// Материалы ХV конференции по философии техники и технетике и семинара по ценологии (Москва, 19 ноября 2010 г.). Вып. 47. «Ценологические исследования». – М.: Технетика, 2011. – 400 с.

 

ОБ ОПТИМИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТЕХНОЦЕНОЗОВ

Ю. П. Зубюк

 

Системный подход к организации электроснабжения электротехнологических установок (ЭТУ), в отличие от разработок индивидуальных источников для конкретных ЭТУ, позволяет выявить положительные системные свойства, которые можно использовать для повышения эффективности использования электроэнергии в выделенной части системы электроснабжения. Эта часть, состоящая из электрооборудования (ЭО), обеспечивающего проведение технологических процессов в ЭТУ какого-либо производства, рассматривается как система электротехнологии (СЭТ). Выделение СЭТ удобно осуществлять, начиная с ЭО участка загрузки обрабатываемого материала до ЭО участка, где продукция приобретает ту или иную степень готовности. Например, в плавильно-литейном производстве современного машиностроительного предприятия СЭТ включает в себя ЭО участка, с которого материал идёт на загрузку в индукционные печи, и далее ЭО участков плавки и миксирования в индукционных печах и установках, разливки метала в формы электромагнитными дозаторами, карусельных конвейеров, металлообработки и вспомогательных производств, в том числе обеспечивающих работу целостного и взаимосвязанного комплекса теплотехнического, технологического и другого оборудования, объединённого на выделенной территории по признаку единого целевого назначения – обработки металла (материала) до определённой кондиции. При этом СЭТ характеризуется известными системными свойствами: общей задачей управления, иерархичностью, энергией связей между элементами, значительно превосходящей энергию связей с элементами других систем и др. Системный подход к построению высокоэффективной СЭТ предполагает, что такая система однозначно не определяется совокупностью образующих её элементов, но именно сама система предопределяет структуру и параметры элементов/подсистем нижних уровней иерархии таким образом, чтобы приобрести полезные свойства, отсутствующие у элементов, которые систему образуют. При анализе выделенной СЭТ это, в частности, предполагает соответствующий учёт взаимовлияния и взаимодействия элементов и подсистем с целью использования эмерджентных свойств для повышения эффективности использования электроэнергии. При этом, в большом числе случаев, уже не представляется целесообразным использование только лишь однотипных (удобных проектировщикам) традиционных преобразователей параметров электромагнитной энергии ЭТУ, а появляется возможность разнообразить их типы и типы источников электропитания, применять более экономичные средства электромагнитной совместимости – централизованные и/или групповые наряду с индивидуальными и др. Например, для таких ЭТУ как индукционные печи и установки, являющиеся низкокосинусными, несимметричными, нелинейными нагрузками электрической сети, альтернативами построения источников питания являются трансформаторные, емкостные, полупроводниковые и комбинированные преобразователи параметров электромагнитной энергии, а в качестве средств обеспечения электромагнитной совместимости применяют симметрирующие, компенсирующие, фильтрующие устройства и их комбинации.

Наличие указанных альтернатив предопределяет возможность постановки и решения задач структурно-параметрической оптимизации СЭТ для обеспечения наивысшей производительности при наименьших затратах. Часто такие задачи бывают многокритериальными и содержат нескалярные (векторные) функционалы (например, оперирующие одновременно модулями и фазами векторов соответствующих электрических параметров). Решение экстремальных задач такого типа часто приводит к повышению порядка функционалов за счёт перехода к соответствующим скалярным подмоделям. При этом поиск структуры и параметров элементов/подсистем СЭТ, удовлетворяющих исходному векторному функционалу, происходит в области допустимых решений, формируемой ограничениями, упорядочивание которых по значимости носит преимущественно субъективный характер. При рассмотрении совокупности нескольких СЭТ даже в рамках одного промпредприятия предполагают существенные сложность формализации и увеличение объёма необходимой информации, усложнение вычислительных алгоритмов и др.

В то же время, техноценологический подход [1], в отличие от системного, позволяет анализировать слабовзаимосвязанные энерготехнологические цепочки одного или нескольких предприятий, в условиях отсутствия единых задач управления и соответственно согласованных критериев оптимальности. Так, в качестве электротехнологического техноценоза (ЭТТЦ) можно рассматривать совокупности слабовзаимосвязанных СЭТ, а также действующие на определённой территории и имеющие связь через общий источник электропитания (подстанцию) энерготехнологические цепочки нескольких промышленных предприятий с целью выявления и целенаправленного использования ценологических законов и закономерностей. В большом количестве случаев при переходе к рыночной экономике промпредприятия, претерпев многоразовые реконструкции и модернизации, среагировав на новые запросы рынка и др., зачастую существенно меняют структуру и состав ЭО, вводя новые, вспомогательные производства, подключая новых субабонентов и т.д. Например, на машиностроительных предприятиях помимо первоначально спроектированного производства чёрного литья появляется производство цветного литья, получают иные задачи кузнечно-прессовые, механо-обрабатывающие, сборочные и др. производства. В состав узлов нагрузки электрической системы часто входит несколько промпредприятий с разной степенью взаимовлияния, в то время как структурно-параметрическая сущность каждого из них определяется, в том числе, соответствующими взаимосвязями и взаимовлиянием.

