Внепиковое управление нагрузкой
Использование отдельных потребителей в качестве регуляторов позволит снизить величину заявленной мощности предприятия, а также неравномерность графика нагрузки энергосистемы. Рассмотрим внепиковое управление нагрузкой, в частности для угольной промышленности, на одном из эффективных потребителей-регуляторов. Им может служить шахтный водоотлив, который является достаточно мощным потребителем (его мощность составляет в среднем 20% от установленной мощности шахты) и имеет независимый от технологии добычи график работы в течение суток. Для регулирования нагрузки определяется такой режим его работы, при котором исключается возможность включения
насоса во время максимума нагрузки в энергосистеме. Этот режим работы водоотливной установки реализуется целевой функцией:
где W„.B. — расход электроэнергии водоотливной установки в часы пик энергосистемы; V, — полезный объем водосборника (без резервной емкости по ПБ);
При соответствующих ограничениях:
Q+ — нормальный (весенний) приток воды; Тн — продолжительность вечернего максимума нагрузки энергосистемы;
Е Тр — суммарное время работы водоотлива за сутки;
ЕТП— суммарная продолжительность часов максимума нагрузки за сутки;
Уф,. — объем воды в водосборнике в любой момент времени прохождения максимальных нагрузок в энергосистеме.
В зависимости от оснащенности угольных шахт средствами вычислительной техники и принятой структуры обмена информацией между шахтами и производственным объединением (холдингом) возможны два варианта технической реализации целевой функции (1) при ограничениях (2).
Управление реализуется на примере соответствующих установок угольных шахт в двух вариантах: специального устройства, дополняющего системную автоматику водоотливных агрегатов, и автоматизированного управления на базе 11ЭВМ шахты или группы шахт (реализована идея управления потреблением электроэнергии всеми водоотлив-
ными установками угольного объединения шахт с учетом графика нагрузки энергосистемы — аналог формирования "кооперативных нагрузок" в США).
Специальный график включения и отключения позволяет организовать работу водоотливных установок таким образом, чтобы они не работали в часы максимальной нагрузки энергосистемы. Такой режим работы выгоден как энергосистеме, так и шахтам, поскольку стоимость откачки 1м3 воды значительно снижается.
Для обеспечения экономически рационального режима работы водоотливных установок (их остановки в период максимума энергосистемы) необходимо, чтобы емкость водосборника вмещала весь приток воды шахты за время максимума, величина и начало которого устанавливаются энергосистемой.
Внепиковое управление нагрузкой (первый вариант управления)
Первый вариант [7]. Специальное устройство, дополняющее системную автоматику водоотливных агрегатов, должно обеспечить такой порядок включения насосных установок, при котором к наступлению максимума энергосистемы вода в водосборнике была откачана.
Рассмотрим цикл работы водоотливной установки при постоянном притоке воды и постоянной производительности откачки воды из водосборника (рис 9.12).
Пусть в момент времени t, вода из водосборника откачана (нижний уровень), а к моменту t2 достигает верхнего уровня hc6, после чего включается насосный агрегат и вода откачивается до нижнего уровня к моменту времени t3. Если момент времени t3 совпадает с началом максимума энергосистемы Тм , то при достаточной емкости водосборника насосы не будут работать в период максимума энергосистемы. Если же вода в водосборнике достигает нижнего уровня в любой момент времени в промежутке tt -13, например, в момент времени tb то вода в водосборнике достигает нижнего уровня к началу максимума энергосистем Т, если насос будет включен в момент времени t2 .
При этом будет иметь место следующее соотношение:
откуда
где К - постоянная величина при определенном притоке вода.
Рис.9.13. Блок-схема дополнительного устройства.
Ежесуточно в момент времени Тм - 2ТЦ с реле времени выдается сигнал в блок логических элементов, который совместно с сигналом ДНУ от датчика нижнего уровня в момент времени формирует выход 1, который существует до момента поступления сигнала от реле верхнего уровня РУВ. Счетчик с датчика притока подсчитывает время заполнения водосборника ВС, т.е. определяет величину К.
