CC BY
7
УДК 681.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-92-97
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПТИМАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ МОРСКИХ СУДОВ
А.С. Бордюг
В современной концепции управления электропотреблением принято, что основой взаимодействия между поставщиком и потребителем электрической энергии «...могут быть только товарно-денежные отношения. Только в исключительных случаях можно использовать другие правила, но и они должны быть обусловлены договорными обязательствами (предаварийные и аварийные ситуации)». В данной статье рассматривается метод управления электропотреблением интеллектуальных энергоэффективных систем морских судов и предлагается реализация оптимизированного по выбранному критерию распределения между потребителями директивно заданного энергосистеме ограничения по активной мощности при максимальной нагрузке. В процессе функционирования описанной системы управления факторами, возмущающими график активной нагрузки потребителя, как в свободном режиме электропотребления (без системных ограничений), так и в вынужденном (с ограничениями) будут предсказуемые и непредсказуемые технологические параметры, которые принципиально не могут быть проконтролированы энергосистемой. При оценке управляемости электропотребления со стороны энергосистемы необходимо учитывать не только совпадение во времени процессов потребления электроэнергии, но и их разобщенность в пространстве. Поэтому предлагается ввести в рассмотрение три пространства (множества) - временное, территориальное и агрегатное. Однако имеются некоторые недостатки в таком подходе при рассмотрении морских интеллектуальных систем. Для решения поставленных задач можно применить алгоритмический подход, который заключается в придании системе свойства квазиэнергоактивности, при этом можно организовывать режимное взаимодействие энергосистемы с потребителями электроэнергии.
Ключевые слова: интеллектуальные энергоэффективные системы, судно, квазиэнергоактив-ность, метод.
Введение. Электропотребление интеллектуальных энергоэффективных систем морских судов в общем балансе рабочего времени и вынуждает вернуться к углубленному анализу методов взаимодействия между электроэнергетической системой и потребителями электроэнергии. Реализация какого-либо из таких методов или их совокупности может быть названа режимным взаимодействием. Конкретным местом режимного взаимодействия электроэнергетической системы с потребителями электроэнергии можно считать договорную точку раздела эксплуатационной принадлежности оборудования или, поскольку взаимодействие должно выражаться в измеримых величинах, место установки приборов коммерческого учета электрической энергии.
Не следует отождествлять внеэкономические методы режимного взаимодействия с принудительными методами управления электропотреблением. Они могут быть и побудительными, но основанными не на экономических стимулах, а на физических, технических и технологических закономерностях. Кроме того, в силу приоритета технических и технологических решений перед экономическими, экономические стимулы, учитывающие эти закономерности, будут более обоснованными и, следовательно, более действенными.
Материалы и методы исследования. В широком смысле управление электропотреблением понимается как реализация оптимизированного по выбранному критерию режима электропотребления, т. е. графика P(t), 0 <t <Т < <х активной нагрузки потребителя на фиксированном периоде времени. Бесспорный ранее критерий оптимизации - максимум народнохозяйственной эффективности - в условиях переходного периода свое значение утратил. Количество других возможных критериев оптимизации практически бесконечно, причем каждый из них может стать доминирующим в зависимости от сложившейся экономической конъюнктуры. То же самое можно утверждать и относительно принимаемой в задаче оптимизации системы ограничений.
В узком смысле управление электропотреблением понимается как реализация оптимизированного по выбранному критерию распределения между потребителями директивно заданного энергосистеме ограничения по активной мощности в часы максимума ее нагрузки. Относительно критерия оптимизации и принимаемой в задаче оптимизации системы ограничений может быть повторено все изложенное выше. Что же касается самих ограничений по активной мощности в часы максимума нагрузки энергосистемы, следует отметить устойчивую тенденцию к уменьшению их абсолютной величины. Это может быть объяснено опережающим падением промышленного производства по отношению к производству электроэнергии и переходом от директивных методов управления экономикой к договорным отношениям. Именно такой переход трансформирует проблему управления электропотреблением в проблему режимного взаимодействия электроэнергетической системы с потребителями электроэнергии.
