CC BY
270
УДК 621.311.1.004.12:621.311.2:621.165
Кочкина А.В., Малафеев А.В., Варганов Д.Е., Курилова Н.А., Дубина И.А.
Методика оптимизации эксплуатационных режимов
ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В данной статье рассматриваются вопросы оптимизации режимов промышленных систем электроснабжения с собственными источниками электрической энергии с использованием оригинального программного обеспечения «КАТРАН 7.0», позволяющего определять оптимальные загрузки турбогенераторов электростанций методом динамического программирования в сочетании с модифицированным методом последовательного эквивалентирования, учитывая при этом потери мощности в распределительных электрических сетях, разнородность используемого топлива, неблочность тепловых схем электростанций. Приведена методика оптимизации эксплуатационных режимов систем электроснабжения крупных промышленных предприятий. Расчет экономически целесообразных режимов осуществлялся в условиях системы электроснабжения крупного предприятия черной металлургии. Результаты работы предназначены для использования в диспетчерских службах промышленных предприятий.
Ключевые слова: турбогенератор, котлоагрегат, оптимальный эксплуатационный режим, электростанция, промышленное предприятие, система электроснабжения, себестоимость пара, выработка электроэнергии.
Вопросами оптимизации электроэнергетических систем и систем электроснабжения промышленных предприятий российские ученые занимаются с начала двадцатого столетия. В.А. Веников в своих работах [1] рассматривает задачи оптимального распределения активной мощности между генераторами электростанций, электрической нагрузки в энергосистеме, реактивных нагрузок. В работах Д.А. Арзамасцева [2, 3] приведен алгоритм определения оптимального распределения реактивной мощности в условиях промышленных систем электроснабжения на основе метода последовательного эквивалентирования и метода неопределенных множителей Лагранжа при условии сохранения баланса мощностей в узле и допустимого уровня напряжения. В качестве целевой функции приняты суммарные затраты на производство и распределение реактивной мощности, приведенные к потерям активной мощности. Также с целью оптимизации режимов электроэнергетических систем используются методы сепарабельного и аппроксимирущего программирования, аппроксимирующие целевую функцию с помощью отрезков кривых и тем самым приводят решение оптимизационной задачи к методам линейного программирования [4]. В [5] А.С. Бердиным приводится методика, позволяющая анализировать и определять стратегию развития систем электроснабжения, основанная на подходе и теории нечетких множеств, учитывающая «... неопределенность части исходной информации». Б.И. Гольденблат в своей работе [6] ставит основные задачи оптимизации режимов систем электроснабжения и выбор соответствующих им методов. В [7] рассматриваются современные подходы оптимизации режимов электроэнергетических систем за счет комплексного регулирования их параметров. Анализ печатных работ показал, что существующие методы оптимизации ориентированы в основном на электроэнергетические системы и возникает необходимость разработки алгоритмов и методов оптимизации промышленных систем электроснабжения
с собственными источниками электрической энергии.
На кафедре электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «МГТУ» разрабатывается и внедряется программно-вычислительный комплекс (ПВК) «КАТРАН 7.0», в состав которого входит модуль «Оптимизация» (главное окно модуля приведено на рис. 1), позволяющий определять оптимальные загрузки генераторов собственных электростанций (ЭС) промышленных энергоузлов с учетом потерь мощности в распределительных сетях, приема из энергосистемы, отличительных особенностей тепловых схем ЭС, разнородности используемых энергетических ресурсов.
Олтшпицма
Оптимизация | Свойства генераторов | Свойство уэгое связи |
Суммарная нагрузка |1 №6.850706741 С МВт Собственное производство |639.653S373Z95E МВт
Потребление иэ ■--Потери активной мощности i
Энергосистемы ICZ.37170930S4E МВт „ рвелрвдвгнтмьчы* UTK. р.1 ?46i9894B2f МВт
|Рвено
_ 3
[б2С МВт
Оптимизировать | ДООПТ ИНИЗВЦИЯ | |5
Оптимизация с учетом потерь -1 Потребление из
Затраты иаприеп. выработку и передачу электроэнергии е течение 1 чао
злв°твртэн^™Г |П91ПВ8.2гП?41< руб. Г
ЗатратуМД^МЧ^^дд ру6 Суммарные затраты 124757SWI2G№
|1241889.1078ХК
Основные показатели в оптимальном режиме.
