Программа «Закономерности построения, функционирования и развития систем электроснабжения промышленных предприятий (Закономерности технетики)» для студентов технических и гуманитарных университетов и переподготовки инженеров по направлениям «электроэнергетика» и «электромеханика»
Б.И.Кудрин
Изменение технической реальности последних десятилетий, связанное со вступлением цивилизации в постиндустриальную эру, привело к появлению больших сложных систем, часть которых (предприятия, города) я идентифицирую как технические ценозы. Применительно к электрическому хозяйству современных промышленных предприятий это означает становление некоторого сообщества слабо связанных и слабо взаимодействующих между собой (жестко или корреляционно связаны лишь единичные пары, например, электродвигателей) практически бесконечного количества штук-особей электротехнических (и иных) изделий с договорными (конвенционными) границами. Формирование (проектирование, строительство, монтаж, наладка), функционирование (эксплуатация, обслуживание и ремонт) и эволюция (модернизация, техническое перевооружение, вывод из эксплуатации) такого электрического хозяйства осуществляются по постулатам, отличным от постулатов классической физики, в частности – электродинамики (сформулированных в виде законов и уравнений Ньютона-Максвелла-Лоренца).
Как оказалось, на электрическое хозяйство, как и на любое другое, накладываются некоторые законы и закономерности более высокого уровня - законы глобальной эволюции: энергетический отбор, действующий в «мертвых» физико-химических системах; естественный (дарвиновский с дополнениями, прежде всего, И.Шмальгаузена, Л.Берга) отбор, диктующий развитие живого; информационный отбор, определяющий техноэволюцию действующей техники, используемой технологии, применяемых материалов, создаваемой продукции, возникающих отходов; документальный отбор, структурирующий информационные ценозы (системы документации в любом их виде); интеллектуальный отбор, определяющий социальное поведение, экономические и иные общественные отношения. На физические, биологические, технические (технетические), информационные и социальные ценозы накладываются некоторые структурные ограничения. Они проявляются в определенном соотношении редкого и часто встречающегося, уникального и стандартизированного, крупного и мелкого, нового и устаревшего (ограничения Н-распределения).
Таким образом, оптимальный результат при проектировании систем электроснабжения, установке электрооборудования, организации электроремонта не может быть получен при рассмотрении данной выделенной единичной задачи. На электрическое хозяйство накладываются некоторые общие законы, которые соотносят сейчас с явлениями самоорганизации, фрактальности, с проявлением свойств бесконечно делимых распределений, со стремлением открытых систем «обойти» Второй закон термодинамики.
Изложенное предполагает некоторое новое мышление, определенные новые знания, которые за рубежом и у нас появились буквально в последние годы. Рождение принципиально нового знания, по существу – новой науки, затрудняется необходимостью введения новой терминологии, которая описывает новые явления (эффекты). Эти явления принципиально не наблюдаемы в рамках классической физики и, может быть, поэтому впервые были обнаружены не в технических, а в иных дисциплинах: экономике, биологии, науковедении, лингвистике, социологии.
Учитывая общемировую тенденцию к гуманитаризации образования, кафедра «Электроснабжения промышленных предприятий» Московского энергетического института (технического университета) подготовила и согласовала с Министерством образования РФ чтение курса для бакалавров, программа которого включает в себя 68 часов лекционных занятий, 34 часа практических и 60 часов самостоятельных занятий. Те или другие разделы предлагаемой программы защищены в 15 кандидатских диссертациях и отдельными фрагментами использованы в трех докторских. В кратком изложении курс изучается при переподготовке инженеров по дисциплине «Менеджмент электрического хозяйства».
Дисциплина "Закономерности построения, функционирования иразвития систем электроснабжения" относится к базовым дисциплинам. Целью изучения является формирование знаний об особенностях современных систем электроснабжения, электрооборудования,
электроремонта промышленных предприятий и городов при их создании (проектирование, строительство, монтаж), эксплуатации, решении перспективных вопросов при моделировании, техническом перевооружении, изменении хозяйственных и иных внешних условий.
1. Введение (2 часа)
Задачей изучения дисциплины является уяснение особенностей электрического хозяйства отдельных объектов, таких как промышленное предприятие, осознание отличий специалистов электроснабжения и электрооборудования как потребителей от электроэнергетики как производителя и транспортника электрической энергии и от электротехники как производителя электротехнических изделий, разработчика технологий и поставщика материалов. Необходимо сформировать новый подход, опирающийся на фундаментальные системные законы и закономерности, научить основам новой науки – технетике, новому неклассическому видению электрического хозяйства как объекта.
