CC BY
26
УДК 621.311
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НОРМАТИВНЫХ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В СЛОЖНОЗАМКНУТЫХ СЕТЯХ
Валеев И.М., ФГБОУ ВПО «КГЭУ», д-р техн. наук, профессор Мусаев Т.А., филиал ОАО «Сетевая компания» КЭС Федоров О.В., НГТУ, д-р техн. наук, профессор Контакты: ilgizvaleev@yandex.ru
В работе решается задача усовершенствования известных методик определения уровня потерь мощности в сложнозамкнутых городских распределительных сетях напряжением 6(10) кВ. Разработаны приемы и методы, позволяющие применять методику по отношению к действующей системе электроснабжения.
Ключевые слова: городская распределительная сеть, методика расчета потерь мощности, усовершенствование.
Актуальность
В соответствии с требованиями закона от 13.07.2015 № 261 -ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» перед сетевыми предприятиями, эксплуатирующими системы электроснабжения, ставится задача эффективного и качественного обеспечения электроэнергией.
Эффективное электроснабжение обеспечивается путем снижения уровня потерь мощности при одновременном обеспечении требуемого уровня надежности. Потери электроэнергии в электрических сетях - это потери мощности за определенный промежуток времени. Величина потерь определяется характером изменения нагрузки в течение этого периода времени. В общем случае уровни потери электроэнергии ДЖ в элементе электрической сети с неиз-
84
менным сопротивлением И и напряжением и за промежуток Т можно рассчитать по формуле [1; 2]:
т = з • я /0г/2(о аг = ^/0Г52 (1)
Расчет ДЖ требует знания закона изменения тока или мощности во времени. Однако в общем случае этот закон математическому описанию не поддается. Поэтому для учета изменения тока или мощности во времени применяют различные математические и алгоритмические приемы, позволяющие приблизиться к определенным значениям потерь. Однако эти приемы не нашли широкого применения, что привело к ограничению области их применения.
Согласно [2], мероприятиями по снижению потерь являются практические действия, приводящие к ее реальному снижению. Мероприятия могут быть разделены на четыре группы: выбор и оптимизация режимов работы электрических сетей в зависимости от конфигурации; выбор схем подстанций и разработка требований надежности электроснабжения потребителей; совершенствование систем коммерческого учета электроэнергии; снижение уровня хищения электроэнергии. Анализ приведенных групп показывает, что в условиях действующей городской распределительной сети напряжением 6(10) кВ наиболее целесообразными являются мероприятия, направленные на улучшение режимов работы.
Анализ подходов к усовершенствованию известных методик расчета уровня потерь мощности в сети
В силу ряда особенностей распределительные сети работают в разомкнутом режиме, т.е. в сети имеется точка деления (ТДС). Улучшение режима работы сети, в первую очередь, связана с управлением режимом работы системы. Оперативный руководитель, осуществляющий управление режимом работы сети, обязан
85
обеспечивать качественное и надежное электроснабжение потребителей. Управление режимом работы включает в себя, в том числе, выбор и поддержание ТДС. При современных подходах к выбору месторасположения ТДС, как показывает практика, в первую очередь решаются вопросы обеспечения надежности электроснабжения потребителей, а вопросы обеспечения нормального режима работы сети рассматриваются частично. Таким образом, в целях улучшения режима работы городской распределительной сети предлагается учитывать факторы экономичного электроснабжения при выборе месторасположения ТДС.
Недостатки современных методик расчета уровня потерь мощности обусловлены сложностью применения по отношению к распределительной сети, находящейся в эксплуатации. Данное обстоятельство обусловлено несколькими факторами:
1. большое количество узлов и ветвей в действующей схеме;
2. сложность взаимосвязи ветвей схемы;
3. динамическое расположение точки потокораздела;
4. сложность в определении месторасположения точки пото-кораздела;
5. громоздкость и сложность формирования уравнений, описывающих режим работы сети.
С целью устранения указанных сложностей, а также исходя из анализа режима работы, характеристик, состава оборудования и конфигурации городской распределительной сети напряжением 6(10) кВ осуществлена разработка следующего алгоритма:
1. выделение ограниченного участка из полной схемы электроснабжения (ЭСН) города;
2. определение точки потокораздела для выделенного участка;
3. разбиение выделенного участка на 2 части, соответствующих исходному месторасположению ТДС;
4. расчет уровней узлового напряжения;
86
5. расчет потокораспределения мощности и вычисление уровня потерь мощности с учетом уровня узлового напряжения, соответствующего расположению точки размыкания;
6. поочередный перенос точки размыкания в узлы системы;
7. сравнительный анализ полученных результатов и рекомендации по переносу места размыкания сети.
