CC BY
106
УДК 621.311
О. I. БОНДАР, I. Л. БОНДАР (Д11Т)
ОЦ1НКА ВПЛИВУ КОМПЕНСАЦП РЕАКТИВНО1 ПОТУЖНОСТ1 НА ВТРАТИ ЕЛЕКТРОЕНЕРГП В ЕЛЕКТРОМЕРЕЖ1 ЗАЛ1ЗНИЧНОГО ВУЗЛА
В робот запропоновано узагальнену математичну модель електрично! мереж1 залiзничного вузла електрифжовано! залiзницi. На основi ще! моделi виконано оцiнку впливу встановлення пристро!в компенсацп реактивно! потужностi на втрати електроенерги у мереж1.
В работе предложена обобщенная математическая модель электрической сети железнодорожного узла электрифицированной железной дороги. На основе данной модели выполнено оценку влияния установки устройств компенсации реактивной мощности на потери электроэнергии в сети.
In this work the generalized mathematical model of an electrical network of the electrified railway junction is proposed. An estimation of influence of static var compensators installation on electric power losses in a network is executed on the basis of given model.
Вщомо, що Укра!на вщноситься до енерго-дефщитних кра!н, яка задовольняе сво! потреби в паливно-енергетичних ресурсах за рахунок власного !х видобутку лише частково. Тому проблема енергозбереження е на сьогодш одш-ею з найактуальшших проблем розвитку еко-номши нашо! держави. Ще у 1996 р. уряд Укра-!ни затвердив Комплексну державну програму енергозбереження Укра!ни [1], яка передбачае вихщ втизняних пiдприемств сфери матерiа-льного виробництва та послуг в перспективi на рiвень передових держав з ринковою економ> кою щодо енергоемностi.
Невiд'емною складовою частиною в досяг-неннi ще! мети е зменшення втрат електроенерги на залiзничному транспортi. Такi втрати умовно можна розподiлити на т1, що безпосере-дньо пов'язанi з технолопчним процесом, та додатковi, яю зумовленi другорядними факторами, зокрема перетоками реактивно! потужно-стi в електричних мережах залiзниць. Ефектив-ними техшчними засобами зменшення таких перетоюв е пристро! компенсаци реактивно! потужносп, встановлення яких паралельно споживачу в мющ його розташування дозволяе замшити шлях циркуляцi!' реактивно! потужно-ст з контуру «джерело електроенергi! - спожи-вач» на контур «компенсуючий пристрiй -споживач», розвантаживши при цьому живлячу електричну мережу. Додатковi позитивнi нас-лiдки такого техшчного рiшення також вiдомi, основними з них е покращення режиму напруги в електричнш мережi та отримання можливос-тей додаткового тдключення нових спожива-чiв без замiни живлячо! лiнi!.
Одночасно слщ зазначити, що проблема впровадження засобiв компенсацi! реактивно! потужностi в електромережах залiзничного транспорту е комплексною i мае ряд аспектiв.
Передуем тяговi пiдстанцi! залiзничного транспорту призначеш для забезпечення елект-ропостачання як тягових, так i нетягових спо-живачiв. Така ситуацiя е характерною для елек-трифiкованих залiзниць саме кра!н колишнього СРСР. В той же час, як зазначено [2], на залiз-ницях свiту подiбна практика застосовуеться вкрай рiдко, i як правило електрифiкованi залi-знищ мають автономну зовнiшню систему еле-ктропостачання. В той же час, як свщчать опу-блiкованi даш [3], з перероблено! пiдстанцiями залiзниць Укра!ни електроенергi! на тягу вико-ристано 58 %, а решта пiшла на потреби рiзного роду нетягових споживачiв або була транзито-вана i передана стороннiм оргашзащям. Вiдпо-вiдно потрiбно розрiзнити питання компенсацп реактивно! потужностi тягових та нетягових споживачiв.
Особливiстю тягового навантаження е його рiзка змiна у чась Тобто реактивна потужнiсть компенсуючого пристрою мае постiйно змiню-ватись вщповщним чином з метою уникнення режимiв перекомпенсацi!. Цей пристрiй мае бути встановлений на тяговш шдстанцп у РУ-27,5 кВ при системi тяги змiнного струму, або ж РУ-10 (6) кВ при системi тяги постiйного струму [4]. Попри юнування подiбних пристро-!в централiзовано! компенсацi! на залiзницях Укра!ни, слщ зазначити, що проблема плавного регулювання реактивно! потужносп у них не реатзована через вщсутшсть вiтчизняно! еле-
ментно! бази для силових безконтактних регу-ляторiв. Крiм того, наявнiсть в системi тягового електропостачання вищих гармошк напруг i струмiв суттево знижуе надiйнiсть роботи за-значених пристро!в.
