CC BY
72
05.20.02 УДК 621.3
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОНФИГУРАЦИЕЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
© 2017
Владимир Юрьевич Вуколов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Александр Леонидович Куликов, доктор технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Иван Федорович Трапезников, аспирант кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника». Михаил Валерьевич Шарыгин, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,
Нижний Новгород (Россия)
Аннотация
Введение: в данной статье приводится характеристика распределительных сетей и рассматривается их современное состояние. Определяются основные проблемы, связанные с повышением надежности электроснабжения конечных потребителей и приводится опыт зарубежных исследователей в решении такой задачи. Материалы и методы: в статье предлагаются методы, способствующие повышению эффективности распределительных сетей при сохранении базового уровня надежности, и рассматриваются способы решения данной задачи. Рассматривается модель сети, на которой проходит тестирование предлагаемого алгоритма и анализируются полученные результаты. В качестве критериев, по которым происходит оценка режимов, выбираются: длительно допустимый ток в линиях электропередачи; соответствие уровней напряжения в узлах электросетевого района требованиям нормативных документов; коммутационный ресурс выключателей; возможность обеспечения правильной работы релейной защиты без перестройки ее параметров для выбранной конфигурации и уровень нагрузочных потерь электроэнергии по сети в целом.
Результаты: разработан алгоритм, позволяющий построить возможные остовные деревья графа, который, в свою очередь, является основой предлагаемой системы управления конфигурацией и режимом электрической сети. Дополнительно разработаны вспомогательные алгоритмы, обеспечивающие автоматизированный сбор данных и позволяющие облегчить анализ полученной информации.
Обсуждение: практическая реализация разработанной системы управления в распределительных сетях сельскохозяйственного назначения позволит снизить потери электроэнергии при ее передаче в зависимости от конфигурации сети, и тем самым привести их в соответствие общемировым показателям.
Заключение: практическая ценность для потребителей электроэнергии от реализации автоматизированных систем управления конфигурацией и режимом распределительных электрических сетей с применением блоков синхронизированных векторных измерений (РМП) будет заключаться в повышении надежности электроснабжения и снижении тарифа на электроэнергию.
Ключевые слова: распределительные сети, алгоритмы определения мест размыкания сетей, остовное дерево, граф сети, автоматизация распределительных сетей, цикличный граф, ацикличный граф, потери, рекурсивная функция, блоки синхронизированных векторных измерений
Для цитирования: Вуколов В. Ю., Куликов А. Л., Трапезников И. Ф., Шарыгин М. В. Разработка алгоритмов системы управления конфигурацией распределительных электрических сетей сельскохозяйственного назначения // Вестник НГИЭИ. 2017. № 12 (79). С. 64-77.
THE DEVELOPMENT OF ALGORITHM FOR OPERATING SYSTEM OF DISTRIBUTION NETWORKS OF AGRICULTURAL PURPOSES
© 2017
Vladimir Yuryevich Vukolov, Ph. D (Engineering), the associate professor of the chair «Electricity, power supplyandpowerelectronics» Alexander Leonidovich Kulikov, Dr. Sci (Engineering), the professor of the chair «Electricity, power supplyandpowerelectronics» Ivan Fyodorivich Trapeznikov, the post-graduate student of the chair «Electricity, power supplyandpowerelectronics» Mikhail Valerievich Sharygin, Ph. D (Engineering), the associate professor of the chair«Electricity, power supplyandpowerelectronics» Nizhny Novgorod state technical University named after R.E. Alekseev, NizhnyNovgorod (Russia)
Abstract
Introduction: the purpose of this article is to present characteristics of distribution networks and examine their contemporary state. The authors clarify the main problems, connected with improvement of power supply reliability of ultimate consumers and describe the results of foreign researches in this area.
Materials and methods: the authors of this article propose methods, intended to improve the efficiency of distribution networks, saving the basic level of reliability and consider possible ways to solve this problem. The article reviews a network model, which was used to test the proposed algorithm and evaluates the results obtained.As for criteria used to evaluate modes, the authors chose: continuous current-carrying capacity of electric networks, correspondence between voltage levels in nodes of power supply area and requirements of reference documents, commutation life of switches, possibility of providing the proper operation of relay protection without alteration of its settings for the chosen configuration and the level of electric power load losses in the network in total.
Results: an algorithm was developed, which enables to draw possible spanning trees of the graph, used as the basis of intended operating system of electric network configuration and its operating mode.The authors also developed auxiliary algorithms, providing automated data collection and simplifying data analysis.
Discussion: the implementation of developed operating system for distribution networks of agricultural purposes will help to reduce power waste during the energy transmission depending on network configuration and to bring its level into accordance with global measures.
Conclusion: the implementation of automated operating system of distribution networks configurations and modes, using PMU, will bring profit to electric consumers: it will improve power supply reliability and reduce electricity tariffs. Key words: distribution networks, algorithms of network disconnects location, spanning tree, network graph, distribution networks automation, cyclic graph, acyclic graph, losses, recursive function, PMU.
For citation: Vukolov V. Y., Kulikov A. L., Trapeznikov A. F., Sharygin M. V. The development of algorithm operating system of distribution networks of agricultural purposes // Bulletin NGIEI. 2017. № 12 (79). P. 64-77.
Введение
Основу распределительных электрических сетей составляют воздушные и кабельные линии, имеющие протяженность свыше 2 млн км. К настоящему времени около 70 % воздушных линий (1 500 тыс. км) и трансформаторных подстанций 6-35 кВ (500 тыс. шт.) отработали свой нормативный срок. Рост отказов элементов таких электрических сетей приводит к резкому снижению надежности электроснабжения потребителей. Существующая статистика наблюдений за объектами электросетевого хозяйства показала увеличение внеплановых отключений потребителей при изменении погодных условий (рисунок 1), тем самым подтверждая вывод о неудовлетворительном состоянии оборудования, находящегося в эксплуатации.
