Техноценозы в электротехнических системах и комплексах

Введение 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
Е. Ю. Сизганова, Т. М. Чупак. А. Ю. Южанников 
 
 
ТЕХНОЦЕНОЗЫ  
В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ 
И КОМПЛЕКСАХ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2012 
 

Введение 

2 

УДК 574.5 
ББК 28.081.8 
         С349 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: В. И. Пантелеев, д-р техн. наук, проф. зав. кафедрой 
«Электротехнические комплексы и системы» СФУ; 
А. В. Бастрон, канд. техн. наук, доц. зав. кафедрой «Электроснабжение 
сельского хозяйства» КрасГАУ 
 
 
 
 
 
 
 
 
Сизганова, Е. Ю. 
С349         Техноценозы в электротехнических системах и комплексах : 
монография / Е. Ю. Сизганова, Т. М. Чупак, А. Ю. Южанников. – 
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 272 с. 
ISBN 978-5-7638-2554-1 
 
 
В монографии рассмотрены вопросы применения теории техноценологических исследований в электротехнических системах и комплексах. Раскрыты 
особенности исследований для анализа электропотребления и состояния силовых маслонаполненных трансформаторов. Отдельное внимание уделено теории 
полезности и золотой пропорции в технических системах.  
Предназначена для специалистов, работающих в области электроснабжения, энергоресурсосбережения, студентов старших курсов, магистрантов электроэнергетических специальностей, аспирантов. 
 
 
УДК  574.5 
ББК 28.081.8 
 
 
ISBN 978-5-7638-2554-1  
 
                                        © Сибирский федеральный  
                                                                                                       университет, 2012 

Оглавление 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….. 
5
 
Глава 1. ТЕХНОЦЕНОЗЫ  
               В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ…………….. 
9
1.1. Основные понятия и определения…………………………….. 
9
1.2. Свойства техноценозов……………………………………….... 
15
1.3.  Математическое описание техноценозов…………………….. 
21
1.4. Методология рангового анализа………………………………. 
31
1.5. Методология оптимального управления техноценозами……. 
40
1.6. Теоретические основы динамики структуры техноценозов.... 
51
 
Глава 2. ЭНТРОПИЯ И ТЕОРИЯ ПОЛЕЗНОСТИ  
               В ПРИРОДЕ И В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ………. 
61
2.1. Термодинамические аналогии и законы сохранения………… 
61
2.2.  Принцип наименьшего действия и теория полезности……… 
64
2.3. Определение уровней развития систем……………………….. 
75
 
Глава 3. ТЕХНОЦЕНОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ  
               ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ  
               ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ………………….. 
80
3.1.  Техноценологические показатели электропотребления…….. 
80
3.2. Анализ динамики электропотребления  
       предприятия сельхозмашиностроения………………………… 
81
3.3. Математическая модель прогнозирования  
       электропотребления предприятия сельхозмашиностроения… 
98
3.4. Прогнозирование электропотребления  
       электротехнического комплекса горных предприятий………. 113
 
Глава 4.  ПОТЕНЦИАЛ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ  
                И ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ  
                ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕМ ТЕХНОЦЕНОЗА……….. 
123
4.1. Методика оптимального управления  
       электропотреблением техноценоза……………………………. 123
4.2. Моделирование процесса электропотребления  
       объектов техноценоза…………………………………………... 127
 
 

Оглавление 

4 

 
4.3. Эффективность и потенциал энергосбережения  
       объектов техноценоза…………………………………………... 135
4.4. Графики нагрузок  и  оценка потенциала  
       энергосбережения предприятия сельхозмашиностроения…... 143
4.5. Определение социальной нормы электропотребления  
       в жилом секторе………………………………………………… 162
4.6. Энергосбережение в образовательной сфере…………………. 169
 
Глава 5. ТЕХНОЦЕНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД   
               К АНАЛИЗУ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ  
               СИЛОВЫХ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ  
               ТРАНСФОРМАТОРОВ…………………………………… 180
5.1. Анализ технического состояния трансформаторов  
       по результатам  хроматографического анализа………………. 183
5.2. Оценка и прогнозирование состояния главной   
       изоляционной системы силовых трансформаторов………….. 204
 
