CC BY
27
УДК 621.311.1
МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
Г.Ф. КОВАЛЕВ, Д.В. ЧЕРНОВ
Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН
Излагаются содержательная постановка, математическая формализация и алгоритм решения задачи комплексной оценки надежности электроснабжения и качества электроэнергии в сельских распределительных сетях. Обсуждаются особенности структуры и эксплуатации данных сетей и способы учета этих особенностей в предлагаемой методике решения поставленной задачи. Целесообразность и работоспособность этой методики проверена на реальной схеме одного из региональных сетевых районов в современных условиях его функционирования.
Ключевые слова: комплексная оценка надежности, распределенная магистраль, недоотпуск электроэнергии.
В [1] особо обращается внимание, что для решения задач управления ЭЭС на различных иерархических уровнях, в том числе и с учетом надежности и качества электроснабжения, не представляется возможным воспользоваться какой-то единой математической моделью. При решении каждой конкретной задачи, в зависимости от временной заблаговременности, территориальных размеров зоны и технологического звена управления требуются разные подходы к учету влияющих факторов, степени их полноты и точности представления.
Решаемая в данной работе задача комплексной оценки надежности электроснабжения и качества электроэнергии в сельских распределительных сетях весьма специфична и, фактически, ставится впервые.
Необходимость разработки специальной методики для данного конкретного случая обосновывается следующими особенностями:
1) комплексностью подхода к оценке надежности и качества электроснабжения;
2) уровнем сельских распределительных сетей;
3) спецификой рассматриваемого положения управляемого объекта, находящегося в предкризисном техническом состоянии и в условиях глубокого незавершенного реформирования, когда управление объектом приходится осуществлять при наличии технико-экономической и правовой неопределенности.
Решаемая задача подразделяется на три этапа:
1. Оценка вероятностей (относительных длительностей) возможных состояний (нормальных, ремонтных, и аварийных) каждой из питающих магистралей.
2. Расчет и оптимизация режима каждого из состояний, определенных на первом этапе.
3. По результатам вычислений на этапах 1 и 2 - расчет показателей надежного и качественного электроснабжения потребителей.
© Г. Ф. Ковалев, Д. В. Чернов
Проблемы энергетики, 2009, № 1-2
В результате применения предлагаемой методики определяются следующие показатели:
1) суммарный недоотпуск электроэнергии за год из-за погашения потребителей;
2) суммарный недоотпуск электроэнергии за год из-за снижения качества электроэнергии у потребителей;
3) сумма недоотпусков электроэнергии, указанных в п.п. 1) и 2).
Для оценки вероятностей возможных состояний питающей магистрали предлагается использовать общую теорему о повторении опытов теории вероятностей, обобщающей теоремы сложения и умножения вероятностей [2] в виде
п
П (Рг + Г + 41 ), (1)
г=1
где п - число основных элементов, образующих распределительную магистраль; Р1 - вероятность работоспособного состояния г'-го элемента магистрали; гг -вероятность (относительная длительность) нахождения г-го элемента в плановом ремонте; 4г - вероятность аварийного состояния (отказа) г-го элемента. При этом
Рг + П + 41 =1
есть полная группа событий, в которых может находиться г'-й элемент.
Количество всех возможных теоретических состояний равно 3п и, хотя п обычно не превышает 20-30, все равно число всех состояний получается большим. Но при управлении сетью не все состояния, связанные с выводом оборудования в плановый ремонт, реализуются. На некоторые из них налагаются нормативные ограничения. С учетом изложенного, из всех возможных рассматриваются только состояния:
1) нормального режима (" п — 0"), вероятность которого равна
п
Рнорм =ПРг = Р1•Р2 •...• Рг •...• Рп ; г=1
2) режимов, характеризующихся плановым ремонтом одного из п элементов магистрали ("п — 1"):
рпл1 = Р1 • Р2 • ••• • гг • ■■■ • Рп , г = Ьп;
3) режимов, характеризующихся аварийным простоем одного из п элементов магистрали (" п — 1"):
Рав1 = Р1 • Р2 •■■■• 41 •■■■• Рп - г = Ьп ;
4) режимов, характеризующихся наложением на плановый ремонт г'-го элемента аварийного простоя у-го элемента (" п — 2"):
Р( пл+ав )у = Р1 • Р 2 •... • гг • ■■■• 4у • ■■■• Рп , Ь у = Ь п'; у * г .