Варто додати, що наявнiсть центрально! компенсаци пiдвищуе коефiцiент потужностi системи електропостачання залiзницi в цiлому, що позитивно впливае на режим у системi зов-нiшнього електропостачанняi, проте не змен-шуе втрати електроенергп в розподiльчих мережах залiзничних районiв електричних мереж. Мiж тим, довжина цих мереж складае близько 8,8 тис. км високовольтних та 13 тис. км низь-ковольтних мереж [3]. Вщ цих мереж отриму-ють живлення нетяговi споживачi з рiзним кое-фiцiентом потужносп та режимом роботи, такi, наприклад, як освiтлювальнi пристро!, асинх-ронш та синхроннi двигуни, iндукцiйнi печ^ зварювальнi прилади та iн. В цшому цi спожи-вачi можуть бути охарактеризовав як активно-шдуктивш навантаження, швидкiсть змiни у чаш яких суттево нижча, нiж у тягового навантаження. Компенсуючi пристро! можуть бути встановлеш як для одиничних навантажень, так i для окремо! групи (групова компенсацiя). Тобто постае задача вибору найефектившшого варiанту !х кiлькостi, розташування i стввщ-ношення потужностей окремих пристро!в. На нашу думку, головним критерiем ефективносп заходiв з компенсацi!' реактивно! потужносп мае бути досягнення максимального рiчного економiчного ефекту вiд !! впровадження. В основi досягнення такого ефекту лежить зме-ншення втрат електроенергп в розподшьчш мереж!. Але в залежност вiд особливостей конкретно! електромережi можуть бути враховаш й додатковi критерi!, наприклад, необхщшсть покращення режиму напруги на вщдаленому споживачевi або розвантаження окремо! лшп вiд реактивного струму з метою створення мо-жливостi приеднання нових споживачiв без !! замiни, тощо.
Таким чином, в задачi вибору компенсую-чих пристро!в для залiзничного району електричних мереж можна видшити такi основнi етапи.
1. Розробка математично! моделi району електромереж i визначення на !! основi рiвнiв напруги та втрат електроенергi! при рiзних конфiгурацiях i потужностях компенсуючих пристро!в.
2. Визначення необхiдно! потужностi, тишв обладнання та доцiльних мiсць розташування
таких пристро!в за обраними критерiями ефек-тивностi.
3. Визначення режимiв роботи компенсуючих пристро!в, меж та алгоршмв регулювання !х реактивно! потужносп.
Аналiз останнiх публiкацiй iз зазначено! тематики свiдчить, що значна частина цих питань лишаеться поза увагою дослiдникiв. Так, наприклад, у робот [5] на основi матричного методу розрахунку та ймовiрнiсного графiку руху по!здiв розроблена математична модель д^н-ки тягово! мереж1 електрифiковано! залiзницi i виконано оцiнку втрат електроенергi! на цш дiлянцi, проте мережi нетягових споживачiв, що живляться вiд те! ж пiдстанцi!, що i тягова мережа, при цьому не розглядалися. Питанням компенсацi! реактивно! потужностi на вироб-ничих об'ектах залiзничного транспорту при-свячено також роботу [6]. В якосп компенсую-чих пристро!в автор пропонуе використання синхронних двигунiв в режимi компенсаторiв з неперервним керуванням реактивно! потужнос-ть Зауважимо, що технiчнi можливосп реалiза-цi! такого варiанту в бшьшост випадкiв обме-женi вщсутшстю достатньо! кiлькостi синхро-нних двигушв у складi нетягових споживачiв.
Отже, метою ще! роботи е розробка уза-гальнено! математично! моделi складно-замкнено! системи електропостачання нетягових споживачiв електрифiковано! залiзницi i здшснення на !! основi оцiнки впливу встанов-лення технiчних засобiв компенсаци реактивно! потужносп на втрати електрично! енергi! в за-значенiй електромереж^
Враховуючи розгалужену структуру таких мереж i велику кiлькiсть приеднань, при побу-довi моделi, на нашу думку, найбшьш доцiльно використання матричного методу аналiзу електричних кш [7]. При цьому, виходячи iз специ-фiки задачi, перевагу при !! розв'язаннi слiд на-дати адаптованому методу вузлових напруг у матричнш формi, оскiльки така модель дозво-ляе легко визначити напруги на вшх спожива-чах. Таким чином, загальна модель мереж1 мае наступний вигляд;
[х]Ш=Ш> (1)
де [К] - матриця вузлових провiдностей,
[ид ] - вектор спаду напруги вщ кожного незалежного вузла до базисного; [ ^] - вектор задаючих струмiв.
