Повышение эффективности регулирования напряжения в распределительных электрических сетях с учетом качества электрической энергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВШОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вин. Хг15

УДК 621.311

1 2 Довгалюк О.Н. , Черемшин Н.М.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С УЧЁТОМ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Предложены пути совершенствования метода встречного регулирования напряжения, наиболее широко распространенного в распределительных электрических сетях, применение которых позволяет повысить эффективность функционирования электрических сетей за счет снижения стоимости потерь, связанных с их эксплуатацией.

Одной из основных задач эксплуатации систем электроснабжения в настоящее время является создание таких условий их работы, при которых к зажимам электроприёмников будет подводиться напряжение, строго нормированное [1]. Очевидно, что такая задача может быть решена только за счёт принудительного изменения напряжения, т.е. за счёт его регулирования. При этом должны учитываться и технические условия эксплуатации сетей.

Мероприятия по регулированию напряжения должны выполняться в первую очередь в распределительных электрических сетей (РЭС), к которым непосредственно подключаются приёмники электрической энергии (ЭЭ) и режимы работы которых оказывают большое влияние на уровни напряжения у электроприёмников. Помимо общих требований ряд потребителей предъявляет индивидуальные требования к регулированию напряжения, которые определяются в основном режимами потребления, группировкой отдельных электроприёмников и техническими требованиями к качеству потребляемой ЭЭ. Во всех этих случаях для обеспечения оптимального режима напряжения закон его регулирования должен определяться отдельно.

Исходя из этого, основной задачей оптимального управления режимами напряжения в электрических сетях является выбор и обеспечение такого возможного из допустимых режимов, который обеспечивает получение наибольшего экономического эффекта. Экономичность работы питающих сетей зависит от уровней напряжения в сети, определяющих величины потерь активной мощности и ЭЭ. В распределительных сетях уровни напряжения в меньшей степени определяют потери, поэтому основное внимание уделяется условиям наиболее экономичного использования приёмников ЭЭ, подключенных к этим сетям. Комплексный подход к решению задачи регулирования напряжения за счёт совместного учёта экономичности работы как питающих, так и распределительных сетей обеспечит достижение наибольшего экономического эффекта.

Эта задача относится к оптимизационным, для решения которой необходимо обеспечить минимум целевой функции при соблюдении всех технических требований со стороны потребителей к надёжности электроснабжения и качеству ЭЭ, учитываемых в виде технических ограничений на параметры режима.

Учитывая особенности построения и эксплуатации РЭС (большую протяжённость, значительные колебания нагрузки, вероятностный характер параметров режима и т.д.), а также необходимость решения задачи комплексно, оптимизация режима напряжения представляется весьма сложной. Кроме того, в настоящее время РЭС характеризуются увеличением числа потребителей, оказывающих негативное влияние на качество ЭЭ, при одновременном увеличении количества потребителей, предъявляющих повышенные требования к ЭЭ. Практическое решение этой проблемы требует анализа режимов работы электрических сетей и используемых методов и средств регулирования напряжения.

Харьковская национальная академия городского хозяйства, канд. техн. наук, ассист.

Харьковская национальная академия городского хозяйства, канд. техн. наук, проф,

Вопросу регулирования напряжения всегда уделялось много внимания, поскольку эффективность данного процесса имеет большое практическое значение, оказывая непосредственное влияние на все стороны деятельности современного общества.

К наиболее значимым в решении этой проблемы относятся работы Глазунова A.A., Ар-хиповаН.К., Мельникова H.A., Солдаткиной JI.A., Фокина Ю.А., Зорина В.В. и др. Вопросами разработки мероприятий и технических средств для обеспечения качества ЭЭ у потребителей занимались Железко Ю.С., Макрушевич Н.С., Жежеленко И.В. Разработке гибких и надёжных систем управления режимами РЭС в темпе процесса с использованием ЭВМ и применением новых методов и средств передачи информации посвятили свои работы Яндульский А.С, Кузнецов В.Г., ШПолянский О.Г. и др.