Глава 6. ЗОЛОТАЯ ПРОПОРЦИЯ  
               В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ………………………… 216
6.1.  Золотое сечение………………………………………………… 216
6.2. Золотые  р-сечения……………………………………………... 221
6.3.  Числа Фибоначчи………………………………………………. 223
6.4.  p-числа Фибоначчи…………………………………………….. 228
6.5.  Некоторые свойства  Золотой пропорции……………………. 231
6.6.  Аппроксимация ряда чисел Фибоначчи……………………… 234
6.7. Золотое сечение в моделях электропотребления…………….. 
238
6.8. Использование пропорций  золотого сечения  
       при анализе состояния силовых трансформаторов…………... 244
6.9. Математическое моделирование электропотребления  
       угледобывающего предприятия  
       на основе Золотой пропорции…………………………………. 249

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………… 252

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………... 254

Введение 

5 

ВВЕДЕНИЕ 

 
В настоящее время можно смело говорить о сложившемся стиле научного мышления, основанном на техноценологическом подходе.  
Этот стиль предполагает умение выделять в окружающей технической реальности специфические организованные технические 
системы (техноценозы), владеть математическим аппаратом безгранично делимых гиперболических распределений, использовать методологию рангового анализа для решения задач оптимального построения техноценозов и понимать, что созданная человеком техническая система обладает свойствами, не вытекающими из совокупности свойств ее отдельных элементов, и человек не является центром 
совершающихся в этой системе событий.  
Термины «техноценоз» и техноценологический подход к исследованию сложных технических систем были предложены в начале  
70-х гг. прошлого столетия Б. И. Кудриным. В последующих работах 
Б. И. Кудрина, В. В. Фуфаева, В. И. Гнатюка, Б. В. Жилина, В. В. Прокопчика, М. Г. Ошуркова и др. продолжено развитие теории техноценозов и показано, что устойчивость технических систем обусловлена 
действием законов энергетического и информационного отборов по 
аналогии с живыми системами, где действует закон естественного отбора [47; 77;  83; 125; 159; 170; 176]. 
Созданные человеком, быстро растущие и качественно меняющиеся технические системы поставили перед научным миром проблемы их построения и обеспечения функционирования. Решение 
этих проблем основано на объективных законах, отражающих закономерности развития природы. Законы развития техники и живой 
природы имеют много общего.  
Методологически исследование техноценозов основывается на 
изучении распределения видов изделий выделенного ценоза (семейства) по повторяемости. Обнаруженная закономерность построения 
технических систем может быть объяснена на основе закона информационного отбора. Изменчивость изделий, преемственность (наследственность) изделий и технологий и в итоге  отбор «лучших» изделий 
очевидны. Важно выявить механизм отбора, формы отбора, факторы, 

Введение 

6 

ускоряющие или замедляющие изменчивость и т. п.,  но главное – 
осознать объективность построения техноценозов. 
Современное энергетическое предприятие имеет в своем составе 
сложные технологические, электрические, теплотехнические, информационные и другие сети, и актуальными становятся проблемы их 
построения и обеспечения нормального функционирования.  
Отмеченные ценологические свойства предприятий констатируют устойчивость явления, проявляющегося с определенного уровня 
организации некоторого множества элементов с неопределенными 
связями, способность ценозов формировать в процессе образования и 
сохранять в процессе развития устойчивую структуру при наличии 
различных механизмов отбора.  
Специфика техноценозов проявляется в методологических основаниях их исследования. Техноценозы не поддаются описанию ни 
традиционными методами гауссовой математической статистики, 
оперирующей понятиями среднего и дисперсии как информативно 
насыщенными свертками больших массивов статистической информации, ни лежащими в основе редукционизма имитационными моделями. Чтобы корректно описать техноценоз, необходимо постоянно 
оперировать выборкой в целом, как бы велика она ни была, что предполагает построение видовых и ранговых распределений, теоретическая основа которых лежит в области негауссовой математической 
статистики устойчивых безгранично делимых распределений [28, 85]. 
Методики построения видовых и ранговых распределений и их 
последующее использование в целях оптимизации техноценоза составляют основной смысл рангового анализа, содержание и технология которого представляют собой, по сути, новое фундаментальное 
научное направление, сулящее большие практические результаты. 
В основе рангового анализа лежит весьма сложный математический аппарат. Однако, как и в любой фундаментальной теории, здесь 
имеется определенный вполне доступный уровень решения задач, 
фактически граничащий с инженерной методологией. Глубокая теоретическая проработка, всестороннее философское осмысление и 
многократное апробирование на практике в самых различных областях человеческой деятельности позволяют считать ранговый анализ 
вполне надежным средством решения задач определенного класса. 
В данной монографии рассматриваются вопросы ценологического исследования электропотребления промышленных предпри