Суммарная нагрузка |10-47.013180436Е МВт Собственное производство!«?.»!79В3760Е
Упрощенная оптимизация
" Эмпреемптимиэациябеэ ^;асГ:ВвЛаН,НОЙ Затраты на прием, выработку и передачу злектрознергии а течение 1 часа:
assÄKsr Рим™ PaS. ^jsSpSSTpSr- р™™« w
эп.к.тррэн.ргни злектрознергчи
"'j'^r jj! Суммарны, затрргы |гв38539№ЭВ9П
Рис. 1. Окно «Оптимизация» ПВК «КАТРАН 7.0»
Разработанный метод оптимизации основан на сочетании модифицированных методов динамического программирования и последовательного экви-валентирования, позволяющих задавать исходную информацию в табличной форме, целевую функцию, имеющую точки перегиба и разрывы, основные положения изложены в [8]. Критерием оптимальности является минимум затрат на мощность и тепло, вырабатываемое собственными источниками электроэнергии, и на потери мощности в распределительной сети промышленного энергоузла. Таким
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант №НК 14-07-00200\14.
образом, разработанный модуль позволяет осуществлять оптимизацию режимов систем электроснабжения:
- без учета потерь в сети;
- с учетом потерь в сети при условии декомпозиции общей задачи оптимизации с использованием метода покоординатного спуска - «Дооптимизация»;
- с учетом потерь в сети методом динамического программирования;
- с учетом потерь в сети и приема мощности из энергосистемы методом динамического программирования.
С целью оптимизации эксплуатационных режимов промышленных систем электроснабжения авторами была разработана методика оптимизации, представленная на рис. 2.
В качестве исходной информации необходимы: режимные карты котлов, диаграммы режимов турбогенераторов (ТГ), тепловые схемы собственных электростанций, электрические схемы рассматриваемой промышленной системы электроснабжения, величины электрических и тепловых нагрузок потребителей, величина мощности, потребляемой из энергосистемы, стоимостные показатели энергетических ресурсов - покупных (например, энергетиче-
Начало
ский уголь и природный газ) и вторичных (доменный, коксовый и конверторный газы).
На основании исходных данных рассчитывается себестоимость пара, вырабатываемого на собственных ЭС, методика определения изложена в [9]. Далее строятся технико-экономические (ТЭМ) модели ТГ, представляющие собой зависимость мощности на клеммах генераторов от себестоимости 1 т свежего пара.
Таким образом, в ПВК «КАТРАН 7.0» проектируется схема электроснабжения; задаются номинальные параметры элементов сети и нагрузки; вводятся ТЭМ (рис. 3) и мощность, принимаемая из энергосистемы, а также её стоимость.
Модуль «Оптимизация» позволяет определять рекомендуемую загрузку генераторов, затраты на прием, передачу и выработку электроэнергии, а также суммарные затраты при различных условиях связи с энергосистемой. На основании полученных результатов строятся зависимости мощности, принимаемой из энергосистемы, от оптимальной мощности на клеммах генератора, с помощью которых можно планировать загрузку источников электроэнергии при изменении условий приема мощности из системы.
А
Анализ генерирующего оборудования и котельных агрегатов электростанций промышленного предприятия
Исследование оптимальных режимов работы ТГ собственных ЭС промышленного предприятия с помощью ПВК «КАТРАН»
Сбор исходных данных:
1. Режимные карты котлов;
2. Диаграммы режимов ТГ;
3. Стоимостные показатели покупных и вторичных энергоресурсов;
4. Стоимость покупной электроэнергии;
5. Существующая загрузка ТГ ЭС
Расчет себестоимости 1 т. свежего пара собственных ЭС промышленного предприятия
1
Выявление расходных характеристик ТГ, соответствующих заданной температуре окружающей среды
"У -
Построение ТЭМ ТГ
I _
Ввод исходной информации в ПВК «КАТРАН»
Р Р
1 ре^ 1 собств,
З З
^потери; ^сист? Зсобств, Зсумм
Построение зависимостей рекомендуемой мощности ТГ от потребления мощности из энергосистемы и зависимостей суммарных затрат от мощности, потребляемой из энергосистемы
Анализ полученных результатов
Выдача рекомендаций по снижению затрат на выработку электроэнергии и пара собственными ЭС и снижению потерь мощности в узле за счет оптимального распределения мощностей между генераторами собственных ЭС
Конец
Рис. 2. Блок-схема методики оптимизации режимов электроснабжения промышленных предприятий
с собственными ЭС
Рис. 3. Окно корректировки параметров генераторов
Определение экономически целесообразных режимов систем электроснабжения крупных промышленных предприятий осуществлялось в условиях действующего объекта ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Магнитогорский энергетический узел получает питание от трёх узлов связи с энергосистемой - подстанция Бекетово, Троицкая и Ириклинская ГРЭС через две системные подстанции - Магнитогорская и Смеловская и от трех крупных местных электростанций суммарной мощностью около 635 МВт. Котлы электростанций работают как на покупном топливе (кузнецкий уголь и природный газ), так и на вторичных энергетических ресурсах (доменный и коксовый газы). Отличительной особенностью является работа электростанций как по тепловому, так и по электрическому графику. Тепловые схемы электростанций выполнены по неблочным схемам. Мощность источников электрической энергии варьируется от единиц до десятков мегаватт. Уровень напряжения распределительных сетей изменятся от 0,4 до 110 и 220 кВ.
