CC BY
27Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2019, 12(5), 607-616
yflK 621.311:696.6
The Special Features of the Iraqi Distribution Electric Power Networks
Michael А. Averbukha, Mohammed W. Abdulwahhabac, Eugene V. Zhilina and Evgenia Yu. Sizganovab*
aBelgorod State Technological University named after V.G. Shukhov 46 Kostyukova Str., Belgorod, 308012, Russia bSiberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia
cDaiyla University Baquba City, Iraq
Received 13.05.2019, received in revised form 29.05.2019, accepted 10.06.2019
The paper examines the impact of distributed generation facilities on the operating parameters of Iraq's 33/11 kV distribution networks. The performed calculation of steady-state and post-emergency modes in the RastrWin3 software package showed that the networks are overloaded and therefore the voltage and power losses in the nodes and branches reach their limits. It was revealed that the most optimal technical measure that increases the voltage level in the load nodes and reduces power losses in the branches is the use of distributed generation, which includes diesel power plants and solar plants. The calculated operation modes considering connection of photo-diesel power stations to the network showed that the voltage and power losses in the nodes and branches of the circuit were significantly reduced.
Keywords: distribution networks, distributed generation, photo-diesel power stations, power and voltage losses.
Citation: Averbukh M.A., Abdulwahhab M.W., Zhilin E.V., Sizganova E.Yu. The special features of the iraqi distribution electric power networks, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2019, 12(5), 607-616. DOI: 10.17516/1999-494X-0160.
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: seu_eset@mail.ru
Особенности режимов распределительных электроэнергетических сетей Ирака
М.А. Авербуха, М.В. Абдулваххабав, Е.В. Жилина, Е.Ю. Сизгановаб
аБелгородский государственный технологический университет
им. В. Г. Шухова Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова 46 бСибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
вУниверситет Диялы Ирак, Дияла
В работе рассматривается влияние распределенной генерации на параметры режима работы распределительных сетей Ирака 33/11 кВ. Выполнен расчет установившегося и послеаварийного режимов работы в программном комплексе RastrWin3, который показал, что сети перегружены, и в связи с этим потери напряжения и мощности в узлах и ветвях достигают предельных значений. Выявлено, что наиболее оптимальным техническим мероприятием, повышающим уровень напряжения в узлах нагрузки и снижающим потери мощности в ветвях, является использование распределенной генерации, включающей в себя дизельные электростанции и фотоэлементы. Произведен расчет режимов работы с использованием фотодизельных электростанций, которые показали, что потери напряжения и мощности в узлах и ветвях схемы значительно снизились.
Ключевые слова: распределительные сети, распределенная генерация, фотодизельные электростанции, потери мощности и напряжения.
В результате военных действий энергетическая система и распределительные сети Республики Ирак существенно пострадали, а оставшиеся в работе сети значительно перегружены. Так, например, спрос электроэнергии в Ираке на 2018 г. составлял 18000 МВт, в то время как энергосистема вырабатывает 15500 МВт. Перегрузка распределительных сетей приводит к множеству негативных явлений, таких так отклонение напряжения в узлах нагрузок, увеличение потерь мощности и электроэнергии; снижение срока службы электрооборудования распределительной сети [1-6].
Фрагмент распределительной сети напряжением 33 кВ с подстанциями 33/11 кВ представлен на рис. 1.
Распределительные сети Ирака включают в себя более 200 подстанций напряжением 132/33 кВ общей мощностью 27000 МВА и сети напряжением 33 кВ с большим количеством подстанций напряжением 33/11 кВ. Протяженность сетей напряжением 33 кВ составляет порядка 12000 км, а суммарная протяженность линий напряжением 11 кВ - 52000 км [7, 8].
Как следует из данных рис. 1, теплоэлектростанции являются источником электроэнергии для распределительных сетей 33 кВ, к которым подключены двухтрансформаторные подстанции напряжением 33/11 кВ. Они образуют узлы нагрузок, питающие города и промышленные объекты. Представленный фрагмент характерен для всей системы электроснабжения Ирака.
