Алгоритмический комплекс автоматизированной обработки результатов энергетического обследования системы электроснабжения промышленного предприятия Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Энергосбережение = 19 — ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

Рубрику ведет В.М. Аванесов,

заведующий кафедрой «Энергосбережение»

НОУ ВПО МИЭЭ,

кандидат технических наук, доцент

Алгоритмический комплекс автоматизированной обработки результатов энергетического обследования системы электроснабжения промышленного предприятия

Е.В. Садков,

адъюнкт Военной академии РВСН им. Петра Великого

жимов сложных линейных схем замещения целесообразно пользоваться некоторыми представлениями из топологической теории графов. Применение элементов теории графов позволяет получить обобщенное представление о схеме замещения электрической цепи независимо от ее фактического вида, сложности и параметров. Это дает возможность выполнять расчеты в общем виде, практически применимые к любым схемам замещения. При этом упрощается и графическое представление схем. Граф определяет наличие функциональных связей между отдельными величинами. Наличие функциональной связи определяется ребром графа. Схема замещения сети обычно является связанным графом. Каждому элементу расчетной схемы ставится в соответствие потребляемая мощность, время работы максимальной нагрузки, значение напряжения на клеммах. Технические характеристики элементов расчетной схемы хранятся в специализированной базе данных, поэтому пользователю нет необходимости искать справочные данные и вносить их в расчетную схему. Если в базе данных не содержится информации по какому-либо типу оборудования системы электроснабжения, пользователь может легко внести и сохранить недостающие параметры, которые будут использоваться алгоритмом в дальнейших расчетах.

Первый этап алгоритма - определение равенства значений потенциалов начала и конца участка, соединяющего два элемента схемы. Если эти значения отличаются - расчетная схема работает в аварийном режиме. Подобная ситуация возможна в случае соединения в расчетной схеме выводов высшего напряжения трансформатора с выводами низшего напряжения трансформатора, а также при соеди-

ШОШ ---------------

Широко! внедрение метода математического моделирования в практику инженерных расчётов помимо принципиальных преимуществ, таких как возможность быстро, точно и многократно решать задачу при различных предпосылках, оперативно вносить изменения в методику расчёта, вызвано большими затратами труда высококвалифицированных специалистов на проведение инженерных расчётов. В результате появляется очень важная и сложная проблема автоматизации высококвалифицированного инженерного труда.

Анализ функционирования системы электроснабжения (СЭС) промышленного предприятия подразумевает оценку эффективности использования электрической энергии не только самой системы в целом, но и ее элементов.

Первый этап анализа состоит из определения всех составляющих энергетического баланса и является основой при обработке результатов энергетического обследования. Трудоемкий процесс определения всех составляющих баланса затруднен обычно отсутствием должного количества приборов учета электрической энергии и, следовательно, недостатком данных по идентификации системы и собственно сложностью расчетов, поскольку схема электрических сетей промышленного предприятия достаточно разветвлена, а в ряде случаев и закольцована. В статье предлагается подход к автоматизированному анализу энергетического баланса электрических сетей промышленного предприятия.

Расчет и машинное представление расчетных схем систем электроснабжения удобно проводить, используя структурированное представление исходных данных. Для обобщенного анализа рабочих ре-

нении двух элементов, питающихся от линий с разным значением приложенного напряжения.

Второй этап алгоритма - предупреждение повторного соединения элементов (дублирование участков), уже соединенных ранее подобным способом.

Учитывая, что электрические сети промышленных предприятий имеют, как правило, древовидную структуру, рассмотрим применение алгоритмов для обработки результатов обследования электрических сетей именно в схемах, не содержащих контуры. Алгоритм расчета сети базируется на анализе графа при поиске вычислительной последовательности разомкнутой схемы (схем без контуров), когда отыскиваются висячие вершины графа и по известной мощности потребителя рассчитываются характеристики участков, инцидентных висячим вершинам. В расчет участка входит определение тока в случае электрической сети.

