Теоретические основы системного анализа энергообеспечения предприятий

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

___________________________________________________________________ 

Кафедра энергообеспечения предприятий и электротехнологии 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА 

ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ  

для обучающихся по направлению подготовки 

 35.04.06 Агроинженерия 

 

 

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

2017 

 

УДК 620.9.001.5 

Пиркин А.Г. Теоретические основы системного анализа энергообеспечения 

предприятий. Учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 
Агроинженерия. – СПб.: СПбГАУ. – 2017. – 75 с. 

 
Рецензенты: 
доктор технических наук, заведующий лабораторией энергоэффективных технологий в 
АПК ИЭАП Ракутько С.А.; 
кандидат технических наук, доцент кафедры электроэнергетики и электрооборудования 
СПбГАУ Васильев Л.И.  

Учебное пособие предназначено для подготовки магистров по 

направлению 
«Агроинженерия», 
направление 
магистерской 
программы 

35.04.06 «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». 

В учебном пособии изложена сущность системного подхода к анализу 

процессов 
энергообеспечения 
предприятий. 
Рассмотрены 
режимы 

функционирования систем энергообеспечения и их математические модели. 
Сформулированы задачи и предложены примеры оптимизации вышеназванных 
систем. 

В основу учебного пособия положен авторский курс «Теоретические 

основы системного анализа энергообеспечения предприятий», преподаваемый 
на 
кафедре 
энергообеспечения 
предприятий 
и 
электротехнологии, 

построенный 
на 
общей 
концепции 
формирования 
компетентности 

энергоменеджеров в аграрном секторе экономики. 

 

 

Рекомендовано к изданию и публикации на электронном носителе для 

последующего размещения в электронной сети ФГБОУ ВО СПбГАУ, согласно 
соответствующему договору с Учебно-методическим советом СПбГАУ 
протокол № 4 от 30 марта 2017 г. 

 
 
 
 
 
 
 
 

© Пиркин А.Г., 2017 
© ФГБОУ ВО СПбГАУ, 2017 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................................... 4 

1. СУЩНОСТЬ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА К АНАЛИЗУ 
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ .................................................................... 6 

1.1. Предприятие как сложная организационная система ...................................... 6 

1.2. Сущность, цели и задачи системного анализа в энергетической сфере ....... 10 

1.3. Структура системы энергообеспечения и ее виды .......................................... 15 

1.4. Особенности и основные свойства энергетических систем .......................... 17 

Контрольные вопросы ................................................................................................... 21 

2. СОСТОЯНИЕ, ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ СИСТЕМ 
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ................................................................................................ 22 

2.1. Состояние системы ............................................................................................. 22 

2.2. Функционирование и развитие систем энергообеспечения ............................. 24 

2.3. Режимы функционирования систем энергообеспечения ................................. 27 

Контрольные вопросы ................................................................................................... 32 

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ................................... 34 

3.1. Общие сведения о моделях и моделировании ..................................................... 34 

3.2. Моделирование динамического режима работы электронагревательной 
системы........................................................................................................................... 39 

3.3. Вероятностное моделирование энерготехнологических поточных линий .... 43 

3.4. Моделирование сервисных центров в энергетической сфере .......................... 51 

Контрольные вопросы ................................................................................................... 58 

4. ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ .............................. 59 

4.1. Технико-экономические требования к энергетическим системам и уровни их 
оптимизации ................................................................................................................... 59 

4.2. Методы оптимизации энергетических систем ................................................ 61 

Контрольные вопросы ................................................................................................... 67 

ГЛОССАРИЙ ..................................................................................................................... 69 

ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................................... 74 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В 
современных 
условиях 
магистры 
различных 
профилей 
и 

направлений деятельности, в том числе и работающие в сфере энергетики 
и энерготехнологий, должны обладать системным мышлением. Без него 
невозможно 
грамотно 
осуществлять 
оценку 
эффективности 

функционирования сложных энергетических и энерготехнологических 
систем, разрабатывать модели и формировать оптимальные алгоритмы 
управления этими системами. 

