Основы системного анализа в агроэнергетике

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

___________________________________________________________________ 

Кафедра энергообеспечения предприятий и электротехнологии 

ПИРКИН А.Г. 

ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА В АГРОЭНЕРГЕТИКЕ 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ  

для обучающихся по направлению подготовки 

35.04.06 Агроинженерия 

В Т О Р О Е  И З Д А Н И Е  

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

2021 
 

УДК 620.9.001.5 

Пиркин А.Г. Основы системного анализа в агроэнергетике. Учебное пособие для 

обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 Агроинженерия. – 2-е издание, 
дополненное и переработанное. – СПб.: СПбГАУ. – 2021.  – 59 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. 

Данное учебное пособие предназначено для подготовки бакалавров по 

направлению 35.03.06 «Агроинженерия» (профиль – Электрооборудование и 
электротехнологии). 

В учебном пособии изложена сущность системного подхода к анализу 

агроэнергетических систем. Даны понятия функционирование и развитие 
систем энергообеспечения, рассмотрены режимы их функционирования. 
Рассмотрены вопросы моделирования агроэнергетических систем и методы их 
оптимизации. 

В основу учебного пособия положен авторский курс «Основы системного 

анализа в агроэнергетике», преподаваемый на кафедре энергообеспечения 
предприятий и электротехнологии. 

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 № 6 от 08.04.2021г. 

© Пиркин А.Г., 2021 
© ФГБОУ ВО СПбГАУ, 2021 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

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

1. СУЩНОСТЬ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ В СФЕРЕ 
АГРОЭНЕРГЕТИКИ ........................................................................................................... 5 

1.1. Понятие системы................................................................................................... 5 

1.2. Классификация систем. ......................................................................................... 9 

1.3. Сущность, цели и задачи системного анализа. ................................................. 10 

1.4. Структура системы и ее виды. .......................................................................... 14 

1.5. Особенности энергетических систем................................................................ 16 

Контрольные вопросы ................................................................................................... 18 

2. СОСТОЯНИЕ, ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ ................ 19 

2.1. Состояние системы. ............................................................................................ 19 

2.2. Функционирование и развитие системы. .......................................................... 21 

2.3. Режимы функционирования энергетических систем. ..................................... 24 

Контрольные вопросы ................................................................................................... 27 

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ........................................... 28 

3.1. Общие сведения о моделях и моделировании. .................................................... 28 

3.2. Моделирование динамического режима работы электронагревательной 
системы. ......................................................................................................................... 33 

3.3. Моделирование сервисных центров в энергетической сфере. ......................... 37 

Контрольные вопросы ................................................................................................... 42 

4. ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ .............................. 43 

4.1. Технико-экономические требования к энергетическим системам и уровни их 
оптимизации. .................................................................................................................. 43 

4.2. Методы оптимизации энергетических систем. ............................................... 45 

4.3. Принятие управленческих решений в сфере агроэнергетики .......................... 53 

Контрольные вопросы ................................................................................................... 55 

ГЛОССАРИЙ ..................................................................................................................... 56 

ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................................... 59 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В современных условиях бакалавры различных профилей и направлений 

деятельности, в том числе и работающие в сфере энергетики, должны обладать 
системным мышлением. Без него невозможно осуществлять оценку эффективности 
функционирования сложных энергетических систем и формировать оптимальные 
алгоритмы управления этими системами. 

В настоящем учебно-методическом пособии представлены основные понятия и 

определения теории сложных систем, дан общий подход к изучению процессов 
функционирования систем. Проведена классификация систем по различным 
признакам. Рассмотрены задачи моделирования, как важнейшего метода анализа 
энергетических систем. Особое внимание уделено моделированию систем массового 
обслуживания, поскольку они нашли достаточно широкое применение в 
энергетической отрасли. 

Автор поставил перед собой задачу – изложить в данном пособии основы 

современных знаний по системному анализу в энергетике аграрного сектора 
экономики, позволяющие бакалаврам приобрести навыки детального изучения и 
корректной оценки эффективности функционирования сложных энергетических 
систем. 
 
 

1. СУЩНОСТЬ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ В СФЕРЕ 

АГРОЭНЕРГЕТИКИ 

1.1. Понятие системы. 

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. 

Примером системы может быть группа студентов, а элементом (неделимой 

частью группы) – студент. 

Общий вид любой системы, в том числе и энергетической, графически можно 

представить следующим образом (рис .1.1). 