На следующем шаге алгоритма определяются потери электрической энергии, затем из графа удаляются рассмотренные висячие вершины и инцидентные им дуги. После этого алгоритм реализуется аналогично до достижения корневой вершины графа.

Использование подобного алгоритма позволяет унифицировать расчеты с использованием графического ввода информации о конфигурации сети и дает возможность максимально автоматизировать определение потерь в электрических сетях, позволяя принять во внимание конфигурацию сети. На рис. 1 представлен алгоритм расчета системы электроснабжения промышленного предприятия, в таблице 1 представлены данные идентификаторов переменных, используемых при описании алгоритма.

На втором этапе анализа необходимо определить зависимости, связывающие энергетические показатели элементов системы электроснабжения с параметрами нагрузки при ее изменении по заданной циклограмме технологического процесса. Математическая модель элементов, адекватно отражающая характер изменения энергетических показателей электрооборудования при изменении нагрузки, дает возможность в общем случае оптимизировать систему электроснабжения в целом.

Обычно при оценочных расчетах потенциала энергосбережения принимают простейшие схемы замещения элементов СЭС. Для более точных результатов необходимо уточнить математическую

модель элементов. Это уточнение удобно произвести путем статистической обработки определенных измерений, полученных при проведении инструментального обследования СЭС.

Опытные данные, полученные при инструментальном обследовании СЭС в различных режимах функционирования, достоверно отражают реальную структуру энергетических соотношений в СЭС, полностью учитывая все потери мощности и характер их изменений с изменением нагрузки. Следовательно, анализ и математическая обработка данных, полученных при инструментальном обследовании, позволяют решить задачу получения уточненной оценки потенциала энергосбережения СЭС и ее элементов в отдельности.

Таблица 1 Таблица идентификаторов

№ Обозначение Значение

1. flag Переменная принимает значение 0 или 1,0- если висячая вершина не найдена, 1 - если найдена.

2. Node[] Динамический массив, хранящий номера элементов (кроме дуг)

3. index Vis Переменная хранит номер дуги, одной из вершин, которой является висячая вершина.

4. flagFider Переменная принимает значение 0 или 1,0 — если висячая вершина не относится к классу фидер, 1 - если относится.

5.. flagTrans Переменная принимает значение 0 или 1,0- если висячая вершина не относится к классу трансформаторов, 1 — если относится.

6. vis Переменная хранит номер висячей вершины

7. Duga[].a Динамический массив, хранящий номер вершин дуги

8. Duga[].b Динамический массив, хранящий номер вершин дуги

9. TransArray[] Динамический массив, хранящий номера элементов, относящихся к классу трансформаторов

10. NumTransfor Переменная, хранящая количество элементов, относящихся к классу трансформаторов

11. NumFider Переменная, хранящая количество элементов, относящихся к классу фидер

12. Fider Array [] Динамический массив, хранящий номера элементов, относящихся к классу фидер

13. time[] Динамический массив, хранящий расчетные значения времени работы максимальной нагрузки каждого элемента

14. PG Динамический массив, хранящий расчетные значения потребляемой активной мощности каждого элемента

15. q[] Динамический массив, хранящий расчетные значения потребляемой реактивной мощности каждого элемента

16. Sum[] Динамический массив 5ит[] р[] • 1ш1е[]

Энергосбережение

21

Рис.1. Алгоритм расчета СЭС промышленного предприятия

с

Начало

Инициализация переменных. Определение инцидентных дуг им вершин

15 Цикл d по количеству

фидеров в расчетной схеме

(Num Fider)

1 1

16 F ider Array [d]=vis

, Да

17 flagFider=l

Конец ^

1 I

32 Вывод результатов.

