Критерии оптимизации режима промышленных электротехнических систем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭНЕРГЕТИКА

А.В. Егоров1, e-mail: avyegorov@yandex.ru; А.И. Левченко1, e-mail: nastja.levchenko@gmail.com; Г.Н. Малиновская1, e-mail: malinovskaya.g@gubkin.ru

1 ФГБОУ ВО «РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).

Критерии оптимизации режима промышленных электротехнических систем

Вопросы построения автоматизированных систем управления электроснабжением продолжают оставаться актуальными для ряда отраслей промышленности, в том числе для нефтяной и газовой. Особенности процесса электропотребления исключают возможность использования традиционных подходов к построению автоматизированных систем управления технологическими процессами. Основной функцией автоматизированных систем управления электроснабжением должна быть поддержка принятия решений в области диспетчерского управления промышленными электротехническими системами. Подходы, принятые при построении автоматизированных систем управления электроэнергетическими системами, могут быть использованы лишь частично. Необходимо учитывать классификацию режимов промышленных электротехнических систем, основанную на допустимых временах пребывания системы в том или ином состоянии, и разграничение зон действия системы поддержки принятия решений по диспетчерскому управлению и системы противоаварийной защиты и автоматики. Актуальной является задача оптимизации допустимых нештатных режимов работы промышленной электротехнической системы. Критерии оптимизации режима могут учитывать критерии оценки качества электротехнических систем, но не повторять их. Задача решается при фиксированных структуре и составе системы. Оптимизации подлежит вектор нормальных в том или ином режиме положений коммутационных аппаратов. Предложен следующий набор критериев оптимизации режима промышленной электротехнической системы: надежность, оценивающая соблюдение категории электроснабжения приемников; устойчивость, оцениваемая по коэффициенту запаса устойчивости; управляемость, оценивающая простоту достижения нормального режима работы; живучесть, оценивающая удаленность режима от низких классификационных групп; эффективность, оцениваемая по обобщенному коэффициенту полезного действия системы; безопасность, оценивающая удаленность режима от режимов, представляющих потенциальную угрозу. Оптимизация режима электротехнической системы может производиться методом ранжирования или путем аддитивной свертки числовых характеристик режима с учетом весовых коэффициентов.

Ключевые слова: электротехническая система, АСУ электроснабжением, диспетчерское управление, поддержка принятия решений, оптимизация режима.

A.V. Egorov1, e-mail: avyegorov@yandex.ru; A.I. Levchenko1, e-mail: nastja.levchenko@gmail.com; G.N. Malinovskaya1, e-mail: malinovskaya.g@gubkin.ru

1 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (Moscow, Russia).

Criteria of Optimization of Industrial Power Supply Systems

The questions of creating automated control systems of power supply continue to be relevant for a number of industries, including oil and gas sectors. The features of the process of consumption exclude the possibility to use traditional approaches to construction of the automatic control system of technological process. The main function of the automated control systems needs to be a decision support for supervisory control of industrial power supply systems. The approaches adopted in the construction of the automated control systems of electric power systems can be used, but not fully accepted. It is necessary to take into account the classification of modes of the industrial power supply systems, based on the permissible duration of some system state and on the delineation of the operating areas of the dispatch control decision support system and the systems of emergency protection and automation. The optimization of acceptable off-design modes of operation of industrial power supply systems is the actual problem. Optimization criteria may consider the criteria of quality assessment of power supply systems, but not to repeat them. The problem is solved for the fixed structure and composition of the system. Vector of the switching devices states, which are normal to some modes, is a subject of optimization. The following set of criteria of optimization of industrial power supply systems is proposed: the reliability for assessing compliance with the category

78

№ 11 ноябрь 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

ENERGY SECTOR

of the receivers power supply; resistance estimated by the stability margin factor; flexibility assessing the simplicity in achieving the normal mode; survivability measuring the remoteness of the mode from the low classification groups; efficiency estimated by the generalized efficiency of the system; security measuring the remoteness of the mode from the potentially dangerous modes. Optimization of the electrical engineering system may be performed by the ranking method or by the additive convolution of the numerical characteristics of the mode taking into account the weight coefficients.

