// Электрификация металлургических предприятий Сибири. Вып.12. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. С. 98–107.

ПОНЯТИЙНОЕ, МОДЕЛЬНОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ЗАДАЧ ЭЛЕКТРИКИ

М.Г. Ошурков

В электрохозяйстве появились новые задачи, связанные с реструктуризацией электроэнергетики, которая началась с 90-х годов, продолжается и закончится к 2008 г. Всё большее значение приобретают проблемы рационального расходования электроэнергии, а это означает, что все большее значение приобретает потребитель как субъект потребления электроэнергии и электротехнической продукции [1].

Таким образом, речь идет об электрическом хозяйстве, начиная с квартиры, мелкого бизнеса и сферы услуг, и кончая крупными промышленными предприятиями. Проблема осложняется еще и тем, что не сформировался полностью понятийный аппарат электрики, которую проф. Федоров называл внутризаводским электроснабжением, а также не сформировался математический и модельный аппарат, адекватный современному электрохозяйству. Между тем, вопросы энергосбережения решает, в конечном счете, потребитель, и проблемы, например, выхода на оптовый рынок электроэнергии порождают много новых понятий, необходимость применения новых математического и модельного описания, которыми должны владеть специалисты отделов главного энергетика и инженерно-технический состав предприятия.

Если обратиться к истории вопроса, то очевидны этапы развития, например, электротехники и электроэнергетики, когда сначала возникал объект исследования, затем решались теоретические вопросы, оформлялась система понятий. В позапрошлом веке для электротехники была создана теория, завершившаяся уравнениями Максвелла и разработкой системы понятий в 1881 г. Для электроэнергетики, объект и основные понятия которой созданы в начале XX века, к средине века был разработан математический аппарат, уточненный в последствии проф. Глазуновым, Вениковым, Строевым. Аналогичная задача стоит сейчас перед электрикой как наукой и областью деятельности. Решение этой актуальной проблемы потребовало сформулировать ряд задач для области исследования электрики: 1. Формализованное описание объекта исследования, учитывающее количественный рост и новые технологии, установленного оборудования, усложнение схем электроснабжения электрики, отказ от системы планово–предупредительного ремонта; 2. Физическое, модельное и понятийно–терминологическое выделение объекта, определяемое реструктуризацией электроэнергетики и конкурентными требованиями рынка; 3. Разработка, опирающаяся на классическую теорию вероятности, системы понятий и терминов, пакета математических моделей, алгоритмов, программ, которые определяют параметры электрической энергии (мощности) и позволяют эффективно управлять электропотреблением, оптимизируя затраты на функционирование; 4. Классификация и адаптация математического аппарата бесконечно делимых Н-распределений для повышения точности расчёта и оценки результатов, получаемых существующими программно-математическими методами; 5. Выделение и классификация источников информации, используемых потребителями при проектировании, создании, функционировании, модернизации, утилизации и ликвидации объектов электрики для создания программно-математического аппарата поиска понятий, терминов, определений; 6. Разработка методики обработки текстов, общих принципов словаря и выделение базовой терминологии для бакалавров, инженеров, магистров, обучающихся по специальности 181300, и научных работников, специализирующихся по 05.09.03; 7. Адаптация вероятно-статистических и ценологических моделей при внедрении разработанной системы информационного и программно-математического обеспечения для определения параметров электропотребления на различные временные интервалы и для повышения эффективности электроремонта.

Не рассматривая сейчас в полной мере область исследования электрики, а лишь как синоним электрохозяйства промышленности, транспорта, строительства, объектов коммунального хозяйства, сферы услуг и быта, мы из всего этого выделяем промышленные предприятия. Выделение на данном этапе из области электрики крупных промышленных предприятий продиктовано тем, что именно их в первую очередь касаются процессы реформирования электроэнергетики и для них электроснабжение становится самостоятельной сферой бизнеса.