Для расчетов нормального режима работы распределительных сетей на основании рис. 1 составлена схема замещения.
AC-150/24, 12кт
AC-150/24 19кт
i Ü Ф^ОН Ф Ф i
v 4 f»> V V V
0
03.2
T3
03.4
V V V V
04.5
04.6
:<fQ»> V V V Ф
Рис 1. Фрагментраепределительнойсетинапряжением 33/11 кВ системр/электрошабнерия Ирака Fig. 1. Fragment of a 33/11 kV distribution network in 1етт
Расче т элементов схемы замещения произведен на основании следующих выражений [9, 10]: во здушнаянанитатектмопередач(ЛЭП):
R = R0-LI n ; X=X, ■ L In ; B=n■ B0-L,
где L - длина линии; icm; Ro и X. > удтльныерртивноеиреокпитнаеаопровиетеноа ЛЭП,соот-ветсквеавкеОм/нм; B0 о- удельная нрлнодимоеть ЛНП^СмЛспв п - чивло ЛЭП; транрфо |)маеья[
п _ -ИНН^ • Ubh . у _ ик • ивн . r
^ о2 ' Т 1nn v ' lJT ; в = DX J.,2 '
n• SH 100 • n •SH UBH UBH
где APK - активные патери мощносии короткого замь/калия, кВо; АРх - активные потери мощности холостого хода, кВт; AQX - реактивные потери мощности холостого хода, квар; UBH - номинальное напряжение первичной обмотки, кВ; SH - номинальная мощность, кВА; ик - напря-жениекороткогозамыкания, %;n - числопараллельно работающихтрансформаторов.
Hei рис. 2 представлена однолинейная схема замещения распределительной сети Ирака 33/11 кВ.
Расчет режимов распределительной сети произведен с помощью программного комплекса RastrWin3, который позволяет проводить не только расчет, но и анализ режимов работы сетей различных уровней напряжения и конфигураций. Пользовательский интерфейс RastrWin3
Рис. 2. Однолинейная схема замещения распределительной сети напряжением 33/11 кВ Fig. 2. The single line equivalent circuit of а 33/11 kV distribution network
представляет из себя табличный процессор, поддерживающий возможность ввода, группового или одиночного редактирования данных, сортировку, а также графические средства анализа результатов расчета [11].
Исходными данными для расчетов режимов в программном комплексе RastrWin3 являются: топология схемы (направленный граф); параметры ветвей и трансформаторов схемы замещения; мощности в узлах нагрузок; номинальное напряжение источника энергии; коэффициенты трансформации. За базисный узел принимается нулевой узел на шинах генераторного напряжения.
Результаты расчета нормального и послеаварийного режима работы представлены в табл. 1. Аварийным режим работы - отключение одного из трансформаторов и включение секционного выключателя на шинах 11 кВ.
Как следует из данных табл. 1, в узлах 3-10 происходит значительное снижение напряжения, до 40 % от номинального, что подтверждает перегруженность распределительных сетей. Потери мощности в ветвях электроэнергетической системы достигают 20 % от потребляемой электроэнергии. Это также связано со значительной перегрузкой электроэнергетической системы. Расчеты показали, что необходимо принятие дополнительных технических решений по снижению потерь мощности в распределительных сетях путем повышения пропускной способности или использования распределенной генерации.
На рис. 3 представлена классификация технических мероприятий, повышающих уровень напряжения в узлах нагрузок и снижающих потери мощности [12-18].