 

Представленная система состоит из n элементов, где стрелками показаны связи 

между элементами. Связи соединяют систему в единое целое и могут быть прямыми 
и обратными, односторонними и двусторонними (взаимными). Прямые связи 
имеют направление от «входа» к «выходу» системы, обратные от «выхода» к 
«входу». 

Если элементы в системе располагаются параллельно (например 1, 2 и 3; 4 и 5; 

n-1 и n) прямые связи направлены сверху вниз, а обратные снизу вверх. 

i – порядковый номер элемента системы: i = 1, 2, …, n. 

1

2

3

4

5

i

n-1

n

С И С Т Е М А

«Вход»

«Выход»

Рис. 1.1. Общий вид системы.

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, 4 и 1 – односторонние. 

Максимально возможное число связей в системе определяется числом 

возможных сочетаний (взаимодействий) между элементами и может быть найдено 
по формуле 

𝐶𝑚𝑎𝑥 = 𝑛 ∙ (𝑛 − 1).
(1.1)

Пример. Число элементов системы равно трем. Представим два варианта 

системы и определим максимальное число связей в обеих вариантах. 

 

Максимальное число связей в вариантах «А» и «Б» n = 3×2 = 6. 
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. 

При рассмотрении «входа» и «выхода» будем понимать под системой 

производственное предприятие. 

В этом случае «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, 
производительность 
труда, 
энергообеспеченность 

В а р и а н т  « А »

Рис. 1.2. Варианты систем, состоящие из трех элементов.

1

В а р и а н т  « Б »

«Вход»

«Выход»

2
3

1-2
2-3

1-3

2-1
3-2

3-1

 
 
1

2

3

«Вход»

«Выход»

1-2

1-3

2-1

3-1

2-3

3-2

технологических 
процессов, 
экономическая 
эффективность 
предприятия, 

повышение квалификации энергетического персонала и т.д.). 

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. 

Общий вид системы, представленный на рис. 1.1 представляет по сути дела ее 

структурную схему. 

Кроме элементов можно выделить некоторые части системы, состоящие 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 
(рис. 1.1) можно объединить в две подсистемы (рис. 1.3). 

 

Если в качестве системы рассмотреть энергосистему Ленинградской области и 

предположить, 
что 
неделимыми 
частями 
(элементами), 
в 
ней 
являются 

трансформаторные подстанции и соединяющие их линии электропередачи (ЛЭП), то 
подсистемами 1 и 2 на рис. 1.3 могут быть энергосистемы двух районов 
Ленинградской области. 

Если 
принять 
за 
систему 
энергетическое 
хозяйство 
предприятия 

агропромышленного комплекса (АПК), то в качестве ее подсистем могут быть: 

1. совокупность энергетического оборудования; 
2. персонал энергетической службы. 

1

2

3

4

5

П О Д С И С Т Е М А  1

Рис. 1.3. Часть системы, состоящая из двух подсистем.

П О Д С И С Т Е М А  2

Элементами 
первой 
подсистемы 
являются 
отдельные 
энергетические 

установки, 
обеспечивающие 
технологические 
процессы 
на 
предприятии, 

элементами второй подсистемы – отдельные специалисты энергетического профиля. 

Строго говоря, энергосистема страны или региона по функциональным 

признакам может быть разделена на три подсистемы: генерирующую, передающую 
и распределительную, потребительскую (ПЭС). 

Деление систем на подсистемы, а подсистем на элементы весьма относительно. 

Во втором примере энергетические установки, обозначенные как элементы системы, 
в свою очередь могут являться 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. Электрическую машину 
также можно рассматривать и как элемент системы (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 детальное 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. Процесс декомпозиции является неотъемлемой частью 
системного анализа, и позволяет выявить подсистемы и элементы на которые 
следует обратить особое внимание при проектировании и реконструкции систем. 

Энергетическое 

хозяйство 

предприятия АПК

Рис. 1.4 Структура энергетического хозяйства.

1. Энергетическое 

оборудование 

2. Персонал 

энергетической 

службы

1.2. Классификация систем. 

Для выделения классов систем используются следующие классификационные 

признаки [2, 3]: 

1. Природа элементов. 
2. Происхождение системы. 
3. Длительность существования. 
4. Изменчивость свойств. 
5. Степень участия человека в реализации управляющих воздействий 

системы. 

1. 
По природе элементов системы делятся на реальные и абстрактные. 