Последнее десятилетие характеризуется пересмотром нормативных требований к качеству ЭЭ [ 1, 2], учитывающих интегральный подход к показателям качества, а также дополнение их новыми показателями качества. Как следствие, вопросы оптимального управления приобрели особую актуальность.

В настоящее время основным методом ре1улирования напряжения является централизованное, осуществляемое с помощью устройств ре1улирования под нагрузкой (РПН) либо переключения без возбуждения (ПБВ) трансформаторов центра питания (ЦП). РЭС характеризуются низким количеством измерительных приборов и средств телеконтроля. Ре1улирование напряжения в такой сети затруднено из-за сложности получения необходимой информации.

В то же время при регулировании напряжения учитываются требования к качеству ЭЭ только у потребителей того иерархического уровня, на котором располагаются средства peiy-лирования. В результате потребители с графиками нагрузок, отличными от графика нагрузок ЦП, в течение длительного времени работают при напряжении, не соответствующем оптимальному.

Низкая эффективность применяемых методов в сочетании с используемыми на сегодняшний день техническими средствами регулирования напряжения указывает на необходимость корректировки существующей концепции регулирования напряжения в направлении разработки методов, способных адаптироваться к изменяющейся структуре и режимам работы электрических сетей, а также учитывающих многофакторность задачи регулирования напряжения в них.

Для решения поставленной задачи необходимо разработать рекомендации относительно усовершенствования метода встречного регулирования напряжения в многоуровневых РЭС, заключающегося в учёте при регулировании требований к качеству ЭЭ одновременно у всех потребителей сети при изменении уровней напряжения в ЦП.

С этой целью был проведен анализ режимов напряжения в РЭС [ 3, 4 ], на основе которого было выявлено следующее;

• Для элементов всех исследуемых уровней РЭС значения напряжения не соответствуют требованиям [ 1 ]. Причём, в то время как на шинах НН ПС 110/10 кВ, т.е. на пятом уровне РЭС, напряжение находится в пределах допустимых значений, на низших уровнях его величина вьн ходит за пределы требований [ 1 ]. Это подтверждает низкую эффективность применяемых мероприятий но регулированию напряжения и указывает на необходимость корректировки закона регулирования напряжения.

• Количественно подтверждено, что характер изменения случайной функции напряжения на суточном интервале является нестационарным для всех исследуемых уровней РЭС.

• В то же время для функции напряжения всех исследуемых уровней РЭС внутри суточного цикла выявлены интервалы относительной стационарности, которые по времени практически совпадают с аналогичными участками суточного цикла нагрузки.

На основе проведенного анализа разработана вероятностная математическая модель напряжения, учитывающая особенности многоуровневой иерархической структуры РЭС и сто-хастичность характера изменения процессов в них.

Наличие выявленных интервалов относительной стационарности для построенных вероятностных моделей позволяет наилучшим образом адаптировать законы регулирования для достижения требуемых уровней напряжения для каждого из иерархических уровней РЭС.

Как известно, эффективность управления зависит от точности прогноза, которая, в свою

очередь, будет тем выше, чем больше используется информации, имеющейся о прогнозируемом объекте. Поэтому использование построенных моделей в сочетании с современным компьютерным обеспечением позволяет использовать параллельно и ретроспективную, и текущую информацию об объекте, осуществляя корректировку параметров модели за счёт измерений, производимых в темпе процесса [ 5 ].

Используя выявленные закономерности поведения функции напряжения в РЭС, была разработана математическая модель, позволяющая в соответствии со схемой, представленной на рис. 1, прогнозировать значения напряжения в сети, а также учитывающая особенности многоуровневой иерархической структуры РЭС и стохастичность характера изменения процессов в них.

