация получена на базо - экспериментальных исследований. Однако работа большинства электроустановок циклична и, рассматривал в качестве исходных параметры нагрузок за эти технологические цйкды, можно обосновать закон распределения осредненных нагрузок иным способом.

В .соответствии с' теоремой Ляпунова распределение среднего значения, полученного из независимых испытаний относительно одной-и той же случайной величины, при увеличении числа Испытаний стремится к нормальному-распределению. При этом на имеет значения распределение самой случайной величины, лишь, бы это распределение имело конечную, отличную от нуля дисперсию (условие Линдеберга).

' Применял зтЬт вывод к цикличному процессу потребления электроэнергии переГруэочния машинами, можно заключить: распределение нагрузи! длительности 8 зависит от соотношения ^^t» • от числа независимых испытаний.

С точки зрения практики предложение о нормальности выборочного распределения хорошо оправдывается при > 10, При 0 = 60 мин, а tij. от 0,5 до б'мин., это соотношение больше 10 и можно считать закон распределения нагрузок длительности 0 нормальным. Это даёт возможность исчерпывающе характеризовать расчётные нагрузки сродним значением и среднеквадратичесюш отклонением. Эти моменты можно определить по исходном нагрузкам У I, используя случайную величину Бернулли

^ Г I с вероятностью р

? [Ос вероятностью ср = I - р •

На »том основании случайная величина X в • е® математическое ожидание и дисперсия искомых нагрузок может быть записаны

Хе = Хс ^ ; Х0С = ХСМ(£) ■ рХс; =

{ X с (19)

В качестве оценки вероятности предложено принять соотношение эксплуатационной и технической производительностей за один тот же период 6 : р « ■

Тогда

■Х«с"Л ; вх. - Хвс \1 4 . (20)

Максимум в -нагрузок и их расчётная величина определяются на основе выражения (14) и через коэффициент формы графика за смену

X 9 си ~ Хс(ч

= У^тт^г + -ж '

_ х

где К* = ""'^Ул» • Проверка на перегрузочную способность трансформаторов, выбранных по неравенству Зт.ном £ 5См . осуществляется по нера-

венству 5 ,м*//''8т.Н«м к п*( > ГД0 коэффициент перегрузки кц,р по ГОСТ 14209-69 может быть аппроксимирован для длительности перегрузки ■ 1 = I ч выражением <= 1,949 - 0,971 5Уз гни* .

Обоснованные 0 -нагрузки применяются и для У 3, но при наибольшей степени обобщения нагрузок. Итогом расчёта нагрузок является величина совмещённых максимумов нагрузки для точки присоединения к энергосистеме.

Обоснование метода расчёта активных, реактивных и полных нагрузок по предложенной схеме расчёта потребовало выяснения вопроса о влиянии компенсации реактивной мощности на разных уровнях системы и закономерностей распределения полных нагрузок как функции, получающейся в результате нелинейных преобразований нормально рас-

где

пределенных Р и 0 Для этого система зависимых случайных величин Р и (3 была преобразована к системе независимых случайных величин II и V с совместной плотностью распределения

0-;« ♦ Св<плу ♦ Гц I *1а *с'<31<,

СГ¡(ип'г*ГтаУ- гмЬ(п ■

г* %, а

Па - коэффициент корреляции менаду Р и (3 . Выполненное дифференцирование н поолэдущее

интегрирование дало-возможность получить плоТносТо распределения полной мощности в виде

№3 сЫ {- * Ж>] >

где ]9 * - функция Бесселя нулевого

V порядка от мнимого аргумента.

Для получения дисперсии полных нагрузок применен метод линеаризации функций .

«г

ог9а=

Откуда с учётов (22) получается

в с • (25)

Учёт компенсации реактивной мощности осуществляется для различных

уровней системы следующим образом. Средняя реактивная мощность

индий!,пуаяьннх нагрузок определяется как

и

<3с« в Ос- Г £1 , иС))

где. 0.К[ - мощность батареи кондеьсат^ров, присоединяемой к !- -ому электродвигателя перегрузочной маиины;. - продод&иуельиостъ склк^екмя I -го •.•»лен^роьриао^з.