©

3 Цикл i по количеству элементов расчетной схемы (кроме дуг)

4 Инициализация переменных: vis=Node[i], flag=0, flagTrans=0, flagFider=0, indexVis=-l

1

5 Цикл j по количеству участков (дуг) расчетной схемы

Нет

Да

_1_

NumTransfor = О AND flag = О AND NumFider = О

tame [vis] = Sum [/vis/] p [vis];

—lp[Duga [index VisJ.b] = p[Duga [index Vis].b]+p[vis]; q[Duga [index VisJ.b] = q[Duga [index Vis].b]+q[vis]; p[Duga [index Vis].Num] = p[Duga [index Vis].a; q[Duga [index Vis].Num] = q[Duga [index Vis].a; tame[Duga [index Vis].Num] = tame [vis]

Sun [Duga [index VisJ.b] = Sun [Duga [index VisJ.b] + p[vis]* tame [visj;

Вызов процедуры расчета потерь в элементе с номером vis и сопряженных с ним участков. Корректировка значений массивов р и q.

Нет

tame[vis] = Sum [vis]/p[visj;

_ p[Duga [index VisJ.a] = p[Duga [index Vis|.a]+p[visJ; q[Duga [index Vis].a] = q[Duga [index VisJ.aJ+q[visJ; p[Duga [index VisJ.NumJ = p[Duga [index VisJ.[bJ; q[Duga [index VisJ.NumJ = q[Duga [index VisJ.fbJ; tame[Duga [index VisJ.NumJ = tame [visj;

Sun [Duga [index VisJ.a] = Sun [Duga [index VisJ.a] + p[visj* tame [vis];

* I 24

Duga [index VisJ.b] = 1; Duga [index Vis].a = 1;

11 в рг Цикл к по количеству трансформаторов ^счетной схеме (Num Transfer)

\ t

12 TransArray[k]—vis

1 г Да

13 flagTrans—1

Функция снятия

___ приоритета и

включения одного из фидеров в расчет.

Функция снятия приоритета и включения одного из трансформаторов в расчет.

~т~

О-

ШШ

Рассматривая отдельные элементы и системы СЭС с целью разделения суммарных потерь мощности в СЭС, необходимо получить не столько абсолютное значение потерь мощности в каждом элементе, сколько характер изменения этих потерь в зависимости от параметров технологического процесса, что позволит классифицировать все потери мощности по группам:

1. Потери, остающиеся неизменными с изменением значения тока нагрузки.

2. Потери, изменяющиеся пропорционально изменению значения тока нагрузки.

3. Потери, изменяющиеся пропорционально квадрату изменения значения тока нагрузки.

4. Потери, не зависящие от влияния значения тока нагрузки и его изменения.

На рис. 2 представлен фрагмент расчетной схемы системы электроснабжения промышленного предприятия.

Для определения потерь электрической энергии в СЭС в настоящее время широко применяют поэлементный метод расчета. Например, для расчета потерь в сетях напряжением 10(6) кВ необходимы следующие данные:

количество активной Аа и реактивной Ар энергии, поступившей в каждую распределительную линию за расчетный период;

суточный часовой график токовой нагрузки 1(1;) рабочего дня, снятый на шинах ЦП или районных и узловых подстанций, для зимнего максимума и летнего минимума;

суточный часовой график напряжения 11(1) рабочего дня на шинах ЦП для тех же периодов. Если напряжение на шинах ЦП регулируется, то для

расчетов берут средний уровень напряжения на шинах ЦП;

сведения о продолжительности отключения распределительных линий в течение расчетного периода;

отчетные потери электроэнергии;

суммарное количество активной энергии Аа, поступившей в распределительную сеть.

Учитывая опыт проведения энергетических обследований промышленных объектов, можно с уверенностью утверждать, что приведенные выше достоверные данные получать и обрабатывать очень сложно. Поэтому необходимо максимально автоматизировать процесс определения, анализа и прогнозирования суточных часовых графиков токовой нагрузки 1(1) рабочего дня, рассчитанных для зимнего максимума и летнего минимума, а также для типовых дней каждого элемента СЭС промышленного объекта.

В расчетной схеме СЭС предусмотрена возможность задания суточных часовых графиков токовой нагрузки 1(1) элементов. На рис. 3 представлен специализированный редактор, позволяющий быстро задавать и редактировать суточные графики токовой нагрузки 1(1) элементов СЭС промышленного объекта.