Для практического применения разработанного алгоритма, из схемы ЭСН одного из районов электрических сетей выделен ограниченный участок, на котором наблюдаются повышенные уровни отклонения узлового напряжения и потерь мощности (рис. 1).
Л 112
ТП 2009
ТП 122
/V
ТП 290
ТП 178
*<г
ТП 134 Л
РП 1
ТП 352
ТП 375 ТП 309 ТП 90
ТП 85 ТП 326 ТП 2096
Рис. 1. Выделенный участок
Согласно следующему шагу алгоритма, вычисляется точка по-токораздела. Известная методика [1] предполагает допущение о равенстве напряжений в узлах сети, тогда
=1 =0
(2)
или
512 -Й12 + ^23 -Й23 + ■■■ + =0
I) "у
(3)
87
Подставляя известные значения сопротивлений и узловых мощностей, определяется переток мощности по начальному участку, далее определяются перетоки мощности по остальным участкам сети.
Характерной особенностью городской распределительной сети является большое количество узлов и ветвей системы, а значит большое количество слагаемых в сумме (2), что в свою очередь затрудняет решение уравнения при определении перетока мощности по начальному участку.
Для упрощения процедуры нахождения перетока мощности начального участка необходимо проанализировать формулу (2).
Запишем уравнение (1) в следующем виде
+ (sij-si) •Ri+u+1 +
+(SiJ - Sj - Sj +1) • Rt+2J +2 ... + ■■■ = 0 , (4)
где Sij - переток мощности начального участка, МВА, R - сопротивление начального участка, Ом, Sj - мощность узла j, МВА.
Раскрывая скобки и перенося известные слагаемые (значения узловых мощностей и сопротивления ветвей) получим
• Rij + ^ij • Ri+ij+i + Sij • Ri+2,j +2 .■■ + ■■■ = Sj • Ri+ij+i + +Sj • Ri+2j +2 + Sj +1 • Ri +2,j +2 "■ + ■" (5)
или
Sij • (Rij + Ri+1j +1 + Ri +2,j +2 "■ + ■•• ) = Sj • (Ri+ij +1 + Ri+2,j +2 "■ + ... ++Sj+1Ri+2j+2... +... (6)
Таким образом,
88
_ ^"(^¿+1,; +1 +^¿+1,7 +1 ■■■ + ■'• )+$] +1' ^1+2,! +2 ■■■ + ■'
% +^(+1,; +1+^(+2,у +2 ■■■ + ■'
(7)
Приводя формулу в сокращенный вид и используя полное значение мощности 2, получаем
¿п <-. ук У =1 •>] у(,у =
^ = ЛТ 1 =2 " , (8)
¿¿=1,7 =¿+1 ¿1-]
где п - число узлов в схеме, к - число ветвей в схеме.
Усовершенствование известных методик
Анализ (7) показывает, что формула является достаточно громоздкой, сложной в формировании, содержит большое количество слагаемых, поэтому для уменьшения вероятности возникновения ошибки при расчете перетоков мощности предлагается использовать матричные методы расчета. Для упрощения формирования уравнения, предлагается ввести представленные ниже дополнительные коэффициенты.
С целью усовершенствования известной методики определения точки потокораздела, представим процесс в виде последов а-тельности этапов:
1. Запишем уравнение для определения потока мощности начального участка БНУ, кВА в виде
с _ ¿¡=ц =¿+1 ^НУ = " >
¿¿=1,7 =¿+1 ¿1-]
(9)
где Бу - столбец узловых мощностей, кВА; Z - дополнительно введенный коэффициент - столбец суммарных сопротивлений, кото-
89
рый отражает сумму сопротивлений ветвей с учетом конфигурации сети Ом; . - столбец сопротивлений ветвей, Ом; i, j - номер узла.
Для упрощения расчетной части вводится дополнительный столбец Z, который определяется как
I = г^р (10)
где I - также вновь введенный коэффициент, матрица взаимосвязи сопротивлений и ветвей, данная матрица квадратная и имеет размерность п-1 х п-1 (п - число узлов), состоит из нулей и единиц, по главной диагонали матрицы и выше располагаются единицы, ниже главной диагонали располагаются нули.
t =
1 - 1 0 - 1
V - столбец сопротивлений ветвей, Ом.