Среднеквадратичное отклонение

При централизованной компенсации на подстанции изменяется только значение (2вс »т.к. вычитание неслучайной величины не меняет среднеквадратичного отклонения.

После выполненных необходимых обоснований стало возможным сформировать следующие алгоритмы расчёта нагрузок

Ри-к^Рц "> О^-М^и ;

SCi - |/ ft? + ОД s9i-yl^TJ".

После определения характеристик всех видов 9 -нагрузок по формулам (20) и (21) расчётные нагрузки могут быть определены

* Pec + Р* ] Q; » «ее + К^е,]

где ft, = I,Ь определяет вероятность превышения нагрузок, равную 0,067.

Для получения той же вероятности превышение полной нагрузки необходимо было обосновать соответствующую кратность отклонения , которая определяется вероятностью попадания точки с координатами ( J2>4 6"v , Ц, Cv ) в эллипс рассеяния

= к4.

После необходимых расчётов и преобразований

р* - Рус Ь* г ш

и 50р - + рг б-3е •

Параметры пиковых нагруэон определены исходя из вида корреляционной функции (3) и уэкополосности спектральной плотности по формулам:

среднее число нагрузки Х(0 выбросов за уровень а. в единицу времени ______

ч/ Г (а- Хс£)а 1

Уа - 1-1г~ ед:р ] I (оо)

средняя продолжительность ьыброса

где у^ ( с>(.г - коэффициенты корреляционной функции суммарного графика нагрузки:

Таким образом определяются расчётные нагрузки и параметры режима электропотребления отдельных установок, участков и причалов (районов) и порта а целом.

При нормировании удельных расходов электроэнергии за исходную величину принимается удельная норма расхода электроэнергии перегрузочной машины, определяемая моделированием на Эш и выражаемая формулой

- к* Р30п ,

где время щкла " , вео подъёма. &п и . км определяются

нормативами технологии перегрузки и родом груза.

В связи с различным направлением грузопотоков (порт ьыгрузки и порт погрузки) для порта определяются несколько норд для различ*

mux гариантоп перемещения групп (кВт ч/т-on): судно-вагон ( W'm ) и обратно, еуцно-склап, ( W~H1 ) и обратно, склад-вагон и обратно ( VV-Hj ), тыловой склад-вагон ( ), прикордонный склад-тыло-

чой склад и обратно ( W"hs lla основе указанных норм определяются нормы по причалу: для прикордонной механизации и^н.прик = = (I - cL ) W-m + cC w%u +- J* YtHi ; (

и тыловой механизации y\a-ht - (оС - + oL w-hs) >

где oL - коэффициент прохождения груза через склад;

ji - коэффициент повторной перевалки груза со склада; - коэффициент повторной перевалки груза с тылового склада.

По этим нормам может быть рассчитано потребление причала при известном грузообороте:

Wnp в п (v^H.npi(K + WHt )

и норма удельного расхода электроэнергии для всего порта в виде

- |4 ni/nH46 , (34i

где (li и Пнн - годовой грузооборот { -причала и всего

порта соответственно. Задача оптимизации распределения электроэнергии обоснованной выше величины по территории порта была сформулирована следующим образом: определить параметры системы электроснабжения, обеспечивающие минимум затрат на передачу, преобразование и распределение электроэнергии заданной потребности.

Требуется минимизировать функционал вида

пи m 6. /1,4 flc)

при следующих ограничениях:

равенство переданаемих электроприёмнику мощностей его расчётной нагрузке

I Sll я Spl ) j - 2, ... , ПН .

1:9

равенства нагрузки группы здектроприёмников каждой подстанции мощности трансформаторов при коэффициенте их загрузки :

допустимость загрузки трансформаторов подстанции: выбора одного варианта мощности из мноы.-сгпа допустимых:

неотрицательности передаваемой мо^юсти:

Бг] 2 0.

При решении этой задача предполагается, ".го сеть, низшего напряжения выполняется радиальной.

