RU2503015C2 - Система управления электропотреблением промышленных предприятий и производств - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, конкретнее к способам управления электропотреблением промышленных предприятий и производств.

Система включает объект управления, блок определения электропотребления, блок определения количественных и качественных характеристик продукции, блок математического моделирования, блок расчета прогнозного значения удельного электропотребления, блок анализа электропотребления, блок монитора советчика оператора, блок управления оператора, блок автоматизированного управления объектом, блок справочной информации и блок плановых заданий.

Технический результат изобретения - более точный расчет прогнозного значения электропотребления, экономия электропотребления за счет выявления причин повышенного электропотребления и соответствующего управления технологическим процессом с учетом времени транспортного запаздывания, а также снижение уровня заявляемого максимума электропотребления в период максимума нагрузки энергосистемы. 1 ил., 3 табл.

Description

Изобретение относится к области электротехники, конкретнее - к системам управления электропотреблением промышленных предприятий и производств.

Управление электропотреблением промышленных предприятий и производств нужно проводить с учетом прогнозного значения электропотребления. Время прогноза электропотребления, в зависимости от требований производства, может измеряться от нескольких лет до получаса, например, при эксплуатации предприятий и производств планируется электропотребление на год, квартал, полугодие, месяц, сутки, смену, час, а также полчаса в период получасовых максимумов. Технологические процессы, в большинстве случаев инерционные, время транспортного запаздывания может быть значительным. Эти факторы также вызывают необходимость прогнозирования электропотребления.

Известна система энергосбережения в энерготехнологических процессах (RU 2361262, G05D 29/00, G06G 7/635, опубл. 10.07.2009) основанная на преобразовании энергии, подаваемой на вход процесса, в продукцию на выходе. Система обеспечивает повышение точности управления, путем прогноза значения мгновенной энергоемкости по результатам анализа предыдущей динамики изменения энергоемкости. Основной недостаток данной системы состоит в том, что энерготехнологический процесс должен иметь только один характеризующий его параметр, что не обеспечит достаточную точность управления.

Наиболее близким техническим решением является система управления энергоресурсами (RU 2315324, G01R 11/00, опубл. 20.01.2008) основанная на обеспечении выдачи достоверной информации оператору-энергетику по изменению в динамике расходов энергоресурсов и динамической энергоемкости продукции в процессе производства для эффективного расходования энергоресурсов, снижения расхода энергетических и материальных ресурсов. В предлагаемой системе основными наблюдаемыми параметрами являются производительность агрегата или условная производительность и расходы энергоресурсов или сквозные энергетические затраты. Однако, не учитываются качественные характеристики выпускаемой продукции, которые в процессе производства могут изменяться в больших пределах, а также «неучитываемые» параметры (состояние оборудования, время суток, время года и т.п.).

Техническим результатом изобретения является обеспечение работы системы управления электропотребления промышленных предприятий и производств, позволяющей учитывать количественные и качественные характеристики выпускаемой продукции, а также учитывать индивидуальные особенности прогнозируемого периода работы промышленного предприятия и производства, обеспечение выдачи достоверной информации для эффективного управления расходами энергоресурсов, экономия электропотребления.

Указанный результат достигается тем, что система управления электропотреблением включает (см. чертеж): объект управления, блок определения электропотребления, блок определения количественных и качественных характеристик продукции, блок математического моделирования, блок расчета прогнозного значения удельного электропотребления, блок анализа электропотребления, блок монитора советчика оператора, блок управления оператора, блок автоматизированного управления объектом, блок справочной информации и блок плановых заданий.

