26 июня 2020г.
Ключевые слова: модель, энергосистема, оперативная работа, тренажер, интерфейс, педагогическая технология, студенты ВУЗов.
1. Актуальность. В современной промышленности чрезвычайно актуально описание объектов (техники и технологии) электроэнергетической системы, предназначенное для построения различных моделей процесса производства, передачи и потребления электрической энергии и мощности, её управления, соответствующие цены, с подготовкой с учётом понятия «педагогическая технология»[1]: знание, понимание, применение, анализ, синтез, ошибки, оценки.
Модель какого-либо изделия может существовать на всех этапах её жизненных циклов и в объёме данной работы, например: 1-модель режимов работы электрических сетей; 2- модель жёсткости климата; 3- векторная модель тренажера оперативного персонала энергосистемы с разработкой интерфейса для студентов – энергетиков ВУЗов;; 4-модель оплаты за электроэнергию в виде распределённого лага и др.
2. Из истории: «Новое - это хорошо забытое старое». Поспелов Д.А [2] сообщает, что в газете «Русские ведомости» 16 апреля 1914 г была опубликована заметка «Мыслительная машина». В ней говорилось, что « В субботу, 19 апреля в большой аудитории Политехнического музея состоится публичная лекция проф. А.Н. Шукарева на тему «Познание и мышление». Во время лекции будет демонстрироваться мыслительная машина, аппарат, который позволяет воспроизводить механический процесс человеческой мысли,(выделено нами -В.Ф.). Машина была впервые построена математиком Джевонсом и усовершенствована автором лекции». Таким образом, механический процесс является моделью человеческой мысли.
3. Цели работы
3.1. Объект. Исследование моделей в энергетике, с учётом как этап (фрагмент) «педагогической технологии» и интерфейс модели тренажёра. Веников В.А [3] вводит термин «моделировано»: «§ В.1. Общие положения. Место курса и образование инженера. Теория подобия и моделирования.(с. 3)» и приводит также связку «Подобие и моделирование, которая облегчает единое описание процессов в самых различных сферах природы (с. 8.)».
3.2. Предмет. В работе В.А. Веникова [3] конкретизируется 19 видов –методов моделирования и подобия (с. 31. ), которые могут быть «полное - c учётом пространства и времени», «неполное- с учётом частичного пространства и полного времени или полного пространства и частичного времени или частичного пространства и частичного времени». В данное работе для энергетики применяется полное моделирование с учётом пространства и времени.
Уточним: «Электронная модель изделия [4]- модель (изделия): Сущность, воспроизводящая свойства реального изделия».
Зотов А.Ф [5] пишет, что «Количественные измерения напряжения, сопротивления. силы тока должны были предшествовать качественной модели процессов электромагнетизма» (с. 135) и «Информационные модели науки могут быть представлены, как своеобразная машина по переработке информации (с 5.)».
Еще одно чрезвычайно важное положение ПТЭ в этом же направлении - в энергетике одновременно существуют две категории управления- оперативное управление и оперативное ведение. Один и тот же персонал объекта энергетики (подстанция или линия электропередачи ) может управлять двумя самостоятельными объектам и/ или реализовывать ведение вышестоящей (нижестоящей) организацией.
Расчётная модель электроснабжения -[6] построение математической модели процесса производства, передачи и потребления электрической энергии и мощности, с помощью которой рассчитываются реализуемые в электроэнергетической системе объёмы производства и потребления электрической энергии и мощности.