Дальнейшее развитие электроэнергетики РФ при отсутствии мер по повышению надежности, приведет к снижению уровня работоспособности электрических сетей, росту потерь (15 % и более) и недоотпуска электрической энергии и, как следствие, возникновению значительного материального ущерба у сельскохозяйственных предприятий.
Согласно существующей практике эксплуатации, распределительные сети являются разомкнутыми, либо работают в разомкнутом режиме, а их конфигурация в большинстве случаев является радиальной. Специфика такого режима работы сетей обуславливается сложностью их автоматизации и защиты, ограничением уровней токов короткого замыкания и упрощением диспетчерского управления.
2 %.
I Приближение или падение деревьев (при гололеде)
I Приближение петель спусков
(шлейфов) к опорам I Выпадание проводов из зажимов
I Повреждение опор или их деталей
I Повреждение изоляторов
Повреждение проводов
Повреждение деталей деревянных опор
I Налипание мокрого снега Пожары
1 %
Рис. 1. Статистика отключений в распределительных сетях 6-35 кВ филиала ПАО «МРСК Центра и Приволжья» -«НижновЭнерго» по причине изменения погодных условий за 2015 год / Fig. 1. Statistics of outages in the distribution сетях6-35 kV branch of OAO «IDGC of Centre and Volga region» -
«Nizhnovenergo» due to the changing weather conditions in 2015
Традиционно выбор оптимальных мест размыкания производится, как правило, на основе двух вариантов [1, с. 72]:
1) обеспечение минимальной величины нагрузочных потерь электроэнергии на транспорт за счет оптимизации потокораспределения в нормальных длительных режимах сети;
2) повышение надежности электроснабжения потребителей путем использования в нормальном режиме распределительной сети конфигурации с наилучшими показателями безотказности элементов электропередачи.
Кроме того, отсутствие возможности автоматического управления коммутационной аппаратурой не позволяет быстро переходить от одного варианта конфигурации к другому. Введение автоматизации распределительных сетей сельскохозяйственного назначения обеспечит динамическое управление структурой и конфигурацией сети, и, таким образом, увеличит надежность электроснабжения, сократив вероятный недоотпуск электрической энергии [2, с. 55] и возможный ущерб для потребителей.
В зарубежной практике для решения вышеперечисленных проблем применяются следующие способы [3, с. 187]:
1) путем ограничения потоков мощности по отдельным элементам сети добиваются повышения ее пропускной способности. Параллельно с этим решают задачу увеличения устойчивости сети к аварийным возмущающим воздействиям при помощи средств автоматизации, которые используются в системе управлении режимами;
2) при помощи введения дополнительных резервов мощности, управления потреблением и выравнивания графиков нагрузки стабилизируют напряжение сети с ограниченной пропускной способностью.
Цели и задачи разработки
С учетом отечественного и зарубежного опыта автоматизации электрических сетей решается задача разработки универсальных методов оптимизации мест размыкания распределительных сетей сельскохозяйственного назначения с применением блоков синхронизированных векторных измерений (РМП). Использование этих устройств позволяет рассматривать динамические процессы изменения нагрузок и перетоков мощности в элементах сети и разрабатывать автоматизированную систему управления коммутационной аппаратурой.
Предлагаемая система позволяет решать следующие задачи:
1) повышение эффективности электропередачи в нормальном режиме сети путем снижения потерь электроэнергии;
2) повышение надежности электроснабжения конечных потребителей путем снижения интенсивности отказов за счет оптимизации мест размыкания;
3) контроль основных параметров режима в ключевых узлах и ветвях сети с целью недопущения аварийных режимов;
4) поэтапное восстановление сети после нарушения электроснабжения и отключения поврежденных элементов с контролем допустимых величин токов и напряжений за счет устройств синхронизированных векторных измерений (РМП) [4, с. 53].
Материалы и методы исследования
Разработана система управления режимом и конфигурацией распределительных сетей 6-35 кВ сельскохозяйственного назначения. Принципы реализации системы рассмотрим на примере участка распределительной сети 10 кВ. Однолинейная схема и граф участка сети представлены на рисунке 1, описание элементов схемы приведены в таблицах 1, 2.