Оптимизаций электроснабжения методами линейного программирования является эффективной особенно в случае, если задается множество точек возможного размещения подстанции. Если же вто не аа-даётся, то решение ьюкно получить, нанеся на генеральный план прямоугольную сетку, линии которой проводятся через некоторое расстояний (обычно 20-Ь0 м). при реаенли последовательно перебираются варианты разме:цения подстанции в узлах этой сетки. Размерность задачи требует непремешюго применения при расчётах £¿4. Однако такой полной перебор является неэффективным дале при использовании 2Ш. Попытки избегать стого приводят к прк-.'енепн^ различных эвристических алгоригнов, при которых прсектаро^к или заказчик пр&дьарителыш исходя на спита намечает и ь&довт ^^ ицтересум.шь его местоиилоиеыш возмотлих подстанций на г..ьанальном плане. В целом г-вристичееитз алгс£ит»:й, логическая сухость котсрых осноьиоаетсл на интук-пьикх способах ь процессе ьир&соткп ра15юналыюго решшт, не ^Оладаы; снойстьсм универсальности.

Поиск более точных (объективных) и универсальных алгоритмов причёл в конечном итого к применению для достижения поставленной

цели методой кластерного анализа.

Смысл данного приложения кластерного анализа заключается в том, что сонокупнооть из П. олементов разбивается на множество Пг подмножеств (кластеров). таким образом, чтобы каждый элемент принадлежит одному и только одному подмножеству разбиеьа-ния и разбиение удовлетворяет некоторому критерию оптимальности кластеризации.

Выли проведены исследования, позволившие отобрать из имеющегося множества критериев кластеризации критерии -£4 -норма и момент нагрузки, как наиболее полно отражающие внутренние взаимосвязи в электрических сетях.

Помимо критерия кластеризации необходимо было определить метод кластеризации, в качестве которого был выбран среднесвязываю-щий метод, по которому объединение групп электрических нагрузок определяется по расстоянию между центрами масс групп. Процедура кластеризации определялась сочетанием выбранного критерия, метода кластеризации и итогового числа кластеров. Она осуществлялась последовательно: сначала формируется множество возможных группировок, а затем проводится последовательное объединение кластеров до тех пор, пока все элементы не образуют один кластер и, наконец, из полученного множества определяется оптимальный кластер по минимуму затрат.

Последовательная процедура кластеризации для определения числа и мест расположения подстанции, а также группировки электроприёмников по подстанциям, в строгой форме выражает логику, которую используют проектировщики и которая описывает внутренние связи, действующие во всякой системе электроснабжения.

Под кластером в данном случае понимается группа электроприёмников, питаемых от данной трансформаторной подстанции. Этапом кластеризации называется один определенный вариант присоединения электроприёмников к трансформаторным подстанциям.

На начальном этапе процедуры кластеризации каждая нагрузка рассматривается как кластер, для питания которого устанавливается отдельная подстанция. Затем две ближайшие в смысле принятого внутреннего критерия кластеризации нагрузки объединяются.

В качестве внутреннего критерия кластеризации предлагается использовать момент электрической нагрузки :

где j) - номера электоопшёмкиков;

Р( , Р/ ~ нагрузка электроприёмкков; Хь> X}, ^ , ^ - соответствующие координаты электроприёмников.

Данный критерий кластеризаг;:и в матсматичоской форме выражает следующий принцип: чем меньше нагрузка и чем она ближо к подстанции, тем больше вероятность её питания от зтой подстанции-и, наоборот, чем нагрузка больше и расположена дальше, тем больше вероятность её питания от другой подстанции.

На текущем этапе кластеризации объединяются два кластера, для которых внутренний критерий достигает гв'лод.'ального значения, т.е.

= ? I Ф ]

Новому кластеру { I, ] } будет соответствовать суммарная нагрузка Р^- = Р; Р; , а цеятр кластера определится координатами

^Ч 1 р1; р.;

Объединение двух кластеров» содержащих более одной нагрузки, осуществляется среднесйяоываш?«« методом, т.е. объединяются два таких кластера кп и кт , для которых момзнт электрической нагрузки

---------...

