Ценологические ограничения построения и функционирования электрического хозяйства

Лишь в последние десятилетия в электричестве применительно к цеху, предприятию, отрасли были сформулированы два казалось бы простых (ранее почему-то не сформулированных) вопроса: 1) можно ли обеспечить однооб­разие (унификацию и стандартизацию) установленного электрооборудования, схем и сетей; 2) возможна ли одинаковость нагрузок, общих и удельных расходов электроэнергии для однотипных производств (равенство норм). Во­просы можно обобщить, распространив их на структуру всех установленных и ремонтируемых единиц техники (включая специализированные централизо­ванные службы главного электрика), на всю систему расходов, затрат и полу­чаемых результатов.

Однообразие и одинаковость оказались, и это вытекает из ценологической теории, неизбежным условием быстрой индустриализации. В 1930 г. были ре­комендованы к установке лишь несколько типоразмеров (видов) электричес­ких машин для массового электропривода; чуть позже начали выходить ука­зания по проектированию подстанций и сетей малой мощности (так называли внутризаводское электроснабжение); в 1938 г. был предложен для расчета эле­ктрических нагрузок метод упорядоченных диаграмм.

Но к 50-м годам разнообразие электрооборудования и решений по электро­снабжению захлестнуло страну, неудовлетворительными оказались системы нор­мирования электропотребления и расчета электрических нагрузок. До 1951 г. выпускали девять различных серий асинхронных электродвигателей до 100 кВт, затем они были заменены единой серией А-АО. Позже был упорядочен ряд си­ловых трансформаторов (например, вместо трансформаторов 560 и 750 кВА ста­ли выпускать 630 кВт), который действует и поныне. Было доказано, и это во­шло в учебники по электроснабжению, что на одном предприятии следует Устанавливать не более двух типоразмеров (видов трансформаторов). В 60-е го­ды были разработаны нормы расхода электроэнергии для всех отраслей, утверж­дена методика расчета электрических нагрузок. В 70-х годах получила завершение

ДеТаЛИЗИГЮВаННЯЯ ПО RMnaM nfinnvncmanua м пс^нмач i-iaRm-ui rur-триа ГТПР —

У

88 Глава 2. Уровни (ступени) системы электроснабжения

планово-предупредительного ремонта, с некоторыми различиями утвержден­ная во всех отраслях.

Созданная в 30-80-х годах система электрооборудования, электроснабже­ния, электроремонта (электрика), опирающаяся на представления первой на­учной картины мира, казалось, строго представима (математически описана), предсказуема, рассчитываема, контролируема.

Однако на практике удельные расходы электроэнергии (электроемкость ВВП) оказались в 3 раза выше, чем в развитых странах (см. гл. 19); загрузка силовых трансформаторов 20—40 % (встречается и до 10 %); в черной метал­лургии 100 тыс. отремонтированных электродвигателей имели среднегодовую повторяемость поступления в ремонт 4,6 (это значит, что двигатель опреде­ленного наименования и мощности, пришедший в ремонт, пересечется, «встретится» с себе подобными (такого же вида) только лишь в следующем квартале).

Устойчивость факта многообразия была подтверждена на 1000 выборках и генеральных совокупностях большинства отраслей страны, охватывающих свыше 2,5 млн единиц (особей) электрооборудования. Принципиально важно, что показатель, характеризующий разнообразие двигателей, оставался в пре­делах, предсказываемых ценологической теорией, в XX веке и остается сей­час.

Приведем пример электроснабжения, касающийся трансформаторов. Так, для строящегося завода (решение XXIII съезда КПСС, постановление ЦК и Совмина) было предписано устанавливать трансформаторы 10/0,4 кВ только 1000 кВА. После пуска первой очереди оказалось, что 541 эксплуатируемый трансформатор представлен 48 типоразмерами (и это при самой активной де­ятельности проектировщиков), в том числе:

Р, кВА......... 1000 40; 800 и др. 180 1250 560 400 1600 630

и, шт.......... 263 6 15 16 21 22 23 30

Конечно, трансформаторы 1000 кВА превалируют, но только (нарушена кривая Я-распределения) через 25 лет (к 2002 г.) в результате фактических ус­ловий эксплуатации характеристический показатель пришел в «норму»).