В настоящем учебном пособии представлены основные понятия и 

определения теории сложных систем, дан общий подход к изучению 
процессов функционирования систем. Проведена классификация систем 
по различным признакам. Рассмотрены особенности и основные свойства 
энергетических 
систем. 
Даны 
определения 
функционированию 
и 

развитию 
систем 
энергообеспечения, 
рассмотрены 
режимы 
их 

функционирования. Рассмотрены задачи моделирования, как важнейшего 
метода анализа энергетических и энерготехнологических систем. Особое 
внимание уделено моделированию систем массового обслуживания, 
поскольку они нашли достаточно широкое применение в энергетической 
отрасли. В пособии сформулированы технико-экономические требования 
к системам энергообеспечения предприятий, рассмотрены основные 
методы оптимизации этих систем с использованием конкретных 
примеров. 

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения 

материалов данного учебного пособия: 

 готовность 
действовать 
в 
нестандартных 
ситуациях, 
нести 

социальную и этическую ответственность за принятые решения 
(ОК-2); 

 готовность 
руководить 
коллективом 
в 
сфере 
своей 

профессиональной 
деятельности, 
толерантно 
воспринимая 

социальные, этические, конфессиональные и культурные различия 
(ОПК-2); 

 способность 
самостоятельно 
приобретать 
с 
помощью 

информационных технологий и использовать в практической 
деятельности новые знания и умения (ОПК-3); 

 способность и готовность организовывать на предприятиях АПК 

высокопроизводительное 
использование 
и 
надежную 
работу 

сложных 
технических 
систем 
для 
производства, 
хранения, 

транспортировки 
и 
первичной 
переработки 
продукции 

растениеводства и животноводства (ПК-1); 

 способность и готовность применять знания о современных 

методах исследований (ПК-4). 

Автор поставил перед собой задачу – изложить в данном пособии 

основы современных знаний по системному анализу в энергетике, 
позволяющие будущим магистрам приобрести навыки детального 
изучения 
и 
корректной 
оценки 
эффективности 
процессов 

функционирования сложных систем энергообеспечения. 
 
 

1. СУЩНОСТЬ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА К АНАЛИЗУ 

ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ 

1.1. Предприятие как сложная организационная система 

Начнем с определения системы, как основного понятия системного 

анализа. 
Система 
представляет 
собой 
определенное 
множество 

взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов, 
предназначенное для достижения определенных целей и решения 
поставленных задач. 

Под элементом понимается неделимая составная часть сложного 

целого, в нашем случае системы. Неделимость элемента понятие 
относительное, оно зависит от глубины исследования самой системы. 

Примером системы может быть электропривод вентиляционной 

установки, а элементом (неделимой его частью) – электродвигатель. В 
свою очередь электродвигатель сам представляет собой сложную 
электромеханическую систему, состоящую из множества элементов 
(статора, ротора, вала и т.д.). 

Общий вид любой системы, в том числе и организационной, каковой 

является предприятие, графически можно представить следующим 
образом (рисунок 1.1). 

 

Представленная система состоит из n элементов, стрелками показаны 

связи между элементами. Элементами промышленного предприятия 
могут быть, например, цеха различного производственного назначения. 

1

2

3

4

5

i

n-1

n

П Р Е Д П Р И Я Т И Е

( с л о ж н а я  о р г а н и з а ц и о н н а я  с и с т е м а )

«Вход»
«Выход»

Рисунок 1.1 – Общий вид предприятия как системы

Межэлементные 
связи 
могут 
быть 
прямыми 
и 
обратными, 

односторонними и двусторонними (взаимными). Прямые связи имеют 
направление от «входа» к «выходу» системы, обратные от «выхода» к 
«входу». 

i – порядковый номер элемента системы: i = 1, 2, …, n. 
В общем случае связи в системе представляют собой некоторые 

информационные, 
энергетические 
и 
документальные 
потоки, 

предназначенные для принятия и координации управленческих решений. 

В системе, представленной на рис. 1.1 между элементами 1 и 2, 2 и 3 

– двусторонние связи, между элементами 2 и 4, 2 и 5 – односторонние. 

Основными функциями обратных связей являются: 
 противодействие тому, что делает сама система, когда ее 

параметры 
выходят 
за 
установленные 
пределы 
(например, 

реагирование на снижение надежности энергообеспечения); 

 компенсация возмущений и поддержание состояния устойчивого 

равновесия 
системы 
(например, 
неполадки 
в 
работе 

энергетического оборудования); 

 формирование управляющих воздействий на объект управления 

при резком изменении характера прямой связи (например, внесение 
изменений в производственный процесс вследствие установления 
более высокой цены на энергоносители). 