2. Содержание дисциплины (лекции)
2.1. Электричество: его значение для человеческой цивилизации и становление электротехнических наук (4 часа).
Возникновение электротехнической деятельности на стыке науки и техники. Эмпирический поиск технических решений и появление первоначальных электротехнических знаний (1830-1870гг.).
Открытия в физике и возникновение изобретательской деятельности в электротехнике. Непосредственная связь с физикой. Превращение электротехники в отрасль техники (1870-1890гг.). Возникновение специфической электротехнической проблематики. Приложение физических знаний в ходе формирования отдельных электротехнических теорий. Электрификация (1890-1930гг.).
Формирование фундаментальных разделов электротехнических знаний. Становление электроэнергетики и электротехники как научных направлений и как отраслей народного хозяйства.
Зарождение электроснабжения как науки. Электрификация в современном мире. Методы и критерии оценки и эффективности электрификации. Потребление электроэнергии и уровень электрификации. Взаимосвязь развития электрификации и экономики. Потребление электроэнергии и основные факторы развития народного хозяйства. Основные направления развития электрификации и ее качественные параметры.
2.2. Фундаментальные и таксономические подразделения технической реальности и науки о ней (2 часа).
Определяющие техническую реальность ключевые понятия: выпускаемая продукция, эксплуатируемая техника, применяющаяся технология, используемые материалы, образующиеся отходы. Классификационная последовательность систем: физико-химические, биологические, технические (технетические), информационные (документальные), социальные. Спектр уровней организации обьектов технической реальности. Изделие и электротехника как прикладная наука и отрасль народного хозяйства, обеспечивающая конструирование и выпуск изделия (машины, аппараты, оборудования, проводников, изоляционных материалов и др.). Электроэнергетика как прикладная наука и отрасль, обеспечивающая производств, преобразование и распределение электрической энергии до потребителя. Электроснабжение, электрооборудование, электроремонт (электрика) как область знаний и область инженерной (человеческой) деятельности, использующей выработанную электроэнергию и изготовленные изделия.
2.3. Применение естественно-научных понятий для описания электрического хозяйства (2часа).
Принципиальное назначение изделия (техники), технологии, материала. Единичное изделие как особь и как представитель вида. Становления понятия вид и его использование в классификаторах продукции, при заказе оборудования, при разработке норм и оценке. Переход от организмоцентрического к популяционному (системному) мышлению. Экологическая ниша. Экосистема и техноценоз. Различие между изделием и техноценозом. Многообразие как фундаментальное свойство материального и духовного мира: вариофикация, ассортица, диверсификация.
2.4. Сложные (большие) системы. Системные исследования, системотехника, системный анализ (2 часа).
Принципы классической электротехники и постулаты физики Ныотона-Максвелла-Лоренца. Становление системного мышления. Принципы физичности, моделируемости, целенаправленности и системные показатели целостности, автономности, дополнительности, действия, неопределенности, выбора, структурированности, устойчивости. Особенности устойчивости параметров электропотребления предприятий и устойчивости структуры установленного оборудования.
2.5. Системное описание электрического хозяйства предприятий и других объектов (6 часов)
Иерархия (ступени) электроснабжения и административно-технологических структур. Система показателей, описывающая изделие (технику, технологию, материал) при проектировании, эксплуатации, ремонте, замене и система, описывающая участок, отделение, цех, производство, завод, отрасль (город, регион, страну). Иерархия структур управления электроснабжением, электрооборудованием, электроремонтом. Информационное и программно-математическое обеспечение системного описания электрического хозяйства. Теория распознавания образов и кластер-анализ, экспертные системы и их использование.
Агрегативные и другие модели, восходящие к "черному ящику" и определяющие выходные параметры по входу с учетом времени, управляющих сигналом, состояний системы и др. Использование агрегативных моделей для установления функциональных зависимостей между электрическими показателями, между ними и технологическими параметрами. Построение прогнозных моделей и определение изменений в системе электроснабжения исследуемого объекта на перспективу.
Экономико-математические модели системного описания электрического хозяйства. Методы оптимизации при иерархическом рассмотрении системы электроснабжения. Численные решения и качественные оценки. Нерешенная проблема сравнения электрических ценозов при совпадении и не совпадении основных электрических показателей, отдельных элементов и сооружений.