Особенностью этой модели является то, что прогнозирование параметра режима осуществляется отдельно для двух видов временных интервалов: для прогнозирования значения случайной функции на интервалах нестационарности применяются фильтры Кал мана [6], а для интервалов стационарности используются менее сложные фильтры, частотная характеристика которых имеет вид

И» = <

а . Trja + l . _

cos ßv + к —™-sin ßz

Т2 ■ ja> +1

(1)

где коэффициенты к, Т\, Т2 соответственно

равны

к =

Т: =

а-ja2 + ß2 - а2 - ß2 ßja'+ß2 ■ja1 +ß2 -а

a^ja2 +ß2 -а2 -ß2

1

T2 =

IcSVß1

(2)

(3)

(4)

Махеыаттеский аппарат определения

ларамнров

Параметры элеюрнческ он сет

Датыео вдрамнрах рвюмаРЭСв настоящий мпмстгг

Требования к гвраметрам режима РЭС

^троспопивная тфдошции о параметрах режима РЭС

1'

Формирование

Прогноз угравляюшего

воздействия

РЭС АСДУ

Рис. 1 - Структурная схема прогнозирования параметров режимов электрической сети

В данных выражениях а, ß~ коэффициенты, определяемые в результате аппроксимации корреляционной функции процесса изменения напряжения на интервалах относительной стационарности зависимостью

К(т) = Ае-а* cosßr. (5)

Построенная прогнозная модель позволяет наилучшим образом оптимизировать режим напряжения в сети. В качестве целевой функции в данном случае будем использовать минимум суммарных затрат энергоснабжающей организации при эксплуатации распределительной сети

Су -» min . (6)

и

При решении поставленной задачи необходимо учитывать требования [1] к качеству ЭЭ и особенности функционирования сети, которые сформулированы в виде следующих ограничений:

1) регулируя напряжение в ЦП, необходимо обеспечить величину отклонения напряжения у всех электроприёмников, присоединённых к сетям среднего и низкого напряжения, в допустимых пределах

Vm = ±5%;Vm = ±lO%; (7)

2) уровень напряжения, необходимый для обеспечения требуемого минимума суммарных затрат в сети, должен быть обеспечен техническими возможностями средств ре1улирования напряжения ЦП

mm — ^ж-ел — ^Л) шах > (8)

где Уид, Упд — нормально и предельно допустимые значения отклонения напряжения в сети; иже.ч - желаемый уровень напряжения; Ua шп, Uämax- минимальное и максимальное значение напряжения, которое может обеспечить регулировочный диапазон трансформаторов.

Суммарные затраты включают в себя две составляющие: стоимость суммарных потерь ЭЭ в сети и расходы энергоснабжающей организации, связанные с компенсацией потребителям за некачественную ЭЭ Сик'

- + С нк • (9)

Стоимость суммарных потерь ЭЭ в сети находим по формуле

=Cw-AWlt (10)

где Cw ~ стоимость потерь ЭЭ, определяемая в соответствии с действующим тарифом на ЭЭ; AW%- величина суммарных потерь ЭЭ в сети.

Расчёт суммарных потерь ЭЭ в сети имеет особенности [7]. В данном случае их величина определяется по выражению

(И)

Г=1 7=1

где AfVu - потери ЭЭ в i-ой линии сети; т - количество линий в сети; Д Wmj - потери ЭЭ в j-

ом трансформаторе сети; п - количество трансформаторов в сети.

Расчёт потерь ЭЭ в линиях за промежуток времени Т производим по формуле [8]

А (12)

(«1

где ДРм - потери активной мощности в i-ой линии электрической сети; t - время, в течение которого происходят данные потери.

Величина потерь активной мощности в i-ой линии определяется согласно выражению

[Р -F+fe ?

Ul

где РЛ1 + jQj,, - поток мощности, протекающий по i-ой линии; VM - напряжение в начале i-ой линии; rni - активное сопротивление i-ой линии.

Потери ЭЭ в у-ом трансформаторе электрической сети в соответствии с [8] находим как

джту=хдя0й((../ + дрсм;.гг0д) (14)

где ДРоШ}, ДPcmj - потери активной мощности в обмотках и стали у-го трансформатора; t -длительность, в течение которой наблюдаются потери мощности величиной Дв обмотках

трансформатора; Тгод - длительность работы трансформатора в году.

Потери активной мощности в j-ом трансформаторе составляют

АР. (15)

^^ аомj „2 ' V*"/

ном J

АPmi=Paj, (16)

где ДPaj> ДP^j - потери короткого замыкания и холостого хода j-ro трансформатора; SH0MJ -номинальная мощность j-ro трансформатора; Sj - мощность нагрузки потребителей, получающих питание от у-го трансформатора.

