Развитие концепции гибкости в электротехнических комплексах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 621.314

Ю.Б. Томашевский РАЗВИТИЕ КОНЦЕПЦИИ ГИБКОСТИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ

Представлена концепция гибкости в электротехнических комплексах, обеспечивающих электроснабжение потребителей с различными параметрами электроэнергии. Предложен подход к формированию количественных показателей гибкости. Разработаны методы выбора установленной мощности отдельных модулей.

Yu.B. Tomashevsky

DEVELOPMENT OF THE CONCEPT OF FLEXIBILITY IN ELECTROTECHNICAL COMPLEXES

This article presents the concept of flexibility in electrotechnical complexes ensuring powersupply of the consumers with various parameters of the electric power. The approach to formation of quantitative parameters of flexibility is offered here. The methods of a choice of the established capacity of separate modules are developed in this work.

В современных условиях экономично только такое производство, которое может быстро реагировать на внешние условия, ориентируясь на технологические возможности своего оборудования. Для этого оно должно быть гибким, т.е. таким, чтобы за короткое время и при минимальных затратах, не прерывая производственного процесса и не останавливая надолго оборудования, могло перейти на новые режимы в пределах технических возможностей и технологического назначения оборудования.

Первые попытки построить концепцию гибкости реализованы в гибких производственных системах (ГНС) в машиностроении [1, 2]. По мере дальнейшего охвата гибкими системами новых областей (приборостроение, информатика, микроэлектроника и др.) формируется системное ядро концепции, быстро адаптирующееся к внедрению в новые области.

Рост уровня автоматизации систем электроснабжения, с одной стороны, и постоянное удорожание электрической энергии, приводящее к возрастанию ее составляющей в себестоимости продукции, с другой, определили распространение методов гибкой автоматизации в электротехнических системах. Здесь, в силу специфики объекта, гибкость рассматривается

не как новый производственный процесс, который дает, например, резкий толчок повышению производительности, а как концепция, которая коренным образом изменит методы организации современного электроснабжения - от транспортирования электроэнергии до распределения и преобразования ее для конечных потребителей. В табл. 1 приведено соответствие факторов, влияющих на эксплуатационную эффективность гибких систем в машиностроении (ГПС) и гибких электротехнических комплексов (ГЭК) в электроэнергетике.

Таблица 1

Соответствие факторов, определяющих эффективность ГПС и ГЭК

№ ГПС ГЭК

1. Номенклатура деталей Номенклатура нагрузок (потребителей электроэнергии)

2. Обязательное и исчерпывающее выполнение требований по точности взаимного расположения и качеству обрабатываемых поверхностей деталей Соблюдение всех требований по качеству электроэнергии

3. Единство технологических (конструктивных) баз Использование полупроводниковых ключей и силовых модулей на их основе с универсальными элементами управления

4. Непрерывность работы всей гибкой системы

В зависимости от конкретно решаемых задач разработчики гибких автоматизированных производств (ГАП) на первый план выдвигают различные аспекты гибкости, например, такие как (в скобках даны определения, адаптированные для области электроэнергетики):

- м а ш и н н а я г и б к о с т ь - простота перестройки оборудования ГАП для производства заданного множества деталей (простота перестройки электротехнического оборудования ГЭК для электроснабжения нагрузок различных типономиналов);

- технологическая гибкость - способность производить заданное множество типов деталей разными способами (способность осуществлять питание нагрузок различных типов разными способами);

- производственная гибкость - способность продолжать обработку заданного множества деталей при отказах отдельных технологических элементов ГАП (способность продолжать питание нагрузок при отказах отдельных электротехнических устройств, входящих в состав ГЭК);

- гибкость по продукту - способность быстрого переключения на выпуск новых деталей (способность быстрого переключения на питание потребителей с измененными параметрами электроэнергии);

- гибкость по объему - способность ГАП эффективно функционировать при различных объемах производства (способность ГЭК оптимально функционировать при различных изменениях графиков нагрузки).