Поскольку в традиционной постановке рассматриваемой проблемы речь идет не о взаимодействии, а об управлении, то первым этапом исследования должно служить обособление объекта и субъекта управления друг от друга и каждого из них - от окружающей среды (в кибернетическом, но не экологическом смысле). Из приведенных выше определений видно, что обобщенным выражением электропотребления является суточный график активной нагрузки потребителя, снятый в месте установки приборов коммерческого учета электроэнергии. Следовательно, этот график может рассматриваться как объект управления. Тогда субъектом управления (управляющим устройством, регулятором) должна считаться энергосистема или, конкретнее, отдел распределения и контроля энергосистемы. Управляющим воздействием при этом служат ограничения по активной мощности, выдаваемые потребителю энергосистемой на часы максимума ее нагрузки, а задающим (заданием) - суммарное ограничение по активной мощности, директивно определенное энергосистеме на те же часы. Что является задатчиком (задающим устройством) - здесь значения не имеет.
В процессе функционирования описанной системы управления факторами, возмущающими график активной нагрузки потребителя, как в свободном режиме электропотребления (без системных ограничений), так и в вынужденном (с ограничениями) будут предсказуемые и непредсказуемые технологические параметры, которые принципиально не могут быть проконтролированы энергосистемой. Следовательно, организация быстродействующего управления с коррекцией по возмущению здесь невозможна. Поэтому считается, что управление электропотреблением со стороны энергосистемы организуется как управление по отклонению с отрицательной обратной связью.
В предельном случае используется прямое отключение части нагрузки потребителя с диспетчерского пункта. Но при этом, с точки зрения теории управления, изменяется структура объекта управления и, тем самым, закономерности его функционирования, т. е. объект управления становится другим при неизменности субъекта управления. Если бы при этом было известно, как соответствующим образом изменить структуру и функционирование субъекта управления, то система управления с отрицательной обратной связью превратилась бы в систему адаптивного управления. Но это неизвестно. Поэтому представляется целесообразным оценить в первом приближении управляемость электропотребления со стороны энергосистемы, понимая управляемость как осуществимость, а не как достижимость (конечной точки в некотором фазовом пространстве). Это может быть сделано с позиций кибернетического закона необходимого разнообразия: для того, чтобы управление было осуществимо необходимо, чтобы разнообразие состояний объекта управления не превышало разнообразия состояний субъекта управления (управляющего устройства, регулятора). Используя шенноновскую меру разнообразия, этот закон можно формально записать в виде:
Е?=1 pi log, pi <- qjlog? qj; 0<pj <l,E"=i pj = 1,j = 1,n; 0<pj <l,E£i qj = 1,j = 1,m; где pi, i= 1, n, - вероятность состояния объекта управления; qj, i = 1, m, - вероятность состояния субъекта управления.
Закон необходимого разнообразия (1) может быть применен для оценки управляемости электропотребления со стороны энергосистемы, если в вероятности состояний pi, i= 1, n и qj, i = 1, m вложить конкретный технический и (или) технологический смысл.
В традиционной постановке задач управления электропотреблением взаимодействие между поставщиком и потребителем электрической энергии рассматривается только во времени. Но реальное взаимодействие происходит и в пространстве, причем как на макроуровне (между совокупностями генерирующих и потребляющих мощностей на выделенной территории), так и на микроуровне (между множествами конкретных генераторов и электроприемников на этой же территории). Межрегиональные перетоки электроэнергии могут быть отнесены к поставщикам или потребителям в зависимости от их направления. Технологический расход электроэнергии на ее производство, передачу и распределение также может быть отнесен к поставщикам или потребителям, поскольку их взаимодействие оценивается в точке получения измеримых величин - месте установки приборов коммерческого учета электрической энергии.
С учетом изложенного можно утверждать, что при оценке управляемости электропотребления со стороны энергосистемы необходимо учитывать не только совпадение во времени процессов производства и потребления электроэнергии, но и их разобщенность в пространстве (территориальную и агрегатную). Поэтому целесообразно ввести в рассмотрение три пространства (множества) - временное, территориальное и агрегатное.
Под временным пространством понимается двухмерный континуум, одна из осей которого является осью времени, а другая - осью активных нагрузок. Таким образом, временное пространство совпадает с плоскостью графика электропотребления и (или) генерирования электроэнергии.
