Разработка метода априорной оценки расхода электрической энергии на технологические процессы ремонта подвижного состава

На правах рукописи

ПОНОМАРЕВ Антон Витальевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА АПРИОРНОЙ ОЦЕНКИ РАСХОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ РЕМОНТА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

ОМСК 2009

Работа выполнена в Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПС).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

ЧЕРЕМИСИН Василий Титович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич; ДЕМИН Юрий Васильевич;

кандидат технических наук, доцент

ОСИПОВ Дмитрий Сергеевич.

Ведущая организация:

Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).

Защита диссертации состоится 20 ноября 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при Омском государственном университете путей сообщения по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 15 октября 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор О. А. Сидоров.

_________________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2009

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является одним из наиболее энергоемких потребителей, на осуществление деятельности которого ежегодно расходуется около пяти процентов вырабатываемой в стране электрической энергии. Согласно «Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 г.» одним из главных общетранспортных ориентиров является повышение производительности и рентабельности транспортных систем. Выявление случаев нерационального использования электрической энергии (ЭЭ) открывает широкие возможности по повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов.

Одним из важнейших условий обеспечения эффективного использования электрической энергии является соблюдение удельных норм ее расхода на выпуск единицы продукции, которыми в настоящее время большинство структурных подразделений железнодорожного транспорта не располагают. Имеющиеся удельные нормы получены на основании фактических данных об электропотреблении и не позволяют достоверно учесть планируемые изменения в организации производства.

Действующая на сети железных дорог «Методика анализа и планирования расхода электрической энергии на нетяговые нужды в ОАО «РЖД» использует данные об электропотреблении за прошедший период и принята на переходный период, к концу которого должны быть разработаны методы получения обоснованных удельных норм ее расхода на выпуск единицы продукции на основе характеристик и режимов работы потребителей электрической энергии. Аналогичная ситуация сложилась и с нормированием расхода электрической энергии на технологические процессы (ТП) ремонта подвижного состава (РПС).

Важнейшей задачей текущего периода является создание метода, позволяющего априорно определять расход электрической энергии на ТП РПС; выполнять оценку эффективности внедрения новых технологий; выявлять участки ТП с повышенными потерями электрической энергии; определять эффективность управляющих воздействий по снижению энергоемкости основных ТП; проводить оценку эффективности мероприятий по получению графика нагрузки, приближенного к равномерному, как по структурным подразделениям, так и по конкретным ТП.

Целью диссертационной работы является разработка и внедрение метода априорной оценки расхода электрической энергии на технологические процессы ремонта подвижного состава путем использования результатов имитационного моделирования для определения предельно допустимого потребления и получения удельных норм расхода электрической энергии на выпуск единицы продукции в рамках существующей организации производства.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

провести систематизацию существующих методов определения расхода электрической энергии на выполнение заданного объема ремонтных работ для разработки способов определения предельно допустимого потребления на технологические процессы ремонта подвижного состава и получения возможности оценки эффективности организационно-технических мероприятий (ОТМ) по экономии электроэнергии;

разработать метод априорной оценки расхода электрической энергии на технологические процессы ремонта подвижного состава с использованием результатов имитационного моделирования в рамках существующей организации производства;

предложить метод и разработать программный модуль выявления отклонений в процессе электропотребления квазидетерминированных технологичес-ких процессов в условиях применения микропроцессорных счетчиков электрической энергии;

разработать имитационные модели действующих технологических процессов вагонного и локомотивного ремонтных депо и подтвердить адекватность полученных моделей на основании данных об электропотреблении за рассматриваемый период;

выполнить апробацию разработанного метода априорной оценки расхода электрической энергии для исследуемых технологических процессов на планируемом периоде и определить экономический эффект от внедрения предлагаемого метода.

Методы исследования. В диссертационной работе применялись методы имитационного моделирования (ИМ), основанные на использовании аппарата временных стохастических сетей Петри, теории массового обслуживания и теории вероятностей. Для подтверждения адекватности полученной модели используется непараметрический критерий однородности типа Лемана-Розенблатта.