По методу технической реализации гибкость может быть встроенной и потенциальной. Встроенная гибкость определяет способность системы адаптироваться к внутренним и внешним воздействиям без вмешательства оператора. Потенциальная гибкость определяет способность системы адаптироваться к будущим изменениям, при этом необходима команда извне системы, например, системы управления верхнего уровня или вмешательство человека для перенастройки системы.

В общем случае электрическая сеть производственного объекта (рис. 1) содержит две составляющие: энергетический и информационный потоки. Одним из основных требований,

предъявляемых к энергетической составляющей, является качество электроэнергии, которое во всех точках подсоединения нагрузок Н\, ..., Нт и генераторов Г\, Г^ должно отвечать определенным нормам. На рис. 1 ПУГ\, ..., ПУГк - преобразовательные устройства, осуществляющие «стыковку» сети и генераторов; ПУУК - преобразовательное устройство, обеспечивающее требуемое качество электрической энергии, например, компенсатор реактивной мощности (КРМ); ПУАН - преобразовательное устройство, связывающее внешнюю сеть и аккумуляторные накопители (АН); ПУ1, ..., ПУп - преобразовательные устройства, обеспечивающие питание нагрузок Н1, ..., Нт с заданными параметрами электроэнергии (напряжения иН, частоты/Н, числа фаз т), в общем случае отличными от параметров входной сети.

Г оворя об информационной составляющей, отметим, что с технической точки зрения необходимо, чтобы все устройства - генераторы, аккумуляторы, преобразователи, нагрузки могли обмениваться информацией. Только в этом случае возможно обеспечение общего эффекта оптимального потребления. На рис. 1 представлены элементы информационной среды: системы управления СУ, которые конструктивно располагаются в самых управляемых модулях электротехнической среды - преобразовательных устройствах, а также центральная ЭВМ. Последняя определяет стратегии управления всей системой, вырабатывая сигналы, задающие соответствующие режимы нагрузок, генераторов, аккумуляторов.

Выделенные преобразовательные устройства (ПУ) обладают управляемостью. В них принципиально заложена возможность изменения в широких пределах энергетических харак-

теристик иН, /Н, мощности РН, регулирование по требуемому технологическим процессом закону, рекуперация энергии. ПУ допускают автоматическое управление своими характеристиками. Таким образом, выделенный фрагмент рис. 1, включающий в себя электротехнические устройства и систему управления, является инструментальным средством, с помощью которого можно добиться оптимального энергопотребления. Определим выделенную подсистему как самостоятельный объект исследования, который позволяет построить принципиально новую систему электроснабжения, адаптивную к изменяющейся нагрузке. Структура такой системы оперативно перестраивается в зависимости от величины и характера нагрузки. Суть адаптации состоит в том, что в реальном масштабе времени поведение системы изменяется на основе измеренных текущих параметров в соответствии с тем или иным критерием (качества электроэнергии, надежности, минимума потерь и др.). Система управления определяет оптимальный состав преобразовательных устройств и реализует их перевод из одного режима в другой, включая резерв. Тем самым обеспечивается поддержание показателей функционирования электротехнического оборудования на максимально возможном уровне.

Гибкий электротехнический комплекс как объект проектирования и управления представляет собой систему нового класса, отличающуюся прежде всего сложностью, комплексностью и многофункциональностью компонентов. Одним из основных требований, обеспечивающих типизацию решений в области ГЭК, является принцип модульности, в соответствии с которым комплекс компонуется из отдельных типовых модулей и систем [3], вот почему важным теоретическим фундаментом концепции гибкости является разработка теории модульных систем. Выделим две основные проблемы, требующие своего решения в первую очередь. Во-первых, отсутствует единый подход к формированию количественных показателей гибкости [4], а во-вторых, не разработаны методы выбора установленной мощности отдельных модулей.