Рассмотрим явление подробнее. Пусть на предприятии установлено 11 трансформаторов так, что задействован весь стандартный ряд мощностей си­ловых трансформаторов:

№ трансф.............. 1 2 3

5_СТ, кВА............... 25 40 63

S_cp, кВА............... 615 615 615

Рекомендуемое значение, кВА.... - - -

4 5 6 7 8 9 10 11

100 160 250 400 630 1000 1600 2500

615 615 615 615 615 615 615 615

630 630 1000 1000 630 630 1000 1000

Сложив мощности, можно найти требуемую среднюю и установить только

-j------------------ •„ -„..,,«.«„„,„,о«. А1^ vRA — ЫРГТЯНЛЯПТНОСТЬ МОЩ"

Г

2.3. Ценологические ограничения построения электрического хозяйства 89

ности не меняет вывода). Это предельный случай, к которому стремились ра­нее всегда при построении схемы электроснабжения. Рекомендуемый вариант устанавливать по два типоразмера (вида) не меняет принципиального вывода, что для крупного предприятия существует некоторое фундаментальное огра­ничение, которое не позволяет осуществить однообразие. Важно, что для мел­ких предприятий ЗУР и части средних 4УР унификация осуществима. В этом случае полезно возвратиться к реальным схемам электроснабжения (см. рис. 2.1 и 2.2) крупных предприятий, где необходимость унифицировать трансфор­маторы ГПП, казалось бы, должна была проявиться в большей степени.

Рассмотрим особенности ценологического подхода не для электрической части какого-либо технологического объекта, из-за незнания большинства рассматриваемых технологий, а на примере — 2—3-х комнатной квартиры (не молодоженов и не новоселов).

Выполним анализ ценологических ограничений по данным электрики квартиры (номера расположены по уменьшению частоты встречаемости элек­троприемников в 20 обследованных квартирах):

1. Часы	18.	Видеомагнитофон	35.	Машинка стрижки
2. Люстра	19.	Пылесос	36.	Микроволновая печь
3. Лампа подвесная	20.	Чайник	37.	Елочная звезда
4. Калькулятор	21.	Ночник	38.	Водонагреватель
5. Бра	22.	Дрель	39.	Мобильный телефон
6. Настольная лампа	23.	Вентилятор	40.	Зарядное устройство
7. Фонарь карманный	24.	Кофемолка	41.	Лампа в аквариуме
8. Телевизор	25.	Миксер	42.	Радиатор
9. Утюг	26.	Тостер	43.	Компьютер
10. Елочная гирлянда	27.	Торшер	44.	Мясорубка
11. Фен	28.	Бритва	45.	Видеокамера
12. Кипятильник	29.	Кофеварка	46.	Елочное украшение
13. Паяльник	30.	Плита	47.	Принтер
14. Холодильник	31.	Радиоприемник	48.	Соковыжималка
15. Звонок	32.	Грелка	49.	Швейная машинка
16. Стиральная машина	33.	Зажигалка	50.	Лампа машинки
17. Щипцы	34.	Самовар	51.	Озонатор

На примере квартиры мы констатируем некоторый умопостижимый (intel­ligible) и чувственно воспринимаемый (sensible) абстрактный объект. Он суще­ствует в нашем воображении (виртуально) и в реальном пространстве и вре­мени (здесь и сейчас); состоит из дискретных элементов, каждый из которых своеобразен, индивидуален, имеет паспорт и номер, т. е. это есть своеобраз­ная техническая особь, относимая к тому или иному виду, марке, модели, ти­поразмеру. Каждая особь потребляет ресурсы (в нашем случае электрическую энергию и мощность), которые являются величиной непрерывной.

Ставится вопрос: можно ли, не глядя на счетчик, рассчитать электропо­требление за любые сутки, месяц, год; максимальную и среднюю мощность?

Оценим количество элементов-особей. Очевидно, что приведены не особи,

90 Глава 2. Уровни (ступени) системы электроснабжения

а наименование из ряда вид—ряд—семейство. Так, электрических часов все­гда много (встроенные в компьютер, например), как и лампочек в елочной гирлянде. Нужно уяснить следующее: 1) перечень не полон (все вспомнить невозможно), пополняем во времени, изменчив на протяжении года; 2) тре­буются большие усилия, чтобы для каждой особи найти паспорт и установить рабочую электрическую мощность; 3) совсем нельзя с приемлемой ошибкой сказать, сколько часов в месяц, квартал, год и в каком режиме (теория цено­зов это запрещает) в данной квартире работает данная особь-электроприем­ник.