Научная новизна работы заключается в следующем:

произведена адаптация существующих алгоритмов создания имитационных моделей к описанию технологических процессов ремонта подвижного состава;

разработан метод априорной оценки расхода электрической энергии на технологические процессы ремонта подвижного состава с использованием результатов имитационного моделирования в рамках существующей организации производства, позволяющий с высокой достоверностью планировать расход электрической энергии на технологические процессы и выполнять априорную оценку эффективности организационно-технических мероприятий по экономии электроэнергии;

предложен метод выявления отклонений в процессе электропотребления квазидетерминированных технологических процессов в условиях применения микропроцессорных счетчиков электрической энергии.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена положительными результатами апробации метода априорной оценки расхода электрической энергии на технологические процессы ремонта подвижного состава в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги. Отклонение оценок расхода электрической энергии, выполненных на основании разработанного метода, от фактических значений не превысило пяти процентов. Адекватность разработанных моделей подтверждена при уровне значимости 0,05.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

Адаптация алгоритма построения имитационных моделей к описанию ТП РПС повышает эффективность работы специалиста за счет формирования четкой структуры создаваемых моделей, необходимых исходных данных и указания оптимальной последовательности действий.

Разработанный метод априорной оценки расхода электрической энергии на ТП РПС предоставляет возможность получения оценки эффективности планируемых к внедрению ОТМ, определения участков ТП, требующих модернизации, выявления отклонений действующего ТП от установленного, определения потребности во всех видах топливно-энергетических ресурсов и необходимых затратах (временных, трудозатратах, ресурсах).

Разработанный программный модуль позволяет выявлять отклонения в процессе электропотребления от установленного ТП в отчетных данных за предыдущий период и оперативно реагировать на текущие отклонения в процессе электропотребления для квазидетерминированных ТП.

Реализация результатов работы. На основе предложенного алгоритма построены имитационные модели ТП заливки баббитом вкладышей моторно-осевых подшипников (МОП) и среднего ремонта электровозов ВЛ10 в локомотивном ремонтном депо, а также модель ТП ремонта тележки грузового вагона в вагонном ремонтном депо Западно-Сибирской железной дороги. На основании разработанного метода выполнена оценка расхода электрической энергии на рассматриваемые ТП. Осуществлена апробация метода априорной оценки расхода электрической энергии в рассматриваемых структурных подразделениях. На основании разработанного программного модуля выявлены отклонения в процессе электропотребления от установленного ТП в отделении баббитозаливки локомотивного ремонтного депо.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в Московском энергетическом институте (Москва, 2007); на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007» в Ростовском государственном университете путей сообщения (Ростов-на-Дону, 2007); на научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» в Омском государственном университете путей сообщения (Омск, 2008); на научно-техническом семинаре «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» в Омском государственном университете путей сообщения (Омск, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе девять статей (из них три – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ) и три тезиса докладов на научных конференциях, получено одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, библиографического списка и четырех приложений. Работа изложена на 126 страницах основного текста, содержит 27 иллюстраций, 18 таблиц и библиографический список из 122 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы, основные направления исследования.

В первом разделе выполнен анализ существующих методов определения расхода электрической энергии нетяговыми потребителями для выявления возможных путей повышения эффективности использования электрической энергии.

Вопросам повышения эффективности использования электроэнергии в системе электроснабжения тяговых и нетяговых потребителей посвящены работы В. Д. Авилова, Б. А. Аржанникова, М. П. Бадера, В. Д. Бардушко, А. С. Бочева, А. Т. Буркова, А. Г. Галкина, Л. А. Германа, В. Л. Григорьева, Б. Е. Дынькина, Д. В. Ермоленко, А. В. Ефимова, Ю. И. Жаркова, А. Б. Косарева, А. В. Котель-никова, А. В. Крюкова, Р. Р. Мамошина, А. Н. Митрофанова, Ю. П. Неугод-никова, А. Н. Поплавского, В. Н. Пупынина, Е. П. Фигурнова, В. Т. Черемисина и других ученых.

Выполнен обзор существующих подходов к планированию расхода электрической энергии, среди которых рассмотрен перспективный подход, заключающийся в использовании аппарата искусственных нейронных сетей и нечеткой логики.

Для структурных подразделений железнодорожного транспорта выполнен анализ текущего состояния планирования расхода электрической энергии и определены возможные пути повышения эффективности ее использования. В результате сделан вывод о необходимости разработки метода, позволяющего производить

– априорную оценку расхода электрической энергии на ТП РПС;

– оценку эффективности внедрения новых технологий;

– выявление участков ТП РПС с повышенными потерями электрической энергии и оценку эффективности возможных решений по их снижению;

– оценку эффективности управляющих воздействий по снижению энергоемкости основных ТП;

– снижение неравномерности потребления электроэнергии за счет уменьшения пиковых нагрузок путем получения графика нагрузки, приближенного к равномерному, как по структурным подразделениям, так и по конкретным ТП.

В качестве основы разрабатываемого метода предложено использовать дискретно-событийное ИМ.