Рассмотрим первую проблему. Понятие гибкости производственной системы является многокритериальным и неоднозначным. Многообразие технических, производственных и других задач, решаемых методами гибкой автоматизации, не дает возможности сформулировать единые методы комплексной численной оценки гибкости, позволяющие сравнивать различные системы. Используемый в ряде случаев метод оценки гибкости ГАП [1] по доле новых объектов производства заключается в том, что применительно к ГЭК в определении учитывается лишь номенклатура потребителей электроэнергии:

Кг = N ■ КНов / п ■ 100 , (1)

где Кг - коэффициент уровня гибкости; N - номенклатура потребителей, обеспечиваемых

электроэнергией с соответствующими параметрами за определенный период времени; Кнов -коэффициент, учитывающий долю новых потребителей; п - количество потребителей.

Такая методика оценки гибкости приблизительна и может применяться для функционирующих ГЭК при оценке мероприятий по организации электроснабжения новых потребителей.

Оценим гибкость электротехнических комплексов, питающих потребителей с различными параметрами электроэнергии.

Представим компоновки ГЭК совокупностью электротехнических параметров на входе и выходе, которую в дальнейшем будем называть интерфейсом. Для электротехнических систем одной из форм представления интерфейсов является следующая

I = (и,/, т, 5) , (2)

где и - линейное напряжение, В; / - частота, Гц; т - фазность; 5 - установленная

мощность, кВА.

Будем сравнивать множество реализаций ГЭК Х0, предназначенных для достижения одного и того же набора режимов |аг, г=1,п|. Далее, обозначим через хог вариант Х0 в режиме Воспользуемся известным способом сопоставления показателей вариантов гибкой систе-

мы с «идеальными». Последние выбираются на основе ГОСТов, опыта разработчика или достигнутых значений параметров лучших мировых образцов.

При формализации оценки гибкости ГЭК, питающих потребителей с различными параметрами электроэнергии, необходимо учитывать степень достижения требуемого качества функционирования системы электроснабжения в каждом из режимов работы на основе выбранных показателей.

Как показывает опыт оценки эффективности электротехнических систем, наиболее значимыми являются следующие группы показателей:

- качества генерируемой или потребляемой электроэнергии;

- потерь электроэнергии;

- установленной мощности.

Для формализации задачи введем множество показателей П, содержащее три элемента, соответствующих каждой группе, и аддитивную меру g на этом множестве, для которой

X в, = 1 . (3)

Нормируя П относительно «идеальных» значений показателей дид,, перейдем к множеству П , каждый элемент которого определится как [5]

Я-ид ,

Я,

я,

Я

при Яид, = тш

(4)

при Яид, = тах

На основании множества П* может быть получен обобщенный показатель Qi, характеризующий степень достижения ГЭК требуемого качества электроснабжения в г-м режиме работы.

& = X в, я* . (5)

Из приведенных выражений следует Qi<L

Случай Qi=1 соответствует идеальному варианту.

Поскольку не все режимы имеют одинаковую важность, то, вводя аддитивную меру р на множестве режимов, отражающую их сравнительную важность, для которой

X Рг = 1 , (6)

получим оценку гибкости электротехнических комплексов, питающих потребителей с различными параметрами электроэнергии

0,. = X Р,й, . (7)

Рассмотрим пример оценки гибкости двух вариантов электротехнических комплексов, питающих два типа нагрузок, на основе следующих показателей:

- коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Ки;

- мощности потерь Р#;

- установленной мощности Яуст.

Пусть необходимо обеспечить электроснабжение двигательной нагрузки двух типов: сначала с параметрами и=380 В, /=300 Гц, т=3, 5н=7,5 кВА, а затем - с и=380 В, /=400 Гц, т=3, 5н=5 кВА. Здесь - номинальная мощность нагрузки. Для реализации этой задачи сравним два варианта с явным звеном постоянного тока. Один - с инвертором тока (ИТ),

другой с инвертором напряжения (ИН) в качестве выходного звена [6]. Результаты, на основе

которых по предложенной методике оценивается гибкость, представлены в табл. 2.