В таком случае число состояний, подлежащих дальнейшему анализу, составит
2 2
N = 1 + п[пл] + п[ав] + п(п - 1)[пл + ав] = 1 + 2п + п - п = 1 + п + п ,
что гораздо меньше, чем 3п. Например, для п = 5, N = 31, а 35 = 243.
Состояния, оставленные для рассмотрения, подвергаются расчету на допустимость и оптимальность электрического режима: возможность полного покрытия потребностей в электрической мощности; обеспечение допустимых уровней напряжения на шинах потребителей. На третьем этапе производятся вычисления среднегодового недоотпуска электроэнергии по распределительной магистрали в целом. Для этого используются результаты вычислений на этапах 1 и 2.
Определяются следующие показатели:
1. Среднегодовой недоотпуск электроэнергии в каждом к-м потребительском узле из-за возникновения разрыва в цепи связи узла с центром питания (отказ оборудования магистрали) по формуле
N 8760 _
Сдкк = !£ <фка,к • ра , к = ,
а=1г=1
где Рдефак - величина отключаемой мощности в а-м расчетном состоянии для г-го часа годового графика нагрузки в узле к; р а - вероятность соответствующего
состояния ( р а = р норм , Р пл!(! = 1п) , Р аЪ1(! = ^п) X Р (пл+ай)! (1 = п (п - 1) ); Ткал = 8760 час - число часов в расчетном периоде, равном году.
2. Среднегодовой недоотпуск электроэнергии в каждом к-м потребительском узле из-за вынужденного отключения части нагрузки с целью ввода режима по напряжению на шинах потребителей в допустимую область:
N 8760 _
"н™ =!£ • ра , к = 1 ^ ,
а=1 г=1
где Рде^ - величина отключаемой мощности в а-м расчетном состоянии для г-го
часа годового графика нагрузки в узле к; р а - вероятность соответствующего
расчетного состояния.
3. Общий среднегодовой недоотпуск электроэнергии в каждом к-ом потребительском узле:
"недк! = А<етдк + , к = ^ .
4. Среднегодовой недоотпуск электроэнергии по магистрали в целом:
К
"нед£ = ^"недкЕ . к=1
В данной постановке наиболее ответственным этапом является уточненный расчет электрических режимов. Для этих целей используется программа СДО,
© Проблемы энергетики, 2009, № 1-2
разработанная в ИСЭМ СО РАН [3]. А в общем случае, возможно применение любой другой аналогичной программы оптимизации электрических режимов, которых (программ) достаточно много.
Исходными данными при расчетах режимов электрических сетей являются известные или прогнозируемые нагрузки потребительских подстанций, величины напряжения источников питания, получающих энергию по электрическим сетям от электростанций, а также параметры и взаимосвязь элементов сети, на основе которых составляется расчетная схема замещения. При этом учитываются характерные особенности сети и назначение расчетов. На данном этапе наибольший интерес представляет расчет режимов по напряжению, так как отклонение и провалы напряжения - есть наиболее проблематичные показатели качества электроэнергии в сельских сетях.
В данной математической модели целесообразно представлять снижение напряжения из-за плохого качества и выхода этого параметра за пределы ГОСТ в форме ограничения (отключения) потребителей, так как ввод этих параметров в допустимую область можно осуществить снижением нагрузки в соответствующих узлах на некоторую величину, минимально необходимую (при условии, что все остальные способы ввода режимных параметров в допустимую область исчерпаны.
Такое допущение позволяет получить обобщенный показатель (снижение покрытия нагрузки), учитывающий и бесперебойность электроснабжения, и качество электроэнергии в зависимости от надежности системы.