Введение 

7 

ятий, а именно сельскохозяйственного машиностроения и горнодобывающей промышленности (гл. 3). Кроме того, техноценологический 
подход применён к анализу изоляционной системы силовых маслонаполненных трансформаторов (гл. 4). 
В гл. 1 даны основные понятия теории техноценозов и приведён 
математический аппарат, используемый для реализации процедур 
рангового анализа.  
В основе теории техноценозов лежат первый и второй начала 
термодинамики. Если с законом сохранения энергии всё более или 
менее понятно, то по второму началу термодинамики, а именно максимуму энтропии, необходимы пояснения. С этой целью глава 2 посвящена энтропии и теории полезности в технических системах. Энтропия естественно развивающегося техноценоза не убывает и достигает максимума, когда суммарные энергетические ресурсы, воплощенные в технические изделия при их изготовлении, распределены 
равномерно по популяциям техники, т. е. произведение энергетического ресурса, необходимого для изготовления одного изделия, на их 
количество в техноценозе есть величина постоянная для всех видов 
[33; 36]. 
Кроме того, состояние техноценоза с максимальной энтропией, 
наряду с равномерным распределением энергетических ресурсов по 
популяциям, одновременно характеризуется максимальной несимметрией их распределения по отдельным особям. Максимальная неравномерность распределения ресурсов по особям дает наибольшее 
разнообразие технических изделий. Это позволяет добиваться максимальной функциональной гибкости при выполнении разнообразных 
задач в рамках техноценоза в условиях неожиданных изменений окружающих условий. В свою очередь равномерное распределение ресурсов по популяциям технических изделий создает наиболее благоприятные условия для функционирования обеспечивающей инфраструктуры техноценоза. Мы получаем максимальный положительный 
эффект при минимальных затратах. 
Разбор начал термодинамики позволяет нам сформулировать закон оптимального построения техноценозов [33; 36], который гласит, 
что оптимальным является техноценоз, в котором имеется такой набор технических изделий-особей, который, с одной стороны, по своим 
совокупным функциональным показателям обеспечивает выполнение 
поставленных задач, а с другой – характеризуется максимальной эн

Введение 

8 

тропией, т. е. суммарные энергетические ресурсы, воплощенные в 
технические изделия при их изготовлении, распределены равномерно 
по популяциям техники. 
Закон оптимального построения техноценозов позволяет перейти к взаимосвязи между количеством и качеством. Чем более сложным, дорогим, уникальным, большим является техническое изделие, 
тем меньшее их количество должно входить в устойчивый техноценоз, и наоборот.  
Смысл оптимизации заключается не в поиске оптимального значения целевой функции в области варьирования параметров, а в определении оптимальной стратегии изменения параметров, которая минимизирует издержки процесса оптимального управления электропотреблением на пути движения техноценоза к состоянию, обеспечивающему оптимум электропотребления на нижней границе переменного доверительного интервала. Процедуры оптимального управлении техноценозом рассматриваются в гл. 4. 
По мнению некоторых ученых, данная теория предполагает существование некоторого идеального распределения элементов ценоза. 
В свою очередь, функциональное выполнение своего назначения и 
понятие «идеальная техническая система» уже нашли своё применение в электроэнергетике. 
В электротехнике особый интерес представляет работа Мидхат 
Газале. В своих исследованиях он привел новый научный аппарат для 
моделирования электрических систем с примерами применения пропорций «Золотого сечения» в резисторных лестницах, линиях передачи, 
распространении волн [25]. Теория гиперболического Н-распределения 
предполагает существование идеального распределения элементов 
ценоза. По аналогии с этим в гл. 5 данной монографии сделано предположение о возможности аппроксимации рангового распределения с 
использованием «Золотой пропорции». Установлена возможность использования модели на основе «Золотой пропорции» для исследования и анализа сложных технических систем, в том числе и техноценологического типа.  