При этом выход объекта управления соединен с входами блока определения электропотребления и блока определения количественных и качественных характеристик продукции, выход блока определения электропотребления и блока определения количественных и качественных характеристик продукции соединены с входами блока математического моделирования, выход блока математического моделирования соединен с блоком расчета прогнозного значения удельного электропотребления, выход блока расчета прогнозного значения удельного электропотребления соединен с входом блока анализа электропотребления, выход блока анализа электропотребления соединен с входом блока монитора советчика оператора, выход 1 блока монитора советчика оператора соединен с входом блока справочной информации, выход блока справочной информации соединен с блоком расчета прогнозного значения удельного электропотребления, выход 1 блока монитора советчика оператора соединен с входом блока плановых заданий, выход блока плановых заданий соединен с входом блока анализа электропотребления, выход 2 блока монитора советчика оператора соединен с входом блока управления оператора, выход блока управления оператора соединен с входом блока автоматизированного управления объектом, выход блока автоматизированного управления объектом соединен с входом объекта управления

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

От объекта управления поступает информация (фиг.) о фактических значениях: электропотребления, количестве и качестве выпускаемой продукции, основных технологических параметров. Далее происходит предварительная обработка и верификация* информации, а также расчет фактического удельного электропотребления, путем деления фактического электропотребления на фактический объем выпускаемой продукции. Проверенная и предварительно обработанная информация формируется в виде таблицы, состоящей из строк и столбцов. Строки формируются всякий раз с периодичностью поступления информации (полчаса, час, смена, сутки, месяц, год). Столбцы представлены соответствующими значениями функции (удельное электропотребление) и аргументов (количество и качество выпускаемой продукции, величины основных технологических параметров). Количество строк должно не мене трех раз быть большим [1] числа аргументов. Столбцы (аргументы) представлены величинами количества и качества продукции, основными технологическими параметрами, которые оказывают влияние на электропотребление. Методом корреляционного анализа [2] определяются коэффициенты линейной парной корреляции между функцией (электропотребление) и аргументами (количество, качество продукции, основные технологические параметры) по формуле:

$$r_{yx}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n\left(x_i-\overline{x}\right)\left(y_i-\overline{y}\right)}}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\left(x_i-\overline{x}\right)}^2}{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\left(y_i-\overline{y}\right)}^2}}}\left(1\right)$$

где x_i - i-е значение аргумента;

$$\overline{x}$$

- среднее значение аргумента;

y_i - i-е значение функции;

$$\overline{y}$$

- среднее значение функции;

n - число наблюдений.

К значимым аргументам относят те, которые имеют коэффициент линейной парной корреляции не ниже 0,4. Данная величина коэффициента корреляции определена на основании расчета t-критерия Стьюдента

$$t=\frac{r\sqrt{n-2}}{\sqrt{1-r^2}}$$

где n - число степеней свободы;

$$t=\frac{\mathrm{0,4}\sqrt{24-2}}{\sqrt{1-{\mathrm{0,4}}^2}}=\mathrm{2,04}$$

что больше табличного значения t_a=1,7171 при a=0,1

Методом регрессионного анализа рассчитывается математическая модель удельного электропотребления и индекс детерминации**. Математическая модель удельного электропотребления имеет вид:

$$Y=A_0+A_1{X}_1+A_2{X}_2+A_3{X}_3+\dots +A_K{X}_K\left(2\right)$$

где: A₀ - свободный член, A₁, A₂, А₃, …, A_K, - коэффициенты уравнения связи;

X₁, Х₂, Х₃, …, X_K, - аргументы уравнения связи.

Математическая модель рассчитывается следующим способом.

Для оценки параметров уравнения множественной регрессии применяют метод наименьших квадратов (МНК). Для линейных уравнений строится следующая система нормальных уравнений, решение которой позволяет получить оценки параметров регрессии.

Для ее решения может быть применен метод определителей:

$$a=\frac{\Delta a}{\Delta }$$

, $$b_1=\frac{\Delta b_1}{\Delta }$$

, …, $$b_P=\frac{\Delta b_P}{\Delta }$$

,

Где $$\Delta =\left|\begin{array}{l}n{\displaystyle \sum x_1{\displaystyle \sum x_2\dots {\displaystyle \sum x_P}}}\\ {\displaystyle \sum x_1{\displaystyle \sum x_1^2{\displaystyle \sum x_2{x}_1\dots {\displaystyle \sum x_P{x}_1}}}}\\ {\displaystyle \sum x_2{\displaystyle \sum x_1{x}_2{\displaystyle \sum x_2^2\dots {\displaystyle \sum x_P{x}_2}}}}\\ \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \\ {\displaystyle \sum x_P{\displaystyle \sum x_1{x}_P{\displaystyle \sum x_2{x}_P\dots {\displaystyle \sum x_P^2}}}}\end{array}\right|$$

- определитель системы;

Δa, Δb₁, Δb_P - частные определители, которые получаются путем замены соответствующего столбца матрицы определителя системы данными левой части системы.