В [2] было показано, как использование техноценологических закономерностей позволяет повысить эффективность СЭТ. Примерами таких закономерностей могут служить следующие: определяющими видами, наиболее существенно влияющими на характеристику ценоза, являются виды, группирующиеся возле пойнтер-точки R кривой Н-распределения [1]; требование увеличения разнообразия видов как необходимое условие оптимизации; увеличение числа способов, которыми потребляется ресурс [3] и т.д. Повышение эффективности СЭТ оказалось возможным при организации разнохарактерности видов ЭО, находящихся в районе пойнтер-точки Н-распределения: электромагнитные системы дозаторов жидких металлов (имеющих "серединные" единичные мощности в ряду мощностей ЭО плавильно-литейного цеха) одновременно включались как от трансформаторных, так и от емкостных преобразователей параметров электроэнергии ЭТУ. При этом, за счёт взаимной компенсации реактивных и пульсирующих мощностей оказалось возможным добиться повышения коэффициента мощности, снижения колебаний и несимметрии напряжения, при отсутствии резонансных перегрузок на его высших гармонических составляющих, без применения соразмерных средств электромагнитной совместимости [2]. Разнохарактерными являются элементы емкостного и индуктивного характера, которые условно могут представляться некими противоположностями, поскольку имеют противоположный знак сопротивления, противоположно сдвигают ток по отношению к напряжению, противоположно реагируют на изменение частоты и компенсируют влияние друг друга на свойства соответствующего участка электрической сети. Необходимость такой организации разнохарактерности нагрузок СЭТ на определённых иерархических уровнях СЭТ или в районе пойнтер-точки Н-распределений ЭТТЦ исходит из системообразующего экологического закона необходимого разнообразия, который кроме количественной должен также проявлять и определённую качественную сторону, например в соответствующей мере отвечать законам диалектики. Следует отметить, что в наших исследованиях ЭТТЦ технологические закономерности, в т.ч. необходимость организации разнохарактерности видов, находящихся в районе пойнтер-точки R, использовались как для нахождения самих этих видов, так и для их "удержания" в этом районе при анализе вариантов переспективного развития ЭТТЦ (например, при соответствующем увеличении новых видов ЭО ноевых и саранчёвых каст).

С достаточной степенью условности можно считать, что ЭО различных видов/популяций, могут оказывать друг на друга три варианта воздействий (хотя бы с точки зрения надёжности и эффективности функционирования): благоприятное (+), неблагоприятное (-) и нейтральное (0), т. е. не оказывать заметного воздействия. Попарные комбинации этих типов воздействий можно представить аналогично тому, как это делается в экологии, а именно: нейтрализм (0,0), мутуализм (+,+), коменсализм (+,0), аменсализм (-,0), хищничество/паразитизм (+,-), конкуренция из-за ресурсов (-,-). Продолжая подобные аналогии, можно усмотреть в электроценозах и наличие так называемых видов-"ценофобов" наряду с видами-"ценофилами" [3], а также сосуществование видов-"доминантов", видов-"эдификаторов" (с наибольшей средообразующей способностью) и видов-"детерминантов" (оказывающих наибольшее влияние на другие виды). В качестве примеров попарных взаимодействий ЭО, опять таки в с достаточной степенью условности, можно привести следующие: "преобразователь частоты–конденсатор" (-,-),"печь сопротивления–осветительная нагрузка" (0,0), "мощная несимметричная ЭТУ–асинхронный двигатель" (0,-), "регулирумые конденсаторная батарея–трансформатор" (+,+) и др. Здесь следует отметить, что конкретный тип попарного взаимодействия ЭО в разных узлах электрических систем и в разной электромагнитной обстановке может быть разным. Проблемы количественной оценки самогó влияния видов друг на друга (степень доминантности и др.), а также роли пропорций отдельных таких видов для стабильности устойчивости систем также могут рассматриваться в рамках системных законов, закономерностей, принципов и правил экологии/ценологии. Последние во многом применимы и к системам промышленной электроэнергетики и позволяют сформулировать задачи обеспечения такой соразмерности частей и целого СЭТ или соотношения (пропорций) разнохарактерных видов в ЭТТЦ, при которых можно получить положительный результат в виде повышения эффективности, устойчивости, стабильности функционирования. Есть основания предполагать, что такие результаты можно получить при приближении Н-распределений техноценозов к неким "гармоничным" состояниям, в основе формализации которых лежат например "металлические" (V.W. de Spinadel, 1997 г.) пропорции, определяющие ранговые коэффициенты. При этом процедуры структурно-параметрической оптимизации (например, устранение аномальных отклонений на соответствующих распределениях) можно осуществлять, поэтапно приближаясь к ближайшим достижимым (в условиях технологических и других ограничений) "гармоничным" распределениям, определяемым указанными пропорциями (прямыми и обратными) в диапазоне между числом Фидия и его обратной величиной, который приблизительно соответствует диапазону ранговых коэффициентов 0,5…1,5, характеризующему наилучшие состояния техноценозов [4].