ЦП1 ЦП2
Т Т
1 2
(^-27—ф
с.1
-18'
с.2
25 26
S15 S16
S17 S18
а) б)
Рис. 1. Однолинейная схема (а) и граф (б) исследуемого участка электрической сети / Fig. 1. Single line diagram (a) and graph (b) of the investigated area electrical network
Таблица 1. Описание линий электропередачи в схеме / Table 1. Description of transmission lines in the circuit
Номер элемента на схеме
Описание элемента
1 2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
13
14
15
16
17
18
Провод АС-150, опоры ж/б, длина 1,35 км Провод АС-150, опоры ж/б, длина 1,35 км Провод АС-50, опоры деревянные на ж/б пасынках, длина 0,76 км Провод АС-50, опоры деревянные на ж/б пасынках, длина 0,7 км Провод АС-70, опоры ж/б, длина 0,68 км Провод АС-70, опоры ж/б, длина 0,35 км Провод АС-50, опоры деревянные на ж/б пасынках, длина 0,7 км Провод АС-50, опоры деревянные на ж/б пасынках, длина 0,79 км Провод АС-50, опоры ж/б, длина 0,45 км Провод АС-50, опоры ж/б, длина 0,41 км Провод АС-50, опоры ж/б, длина 0,47 км Провод АС-50, опоры ж/б, длина 0,35 км Провод АС-50, опоры ж/б, длина 0,35 км Провод АС-50, опоры ж/б, длина 0,22 км Провод АС-50, опоры ж/б, длина 0,56 км Провод АС-50, опоры ж/б, длина 0,97 км Провод АС-50, опоры ж/б, длина 0,75 км Провод АС-50, опоры ж/б, длина 0,57 км
3
Таблица 2. Описание нагрузки в узлах схемы /
Table 2. Description of the load in the nodes of the schema
S1=0,9+j0,48 МВА S2=0,75+/0,33 МВА S3=0,3+/0,18 МВА
£4=0,24+;0,15 МВА S5=0,33+/0,30 МВА S6=0,27+j0,18 МВА
S7=0,45+/0,27 МВА S8=0,48+/0,33 МВА S9=0,3+/0,21 МВА
S10=0,3+/0,21 МВА S11=0,24+j0,09 МВА S12=0,217+/0,15 МВА
S13=0,25+j0,14 МВА S14=0,12+j0,06 МВА S15=0,87+/0,44 МВА
S16=0,22+j0,08 МВА S17=0,35+j0,19 МВА S18=0,33+/0,16 МВА
В пакете Matlab для рассматриваемого участка сети была создана модель сетевого района (рисунок 2), на которой в дальнейшем проводились расчеты режимов. Выбор программной среды Matlab обусловлен наличием встроенной библиотеки Simulink, содержащей необходимые блоки для построения модели сети, в том числе соответствующие отдельным элементам электропередачи. Кроме того, в данной среде имеется возможность написания подпрограмм, которые позволяют облегчить процесс сбора и обработки данных для модели, что, в свою очередь, оптимизирует процесс выполнения поставленных задач и сократит время реализации операций. Модель включает в себя следующие блоки, входящие в состав библиотеки Simukink [12, с. 48]:
• линия с распределенными параметрами (Three-Phase PI Section Line);
• источники переменного напряжения (Three-phase voltage source);
• трехполюсные выключатели (Three-phase Breaker), с выводом для подачи внешнего сигнала;
• блок Step, который используется для управления положением выключателей;
• трехфазная нагрузка (Three-phase Parallel RLC Load);
• разработанную измерительную подсистему, содержащую в себе основные блоки, необходимые для снятия токов и напряжений: измеритель тока (Current Measurement); измеритель напряжения (Voltage Measurement), вспомогательные блоки для упрощения работы с моделью, т. е. блоки — Goto, From;
• блок To Workspace, необходимый для передачи измерений из модели в область Workspace для последующего их анализа.
Расчет удельных параметров линий электропередач производился при помощи встроенного редактора MatLab Compute RLC Line Parametrs. В редакторе отдельно для каждого участка вводились
геометрические параметры опоры, эквивалентный диаметр провода и грозотроса, их сопротивление постоянному току, стрела провеса фазного провода и удельное сопротивление грунта [13, с. 380].
В табличном редакторе программного пакета MS Office Excel средствами языка программирования VBA (Visual Basic for Application) были разработаны и реализованы следующие алгоритмы, позволяющие структуировать и автоматизировать процесс обработки данных, полученных в процессе имитационного моделирования:
а) поиска всех остовных деревьев графа сетевого района;
б) алгоритм, моделирующий положение выключателей сетевого района;
в) управления сбора данных имитационных модели сетевого района в MATLab;
г) сбора и обработки полученных данных имитационной модели сети.
Для упрощения описания алгоритма поиска всех остовных деревьев графа сетевого района использованы следующие определения:
1. Остовное дерево графа - дерево, включающее все узлы графа [6, с. 23].
2. Матрица М инцидентности - одна из форм представления графа, в которой указываются связи между инцидентными элементами графа (ребро (дуга) и вершина). Столбцы матрицы соответствуют ребрам, строки - вершинам. Ненулевое значение элемента матрицы указывает связь между вершиной и ребром (их инцидентность) [7, с. 56].
3. Рекурсивная функция - это функция f (n) числового аргумента, которая в своей записи содержит себя же. Такая функция позволяет вычислять значение f (n) на основе значений f (n-1), f (n-2) и т. д. [9, с. 200].
4. Цикличный граф - граф, содержащий замкнутые контуры (циклы) [8, с. 215].
5. Ацикличный граф - граф, не содержащий замкнутые контуры.
^^ I
mil
шш "
Т
:: 1
Щ'-ш
■I
рЩ
Е^в i =
1 ж I ' • 1
On
м
- . -
::: . . •
II
■
J,., ш
:Я Е
• • *
■я
*
I
i ■
: ■<
1«
НЦ1Г
fiJ«i
iia. -^н-
Рис. 2. Модель исследуемого участка сети / Fig. 2. Model of the studied part of the network
Алгоритм поиска всех неповторяющихся ос-товных деревьев графа состоит из двух частей. Первая представляет собой процедуру, которая необходима для ввода исходной информации: количества узлов и количества ветвей, а также связей между ними. Вторая часть состоит из рекурсивной функ-
ции, которая ведет поиск всевозможных деревьев в выбранном графе.
Блок-схемы процедуры, отвечающей за ввод информации о графе, а также функции, отвечающей за поиск всевозможных деревьев, представлены на рисунке 2.
^ Начало ^
Ввод количества узлов, ветвей. Ввод графа
> г
Заполнение
матрицы М
Е
Track=0
Т.
Формирование массива Resolution
I
С К0НеЦ )
1~
I Track - массив в котором содержится
I путь пройденных ветвей 1_
' Resolution - массив c информацией о ветвях
потенциально пригодных для присоединения I к текущей части графа
Формирование массива Blacklist 1 1 1 1
> <
numb=0 I" -1 1 1
Показывает номер определенной ветви графа
1~
, _| Рекурсивная функция, которая осуществляет
I поиск всех ветвей графа 1_
Рис.к 3. Блок-схема процедуры ввода данных и поиска остовных деревьев графа / Fig. 3. Block diagram of the procedure of data entry and searching spanning trees of the graph
Алгоритм поиска всех остовных деревьев графа функционирует следующим образом:
1. Сначала осуществляется ввод данных: указывается количество ветвей и узлов; вводится циклический граф, в котором указывается номер ветви, а также начало и конец ветви, соединяющей две вершины графа (рисунок 4, а).