В момент времени Тм - Тц также ежесуточно реле времени выдает второй сигнал, который запускает пересчетное устройство логического узла и совместно с сигналом ДНУ формирует выход 2 с блока логических элементов в момент времени tb что приводит к уменьшению коэффициента деления пересчетного устройства в К раз. Таким образом, оставшийся промежуток времени t3 - ti делится на К частей, благодаря чему реализуется уравнение (2). Схема автоматизации
водоотлива в момент времени t2 получает сигнал для принудительного включения насосов. Импульс сброса, который формируется после выходного сигнала, приводит схему в исходное состояние.
Внепиковое управление нагрузкой (второй вариант управления)
Второй вариант [8]. В данном случае решается задача централизованного расчета оптимальных графиков работы водоотлива согласно целевой функции (1) и ограничений (2) с упреждением на сутки и их оперативной коррекцией (выработка совета на управление). Функции управления возлагаются на локальную систему автоматизации каждой водоот-ливной установки, предусматривающей коррекцию по выработанному совету диспетчером шахты или холдинга. При этом для решения задачи используется информация об ожидаемой величине нормального притока воды в шахту.
В условиях производства непосредственный текущий контроль притока, как правило, затруднен. Однако необходимые данные о притоке воды в шахту можно получить косвенным путем, фиксируя в течение суток для каждого цикла продолжительность паузы и работы водоотливной установки в автоматическом режиме tn и tp . В этом случае величина среднесуточного фактического притока воды определяется из выражения
где: £„.с. — средняя продолжительность паузы при работе насоса в автоматическом режиме в течение суток. Величина нормального притока воды в шахту из суток в сутки, как правило, изменяется незначительно. Поэтому
определение ожидаемой величины притока воды в шахту на следующие сутки с необходимой точностью при известных значениях за ряд предыдущих суток не представляет больших трудностей. Для этой цели использованы сравнительно простые методы математического моделирования, легко реализуемые на ЭВМ. Прогноз величины нормального притока воды на следующие сутки СГФ может быть осуществлен, например, с помощью модели, представляющей собой полиноминальный тренд вида
Определенная таким образом величина ожидаемого нормального притока вода в шахту СГФ позволяет рассчитать продолжительность паузы между автоматическими включениями насоса t*„ и работы водоотлива в каждом цикле t*p на следующие сутки:
где: Q'H — фактическая часовая производительность насоса водоотливной установки, зависящая от технического состояния насоса и электропривода водоотливной установки.
Для исправного насоса Q'„ изменяется плавно, поэтому корректировку значения фактической его производительности целесообразно производить наследующие сутки непосредственно перед определением графика работы водоотлива. Рассчитать величину Q'„ можно на основании данных о любом автоматическом цикле работы водоотливной уста новки за истекшие сутки
По известным причинам t*n и t*p определяются ожидаемые моменты автоматического включения и отключения насоса главной водоотливной установки в течение следующих суток tbi и toi:
Таким образом определяется график автоматической работы водоотливной установки на следующие сутки. Однако время автоматической работы водоотлива согласно определенному графику может совпасть со временем максимума электрической нагрузки энергосистемы, что будет противоречить целевой функции (1) управления главной установкой. В таком случае исходный график работы водоотлива необходимо оптимизировать, т.е. скорректировать так, чтобы исключить работу насоса в момент максимума нагрузки энергосистемы.
Сущность оптимизации графика заключается в следующем. Для автоматических циклов работы, определенных исходным графиком работы водоотлива, которые совпадают с часами максимума нагрузки в энергосистеме, определяется возможность смещения их за пределы максимума нагрузки. С этой целью определяется некоторый момент времени в который необходимо дистанционно (с пульта энергодиспетчера шахты) включить насос водоотлива с таким расчетом, чтобы к моменту начала максимума нагрузки с некоторым запасом по времени AT вода из водосборника была полностью откачана и насос автоматически отключен.
Величина tabj, определяется из следующего выражения:
после чего для них осуществляются логические проверки, позволяющие определить, не попадает ли данный цикл в максимум нагрузки и при необходимости корректировка производится повторно.
В случае скоординированного управления, осуществляемого в производственном объединении, результат решения задачи (графики работы водоотлива на следующие сутки с советами по управлению) передается диспетчерам шахт.