В рассматриваемой в качестве примера СЭТ плавильно-литейного производства "доминантными" являются мощные индукционные печи плавильного участка/цеха (саранчёвая каста), а "эдификаторами" – электромагнитные дозаторы (вид, располагающийся в районе пойнтер-точки соответствующего Н-распределения). Как в отдельной СЭТ, так и в группе СЭТ, рассматриваемой как ЭТТЦ, сосуществуют разнохарактерные (по сопротивлению) элементы: индуктивности и ёмкости, а также несимметричные ЭТУ, искажающие полупроводниковые преобразователи, ухудшающие условия работы двигателей, трансформаторов, а с другой стороны – симметрирующие и фильтрующие устройств, которые устраняют факторы такого ухудшения; взаимовлияют и взаимодействуют однородные виды (конденсаторы разных уровней СЭТ). Колебательные процессы присущи как естественным, так и искусственным системам, изучение свойств которых происходит с применением взаимных сравнений и аналогий. Представляется очевидным, что количество видов, пребывающих в "нейтрализме" и "мутуализме", должно иметь некоторую необходимую и достаточную долю в общем количестве условных взаимодействий ЭО, от чего зависят общая стабильность и устойчивость ЭТТЦ.

Введение мощного источника гармонических искажений тока/напряжения в СЭТ, состоящий из ограниченного числа ЭО, приводит к существенному изменению устойчивости, а резонансные перегрузки могут привести к уничтожению системы в целом. Причём доля резистивных нагрузок, например печей сопротивления, существенно влияет на добротность соответствующих резонансных контуров и на устойчивость к резонансам системы в целом, а частóты нулей и полюсов импедансно-частотных характеристик входных сопротивлений СЭТ/ЭТТЦ существенно зависят от соотношений индуктивных и емкостных элементов. При этом, для повышения устойчивости к резонансным процессам необходимо обеспечение соответствующих пропорций в составе ЭО. Например, в ряде работ доля ЭО-источников высших гармонических составляющих токов/напряжений ограничивается величиной 15–20 % от мощности питающего трансформатора для надёжной работы всего остального ЭО в пределах нормально допустимых перегрузок. Следует отметить, что устройства и алгоритмы определения величин и характеров сопротивлений участков электрических сетей и систем, а также импедансно-частотных характеристик с целью их анализа и синтеза, являются предметом многих современных разработок.

Применение ценологических законов, закономерностей и принципов может быть весьма эффективным для получения возможностей решения трудноформализуемых, нечётких и других сложных электротехнических задач. Следует отметить, что при решении задач оптимизации электротехнических систем в последнее время всё более успешно применяют эвлолюционные вычисления (гененетические алгоритмы), также использующие аналогии с "естественными системами" (Д. Холланд, 1975). В частности, такие вычисления могут сочетаться с техноценологическими подходами при решении задач оптимального распределения конденсаторных компенсирующих устройств в сложных электрических системах.

При решении вопросов о целесообразности применения конденсаторных установок на разных ступенях СЭТ/ЭТТЦ часто возникают дискуссионные моменты, связанные с использованием затратных критериев для сравнения эффекта снижения потерь от перетоков реактивной мощности на участках сети и эффекта увеличения потерь в элементах системы от повышения напряжения при подключении групп (ступеней) конденсаторов этих установок к этой точке сети. Учитывая известные недостатки затратных критериев, в т.ч. сомнительность ценообразования в рыночных условиях и субъективный фактор упорядочивания ограничений оптимизационных задач, полученные выводы не всегда представляются корректными. В этих случаях наряду с техническими критериями оптимальности представляется целесообразным применять упомянутые ценологические принципы для оптимизации ЭТТЦ, что представляет актуальную исследовательскую задачу.

 

Литература

1.   Кудрин Б. И. Введение в технетику. Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та, 1991. 384 с.

2.   Зубюк Ю. П. Об использовании техноценологических закономерностей в системах электротермии // Электрика. 2006. № 2. С. 28–31.

3.   Чебанов С. В. Оптимальность и экстремальность в культуре, ципфиада и закон Лотмана / Техногенная самоорганизация и математический аппарат ценологических исследований. Вып. 28. "Ценологические исследования". М.: Центр системных исследований, 2005. С. 411–428.

4.   Гнатюк В. И. Закон оптимального построения техноценозов. Вып. 29. "Ценологические исследования". М.: Изд-во ТГУ–Центр системных исследований, 2005. 384 с.