Методи і моделі визначення електричного навантаження цивільних об’єктів з використанням графічного і макромоделювання та фрактальних властивостей

Abstract

Дисертаційна робота присвячена теоретичному узагальненню і вирішенню важливої науково-практичної проблеми в галузі науки і техніки щодо дослідження процесів і достовірного визначення електричного навантаження у системах електропостачання (СЕП) цивільних об’єктів. Розв’язання проблеми здійснено шляхом розроблення методів і математичних моделей щодо підвищення достовірності визначення і прогнозування електричного навантаження та уточнення нормативних показників на проєктування СЕП, що сприятиме економії енергетичних ресурсів, капітальних витрат на спорудження та експлуатацію СЕП, зниження негативної дії на довкілля. За результатами дослідження створено концептуально новий метод розрахунку електричного навантаження цивільних об'єктів шляхом графічного синтезу динаміки складових навантаження з використанням моделювання за теорією сплайнів, який надав можливість у 1,5−3,5 разів підвищити достовірність його визначення, порівняно з обчисленням за чинними нормативними показниками, що експериментально підтверджено на реальних СЕП об’єктів. Доведена самоафінність структури електричного навантаження цивільних об’єктів та встановлено, за методом R/S-аналізу ретроспективної інформації, фрактальний принцип його формування, який надає можливість чисельно оцінити за показником Херста наявність довготривалої пам’яті та її глибину, трендостійкість для прогнозування та виявлення кризових інтервалів часового ряду, в періоди яких можливі аварійні ситуації в СЕП. Застосовано метод моделювання електричного навантаження об’єктів цивільного призначення за математичним макромоделюванням, який відрізняється від існуючих методів використанням дискретних макромоделей без попередньої обробки первинної інформації, що дає можливість пришвидшити процес моделювання. З метою підвищення рівня достовірності визначення електричного навантаження цивільних об’єктів розроблено метод моделювання електричного навантаження житлових будинків та його прогнозування шляхом графічного синтезу осцилограм ЕП, результати якого експериментально підтверджено вимірюваннями на реальних об’єктах. Створено метод визначення питомого електричного навантаження на житло багатоповерхових будинків за моделлю математичного сподівання усереднених функцій, який на відміну від чинних нормативних документів, дозволив підвищити точність його обчислення. Удосконалений метод оцінки впливу вищих гармонік, які генеруються нелінійними ЕП, джерелами відновлювальної енергії, на електричне, теплове навантаження струмовідних частин, шляхом моделювання за теорією сплайнів процесів в електричній мережі, що надає можливість попереджувати критичні ситуації їх перегрівання. Розроблено графічну методику прогнозування ефективності застосування гібридних сонячних колекторів для енергозабезпечення житлових будинків, що відрізняється від інших урахуванням цін на енергетичному ринку та визначенням дисконтованого прибутку і строку окупності інвестиційного проєкту. Створено основу електронної бази моделей характеристик ЕП, цивільних об’єктів, використання якої підвищуватиме достовірність визначення розрахункового навантаження при проєктуванні СЕП. The dissertation is devoted to theoretical synthesis and decision of an important scientific and practical problem in the field of science and technology concerning the study of processes and precise determination of electrical load in power supply systems of civilian objects. The problem solving was accomplished by developing methods and mathematical models for increasing the accuracy of the determination and prediction of electric load and clarification of normative indicators for the design of the power supply systems of civilian objects for civilian use, which will create conditions for energy resource savings, capital costs for the construction and operation of the power supply sys-tems, and reduce the negative impact on the environment. According to the results of the study, a conceptually new approach was developed and a method for calculating the electric loading of civilian objects by graphically synthesizing their load dynamics using simulation based on the theory of splines, which allowed 1.5–3.5 times to increase the accuracy of its definition, compared with calculation by current normative indicators, which is experimentally confirmed on real objects. The selfdetermination of the structure of the electrical load of civilian objects was proved and the fractal principle of its formation was established on the basis of the R/S analysis of retrospective information. It made it possible to estimate numerically the presence of longterm memory and its depth, trend stability for the identification of time intervals of the time series. Based on the improvement of the method of forecasting the dynamics of electrical loading of civil objects by mathematical macromodeling, which differs from the existing use of discrete