Перечисленные выше особенности энергетиче-
ского узла учтены в методике оптимизации эксплуатационных режимов промышленных систем электроснабжения с собственными источниками электроэнергии.
Результаты исследований приведены в [9, 10]. На основании полученных данных построены зависимости суммарных затрат от мощности, принимаемой из энергосистемы (рис. 4), с учетом и пренебрежением потерь мощности в энергоузле, позволяющие оценивать экономически целесообразную работу системы электроснабжения при различных условиях связи с внешним источником.
Заключение
1. Полученные в ходе данной работы ТЭМ ТГ, отражающие зависимости себестоимости 1 т свежего пара от паропроизводительности котлов и мощности на клеммах генератора, позволяют в дальнейшем осуществлять разработку алгоритмов внут-ристанционной оптимизации тепловой и электрической энергии на неблочных заводских электростанциях;
2. Внедрение результатов работы позволит достичь снижение затрат на электроэнергию в условиях промышленных предприятий и в целом снизить долю энергозатрат в себестоимости готовой продукции;
3. Разработанная методика дает возможность определять оптимальные наборы управлений собственными источниками электрической энергии промышленного энергоузла в условиях ремонтных и послеаварийных режимов;
4. Результаты работы могут быть использованы в диспетчерских службах предприятий с собственными ЭС с разнородными первичными двигателями, работающими на разных видах топлива.
460 510 560 610 660 710
Мощность, принимаемая из энергосистемы, МВт
-Без учета др -■ - С учетом др - -Упрощ. оптимизация
Рис. 4. Зависимость суммарных затрат от мощности, потребляемой из энергосистемы
Список литературы
1. Веников В.А., Журавлев В.Г., Филиппова Т.А. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем. М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.
2. Арзамасцев Д.А., Липес А.В., Мызин А.Л. Модели оптимизации развития энергосистем. М.: Высш. шк., 1987. 272 с.
3. Арзамасцев Д.А., Игуменщев В.А. Расчет оптимального распределения реактивной мощности методом последовательного эквивалентирования // Электричество. 1976. №1. С. 70-72.
4. Бартоломей П.И., Грудинин Н.И. Оптимизация режимов энергосистем методами аппроксимирующего и сепарабельного программирования // Изв. Ак. наук. Энергетика. 1993. №1. С. 72-77.
5. Бердин А.С., Кокин С.Е., Семенова Л.А. Оптимизация системы электроснабжения в условиях неопределенности // Промышленная теплоэнергетика. 2010. №4. С. 29-35.
6. Гольденблат Б.И. Применение математического оптимального программирования для задач электроснабжения промышленных предприятий // Электричество. 1971. №2. С. 21-24.
Information in English
7. Methods for Optimization of Power-System Operation Modes / N.A. Belyaev, N.V. Korovkin, O.V. Frolov, V.S. Chudnyi // Russian Electrical Engineering, 2013, no. 2, pp. 74-80.
8. Малафеев А.В., Хламова А.В., Игуменщев В.А. Алгоритм оптимизации распределения активной мощности между электростанциями промышленного предприятия и узлами связи с энергосистемой с учетом потерь в распределительной сети // Промышленная энергетика. 2011. №9. С. 16-21.