Таблица 1. Результаты расчета нормального и послеаварийного режимов в распределительных сетях Table 1. A results of the normal calculation and post-accident conditions in distribution networks
Параметры узлов
№ узла Нормальный Послеаварийный Рр, МВт Qp, Мвар
U, кВ SU, % U, кВ SU, %
2 10,20 7,30 8,34 24,16 - -
2' 10,28 6,35 - - - -
3 9,52 13,41 7,49 31,93 1,17 0,53
4 9,31 15,39 7,19 31,65 1,43 0,59
5 8,77 20,32 6,38 42,04 1,68 0,89
6 9,36 14,94 7,26 34,00 1,92 0,93
7 9,22 16,23 6,91 37,14 1,59 0,62
8 9,29 15,55 7,03 36,04 1,32 0,72
9 9,37 14,79 7,15 35,00 1,72 0,76
10 9,39 14,63 7,18 34,76 1,84 0,86
Параметры ветвей
№ ветви Нормальный Послеаварийный
S ^начала; МВА I, А ДР, кВт SU, % S ^начала; МВА I, А ДР, кВт SU, %
0-1 21,4+14,3 426 832 6,27 23,2+21,4 553 1401 9,19
1-2 6,7+4,6 142 57 4,74 14,6+12,8 373 400 14,07
1-2' 7+4,4 147 61 4,85 - - - -
2-3 1,2+0,6 78 60 6,11 1,3+0,7 99 96 7,77
2-4 1,5+0,7 96 99 8,08 1,6+0,8 123 163 10,49
2-5 1,9+1,2 125 199 13,01 2+1,4 170 366 17,88
2-6 2+1,1 132 125 7,63 2,1+1,2 168 205 9,84
2'-7 1,7+0,8 107 134 9,69 1,8+0,9 141 234 12,98
2'-8 1,4+0,9 93 103 9,01 1,5+1 122 176 11,90
2'-9 1,8+0,9 116 121 8,25 1,9+1 151 205 10,84
2'-10 2+1 125 127 8,09 2+1,2 162 214 10,60
Примечание: 2' - номер узла, который в аварийном режиме при срабатывании секционного выключателя совмещается с узлом 2.
Рис. 3. Технические мероприятия, повышающие уровень напряжения в узлах нагру зкии снижение потерь мощности в нввпнеделительавксечях
Fig. 3. Technical measuresthatincreasethevoltage intheloadnodes and reduc e power losses in the distribution networks
Применение батарей статических конденсаторов позволяет снизить перетоки реактивной мощности в сети, что приводит к уменьшению потерь активной энергии в сетях 11-33 кВ, а это в свою очередь дает возможность снизить загрузку ЛЭП и трансформаторов. Продольная компенсация используется для уменьшения реактивного сопротивления линии. Компенсация проводится последовательным включением в рассечку ЛЭП батареи конденсаторов. При такой компенсации батареи конденсаторов подключаются на шины 11 кВ параллельно нагрузке, что приводит к уменьшению потерь мощности и электроэнергии. Но уменьшение передаваемой реактивной мощности снижает потери энергии незначительно, так как активная передаваемая мощность не уменьшается.
Регулирование напряжения трансформатора при использовании устройства регулирования под нагрузкой (РПН) применяется для повышения напряжения с высокой стороны трансформатора, что увеличивает напряжение в узлах нагрузки, но не снижает значение передаваемых мощностей. Поэтому использование РПН снижает уровень потерь напряжения, но не приводит к разгрузке ЛЭП.
Статический тиристорный компенсатор представляет собой устройство для плавного регулирования реактивной мощности и удержания ее значения в заданных пределах. Его принцип работы основан на параллельном включении в сеть фильтрокомпенсирующих цепей, выполняющих функцию фильтров высших гармоник. Данное техническое решение оправданно при значительном преобладании нелинейных потребителей, но не влияет на значение передаваемой мощности.
С учетом климатических особенностей Ирака (протяженность распределительных сетей, удаленные труднодоступные районы с неразвитой инфраструктурой, высокая стоимость строительства дополнительных ЛЭП) наиболее целесообразным техническим решением по снижению загруженности распределительных сетей 33/11 кВ является применение распределенной генерации. Дополнительными факторами целесообразности использования распределенной генерации служит невысокая стоимость дизельного топлива и достаточно высокий уровень солнечного излучения. Зарубежный и российский опыт свидетельствует, что в качестве распределенной генерации нашли широкое применение фотодизельные электроэнергетические
системы [19, 20]. Пример использования таких систем показал, что они способны решать следующие задачи: снижать капитальные затраты на строительство новых ЛЭП и уменьшать финансовые риски, вводить дополнительные мощности взамен выбывающих, снижать затраты на потери мощности и электроэнергии в элементах распределительных сетей [21, 22].