3.3. Герасименко А.А., Федин В. Т. [7] рассматривают модели электрических сетей и режимов их работы в следующем виде: моделирование и анализ режимов линий всех классов номинальных напряжений и моделирование изменения электрических нагрузок и учёта электропотребления. В отличие от других элементов электропередач и электроэнергетических систем ЛЭП представляет собой элемент с равномерно рассредоточенными (распределёнными) параметрами: продольными сопротивлениями, поперечными проводимостями. Эта особенность проявляется тем заметнее, чем более протяжённой является линия. Представлено обоснование учёта распределённости параметров, установление, снижение методической погрешности моделирования в рассматриваемых задачах расчёта и анализа рабочих режимов протяжённых (дальних) линий электропередачи
Расчётные модели изменения электрических нагрузок представляются от :напряжения, частоты , времени. Наряду со статическими характеристиками нагрузки по напряжению и частоте при решении ряда задач функционирования и развития электрических сетей необходим учёт всего многообразия их режимов (многорежимности), его интегральных характеристик за рассматриваемый промежуток времени (потребление, потери электроэнергии), отражающих экономичность электрического состояния сети. Предлагается графическое аналитическое отображение электропотребления и ряд инженерных методов вычисления потерь электроэнергии.
3.4. Башлыков [8]: Модели (виды): управляющей и управляемой систем, оперативного мышления и оперативной ситуации, процессов выработки и принятия решений в энергетике и другие.
4. Оперативное управление.
4.1. Выбор вопросов. Для решения различных проблем оперативного управления П. Уайт [9.] рекомендует применять метод Пабла (логический анализ проблем), в котором решение может быть рассмотрено в 6 аспектах (сторонах), в каждом из которых содержится по 4 вопроса- в таблице 1. Для решения этих вопросов оперативному персоналу необходимо подготовить техническую документацию для своего рабочего места и по возможности использовать тренажер с рабочим интерфейсом на существующих в энергосистемах компьютерах.
Таблица 1. Таблица аспектов и вопросов по методу Пабла [ 9 ].
N
|
Аспекты, точка зрения
|
Вопросы
|
1
|
Результат
|
Что должно быть сделано?
|
Почему это должно быть сделано?
|
Что еще может быть сделано?
|
Что следовало бы сделать?
|
2
|
Место
|
Где это должно быть сделано?
|
Почему это должно быть сделано здесь?
|
Где ещё это может быть сделано?
|
Где это следовало бы сделать?
|
3
|
Время
|
Когда это должно быть сделано?
|
Почему это должно быть сделано в это время?
|
Когда это может быть сделано?
|
Когда это следовало сделать?
|
4
|
Ресурсы
|
Какие ресурсы необходимы для этого?
|
Почему требуются эти ресурсы для этого?
|
Какие ещё ресурсы могут быть использованы для этого?
|
Какие ресурсы следовало бы использовать для этого?
|
5
|
Метод
|
Как это следует сделать?
|
Почему это должно быть сделано именно так?
|
Как это можно сделать иначе?
|
Как это следовало бы сделать
|
6
|
Обоснование
|
Почему мы это делаем?
|
7
|
Назначение, причины,
последствия
|
Почему это следовало бы сделать?
|
Общие требования к техническим документам энергетики можно принять по работе Данцева А.А и Нефедовой Н.В. [10]: «уместность (соответствие теме и составу исполнителей; точность документа (ясное изложение, полнота изложение, знание отдельных слов); логичность изложения (без внутренних противоречий); чистота (отсутствие лишних слов)». Можно также добавить- аргументированность и полнота информации.
4.2. Разработка интерфейса [11] тренажера оперативного персонала электрических сетей с номограммами для студентов ВУЗов
Общие положения. Энергетика является настолько ёмкой составляющей фундаментальных и прикладных направлений в развитии и эксплуатации производства, что она охватывает и номографию. Имеется следующее определение номограммы[12]: -1- номогра́мма — графическое представление функции от нескольких переменных;- 2- номограмма- специальный чертеж, предназначенный для решения
определенного типа задач вычислительного характера;-3 номограмма состоит из набора шкал, по одному для каждой переменной в уравнении. Зная значения n -1 переменная, значение неизвестного определяются для интерфейса как рисунки, поясняющие физическую сущность процесса, параметры процесса, расчетные формулы и конкретная номограмма-график изменения параметров.