9. Оптимизация установившихся режимов промышленных систем электроснабжения с разнородными генерирующими источниками при решении задач среднесрочного планирования / А.В. Малафеев, А.В. Кочкина, В.А. Игуменщев, Д.Е. Варганов, А.Д. Ковалев Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2013. 112 с.
10. Хламова А.В., Малафеев А.В., Копцев Л.А. Анализ оптимальных режимов работы турбогенераторов собственных электростанций ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» // Изв. вузов. Электромеханика. 2011. №4. С. 111-114.
Optimization Methodology of Industrial Electrical Power Systems Operating Condition
Kochkina A.V., Malafeev A.V., Varganov D.E., Kurilova N.A., Dubina I.A.
The article considers questions of optimization of industrial power-supply systems conditions with the own sources of electrical power using original software "KATRAN 7.0", which makes it possible to receive optimal values of generators power. The algorithm is based on the method of dynamical programming and takes into account active power losses in distribution electrical network, heterogeneity of used fuel, non-modular structure of the thermal station. The technique of optimization the power-supply system conditions of large industrial plants was given. Calculation of cost-effective conditions was realized in the power-supply system of a large steel plant. The results of the research work are intended for the dispatcher services of industrial enterprises.
Keywords: turbogenerator, boiler, optimal power supply system condition, power station, industrial plant, power-supply system, steam cost, generation.
References
1. Venikov V.A, Zhuravljov V.G., Filippova G.A. Optimizatsiya rezhimov elektrostantsii i energosistem [Optimization of Power Plant and Power System Conditions ]. Moscow: Energoatomizdat, 1990. 352 p.
2. Arzamascev D.A., Lipes A.V., Myzin A.L. Modeli optimizatsii razvitiya energosistem [Optimal Models of Power Systems Evolution]. Moscow: Vysshaja shkola, 1987. 272 p.
3. Arzamastsev D.A., Igumenschev V.A. Raschet optimalnogo raspredeleniya reaktivnoi moschnosti metodom posledovatelnogo ekvivalentirovaniya [Reactive Power Optimal Allocation Calculation Using Step by Step Method]. Elektrichestvo [Electric power engineering], 1976, no.1, pp. 70-72.
4. Bartolomej P.I., Grudinin N.I. Optimizatsiya rezhimov energosistem metodami approksimiruyuschego i separabelnogo programmirovaniya [Optimization of Power System Conditions Using Approximation and Separable Pro-
gramming Methods]. Izvestiya Akademii Nauk. Energetika [Transactions of Science Academy. Power Engineering], 1993, no. 1, pp. 72-77.
5. Berdin A.S., Kokin S.E., Semenova L.A. Optimizatsiya sistemy elektrosnabzheniya v usloviyakh neopredelennosti [Power System Optimization under Uncertainty] . Promyshlennaja teploenergetika [Industrial heat power engineering], 2010, no.4, pp. 29-35.
6. Goldenblat B.I. Primeneniye matematicheskogo optimalnogo programmirovaniya dlya zadach elektrosnabzheniya promyshlennyh predpriyatij [Using mathematical Optimal Programming in a Case of Industrial Power Supply]. Elektrichestvo [Electric power engineering], 1971. no.2, pp. 21-24.
7. Belyaev N.A., Korovkin N.V., Frolov O.V., Chudnyi V.S. Methods for Optimization of Power-System Operation Modes. Russian Electrical Engineering, 2013, no.2, pp. 74-80.
8. Malafeev A.V., Khlamova A.V., Igumenschev V.A. Algoritm optimizatsii raspredeleniya aktivnoj moschnosti mezhdu elektrostantsiyami promyshlennogo predpriyatiya i uzlami svyazi s energosistemoi s uchetom poter v raspredelitelnoi seti [Optimal Algorithm of Power Distribution between Power Station of Industrial Plant and Power Systems Centers Taking into Account Power Losses]. Promyshlennaja energetika [Industrial Power Engineering], 2011, no.9, pp. 16-21.
9. Malafeev A.V., Kochkina A.V., Igumenschev V.A., Varganov D.E., Kovalev A.D. Optimizatsiya ustanovivshihsya rezhimov promyshlennyh sistem elektrosnabzheniya s raznorodnymi generiryyuschimi istochnikami pri reshenii zadach srednesrochnolo planirovaniya [Optimization of Steady- State of Power System With Diverse Generating Sources for Task Intermediate-Term Planning]. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2013. 112 p.