Предприятия вынуждены создавать собственные энергосбытовые компании, которые обеспечивают их выход на оптовый рынок электроэнергии. Таких компаний в России уже десятки, они распределяют объемы электроэнергии, превышающие объемы многих АО-Энерго. Схема таких объектов представима целиком только на уровне напряжения 110–220(330) кВ, элементами таких объектов являются предприятия, схемы которых также можно изобразить до напряжения 110–220 кВ, а их элементами – районы электроснабжения предприятий (производства), представимые главными понизительными (опорными) подстанциями до уровня напряжения 10 (6) кВ, которых, например по Нижнетагильскому металлургическому комбинату насчитывается 18 штук при заявленном максимуме нагрузки 180 МВт (для Магнитки, Северстали, Новолипецкого комбината количество таких подстанций доходит до 30).

Такую систему электроэнергетика рассматривает как потребителя, изображая на своих схемах узлом нагрузки, как мы в электроснабжении рассматриваем электроприемник. Хотя невозможность представить потребитель совокупностью приемников была замечена еще в 1937 г. Либерманом, подход к описанию потребителя развивался проф. Фёдоровым и, в конце концов, пришли к представлению потребителя шестиуровневой схемой, специфика которой заключается в том, что она дает общее системное представление об объекте, объективно выделяет все виды потребителей по введённой нами классификации (от мини- до крупного потребителя), отражает специфику задач и квалификацию электриков по уровням, выделяет особо шестой уровень (6УР) как границу раздела, имеющуюся у всех видов потребителей [2].

Системное описание дает возможность сказать: что такое объект электрики, чем он отличается от объектов, например, электропривода, электротермии, электротехники – отдельного привода, отдельной электрической печи, отдельной электрической машины.

Прежде всего, объект – электрическое хозяйство дискретно не выделяется и изучать можно только его модель. Выделение элементов требует конвенционного согласования, например, электрической машиной в промышленности считается электродвигатель мощностью от 0,25 кВт, аналогичные соглашения по светильникам и другому электрооборудованию. Количество электрооборудования на предприятиях возросло в 10–100 раз по сравнению с тем, что предполагалось планами индустриализации. Соответственно встал вопрос об описании всего этого множества, электрического хозяйства в целом.

Предлагаемая и внедренная система показателей отличается от показателей, описывающих двигатель или печь. Во-первых, ею нельзя описать объект исчерпывающе, как паспортом или комплектом конструкторской документации: всегда можно добавить показатели (качества электроэнергии, надёжности, электроремонта и т.д.).

Второе отличие – два объекта с одинаковыми основными показателями отличаются сколь угодно по другим. Так, Магнитогорский и Новолипецкий металлургические комбинаты имеют одинаковые максимумы нагрузки – по 800 МВт, потребляют электроэнергии по 5 млрд кВтч в год, но, тем не менее, это два совершенно разных завода.

Итак, перед нами объект, который представляет из себя сообщество электротехнических изделий, не может быть описан жесткими моделями и требует применения лишь статистических методов.

Сам объект выделился в 1944 г., когда вышло постановление Государственного Комитета Обороны, которым на заводах с установленной мощностью от 1000 кВт вводилась должность главного энергетика. Тут важно понять: 1000 кВт и 800000 кВт – объекты, отличающиеся не просто количественно, но качественно. В 40-х были запрещены статистические методы и, например, удельные нормы расхода электроэнергии требовали определять только расчетным путем, спускаясь к физике явлений и процессов. Этот путь оказался тупиковым из-за бесконечности возможных сочетаний состояния оборудования, сырья, материалов, видов продукции, действия внешних факторов. Статистические методы с неизбежностью пробились в инженерные расчеты и уже к 60-м годам вышла инструкция Тяжпромэлектропроекта о расчете электрических нагрузок, которая основывалась на вероятностных представлениях, математическом ожидании и конечной дисперсии. Именно в этот момент сложилась система понятий и терминов: коэффициент использования, спроса, максимума, эффективное число приемников в группе, расчетный и заявленный максимум нагрузки и др. Много задач встали перед электриками промышленности (в том числе в области организации электроремонта), которые описывались классической статистикой, опиравшейся на закон больших чисел и центральную предельную теорему. Однако возникли и задачи другого типа. Оказалось, что, если мы рассматриваем, например, удельные расходы по всем 45 видам продукции черной металлургии по всей генеральной совокупности заводов, или исследуем разнообразие установленных и ремонтируемых двигателей по металлургическому, химическому, машиностроительному заводу, то там не применима классическая статистика и необходимо использование представлений проф. Хинчина, Гнеденко, Колмогорова [3] о широком классе бесконечно делимых распределений, теория которых в инженерном приложении нами используется в понятиях гиперболических Н-распределений. Н-распределения в видовой форме мы используем для исследования видового разнообразия (в статике и динамике) электрооборудования; в ранговой форме – для исследования непрерывных величин – распределение электропотребления по цехам завода, заводам отрасли, отраслям экономики; удельных расходов по видам продукции.