2. На основе введенных данных о графе формируется матрица М инцидентности. В последующем она используется для осуществления поиска всех деревьев графа.
3. Формируются вспомогательные матрицы, которые хранят в себе данные о пройденном пути алгоритма по заданному графу. Содержат информацию о ветвях для присоединения к рассматриваемой части графа; включают данные о пройденных узлах и определенной ветви графа.
4. Данные, полученные в пункте 3, обрабатываются посредством рекурсивной функции, которая предназначается для поиска всех деревьев графа (рисунок 4, б). Результаты функционирования алгоритма представлены на рисунке 4.
1 1 3 4 5 а, 7 s 3
1
1
3 кол-во узлов n= 11 кол-во ветвей m= 19
4
5 № Ветви Начало Конец
6 1 1 4
7 Z 1 3
В 3 Z 4
S 4 3 5
1 2 3 4 5 6 7 а 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
1
2
3
4 Показ
5 S 7 а 9 ать
№ дерева Все возможные комбинации деревьев
1 1 2 3 4 5 7 э 12 13 15 16 17 18 20 21 23 24 25 27 28 29
2 1 2 3 4 5 7 9 12 13 15 16 17 18 20 21 23 24 26 27 28 29
3 1 2 3 4 5 7 9 12 13 15 16 17 18 20 21 23 26 25 27 28 29
а) б)
Рис. 4. Ввод данных графа (а), остовные деревья графа (б) исследуемого участка электрических сетей / Fig. 4. Data Input of count (a), a spanning tree of the graph (b) of the investigated area of electric networks
Алгоритм, моделирующий положение выключателей сетевого района на основе полученных конфигураций сети (рисунок 4, б), приводит к формированию таблицы, характеризующей их положение для остовного дерева графа (конфигурации се-
ти). В таблице положение каждого выключателя характеризуется двумя цифрами: 0 - выключатель выключен; 1 - выключатель включен. Результирующая матрица положений выключателей представлена на рисунке 5.
34 353637 ЗБ 39 43 4142 43 44 45 46 47 43 49 50 51 52 53 54 55 56 57 5S 59
расчет голожения выключателей
ww.epontxT а/вы ключа Положение выключателе*
1 2 3 4 5 6 7 5 а 10 11 12 13 14 15 15 17 15 19 20 21 22 23 24 25 25
1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1
2 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 : 0 1 1 0 1 1 1 : : 0 1 1 1
3 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1
4 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1
Рис. 5. Положения выключателей, соответствующие номеру остовного дерева /
Fig. 5. Positions of switches corresponding to the number of the main tree
Алгоритм управления сбором данных модели сетевого района в МЛТЬаЪ, используя данные о положениях выключателей в схеме, обеспечивает заполнение матрицы Q. Такая матрица необходима для определения положения выключателей. Дополнительно осуществляется фиксация данных о количестве проводимых расчетов, количестве выключателей и измерительных приборов. В разработанное программное обеспечение вводятся данные, характеризующие имитационную модель: напряжения источников, частота, сдвиг фаз между напряжением и током, длина линий, номинальное напряжение нагрузки и мощность узлов и др. После этого начинается реализация модельных экспериментов.
По итогам каждой реализации модели фиксируются матрицы амплитудных значений фазного тока 1а, фазного напряжения в конце и начале линии (ик и ип соответственно).
Далее производится расчет матриц действующих значений токов и линейных напряжений по формулам (1) и (2), рассчитываются активные потери AP по разности мощностей в начале и конце ЛЭП согласно выражению (3). Активные потери в линиях электропередачи выражены в процентах.
Результаты расчетов вносятся в таблицы Excel (рисунок 6) с последующей обработкой данных и
анализом значений.