На продолжительных интервалах времени (О, Т) графики активных нагрузок P(t), 0<t<T<™ могут отождествляться с дифференциальным законом распределения электропотребления во времени, т. е.
Р(0=^, 0<t<T<™ (2)
Интегрирование этого уравнения с переменным верхним пределом приводит к интегральному закону распределения электропотребления во времени
W(t) 0 <1<Т
Таким образом, W (!) тождественно электроэнергии, потребленной на интервале времени (0, Т).
Поскольку здесь никаких ограничений на Т не накладывается (вплоть до Т^-да), условие нормировки плотности электропотребления во времени может быть записано в виде
W=£p(t)dt=1 (3)
Но условие (3) соблюдается лишь при нормировке W по W. Так как нормировка «в точке» смысла не имеет, переходя в уравнении (2) к конечным приращениям, получим
wt=z?=1дw,z;•=1дt¿ = т,1 = 1,п, где р(Д£0 - плотность электропотребления во времени; ДИ^,П - электроэнергия, потребленная за i-й шаг дискретизации оси времени; - электроэнергия, потребленная за i-й шаг дискретизации на интервале времени (0, Т).
При равномерной дискретизации оси времени шаг дискретизации ДЖ, i= 1, п, можно считать единичным:
Дix = Дt2 = ... = ДЪ = ... = Дп = 1.
Тогда вместо величины р(А^, i = 1, п, можно ввести переменную
д^П
х?=-^, i=1,n,0< х? <1, ТИ=1 х 4=1, (4)
ж-
имеющую смысл доли суммарного потребления электроэнергии, приходящейся на ьй шаг дискретизации.
Из соотношений (4) видно, что численное значение величины х? может быть истолковано как вероятность потребления электроэнергии на данном шаге дискретизации.
Под территориальным пространством понимается двухмерный континуум площадью имитирующий территорию энергообъединения и состоящий из попарно непересекающихся площадок ASj■, 1=1, m, которые для определенности можно отождествлять с габаритами судна электрических сетей. При этом
иТ=1 Д5/ =5, иТ=1 Д^/ = 0,]' = 1, т. (5)
Под агрегатным пространством понимается совокупность двух множеств - множества потребляющих агрегатов (электроприемников) и множества генераторов электростанций. При этом исходные равенства будут иметь вид
РП =&!=1ДР&П1:Р1Г2= Е^22=0 Др^2; РП1:РП1=РгГ2,
где рП— суммарная мощность электроприемников; Др^Пг к = 1,I', - мощность кгго электроприемника; р[2 - суммарная мощность генераторов; Др^2 - мощность к2-го генератора;
В агрегатном пространстве управление электропотреблением со стороны энергосистемы (в смысле классической теории управления) невозможно. Поэтому использование термина «управление электропотреблением» для обозначения процессов внеэкономического взаимодействия между поставщиком и потребителем электроэнергии следует признать неточным. Напротив, термин «режимное взаимодействие» отражает процессы, происходящие во всех трех пространствах - временном, территориальном и агрегатном.
Результаты исследования и их обсуждение. Для решения поставленных задач можно применить алгоритмический подход, который заключается в придании системе «поставщик-потребитель» электроэнергии свойства квазиэнергоактивности Г4], т.е. в ослаблении зависимости графика электропотребления от графика выпуска конечной продукции.
Традиционное представление о режимной «неприкосновенности» графика активной нагрузки потребителя сильно преувеличено и основывается на существовании жесткой зависимости графика электропотребления от графика выпуска продукции. Поэтому в большинстве работ по управлению электропотреблением предлагается делать упор на побудительные регулировочные мероприятия, оставляя потребителю большую технологическую свободу.
Объективно большой разброс численных значений удельного электропотребления может быть объяснен воздействием на технологический процесс как неуправляемых факторов (неконтролируемых параметров окружающей среды), так и управляемых (контролируемых параметров самого процесса).
Следовательно, целенаправленно воздействуя на управляемые переменные, т. е. организуя параметрическое управление технологическим процессом, можно изменять удельное электропотребление и тем самым график активной нагрузки потребителя, не изменяя при этом графика выпуска продукции. Таким образом можно достичь ослабления зависимости графика электропотребления от графика выпуска продукции, иными словами, придать системе «поставщик -потребитель» электроэнергии свойство «алгоритмически организованной» энергоактивности — квазиэнергоактивности.