Существуют различные схемы подключения распределенной генерации. На рис. 4. представлены схемы подключения фотоэлектрических панелей (ФП) и дизельной электростанции (ДЭС) к системе электроснабжения [23, 24]: раздельная работа ДЭС и ФП с накопителем электроэнергии (НЭ), подключенных через батарейный инвертор (рис. 4а); подключение через сетевой инвертор ФП параллельно с локальной электрической сетью, образованной ДЭС (рис. 4б); раздельная и совместная работа ФП и ДЭС с использованием НЭ и гибридного инвертора (рис. 4в).
В качестве примера использования распределенной генерации рассмотрен узел 2. Дефицит активной мощности для данного узла составил 2000 кВт. Принимаем к установке дизель-электростанцию Marelli MJB 400-LB4 мощностью 1500 кВт и фото панели Yingli Solar Panda YL275C-30b суммарной мощностью 500 кВт [25]. В программе RastrWin3 произведен расчет режимов на основании схемы замещения (рис. 2) с учетом установленной распределенной генерации.
Результаты расчета нормального и послеаварийного режима работы с использованием распределенной генерации представлены в табл. 2.
Сравнительный анализ результатов расчета, представленных в табл. 1 и 2, показал, что применение распределенной генерации в узле 2 снизило потери напряжения в узлах нагрузки, следующих за вторым узлом, более чем на 10 %. При этом ток и потери мощности в распределительной сети напряжением 33 кВ уменьшились примерно на 40 %.
Выводы
1. Расчет нормального и послеаварийного режимов работы распределительных сетей Ирака напряжением 33/11 кВ показал, что сети перегружены и всвязи с этим потери на-
Рис. 4. Схемы подключения фотодизельных электростанций
Fig. 4. Connection schemes of the photo-diesel powerhouses; PP -photovoltaic panels; DPS - diesel power station; PS - powerstorage;BI- battery inverter;ENI - electric network inverter
Таблица 2 Результаты расчета нормального и послеаварийного режимов в распределительных сетях с использованием распределенной генерации
Table 2. A results of the normal calculation and post-accident modes in the distribution networks with using distributed generation
Параметры узлов с использованием распределенной генерации
№ узла Нормальный Послеаварийный Рр, МВт Qp, Мвар
U, кВ SU, % U, кВ SU, %
2 11,16 1,46 9,58 12,87 - -
2' 11,26 2,35 - - - -
3 10,56 4,01 8,86 19,43 1,17 0,53
4 10,37 5,74 8,62 21,59 1,43 0,59
5 9,90 9,99 8,02 27,09 1,68 0,89
6 10,41 5,36 8,68 21,10 1,92 0,93
7 10,31 6,28 8,42 23,50 1,59 0,62
8 10,37 5,71 8,50 22,72 1,32 0,72
9 10,45 5,03 8,59 21,87 1,72 0,76
10 10,46 4,90 8,61 21,69 1,84 0,86
Параметры ветвей с использованием распределенной генерации
№ ветви Нормальный Послеаварийный
S ^lj началам МВА I, А ДР, кВт SU, % S ^уначала; МВА I, А ДР, кВт SU, %
0-1 12,3-0,3 205 192 1,46 17,2+8,5 336 517 4,74
1-2 4,6+0,7 79 18 0,94 11,9+6,6 250 0,179 7,18
1-2' 4,9+0,8 83 20 1,01 - - - -
2-3 1,2+0,6 70 49 5,50 1,2+0,6 84 70 6,56
2-4 1,5+0,7 86 80 7,24 1,5+0,8 103 115 8,72
2-5 1,8+1,1 111 156 11,48 1,9+1,2 137 236 14,22
2-6 2+1,1 118 101 6,85 2,1+1,1 142 145 8,23
2'-7 1,7+0,8 96 107 8,63 1,7+0,8 117 160 10,63
2'-8 1,4+0,8 84 82 8,06 1,4+0,9 102 122 9,85
2'-9 1,8+0,9 104 98 7,39 1,9+1 126 144 9,00
2'-10 1,9+1 112 102 7,25 2+1,1 136 150 8,82
пряжения и мощности в узлах и ветвях достигают предельных величин. Так, например, потери напряжения между узлами 2-5 составляют 5и = 20,3 %, а потери мощности в ветви - ДР = 199 кВт, что свидетельствует о перегрузке распределительных сетей и необходимости принятия соответствующих технических решений по изысканию резервных мощностей.
