Том 27, № 3 (2019)

Быстрый рост электроэнергетических систем по всему миру в XX веке и несовершенство вычислительной техники того времени привели к появлению целого ряда проблем, связанных с управлением и распределением электроэнергии. Наиболее важными задачами, решаемыми при проектировании новых и модернизации уже существующих систем, являются задачи управления перетоками мощности, планирования нагрузок и реактивной мощности, выбора конфигурации сети и другие. Все они относятся к ряду оптимизационных задач, которые на протяжении многих лет решались с помощью традиционных численных методов: ньютоновских, метода внутренней точки, ветвей и границ, нелинейного и квадратичного программирования и других. Поскольку энергосистемы являются нелинейными системами с большим количеством разнообразных устройств и особенностей их работы, то для решения указанных проблем исследователи использовали различные способы упрощения математических моделей. К тому же использование численных методов вызывало трудности при вычислении производных первого и второго порядка, что приводило к нахождению неоптимальных решений. Появление на свет эвристических, а затем и метаэвристических оптимизационных методов позволило существенно упростить подготовку математических моделей и сократить время выполнения расчетов, а универсальность новых алгоритмов обеспечила их применимость для широкого спектра задач. В статье рассмотрена общая последовательность выполнения оптимизационных задач с помощью метаэвристических методов, представлено описание наиболее важных проблем, с которыми сталкивается современная электроэнергетика, перечислены популярные метаэвристические оптимизационные алгоритмы, описаны их сильные и слабые стороны, а также перечислены основные области их применения.

Рассматривается процесс управления редуцированием газа в магистральных газопроводах. Рассмотрен регулирующий клапан высокого давления, который является составной частью узла редуцирования газа. Описан способ управления объектом с использованием классического закона управления, а также критерии, предъявляемые к системе управления. При помощи SCADA комплекса Zond 2006 проведена практическая апробация качества регулирования при различных режимах работы газопровода на реальном объекте управления. Выявлены проблемы и дестабилизирующие факторы, влияющие на качество управления технологическим процессом. Предложен и апробирован метод, основанный на комбинированном подходе, включающий в себя классический закон ПИД-регулирования и процесс адаптации (табличная автонастройка) коэффициентов регулятора под различные режимы работы. Данный метод позволил значительно повысить качество регулирования, а также добиться поддержания заданной уставки при динамически изменяющемся давлении на входе узла редуцирования.

Представлены результаты исследований по системам массового обслуживания (СМО) H₂/E₂/1 и E₂/H₂/1 с гиперэкспоненциальными и эрланговскими входными распределениями второго порядка. Рассматриваемые СМО относятся к типу G/G/1. Использование этих законов распределений более высокого порядка затруднено нарастающей вычислительной сложностью. Для таких законов распределений второго порядка классический метод спектрального разложения решения интегрального уравнения Линдли для систем G/G/1 позволяет получить решение в замкнутой форме. В статье представлены полученные спектральные разложения решения интегрального уравнения Линдли для рассматриваемых систем и выведенные через них формулы для среднего времени ожидания в очереди. Адекватность полученных результатов подтверждена корректностью использования классического метода спектрального разложения и результатами численного моделирования. Для практического применения полученных результатов использован метод моментов теории вероятностей. Системы типа G/G/1 широко используются в теории телетрафика при моделировании систем передачи данных. Например, по среднему времени ожидания в очереди оценивают задержки пакетов в сетях пакетной коммутации при их моделировании с помощью СМО.

Спектр отражения поверхности – необходимая информация для расчета цветовых координат в колориметрических системах Международной комиссии по освещению (МКО), например Lab или XYZ. Эти значения определяют цветовые ощущения стандартного наблюдателя. На их основе оценивается точность цветовоспроизведения, которая регламентируется международными стандартами для различных отраслей промышленности. Простые и точные методы аппроксимации спектров востребованы при разработке эффективных измерительных систем для технологических процессов получения искусственно окрашенных поверхностей. Заданный цвет поверхности можно получить заранее подготовленной красочной смесью либо полиграфическим автотипным способом – управляя площадью периодических микроэлементов-точек, печатающихся четырьмя основными красками. Варианты линейной аппроксимации спектров для смесевых красочных систем на сегодняшний день достаточно хорошо изучены. Метод главных компонент (МГК) обеспечивает хорошую точность аппроксимации уже при использовании 4–6 базисных функций. В литературных источниках не удалось обнаружить данных об аналогичных исследованиях для автотипных систем. Таким образом, сравнительный анализ точности аппроксимации с помощью МГК спектральных кривых для смесевых и автотипных систем представляет несомненный интерес. В работе рассмотрены различные варианты наилучшей квадратичной аппроксимации 24 спектров стандартной цветовой шкалы ColorChecker (X-Rite) и 1944 спектров отражения полей автотипной тестовой шкалы, отпечатанной на цифровой печатной машине. Сравнение производится по трем видам отклонений: цветовому, среднеквадратичному и максимальному. Установлено, что системы спектров смесевых красок существенно отличаются от спектров автотипных систем, причем последние структурно проще и лучше моделируются. Для наиболее точной аппроксимации спектров отражения требуется индивидуальный подход к каждой технологической системе. В автотипных системах репрезентативной набор может состоять из нескольких десятков спектров. По-видимому, нельзя предложить универсальный набор базисных векторов для аппроксимации спектров отражения широкого круга систем промышленного получения заданного цвета поверхностей.

Актуальность задачи снижения энергетических затрат на охлаждение газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов определяется высокой энергоемкостью установок охлаждения. В статье рассмотрены энергетические показатели установок охлаждения газа при дискретном и непрерывном регулировании скорости вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения. Разработана методика оценки повышения энергетической эффективности при использовании непрерывного регулирования. Приведены оценки потребления электроэнергии в предположении о гармоническом законе изменения температуры наружного воздуха в течение суток. Полученные результаты расчетов позволяют оценить потенциал энергосбережения, а также могут использоваться для прогнозирования электропотребления.

Рассмотрены вопросы разработки конструктивных и режимных параметров трехфазного индукционного устройства, совмещающего функции нагрева и перемешивания вязких жидкостей, в частности нефти и вязких нефтепродутов. Отмечены специфические особенности технологического процесса транспортировки вязких жидкостей по трубопроводам. Показано, что высокая вязкость перекачиваемых жидкостей приводит к высоким энергетическим затратам. Одним из способов снижения энергозатрат является подогрев жидкости перед транспортировкой. Для повышения интенсивности теплообмена между стенкой трубы и потоком нагреваемой жидкости предлагается встроенное в трубопроводную систему индукционное устройство, которое одновременно выполняет функцию привода вращения колеса смесителя и нагревательного устройства. Представлены результаты численного расчета электрических параметров устройства. Показано, что подведенная к индуктору мощность распределяется на два потока – на мощность внутреннего тепловыделения в стенке ротора и на мощность вращения ротора. Установлена зависимость соотношения между тепловой энергией, выделяющейся в стенке ротора, и энергией, идущей на вращение ротора, от частоты вращения поля индуктора. Расчеты показали, что повышение частоты приводит к увеличению доли мощности на нагрев, а снижение частоты – к увеличению вращающего момента. Полученный вывод позволяет использовать частоту для выбора эффективного режима работы смесителя. Предложенное устройство целесообразно использовать в многосекционных нагревательных системах с целью оптимизации конструктивных и режимных параметров многосекционного нагревателя.