I = Kl :V2;
U =л/э| ипа\=л/э| ика\,42; Sn =Suj, Sk = 43uJ;
AP--
Re(Sn > - ^ ) . 100%
Re(Sn )
(1) (2)
(3)
1 номер Номер линии согласно графу
2 экспери 1 3 4 5 7 8 9 11 13 15 17
3 1 431,8057 0,0000 223,2026 36,7100 0,0000 21,2467 44,4999 0,0000 20,7868 0,0000 0,000
4 2 453,3678 0,0000 245,2850 36,6332 0,0000 21,2022 44,4068 0,0000 20,6945 162,3223 0,000
5 3 453,3403 0,0000 245,2570 36,6333 0,0000 21,2023 44,4069 0,0000 20,6946 162,2936 0,000
6 4 453,0152 0,0000 244,9257 36,6342 0,0000 21,2028 44,4080 0,0000 20,6959 161,9541 0,000
7 5 341,6860 0,0000 131,3934 37,0203 0,0000 21,4262 44,8760 0,0000 21,1647 46,3114 0,000
8 6 453,3316 0,0000 245,2991 36,6332 0,0000 21,2022 44,4068 0,0000 20,6945 162,3369 0,000
9 452,3412 0,0000 244,2388 36,6362 0,0000 21,2040 44,4104 0,0000 20,6984 161,2509 0,000
а)
ноглер экспери Номер линии согласна г[
1 3 4 5 7 8 9 11 13 15
1 l,05E-t€4 D,OOE-tW 10075,49279 10075,49279 0 1 №75,58706 10075,49279 0 9В45,059549 0
2 1,05Е+04 D,OOE-tffl) 10054,40576 10054,4057В 0 10054,30127 10054,4057В 0 9В01,353955 9В01,459734
3 l,05E-tfl4 ОООЕ+ОО 10054,4262 10054,4262 0 10054,32069 10054,4262 0 9801,399923 9801,505703
4 1,05Е-Ю4 0.00Е-КЮ 10054,68523 10054,68523 0 10054,58072 10054,68623 0 9801,983457 9802,089243
5 1,05Е+04 D,OOE-tffl) 10160,64475 10160,6447В 0 10160,53815 10160,6447В 0 10024,02004 10024,12В22
6 1,05Е+04 ОООЕ+ОО 10054,39355 10054,39855 0 10054,29304 10054,39855 0 9801,332829 9801,438608
7 1,05Е+04 ОООЕ+ОО 10055,23377 10055,23377 0 10055,12825 10055,23377 0 9803,20413 9803,30993
0 В 1,05Е+04 D,OOE-tffl) 10074,43541 10074,43541 0 10074,28513 10074,43541 0 9В71,831998 9В71,93В538
L 9 1,05Е+04 ОООЕ+ОО 10051,96519 10051,96519 0 10051,73143 10051,95519 0 9881.20951 9881,315152
б)
1 номер Номер линии согласно графу
экспери 1 3 4 5 7 а 9 11 13 15 17
3 1 10076,14 0 9845,503 10048,71 0 10052,29 10032,44 0 9833,321 0 0
4 г 10055,09 0 9801,831 10027,68 0 10031,26 10011,45 0 9789,667 9703,318 0
5 3 10055,11 0 9801,877 10027,7 0 10031,28 10011,47 0 9789,713 9703,38 0
6 4 10055,37 0 9802,46 10027,96 0 10031,54 10011,73 0 9790,296 9704,157 0
7 5 10161,15 0 10024,32 10133,64 0 10137,25 10117,23 0 10012,07 9995,968 0
8 6 10055,08 0 9801,81 10027,67 0 10031,25 10011,44 0 9789,646 9703,289 0
9 7 10055,91 0 9803,679 10028,5 0 10032,08 10012,27 0 9791,515 9705,781 0
в)
1 номер Номер линии согласно графу
2 экспери 1 3 4 5 7 8 9 11 13 15 17
3 1 2,251483 0 2,025646 0,216125 0 0,212894 0,414597 0 0,110842 0 0
4 2 2,364549 0 2,228359 0,216125 0 0,212894 0,414597 0 0,110842 0,876543 0
5 3 2,364438 0 2,228156 0,216125 0 0,212894 0,414597 0 0,110842 0,876412 0
6 4 2,362982 0 2,225525 0,216125 0 0,212894 0,414597 0 0,110842 0,874736 0
7 5 1,793346 0 1,209276 0,216125 0 0,212893 0,414597 0 0,110842 0,247527 0
8 6 2,364599 0 2,22845 0,216125 0 0,212894 0,414597 0 0,110842 0,876604 0
9 ^ 2,35993 0 2,220011 0,216125 0 0,212894 0,414597 0 0,110842 0,87123 0
г)
Рис. 6. Токи (а), напряжения в начале (б), в конце (в) и потери (г) в ЛЭП / Fig. 6. Current (a) voltage at the beginning (b), end (v) and loss (g) in transmission lines
Обработка данных модельных экспериментов состоит в следующем: на основе введенных допустимых значений параметров для схемы сетевого района (рисунок 7) происходит сравнительный анализ всех рассчитанных конфигураций на соответствие заданным критериям отбора. Значения параметров, не удовлетворяющие заданным критериям, выделяются красным цветом.
После проведенного сравнения программное обеспечение формирует отчет из пяти таблиц:
- положений выключателей;
- токов, протекающих в ЛЭП для заданной конфигурации;
- напряжений в начале ЛЭП для заданной конфигурации;
- напряжений в конце ЛЭП для заданной конфигурации;
- активных потерь в ЛЭП для заданной конфигурации.
Примеры заполнения указанных таблиц представлены на рисунках 8 и 9.
Результаты разработки По результатам выполнения имитационного моделирования проанализировано 7 206 различных вариантов конфигураций схем исследуемого сетевого района. Все комбинации получены при помощи алгоритма поиска остовных деревьев графа. Каждый расчет сопровождался оценкой фазного тока, а также линейного напряжения в начале и в конце линий электропередач.