2. Анализ технических мероприятий, повышающих уровень напряжения в узлах нагрузки и снижающих потери мощности в распределительных сетях, показал, что с учетом климатических особенностей Ирака и стоимости дизельного топлива наиболее рациональным вариантом снижения потерь мощности и напряжения является использование распределенной генерации, включающей в себя дизельные электростанции и фотоэлементы.
Список литературы
[1] Фурсанов М.И., Золотой А.А., Макаревич В.В. Учет потребительских энергоисточников в расчетах распределительных электрических сетей 6-10 кВ. Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ, 2011, 4, 11-15 [Fursanov M.I., Golden A.A., Makarevich V.V. Accounting for consumer energy sources in the calculations of distribution networks 6-10 kV. Energy. Proceedings of higher educational institutions and energy associations of the CIS, 2011, 4, 11-15 (in Russian)].
[2] Авербух М.А., Жилин Е.В. Влияние нелинейной и несимметричной нагрузки на систему электроснабжения жилых микрорайонов. Промышленная энергетика, 2017, 12, 40-45 [Averbukh M.A., Zhilin E.V. Influence of nonlinear and asymmetric load on the power supply system of residential areas. Industrial energy, 2017, 12, 40-45 (in Russian)]
[3] Wang X.F., Song Y., Irving M. Modern Power Systems Analysis. Springer-Verlag New York, Inc., 2008. 561 p.
[4] Averbukh М.А., Zhilin E.V., Roschubkin P.V. Experimental analysis of electrical modes in a residential estate electrical power supply system. J. of Engineering andAppl. Sciences, 2017, 12, 34463451.
[5] Ramachandra Murthy K.V. S., Ramalinga Raju M. Electrical energy loss in rural distribution feeders, a case study. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 2009, 4(2), 33-37.
[6] Costa P.M., Matos M.A. Loss allocation in distribution networks with embedded generation. IEEE transactions on power systems, 2004, 19(1) 384-389.
[7] Rashid S. Electricity Problem in Iraq. Hamburg, 2012, 22 p.
[8] Larkin L. Iraq's electricity master plans. Iraq future energy, 2011, 69 p.
[9] Идельчик В.И. Расчеты и оптимизация режимов электрических сетей и систем. Энергоатомиздат, 1988, 287 с. [Idelchik V.I. Calculations and optimization of electrical networks and systems. Energoatomizdat, 1988, 287 p. (in Russian)]
[10] Веников В.А., Глазунов А.А., Жуков Л.А. Электрические системы. Электрические сети, М.: Высш. школа, 1998, 511 с. [Venikov V.A., Glazunov A.A., Zhukov L.A. Electrical systems. Electricity of the net, Moscow: High. school, 1998, 511 p. (in Russian)]
[11] Неуймин В.Г., Машалов Е.В., Александров А.С., Багрянцев А.А. Программный комплекс "RastrWin3". Руководство пользователя, 2015. 240 с. [Neumin V.G., Mashalov E.V., Aleksandrov A.S., Bagryantsev A.A. Software complex "RastrWin3". User's manual, 2015, 240 p. (in Russian)]
[12] Kim B.G., Rho D.S. Optimal voltage regulation method for distribution systems with distributed generation systems using the artificial neural networks. Journal of Electrical Engineering and Technology, 2013, 8(4), 712-718.