*

Я

Таблица 2

Оценка гибкости двух вариантов ГЭК

Ки, % Ри, % Sуст, кВА Аддитивная мера р

«Идеальный» режим 1 5 5 7,5 0,5

«Идеальный» режим 2 5 5 5 0,5

Аддитивная мера д 0,4 0,2 0,4

Вариант ИТ Яі (реж.1) 8,5 6 15 0,5

ЯІ (реж.1) 0,588 0,833 0,5 0,5

Яі (реж.2) 8 7 18 0,5

ЯІ (реж.2) 0,625 0,714 0,278 0,5

Вариант ИН Яі (реж.1) 20 7 8 0,5

ЯІ (реж.1) 0,25 0,714 0,938 0,5

Яі (реж.2) 18 8 8 0,5

ЯІ (реж.2) 0,278 0,625 0,625 0,5

В итоге получаем для варианта ИТ вы = 0,5(0,4x0,588 + 0,2x0,833 + 0,4х0,5) + 0,5(0,4x0,625 + 0,2x0,714 + 0,4x0,278) = 0,553, а для варианта ИН

вЬ2 = 0,5(0,4x0,25 + 0,2x0,714 + 0,4x0,938) + 0,5(0,4x0,278 + 0,2x0,625 + 0,4x0,625) = 0,552.

Для представленных в таблице значений весов gi, когда Ки и 8уст «весят» одинаково, получен важный результат: гибкость анализируемых систем, питающих два типа нагрузок, одинакова. При возрастании веса показателя качества кривой выходного напряжения (0,6;

0,2; 0,2) получаем в^1=0,597 и в^г=0,448, что свидетельствует о большей гибкости схемы с ИТ. При увеличении веса показателя установленной мощности (0,2; 0,2; 0,6) имеем в/л=0,509 и в/^=0,655, что делает результат сравнения гибкости в пользу варианта с ИН.

Рассмотрим вторую проблему. В работах [7,8] указано, что для ряда критериев существует оптимальное значение единичной установленной мощности отдельных модулей, образующих ГЭК. Например, критерий, соответствующий минимизации избыточной установленной мощности электротехнического оборудования, имеет вид

Тц

I (Б, (г) - 8Н (г))йг ^ шп, (8)

0

где ^(г) - общая установленная мощность системы в момент времени г; 5Н(г) - изменение нагрузки в момент времени г; Тц - время производственного цикла.

Этот критерий позволяет эффективно использовать установленную мощность ГЭК. Выполнение (8) приводит к максимальной загрузке работающего электротехнического оборудования, отражая важное эксплуатационное требование - уменьшение вложений в незагруженную мощность. Неиспользованное оборудование в виде отключенных модулей, суммарная установленная мощность которых носит переменный характер и определяется величиной (ЗШах-^г)), может использоваться как резерв для повышения надежностных характеристик, для улучшения энергетических показателей по входу и выходу путем функциональных перестроек модулей, для проведения профилактических и ремонтных работ и т.д.

В дискретной форме критерий (8) примет вид

т

X е$г (гг) - (гг)) ^ш1й, (9)

i = 1

где Si(ti) - значение установленной мощности ГЭК, обеспечиваемое группой параллельно включаемых модулей Sn, Si2, Si3,..., Sid, при этом Vt t e At = [tt;ti +1 [,i = 1,ni-1, должно

выполняться условие

Si (t,.) > SH (t) . (10)

Очевидно, что при d——ro и At—0 критерий (9) будет минимален, что приводит к технически нереализуемому решению из-за роста числа переключений в системе sw—ro. Естественно, что состав критериев должен быть расширен рассмотрением таких функциональных характеристик как надежность, экономичность, технологичность и других, определяющих потребительское качество ГЭК. Например, при изменении нагрузки от Smax до Smin кратность резервирования, влияющая на надежность, многократно возрастает за счет структурной избыточности самого ГЭК. При оценке потерь из-за перерывов в электроснабжении, вспоминая экономичность, стараются уменьшить величину резерва, решая таким образом проблему уменьшения инвестиций в незагруженную мощность.