1 ; 3 4 Е 6 7 С 9 10 11 12 L3 L4 lb L6 17 LB 19
II Допустимые гзрэмет ры ДЛЯ ЛЭГ
номер ливни 1 3 4 5 7 я ? 1.1 13 13 17 1Н 1? ZI zz Z3 Z6
марка провода АС150/24 АС150/24 AC7D/11 AC7D/1L АС50/В ДС5Ц/В Л' 'Й:/Ь AC5C/S AC5<Ve AC50/S AC5<Ve АСЭО/В AC5<Ve АС5<УБ AC5iVe JU sa/a AC50/B AC5<VB
до шуст и мый ток 450 450 265 265 210 21.0 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 Z10 213
Допустимое значение потерь, % «
Минимальное значение напряжения, Б Э500
Рис. 7. Допустимые параметры для схемы исследуемого сетевого района / Fig. 7. Valid parameters for the scheme of the studied network area
1 номер Номер линии согласно графу
2 экспери 1 3 4 5 7 s 9 11 13 15 17
3 1 431,0057 0,0000 223,2825 35,7100 0,0000 21,2467 44,4999 0,0000 20,7868 0,0000 0,0000
4 2 453; 3673 ороооо 245,2350 36,6332 0,0000 21,2022 44,406S 0,0000 20,6945 162,3223 0,0000
5 3 453; 3403 ороооо 245,2570 36,6333 0,0000 21,2023 44,4069 0,0000 20,6946 162,2936 0,0000
6 4 453,0152 ороооо 244,9257 36,6342 0,0000 21,2028 44,4030 0,0000 20,6959 161,9541 0,0000
Рис. 8. Пример автоматического анализа расчетных данных / Fig. 8. Example of automatic analysis of settlement data
10
11 знеченн-f /инеиных из прнн^Ешй б начал?иниизлЕктропЕрЕдачи
НОМЕР
зсспермы емта/нои 1 3 4 5 7 Б 9 11 13 15 17 16 19
11 ер Л ЭГ
13 1 юкю 0 10С75,4В 10С75,4В 0 10075,39 10075,49 0 ВВ45,06 0 0 9760,402 9760,35В
5 ююо О 10160,64 10160,64 о Ю160,54 10160,64 0 10024,02 10024,13 0 9В?5,В9В 0
IE Б 10500 О 10074,44 10074,44 о 10074,29 10074,44 0 9В71,В32 9Б71,939 Ю020,65 9В03,В04 Ю0©2,~4
16 12 10500 О 10160,34 10160,34 о Ю160,21 10160,34 0 10039,43 10039,54 Ю120,19 10020,71 0
17 16 10 500 О 10074,12 10074,12 о ЮС73,В Ю074,12 0 99Е5,44 0 9301,632 9612,471 ВБ12,646
Рис. 9. Итоговый отчет согласно разработанного алгоритма / Fig. 9. Final report according to the developed algorithm
Для исследуемого графа сети отобрано 500 вариантов конфигураций схем, удовлетворяющих критериям отбора: фазный ток для провода марки АС-150 не должен превышать 450 А; фазный ток для провода марки АС-70 не должен превышать 265 А; фазный ток для провода марки АС-50 не должен превышать 210 А; остаточное линейное на-
пряжение в узлах сетевого района не должно быть меньше 9,5 кВ; активные потери в ЛЭП не должны превышать 10 % [19, с. 35]. Анализ полученных конфигураций показал, что суммарные технические потери электроэнергии для конфигураций, удовлетворяющих критериям отбора, могут быть снижены до 7-12 % (рисунок 10) [16, с. 92].
Рис. 10. Отобранные варианты Fig. 10. The options Selected in the
конфигурации сети, соответствующие номеру остовного дерева / network configuration corresponding to the number of the spanning tree
Предложенную методику расчета целесообразно также применять для поиска оптимальных вариантов схемы в ремонтных, аварийных режимах [17, с. 57]. Следует отметить, что использование предложенного подхода эффективно при повреждении сразу нескольких элементов, например при выводе в ремонт нескольких ЛЭП в кольцевых схемах (например, отключение линий 8 и 15, рисунок 1) [18, с. 54].
Заключение
Реализация автоматизированных систем управления конфигурацией и режимом распредели-
тельных электрических сетей с применением синхронизированных векторных измерений приведет к повышению эффективности функционирования сетей сельскохозяйственного назначения и повышению надежности электроснабжения потребителей.
Результаты имитационного моделирования показали, что внедрение разработанного алгоритма в программно-аппаратный комплекс автоматизированного управления конфигурацией распределительной сети позволяет снизить потери электроэнергии до 7-12 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вуколов В. Ю., Куликов А. Л., Папков Б. В. Повышение эффективности передачи электроэнергии в распределительных сетях. Ч. 1 // Библиотечка электротехника. 2013. № 11. 72 с.
2. Апряткин В. Н., Воротницкий В. Э., Калинкина М. А. Мероприятия по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях энергоснабжающих организаций // Энергосбережение. 2000. № 3. С. 53-55.
3. Вуколов В. Ю., Куликов А. Л., Папков Б. В. Определение мест размыкания распределительных электрических сетей с использованием синхронизированных измерений // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Вып. 66. Минск: БНТУ, 2015. С. 183-190.
4. Бартоломей П. И., Паниковская Т. Ю., Тихонов С. А. Новые процедуры распределения потерь мощности и электроэнергии // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. № 11-12. С. 50-56.
5. Воротницкий В. Э., Комкова Е. В., Туркина О. В. и др. Методы и средства выявления несанкционированного потребления электрической энергии при наличии приборов учета. М. : ИУЭ ГУУ, ВИПКэнерго, ИПК-госслужбы, 2005. 64 с.
6. Домнин Л. Н. Элементы теории графов: учеб. пособие. Пенз. гос. ун-та, 2007, 144 с.
7. Ю. С. Железко, А. В. Артемьев, О. В. Савченко Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергий в электрических сетях: Руководство для практических расчетов. М. : НЦ ЭНАС, 2003. 280 с.
8. Зыков А. А. Основы теории графов. М. : Книга по требованию. 2013. 382 с.
9. Каймин В. А. Информатика: Учебник. М. : 5-е издание ИНФРА-М, 2008. 285 с.
10. Каймин В. А. Информатика: Учебное пособие. 2-е изд. М. : РИОР, 2008, 124 с.
11. Каймин В. А. Методы разработки программ на языках высокого уровня. М. : МИЭМ, 1985.
12. Куликов А. Л., Ананьев В. В., Лачугин В. Ф., Вуколов В. Ю., Платонов П. С. Моделирование волновых процессов на линиях электропередачи для повышения точности определения места повреждения // Электрические станции. 2015. № 7. С. 45-53.
13. Куликов А. Л., Лачугин В. Ф., Ананьев В. В., Вуколов В. Ю. , Платонов П. С. Modelling of wave processes on power transmission lines to improve the accuracy of fault location / // Power Technology and Engineering, Vol. 49, No. 5, January, 2016, pp. 378-385.
14. Папков Б. В. Вопросы повышения эффективности функционирования территориальных сетевых организаций // Б. В. Папков, В. Ю. Вуколов // Промышленная энергетика. 2012, № 5. С. 18-21.