Реальными (физическими) системами являются системы, состоящие из 

реальных материальных объектов (элементов). Среди них можно выделить 
механические, гидравлические, пневматические, электрические, энергетические, 
биологические, социальные и т.п. системы. 

К механической системе можно отнести мотоблок для обработки почвы, к 

электрической – трансформатор, к энергетической – систему обогрева жилого дома, 
независимо от того какую энергию она потребляет. 

Абстрактные системы составляют элементы, не имеющие прямых аналогов в 

реальном мире. Примерами абстрактных систем являются системы уравнений, идеи, 
планы, гипотезы, теории и т.д. К конкретным примерам теорий можно отнести 
теорию относительности, теорию электромагнитного поля, экономическую теорию 
и т.п. 

2. 
В зависимости от своего происхождения выделяют естественные и 

искусственные системы. 

Естественные системы являются продуктом развития природы и возникли без 

вмешательства человека. К ним можно отнести климат, почву, живые организмы, 
солнечную систему и т.п. Появление новой естественной системы является 
достаточно редким явлением. 

Искусственные системы – это результат созидательной деятельности человека. 

С течением времени количество таких систем постоянно увеличивается. Постоянно 
появляются новые механические, технологические, энергетические и др. системы. 

3. 
По длительности существования системы подразделяются на постоянные 

и временные. 

Принято считать, что к постоянным относятся естественные системы. 

Примером постоянной системы может быть такая естественная система, как климат 
Санкт-Петербурга (морской с ветром и дождями). 

К примерам временных систем можно отнести такие искусственные системы, 

как паровозы и пароходы, радиоприемники и телевизоры на электронных лампах и 
т.п. 

4. 
В зависимости от степени изменчивости свойств системы делятся на 

статические и динамические. 

К статическим системам относятся системы, характеристики которых не 

меняются во времени. Например, вентилятор, вращающийся с постоянной 
скоростью (nв = const), представляет собой статическую систему. 

В отличие от статических систем в динамических системах характеристики 

меняются во времени как непрерывно, так и дискретно. Автомобиль в режиме 
разгона и торможения, вентилятор в режимах включения и выключения, можно 
рассматривать как динамические системы. 

5. 
В зависимости от степени участия человека в реализации управления 

системой, 
системы 
подразделяются 
на 
технические, 
человеко-машинные 

(эргатические) и организационные. 

К техническим системам относятся системы, которые функционируют без 

участия человека. Эти системы иногда называют автоматическими. Примеры 
технических (автоматических) систем: автопилот, автоответчик, роботы различных 
назначений и т.д. 

К человеко-машинным системам относятся автоматизированные системы 

управления (АСУ) различного назначения, например АСУ технологическими 
процессами (АСУТП). В этих системах человек тесно взаимодействует с 
техническими устройствами, причем окончательное решение также принимает 
человек. 

Эргатические системы нашли своё применение на объектах, где вмешательство 

оператора в работу объекта является на сегодняшний день необходимым условием 
обеспечения надежной работы данных объектов. Примерами человеко-машинных 
(эргатических) систем могут быть энерготехнологические системы поточных линий 
различного 
назначения, 
системы 
управления 
энергоблоками 
различных 

электростанции, система управления самолетом, диспетчерские службы аэропортов, 
вокзалов, энергосистемы и т.п. 

К организационным системам относятся социальные системы – группы, 

коллективы людей, общество в целом. В области энергетики к организационным 
системам 
можно 
отнести 
коллективы 
энергоснабжающих 
организаций 
и 

энергетических служб различных предприятий. 

1.3. Сущность, цели и задачи системного анализа. 

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, 4]. Вместе с тем 
системный анализ следует рассматривать как деятельность, помогающую принимать 

решения в условиях неопределенности и риска, когда выбор альтернатив 
(возможных вариантов) нуждантся в комплексном анализе сложной информации 
различной природы. 

Для 
исчерпывающего 
представления 
системы 
необходимо 
совместное 

использование макро- и микроподходов, описывающее внешние и внутренние 
взаимодействия. 

При макроподходе анализируется поведение системы как единого целого по 

отношению к внешней среде. При этом 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. 

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 совокупности технических средств, придающих системе требуемые качества. 

Обобщая вышесказанное можно сделать вывод о том, что системный анализ 

направлен на оценку эффективности функционирования системы по различным 
показателям. 

Формирование 
основ 
знаний 
и 
методологии 
проведения 
системных 

исследований применительно к агроэнергетическим 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 объектов как систем. 

Системный анализ в агроэнергетике 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 системный анализ