Уравнение регрессии в стандартизированном масштабе:

$$t_y={\beta }_1{t}_{x1}+{\beta }_2{t}_{x2}+\dots +{\beta }_P{t}_{xP},$$

где $$t_y=\frac{y-\overline{y}}{{\sigma }_y}$$

, $$t_{Xi}=\frac{x_i-{\overline{x}}_i}{{\sigma }_{xi}}$$

- стандартизированные переменные;

β_i - стандартизированные коэффициенты регрессии.

К уравнению множественной регрессии в стандартизированном масштабе применим метод наименьших квадратов (МНК). Стандартизированные коэффициенты регрессии β-коэффициенты) определяются из следующей системы уравнений:

$$[\begin{array}{l}{r}_{YX1}={\beta }_1+{\beta }_2{r}_{X2X1}+{\beta }_3{r}_{X3X1}+\dots +{\beta }_P{r}_{XP}{x}_1\\ r_Y{x}_2={\beta }_1{r}_{X2X1}+{\beta }_2+{\beta }_3{r}_{3X2}+\dots +{\beta }_P{r}_{XPX2}\\ \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \\ r_{YXp}={\beta }_1{r}_{XpX1}+{\beta }_2{r}_{XpX1}+{\beta }_3{r}_{XpX3}+\dots +{\beta }_P\end{array}$$

Связь коэффициентов множественной регрессии b_i со стандартизированными коэффициентами β_i описывается соотношением $$b_1={\beta }_1\frac{{\sigma }_Y}{{\sigma }_{Xi}}$$

Параметр а определится как $$a=y-b_1\overline{x_1}-b_2\overline{x_2}-\dots -b_P{\overline{x}}_P$$

Индекс детерминации рассчитывается по формуле:

$$R^2=1-\frac{{\displaystyle \sum {}_i{\left(y_i-f_i\right)}^2}}{{\displaystyle \sum {}_i{\left(y_i-\overline{y}\right)}^2}}\left(3\right)$$

где y_i - наблюдаемое значение зависимой переменной,

f_i - значение зависимой переменной, рассчитанной по уравнению регрессии,

$$\overline{y}$$

- среднее значение зависимой переменной. Информация (математическая модель, индекс детерминации) поступает для расчета прогнозного значения электропотребления, а также поступает справочная информация. Производится расчет прогнозного значения электропотребления по формуле:

$$W_{Пр}=Y_{Пр}\cdot Q_{Пл}\left(4\right)$$

где Y_Пр - прогнозное удельное электропотребление;

Q_Пл - плановый объем выпускаемой продукции.

Прогнозное значение удельного электропотребления рассчитывается по формуле:

$$Y_{Пр}=R^{2}Y+\left(1-R^2\right)Y_{СР.ВЗВ.}\left(5\right)$$

где Y_СР.ВЗВ. - средневзвешенное значение удельного электропотребления аналогичного прогнозируемому периоду.

Таким образом, прогнозное значение удельного электропотребления (5) представлено двумя составляющими. Первая составляющая удельного электропотребления, зависящая от объема производства и других технологических показателей, рассчитывается, как произведение удельной составляющей электропотребления, найденной по статистической, обычно, многофакторной математической модели, в которой, в качестве аргументов, используются плановые показатели производства прогнозируемого периода и средние значения непланируемых показателей и индекса детерминации модели (уравнения связи) данного производства. Вторая составляющая, характеризующая особенностями данного периода и факторами, не учтенными моделью, определяется произведением остатка от единицы и индекса детерминации модели, и средневзвешенной величиной удельного электропотребления прошлых аналогичных периодов.