15. Папков Б. В., Вуколов В. Ю. Особенности расчета нормативов потерь электроэнергии для территориальных сетевых организаций // Промышленная энергетика, 2010. № 1. С. 33-37.
16. Папков Б. В., Вуколов В. Ю. Риски территориальных сетевых организаций в условиях «котловой» системы тарифообразования // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2009. Вып. 4. С. 92-94.
17. Папков Б. В., Шарыгин М. В. Схема стимулирования повышения надежности электроснабжения потребителей // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2009. Спец. выпуск. С. 56-58.
18. Папков Б. В., Шарыгин М. В. Требования к системе обеспечения надежности электроснабжения. // Надежность и безопасность энергетики. 2014. № 1 (24). C. 53-55.
19. Инструкция по снижению технологического расхода электрической энергии на передачу по электрическим сетям энергосистем и энергообъединений: И 34-70-028-86 (РД 34.09.254).
Дата поступления статьи в редакцию 11.09.2017, принята к публикации 20.11.2017.
Информация об авторах: Вуколов Владимир Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»
Адрес: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород (Россия) 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, д.24 E-mail: [email protected] Spin-код: 4993-0312
Куликов Александр Леонидович, доктор технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»
Адрес: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород (Россия) 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, д.24 E-mail: [email protected] Spin-код: 4677-5820
Трапезников Иван Федорович, аспирант кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»
Адрес: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород (Россия) 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, д.24 E-mail: [email protected] Spin-код: 2679-3517
Шарыгин Михаил Валерьевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»
Адрес: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород (Россия) 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, д.24 E-mail: [email protected] Spin-код: 8315-3512
Заявленный вклад авторов: Вуколов Владимир Юрьевич: общее руководство проекта. Куликов Александр Леонидович: научное руководство. Трапезников Иван Федорович: написание окончательного варианта текста.
Шарыгин Михаил Валерьевич: проведение критического анализа материалов и формирование выводов.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
1. Vukolov V. Ju., Kulikov A. L., Papkov B. V. Povyshenie jeffektivnosti peredachi jelektrojenergii v rasprede-litel'nyh setjah. Ch. 1 [Improvement of electric transmission in distribution networks. Part 1], Bibliotechka jelektrotehnika [Electrician's library], 2013, No. 11, 72 p.
2. Aprjatkin V. N., Vorotnickij V. Je. , Kalinkina M. A. Meroprijatija po snizheniju poter' jelektrojenergii v jelektricheskih setjah jenergosnabzhaju-shhih organizacij [Measures for reduction of power loses in electric networks of energy supply organizations]. Jenergosberezhenie [Energy saving], 2000, No. 3, pp. 53-55.
3. Vukolov V. Ju., Kulikov A. L., Papkov B. V. Opredelenie mest razmykanija raspredelitel'nyh jelektricheskih setej s ispol'zovaniem sinhronizirovannyh izmerenij [Fault location distribution networks, using PMU]. Metodicheskie voprosy is-sledovanija nadezhnosti bol'shih sistem jenergetiki [Methodological issues of reliability research for large energy system], Vol. 66. Minsk: BNTU, 2015, pp. 183-190.
4. Bartolomej P. I., Panikovskaja T. Ju., Tihonov S. A. Novye procedury raspredelenija poter' moshhnosti i jelektrojenergii [New distribution procedures of capacity and electric energy loses] Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Problemy jenergetiki [News of higher educational institutions. Problems of energy], No. 11-12, pp. 50-56.
5. Vorotnickij, V. Je., Komkova E. V., Turkina O. V. i dr. Metody i sredstva vyjavlenija nesankcionirovannogo potreblenija jelektricheskoj jener-gii pri nalichii priborov ucheta [Methods and instruments for detections of unauthorized electric power consumption upon the availability metering devices]. Moscow: IUJe GUU, VIPKjenergo, IPKgossluzhby, 2005, 64 p.
6. Domnin L. N. Jelementy teorii grafov: ucheb. posobie. [Elements of graph theory]. Penza, 2007, 144 p.
7. Zhelezko Ju. S., Artem'ev A. V., Savchenko O. V. Raschet, analiz i normirovanie poter' jelektrojenergij v jelektricheskih setjah: Rukovodstvo dlja prakticheskih raschetov [Calculation, evaluation and rationing of energy losses in electric networks: Manual for practical calculations]. Moscow: NC JeNAS, 2000, 280 p.
8. Zykov A. A. Osnovy teorii grafov [Fundamentals of graph theory]. Moscow: Kniga po trebovaniju. 2013, 382 p.
9. Kajmin V. A. Informatika: Uchebnik [Informatics: Students book]. Moscow: 5-e izdanie INFRA-M, 2008,
285 p.
10. Kajmin V. A. Informatika: Uchebnoe posobie 2-e izd [Informatics: Teaching guide. 2-nd edition]. Moscow: RIOR, 2008, 124 p.
11. Kajmin V. A. Metody razrabotki programm na jazykah vysokogo urovnja [Development methods of programs, written in HHL]. Moscow.: MIJeM, 1985.
12. Kulikov A. L., Anan'ev V. V., Lachugin V. F., Vukolov V. Ju., Platonov P. S. Modelirovanie volnovyh pro-cessov na linijah jelektroperedachi dlja povyshenija tochnosti opredelenija mesta povrezhdenija [Modeling of wave processes on power transmissions lines to improve the accuracy of fault location], Jelektricheskie stancii [Electric stations], 2015, No 7, pp. 45-53.
13. Kulikov A. L., Lachugin V. F., Anan'ev V. V., Vukolov V. Ju., Platonov P. S. Modelling of wave processes on power transmission lines to improve the accuracy of fault location. Power Technology and Engineering, Vol. 49, No. 5, January, 2016, pp. 378-385.