Применение математики, основанной на классической статистике и статистике Н-распределений, новых математических моделей актуализировалось, когда появилась необходимость выхода потребителя на оптовый рынок электроэнергии. В этот момент произошел всплеск понятий и терминов, которых закон и правила оптового рынка предложили около 200, а наш анализ показал, что из них непосредственно потребителя касается треть. Потребителю в юридически-правовом. технико-экономическом и оперативно-диспетчерском аспектах потребовалось взаимодействовать с новыми субъектами электроэнергетики. АТС, ФСК, РСК, наконец, СО потребовали от потребителя создания математического аппарата и моделей, чтобы обеспечить оперативное управление электропотреблением на интервале, измеряемом минутами, часовые заявки, суточные заявки, планирование электропотребления по неделям, месяцам, кварталам, прогнозирование на год вперед и стратегические прогнозы с упреждением до 5 лет.

Система моделей для крупного потребителя, реализующая все виды управления, планирования, прогнозирования электропотребления была создана. При этом для разных временных интервалов нами применяются различные совокупности моделей: временных рядов, причинные (учитывающие зависимость электропотребления от технологических параметров) и ценологические, основанные на структурной устойчивости объектов ценологического типа. Сложность электрохозяйства и его индивидуальность не позволяют выделить абсолютно лучшую для всех объектов и задач модель. Нужна постоянная верификация результатов, основанная на комплексном применении моделей, на учете тенденции повышения стабильности динамики показателей вверх по уровням системы электроснабжения. При этом нами выявлена особенность крупных потребителей, заключающаяся в том, что сейчас расход электроэнергии вспомогательными производствами (в частности, производствами отдела главного энергетика) составляет больше половины общего и, в отличие от прежних взглядов, в причинных моделях не достаточно опираться на объемы производства стали, чугуна, проката (для металлургии).

При нормировании мы учитываем, что если выстроить удельные расходы электроэнергии по видам продукции по отрасли, где нами охвачены статистикой 200 предприятий, то разница между максимальным и минимальным расходом на один и тот же вид продукции составляет 1–2 порядка и, естественно средним пользоваться нельзя. Для решения этой проблемы мы используем методы автоматической группировки данных по критерию минимума дисперсии исследуемого параметра внутри групп – это различные методы кластерного анализа.

Можно говорить, что такой разброс наблюдается для укрупненных показателей, характеризующих, например, прокат в целом, и ожидать, что для отдельного агрегата разброс удельных расходов меньше. Однако, анализ показал, что даже для одного выделенного прокатного стана средним пользоваться нельзя: стан выпускает более сотни видов продукции и разброс удельных расходов по ним в два раза и больше, а учитывая не паспортную загрузку (выпуск мелкими партиями) разброс еще увеличивается.

Нами предлагается система определения общепроизводственных норм расхода электроэнергии на выделенную смену, сутки в увязке с конкретным технологическим состоянием производства, позволяющую охватить нормированием не только периоды нормальной работы, но и периоды пуска, переналадки производства, которые составляют значимую долю в общем времени работы. Для энергоёмких агрегатов предлагаются методы определения переменной (скользящей) нормы удельного расхода, зависящей от технологических параметров, например, плавки в ДСП.