2.6. Математические модели исследования электрических ценозов (8 часов).
Проблемы выделения ценозов в биологии, технике (технетике), информатике. Выделение исследуемого семейства изделий (процессов), отдельного элемента-изделия как особи. Введение понятия вид применительно к электрооборудованию. Выделение (перечня оборудования) и составление словаря установленного и ремонтируемого оборудования. Дискретные (двигатель, трансформатор) и непрерывные (кабель, расход электроэнергии) величины.
Ранговое и видовое распределение, ранговое распределение по параметру. Частотная форма видового распределения. Идеальное видовое гиперболическое Н-распределение. Ноева и саранчевая касты, пойнтер-точка. Безгранично делимые распределения и их математические особенности. Гауссово и Н-распределение. Устойчивость структуры установленного и ремонтируемого электрооборудования.
Количественные ограничения, накладываемые Н-распределением на принимаемые экономические, технические и организационные решения.
Моделирование структуры ценозов простыми числами.
Дискретность описания. Необходимость сравнения рядов без преобразования в частотную форму. Существующие оценки видового состава и многообразия. Динамика Н-распределения. Статическая и динамическая устойчивость.
2.7. Информация и классификация систем (2 часа).
Информация как одно из фундаментальных понятий. Схема изменения информации в процессе эволюции материального мира. Документ как закрепленная информация. Системы технической документации. Информценозы. Законы Ципфа, Мандельброта, Парето, Бредфорда, Лотки и другие, описывающие системы порождаемые человеком. Практика применения ципфовских распределений в различных науках. Общность структуры ценозов различной природы.
2.8. Законы естественного и информационного отбора (2 часа). Классическая форма закона естественного отбора.
Электротехнические примеры действия аналогичного закона с отличиями, вытекающими из отделения документа. Фундаментальная экологическая ниша. Напряженность конкурентной борьбы за лимитирующий ресурс двух экологически близких видов зависит лишь от величины отношения существенного параметра и тем больше, чем меньше это отношение отличается от единицы (ср. трансформатор 400 кВА с 630 и 1000 кВА). Модель конкурентной борьбы. Формулировка закона информационного отбора.
2.9. Схема эволюции техники и технологии и узловые точки управления научно-техническим прогрессом (8 часов).
Кибернетическое представление информационного отбора схемой эволюции техники и технологии. Проведение НИОКР для создания системы документов, на основе" которых изготавливается изделие (технология, материал) и осуществляются контрольно-сдаточные испытания. Проектирование предприятий и других объектов капитального строительства, где размещаются изготовленные изделия.
Информационный отбор: оценка пригодности изделий (технологии, материала), проявившаяся при эксплуатации, принятие решения на перспективу - прогнозное проектирование.
Увеличение темпов техноэволюции по сравнению с биоэволюцней. Конструирование (и его особенности) как узловая точка, документально обеспечивающая выпуск продукции.
Проектирование – изготовление проектно-сметной документации как узловая точка, обеспечивающая капитальное строительство, модернизацию, техническое перевооружение (в общем случае, построение и развитие) предприятий, городов, других техноценозов.
Прогнозное проектирование – оценка цикла. Существующие и перспективные реализации обратных связей, ускоряющих оценку решений, которые принимаются на любом шаге эволюции техники и технологии.
2.10. Сравнение интерпретации эволюции (2 часа) Критическое рассмотрение первичных форм электротехнических
изделий, последствий специализации, случайности направлений эволюции. Стремление максимально использовать ресурс, образовывать новые признаки в рамках природных законов. Вымирание как причина воздействия внутренних и внешних факторов .
2.11. Математическое моделирование изделий, включая материалы, и технологий (2 часа)
Иерархия модельных конструкций и классификация моделей. Построение математических моделей технических систем и их элементов по экспериментальным данным. Методы идентификации и подобия.
2.12. Законы строения и развития техники (2 часа) Классификация техники. Проблема построения естественной систематики техники. Некоторые общие законы строения технических обьектов и законы развития техники.