В данном случае для студентов-энергетиков ВУЗов: это шкала ветров, температур и допустимых нагрузок на провода. В оперативной работе возможно наличие проблемных ситуаций управления электрическими сетями в режиме реального времени и климата. Приведем для них пример применения тренажера оперативного персонала вычислительной техники :-1) - в части учёта изменений температуры воздуха и скорости ветра – изменение допустимой нагрузки на провода ЛЭП; -2) - выработка тепловой и электрической энергии может изменяться для различных потребителей в несколько раз; - 3)- сопротивление проводов ЛЭП сильно изменяется по величине фактических нагрузок, что требует их контроля по документу -РД 34. 20.547 [13], дальнейшей оценке потерь напряжения в сети и загрузки генерирующих мощностей. Потребление ЭЭ в 2008 г. в процентах приведено Антоновым Н.В. [14].
Таблица 2. Потребление ЭЭ по векторам направлений для учета влияния климата
Векторы
|
Влияние климата
|
Наименование
|
Проценты
|
1
|
Независимые
|
Добыча полезных ископаемых
|
11,0
|
Обрабатывающие производства
|
33,1
|
1
|
Собственные нужды электростанций
|
6,6
|
1
|
Транспорт и связь
|
8,5
|
2
|
Зависимые
|
Потери в сетях
|
10,7
|
3
|
Население и прочие услуги
|
27.4
|
|
Итого
|
|
100
|
4.3. Модель жёсткости климата. В качестве обобщенной характеристикой климата может применяться понятие «жёсткости», в котором производится учёт одновременного действия температура воздуха скорости ветра, приведенного Степановым А.В., и др.[15]:
Жб=(1 – 0,04 Тн) (1+ 0,272V), (1)
где - Жб- жесткость климата в баллах; Тн – температура воздуха а градусах Цельсия, °С и V- скорость ветра, м/сек.
В качестве исходных данных для расчёта жесткости принимаем выписку из документа Минэнерго РФ
[13.], например, для провода А-25 с соответствующими шкалами по скорости ветра, температуру воздухи и допустимому току нагрузки в нижней строке
Прил 3 .Табл. 5 (выписка из [13])
Токовая нагрузка, А, при скорости ветра, м/с
|
0
|
2
|
4
|
6
|
8
|
Температура воздуха, °С
|
-20
|
0
|
20
|
40
|
-20
|
0
|
20
|
40
|
-20
|
0
|
20
|
40
|
-20
|
0
|
20
|
40
|
-20
|
0
|
20
|
40
|
210
|
185
|
160
|
130
|
230
|
210
|
190
|
160
|
270
|
250
|
215
|
185
|
300
|
275
|
240
|
200
|
320
|
290
|
255
|
210
|
Представим указанные сведения - параметры климата в диапазоне температур воздуха и скорости ветра принятыми документе Минэнерго[13] в виде матрицы с 5 столбцами - по скорости ветра и 4 строками по температуре воздуха. На пересечении соответствующих строк и столбцов по приведенной выше формуле (1) определены значения жёсткости в баллах - таблице 1.
Таблица 1. Жёсткость климата, баллы.
Темп.возд. 0C
|
Скорость ветра м/сек.
|
0
|
2
|
4
|
6
|
8
|
-20
|
1,8
|
2,779
|
3,758
|
4,738
|
5,717
|
0
|
1
|
1,544
|
2,088
|
2,632
|
3,176
|
20
|
0,2
|
0,309
|
0,418
|
0,526
|
0,635
|
40
|
-0,6
|
-0,926
|
-1,253
|
-1,579
|
-1,91
|
Крайние значения жёсткости климата, по табл. 1 составляют – 1,91 < Ж <5,17 баллов. Единица жёсткости -1 балл - соответствует температуре воздуха - 0 гр. Цельсия и скорости ветра- 0 м/сек. Расчётные значения жёсткости климата- (ЖКб) и допускаемой электрической нагрузки I доп. а представлены в таблице 2.
Таблица 2
N
|
1
|
2
|
3
|
4
|
≈
|
≈
|
17
|
18
|
19
|
20
|
ЖК, б
|
5,72
|
4.74
|
3,18
|
2,73
|
≈
|
≈
|
-1,25
|
-0,93
|
-0,92
|
-0,60
|
I доп, а
|
320
|
300
|
290
|
275
|
≈
|
≈
|
185
|
160
|
160
|
130
|
4.4. Номограмма жесткости климата. Коэффициент корреляции между этими двумя рядами составляет 0,82 и рассчитанные показатели жёсткости, могут быть применены для дальнейших по оси У- значения жёсткости.