Определив суточные графики токовой нагрузки 1(1) элементов СЭС, алгоритм, построенный на анализе графа при поиске вычислительной последовательности разомкнутой схемы, отыскивает висячие вершины графа. По известным графикам нагрузки потребителей рассчитываются соответствующие графики участков, инцидентных висячим вершинам.

Для обеспечения универсальности и гибкости использования графовых алгоритмов предусмотрена возможность преобразования режимных графиков

рскшешнкнмых инженерных

Файл Вид Элементы Определение потерь Потоковый граФ Печать

ШШ'з} Шй..................II.............

ГМ-2500Л0 Й Т5 ТМ-2500/10 й Тб ТМ-2500Л0 £3 Т7 ТМ-2500Л0 (С* Т8 ТМ-2500,

В0-250

Рис. 2. Фрагмент расчетной схемы СЭС промышленного предприятия

Энергосбережение = 23 —

нагрузки технологического процесса в графики токовой нагрузки 1(1) элементов, участвующих в обеспечении технологического процесса.

Стандартные алгоритмы расчета моделей суточных графиков осуществляются по отдельной выборке для каждого часа по 20 ... 30-дневной предыстории. Учет типа дня производится путем ввода в модель "фиктивных" переменных.

Предлагаемый подход к прогнозированию графиков нагрузки позволяет исключить фиктивные переменные путем определения коэффициента приведения как отношение среднемесячных нагрузок типовых дней к среднемесячным нагрузкам рабочих дней. Предыстория нагрузки - динамический ряд, как правило, имеет тренд. Следовательно, на отрезке времени предыстории, отношения усредненных нагрузок типовых дней к рабочему дню зависят от объема выборки, количества типовых дней и их расположения в выборке. За коэффициент приведения принимается усредненное отношение нагрузок типовых дней к значениям математических ожиданий нагрузок рабочих дней. Тогда коэффициент приведения для ]-го часа суток б-го типа дня определяется как:

где Р!х (/) - нагрузка типового дня; Р^О) - оценка нагрузки рабочего дня; Ь - количество дней б-го типа в выборке.

Анализ выборок показал, что математическое ожидание нагрузок рабочих дней можно представить в виде прямой. Тогда оценку нагрузки рабочего дня можно определить с помощью уравнения прямой, построенной только по нагрузкам рабочих дней.

За коэффициент приведения особого дня примем среднее отношение нагрузки аналогичного дня предыдущего года к нагрузкам одной или более пар рабочих дней, равноудаленных по времени от рассматриваемого особо.

Прогноз нагрузки типового и особого дней определяется умножением результата вычисления по нагрузкам рабочих дней.

Изменение нагрузки в течение месяца, обусловленное неритмичностью производства, учитывается вводом календарных чисел месяца в качестве фактора.

Автокорреляция остатков одноименных часов суток при учете факторов времени, температуры и т.п. устраняется введением нагрузок за аналогичные часы предыдущих суток в качестве дополнительных факторов.

Таким образом, модель нагрузки для прогнозирования представляет собой уравнение смешанной авторегрессии для ]-го часа суток:

Р]{1) = Р! + ^а11Ф.1М) + '^Ь„Р1(1-И) + е1(1),

1=1 и=\

где P.(t) ~ нагрузка t-ro дня выборки; р - "базовая" часть нагрузки;

Рис. 3. Редактор создания суточного графика токовой нагрузки 1(1) элементов

№ ©о ШШ

ар - коэффициент, учитывающий степень влияния г-го фактора на нагрузку; ф/0 - значение г-го фактора;

Ь ъ - коэффициент, учитывающий степень влияния нагрузки за предшествующие дни; - ошибка моделирования (остаток).

На рис.4 представлена сводная ведомость расчетной схемы.

Обобщенные расчетные данные

шш

IтШШШШШШк

В ре т Г ~ Т Р ПРтеР-Д 'й~ потец:... 1 Потери.