Величина компенсации потребителям за пользование некачественной ЭЭ рассчитывается согласно [2] по выражению

Н ß

Сж - 0,25-С,^ (17)

h=1 ¿=1

где Cw ~ тариф на ЭЭ; Н~ расчётный период, за который определяется компенсация; В - количество интервалов времени наблюдения за показателями качества ЭЭ в течение h-x суток; Рь -активная мощность нагрузки потребителей» которая потреблялась на 6-м интервале времени h-x суток, когда показатели качества ЭЭ не отвечали требованиям [1]; h - продолжительность ¿-го интервала времени h-x суток, когда показатели качества ЭЭ не отвечали требованиям [1].

Структурная схема разработанного алгоритма оптимизации режимов напряжения в РЭС, уплывающего перечисленные требования, показана' на рис. 2. .

На сегодняшний день наибольший эффект от реализации данного алгоритма процесса оптимизации может быть получен при решении его в рамках задач автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ).

Применение предложенной методики комплексной оптимизации режима напряжения для всей электрической сети обеспечит экономию ЭЭ при одновременном улучшении её качества у потребителей. В соответствии с проведенными расчётами экономия составляет 4 % от стоимости потребляемой ЭЭ.

Таким образом, предложены пути усовершенствования метода встречного регулирования напряжения в многоуровневых РЭС на основе прогнозирования параметров режима электронотреблепия, что позволяет оптимизировать процесс регулирования напряжения с учётом требований к качеству ЭЭ одновременно у всех потребителей. Это приводит к снижению потерь на эксплуатацию сети и, как следствие, повышает эффективность эксплуатации сети.

Вывод

В дальнейшем, учитывая тенденции совершенствования приборов контроля и учёта электро-потребления, увеличения каналов передачи информации, установки локальных средств регулирования напряжения и реактивной мощности в РЭС, появится возможность осуществления регулирования напряжения в темпе процесса одновременно на всех уровнях РЭС. Это позволит усовершенствовать предложенный алгоритм оптимизации напряжения в сети.

Перечень ссылок

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Взамен ГОСТ 13109-87; ввел- 01.01.2000. - К.: Изд-во стандартов, 1999. - 31 с.

2. Правила користування електричною енерНею / Затв. НКРЕ 22.08.2002. - К.: ДП "НТУКЦ", 2002,- 107 с.

3. Говоров Ф.П. Ретроспективный анализ режимов напряжения в системах электроснабжения городов и промышленных предприятий / Ф.П. Говоров, О.И. Довбанок II Труды IV между-нар. конфер. "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий". - Мариуполь: ПГТУ. - 2000. - С. 141 - 144.

4. Черемисин ИМ. Моделирование режимов напряжения в системах электроснабжения сельскохозяйственных потребителей / Н.М. Черемисин, О.Н. Довгалюк II В1сник Харк1вського державного техшчного ушверситету сшьського господарства. - Харюв: ХДТУСГ. - 2001. -№ 6.-С. 286-292.

5. Черемисин Н.М. Прогнозирование параметров режимов электрических сетей на основе их вероятностных моделей / Н.М. Черемисин, О.Н. Довгалюк II Труды XXXI научпо-техн. конф. преподавателей, аспирантов и сотрудников Харьковской государственной академии городского хозяйства. - Часть 2. - Харьков: ХГАГХ. - 2002. - С. 42-44.

6. Чуев Ю.В. Прогнозирование количественных характеристик процессов / Ю.В. Чуев, Ю.В. Михайлов, В.И. Кузьмин - М.: Советское радио, 1975. - 400 с.

7. Железко Ю.С. Расчёт технологических потерь электроэнергии в электрических сетях / Ю.С. Железко, А.В. Артемьев, О.В. Савченко //Энергетик. - 2003. - №2. - С. 29-33.

8. Идельчик В.И. Электрические системы и сети / В.И. Идельчик - М.: Энергоатомиздат, 1989. -592 с.

Статья поступила 25.03.2005

Рис. 2 - Структурная схема алгоритма оптимизации уровней напряжения в электрической сети