с{тп --- Хп)'+(уп~цпу-п11п{рп,?т} Сев)

принимает минимальное значение

Процесс продолжается до объединения всех злектроприёмников а один кластер с питанием от подстанции, расположенной :з центре электрических нагрузок объекта

Б результате рассмотренной процедуры по окончании процесса кластеризации образуется "П. вариантов системы электроснабжения. Последовательная процедура кластеризации имитирует процесс укрупнения мощности трансформаторных подстанций, сопровождающийся снижением затрат на линии высшего напряжения и подстанции и увеличением затрат на линии низшего напряжения. Вследствие этого суммарные приведенные затраты шда

(п4 <) - к 2(к-0

Z 36. + Z 3 + X Зм. ш

¿ — < ' л

на множестве вариантов будут иметь минимум и могут Сыть использованы в качестве внешнего критер!я оптимизации.

Здесь к _ номер этапа кластеризации; ^ ^ % ^ соответствующие номера линии высшего и низшего напряжения и трансформаторной подстанции, ( О -р ~ затраты соответственно на линии высшего и низшего напряжения и трансформаторные подстанции.

Реализация этого алгоритма на йШ позголило обеспечить строгий и эффективный способ оптимизации системы электроснабжения.

Обоснование конфигурации распределительной сети проводится отдельно для каждой подстанции.

На первом этапе принимается, что число кластеров равно числу электропрнёмников. Затем на основе критерия - норма определяются такие два кластера, для которых Ы - т£гг и формируется новый суммарный кластер. Таким' образом образуется новое множество кластеров числом л - ) ,

Ьри последовательном повторении процесса образуется множество состоящие из < М -<:),( п - 3) и т.д. членов.

Конфигурация сети на каждом етапе определяется как последовательное (млгкетральное) соединение влек тропри ёмии ков внутр! каждого кластера. '1см сами-м на каждом етапе определяется граф электрической сети С-р и соответствующие затраты на сеть:

5 н« ¿Е ' 3

л

рИ Ое " Г ' (41)

£„ Кр* + ♦ Ур*

где ^f>t - капитальные еложбния на участок сети ;

И Л - стоимость потерь ояектроэнергии на участке сети р! У^Д - вероятный ущерб ва год от перерывов электроснабжения на участке pt

Итоговое (оптимальное) одело кластеров и соответствующая ему конфигурация (т £ 0р1 определяется по минимуму затрат.

Обоснование конфигурации сети высшего напряжения осуществляется после оптимизации числа И мощности подстанций. В результате

исходными данными являются: номинальные мощности подстанции и требования по бесперебойности электроснабжения. Требования по бесперебойности электроснабжения уповлетиормл'сн прнши.-ышм радиальной схемы сета, включением резервных лини!) или решением вопроса за счёт резервирования питания олектроприёмников ha низшем напряжении.

Задача выбора оптимального сечении .питакцей линии сформулирована следующим образом; необходимо обосновать такое сечение питающей линии высшего напряжении, затраты на создание и эксплуатацию которой в сумме с затратами на носливуюцио реконструкции, обеспечивание необходимую пропускную способность, были бы минимальными.

Для получения об;,¡его решения относительно оптимального сечения питающих линий был применен метод планирования эксперимента. В качестве основных ({акторов, влияющих на выбор сечения кабелей, были рассмотрены:

суммарная начальнап нагрузка подстанции Sи ( к¿¡.А; ежегодный прирост установленной мощности олектроириёмникои

Д Р . М

номинальное напряжение питающей линии Umom, ко. Начальная нагрузка олектрсприёкников изменялась в пределах от 150 до. £000' кБ-А, темп роста установленной мощности от ¿ до ííc/h.

Факторы So и л Р были зафиксироизнн н/i шести уровнях, а ({актор Uhom - на двух (6 и 10 кЬ).

Ii итоге сечсннп кабельных линий напряжением 10 должны вы-бират1.сл по окинемнческсй плотности тока при ежегодном приросте установленной мощности более ь,ь по максимально возможной мощности трансформаторов, установка которых допустит баз изменения строительной т:п.сти подстанции, a пчевпо:

или {.дно- и !>ч!'ухтрансСоруа?орноп подстанции 1-го габарита -чОО и oUÜ но л соответственно;

дли очно- и двухтрансформаторной подстанции ¿.-го габарита -1000 и 2С00 кБ А соответственно.

Пги ежегодном приросте установленной мощности менее оjo сечение питающих кабельных линий выбирается по расчётный нагрузке равной

sT = s0 (^ТйР) , ítú¡)

где Т

- расчётный период.