Keywords: industrial power supply system, automated control systems of power supply, dispatch management, decision support, mode optimization.

Вопросы построения автоматизированных систем управления электроснабжением (АСУ ЭС) продолжают оставаться актуальными для ряда отраслей промышленности. Актуальность этой проблемы для объектов нефтяной и газовой промышленности обусловлена целым рядом факторов, в числе которых:

1) сложность и напряженность большей части технологических процессов, обусловленные их непрерывностью, во многих случаях малой инерционностью, высокой степенью пожаро- и взрыво-опасности сырья и продукции, высокими экологическими рисками;

2) высокая энерговооруженность производства при преобладании двигательной нагрузки с высокой долей приводов большой единичной мощности;

3) высокая чувствительность к нарушениям нормального режима электроснабжения, небольшой запас устойчивости электротехнических систем (ЭТС) предприятий отрасли;

4) высокая степень оснащенности объектов отрасли АСУ технологическими процессами (АСУ ТП) при низкой степени их взаимодействия с АСУ ЭС, системами электрических защит и проти-воаварийной автоматики;

5) постоянно возрастающая доля регулируемых электроприводов переменного тока, оказывающих отрицательное влияние на качество электрической энергии и имеющих крайне низкий запас устойчивости к внешним возмущениям;

6) серьезные экономические последствия нарушения технологического процесса, в том числе по причинам, зависящим от электроснабжения объектов.

Ряд особенностей процесса электропотребления - быстротечность динамических режимов, крайне большие объемы измерительной информации -не дают возможности использовать традиционные подходы к построению автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Как показано в [1], в этих условиях основной функцией АСУ ЭС должна быть автоматизированная поддержка принятия решений по управлению промышленными ЭТС. Одна из таких задач решена в [2]. Здесь обоснована классификация режимов промышленных ЭТС, основанная на допустимых временах пребывания системы в том или ином состоянии, разграничены зоны действия системы поддержки принятия решений по диспетчерскому управлению и системы противоаварийных защит и автоматики, приведены алгоритмы оптимального вывода ЭТС из низких групп состояний. В то же время задача оценить оптимальность самих режимов, в том числе нормального, в данной работе не ставилась, основное внимание было уделено вопросам устойчивости ЭТС в выделяемых режимах. При создании АСУ ЭС для промышленных предприятий достаточно широко используется опыт построения подобных АСУ для электроэнергетических систем [3]. В целом такой подход вполне оправдан, однако в рассматриваемой задаче его использование вряд ли можно считать полностью обоснованным. Принципиальное различие заключается в том, что для электроэнергетических систем электрическая энергия представляет собой конечный продукт - товар. В свя-

зи с этим особое значение приобретают вопросы сокращения потерь электроэнергии при ее трансформации и передаче потребителю. Целый ряд иных показателей качества режима в этих задачах чаще рассматривается в качестве ограничений, иногда достаточно жестких. Для промышленных объектов электроэнергия - это не товар, а ресурс. Не умаляя значимости вопросов энергосбережения, необходимо учитывать тот факт, что режим промышленной ЭТС, в каком-то смысле оптимальный по потерям, может оказаться далеким от оптимальности, например по устойчивости. В таком случае весьма вероятна ситуация, при которой одно только критическое возмущение, приведшее к развалу технологического процесса из-за потери устойчивости ЭТС, по своим последствиям, в том числе экономическим, сведет на нет всю полученную за большой временной период экономию. Очевидно, что критерий минимизации потерь, взятый здесь в качестве примера, может рассматриваться только как один из критериев оптимальности режима ЭТС, причем не обязательно он будет достаточно значимым. Таким образом, задача разработки комплекса критериев оптимальности режима работы промышленной ЭТС представляется весьма актуальной. К рассматриваемым вопросам в какой-то степени близка задача оценки качества электротехнической системы, успешно решенная в диссертации [4], автором которой был введен показатель «качество системы электроснабжения» и обоснован комплекс свойств системы, определяющих оценку этого

Ссылка для цитирования (for citation):

Егоров А.В., Левченко А.И., Малиновская Г.Н. Критерии оптимизации режима промышленных электротехнических систем // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 11. С. 78-82.