10. Malafeev A.V., Khlamova A.V., Koptsev L.A. Own Power Station Turbo - generators of JSC "MMK"].
Analiz optimalnyh rezhimov raboty turbogonoratorov Izvestiya Vysshikh Uchebnysh Zavedeniy. Elektromekhanika
sobstvennyh elektrostsntsij OAO "Magnitogorskij [Transactions of Higher Professional Education Institutions.
metallurgicheskij kombinat" [Optimal Conditions Analysis of Electromechanics], 2011. no.4, pp. 111-114.
УДК 611.311.154
Газизова О.В., Мусин Д.А., Малафеев А.В., Жданов А.И.
Создание алгоритма поиска предельных режимов выхода электростанции
НА РАЗДЕЛЬНУЮ С ЭНЕРГОСИСТЕМОЙ РАБОТУ
Увеличение крупными предприятиями собственных генерирующих мощностей и внедрение энергоемких электроприемников с резкопеременной нагрузкой приводит к усложнению возможных эксплуатационных режимов системы электроснабжения. Создан алгоритм поиска предельных режимов выхода электростанции на раздельную с энергосистемой работу по критериям соответствия параметров режима допустимым значениям. Алгоритм учитывает техническое состояние автоматических регуляторов возбуждения и скорости, а также точку подключения нагрузки в выделенной сети.
Ключевые слова: резкопеременная нагрузка, промышленное предприятие, собственная электростанция, система электроснабжения, раздельная работа, предельный небаланс мощности.
Введение
Развитие энергоемкой металлургической отрасли является одним из приоритетных направлений отечественной промышленности. Оно связано с усовершенствованием и усложнением технологических переделов крупных промышленных предприятий и сопровождается вводом в эксплуатацию энергоемких потребителей с резкопеременным характером электропотребления, использованием на прокатных станах энергоемких выпрямительных агрегатов, расширением собственных электростанций предприятия с различными видами первичных двигателей, а также усложнением конфигурации электрической сети. В таких условиях неизбежно влияние узлов резкопеременной нагрузки на работу электрически близко расположенных синхронных генераторов местных электростанций.
В связи с этим появляется необходимость планирования эксплуатационных переходных режимов промышленных систем электроснабжения, сопровождающихся работой электрических нагрузок рез-копеременного характера. Это невозможно без специализированного программного обеспечения, ориентированного на систему электроснабжения крупного промышленного предприятия, имеющего собственные электростанции и резкопеременную нагрузку. Как показал анализ существующего программного обеспечения, программные комплексы расчета режимов электроэнергетических систем ориентированы на крупные энергосистемы и не учитывают особенностей работы промышленных систем электроснабжения [5].
Особенно утяжеляет такие переходные процессы выход электростанции с нагрузкой на раздельную работу с энергосистемой в результате срабатывания релейной защиты или противоаварийной автоматики. Управление подобными режимами явля-
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского
ется задачей диспетчерского персонала электростанций и электрических сетей крупного промышленного предприятия.
Методики
С целью создания алгоритма поиска предельных режимов выхода электростанции на раздельную с энергосистемой работу с резкопеременной нагрузкой предварительно были разработаны математические модели собственных источников электроэнергии промышленных предприятий, а также характерных электроприемников, в том числе и с резкопере-менным характером потребления электрической энергии.
Разработанный алгоритм основан на сочетании метода последовательных интервалов и метода последовательного эквивалентирования [6] и требует задания генераторов в схему замещения переходными ЭДС Е за фазовыми углами 5', определяемыми в ходе численного решения дифференциального уравнения движения ротора. Угол представляет собой фазовый сдвиг между векторами переходной
ЭДС Е и напряжением и и определяется на каждом шаге интегрирования.
В данном алгоритме (рис. 1), после моделирования узла и выбора точки присоединения дополнительной мощности, прежде всего, выполняется расчет установившегося доаварийного режима и определяются нормальные и переходные ЭДС синхронных машин. Вынужденная ЭДС определяется действием системы возбуждения и в первый момент времени равна ЭДС машины Eq по поперечной оси. При расчете режима действие АРВ и форсировки моделируется изменением вынужденной ЭДС Eqe на каждом шаге расчета. На каждом интервале рассчитывается сверхпереходный режим, определяются приращения углов роторов и приращения переходных
фонда фундаментальных исследований, грант №НК 14-07-00200\14.