Уравнение полученной зависимости можно представить в виде
Жб= А-bn, (2)
где А=5,717 и b= 0,433.
Номограмму жёсткости климата(НЖК). графически можно представить на рис. 2 в обозначениях- скорости ветра по оси X, температуры воздуха -оси Y и жесткость по оси Z .
Рис. 1. Значения показателей жёсткости, рассчитанные в границах температуры воздуха, скорости для направления ветра вдоль проводов по РД 34. 20.547
[12].
4.4. Вариант интерфейса с расположением номограммы жёсткости климата на мониторе оперативного управления в энергосистеме показан в работе Фролова В.А [16].
В
оперативной работе энергетики сталкиваются с различными ситуациями: номограммы расчётных величин на экране компьютера в реальном времени параметры режимов (нормальных, ремонтных и аварийных.
На рис. 4
представлен интерфейс монитора для оперативного управления
в энергосистеме. В том числе: ЖК-1-номограмма исходных данных для определения жёсткости климата; ЖК-2 – вектор показателя жёсткости для номограмм ведения режима источников энергии; ЖК-3 вектор номограмма учёта жёсткости климата на линиях электропередач; ЖК-4- вектор номограмма исходных данных для определении влияния климата по потребителей ЭЭ и управляемая таблица «Контроль ЛЭП». Курсор-движок номограммы жёсткости климата может быть подвижной по экрану монитора с её движением по любому из трёх векторов энергетических номограмм для реализации конкретной проблемы. Для этого представлена штриховая линия для перемещения вдоль неё номограммы МК-1,на штриховой линии расположен движок- в виде круга и курсор, приводимые в движение электронной мышкой
Башлыков А.А. утверждает [8, с. 20], что в направлении « распределении
принятия решений человеком задач управления с помощью рекомендаций ЭВМ в диалоге человек и ЭВМ решение принимает человек», т.е. не просто обслуживание системы, но и принятие решение остается за человеком.
1. Модели ЛАГ( модель с распределённым лагом – это модель временного ряда, в которой в уравнение регрессии включено
как текущее
значение объясняющей переменной,
так и значения
этой переменной в предыдущих периодах) в реализации энергии. Реализация ЭЭ определяется с учётом возникновения оплаты за потреблённую энергию. Имеется несколько моделей оплаты за потреблённую энергию -- Фролов В.А [17]:
1- оплата крупными потребителями за представление счетов 2-3 раза в месяц;
2- оплата средними предприятиями со сдвигом оплаты на 1-2 дня. 3- оплата средними предприятиями со сдвигом оплаты на 10-15 дней; 4-оплата населением круглогодично поровну за каждый месяц; 5-оплата коммунально-бытовыми организациями со сдвигом на 3 месяца за каждый квартал или в начале квартала; 6-оплата авансом, например, по реализации прошлого года и т.д. С учетом современного рынка и динамики тарифов виды оплаты могут сильно изменятся.. Описанные модели оплаты позволяют в общем виде выразить реализацию ЭЭ за любой месяц отдельно в виде выражения распределённого лага:
k l
Wф[J]=∑ ∑ hi( τ) (3)
1 1
(τ)= { Wo[J]* (t- τ) - Wo[J]* (i-1)* τ} (4)
где Wф[J] и Wo[J] – фактическое и отчётное потребление ЭЭ за j месяц;
j- номер месяца,k-число групп потребителей с разным сдвигом. τ- величина сдвига, ( τ)- коэффициент лага, t- продолжительность месяца, l- число ступеней коэффициентов лага.
2. Рекомендация
Продолжить работу в части дополнительного учёта фактора жёсткости климата с периодическим автоматизированным контролем колебания температуры времени и скорости ветра в заданном
диапазоне в оперативной работе энергетика.