Данный пример легко адаптируется для потребителей электрической энергии любой отрасли промышленности, работающих в циклическом или период ическом/аперидичес-ком режимах и имеющих технологические заделы (бункерные накопители, технологические емкости и пр.).
Рассматривая методы управления электрической нагрузкой производственных систем (предприятий), следует отметить, что весьма важным при повышении эффективности работы энергосистемы является выравнивание графика её нагрузки. Из этого следует, что критерием выравнивания графика электрической нагрузки может быть математическое выражение, имеющее следующий вид:
В производственных системах имеется большое количество ПР, имеющих циклический режим работы, который задаётся началом tH, концом tK и длительностью работы U ПР. Задачи управления электрической нагрузкой формируются следующим образом: необходимо определить моменты выключения tj ПР в период t цикла, чтобы выполнялись следующие ограничения:
В связи с тем, что критерий имеет квадратичный вид, то эта задача относится к классу задач нелинейного программирования, решение которой в классической постановке отсутствует. Поэтому в развитие приведенных выше методов управления электрической нагрузкой авторами [7] предложен ряд эвристических алгоритмов, базирующихся на корреляционных связях между графиками нагрузки энергетической и производственной системы, теории распознавания образов. Задача решается в многокритериальной постановке, в которой учитываются противоречивые интересы энергетической и производственной системы, связанные с финансовыми отношениями. При решении задачи минимизации платы за потреблённую электроэнергию оценка ущербов от отключения ПР осуществляется на основе теории размытых множеств.
При развитии методов управления нагрузкой по пре-тыванию в реальном масштабе времени потребовалось рассматривать и учитывать дискретность ступеней электропотребления (из-за дискретности установленной мощности электродвигателей) при различных формах негативных последствий вследствие прерываний потребителей [8]. Вследствие того, что параметры возможных ущербов от прерывания не всегда поддаются численным оценкам в работах [9] использованы элементы нечеткой логики.
Литература:
1. Talukdar S.N., Gellings C.W. Load Management // New York, IEEE Press., 1987. 207p.
2. Integrated resource planning in danish electricity supply // NESA's information department of Art-work impression, 1994, 34p.
3. Проблеми, методи i засоби управлшня використанням електричноТ eHepriY / Праховник А.В., Находов В.Ф.// HayKOBi Bidi НТУУ "КПГ. №1.-1997.- С.41-48.
4. Праховник А.В. Шляхи i етапи створення наукового напрямку з проблеми комплексного управлшня використан-ням електричноТ енергп // HayKoei BicTi НТУУ "КПГ, 1999, №1, с. 58-71.
5. P. Nathan, R. Wasserman. Control Cuts Elektric Bills // IEEE, Control of Power Systems, Conference and Exposition, Oklahoma City, 1976, p. 47-50. " '
6. Slenz. I.Z. Instantaneous Demand Control Systems // IEEE, Control of Power Systems, Conference and Exposition. -Oklahoma City, 1976, p.71-76.;
7. Праховник А.В. Автоматизация управления электропотреблением: Вища школа, Киев, 1986, с.76.
8. Данильчук Г.И., Праховник А.В., Шевчук С.П. Автоматизация шахтного водоотлива с учетом графика нагрузки энергосистемы / Вестник КПИ "Серия горной электромеханики и автоматики", К., №4, с.35-37.
9. Праховник А.В., Шевчук С.П., Находов В.Ф. Управление электропотреблением водоотливных установок. "Механизация и автоматизация управления". К., 1979, №3, с.30-33.
10. Розен В.П. Управление потребителями-регуляторами дискретного действия. Материалы l-ой международной конференции по управлению использованием энергии, Киев, 12-15 декабря 1995 г.
11. Праховник А.В., Калинчик В.П., Экель П.Я. К управлению электропотреблением в условиях дефицита энергоресурсов II Изв. ВУЗов СССР Энергетика, 1986, №10, с. 12-15
12. Праховник А.В., Екель П.Я., Бондаренко А.Ф. Модеш та методи оптим1зацп i керування режимами систем електро-постачання// К., 1СДО,1994, 104с.