[13] Марикин А.Н., Мирощенко А.В., Кузьмин С.В. Устройство поперечной компенсации реактивной мощности с изменяющейся индуктивностью. Известия Петербургского университета путей сообщения, 2015, 3(44) 77-84. [Marikin A.N., Miroschenko A.V., Kuzmin S.V. Transverse reactive power compensation device with varying inductance. News of the Petersburg University of Communications, 2015, 3(44), 77-84. (in Russian)]
[14] Shahnia F., Rajakaruna S., Ghosh A. Static compensators (STATCOMs) in power systems. Springer Singapore, 2015, 175 p.
[15] Biswas M.M., Das K.K. Voltage level improving by using static VAR compensator. Global Journal of researches in engineering J. General Engineering, 2011, 11(5) 12-18.
[16] Виноградов А. В. Голиков И.О., Бородин М.В., Бородина Е.В. Матическое регулирование напряжения на трансформаторной подстанции: способ, алгоритм и метод расчета. Промышленная энергетика, 2014, 11, 51-55 [Vinogradov A.V. Golikov I.O., Borodin M.V., Borodina E.V. Matical voltage regulation at a transformer substation: method, algorithm and method of calculation. Industrial energy, 2014, 11, 51-55. (in Russian)]
[17] Bollen M.H.J., Hassan F. Integration of distributed generation in the power system. John wiley & sons, 2011, 80, 510 p.
[18] Georgilakis P.S., Hatziargyriou N.D. Optimal distributed generation placement in power distribution networks: models, methods, and future research. IEEE transactions on power systems, 2013, 28(3), 3420-3428.
[19] Дмитриенко В.Н., Лукутин Б.В. Солнечно-дизельные системы электроснабжения северных поселков. Современные проблемы науки и образования, 2014, 3, 1-7 [Dmitrienko V.N., Lukutin B.V. Solar-diesel power systems of the northern villages. Modern problems of science and education, 2014, 3, 1-7. (in Russian)]
[20] Mamaghani A.H., Escandon S.A.A., Najafi B., Shirazi A., Rinaldi F. Techno-economic feasibility of photovoltaic, wind, diesel and hybrid electrification systems for off-grid rural electrification in Colombia. Renewable Energy, 2016, 97, 293-305.
[21] Саврасов Ф.В., Лукутин Б.В. Расчет эффективности использования автономных систем электроснабжения с фотоэлектростанциями на примере Томской области. Известия ТПУ, 2013, 322(6), 17-21 [Savrasov F.V., Lukutin B.V. Calculation of the effectiveness of the use of autonomous power supply systems with photopower plants on the example of the Tomsk region. News of TPU, 2013, 322(6), 17-21. (in Russian)]
[22] Стребков Д.С. Сельскохозяйственные энергетические системы и экология. Альтернативные источники энергии: эффективность и управление, 1990, 1, 39-40 [Strebkov D.S. Agricultural energy systems and ecology. Alternative energy sources: efficiency and control, 1990, 1, 39-40. (in Russian)]
[23] Mesquita F.G.G. Design optomization of stand-alone hybrid energy systems, Thesis ... cand. of tech. sci. Fevereiro de 2010, 120 p.
[24] Лукутин Б.В., Шандарова Е.Б. Энергоэффективность фотоэлектростанций в автономных системах электроснабжения. Томск: Изд-во ТПУ, 2008. 140 c. [Lukutin B.V., Shandarova E.B. Energy efficiency ofphoto power plants in autonomous power supply systems. Tomsk: Publishing TPU, 2008, 140 p. (in Russian)]
[25] Производитель фотоэлектрических панелей Yinglisolar [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.yinglisolar.com/en/products/monocrystalline/ylm-60-cell-series-1/ - Заглавие с экрана. [Fabricante de painéis fotovoltaicos Yinglisolar in China [Electronic resourse] -Access: http://www.yinglisolar.com/en/products/monocrystalline/ylm-60 -cell-series-1/ (in Russian)]