1.1. Основные понятия и определения 

9 

Глава 1. ТЕХНОЦЕНОЗЫ  
                В  ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ  СИСТЕМАХ* 
 
 
1.1. Основные понятия и определения  
 
Электрическое хозяйство крупного промышленного предприятия является системой нового типа, для которой характерно, что 
ее свойства не вытекают из совокупности свойств отдельных элементов,  ее образующих [78]. В связи с этим необходимо наметить подходы к исследованию системы в целом. Аналогичные проблемы решаются в других отраслях знания, где системы такого типа и порядка 
сложности определяются как ценозы.  
Понятие «ценоз» в биологии введено Клаусом Мебиусом в середине XIX в. на этапе развития этой науки, когда стал необходим переход от исследования свойств отдельных особей к исследованию 
свойств совокупностей живых организмов.  Есть общие свойства, которые говорят о том, что живая система использует в эволюционировании те же закономерности, что и неживая.  
В основу ценологических представлений положены статистические данные и фундаментальные теоретические обобщения Б. И. Кудрина по системе основных и вспомогательных показателей, внедренных его научной школой применительно к черной металлургии и собранных в течение 25 лет по всем предприятиям отрасли (отраслевой 
банк «Черметэлектро»). 
С 1990 г. используются отдельные статистические данные по 
предприятиям металлургии, химии, машиностроения, общие данные 
по электропотреблению по всем регионам России и для двух регионов 
по всем предприятиям.  
Статистика показывает, что характер электропотребления в условиях нестабильного производства или меняющейся номенклатуры 
продукции резко меняется. Но существует и устойчивое электропотребление, характеризующее, например, алюминиевое производство, 
где посуточное распределение электроэнергии гауссово.  
Научно-технический прогресс достиг такой ступени развития, 
когда видовое разнообразие выпускаемых изделий соизмеримо с ви                                                 
* При подготовке данной главы  использованы материалы сайтов Б. И. Кудрина и              
В. И. Гнатюка. 

Глава 1. Техноценозы в электротехнических системах 

10 

довым разнообразием в природе. Законы формирования технических 
систем из отдельных изделий схожи с законами формирования биосистем из отдельных особей [77; 84; 85; 160; 171].  
По мнению Б. И. Кудрина, законы развития и поведения биологических и технических систем имеют общность (табл. 1.1.1),  поэтому представляется возможным и необходимым описать законы функционирования и развития сложных технических систем (электрохозяйство промышленного предприятия, электропотребление региона 
или страны), основываясь на ценологическом подходе к их изучению. 
 
Таблица 1.1.1  

Основные термины био- и техноэволюции 

Определение 
Биоэволюция 
Техноэволюция 

Самостоятельно функционирующая единица 
  
Организм 
Особь 
Вид 

Изделие 
Особь  
Типоразмер 

 Элементарная единица эволюции, группа особей 
одного вида организмов, занимающая область пространства с определенными границами 

 Популяция  
  
Популяция 
   
  

Ограниченное в пространстве и времени любое 
единство, включающее все популяции (все организмы (изделия)) 

Биоценоз,  
биотическое  
сообщество 

Техноценоз  
  
 

Сообщество и неживая среда (физико-химические 
факторы), функционирующие совместно и рассматриваемые как единое; взаимосвязанный комплекс организмов, характерных для известных 
геофизических условий 

Биогеоценоз  
(геобиоценоз),  
экосистема 

Экосистема 
  
 
 
 

Направленное постепенное и закономерное изменение популяций в ряду поколений  
Эволюция 
Техноэволюция 
 

Материальный объект, содержащий закрепленную 
информацию и предназначенный для ее передачи 
и использования  

Ген  
 
Документ 
  

Устройство изделия, генетическая конституция, 
записанная с помощью символов; совокупность 
всех генов (документов), определяющая организм 
(изделие)  

Генотип  
   
Генотип  
  
  

Внешнее видимое проявление наследуемых признаков, реализованный комплекс признаков организма  

Фенотип 
Фенотип  
 

Возможность и способность к воспроизведению 
своего вида  
Размножение 
 
Изготовление 
  

Внезапное наследственное изменение, любое изменение, внесенное в документ, по которому изготавливается изделие 