Матрицю вузлових провщностей отримаемо наступним чином. Склавши дiагональну матрицю опорiв вiток (за вщомими опорами лiнiй),
визначаемо дтгональну матрицю пров1дностеи як
[1в ] = [ Г
(2)
ПодальшиИ перехщ до матриц вузлових провь дностеИ виконуемо за формулою
[I ] = [М Цв ][М ]т,
(3)
де [М] - перша матриця шциденцш (з'еднань у вузлах),
[М]т - транспонована матриця [М].
Наведемо дал1 загальний алгоритм оцшки втрат електроенерги на основ1 математично! модел1 (1) - (3).
Спочатку складаемо граф схеми електроме-реж Для цього оберемо балансуючий вузол. У раз1 наявносп одного джерела живлення, в якосн балансуючого вузла доцшьно прийняти шини тягово! шдстанци, а у раз1 наявносп дею-лькох джерел - джерело живлення, потужнють якого найбшьша. Також пронумеруемо в1тки { вузли кр1м балансуючого 1 задамо позитивний напрямок в1ткам графа схеми.
Пюля цього складаемо першу матрицю ш-циденцш [М].
Дат складаемо матрицю комплексних опо-р1в в1ток ].
Визначимо матрицю вузлових провщностей
як
[I ] = [М ][1в ][М ]т. (4)
Визначимо також матрицю вузлових опор1в
[ ] = [1в ]-1. (5)
За вщомими навантаженнями споживач1в складаемо вектор задаючих струм1в [^].
Вектор спаду напруги вщ кожного з незале-жних вузл1в схеми до базисного знайдемо як
[и * ]=[ ^ и ].
(6)
Тод1 спади напруг { струми у лш1ях можна знайти як
[ив ] = [М ]т [и * ]; [ I № ][ м ]т [и * ].
(7)
(8)
Втрати потужносн у кожнш лшп та в усш мереж1 вщповщно знайдемо за виразами (9) та (10).
ДР = К • 12;
АР = £ ДР, ,
(9) (10)
,=1
де п - к1льк1сть л1н1й електромереж1.
Рис. 1. Схема району електричних мереж зал1зничного вузла
Як приклад, покажемо результати застосу-вання цього алгоритму для оцшки можливих втрат електроенергiï в електричних мережах залiзничноï станцiï Нижньоднiпровськ-Вузол у разi застосування на частинi споживачiв при-строïв компенсацiï реактивноï потужностi та перспективi реконструкцiï електромереж вузла з використанням номшально1' живлячо1' напруги 10 кВ.
1снуючу схему електромереж вузла представлено на рис. 1.
Як бачимо з рис. 1, через 42 поварят та ка-бельнi лiнiï, що утворюють складно-замкнену систему електропостачання, отримують жив-лення вiд тягово1' пiдстанцiï ЕЧЕ-15 та лiнiï м1-сько1' мереж загалом 33 трансформаторнi тд-станци. Граф, що вiдповiдаe цiй схем^ представлено на рис. 2.
Рис. 2. Граф схеми району електричних мереж заллничного вузла рис. 1
Результати розрахунюв, що виконаш за формулами (4) - (10) за вщомими потужностями навантажень i опорами лiнiй, показують, що рiчнi втрати електроенергiï в розподшьчш ме-режi за вщсутносп пристро1'в компенсацiï реактивно!' потужносп при заданих умовах склада-ють 7,308-105 кВт-год. (рис. 3).
На основi аналiзу характеру роботи спожи-вачiв серед них встановленi таю ix групи, що мають найнижчий середнiй коефiцieнт потуж-ностi (близько 0,78). Пюля цього методом перебору варiантiв встановлено, що у разi застосування лише одного пристрою груповоï компенсаци реактивноï потужностi найбiльш дощ-льно встановити його на ТП-20 (рис. 1). В якост такого пристрою пропонусться застосу-вати батарею конденсаторiв, встановлена по-тужнiсть якоï становить 3000 квар, що дозволить шдняти коефщент потужностi групи споживачiв, приеднаних до ТП-20, ТП-10 та КТП-ПЧ-8 до 0,97. В цьому випадку за рахунок зменшення перетокiв реактивноï потужностi, а отже i струмiв, рiчнi втрати електричноï енергп
в лiнiяx електромереж1 зменшуються i склада-ють 6Д66-105 кВт-год.