macromodels, much better accuracy of its forecast for other methods was obtained. In order to increase the accuracy of the determination of the electric load of civilian objects, a method for modeling the electric load of residential buildings and its forecasting is developed by graphic synthesis of oscillograms of electric receivers, the results of which have been experimentally confirmed on real objects. A method for determining the specific electric load on the dwelling of multistorey houses was created based on the model of the mathematical expectation of averaged functions which, unlike the current normative documents, allowed increasing the accuracy of its calculation. On the basis of the improved method of estimating the influence of higher harmonics generated by nonlinear of electric receivers, the sources of renewable energy on electric, thermal load of currentcarrying parts by simulating processes in the electric network, it was possible to prevent critical situations of their overheating. A technique for forecasting the energy, economic and environmental efficiency of using hybrid solar collectors for the energy supply of multistorey residential buildings has been developed, which differs from other ones by considering the prices in the energy market and determining the discounted profit and payback period of the investment project. Диссертация посвящена теоретическому обобщению и решению важной научно-практической проблемы в области науки и техники по исследованию процессов и точного определения электрической нагрузки в системах электроснабжения (СЭC) гражданских объектов. Решение проблемы осуществлено путем разработки методов и математических моделей повышающих точность определения и прогнозирования электрической нагрузки, уточнения нормативных показателей на проектирование СЭC гражданского назначения, которые способствуют экономии энергетических ресурсов, капитальных затрат на сооружение и эксплуатацию СЭС, снижения негативного воздействия на окружающую среду. Проблема точно-го определения электрической нагрузки объектов гражданского назначения требует нового подхода с учетом работы ЭП с нелинейной характеристикой, существенного генерирования ими электромагнитных помех, применения возобновляемых источников энергии, инновационных технологий, поскольку использование действующих нормативных документов приводит к превышению реальной нагрузки, о чем свидетельствуют результаты проведенных исследований. В связи с этим по результатам экспериментальных исследований создан концептуально новый подход и разработан метод расчета электрической нагрузки таких объектов путем графического синтеза динамики составляющих нагрузки с использованием моделирования на основе теории сплайнов, который дал возможность в 1,5−3,5 раза повысить точность его определения по сравнению с вычислением по действующим нормативным показателям. Разработан метод моделирования электрической нагрузки гражданских объектов и его прогнозирования путем графического синтеза осциллограмм ЭП, что значительно повышает его точность, результаты которого экспериментально подтверждены на реальных объектах. Разработана программа в среде MathCad с использованием встроенной функции cspline (x, y) с продолжением интерполяционной кривой кубической параболой, которая позволяет получить более точную величину расчетной нагрузки многоквартирных домов микрорайона города по сравнению с другими методами. Доказана самоаффинность структуры динамики нагрузки гражданских объектов и установлено методом R/S-анализа ретроспективной информации фрактальный принцип его формирования, который дал возможность численно оценить по показателю Хэрста наличие долговременной памяти и ее глубину, трендостойкость для прогнозирования и выявления кризисных интервалов временного ряда. Применен метод макромоделирования, который отличается от существующих использованием дискретных автономных макромоделей без предварительной обработки первичной информации. Апробация математических макромоделей электропотребления показала их способность представлять адекватную информацию. Метод оценки влияния высших гармоник, генерируемых ЭП с нелинейными характеристиками, на нагрузку токоведущих частей путем моделирования процессов в электрической сети с использованием теории сплайнов, дает возможность предупреждать их перегревание. Разработана методика прогнозирования эффективности применения гибридных солнечных коллекторов для энергоснабжения многоэтажных жилых домов, которая отличается от других учетом цен на энергетическом рынке и определением дисконтированного дохода, срока окупаемости инвестиционного проекта. В работе даны результаты исследования и создана основа электронной информационной базы моделей особенностей технических данных ЭП с нелинейными характеристиками, объектов гражданского назначения, которая сформирована с помощью современных информационных технологий. Использование такой информационной базы повысит точность определения расчетной нагрузки при проектировании систем электроснабжения объектов гражданского назначения.