Мутация 
 
 

Вариофикация 
  

1.1. Основные понятия и определения 

11 

Окончание табл. 1.1.1  
 
Определение 
Биоэволюция 
Техноэволюция 

Формирование экосистем количественно увеличивающимися видами так, что каждое из большинства видов представлено малым числом особей; по 
мере увеличения количества особей одного вида  
число этих видов сокращается 

Видовое  
разнообразие 
Ассортица 

 
Решение этих проблем  опирается на объективные законы, отражающие закономерности развития природы. В системе понятий 
«объект – состояния – связи – законы – теория» представления  об 
объекте, его состояниях  и законах выступают основой для представлений о физическом мире, а также служат базой для выработки физических теорий  и соответствующей картины мира. Любое техническое 
изделие имеет свое функциональное предназначение (в этом его сущность, содержание), которое реализуется с помощью определенного 
конструктивного решения (это явление, форма). 
Сущность, воплощенная в определенной форме или конструкции, в соответствии с законом сохранения энергии требует адекватных затрат как на реализацию данной конструкции (производство), 
так и на ее сохранение (эксплуатацию). Очевидно, что чем сложнее 
конструкция, тем больше затрат требуется на ее производство и эксплуатацию. 
Функциональное предназначение, ради которого создается конструкция, задается совокупностью требований, определяемых внешними условиями существования будущего технического изделия. Однако в результате воплощения в жизнь запроектированного решения 
мы можем получить не совсем удачную конструкцию. Совершенство 
конструкции определяется в некотором случае соотношением «полезность – плата за полезность» [199]. Это означает, что форма технических изделий неустойчива, подвижна и многовариантна.  
Таким образом, абсолютность содержания и относительность 
формы (форма лишь в нереализуемом на практике идеале может соответствовать содержанию) создают движущую силу  для инженерного творчества. Автор постоянно носит в себе идеал разрабатываемого 
им технического решения, но никогда не может достичь его в формальном воплощении. По мнению Б. И. Кудрина, это есть первая узловая точка технического прогресса, которая называется конструированием технических изделий [78].  

Глава 1. Техноценозы в электротехнических системах 

12 

Так же, как и природа, человек стремится к совершенству, будь 
то искусство или техническое творчество. 
Свойство ценозов не есть простая совокупность свойств отдельных особей. Для изучения свойств ценозов необходим переход к другому стилю мышления, что связано с внедрением в науку системных 
взглядов. Например, проблемы биологии клетки, неразрешимые в 
рамках молекулярной биологии, могут быть объяснены законами 
биохимии. Клеточная биология объясняет, как 1013 молекул объединяются в живую клетку, когда число копий молекул каждого вида 10–
100 штук [95]. 
 Рассмотрим понятие «техноценоз» и опишем его свойства [78].  
Техноценоз – сообщество всех изделий, включающее все популяции: 
● ограниченное в пространстве и времени выделенное единство, 
характеризующееся слабыми связями и слабыми взаимодействиями 
элементов – изделий, образующих систему;  
● система искусственного происхождения, отличающаяся практической счетностью элементов, ее образующих, невозможностью их 
полного адекватного документирования, неопределенностью границ, 
несопоставимостью времени жизни ценоза и особи, невозможностью 
выделения однозначной системы показателей. 
Заметим, что понятие «ценоз», введенное Мёбиусом (биоценоз), 
использовалось для описания живой природы, чем и объясняется 
биологическая природа терминов, распространяемых для описания 
других видов ценозов, в частности, техноценозов. 
Особь – выделенный, далее неделимый (условно) элемент ценоза, обладающий индивидуальными особенностями и функционирующий в индивидуальном жизненном цикле. В электрохозяйстве это 
конкретный электродвигатель, трансформатор, коммутационный аппарат. 
Вид – основная структурная единица в систематике технических 
изделий, образующих техноценоз; изделия одного вида изготавливаются по одной конструкторско-технологической документации. В отдельных случаях совпадают понятие вида и понятия типоразмера, модели, марки, типа. 
Семейство – таксономическая категория в систематике. В электрохозяйстве предприятия можно выделить семейства электродвигателей, трансформаторов, низковольтных аппаратов и т. д.