Таким образом, нельзя точно указать, сколько и каких штук-особей и ка­кого вида установлено в текущую минуту и будет установлено (или исчезнет) через год-два. Но можно допустить, что все, что появится, можно пронумеро­вать по порядку числами натурального ряда. Это означает, что мы имеем де­ло с практической бесконечностью, или — с практической счетностью.

Поговорим об идентификации. Можно ли настольной лампой (6) заменить лампу в аквариуме (41) или лампу швейной машины (50)? Ответ на подобный вопрос означает, что вы разобрались в технологическом оборудовании. Мож­но ли исключить фонарь электрический из рассмотрения? А если он с подза­рядкой? А если нет, решена ли проблема с подзарядкой батареек? Но, ведь есть ряд строчек, характеризуемые ваттами, а есть плита с регулировкой от со­тен Вт до 5 кВт. Мелкие позиции (как лишние) можно исключить из элект­рических расчетов (на практике проектирования так и делают). Но это теоре­тически означает, что вы взяли на себя право сказать можно-нельзя, не имея доказательств количественно определяемым границам, т. е. вы сказали: это я не учитываю.

Посмотрим на электрическую квартиру как единое целое. Электрически все особи как электроприемники питаются от одной сети. Но связаны ли они и как? Елочная звезда (37) и гирлянда (46) связаны, вероятно, положительной корреляционной связью, а люстра и ночник — отрицательной. Для большин­ства строчек можно лишь предполагать связь режимов. Но связь имеется и не только одна, и чрезвычайно важно, что наполнение электрики квартиры осу­ществляется под пристрастия. Точнее, купленая вещь ценой и дизайном опре­деляет другую вещь и уничтожает какую-то. Образуется своеобразное сообще­ство (техноценоз), состоящее из слабо связанных и слабо взаимодействующих изделий, выделяемое как единое целое. Выбор изделия (покупка) во многом случаен, но в целом ценоз диктует свое построение и развитие (это и называ­ют самоорганизацией).

Можно говорить о двух следствиях: 1) любая квартира (ценоз) индивидуаль­на; изделия-особи одного вида неразличимы в пределах паспортных характери­стик (в момент изготовления), индивидуализируясь по режимам при эксплуа­тации; 2) для квартиры (ценоза) принципиально не может существовать документация, которая адекватна всему существующему (включая размещение).

Если выделение электрической цепи (или ее части) не вызывает проблем, то выделить ценоз (включая квартиру в многоквартирном доме) не так просто,

2.3. Ценологические ограничения построения электрического хозяйства

так как он не имеет четких и очевидных границ. Речь идет о договорном (кон­венционном) выделении. Применительно к предприятию границы ценоза — в пределах генплана; другие границы — для электрической, теплосиловой, водо­снабжения и остальных хозяйств и производств, с которыми не совпадают штатные, финансовые, транспортные границы. Ценологические границы в пределах одного электрического хозяйства не совпадают — одна для электро­снабжения, другая для электроремонта, третья для диспетчеризации и т. д.

Наконец, время жизни квартиры (ценоза) бесконечно велико относитель­но времени выпуска изделия как вида и времени эксплуатации особи. Имен­но в результате этого осуществляется материальная сторона информационно­го отбора: формируется оценка-мнение, затем реализуемое при изготовлении (покупке): хорошо-плохо.

Для учета ценологических ограничений необходимо исследовать структуру установленного (ремонтируемого) электрооборудования и структуру электро­потребления. Ключевые понятия ценологической теории следующие: ценоз, исследуемое семейство изделий (оборудования), элемент-особь, вид, каста; видовое, ранговидовое и ранговое по параметру Я-распределение.

Применительно к электрическим машинам отдельным видом будем счи­тать электрическую машину, имеющую совпадающие количественную и каче­ственную характеристики: максимальную мощность и наименование серии (типа), например вид 28А. В этом случае двигатели А71-2, А72-4, А81-6, А82-8 будут одного вида (пример как исторический и неоднократно воспроизводи­мый сохранен: наименование — асинхронный с короткозамкнутым ротором, залитый алюминием, единой серии электрический двигатель в брызгозащи-щенном — А или в закрытом обдуваемом — АО исполнении). Для трансфор­матора вид — ТМ-1000. Каждый элемент ценоза помечается парой чисел: но­мером и = 1, 2,..., U, где U — число элементов-особей одного семейства, образующих перечень особей — текст Т, и номером вида s = 1,2,..., S, где £ — число видов, образующих словарь объемом V. Особи одного вида образу­ют популяцию. Виды, каждый из которых представлен равным количеством особей, образуют касты. Каста — множество, образованное популяциями оди­наковой численности.