Egorov A.V., Levchenko A.I., Malinovskaya G.N. Criteria of Optimization of Industrial Power Supply Systems (In Russ.). Territorija "NEFTEGAS" = Oil and Gas Territory, 2017, No. 11, P. 78-82.

TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 11 November 2017

79

ЭНЕРГЕТИКА

показателя. Приведем перечень свойств и вкладываемый в эти понятия смысл в авторской редакции [4]:

1) надежность - свойство объекта сохранять в течение требуемого промежутка времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах;

2) устойчивость - свойство, определяющее способность объекта возвращаться к исходному установившемуся режиму после возмущений определенной величины и длительности;

3) управляемость - свойство, показывающее возможности управления системой электроснабжения оперативным персоналом и автоматикой;

4) живучесть - свойство, определяющее возможность сохранения технологического процесса при аварийных ситуациях;

5) возможность развития - свойство, определяющее возможности системы в части дальнейшего наращивания установленной мощности;

6) эффективность - свойство, показывающее необходимые энергозатраты на выпуск единицы продукции;

7) безопасность - свойство, определяющее потенциальную опасность возникновения ситуаций, угрожающих жизни людей, целостности оборудования, экологической обстановке при различных режимах работы, а также при аварийных ситуациях.

Суть решаемой автором [4] задачи сводилась к сравнительному анализу различных вариантов построения электротехнической системы на стадии ее проектирования или реконструкции. Для получения результата проводилось экспертное ранжирование вариантов по каждому из показателей. Итоговая оценка выводилась как аддитивная свертка рангов с учетом весовых коэффициентов, определяющих приоритет того или иного свойства для конкретного объекта. Рассматриваемая здесь задача существенно отличается от задачи оценки качества ЭТС. В последнем случае рассматриваются варианты структуры системы и, при наличии такой возможности, разный ее состав, тогда как задача оценки режима промышленной ЭТС ре-

шается при фиксированных структуре и составе. Оптимизации подлежит вектор нормальных в данном режиме положений коммутационных аппаратов. При этом задача оптимизации переходов из одного режима в другой подробно рассмотрена в [2], где приведены алгоритмы оптимального пошагового изменения элементов. Задача оптимизации в первую очередь должна решаться для режимов, отнесенных в [2] к категориям допустимых и длительно допустимых, т. е. тех, для которых поддержка принятия решений по диспетчерскому управлению ЭТС наиболее актуальна. Задача оценки качества режима промышленной ЭТС особо важна для систем, в состав которых входят автономные источники электрической энергии. Однако и для систем с исключительно централизованным электроснабжением эти задачи также важны, особенно если речь идет о распределенных системах, например системах электроснабжения объектов добычи нефти и газа. Несмотря на названные различия, представляется, что ряд перечисленных критериев может быть использован и в этом случае, возможно, при несколько отличающейся трактовке понятий. Общее требование надежности режима работы промышленной ЭТС можно в данном случае конкретизировать следующим образом: режим работы должен обеспечивать требуемую категорию электроснабжения для всех приемников электрической энергии, в противном случае он не может считаться надежным. В большинстве практически интересных случаев таких режимов может быть достаточно много, тогда оптимизация режима по данному показателю сводится к минимизации времен перехода всех электроприемников высоких категорий надежности (особой группы и первой категории) с основного источника питания на резервный. Алгоритмы поиска возможных источников электроснабжения для каждого потребителя и оценки соответствия режима требованиям надежности подробно рассмотрены в [5]. Критериями оптимальности режима по данному показателю могут служить: среднее время перехода потребителей высоких категорий надежности на резервное питание; средневзвешенное (по мощности, риску