Выводы
1. Рассмотрены различные виды моделей в энергетике - технических, технологических и финансовой.
2. В настоящее время номограммы могут играть значительную роль при оперативной работе, с динамикой процессов в энергетике в административных и технологических границах, с разработкой и использованию векторных моделей, работы с интерфейсов персональных компьютеров студентами ВУЗов.
3. В качестве частного случая - определены значения шкалы жёсткости климата и приведен расчёта его значений и виде номограммы с исходными данными, для достоверности принятыми из документов Минэнерго РФ
4. В качестве
векторной модели принимается в работу «курсор -движок» и штриховая линия в интерфейсе с управлением «мышкой» по направлениям векторов-1 выработки электроэнергии,-2 её передачи и 3- потребления с дальнейшей проработкой более низкого уровня управления в энергетике и контроля загрузки ЛЭП.
5. Выполнена работа по анализу моделей экономических расчётов
в энергетике.
6. Данная работа в целом соответствует дисциплине «Основы инженерного творчества» и может быть дополнением к дипломному проекту по расчёту режимов работы электрических сетей ВН в части модели управления энергосистемой.
Список литературы
1.«Педагогическая технология» [1.http://cito-web.yspu.org/link1 /metod/met49/ node3. html] (http) в таксонометрии Б.Блуга.
2. Поспелов Д.А. Моделирование рассуждений.- «Радио и связь»- М.- 1989 . – 184 с 252 с.
3.
Веников В.А. Теория подобия и моделирования
(применительно
к задачам электроэнергетики) Учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е. доп. и перераб.- М. «Высшая школа», 1975. – 479 с.
4.
ЕСКД Электронная модель изделия. Общие положения ГОСТ 2.052-2015. Группа Т52.
5. Зотов А.Ф. Структура научного мышления
– кМ. Политиздат 1973.- 182 с.
6. Постановление Правительства РФ № 1172 от 27.12.2010 г. "Об утверждении Правил оптового рынка электрической энергии и мощности [http://base.garant.ru/12184415].
7. Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии. Учебное пособие. Ростов-н/Д.: Феникс; Красноярск: Издательские проекты, 2008. - 720 с. (Серия «Высшее образование») ].
8. Башлыков А.А. Проектирование систем принятия решений в энергетике. –М.: Энергоатомиздат.1986. – 120 с.
9.
П.Уайт. Управление исследованиями и разработками: Сокр. Пер. с англ./Под ред. Б.Н.Бобрышева.–М. Экономика, 1982 г. –160 с.
10.
Данцев А.А., Нефедова Н.В. Русский язык и культура речи для технических вузов. Серия «Высшее образование» -Ростов н/Д. –«Феникс», 2004. – 320 с
11. Интерфе́йс по́ льзователя https://ru.wikipedia.org/wiki/
12. Номограмма ...[ ru.qwe.wiki › wiki › Nomogram]
13. Методика расчета
предельных токовых нагрузок по условиям нагрева проводов для действующих линий электропередач. РД 34. 20.547 (МТ 34-70-037-87) СПО Союзтехэнерго. – Москва, – 1987.
14.
Антонов Н. В.,. Татевосова Л. И . Электропотребление России в 2008 году: вхождение в кризис. Электрика. – 2010. – № 5.– С. 3–12.
15.
Степанов А.В., Игнатьев В.С. Жесткость климата и надежность систем теплоснабжения. Институт физико-технич. проблем Севера им.
В.П. Ларионова СО
РАН,
Якутск(Известия Самарского научн. центра РАН, том 14, №4(5), 2012,. 1302 с.
16. Фролов В.А. Номограммы для оперативного персонала электрических сетей/ Развитие технических наук в современном мире //Сборник научных трудов по итогам международной НПК. - г. Воронеж, 2015 с.27–31.
17.
В.А. Фролов Моделирование динамики месячных реализации электроэнергии с учетом распределенного лага. /В.А. Фролов. Рук. Деп. в
Информэнерго № 3108-н-89. – 34 с.