2.13. Теория проектирования новой техники на основе закономерностей техники (2 часа)
Основные инвариантные понятия теории проектирования новой техники, технические функции и удовлетворяемые потребности. Критерии эффективности технического объекта. Структура технического объекта и уровни ее описания. Моделирование и оценка проектно-конструкторских решений. Закономерности возникновения и развития потребностей. Методология системного иерархического выбора конкурентоспособных решений: выбор удовлетворяемой потребности, определение оптимальных потребительских качеств изделий, выбор наиболее рациональной функциональной структуры изделия, выбор наиболее эффективного принципа действия и наиболее рационального технического решения, определение оптимальных параметров технического объекта.
2.14. Закономерности техноэволюции (14 часов)
Повторение техноэволюцией на качественно ином уровне черт биоэволюции. Определение техноэволюции и элементарный фактор информационного отбора, действие которого векторизовано. Творческий характер техноэволюции, основой которой является вариофикация и новшества в которой отбираются информационно путем проб и ошибок, двигаясь по пути специализации и опираясь на преемственность в документе – фундаментальное свойство техноэволюции. Различаются микроэволюция, видообразование и макроэволюция. Микроэволюция - систематическое изменение частоты применяемых документов и внесение изменений в чертежи (индексация). Факторы микроэволюции: мутационный процесс, появление новых идей, поток генов (заимствование), массовое внесение изменений (дрейф генов). Частота мутирования различна для разных видов и для одного, но в разное время, мутации непрерывны (чаще: чем сложнее изделие, тем больше изменений). Большинство идей не жизнеспособны. Для потока документов характерна избирательность по отраслям (специальностям) и районам. Единичное документальное решение (ген) влечет множество следствий. Простейшая форма информационного отбора – отбор по одному признаку. Документальное закрепление для изготовления нового). Информационный отбор действует на любом этапе цикла техноэволюции. Генотип детерминирует проявление одного и того же фенотипического признака в различных средах, но в альтернативных вариантах отбирается изделие в целом (генотип оценивается целиком). Различаются ведущий, стабилизирующий и дизруптивный отбор. Существует превосходство изделий выпускаемых вариантно. Эффективность информационного отбора повышается при наличии изделий, близких по параметрам. Эффективное действие дрейфа документов проявляется при нескольких конструкторских бюро, например, изготовителях, при падении спроса, дочерних предприятиях. Существует плата за информационный отбор и за скорость эволюции. Ненаследуемость изменений, вносимых в фенотип. Существует трансдукция. Различаются виды: технетический (все ТМ 1000), таксономический, последовательный. Видообразование сопровождается дифференциацией документации. Существуют виды- двойники и виды-близнецы. Географическое видообразование наиболее распространенное явление (усиленное ведомственными барьерами). Существует техническая изоляция. Действует правило Бергмана и Алена ( выступы, больший вес). Проявляется массовое квантовое видообразование. Большинство технических изделий – аллополиплоидное (электропривод). Сущность видообразования: документ имеет технические и технологические особенности, не позволяющие подменить его другим. Макроэволюция более продолжительный процесс, очевидна направленность техноэволюции. Правило Копа (гигантизм турбин), обычно новые группы видов берут начало от примитивных. При изменении окружающих условий узкоспециализированные изделия вытесняются скорее. Очевидна необратимость техноэволюции. Существует корреляция между численностью изделий (быстротой размножения) и скоростью эволюции. Критерии прогрессивной эволюции: улучшение использования энергии, повышение эффективности изготовления, появление реакции на сигнал, уменьшения зависимости от среды. Сущность техноэволюции в ее разнообразии. Существуют кратковременные направления специализации (статические) и
прогрессивные эволюционные. Доказательством макроэволюции могут служить: принцип Оккама, общность предка, например, у электромашин, ряды Вавилова, рудиментарные остатки, технетическое свойство | документации, импликация между таксонами и др. несомненно какое-то | сходство в развитии, например, электро- и механооборудования. Различие между снятым и выпускаемым тем больше, чем больше разделяющее эти события время. Существуют комплексы признаков, мало меняющиеся со временем. Техноэволюция обычно направлена в сторону повышения организации. Но есть и ее понижение. Чем более близкую экологическую нишу занимают два вида изделия, тем больше у них борьба за существование.
2.15. Управление структурой ценозов (2 часа)
Параметры видового Н-распределения. Характеристический показатель видового и рангового распределения. Границы воздействия на характеристический показатель. Эффективность управления структурой установленного и ремонтируемого оборудования.