Существует ещё одна ключевая задача менеджмента в электрохозяйстве, который занимается не только заявкой электропотребления и мощности, но и организацией эксплуатации, в частности, электроремонтом. Действующая система электроремонта, система ППР создавалась ещё во времена Орджоникидзе, а в настоящее время при наличии на заводе десятков и сотен тысяч электрических машин она не может быть реализована с учётом и того, что электрохозяйства претерпевают организационные изменения, приводящие, в конечном счёте, к сокращению штата ремонтного персонала. Предприятия вынуждены переходить на выделение самостоятельных ремонтных подразделений, расширение фирменного обслуживания, отказываться от ремонта до 80−90 % оборудования. Выход из создавшейся ситуации − новый подход, основанный на ценологическом представлении об организации электроремонта, управлении видовой структурой установленного и ремонтируемого.

Сформулированные задачи и решенные на практике проблемы (выхода на оптовый рынок, создания системы прогнозирования, планирования, управления и нормирования электропотребления в новых условиях, изменение системы управления электрохозяйством) потребовали разобраться в терминологии. Для этого выбраны все ГОСТ на термины и определения, имеющие отношение к электрике, учебники, нормативная литература, производственно-техническая документация отделов главного энергетика (электрика) и электроцехов, научная литература (диссертации, журналы, сборники статей) − всего примерно 400 источников, из которых для выделения понятий электрики были выбраны тексты общим объемом свыше 2 млн словоупотреблений. Встала задача: как среди них найти те, которые имеют отношение к специальности 181300, занимающейся всеми аспектами электропотребления от 6УР до отдельного приёмника. Необходимо отделить этот понятийный аппарат от аппарата электроэнергетики, электропривода, электротехнологии (электротермии).

Создан программный комплекс [4], позволяющий анализировать тексты и выделять термины и терминологические словосочетания, касающиеся понятий электрики. Разделение областей терминологии проводилось с использованием аппарата Н-распределения, позволяющего выделить уникальные, часто встречающиеся и массовые термины и понятия. Очевидно, что массовые термины − это не наши, а электротехники (ток, напряжение, мощность и т.п.). Наша терминология находится в средней области и в области уникальных терминов (цеховая электрическая сеть, главный электрик, ранговый анализ). Получение видовых и ранговых распределений терминов в текстах позволило методом анализа ранговой корреляции выделить тексты, наиболее коррелированные по терминологическому составу между собой и с суммарным текстом, и очертить тем самым круг литературы, наиболее полно отражающий задачи электрики. Сопоставление частотных словарей и определение усредненных рангов терминов по всем текстам позволили выделить базовую терминологию.

Граничную со смежными областями терминологию нужно брать из соответствующих ГОСТ. Анализ ГОСТ и сравнение их с терминологией, выделенной из текстов электрики, показал, что, например, из ГОСТ по электротехнике, содержащего 275 терминов, мы используем только 60 %, активно употребляем ещё меньше. Термины из учебников и ГОСТ по электроприводу, выполненному под руководством проф. Н.Ф. Ильинского, мы используем лишь на 17 %. Электрика широко использует термины: электропривод; электропривод постоянного и переменного тока; реверсивный и нереверсивный, групповой, индивидуальный электропривод, а такое понятие как, например, "статический (или динамический) перепад координаты электропривода" в наших текстах не встречается. В наибольшей степени электрикой используется терминология ГОСТ на кабельные изделия, электрические аппараты, то есть на те элементы, которые при меняются в электрохозяйстве как готовые изделия.

Терминологическое отделение области электрики от смежных областей позволило выделить ядро словаря электрики. Это термины, группирующиеся вокруг точки R видового распределения. После выделения словника электрики необходимо было дать определения терминам, для чего выполнялся контекстный анализ вхождений терминов в суммарный текст.

Созданные математические модели, программное и понятийное обеспечение позволили подойти к решению поставленных практических задач.