Изложенная методика обоснования сечений высоковольтных линий даёт возможность обеспечить экономичность принимаемых решений на этапе Т развития электроснабжения объекта.

Для обобщения задачи синтеза систем электроснабжения была создана имитационная модель порта, с помощью которой на ЬШ был;; проведены расчётные эксперименты, позволившие установить закономерности связи оптимальных параметров электроснабжения и переменных внешних параметров: величины, интенсивности и соотношения грузопотоков различных родов груза, геометрических размеров порта и механовооруженности его причалов, а также роста электропотребления при изменении производственной деятельности. 13 результатр были получены обобщенные характеристики для оценки параметров электроснабжения, не требующих подробной разработки проекта и пригодные для укрупненных расчётов на этапе технико-экономического обоснования энергетической базы портов и сравнительных оценок в условиях эксплуатации.

Изложенные выше принципы, методы и алгоритмы были положень: в основу разработки комплекса задач подсистемы САПР "Электроснабжение береговых объектов", входящую в отраслевую программу автоматизации проектирования. На этой х:е основе была .разработана методика оценки на ЭВМ текущего состояния систем электроснабжения действующих портов, итогом которой помимо выяснения соответствия параметров системы технико-экономическим требованиям, является определение способов приведения её-к оптимальному состоянию с учётом существующей структуры. Разработанные методы анализа и синтеза позволили также предложить методы обоснования параметров системы электроснабжения с учетом её развития при росте нагрузок. Оптимальный путь развития выбирался по минимуму затрат за определенный расчётный период. Исходя иа отого определены: правила выбора исходных параметров при проектировании и пути'реконструкции в процессе эксплуатации. Выявленные связи между электропотреблением и характеристиками техники, технологии и организации портов сделали возможным анализ производственной деятельности по электроэнергетическим показателям, а частности, предложены оценки квалификации операторов по удельному расходу электроэнергии, режима грузовых работ по графику электрической нагрузки, а оф^ктивности структуры и механоооорукепности причалов порти - Цо времени использования максимальной нагрузки. Таким оиризом.показана ъузмилсьость поставить технологический учёт и анализ на энергетическую основу.

В завершении работы была выполнена оценка энергетической и экономической эффективности разработанных методов, методик и их практического приложения для решения задач проектирования и эксплуатации электрохозяйства портов.

3 А К Л и "I II Н И В

Существующая теория и практика электроснабжения основывается на опытно-статистических методах анализа электропотребления, интуитивных или эвристических методах синтеза систем. Это приводит к наличию большого количества ведомственных методик, не сводящихся в общую теорию, и требует постоянного проведения трудоёмких натурных исследбваний.

Практическое приложение существующих методов не гарантирует получения оптимальных параметров систем электроснабжения и приводит к избыточности электроустановок. В рамках этих методов затруднительно обосновать рациональный, а тем более оптимальный, уровень электрис{мкации производства. Отсутствуют возможности связать параметры производственной деятельности и' соответствующие параметры электропотребления. В итоге существующая теория не может служить базой для обоснования ресурсосберегающей политики.

В диссертации разработаны теория и методы аналитического ' определения параметров электропотребления исходя из непосредственного учёта производственных и технологических факторов обслуживания судов в портах, методы синтеза, реализующие строгие алгоритмы обоснования оптимальных решений в электроснабжении портов.

Это дало возможность получить решение научной проблемы ресурсосбережения в электроснабжении портов, имеющей важное народнохозяйственное значение, как совокупность следующих выводов и результатов

I. В основе оценки эффективности знергоислользования должна лежать объективная потребность в электроэнергии, обусловленная уровнем применяемой техники, технологии и организации производства. Экономия электроэнергии должна пониматься как разность между значениями объективных потребностей для разных производственных условий, а расточительный расход - как разность между фактическим электропотреблением-и его объективным уровнем. Разработанные методы аналитического обоснования объективной потребности позволили

Ьи

создать необходимую нормативною базу электропотребления портов и определить основные пути экономии электроэнергии.