2.16. Использование устойчивости структуры параметров электропотребления для кратковременного прогноза (2 часа)
Ранжирование удельных и общих расходов электроэнергии, получасовых максимумов нагрузки. Исследование характеристических показателей по различным производствам и во времени. Оценка правильности определения максимума электрической нагрузки.
2.17. Практические использования законов и закономерностей техноэволюции в практике проектирования и эксплуатации систем электроснабжения и электрооборудования (2 часа)
Решение проблем унификации и разнообразия. Рекомендации по созданию индивидуальных информационных банков и по организации управления. Примеры использования количественных ограничений.
2.18. Изменение критериев надежности и эффективности систем электроснабжения (2 часа)
Парадоксы практически счетного множества и теоретические проблемы определения электрических нагрузок. Нерешенные и решенные проблемы электроснабжения. Оценка надежности электрооборудования на основе ценологических критериев. Проблемы режимов, компенсации, качества электроэнергии на зажимах электроприемников, договорных отношений с энергосистемой, энергосбережения, электроремонта, менеджмента электрического хозяйства при оценке их количественными ограничениями Н-распределения.
2.19. План ГОЭЛРО и новая концепция энергообеспечения страны (2часа)
Принципы плана ГОЭЛРО: устаревшие и сохранившие свое значение. Энергетическая программа в условиях самостоятельности энергосистем и осуществляемого ими диктата (монополизма). Рекомендации по повышению эффективности работы энергетического хозяйства и оценке параметров электропотребления.
3. Практические занятия и расчетные задания
3.1.Технический ценоз квартиры (мебель, одежда и белье, обувь, посуда и столовые приборы, инструмент и метизы, бытовая техника, фото- , радио-, теле-, видео-, аудиотехника и электроника, компьютерная и оргтехника, швейные принадлежности, книги и журналы, моющие средства и косметика, игрушки, хобби).
3.2.Ранговый и видовой анализ электротехнического текста объемом до 20тыс. знаков. Определение параметров Н-распределения и характеристического показателя рангового распределения.
3.3. Прогноз параметров электропотребления по заданным временным рядам и фактическому распределению удельных расходов.
3.4.Расчет эффективности управления структурой установленного (ремонтируемого) электрооборудования.
3.5.Контрольная работа по примерам использования (применения) закономерностей построения, функционирования и развития электрического хозяйства (разд.2.14.).
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. Рекомендовано Госкомвузов России в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности "Электроснабжение промышленных предприятий" и "Внутризаводское электрооборудование". – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 416с.
2. Кудрин Б.И. Введение в технетику. Монография. 2-е изд., переработ. и доп. – Томск: Изд-во Томск, гос. ун-та, 1993. – 552с.
3. Кудрин Б.И. Электрика как развитие электротехники и электроэнергетики. – Томск: Изд-во Томск, гос. ун-та, 1994. – 64с.
Дополнительная
1. Половинкин А.И. Теория проектирования новой техники: закономерности техники и ее применения. – М.: Информэлентро, 1991. – 104с.
2.Половинкин А.И. Законы строения и развития техники,- Волгоград, 1985.–202с.
3.Электрификация в современном мире. – М.: Наука, 1990. – 373с.
4. Ценологическое определение параметров электропотребления многономенклатурных производств. – Тула: Приок. кн. из-во, 1994. – 122с.
5. Математическое описание ценозов и закономерности технетики. Философия и становление технетики. Вып. 1 и вып.2 "Ценологические исследования".– Абакан: Центр системных исследований, 1996. – 452с.
6. Кудрин Б.И. Проблемы определения параметров электропотребления и энергосбережения на страницах журнала "Промышленная энергетика". – Промышленная энергетика, 1994, N8, с.11- 15.
7. Варнавский Б.П., Кудрин Б.И. Проблемы оценки использования электрической энергии.– Промышленная энергетика, 1994, N12, с.2-7.
8. Техническое творчество: теория, методология, практика. Энциклопедический словарь–справочник / Под. ред. А.И. Половинкина, В.В. Попова /Член ред. коллегии проф. Б.И. Кудрин. – М.: НПО "Информ–система", 1995. – 408 с.
9. Чайковский Ю.В. Элементы эволюционной диатропики. – М.: Наука, 1990. – 272с.
10.Хайтун С.Д. Механика и необратимость. – М.: «Янус», 1996. – 448с.
11.Любищев А.А. Линии Демокрита и Платона в истории культуры. – М.: Электрика, 1997. – 408с.