14. Papkov B. V., Vukolov V. Ju. Voprosy povyshenija jeffektivnosti funkcionirovanija territorial'nyh setevyh organizacij [Issues of efficiency improvement of local grid operators, working process], Promyshlennaja jenergetika [Industrialpower engineering], 2012, No. 5, pp. 18-21.
15. Papkov B. V., Vukolov V. Ju. Osobennosti rascheta normativov poter' jelektrojenergii dlja territorial'nyh setevyh organizacij [Special aspects of calculation of standard electric energy losses for local grid operators], Promyshlennaja jenergetika [Industrial power engineering], 2010, No. 1, pp. 33-37.
16. Papkov B. V., Vukolov V. Ju. Riski territorial'nyh setevyh organizacij v uslovijah «kotlovoj» sistemy tarifoobrazo-vanija [Risks of local grid operators under conditions of «general» system of tariffs setting], Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo jenergeticheskogo universiteta [Bulletin of the Ivanovo State Power Engineering University], 2009, Vol. 4, pp. 92-94.
17. Papkov B. V., Sharygin M. V. Shema stimulirovanija povyshenija nadezhnosti jelektrosnabzhenija potrebitelej [Incentive scheme of reliability improvement of electric power supply], Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Jelektromehanika [News of higher educational institutions. Electromechanics], JuRGTU (NPI). Novocherkassk, 2009, Spec. vol., pp. 56-58.
18. Papkov B. V., Sharygin M. V. Trebovanija k sisteme obespechenija nadezhnosti jelektrosnabzhenija [Requirement to the support system of electric power supply reliability], Nadezhnost' i bezopasnost' jenergetiki [Reliability and safety of power engineering], 2014, No. 1(24), pp. 53-55.
19. Instrukcija po snizheniju tehnologicheskogo rashoda jelektricheskoj jenergii na peredachu po jelektricheskim setjam jenergosistem i jenergoobedinenij [Regulations for redactions of electric energy consumption in electric networks of energy systems]: I 34-70-028-86 (RD 34.09.254).
Submitted 14.08.2017; revised 16.10.2017.
About the authors:
Vladimir Y. Vukolov, Ph. D. (Engineering), associate professor of the chair
«Power Engineering, electricity supply and power electronics»
Address: Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev (NNSTU),
603950, Russia, Nizhny Novgorod, Minin Street, 24
E-mail: [email protected]
Spin-code: 4993-0312
Alexander L. Kulikov, Dr. Sci. (Engineering), professor of the chair
«Power Engineering, electricity supply and power electronics».
Address: Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev (NNSTU),
603950, Russia, Nizhny Novgorod, Minin Street, 24
E-mail: [email protected]
Spin-code: 4677-5820
Ivan F. Trapeznikov graduate student of the chair «Electricity, power supply and power electronics»
Address: Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev (NNSTU),
603950, Russia, Nizhny Novgorod, Minin Street, 24
E-mail: [email protected]
Spin-code: 2679-3517
Mikhail V. Sharygin, Ph. D. (Engineering) , associate professor,
associate professor of the chair «Power Engineering, electricity supply and power electronics» Address: Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev (NNSTU), 603950, Russia, Nizhny Novgorod, Minin Street, 24 E-mail: [email protected] Spin-code: 8315-3512
Contribution of the authors: Vladimir Y. Vukolov: managed the research project. Alexander L. Kulikov: research supervision. Ivan F. Trapeznikov: writing the final text.
Mikhail V. Sharygin: critical analysis of materials; formulated conclusions.
All authors have read and approved the final manuscript.
05.20.01 УДК 631.554
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА КОНТРОЛЯ ВЕСА ЗЕРНА ПРИ УБОРОЧНЫХ РАБОТАХ
© 2017
Евгений Васильевич Пухов, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Эксплуатация транспортных и технологических машин» ФГБОУ ВО «Воронежский ГАУ», Воронеж (Россия) Михаил Григорьевич Тимошинов, аспирант кафедры «Эксплуатация транспортных
и технологических машин» ФГБОУ ВО «Воронежский ГАУ», Воронеж (Россия)
Аннотация
Введение: увеличение уровня производства зерна является одним из важнейших аспектов как продовольственной безопасности России, так и неотъемлемой составляющей коммерческого успеха агропромышленного комплекса. Поиск оптимального решения для достижения этих целей продолжает оставаться актуальной задачей современности. Среди прочего, такого эффекта можно достичь за счет сокращения потерь во время уборочных работ. Статья посвящена анализу основных методов количественного контроля и учета собранного урожая зерновых культур.
Материалы и методы: в статье применяются методы идентификации, системного и сравнительного анализа. Результаты. На основании анализа имеющихся количественных технологий контроля собранного урожая предлагается использование построения информационных систем на базе технологической машины (комбайна) с применением датчика контроля сыпучих материалов. Данный метод увеличивает точности контроля массы собираемого урожая непосредственно на уборочной технике.
Обсуждение: проведенное сравнение существующих методов контроля и учета дало возможность установить их главные преимущества и недостатки. Среди которых на первый план выходит вопрос: либо получить наиболее точные показатели при помощи электронных автовесов, или же добиться логистических выгод за счет уменьшения транспортных затрат. Немаловажным остается минимизация потерь зерна, достигаемая за счет четкого понимания объемов собранного урожая уже при работе зерноуборочного комбайна. Заключение: осуществлен сравнительный анализ наиболее распространенных способов взвешивания зерновых во время сезонных уборочных работ. Установлены преимущества и недостатки каждого из проанализированных методов. С точки зрения экономической эффективности для массового использования рекомендован метод измерения веса зерна при помощи датчика контроля сыпучих материалов, размещенного непосредственно в бункере технологической машины.