2. Ренимы электропотребления и показатели енергоёмкости могут быть адекватно представлены математическими моделями на ЭВМ, которые базируются на аналитическом описании техники и нормативной технологии и стохастическом представлении режима работы порта. Ьто позволило перейти от графического и статистического описашй злектропотребления к его аналитическому представлению и создать основы методики оперативного и перспективного прогнозирования энергетических процессов и производственных системах портов.

3. Установленные закономерности формирования параметров алектропотребления от степени его обобщения по уровням производственной структуры и системы электроснабжениг, подтвержденные експериментально, реализованы в методике расчёта электрических нагрувок, в которой обобщенные электрические нагрузки определяются ца базе системного рассмотрения порта и его потребителей. Применение этих методик расчёта активных, реактивных и полных нагрузок позволяет снизить избыточность элементов систем электроснабжения и расходы на оплату электроэнергии,

4. Методы синтеза систем электроснабжения могут быть построены на экономико-математических моделях, а применение кластерного анализа для формирования технически допустимых вариантов позволяет сформировать множество возможных решений, гарантирующее наличие оптимального. Формализация методов синтеза систем электроснабжения портов и автоматизация этого процесса на Ьт привели

к созданию подсистемы САЛР береговых объектов л тем самым позволили сократить трудоёмкость и затраты на проектирования, обеспечить получение технически целесообразных и экономически эффективных проектных решений

Ь. Обобщение задачи синтеза с помощью.имитационной модели порта, реализующей стохастические входные воздействия, переменную структуру и параметры портов и противоречивые критерии для различных частей системы электроснабжения, обеспечило получение оптимальных характеристик электроснабжения портов, которые пригодны для обоснования основных характеристик энергетической базы портов беа разработки проекта при технико-экономических расчётах и в эксплуатации.

б. Приложение обоснованных принципов и разработанных методов для оценки текущего состояния электроснабжения действующих

3'7

объектов и автоматизация этой сцсшш на ЭВМ дают возможность повысить эффективность эксплуатационного анализа, снизить его трудоёмкость и обоснованно планировать развитие и реконструкцию систем электроснабжения портов..

7. Выясненные технико-экономические связи параметров системы электроснабжения г условиями разлития объектов и ростом их электропотребления определили рекомендации по выбору первоначальных параметров и их изменения, что обеспечивает экономию матер1альных затрат на систему электроснабжения аа определенней расчётный период её существования.

8. Аналитическое решение задачи обоснования электропотрвбле-ния позволило решить обратную задач у - осуществление енэргетическо-го анализа производственной деятельности.и эффективности структуры порта более информативными, чем прнкачлолые ныне методами.

9. Практическое применение разработанных методов и методик показывает, что за счёт оптимизации электропотребления и параметров системы электроснабжения может быть достигнуто: снижение затрат на систему электроснабжения (до , уменьшение договорного максимума нагрузки (на экономия электроэнергии за счет снижения потерь и удельных гасходов (на '¿&/о>, а также повышение производительности работы при проектировании и эксплуатационной сценке систем электроснабжения (в I,'¿-2 раза)

Основное содержание и результаты исследований опубликованы в 37 печатных работах, в числе которых'

1. Васендин В.Н., Иоамн Ь.А. Электрохозяйство предприятий речного транспорта. Учебник для вузов водного транспорта. М., Транспорт, 1985, 310 с

2. йоимш В.Л, Проектирование и эксплуатация систем электроснабжения береговых объектов. Учэбкое пособив. Л., 1985, 56 с.

3. Расчёт и проектирование электроснабжения речных портов (РШ 212.0119-81) Л., Транспорт, I9B2, 40 с

4. Руководя7;'!!«} указания по проектированию электроснабжения, речных портов. М., Транспорт, 1966, 35 с-

5. Методика оптимизации на ЗШ электрохозяйства речных портов (FTM 21й.0049-75) Л., Транспорт, 1977, 7а г.

6. Инструкция по наблюдениям и исследованиям на судоходных гидротехнических сооружениях. Ч.Ш. Электрооборудование. И., Транспорт, 1978, 1И8 с.

7. Расчёт и выбор электрооборудования судоходных сооружений. (РТЫ 212.0116-82) М., Транспорт, 19ЬЗ, 64 с.