Зле... Тип

Кн

Т1 ТМТН-6300... 0,99 4819 24..11 171,5 173,2 1,162Е5 8,264Е5 8,345Е 5 5366 424,3 6387

Р1 0 и 0 0 0 0 0 0 5376 420,6 6536

Р1 Т1 А16 1,7 4819 5,84 0 5,84 2,814Е 4 0 2,814Е 4 5376 420,6 6536

М1 4А50А2УЗ 1 3600 0,0252 0,02571 0,036 90,72 92,55 129,6 17,03 0,08998 17,06

М1 Т1 А16 2,8 6221 15,46 0 15,46 9,616Е 4 0 9,616Е 4 2932 0,08998 2932

и А16 1 3600 3,191Е-5 0 0 0,1149 0 0 2,5 0 2,5

И Т1 А16 0..004 3600 3,191Е-5 0 3,191Е-5 0,1149 0 0,1149 2,5 0 2,5

1_2 А16 1 3600 20,42 0 0 7,352Е4 0 0 2020 0,02571 2041

12 Т1 А16 3,2 3600 20,42 0 20,42 7,352Е4 0 7,352Е4 2041 0,08998 2041

М2 4А63В2УЭ 1 3600 01277 0,07578 0,1485 459,8 272,8 534,6 0,6007 0,3564 0,6985

М2 Т1 А16 ОД.. 3600 5,56Е-7 0 5,56Е-7 0,002002 0 0,002002 0,6007 0,3564 0,6985

: 1_з А16 1 3600 1,838 0 0 6617 0 0 1002 0 1004

1_3 М1 А16 0,96 3600 1,838 0 1,838 6617 0 6617 1004 0 1004

: т Р 0-250 1 7600 6,635 0 0 5 043Е4 0 0 1907 0 1913

; П1 М1 А16 1,8 7600 6,635 0 6,635 5,043Е4 0 5,043Е 4 1913 0 1913

Т2 ТМ-1600/10 0,83 3600 12,51 85,84 ■ 86,75 4..502Е4 3,09Е5 3..123Е5 1367 173 1367

Т2 Т1 А16 1,3 3600 3,222 0 3,222 1,16Е4 0 1 16Е4 1358 173 1422

М3 М3 Т2 4А80В4УЗ А16 1 0,21 3600 3600 0,2863 0,09098 0,1924 0 0,345 0,09098 1031 327,5 692,7 0 1242 327,5 11,61 129,2 6,145 66,33 13,14 145,2

: Н2 Я 0-250 1 3600 7,352 0 0 2,647Е4 : о 0 1207 0 1215

Т2 И2 А16 1,2 3600 2,647 0 2,647 9528 0 9528 1210 0 1210

М4 4А50А2УЗ 1 3600 0,0252 0,02571 0,036 90,72 92,55 129,6 0,0882 0,08998 0,126

М4 1.2 А16 0,0... 3600 4,136Е -8 0 4..136Е-8 0,00014... 0 0,00014... 0,0882 0,08998 0,126

М5 4А280М2УЗ 1 3600 9,986 5,116 11,22 3,595Е4 1,842Е4 4,039Е4 127,6 65,3 143,3

М5 М3 А16 0,21 3600 0.08896 0 0,08896 320,3 0 320,3 127,6 65,3 143,3

!■ ; -*! ^ , .1

Рис. 4. Сводная ведомость расчетной схемы

Проведение комплексных исследований в процессе энергетического обследования системы электроснабжения промышленного предприятия возможно лишь с помощью соответствующей иерархической системы математических моделей. Принципиальные преимущества математических моделей, такие, как возможность быстро, точно и многократно решать задачу при различных предпосылках, оперативно вносить изменения в методику расчёта, предопределили широкое их использование при определении энергосберегающего потенциала промышленного предприятия. Математические модели, реализованные на ЭВМ, являются наиболее эффективным инструментом оценки эффективности использования электрической энергии энергетическим оборудованием промышленного предприятия.

Применение предложенной методики, реализованной в алгоритмическом комплексе автоматизированной обработки результатов энергетического обследования системы электроснабжения промышленного предприятия, существенно уменьшает время работы энергоаудитора и повышает качество результатов.