2. В связи со сложностью конфигурации сети необходимо упрощение рассматриваемой схемы и приведение ее к стандартной с односторонним питанием. Преобразование схемы представлено на рис. 2:
Упрощение схемы заключается в преобразовании тупиковых ветвей, т.е. ветвей, содержащих подстанции с односторонним питанием. Это достигается путем суммирования соответствующих узловых мощностей:
5у1. = 51+ 52+ 5з (11)
5у2' = 54 + 55' (12)
В преобразованной схеме изменяется количество узлов и ветвей, поэтому необходимо произвести новую нумерацию. Все обо-
90
значения, относящиеся к преобразованной схеме обозначаются знаком (п').
ИП1 п ИП2
в 1 С 4
'2
3
V
5 \/
ИП 1
1'
2'
ИП 2
к'
Рис. 2. Преобразование исходной схемы в стандартную схему с односторонним питанием где п - число узлов выделенного участка, к - число ветвей участка, п' - число узлов после преобразования схемы, к' - число ветвей после преобразования
3. Вычисление потоков мощности Б^— остальных участков производится исходя из известного значения потока мощности начального участка Б^у и узловых мощностей 5у.
5
У
—
/ — 1... к,} — / + 1
(13)
4. Выявление точки потокораздела участка, путем распределения полученных значений мощности по ветвям схемы. Переток меньше нуля, т.е. Б^— < 0 означает, что узел г является точкой пото-кораздела мощности.
Таким образом, предлагаемая последовательность, включающая в себя 4 этапа, позволяет упростить процесс отыскания месторасположения точки потокораздела.
6
2
5
3
1'
91
Согласно следующему пункту алгоритма, участок ( см. рис. 3) делится на две части, соответствующих ТДС. Данный прием позволяет упростить расчетную часть.
Л 112
ТП 2009
ТП 122
А
ТП 290 ТП 178
А
ТП 134 А
РП 1
Л 112
ТП 352 ТП 375 ТП 309 ТП 90 ТП 85 ТП 326
ТП 2009
ТП 122
ТП 290
ТП 178
ТП 2096
ТП 134 А
РП 1
ТП 352
ТП 309 ТП 90
ТП 85 ТП 326
ТП 2096
Рис. 3. Разбиение выделенного участка
Далее производится вычисление уровней узловых напряжений для данного месторасположения ТДС.
Существует множество методов вычисления уровня напряжения в узлах схемы представленной на рисунке 3. В качестве основного выбран метод узловых напряжений МУН [3].
Известные методики вычисления потерь мощности [1; 4] рекомендуют проводить предварительный расчет точки потокораздела выделенного участка, за которым следует расчет потоков мощности по ветвям системы, а также распределение полученных результатов по ветвям системы. Перемещение ТДС в новый узел приводит к необходимости повторения указанных операций. При этом процесс расчета достаточно сложен из - за большого количества узлов и ветвей, что в свою очередь ведет к большому количеству коэффициен-
92
тов в уравнении и значительно усложняет расчетную часть. Кроме того, при переносе ТДС изменяется направление потоков мощности, что еще больше затрудняет применение известных методик.
Известно, что потокораспределение мощности определяется значениями узловых мощностей. Однако отсутствие коэффициентов связывающих уровни узловых мощностей и значения перетоков мощности по ветвям системы, приводит к дополнительным сложностям при вычислении уровня потерь мощности. Таким образом, ввод коэффициента, который позволит связать потоки мощности по ветвям сети и уровни узловых мощностей, приведет к упрощению вычислений, за счет уменьшения количества операций необходимых для вычисления уровня потерь мощности на рассматриваемом участке.
Исходя из анализа свойств матриц, состава и конфигурации исследуемой сложнозамкнутой городской распределительной сети, рекомендуется ввести дополнительный коэффициент - «матрицу связи узловых мощностей и перетоков мощности в системе» - (Т). Строки этой матрицы соответствуют ветвям, столбцы - узлам рассматриваемого участка.