В, Правила технической эксплуатации перегрузочных маши речных портов. Л., Транспорт, Х9ЬЗ, ¿00 с.

9, Правила технической эксплуатации электрических сетей и подстанций речных портов. Л., Транспорт, с.

10. Электроприводы портальных и плавучих кранов. Требовании к расчёту и проектированию. {РШ Л2.00Ь0-Ь4) Л., Транспорт, 1985, 47 с.

11. Системы электроснабжения речных портов. Методика оценки технического состояния и оптимизация параметров на ЗШ. (Р1Ы 212.0043-84) Л., Транспорт, 1985 , 60 с.'

12. Шоишн В.А. Учёт технологических факторов при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения речных портов. Сб. научн.тр., ч.У, Л., 1971, с 100-109.

13. Шошшн В.А. Связь режима электрической нагрузки портальных кранов и технологического режима переработки грузов. Сб .научи«, тр., ч и» Л., 1971, с 31-4314. Шошшн Ь.А. Исследование показателей электрических нагрузок портальных кранов с помощью моделирования на ЗШ. Сб.научи, тр., 1У, Л., 1973, с 24-35.

15. Шошшн В.А. Использование статистических характеристик электрических нагрузок портальных кранов дня расчёта электрических сетей партой. В кн.: Электрификация и автоматизация водного транспорта, Л., 1975, с 112-115.

16. Шопмш В.А. Анализ производственной деятельности речных портов Но электроэнергетическим показателям. В кн.: Совершенствование управления с-нергетичесйим хозяйством и рациональное использование топливо-энергетических ресурсов. Л., 1931, с 91-97.

17. Шоашн В.А. Исследование связи между грузооборотом порта и установленной Мощностью Портальных кранов. В кн.: Эксплуатация Перегрузочного оборудования речных портов. (Тр.ХИВТ. Вып.174). Я., Транспорт, 1982, с ИЗ-И5.

18. (Ношмнн В.А. Расчет параметров электрических нагрузок перегрузочных маши для проектирования и анализа систем электроснабжения портов. В кн.: Технология судостроения,' судоремонта и организация судостроительного производства (Тр.ЛИиТ, яып.1ао) Л., Транспорт, 1983, с 111-114.

19. Хомяк И.Д., Шошмин-В.А. исноьные принципы оптимизации электроснабжения береговых объектов речного транспорта. В кн.: Электропривод и автоматизация производственных прогпссов на. речном транспорте, Новосибирск, 1983, с 90-95.

20. Лялина И.Г., Хомяк И.Д., Шошмин В.А. Применение имитационного моделирования в расчётах электроснабжения речных портов.

В кн.: Электрооборудование и автоматизированные системы управления судов, гидротехнических сооружений и портов. Л., 1983, с 105-109.

21. Шошмин В.А. Повышение технико-экономических показателей береговых объектов на основе оптимизации параметров систем электроснабжения. В кн.: Развитие и экономическая эффективность использования материально-технической базы речного транспорта. (Тр.ЛИВТ, вып.185). Л., Транспорт, 1984,-с 27-31. -

22. Шошмин В.А., Святкин А.Н. Исследование электрической нагрузки перегрузочных кранов и определение средств повышения знер-гоэкономичности перегрузочных процессов. В кн.: Автоматизированный электропривод. Новосибирск, 1984, с III—I19.

23. Шошмин В.А. Исследование энергетики электромеханических систем различного технологического назначения. С011С АН .УиСР, Киев, 1985, с 85-86.

24. Хомяк И.Д., Шошмин В.А. Решение задачи оптимизации электрических сетей и подстанций методами кластеризации. Ин-т электродинамики АН .УССР, Киев, 1985, с 100-101.

25. Шошмин В.А. О повышении точности расчётов электрических нагрузок промышленных предприятий. Пром.энергетика, 1986, № о,

с 46-47.

26. Самосейко В.Ф., Ьошмин В.А. Оценивание корреляционной функции случайного процесса по усредненным реализациям. Заводская лаборатория, 1988, № 7, с 98-101.

Отпечатано на ротапринте ЛИВТа,эак.!£ №

16.07.91 тир. 100

весплотно