отключения или иному показателю) время перехода; максимальное время перехода или иной вычисляемый аналоговый параметр. В тех случаях, когда ни один из реализуемых режимов работы ЭТС не в состоянии обеспечить требуемое резервирование для ряда потребителей высокой категории надежности, критерием оптимальности следует считать минимальное число таких потребителей, или минимальную мощность потребителей, которым не обеспечивается требуемая категория, или минимальный риск отключения этих потребителей. В качестве дополнительного показателя может учитываться надежность источников внешнего электроснабжения и источников собственных нужд в составе промышленной ЭТС. Показатель устойчивости электротехнической системы для оценки качества режима ее работы целесообразно сохранить без существенных изменений. Любой режим должен быть статически и динамически устойчивым, при сопоставлении режимов между собой целесообразно применять коэффициент запаса устойчивости, введенный и обоснованный для промышленных ЭТС в [6]. При использовании данного показателя необходимо учитывать статистику нарушений нормального режима электроснабжения по вводам от внешних источников, вероятностные показатели провалов напряжения и параметры настройки противоаварийных защит и автоматики во внешних электрических сетях. Понятие управляемости для рассматриваемой задачи следует несколько модифицировать и понимать как простоту перехода из рассматриваемого режима к нормальному после устранения факторов, препятствующих немедленной реализации такого перехода. Таким образом,критерием оптимальности по данному показателю может служить минимальное прогнозируемое время возврата ЭТС к нормальному штатному режиму работы. При этом могут дополнительно учитываться качество получаемых промежуточных режимов и время пребывания в этих режимах, число необходимых операций синхронизации при наличии в составе ЭТС генераторов собственных нужд и тому подобные показатели.

80

№ 11 ноябрь 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

СаЬех — © СаЬех

энергия успеха

Арргоу&д Еуегл

17-я Международная выставка

кабельно-проводниковой

продукции

20-22 марта 2018 года

Москва, КВЦ «Сокольники»

♦ Кабели и провода

* Кабельные аксессуары

* Электромонтажные изделия

• Оборудование для монтажа и прокладки кабеля

• Оборудование для переработки кабеля

♦ Материалы для производства кабеля

получите билет

www.cabex.ru

Организаторы:

лссегинлимн

Тел.:+7 (499) 750 08 28 Е-ппаН: cabex@ite-expo.ru

ОАО «ВНИИКП»

Генеральный

информационный партнер

RusCable.Ru

Энергетика. Электротехника Связь.

Пери* отраслн« листдажк СМИ ЗЛ м» ФС П-2КЛ\

ЭНЕРГЕТИКА

Под живучестью системы в данном случае целесообразно понимать удаленность текущего режима от режимов более низких по классификационной оценке. Можно рассматривать возможность ухудшения режима ЭТС вследствие изменения положения любого одного коммутационного аппарата. Такие изменения могут быть вызваны работой системы противоава-рийных защит и автоматики или действиями эксплуатационного персонала, в том числе ошибочными. Таким образом, оптимальным по данному показателю будет режим, при котором число единичных изменений элементов вектора положений коммутационных аппаратов, приводящих к переходу системы в более низкую классификационную группу, будет максимальным.

Такое свойство, как возможность развития ЭТС, в данном контексте рассматриваться не должно, поскольку оно определяется составом и структурой системы, а не режимом ее работы.

Как уже отмечалось, свойство эффективности режима электротехнической системы является важным, но отнюдь не определяющим для промышленных ЭТС. Представляется, что трактовка этого свойства в рамках поставленной задачи также должна быть несколько изменена. Поскольку речь в большинстве случаев идет не о нормальном режиме работы ЭТС, следует ставить вопрос не о минимизации затрат на выпуск единицы продукции, а об эффективности работы самой системы. Мерой эффективности в данном случае может служить понятие обобщенного КПД системы или, в случае существенного потребления реактивной мощности, обобщенного коэффициента энергоэффективности [7]. Для расчета этого показателя могут успешно применяться алгоритмы, предложенные в [3]. Вопросы безопасности ЭТС должны быть решены на стадии их проектирования. Тем не менее, если среди воз-

можных состояний, не относящихся к двум низшим классификационным группам, есть состояния, представляющие существенную опасность, то вопросы оценки качества того или иного режима должны решаться аналогично вопросам живучести. Режим ЭТС, из которого возможны одношаговые переходы в состояния, создающие опасность для жизни людей, целостности оборудования и чреватые серьезными экологическими рисками, не может считаться оптимальным.