Заполнение матрицы Т осуществляется по следующим правилам: если поток мощности соответствующей ветви питает рассматриваемый узел системы, то элемент матрицы равен единице, если узел не получает питание от соответствующей ветви, в матрицу з а-носится ноль:
Бв — Т- 5у, (14)
где Бв - перетоки мощности по ветвям системы, кВА; Т - матрица связи узловых мощностей и перетоков мощности; Бу - значения узловых мощностей, кВА.
Далее проводится расчет уровня потерь мощности по выделенным участкам сети. Согласно принятой методике при расчете потерь мощности учитываются уровни узлового напряжения сети:
93
52-
АРс = =1 ^ -Яц. (15)
Суммарные потери мощности получаем, складывая потери по участкам сети:
АР = АР1 + АР2, (16)
где АР у - значение потерь мощности на первом участке, кВт; ДР2 -значение потерь мощности на втором участке, кВт.
Далее, согласно предложенному алгоритму проводится перенос точки деления в смежные узлы и проводится расчет параметров режима работы и уровня потерь мощности на рассматриваемых участках при вновь заданной точке.
Необходимо отметить, что в качестве альтернативного месторасположения ТДС необходимо рассматривать узлы, расположенные как можно ближе к точке потокораздела. Связано это, в первую очередь, с нецелесообразностью переноса точки в узлы, удаленные от указанной точки, так как это приведет к неэкономическому распределению мощностей и значит - к увеличенным потерям в сети. Кроме того, в некоторых случаях перенос точки может отрицательно влиять на надежность электроснабжения потребителей.
Полученные результаты
В результате проведенных расчетов получаем значение уровня потерь мощности при изменении ТДС (см. таблицу):
Таблица. Значения уровня потерь мощности при переносе ТДС
Месторасположение точки деления сети Узел №6 исходный разрыв Узел №5 точка А Узел №6 точка В Узел №7 точка С
Потери мощности, АР, кВт 23,71 30,86 19,12 17,32
94
График зависимости изменения уровня узлового напряжения от месторасположения ТДС представлен на рисунке 4.
о
о.
>
6,002 6
5,998 5,996 5,994 5,992 5,99 5,988 5,986
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213 Номер узла
-Исходная точка размыкания
точка А
точка В
точка С
Рис. 4. График зависимости уровня узлового напряжения от месторасположения ТДС
По результатам расчетов наименьшие потери мощности в рассматриваемой сети обеспечиваются при переносе ТДС в узел №7 (точка потокораздела). При этом по сравнению с потерями, соответствующими местоположению точки деления, в узле №5 обеспечивается снижение на 44%, по сравнению с исходной точкой деления сети потери сокращаются на 27%. Таким образом, для уменьшения уровня потерь мощности целесообразно осуществлять перенос точки размыкания сети в точку потокораздела. Однако необходимо отметить, что точка потокораздела не всегда обеспечивает надежное электроснабжение потребителей, кроме того, она может не удовлетворять условиям оперативной гибкости.
95
Выводы
В результате проведенного исследования получены следующие результаты:
1. Проведен анализ современных подходов к проблеме снижения уровня потерь мощности в городской распределительной сети напряжением 6(10) кВ.
2. Проведен анализ существующих методов расчета уровня потерь мощности в системе электроснабжения 6(10) кВ.
3. Предложены коэффициенты, позволяющие усовершенствовать известные методы и упростить их применение по отношению к действующей сети.
4. Разработан алгоритм и методика определения уровня потерь мощности городской распределительной сети напряжением 6(10) кВ.
5. Осуществлено применение разработанного алгоритма и методики по отношению к действующей системе электроснабжения.
Источники
1. Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии: учебное пособие. М.: КНОРУС, 2012. 648 с.
2. Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов. М.: ЭНАС, 2009. 456 с.
3. Константинов В.Н. Моделирование режимов работы электроэнергетических систем. Казань, 2010. 85 с.
4. Лыкин А.В. Электрические системы и сети. Новосибирск: НГТУ, 2002. 248 с.
IMPROVEMENT OF TECHNIQUES FOR DETERMINING THE LEVEL OF POWER LOSSES IN DISTRIBUTION URBAN NETWORKS VOLTAGE OF 6 (10) kV Valeev I.M., Musaev T.A., Fedorov O.V.
We solve the problem of improving methods for determining level of power losses in distribution urban networks voltage of 6 (10) kV, developed techniques and methods allowing to apply to the power supply system.
Keywords: distribution urban networks, the method of calculating the power losses, improvement.
Дата поступления 28.01.2016.
96