Создана система прогнозирования и планирования электропотребления, включающая: 1. Годовой прогноз на основе причинных моделей, использующих объемы выпуска видов продукции, выделяемых исключением из моделей видов со статистически незначимыми коэффициентами (на разных предприятиях точность в пределах 2 %); 2. Месячное планирование электропотребления по регрессионным моделям с выделением значимых видов продукции совместным анализом корреляционных матриц объемов продукции и расходов электроэнергии по видам; планирование месячного электропотребления для энергоснабжающих организаций потребителей (энергосбытовых компаний) на основе моделей структурной устойчивости электропотребления методом рангового анализа (электропотребление первой точки и ранговый коэффициент на перспективу определяются автокорреляционными функциями). Проверка на объекте, включающем 1,5 тыс. потребителей даёт ошибку месячного потребления немногим более 1 %; 3. Планирование суточного электропотребления по модели нейронной сети с прямой передачей сигнала, входными параметрами которой являются: суточное электропотребление, утренний и вечерний максимумы нагрузки за предыдущие сутки; 4. Заявка электропотребления на сутки по часам при работе на оптовом рынке с использованием выделяемых кластерным анализом характерных суточных графиков нагрузки с разбиением по дням недели;

5. Модель оперативного управления электропотреблением внутри часа, основанная на анализе 5-минутных мощностей за 45 минут текущего часа, определении графика−аналога из предыстории (три месяца), оценке электропотребления на оставшиеся 15 минут и выдаче рекомендаций по его регулированию с использованием крупных технологических агрегатов.

Вопросы нормирования электропотребления решены в двух постановках: для производства в целом и по энергоёмким агрегатам. При разработка методики определения норм расхода электроэнергии производством на сутки (смену) выделялись корреляционным анализом значимые виды продукции, например, для производства аммиака и метанола Новомосковской АК "Азот" выделены 24 (из 33) вида продукции. Математическим аппаратом конкурентной нейронной сети выделены характерные технологические состояния производства, определяемые сочетанием объемов суточного выпуска продукции. Для каждого выделенного технологического состояния определено матожидание электропотребления, которое принято за норму. Для агрегатов вводятся скользящие нормы, зависящие от технологических параметров агрегата. Применительно, например, к дуговым сталеплавильным печам, анализируются паспорта плавок и, с помощью матаппарата метода группового учета аргументов, строится модель расхода электроэнергии на плавку. При существенном фактическом разбросе удельных расходов как по жидкой, так и по годной стали получаемые модели адекватно описывают процесс с ошибкой менее 1 %, что дает теоретическую основу гибкого нормирования и контроля.

На основе анализа видовой структуры и прогнозирования параметров видовых и ранговидовых распределений разработаны методы планирования электроремонта. Для региональных ремонтных предприятий прогнозируется квартальный ремонтный поток по типоразмерам для массовых и серийных электродвигателей. Уникальные двигатели по типоразмерам, естественно, не прогнозируются, но оценивается их общее количество и ожидаемая трудоёмкость ремонта.

Для решения всех перечисленных задач, применения предложенных методов и методик на предприятиях внедряется информационно−справочная система, включающая текстовую (справочные данные, нормативные документы, понятийный аппарат), числовую (сведения по общим и удельным расходам электроэнергии, объемам выпуска продукции за требуемые моделями временные интервалы), графическую (схемы по уровням системы электроснабжения, схемы учета электроэнергии и т.п.) базы данных, в комплексе с программными модулями, реализующими перечисленные методики.

Таким образом, разработано понятийное, модельное, математическое и программное обеспечение задач электрики при проектировании, эксплуатации и управлении электрохозяйством.

Литература

1. Кудрин Б.И. О Государственном плане рыночной электрификации России. − М.: Ин-т народнохозяйственного прогнозирования РАН, 2005. − 204 с.

2. Кудрин Б.И. Введение в технетику. − 2-е изд., перераб. и доп. – Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та, 1993. – 552 с.

3. Гнеденко Б.В., Колмогоров А.Н. Предельные распределения для сумм независимых случайных величин. – М.–Л.: Гостехтеориздат, 1949. – 264 с.

4. Кудрин Б.И., Ошурков М.Г. Электрика: Объект. Математика. Словарь – Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та, 2004. – 240 с.