AP, кВт • год
М05
6
•105
4.105 2.105 0
Рис. 3. Пстограма р1чних втрат електрично1 енергп в мережi залпничного вузла: 1 - за ввдсутносп компенсуючого пристрою; 2 - за наявносл компенсуючого пристрою
Проведет у робот! дослщження дозволяють зробити наступш висновки.
1. Питання компенсаци реактивноï потуж-ност1 в електромережах залiзничного транспорту потребуе комплексного тдходу, що полягае у необхщносп аналiзу режимiв роботи не лише частини системи, котра забезпечуе електротягу, але й електромереж1 нетягових споживачiв, в як1й у зв'язку з перетоками реактивноï потуж-ност1 також мають мюце значнi втрати електроенергп, а отже, е необхщшсть у встановленш пристроïв одиничноï або груповоï компенсаци реактивноï потужност1.
2. Зазначений аналiз режимiв роботи елект-ромереж нетягових споживачiв може бути здш-снений шляхом математичного моделювання на основ1 матричного методу розрахунку електричних кш. Зокрема, за допомогою такоï моделi можливо отримати значення втрат електроене-ргн при р1зних варiантаx розташування компе-суючих пристроïв, а також значення напруг на споживачах .
3. Реалiзацiя заxодiв з компенсаци реактив-ноï потужност1 в електромережах нетягових споживачiв може дати вщчутний економiчний ефект. Так, наприклад, як видно з рис. 3, за ра-хунок встановлення лише одного пристрою груповоï компенсаци можна скоротити втрати електроенергп в мережi майже на 19,5 %.
Наприкшщ видшимо перспективнi напрям-ки подальших дослiджень у розглянутому пи-танш. По-перше, потрiбна розробка загальноï методики визначення оптимальноï к1лькост1, м1сць розташування та потужносп компенсую-чих пристроïв у електромереж1. По-друге, потребуе вдосконалення математична модель ме-реж1 з точки зору необх1дност1 врахування од-ночасно, як тягових, так i нетягових наванта-жень i, в1дпов1дно, в1дпрацювання комплексних р1шень щодо компенсаци ïx реактивних потуж-ностей.
Потребують також додаткового обгрунту-вання i критерн ефективност1 заход1в з компенсаци реактивноï потужност1. I, нарешт1, актуа-
льною лишасться задача визначення необхщ-них меж регулювання реактивно! потужносп компенсуючих пристро1в залежно вiд змши на-вантаження споживача.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Комплексна державна програма енергозбере-ження Украши [Електрон. ресурс] / Держкоме-нергозбереження - К., 1996. - Режим доступу: http ://www.naer.gov.ua/docs/1060.zip
2. Котельников, В. В. Электрификация железных дорог: мировые тенденции и перспективы [Текст]: / В. В. Котельников. - М.: Транспорт, 2002. - 210 с.
3. Карпенко, С. Я. Опыт работы Укрзализныци по модернизации коммерческого учета электроэнергии. Стимулирование потребителей на оптовом рынке электроэнергии к модернизации учета и регулирования собственного графика потребления [Текст] / С. Я. Карпенко // В1сник Дшпропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - 2006. - Вип. 13. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2006. - С. 28-32.
4. Бородулин, Б. М. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог [Текст] / Б. М. Бородулин, Л. А. Герман, Г. А. Николаев. - М.: Транспорт, 1983. - 183 с.
5. Кузнецов, В. Г. Оценка потерь электроэнергии в тяговой сети магистральных железных дорог [Текст] / В. Г. Кузнецов, Р. С. Мыцко, Д. А. Босый // Вюник Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - 2006. -Вип. 12. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2006. - С. 38-40.
6. Зубко, А. П. Адаптивна система як шструмент покращення яшсних показнишв живлячо! мереж! електрозабезпечення виробничих об'екпв зал1зничного транспорту [Текст] / А. П. Зубко // В1сник Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - 2006. - Вип. 13. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2006. - С. 26-27.
7. Мельников, Н. А. Матричный метод анализа электрических цепей [Текст]: / Н. А. Мельников. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 216 с.
Надшшла до редколегп 26.03.2009.