Целесообразно рассмотреть методические вопросы получения фактических расходных (энергетических) характеристик отдельных электроприемников и их технологически или территориально обособленных групп.
Приборные способы непосредственного снятия расходных характеристик в данном случае неизвестны. Поэтому рассматриваются расчетные способы их получения по результатам косвенных измерений. При этом расходные характеристики могут быть рассчитаны для любых объектов, для которых
94
фиксируются расход электроэнергии W кВт-ч и выпуск продукции П ед. прод. или тыс. руб. Очевидно, такими объектами являются те из электрифицированных технологических агрегатов и их объединений по производственному и территориальному признаку, которые оснащены приборами технического или коммерческого учета электрической энергии. Количество зафиксированных значений расхода электроэнергии и выпуска продукции должно удовлетворять требованиям к малым выборкам. Периодичность замеров не обязательно должна быть регулярной.
Исходная для дальнейших расчетов таблица зависимостей W(n) получается простым линейным упорядочением численных значений величины П по возрастанию. Элементарными арифметическими действиями она преобразуется в таблицу зависимостей
Д'(ДП) и Р(ДП),
где AW — удельное электропотребление, кВт-ч/ед. продукции; ДП — производительность, количество продукции/ч; Р — потребляемая активная мощность, кВт.
Статистическая обработка последней таблицы, выполненная для принятых начальных условий и требований к конечным результатам, позволяют получить семейства расходных характеристик Д''(ДП) и приведенных расходных характеристик Р(ДП).
Рабочая зона на этих характеристиках определяется пределами допустимых по техническим и технологическим условиям изменений производительности:
ДП е дпа0П = дптах - дпт1п, Д-W ^ дпа0П = дштах ^ дпт1п, pmin ~ дпт1п = ртах ~ дптах.
Алгоритмический подход к организации режимного взаимодействия электроэнергетической системы с потребителями электроэнергии может быть резюмирован в виде математической постановки следующей задачи: для каждого из п привлекаемых к организации взаимодействия объектов требуется отыскать такие координаты ДПi,ДWi или ДШ,Р1, 1=1,п, рабочей точки в рабочей зоне, чтобы соблюдались ограничения по выпуску продукции и активной нагрузке при отработке совокупностью этих объектов их совмещенного графика активной нагрузки Pz (t), 0 <t <Т <<х, т.е.
fn1 Ps(t)dt = (ДШ)Л = 1,п; Pe(t = t *) = £?=1 ДШ (ДШ) ,i = 1,п;
YH=-\ ДШ > Пе = const, ДШ min < ДШ < ДШ max; &Wi min <&Wi <&Wi max, Pi min < Pi < Pi max.
При технологически свободных графиках активной нагрузки объектов P/t), i= 1, п, 0 <t <Т < <х совмещенный график Рт (t), 0 <t <Т <<х получается их суммированием. Но квазиэнергоактивность позволяет в соответствующих пределах априорно задавать форму совмещенного графика, тем самым превращая его в вынужденный Рвьш(0, 0 <t <Т <<х. Поэтому в смысловой постановке задачи употреблен термин «отработка».
Формирование PBblH(t), 0 <t <Т <<х основано на принципе встречного регулирования совмещенных графиков нагрузки [4], который реализуется некоторой направленной вычислительной процедурой, конечной целью которой будет приближение к равенству
аРшььн<й= йрьод <t<T <(x>,i = l.n, (6)
dt ¿-u-1 dt' — — ' ' v '
а сама процедура представляет собой пошаговый процесс противоподобного (контрморфного) преобразования технологически свободных графиков активной нагрузки объектов, привлекаемых к организации режимного взаимодействия:
Pii(t)=[2Pr - Pz(t)] — , 0<t<T <™,i = 1,n;
РУ
Pi=7 /0Г pi (t) dt; PE = 7 ps (t)dt. (7)
Поскольку критерием остановки вычислительной процедуры является достижение графиком PBbiH(t), 0 <t <Т своей оптимальной плотности Уопт, преобразованию (7) подвергаются только некоторые из графиков активной нагрузки объектов Pf (t) i = 1, п.