Для оптимизации режима по выделенным критериям могут быть использованы различные методы, в том числе и метод ранжирования. Однако, поскольку все предложенные критерии имеют числовые значения, может быть предложена аддитивная свертка нормированных показателей с весовыми коэффициентами, учитывающими степень важности каждого параметра для конкретной ЭТС.

References:

1. Belousenko I.V., Egorov A.V., Malinovskaya G.N. Certain Matters of Creating the Automated Power Supply Control System for the Facilities of the Oil and Gas Complex. Promyshlennaya Energetika = Industrial Power Energy, 2016, No. 8, P. 10-15. (In Russian)

2. Ershov M.S., Egorov A.V., Malinovskaya G.N., Trifonov A.A. Supervisory Control of Power Supply Systems of Oil and Gas Industry Distributed Facilities. Trudy Rossiyskogo Gosudarstvennogo Universiteta imeni I.M. Gubkina = Proceedings of Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 2014, No. 3 (276), P. 126-145. (In Russian)

3. Belousenko I.V., Goryunov O.A., Golovatov S.A., et al. Functional Problems of the Information System of Electric Power Supply Facilities of OAO Gazprom. Estimating Reliability of External Power Supply. Trudy Rossiyskogo Gosudarstvennogo Universiteta imeni I.M. Gubkina = Proceedings of Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 2009, No. 1, P. 161-172. (In Russian)

4. Trifonov A.A. Quality Assessment of the Power Supply Systems with Captive Power Plant of the Oil and Gas Complexes at the Stage of Design and Reconstruction. Ph.D. Thesis in Engineering Sciences. Moscow, Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 2006, 278 p. (In Russian)

5. Egorov A.V., Malinovskaya G.N., Repina Yu.V., Golovatov S.A. Functional Objectives of the Automated Power Supply Control System. Reliability Assessment of the Power Supply of the Elements of the Electrotechnical System of the Enterprise. Territorija "NEFTEGAS" = Oil and Gas Territory, 2012, No. 9, P. 96-104. (In Russian)

6. Repina Yu.V., Trifonov A.A. Quantitative Resistance Assessment of Industrial Electrotechnical Systems. Territorija "NEFTEGAS" = Oil and Gas Territory, 2009, No. 4, P. 64-67. (In Russian)

7. Regulatory Document RD 51-50511-10. Method for the Assessment of Technical Energy Losses in the Power Supply Systems of the Enterprises of the Gas Industry. 2nd Edition, Revised and Supplemented. (In Russian). Moscow, Gazprom OJSC, 2001

Литература:

1. Белоусенко И.В., Егоров А.В., Малиновская Г.Н. Некоторые вопросы создания АСУ электроснабжением объектов нефтегазового комплекса // Промышленная энергетика. 2016. № 8. С. 10-15.

2. Ершов М.С., Егоров А.В., Малиновская Г.Н., Трифонов А.А. Диспетчерское управление системами электроснабжения распределенных объектов нефтяной и газовой промышленности // Труды Российского гос. ун-та нефти и газа имени И.М. Губкина. 2014. № 3 (276). С. 126-145.

3. Белоусенко И.В., Горюнов О.А., Головатов С.А. и др. Функциональные задачи АСУ электроснабжением объектов энергообеспечения ОАО «Газпром». Оперативный расчет режимов систем электроснабжения // Труды Российского гос. ун-та нефти и газа имени И.М. Губкина. 2009. № 1. С. 161-172.

4. Трифонов А.А. Оценка качества систем электроснабжения с электростанциями собственных нужд нефтегазовых комплексов на стадии проектирования и реконструкции: дисс. ... канд. техн. наук. М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2006. 278 с.

5. Егоров А.В., Малиновская Г.Н., Репина Ю.В., Головатов С.А. Функциональные задачи АСУ электроснабжением. Оценка надежности электроснабжения элементов электротехнической системы предприятия // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2012. № 9. С. 96-104.

6. Репина Ю.В., Трифонов А.А. Количественная оценка устойчивости промышленных электротехнических систем // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2009. № 4. С. 64-67.

7. РД 51-50511-10. Методика оценки технических потерь электроэнергии в системах электроснабжения предприятий газовой промышленности. 2-я ред., перераб. и доп. М.: ОАО «Газпром», 2001.

82

№ 11 ноябрь 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