Любая система имеет «вход» и «выход», внутреннюю и внешнюю 

среду. 

Внутренняя среда системы – это все то, что находиться внутри самой 

системы. 
Она 
обеспечивает 
взаимодействие 
между 
отдельными 

элементами и формирует структуру системы. 

Структура системы представляет собой совокупность необходимых и 

достаточных для достижения цели связей между элементами. 

«Вход» системы представляет собой совокупность входных ресурсов, 

обеспечивающих процесс функционирования системы. Ресурсы могут 
быть материальными, финансовыми, трудовыми, интеллектуальными, 
энергетическими и информационными. 

«Выход» системы представляет результат ее функционирования 

(объем выпуска продукции, энергообеспеченность технологических 
процессов, экономическая эффективность предприятия, повышение 
квалификации энергетического персонала и т.д.). 

Обобщая вышесказанное, любое предприятие можно представить как 

сложную организационную систему, преобразующую входные ресурсы в 
полезную продукцию или услуги. 

Внешняя среда системы – это все, что находиться за ее пределами и 

представляет собой совокупность других систем, оказывающих влияние 
на процесс функционирования рассматриваемой системы. 

Например, страна Россия – это система, внешней средой для которой 

являются все остальные страны мира. Развитие внешней среды 
подталкивает саму систему к развитию. 

В соответствии с имеющейся классификацией [9], предприятие 

также можно отнести к открытой производственной системе, 
характеризующейся 
взаимодействием 
с 
внешней 
средой 
и 

удовлетворением потребностей с помощью производимых товаров и 
услуг. 

Предприятие удовлетворяет свои потребности, черпая различные 

ресурсы из внешней среды (материальные, финансовые, энергетические и 
др.). 

Общий вид системы, показанный на рисунке 1.1, представляет по 

сути дела ее структурную схему. 

Кроме элементов можно выделить некоторые части системы, 

состоящих более чем из одного элемента, т.е. из некоторой совокупности 
элементов. Эти части системы называются подсистемами. Например, 
элементы системы 1, 2, 3, 4 и 5 (рисунок 1.1) можно объединить в две 
подсистемы (рисунок 1.2). 

 

Если в качестве системы рассмотреть энергосистему Ленинградской 

области и предположить, что неделимыми частями (элементами), в ней 
являются трансформаторные подстанции и соединяющие их линии 

1

2

3

4

5

П О Д С И С Т Е М А  1

Рисунок 1.2 – Часть системы, состоящая из двух подсистем

П О Д С И С Т Е М А  2

электропередачи (ЛЭП), то подсистемами 1 и 2 на рисунке 1.2 могут быть 
энергосистемы двух районов Ленинградской области. 

Если цеха предприятия представить в виде его подсистем, то 

элементами этих подсистем могут быть энерготехнологические поточные 
линии (ЭТЛ), расположенные на территориях этих цехов. Вместе с тем, 
ЭТЛ 
сами 
по 
себе 
являются 
достаточно 
сложными 

энерготехнологическими системами, включающими в себя различные 
типы оборудования. 

Приняв за систему энергетическое хозяйство любого предприятия, ее 

подсистемами могут быть: 

1. 
совокупность 
энергетического 
и 
энерготехнологического 

оборудования; 

2. персонал энергетической службы. 

Вышеназванные подсистемы находятся между собой в тесном 

взаимодействии, причем вторая является обслуживающей, а первая – 
обслуживаемой. 

 

Элементами первой подсистемы являются отдельные энергетические 

установки, обеспечивающие технологические процессы на предприятии, 
элементами 
второй 
подсистемы 
– 
отдельные 
специалисты 

энергетического профиля. 

Системы, представленные в первом и во втором примере можно 

отнести к классу потребительских энергосистем (ПЭС). 

Строго 
говоря, 
энергосистема 
страны 
или 
региона 
по 

функциональным признакам может быть разделена на три подсистемы: 
генерирующую, передающую и распределительную, потребительскую. 

В 
приведенных 
примерах 
энергетические 
установки 
и 

трансформаторные подстанции, обозначенные как элементы системы, в 

Энергетическое 

хозяйство предприятия

Рисунок 1.3 – Структура энергетического хозяйства

1. Энергетическое и 

энерготехнологическое 

оборудование

2. Персонал 

энергетической 

службы

свою очередь являются достаточно сложными системами. Например, 
система 
автоматизированного 
электропривода, 
как 
разновидность 

энергетических установок, является сложной технической системой 
состоящей из датчиков, усилителей, преобразователей, электрических 
машин и т.д. Как уже было сказано ранее, электрическую машину также 
можно рассматривать и как элемент системы электропривода (ее 
неделимую часть), так и как сложную техническую систему, состоящую 
из статора, ротора, вала и т.д. 