Таким образом, результатом квазиэнергоактивного режимного взаимодействия является оптимальное уплотнение (выравнивание) совмещенного графика активной нагрузки при минимальной деформации технологически свободных частных графиков нагрузки.
Выводы. С позиций кибернетического закона необходимого разнообразия показано, что электропотребление неуправляемо (в смысле классической теории управления) со стороны энергосистемы. При существующих технических и экономических возможностях электроэнергетики целесообразно организовывать режимное взаимодействие энергосистемы с потребителями электроэнергии на основе ква-зиэнергоактивности.
Список литературы
1. Бордюг А.С. Применение циклического тестирования аппаратного обеспечения морских систем управления // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2020. Т. 16. № 3. С. 77-82.
2. Никитенко Я.А., Железняк А.А. Методы повышения достоверности контроля диагностических характеристик оборудования // Актуальные аспекты и приоритетные направления развития транспортной отрасли. Материалы молодежного научного форума студентов и аспирантов транспортных вузов с международным участием. М., 2019. С. 210-214.
3. Бордюг А.С. Моделирование интегрированных преобразователей энергии в судовых многогенераторных системах // Сборник трудов по материалам II Национальной научно-практической конференции преподавателей и аспирантов «Морские технологии: проблемы и решения - 2020». под общ.ред. Масюткина Е.П. Керчь, 2020. С. 47-51.
4. Зарицкий С.П. Диагностическое обслуживание оборудования КС. М.: ИРЦ «Газпром». Обз. инф. Серия «Газовая промышленность на рубеже XXI века», 2000. 156 с.
5. Бурков А.Ф., Миханошин В.В., Нгуен В.Х. Повышение эффективности управления комбинированными энергетическими установками судов // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, 2020. Т. 12. № 2. С. 381-389. DOI: 10.21821/2309-51802020-12-2-381-389.
6. Шатровский Д.А. Перспективные энергетические установки большой мощности для морских судов // Судостроение. 2015. № 5. С. 33-35.
7. Bouman E.A., Lindstad E., Rialland A.I., Stramman A.H. State-of-the-art technologies, measures, and potential for reducing GHG emissions from shipping - A review // Trans. Res. D Trans. Environ. 2017. Vol. 52. P. 408-421. D0I:10.1016/j.trd.2017.03.022.
Бордюг Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, alexander.bordyug@mail. ru, Республика Крым, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет 298309
ANALYSIS OF METHODS OF OPTIMAL POWER CONSUMPTION OF INTELLIGENT ENERGY EFFICIENT SYSTEMS OF MARINE VESSELS
A.S. Bordyug
In the modern concept of power consumption management, it is accepted that the basis of interaction between the supplier and consumer of electrical energy "... can only be commodity-money relations. Only in exceptional cases can other rules be used, but they must also be subject to contractual obligations (pre-emergency and emergency situations). " This article discusses a method for managing the power consumption of intelligent energy-efficient systems of sea-going ships and proposes the implementation of an optimized distribution among consumers of a directive set power system limit on active power at maximum load, optimized according to the selected criterion. During the functioning of the described control system, factors that disturb the active load schedule of the consumer, both in the free mode of power consumption (without system restrictions) and in the forced mode (with restrictions), there will be predictable and unpredictable technological parameters that, in principle, cannot be controlled by the power system. When assessing the controllability of power consumption by the power system, it is necessary to take into account not only the coincidence in time of the processes of electricity consumption, but also their disunity in space. Therefore, it is proposed to introduce into consideration three spaces (sets) - temporary, territorial and aggregate. However, there are some disadvantages in this approach when considering marine intelligent systems. To solve the tasks set, it is possible to apply an algorithmic approach, which consists in giving the system the property of quasi-energy activity, while it is possible to organize the regime interaction of the power system with electricity consumers.
Key words: intelligent energy-efficient systems, ship, quasi-energy activity, method.
Bordyug Aleksandr Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, alexander.bordyug@mail.ru, Republic of Crimea, Kerch, Kerch State Maritime Technological University