В данной модели также разделяется влияние ненадежности системы на снижение покрытия мощности из-за отказов оборудования (аварийные отключения): без снижения качества электроэнергии и с учетом снижения качества, вызванного отказами элементов системы.
Немаловажным вопросом в данной модели является приоритетность отключения нагрузки. Здесь эта задача решается исходя из категорийности и удаленности потребителей от центра электроснабжения. Сначала производится отключение наиболее удаленных потребителей от центра электроснабжения с наибольшим отклонением напряжения и с наименьшей значимостью категории электроснабжения, а так как узлы в сети взаимозависимы по напряжению, то, уменьшая нагрузку в одном узле (особенно, если он электрически наиболее удален от источника питания), тем самым поднимаем напряжение не только в этом узле, но и в других. Если эта мера не приводит к желаемому результату, то производим отключение следующих наиболее удаленных потребителей от центра питания потребителей (3-й или 2-й категории) и т.д.
В заключение следует заметить, что выбранная форма реализации предложенной методики на современном этапе больше соответствует условиям управления сельскими сетями и уровню оснащенности вычислительной техникой и соответствующими специалистами. Помимо оценки уровня надежности и качества электроснабжения, получаемые показатели необходимы для вычисления экономических характеристик надежности и качества с целью их использования при технико-экономических расчетах эффективности средств обеспечения требуемых уровней надежности и качества.
В качестве экономической характеристики надежности и качества электроснабжения применяется понятие ущерба от недоотпуска электроэнергии по любым причинам. На современном этапе для электроснабжающей организации в общем случае ущерб складывается из трех составляющих:
- снижение дохода от недопоставок электроэнергии;
- затраты на восстановление нормального энергоснабжения потребителей;
- штраф потребителям за нарушение их нормального электроснабжения (его величина оговаривается в договоре на электроснабжение и в общем случае должна равняться ущербу от недопоставок электроэнергии потребителям).
Выводы
Выполненные расчеты участка распределительной сети подтверждают работоспособность и эффективность предлагаемой методики расчета надежности сельских сетей, характеризующихся в основной своей массе радиальной схемой с ответвлениями.
Методика позволяет учитывать как фактор надежности электроснабжения, так и фактор качества поставляемой электроэнергии. Показана взаимосвязь надежности распределительной сети и качества электроэнергии у сельских потребителей.
Простая по сути методика, предлагаемая в этой работе, позволяет количественно обосновать простейшие недорогостоящие мероприятия по повышению надежности и качества электроснабжения.
Таким образом, разработанную методику можно рекомендовать для выполнения расчетов надежности и качества в сельских распределительных сетях.
Summary
The paper presents a conceptual statement, mathematical formalization and algorithm for solving the problem of integrated assessment of power supply reliability and power quality in rural distribution networks. Consideration is given to the specific features of the structure and operation of these networks and the methods for the features to be taken in to account in the technique suggested for solving the stated problem. The efficiency of the technique was tested on a real regional network under current operating conditions. The efficiency estimations of the methods for increasing reliability and quality of power supply to the rural consumers is shown using the suggested technique.
Литература
1. Надежность электроэнергетических систем: Справочник Т.2. М.: Энергоатомиздат, 2000. 567 с.
2. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: ГИФМЛ, 1968. 460 с.
3. Войтов О.Н., Насвицевич Б.Г., Поздняков А.Ю. Программно-вычислительный комплекс СДО-5 // Рекомендации по внедрению. Серия: Средства и системы управления в энергетике. Вып. 9. М.: ЭСП, 1989. С. 1-2.
Поступила в редакцию 14 октября 2008 г.
Ковалев Геннадий Федорович - д-р техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН, г. Иркутск. Тел. 8 (3952) 33-39-25; факс: 8 (3952) 42-67-96. Е-mail: kovalev@isem.sei.irk.ru.
Чернов Дмитрий Валерьевич - аспирант Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН, г. Иркутск. Тел. 8 (3952) 20-53-76.