Подводя итог вышесказанному, необходимо ввести понятие «уровень 

декомпозиции». Под декомпозицией следует понимать разделение 
системы на составные части (подсистемы и элементы), и последующее 
изучение этих частей с целью выявления их влияния на эффективность 
функционирования системы в целом [1, 2]. 

Уровень декомпозиции определяет тот предел, ниже которого 

дальнейшее разделение системы на элементарные части нецелесообразно 
в рамках решения поставленной задачи. Например, для обеспечения 
предприятия 
необходимой 
электрической 
мощностью 
совсем 
не 

обязательно 
знать 
конструктивные 
особенности 
питающего 

трансформатора, а при решении задач надежности энергообеспечения эти 
знания важны. 

Процесс декомпозиции является неотъемлемой частью системного 

анализа. 

1.2. Сущность, цели и задачи системного анализа в энергетической 

сфере 

Под системным анализом принято понимать целенаправленное 

комплексное исследование сложных систем с целью определения 
направлений, 
путей 
совершенствования 
и 
реализации 
процессов, 

протекающих в системе, выработку новых принципов повышения 
качества решаемых задач [3]. Это определение в полном объеме 
справедливо и для процессов энергообеспечения предприятий. 

Для исчерпывающего представления системы энергообеспечения 

необходимо 
совместное 
использование 
макро- 
и 
микроподходов, 

описывающее внешние и внутренние взаимодействия в системе. 

При макроподходе анализируется поведение системы как единого 

целого по отношению к внешней среде. В этом случае при анализе 
главными факторами являются целевое назначение, задачи и условия ее 
функционирования, 
критерии 
эффективности, 
накладываемые 

ограничения на ее показатели качества. Этот подход сводиться к 

описанию связи «вход – выход» системы и не содержит никаких сведений 
о внутреннем механизме преобразования переменных управления в 
переменные состояния. Применительно к системе энергообеспечения 
здесь речь идет о надежности энергообеспечения, качестве поставляемой 
энергии, удобстве обслуживания и ремонта оборудования и т.д. 

Микроподход основан на внутреннем комплексном описании 

системы, определяющим внутреннее состояние системы. При этом 
предметом 
детального 
исследования 
становятся 
внутренние 

характеристики системы – взаимодействие подсистем и элементов между 
собой и условий их функционирования. Микроподход предполагает 
исследование и построение выбранной структуры, и ее реализацию в виде 
технических средств, придающих системе требуемые качества. К 
микроподходу в энергетической сфере можно отнести согласованность 
параметров питающей сети мощностям энергетических установок, а их 
мощностей – требованиям технологического процесса. 

Обобщая вышесказанное можно сделать вывод о том, что системный 

анализ направлен на оценку эффективности функционирования системы 
по различным показателям (критериям). В энергетической сфере такими 
показателями могут быть: степень обеспеченности необходимыми 
мощностями 
производственных 
процессов, 
надежность 

энергообеспечения, энергоемкость продукции и т.д. 

Формирование основ знаний и методологии проведения системных 

исследований применительно к энергетическим и энерготехнологическим 
системам и процессам достигается решением следующих задач: 

 изучение сущности системного подхода, основных положений 

системологии 
и 
основных 
этапов 
проведения 
системного 

исследования (анализа и синтеза) в энергетике; 

 привитие умений и навыков методологии проведения системного 

анализа и синтеза; 

 ознакомление с формально-логическим аппаратом и методами 

моделирования при проведении системного анализа; 

 изучение основ научно-технического прогнозирования развития 

энергетических и энерготехнологических объектов как систем. 

Системный анализ в энергетической сфере органически связан с 

рядом общенаучных дисциплин и базируется на общей теории систем, 
теории 
электротехники, 
теплотехники, 
управления, 
экономики, 

вычислительной техники и специальных энерготехнических дисциплин 
(электро-, 
тепло- 
и 
газоснабжении, 
энерготехнологии, 

энергооборудовании 
и 
др.). 
Кроме 
этого, 
характерной 
чертой