Распределение видов (распределение популяций по кастам) описывает со­отношение количества видов и численность каждого вида и служит теорети­ческой основой ценологического подхода. Устойчивость видового распределе­ния характеризуется некоторым видовым распределением, называемым гиперболическим Я-распределением.

Таблица видового распределения может быть получена из текста Т непо­средственно, если выбрать вначале все популяции, состоящие из одной особи а,, это они образуют первую касту к = 1, общее число видов в которой и», = 11 (табл. 2.2), численность особей в касте a_lw_i = 11. Затем выбирают все виды, представленные двумя особями: к = 2, а₂= 2, vv₂ = 4, a₂w₂ = 8; затем — тремя и т. д. Последовательность w_: называется эмпирическим видовым распределе­нием П(и>₍). Число строк в табл. 2.2 равно числу каст к.

				Глава 2. Уровни (ступени) системы электроснабжения
Таблица 2.2. Видовое распределение численности популяций электродвигателей по кастам
к	a = i	^w,	^a,^w,	0)	Перечень видов

11 11 0,4582 12ДП; 22 МТ; 100 А; 200 П; 250 СД; 7,5 МРТ; 2,2 4А; 7,5 МТК; 110П;75МА; 12 А 7,5 АО; 3 АОЛ; 1,4 АРФ; 30 АО

1 АРП

				0,1667	7,5 АО;
				0,0833	7 АО
				0,0417	0,6 АОЛ
				0,0833	16 МТВ;
				0,0417	10 АО
				0,0417	1,7 АОС
				0,0417	2,8 АО
				0,0417	4,5 АО

Всего

s = 24 и = 95 1,0000

Обозначим через N_a самую мощную популяцию, и на основе табл. 2.2 по­лучим очевидные соотношения для объема словаря

/V,,

V = \S\ = Zw„ длина текста

(2.2)

T = \U\ = I/w.

i=i '

(2.3)

а относительная частота появления касты, определяемая эмпирически 0),= wJV, описывается уравнением непрерывной кривой

со = Л/х",

(2.4)

где 1 > А > 0, а > 0 — константы.

Видовое распределение отличается характером изменения vv. Достаточно полно распределение описывается обобщающими показателями 5, U, К, w_v N₀ (S, U — количество видов и особей; К — число каст; w,, N₀ — значение пер­вой и последней точки гиперболической кривой видового Я-распределения). Устойчивую зависимость показывают w,(5), S(U), Q(x). Непрерывная кривая Н-распределения, используемая в качестве аппроксимирующей зависимости при обработке эмпирических распределений (см. рис. 2.11, а), в общем виде описывается формулой

од = иу*¹

(2.5)

где л: е [1, оо[ — непрерывный аналог мощности популяции /; а (1 > а > 0) — по­стоянная распределения (характеристический показатель); W₀= AS, vv, = [W₀]; A — постоянная распределения, определяемая из условий нормировки:

Ъ

-<<Х+|)

(2.6)

2.3. Ценологические ограничения построения электрического хозяйства 93

ОД
						А(Г)
10-				1 43 П(х) = 11/х		30 т	,W(x)
ое- <о						25-20- 15-	♦1		1.15 Л(г) = 31 / г
4-
		V ♦	♦	♦	♦		>>*«		♦ ♦»» 1» 1 1 1 >»	-*-»
				15 20 а	™—1д и 1			15 20 б	.......... г

Рис. 2.11. Видовое (а), ранговидовое (б) Н-распределения

Классификация перечня двигателей как особей текста Т по видам двигате­лей позволяет составить таблицу ранговидового распределения, в которой ви­ды располагают в порядке уменьшения численности их популяций. В табл. 2.3 приведено ранговидовое Я-распределение А(г) на примере электродвигателей [и_г — количество особей вида s_r, соответствующее рангу г; ранг вида s_r есть по­рядковый номер (номер строки)]. Последний номер £ определяет объем сло­варя V; можно записать V = \S\.

Ранговидовое распределение (рис. 2.И, 6)

Л(г) = 5/>^р,

(2.7)

где Р > 0, В > 0 — константы ранговидового Я-распределения. Очевидно, что длина текста Т — t,u_r и объем словаря V= t,s_r.