Средневзвешенное значение удельного электропотребления периода, аналогичного прогнозируемому, определяется по формуле:

$$Y_{СР.ВЗВ.}=\frac{Y_1{Q}_1+Y_2{Q}_2+Y_3{Q}_3}{Q_1+Q_2+Q_3}\left(6\right)$$

где Q₁, Q₂, Q₃ - фактический объем производства прошлых, аналогичных периодов.

С учетом выражений (2), (5), (6) выражение (4) будет иметь вид:

$$W_{Пр}=\left[R^2\left(A_0+A_1{X}_1+A_2{X}_2+\dots +A_K{X}_K\right)+\left(1-R^2\right)\frac{Y_1{Q}_1+Y_2{Q}_2+Y_3{Q}_3}{Q_1+Q_2+Q_3}\right]Q_{Пл}\left(7\right)$$

Рассчитанная по выражению (7) величина прогнозного электропотребления анализируется в сравнении с плановыми заданиями по электропотреблению. А также анализируется фактическое и плановое удельное электропотребление.

Если фактическое электропотребление и удельное электропотребление не больше плановых заданий, то результаты анализа:

- визуализируются;

- архивируются.

Если фактическое электропотребление больше планового, а фактическое удельное электропотребление не больше планового, то результаты анализа:

- визуализируются;

- архивируются;

- формируется сообщение оператору о перевыполнении планового задания производства, для принятия решения.

Если фактическое электропотребление и удельное электропотребление больше планового, то результаты анализа:

- визуализируются;

- архивируются;

- определяется процент выполнения планового задания производства,

- производится анализ электропотребления в соответствие с уравнением (7), определяется, какая составляющая вызвала увеличение электропотребления по сравнению с электропотреблением предыдущего временного интервала;

- формируется сообщение оператору для принятия решения.

Управление электропотреблением осуществляется в режиме выдачи совета оператору при превышении общего или удельного электропотребления, с указанием причин превышения электропотребления, для принятия мер по устранению превышения электропотребления.

Пример. Технологическая информация по планированию месячного расхода электроэнергии АГЦ-3 агломерационного производства за 2007-2009 г. представлена в таблице 1.

Таблица 1
№ п/п	Производство агломерата, тыс. тонн	Фактический удельный расход электроэнергии, кВт·ч/т	Плановый удельный расход
			электроэнергии,
Месяц			кВт·ч/т
1	380,952	61,37	62,2
2	340,469	65,22	61,6
3	379,049	62,43	60,4
4	368,709	61,57	61,7
5	384,143	60,46	59,6
6	364,518	59,82	60,5
7	324,137	61,9	60,3
8	372,497	60,43	57,73
9	368,703	61,4	59,45
10	262,117	73,35	61,2
11	370,946	60,46	59,94
12	379,205	61,67	59,83
13	379,978	62,84	59,52
14	355,1	61,86	59,62
15	376,444	62,85	59,26
16	359,567	60,42	61,15
17	383,352	59,45	58,52
18	373,644	58,41	58,3
19	381,516	57,68	57,76
20	380,38	59,09	57,16
21	365,108	59,82	56,8
22	370,735	63,37	59,58
23	211,136	68,38	58,42
24	251,228	74,91	59,51
25	352,222	65,75	62,5
26	322,447	64,56	63,3
27	363,363	63,46	63,87
28	339,628	64,65	62,53
29	317,196	60,99	64,5
30	357,063	58,3	63,47
31	368,303	55,79	58,76
32	390,02	54,05	57,36
33	380,687	53,33	54,29
34	403,152	53,45	52,53
35	370,449	54,77	58,15
36	401,503	56,76	57,42

Статистическая математическая модель (уравнение связи), рассчитанная методом регрессионного анализа по данным таблицы 1 имеет вид:

Y^*=92,226-0,0866*X где X - объем производства, тыс. т.; коэффициент множественной корреляции R²=0,76; индекс детерминации R²=0,58.