Осуществим выбор величины единичной мощности Sx при создании модульных ГЭК, обеспечивающей оптимальность критерия, связывающего надежность комплекса с резервированием по схеме (N+k) и затраты на его приобретение

C(Sx ) • Sx • (N + k) ^ min. (11)

Отметим, что с ростом установленной мощности оборудования в электротехнике удельная стоимость C(Sx) падает. Оговоримся, что речь идет о модульной технике, комплектующейся из рядов элементов, изготавливаемых в рамках соответствующего единого технологического базиса.

Будем аппроксимировать изменение удельной стоимости линейной функцией

C = aSx + b , (12)

где a, b - коэффициенты, значения которых находятся из уравнений для соответствующих значений Smin и Smax

Г C = aS min + b

\ 1 mn . (13)

[C2 = aS max + b

Решая систему уравнений (13), окончательно имеем

C - C C1 C 2

a =------------

S - S

min max /1 /1 \

C S - C S *

b = C 2 S min C1 S max

S - S

min max

Осуществив подстановку N=Smax/Sx, (12) в (11) и приравнивая производную полученного выражения по Sx к нулю, находим значение, обеспечивающее выполнение критерия (11)

Sx =- Amax^ . (15)

x Г\ N '

2a

После подстановки (14) в (15) имеем

C 2 (S max - kS mm) + C1 S max (k - 1)

Sx =--------------------------------------. (16)

2k (C1 - C 2)

Полученный результат связан с линейной аппроксимацией удельной стоимости (12). Естественно, что на практике могут использоваться и другие модели. Окончательный выбор

зависит от многих факторов, включающих тип электротехнического оборудования, объем и достоверность данных и т.д. Например, при экспоненциальной аппроксимации, представляемой функцией

С = ав-ъ&х, (17)

выражение для определения величины единичной мощности 8Х при создании модульных ГЭК, обеспечивающей оптимальность критерия (11), будет иметь вид

к - ЪV

^ = к Ъ шах . (18)

х Ък

Рассмотрим другой критерий, связывающий (8) и такой показатель, как потери электроэнергии. Относительные потери для отдельного модуля имеют вид

P* _ ■ (19)

S v

где п - КПД модуля с номинальной мощностью Sx.

Из практики известно, что с уменьшением установленной мощности электротехнического агрегата его КПД падает, поэтому в общем случае имеет место зависимость n(N). С учетом того, что ГЭК за счет отключения избыточных модулей поддерживает режим функционирующих, близкий к номинальному, то для относительных потерь при изменениях мощности нагрузки от 0 до Smax можно записать

N

X (1 - п (N)) Sxn A t

P* _ —----------------------,

S t

S max 11

где n - текущее количество работающих модулей.

После преобразований имеем

N

(1 -П (N)) X n

PУ* _------------П~^ .

N2

Окончательно получаем

р t _ (1 -n(N)) (2N +1 + (-1)N ) (2o)

Pz _ . (20)

4 N

Анализируя выражения (8) и (20) при изменении N, получаем, что с ростом N избыток установленной мощности ГЭК уменьшается, а потери, наоборот, увеличиваются. Связывая оба выражения через удельную стоимость установленной мощности Суст и потерь Сп соответственно, получаем общий критерий в виде

(1 -n(N)) (2N +1 + (-1)N ) 1

Сп ------------7^-------------+ Суст — ^ min . (21)

4 N 2 N

Аппроксимируя уменьшение КПД линейной зависимостью n=aN+b, получаем значение N, обеспечивающее выполнение (21)

N _

С

уст (22)

Сп (-а)

Таким образом, для линейно изменяющегося графика нагрузки имеет место оптимальное в смысле критерия (21) значение единичной мощности отдельных модулей ГЭК.