Таблица 2.3. Ранговидовое распреде­ление электродвигателей-особей по повторяемости (встречаемости)

Вид

Вид

		4,5 АО		г зо до
		2,8 АО		12 ДП
		1,7 АО		22 МТ
		10 АО		100 А
		16 МТБ		200 П
		1 АРП		250 СД
		0,6 АОЛ		7,5 МТГ
		7 АО		2,2 4А
		6МД	21	5,5 4А
		7,5 АО		7,5 МТК
		3 АОЛ		110 П
		1,4 АРФ		75 МА

Видовое и ранговидовое распределение используют для изучения и управ­ления структурой установленного и ремонтируемого электрооборудования (электроустановок), т. е. для дискретных величин. Но электрическое хозяйство, в том числе и система электроснабжения, характеризуется и непрерывными величи­нами (например, электропотребление, мощность, стоимости и затраты). В этом случае применяют гиперболическое ран­говое Я-распределение по параметру.

Пусть задано множество объектов, ко­торое образует некоторую целостность (все подразделения одного предприятия или организации района, города; все предприятия одной отрасли или одного региона и др.) и которое соответствует це-нологическим критериям. Каждый объект

Глава 2. Уровни (ступени) системы электроснабжения

Таблица 2.4. Удельный расход электроэнергии на производство проката, кВтч/т
Комбинат (или завод)	*уд	Комбинат (или завод)	К	Комбинат (или завод)	\.
Отрасль в целом	121,6	Магнитогор. метиз	127,1	Чусовской	82,9
Верх-Исетский	3009,1	ОЭМК	122,7	Сарканайс	80,8
Ленинградский СПРЗ	655,2	Таганрогский	122,0	Кузнецкий	77,7
Новомосковский	560,3	Запорожсталь	118,5	Нижнетагильский	76,2
Сибэлектросталь	450,8	Красный Октябрь	115,8	Им. Петровского	75,5
Прециз. сплавов	397,1	Череповецкий	115,1	Днепропетровский	75,2
Новолипецкий	309,3	Миньярский метиз	112,5	Узбекский	75,0
Днепровалков	291,5	Магнитогорский	107,7	Донецкий	74,9
Выксунский	286,8	Молдавский	107,5	Донецкий	74,9
Серп и молот	274,5	им. Ильича	102,1	Тулачермет	72,5
Уфалейский	241,6	Н.Сергинский	101,2	Горьковский	66,6
Электросталь	232,0	Северский	97,2	Им. Серова	65,4
Нижнеднепровский	215,5	Западно-Сибирский	97,1	Гурьевский	63,7
Новосибирский	199,0	Енакиевский	96,9	Ашинский	62,6
Белорецкий	197,1	Им. Коминтерна	95,7	Краматорский	62,1
Днепроспецсталь	194,5	Белорусский	93,8	Азербайджанский	59,8
Щелковский	191,3	Криворожсталь	93,8	Салдинский	58,2
Одесский	186,8	Азовсталь	93,4	Златоустовский	54,5
Карагандинский	178,9	Амурсталь	92,2	Руставский	54,3
Лысьвенский	156,3	Макеевский	87,7	Алапаевский	50,8
Челябинский	136,2	Сулинский	87,2	Константиновский	36,4
Ревдинский метиз	133,5	ПЗМЗ	84,9
Омутнинский	129,9	Коммунарский	83,8

характеризуется одним или несколькими параметрами, выраженными числен­но. Определив параметр, можно упорядочить множество, расположив все объ­екты по порядку по мере уменьшения параметра, и получить гиперболичес­кое ранговое Я-распределение по параметру (табл. 2.4).

Применение математического аппарата ранговых Я-распределений по па­раметру применительно к электропотреблению по видам продукции химиче­ского комбината приведено на рис. 2.12 (площадь под кривой / характеризу­ет электропотребление предприятия в целом). Ранговые Я-распределения по прокату генеральной совокупности предприятий черной металлургии показа­ны на рис. 2.13.

Математическое описание рангового Я-распределения по параметру

Щг) = Wj/rP, (2.8)

где W_t — максимальный параметр, которому соответствует ранг г = 1; (3 — ранговый коэффициент, характеризующий степень крутизны распределения. Нормальный закон распределения можно представить в виде рангового распределения непрерывных величин. Особенность — хвост рангового рас­пределения, который у нормального распределения быстро становится незна­чимым при рассмотрении значений больших «трех сигм» (гауссово распреде­ление имеет «короткий хвост»). Ранговое Я-распределение непрерывных величин имеет «длинный хвост», характеризующийся «саранчевыми объекта-

2.3. Ценологические ограничения построения электрического хозяйства 95

Дата добавления: 2015-07-17