Расчетный удельный расход электроэнергии определяется уравнением:

Y_Пр.=R²*(92,226-0,0866*X)+(1-R²)*Y_СР.ВЗВ.

Выполним расчет прогнозных значений удельного электропотребления АГЦ-3 на январь, февраль, март 2010 г.

Дополнительная информация по плановым, фактическим и рассчитанным показателям 2010 г приведена в таблице 2.

Таблица 2.
2010 г месяц	Плановый объем производства	Фактический удельный расход электроэнергии	Расчетный удельный расход электроэнергии	Планируемый удельный расход электроэнергии	Средневзвешенный удельный расход электроэнергии прошлых лет.
Ед. изм.	Тыс. тонн	кВт·ч/т	кВт·ч/т	кВт·ч/т	кВт·ч/т
Янв.	377,6	61,6	61,1	57,9	63,3
Февр.	362,1	58,9	62	56,8	63,8
Март	396,2	60,5	60	59,5	62,9

Рассчитанные значения отклонений между планируемыми, расчетными и фактическими значениями удельных электропотреблений приведены в таблице 3.

Таблица 3.
2010 г., месяц	Δ (факт-план), кВт·ч/т	Δ (факт-расчет), кВт·ч/т
Янв.	3,7	0,5
Февр.	2,1	-3,1
Март	1	0,5
Среднеквадратическое отклонение	2,52	1,84

Отклонения между фактическими значениями удельного электропотребления и рассчитанными значениями удельного электропотребления в течение трех месяцев 2010 года, меньше отклонений между планируемым и фактическим электропотреблением (2,52/1,84).

Применение данной системы обеспечивает энергосбережение, эффективность и точность управления электропотреблением промышленных предприятий и производств при простоте технической реализации системы, за счет более точного расчета прогнозного значения электропотребления.

* - верификация - проверка, проверяемость, способ подтверждения соответствия.

** - индекс детерминации R² - характеризует долю дисперсии результативного признака Y, объясняемую регрессией, соответствующая величина 1-R² характеризует долю дисперсии, вызванную влиянием остальных, не учтенных в модели факторов.

*** - коэффициент приведения - частное от деления фактического и планового электропотребления соответствующего периода.

Перечень используемой литературы:

1. Мхитарян В.С., Трошин Л.И., Адамова Е.В., Бамбаева Н.А. Теория вероятностей и математическая статистика. М 2001 г.

2. Под редакцией И.И.Елисеевой Эконометрика. М 2002 г.

Claims (1)

1. Система управления электропотреблением промышленных предприятий и производств, включающая объект управления, блок определения электропотребления, при этом выход объекта управления соединен с входом блока определения электропотребления, а также включающая последовательно соединенные блок монитора советчика оператора, блок управления оператора, блок автоматизированного управления объектом, при этом выход блока автоматизированного управления объектом соединен с входом объекта управления, отличающаяся тем, что система дополнительно снабжена блоком определения количественных и качественных характеристик продукции, блоком математического моделирования, блоком расчета прогнозного значения удельного электропотребления, блоком анализа электропотребления, блоком справочной информации, блоком плановых заданий, при этом выход объекта управления соединен с входом блока определения количественных и качественных характеристик продукции, выход блока количественных и качественных характеристик продукции и выход блока определения электропотребления соединен с входом блока математического моделирования, выход блока математического моделирования соединен с входом блока расчета прогнозного значения удельного электропотребления, выход блока расчета прогнозного значения удельного электропотребления соединен с входом блока анализа электропотребления, выход блока анализа электроиотребления соединен с входом блока монитора советчика оператора, первый выход блока монитора советчика оператора соединен с входами блока плановых заданий и блока справочной информации, а второй выход блока монитора советчика оператора соединен с входом блока управления оператора, выход блока справочной информации соединен с входом блока расчета прогнозного значения удельного электропотребления, а выход блока плановых заданий соединен с входом блока анализа электропотребления.