Покажем выбор оптимального значения $х на примере. Пусть диапазон изменения мощности нагрузки лежит в пределах от 0 до 100 кВА. Нагрузка характеризуется значениями напряжения и частоты, отличными от общепромышленных, то есть необходимо использовать электротехнические агрегаты в виде преобразователей частоты. Ограничим нижнюю границу величины установленной мощности $х отдельного преобразователя на уровне 10 кВА. Соответственно КПД будет меняться от 0,95 ($*=100 кВА, N=1) до 0,88 ($*=10 кВА, N=10). Для этого случая а=-0,008. Вводя значения удельных стоимостей установленной мощности Суст и потерь Сп, например Суст/Сп=1/4,5, на основании (22) получим N=5,27. Округляя до ближайшего целого, имеем величину $х, обеспечивающую минимум критерия (21), равную 20 кВА. Затраты, вычисляемые по формуле (21), в этом примере будут равны 28,45 у.е. (Здесь у.е. - условная единица). Для сравнения при N=4 и N=6 выражение (21) дает результаты 33,31 и 31,95 соответственно.

Рассмотрим критерий (9). На практике стремятся выбрать ряд модулей таким образом, чтобы выполнение условия (10) в точках I, происходило за минимальное число шагов, то есть ,у^^ш1п. С учетом этого целесообразно при формировании модульных структур ГЭК по критерию минимальной установленной мощности воспользоваться критерием

К

£($, (I,) - $„ (I,))

, = 1

$

(23)

В этом случае минимизация установленной мощности в ГЭК зависит от ряда модулей, который необходимо определить, шага дискретизации времени, который определяется характером изменения нагрузки и техническими средствами анализа функционирования ГЭК, а также от графиков изменения нагрузок.

На рис. 3 представлена зависимость К$(А$ ), показывающая, как меняется критерий (23) при изменении единичной мощности равномерного ряда для графика нагрузки, отображенного на рис. 2. Здесь А$ =$ном/$шах - относительная величина номинальной мощности модуля; $шах - максимальная установленная мощность всей системы.

и ч

Рис. 2. График изменения нагрузки Б(0

*

Поиск оптимального значения А$ осуществлялся в диапазоне [0,05; 0,35] с шагом 0,01. Результаты показывают, что для графика нагрузки, представленного на рис. 3, оптимальное значение относительной мощности модуля равно 0,27.

Разработанные методики выбора величины единичной мощности $х при создании модульных ГЭК, обеспечивающей оптимальность критериев (11), (21) и (23), позволяют повысить гибкость систем электроснабжения с учетом таких характеристик, как установленная мощность, надежность и потери электроэнергии.

Кв

Рис. 3. Зависимость критерия Кв(Дв) в диапазоне изменения единичной мощности [0,05; 0,35] равномерного ряда с шагом 0,01 для графика в(0, представленного на рис. 2

ЛИТЕРАТУРА

1. Робототехника и гибкие автоматизированные производства: В 9 кн. Кн.7. Гибкие автоматизированные производства в отраслях промышленности: Учеб. пособие для втузов / И.М. Макаров, П.Н. Белянин, Л.В. Лобиков и др.; Под ред. И.М. Макарова. М.: Высшая школа, 1986. 176 с.

2. Гавриш А.П., Ямпольский Л.С. Гибкие робототехнические системы: Учебник. Киев: Выща школа. Головное изд-во, 1989. 407 с.

3. Томашевский Ю.Б., Голембиовский Ю.М., Пятницын В.Н. Модульный принцип организации как основа гибких преобразовательных систем // Техтчна електродинамика: Тем. вып. Киев, 2000. Ч.1. С.35-38.

4. Митяшин Н.П., Голембиовский Ю.М., Томашевский Ю.Б. Оценка гибкости систем силовой электроники // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Труды V Междунар. конф. В 9 т. Новосибирск, 2000. Т.4. С.91-94.

5. Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б. Гибкие преобразовательные комплексы. Саратов: СГТУ, 2002. 128 с.

6. Энергетическая электроника: Справ. пособие / Пер. с нем.; Под ред. В.А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1987. 464 с.

7. Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б., Артюхов И.И. Адаптивные системы электроснабжения на базе агрегированных преобразователей частоты // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2002. № 5-6. С.93-103.

8. Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б., Кузьмиченко Б.М. Системообразующие принципы построения электротехнических комплексов с изменяемой структурой // Автоматизация и современные технологии. 2003. № 4. С.7-13.

Томашевский Юрий Болеславович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Системотехника»

Саратовского государственного технического университета