Во втором разделе представлен разработанный метод априорной оценки расхода электрической энергии на ТП РПС с использованием результатов имитационного моделирования в рамках существующей организации производства.

Существующий алгоритм построения имитационных моделей адаптирован к описанию ТП РПС путем определения структуры исходных данных и последовательности действий, которые необходимо предпринять для построения модели ТП, и за счет введения трехуровневой системы проверки адекватности полученной модели.

Общая схема полученного алгоритма приведена на рис. 1. В качестве основных критериев выбора необходимого уровня детализации описания ТП предложено использовать поставленную задачу моделирования различных составляющих (энергетической, технологической, материально-технической) ТП РПС и принятый уровень агрегатного описания исследуемого ТП. В зависимости от выбранного уровня детализации описания ТП определяются перечень технологичес-ких операций (ТО), наименование и количественные характеристики обслуживаемых единиц, образующие совокупность статичес-ких и динамических объектов.

На основании полученных данных и анализа внутренних структурных, логических и транспортных связей выполняется построение структурно-алгоритми-ческой модели в виде ориентированного графа , где GP – множество статических объектов – обслуживающих устройств, отображающих выполнение ТО; GT – множество переходов между статическими объектами; FG – функция инцидентности.

Разработан и зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам программный комплекс «Сетевое планирование при организации ремонта подвижного состава» (свидетельство № 2008610475), который может применяться для построения структурно-алгоритмической модели ТП РПС.

Для построенной структурно-алгоритмической модели определяются характеристики технологических операций, включающие в себя перечень используемого электрооборудования (ЭО), режимы его работы, вероятность и продолжительность выполнения технологических операций.

По полученным данным выполняется построение имитационной модели ТП РПС в терминах выбранного языка ИМ.

Наиболее актуальной проблемой при определении расхода электрической энергии на ТП РПС является определение продолжительности работы и значений нагрузок используемого ЭО. В настоящее время эти величины вычисляются по усредненным данным, лишенным достаточной привязки к реальной производственной ситуации.

В рамках предложенного алгоритма продолжительность работы ЭО определяется исходя из продолжительности выполнения соответствующих ТО.

Априорная оценка расхода электрической энергии на моделируемый ТП РПС определяется по формуле:

, (1)

где и – коэффициенты использования нагрузки и мощности i-го ЭО j-ой ТО; – коэффициент использования обслуживающего устройства, имитирующего выполнение j-й ТО; – номинальная мощность i-го ЭО; – общее время моделирования s-го блока, содержащего описание выполнения jй ТО.

Коэффициент использования обслуживающего устройства, имитирующего выполнение j-й технологической операции, является функцией:

(2)

где – время выполнения j-й ТО при k-й реализации, ; – количество реализаций j-й ТО; t – модельное время.

Время выполнения ТО является случайной величиной, закон распределения которой указывается при создании имитационной модели ТП РПС.

Количество реализаций технологической операции зависит от внешних и внутренних параметров имитационной модели и модельного времени:

, (3)

где Х – множество внешних параметров, влияние которых предусмотрено при создании имитационной модели; t – модельное время; М – структура имитационной модели, которая является множеством:

(4)

здесь – множество вероятностей выполнения ТО; – множество времен обслуживания; GW – множество кратностей переходов.

Общее время моделирования s-го блока также является функцией внешних и внутренних параметров имитационной модели и модельного времени:

. (5)

Аналитические решения могут быть получены для простых моделей, имеющих ограничения, накладываемые на количество статических объектов, характеристики входного потока, правила обслуживания транзактов. Для имитационных моделей ТП РПС, имеющих сложную структуру, и определяются на основании операционного анализа результатов статистических имитационных экспериментов с построенными моделями M при заданных внешних параметрах X.

Коэффициент использования нагрузки i-го ЭО j-й ТО характеризует отличие продолжительности выполнения ТО и нахождения ЭО во включенном состоянии и определяется по формуле:

, (6)

где – время работы i-го ЭО при выполнении j-й ТО; – продолжительность j-й ТО.

Коэффициент использования мощности i-го ЭО j-й ТО характеризует неполную нагрузку ЭО при выполнении рассматриваемой ТО и определяется по выражению:

, (7)

где – среднее фактическое значение мощности i-го ЭО при совершении j-й ТО; и – начало и конец рабочего интервала соответственно; – мгновенное значение активной мощности i-го ЭО.

Экспериментально среднее фактическое значение мощности i-го ЭО при совершении j-й технологической операции определяется по формуле: