Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния сельских электрических сетей и обоснование задач исследования 13
1.1 Состав и структура сельских электрических сетей 13
1.2 Анализ технического состояния сельских электрических сетей. 15
1.3 Оценка надежности электроснабжения 17
1.4 Потери электроэнергии в сети 20
1.5 Структура и объемы потребления электроэнергии. 21
1.6 Концепция и проблемы развития электрических сетей 24
1.7 Обоснование задач в вопросе поиска оптимальных параметров ЛЭП 28
1.8 Выводы по главе 1 32
Глава 2 Методика решения задач оптимизации параметров сельских электрических сетей 35
2.1 Классификация задач оптимизации и способы их решения 35
2.2 Обоснование и выбор набора частных критериев оптимизации, способа свертки критериев в единый оценочный функционал 40
2.3 Учет неопределенности параметров среды 56
2.4 Составление аналитических выражений частных критериев 68
2.4.1 Аналитические выражения экономического критерия 68
2.4.2 Аналитические выражения критерия надежности 78
2.4.3 Аналитические выражения экологического критерия 80
2.5 Методика выбора оптимального решения 81
2.6 Выводы по главе 2 87
Глава 3 Выбор оптимального сечения проводников сельских ЛЭП 10-35 кВ 89
3.1 Анализ существующих методик выбора сечения проводников ЛЭП 89
3.1.1 Выбор оптимального сечения проводников ЛЭП 89
3.1.2 Выбор экономического сечения проводников ЛЭП 89
3.1.3 Выбор сечения проводника ЛЭП по нагреву 97
3.1.4 Выбор сечения проводников ЛЭП по термической стойкости токам короткого замыкания 98
3.1.5 Выбор сечения проводников ЛЭП по механической прочности 100
3.1.6 Выбор сечения проводников ЛЭП по потере и отклонению напряжения 101
3.2 Совершенствование методик выбора экономического сечения проводников ЛЭП 105
3.2.1 Совершенствование метода экономической плотности тока 105
3.2.2 Совершенствование метода экономических токовых интервалов 114
3.2.3 Оценка выбора неэкономического сечения 117
3.3 Совершенствование методики выбора оптимального сечения проводника ЛЭП 119
3.4 Выводы по главе 3 124
Глава 4 Определение оптимального радиуса и выбор оптимальной системы номинальных напряжений сельских электрических сетей 125
4.1 Анализ существующих методик 125
4.1.1 Определение оптимального радиуса распределительной сети 125
4.1.2 Выбор оптимальной системы номинальных напряжений 131
4.2 Разработка оптимизационной модели сельских электрических сетей 135
4.2.1 Исходные положения оптимизационного моделирования 135
4.2.2 Разработка топологической структуры модели сельских электрических сетей 137
4.2.3 Вывод отдельных обобщенных параметров модели 145
4.2.4 Вывод аналитических выражений технических параметров модели 159
4.2.5 Вывод аналитических выражений экономического критерия модели 170
4.2.6 Вывод аналитических выражений критерия надежности модели 174
4.2.7 Вывод аналитических выражений экологического критерия модели 177
4.2.8 Вывод аналитических выражений оценочного функционала модели 179
4.3 Формирование стратегий развития электрической сети и состояний среды 179
4.4 Определение оптимального радиуса распределительной сети и длин распределительных ЛЭП 182
4.5 Выбор оптимальной системы номинальных напряжений . 189
4.6 Выводы по главе 4 194
Глава 5 Выбор оптимальной стратегии развития распределительной электрической сети 10 кВ с учетом возможности перевода сети на напряжение 20, 35 кВ на примере Серпуховского района электрических сетей 196
5.1 Характеристика района 196
5.2 Формирование стратегий развития электрической сети и состояний среды 200
5.3 Выбор оптимальной стратегии 204
5.4 Выводы по главе 5 207
Заключение 208
Список сокращений и условных обозначений 211
Список литературы 213
- Концепция и проблемы развития электрических сетей
- Выбор экономического сечения проводников ЛЭП
- Разработка топологической структуры модели сельских электрических сетей
- Выбор оптимальной системы номинальных напряжений
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Около 67 % территорий Российской Федерации относится к сельским. Данные территории составляют основу продовольственной независимости и сырьевой безопасности государства, поэтому их развитие является одним из приоритетов национальной политики. Устойчивое функционирование и развитие сельских территорий возможно только при надежной и качественной работе сельских электрических сетей.
В настоящее время степень износа сельских электрических сетей, превышает 70 %. Как результат наблюдается высокий уровень аварийности, затрат на эксплуатацию, недостаточное качество электроэнергии у потребителей, отсутствие технической возможности подключения новых потребителей. Процесс модернизации и нового строительства осложняется тем, что в действующей нормативно-технической документации отсутствуют или приведены устаревшие методики и модели выбора оптимальных параметров электрической сети. В результате, недавно введенные в эксплуатацию элементы электрической сети обладают недостаточной пропускной способностью и требуют проведения дополнительных мероприятий по развитию.
Наиболее важными элементами сети, с точки зрения развития, являются распределительные ЛЭП 6-10 кВ, поскольку имеют большой удельный вес в системе электроснабжения страны (около 1,1 млн. км) и выбор их параметров в значительной степени оказывает влияние на качество электроэнергии и надежность её передачи для сельских потребителей, а также на технико-экономические показатели сети.
Вышеизложенные факты, указывают на значимость развития сельских электрических сетей в целом и распределительных ЛЭП 6-10 кВ в частности в масштабах страны, оценки их текущего состояния и проблем функционирования, в связи с чем тема исследования является актуальной.
Степень разработанности темы исследования. Основополагающие направления в решении задач поиска оптимальных параметров ЛЭП были заложены в 60-80-е годы в работах И.А. Будзко, Л.Е. Эбина, М.С. Левина, В.М. Блок, В.А. Веникова, Ю.С. Железко, А.Г. Захарина, Э.Н. Зуева, Н.М. Зуля,
4 Т.Б. Лещинской, Н.С. Сырых, В.Г. Холмского, и других исследователей. Решение задач оптимизации осуществлялось по критерию минимума приведенных затрат при удовлетворении требований к качеству электроэнергии и надежности электроснабжения. В настоящее время методические подходы в задачах оптимизации параметров систем электроснабжения изменились и стали многокритериальными. Ряд актуальных задач оптимизации решены по многокритериальной модели с учетом неопределенной информации в работах: С.Н. Ефентьева, П.В. Князева, А.А. Лоскутова, А.А. Метелькова, И.Н. Поляниной, Н.А. Стушкиной, Д.В. Чернова, Г.В. Шведова и других. Несмотря на это в существующих работах при определении оптимальных параметров ЛЭП не учитываются: экологическое воздействие, динамика отчислений на ремонт и обслуживание, зависимость оптимальных параметров сети от качества электроэнергии, современные конструкции ЛЭП и требования, предъявляемые к современным электрическим сетям.
Цель работы: совершенствование методик оптимизации параметров сельских распределительных ЛЭП 10-35 кВ и получение на их основе рекомендаций для проектирования и строительства, позволяющих улучшить технико-экономические показатели электрической сети.
Задачи исследования:
-
Обоснование частных критериев оценки распределительных электрических сетей, вывод их аналитических выражений и способа свертки в единый оценочный функционал.
-
Совершенствование технико-экономических моделей для определения экономического сечения проводника ЛЭП.
-
Совершенствование методик выбора сечения проводников ЛЭП и получение практических данных (таблиц, номограмм) для выбора сечения проводника.
-
Совершенствование укрупненной модели электрических сетей сельских районов В.К. Плюгачева с целью учета в ней современных требований к конфигурации сетей, надежности электроснабжения и качества электрической энергии.
-
Определение оптимального радиуса распределительной сети и выбор
5 оптимальной системы номинальных напряжений на основе усовершенствованной модели распределительных электрических сетей.
6. Обоснование оптимальной стратегии развития существующей распределительной электрической сети 10 кВ с учетом возможности перевода сети на повышенное напряжение 20, 35 кВ.
Объект исследования: электрические сети 10-110 кВ сельских районов.
Предмет исследования: методики выбора оптимальных параметров распределительной сети: сечения проводников ЛЭП, радиуса распределительной сети, системы номинальных напряжений.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней:
-
Обоснован набор частных критериев оценки достижения оптимальных параметров распределительной сети, с учетом требований к качеству электроэнергии, надежности электроснабжения и экологичности.
-
Разработаны усовершенствованные технико-экономические модели для определения экономического сечения проводников ЛЭП с учетом неопределенных факторов, изменяющихся во времени.
-
На основе универсальных токовых номограмм разработана комплексная методика выбора оптимального сечения проводников ЛЭП современных конструкций с учетом их пропускной способности.
-
Разработана модель распределительных электрических сетей сельских районов для решения задач многокритериальной оптимизации параметров, учитывающая современные требования к конфигурации сети, а также зависимость параметров сети от показателей качества электрической энергии и различных региональных особенностей.
-
Обоснованы оптимальные параметры электрической сети 10-110 кВ (радиус распределительной сети, система номинальных напряжений) при различной плотности электрических нагрузок и удельном числе потребительских трансформаторных подстанций.
-
Обоснована оптимальная стратегия развития существующей распределительной электрической сети 10 кВ с учетом возможности перевода сети на повышенное напряжение 20, 35 кВ.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в:
– разработанных моделях ЛЭП и электрической сети 10-110 кВ и полученных на их основе значений оптимальных параметров;
– полученных значениях постоянных составляющих экономической плотности тока, универсальных токовых номограммах, таблицах допустимого тока ЛЭП по условию допустимых потерь напряжения, а также в методике выбора оптимального сечения проводника ЛЭП с учетом пропускной способности;
– полученных технико-экономических показателях основных элементов электрической сети.
Полученные результаты могут быть применены научно-исследовательскими институтами, проектными и электросетевыми организациями при разработке схем перспективного развития электрической сети, проведении технико-экономического обоснования проектов электроснабжения и при проектировании электрических сетей, а также использовались при выборе вариантов развития электрических сетей 6-10 кВ Серпуховского района электрических сетей (РЭС).
Методология и методы исследований. Методологической основой работы явилось последовательное применение методов системного анализа, математического моделирования, многокритериальной оптимизации, теории принятия решений. Вычисления и моделирование выполнялись в табличном процессоре Microsoft Excel.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Усовершенствованные технико-экономические модели ЛЭП и методы выбора экономического сечения проводников, позволяющие повысить точность расчетов и снизить затраты.
-
Усовершенствованная методика выбора оптимального сечения проводников ЛЭП, позволяющая сократить трудоемкость расчетов при проектировании.
-
Усовершенствованная модель сельских электрических сетей для решения оптимизационных задач, учитывающая современные требования к конфигурации сетей, надежности электроснабжения, качеству электрической энергии.
-
Полученные оптимальные параметры электрической сети 10-110 кВ: радиус распределительной сети, система номинальных напряжений, позволяют выявить основные технико-экономические зависимости и сформулировать рекомендации по развитию электрической сети.
-
Результаты исследования перевода части существующей сети 10 кВ на повышенное напряжение 20 кВ, подтверждают эффективность использования напряжения 20 кВ в действующих сельских распределительных сетях.
-
Применение экологического критерия в задачах оптимизации сельских электрических сетей позволяет рационально расходовать природные ресурсы путем повышения эффективности стратегий с меньшей площадью охранной зоны элементов сети.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность исследований обоснована проработкой существующих научных работ по теме диссертации, корректным использованием применяемых методов исследования и вычислительных программ, учетом в работе требований действующей нормативно-технической документации.
Результаты и выводы диссертационной работы докладывались на совещаниях, посвященных развитию Серпуховского РЭС в 2013 году, на заседаниях кафедры «Электроснабжение и электротехника имени академика И.А. Будзко» в 2015, 2016 годах и на конференциях: I Международная научно-практическая конференция «Устойчивое развитие сельского хозяйства» (г. Нижний Новгород, 31 октября 2016 г.); Международная научно-практическая конференция «Оптимизация электротехнологий в АПК» (г. Ярославль, ФГБОУ ВО Ярославская ГСХА, 2-3 ноября 2016 г.); VI Всероссийская научно-практическая конференция «Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы» (г. Барнаул, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 24-25 ноября 2016 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, 3 из которых опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений,
8 списка литературы из 151 наименования и пяти приложений. Общий объем работы составляет 323 страницы. Основной текст диссертации содержит 230 страниц, включая 57 рисунков и 28 таблиц. Общий объем приложений 93 страницы.
Концепция и проблемы развития электрических сетей
Исходя из текущего технического состояния электрических сетей и перспективы роста электрических нагрузок, стратегический вектор их развития состоит в следующем [82, 101, 102, 126]: повышение качества планирования сетей, преодоление тенденции старения основных фондов, повышение эффективности оперативно-технологического управления электросетевыми объектами, развитие на территории страны производства современных материалов, оборудования и конструкций, снижение затрат на эксплуатацию и капитальное строительство, оптимизация инвестиционной деятельности, повышение надежности электроснабжения и качества электроэнергии, минимизация воздействия электрических сетей на окружающую среду. При этом должны учитываться основные требования, предъявляемые к электрическим сетям [8, 102, 126]:
– экономичность: развитие сети должно обеспечивать максимальную экономичность, при условии соблюдения основных требований; – надежность: способность обеспечивать передачу электроэнергии для нормальной, ремонтных и послеаварийных схемах, нормативных аварийных возмущениях;
– качество электроэнергии: обеспечивать нормируемое качество электроэнергии у потребителей и в узлах сети при различных режимах работы;
– гибкость (возможность дальнейшего развития): параметры и структура сети, должны позволять осуществлять её поэтапное развитие, иметь резервы для адаптации к росту нагрузок, подключению новых потребителей;
– инновационность: развитие сети должно осуществляться с учетом последних достижений науки и техники и соответствовать мировым стандартам;
– безопасность и удобство эксплуатации: соблюдение нормативных требований, обеспечивающих безопасное и удобное обслуживание элементов сети (высота подвеса провода, глубина прокладки кабеля, использование пожаробезопасных материалов и конструкций и т.д.);
– экологичность: развитие сети должно осуществляться в соответствии с природоохранными требованиями и способствовать снижению негативного воздействия на окружающую среду.
Реализация заданных направлений должна осуществляться путем:
1. Разработки схем перспективного развития электрических сетей с учетом их координации с планами развития регионов, совершенствования методик прогнозирования электрических нагрузок и дефицита пропускной способности, моделирования технико-экономических показателей сети при различных режимах работы.
2. Технического перевооружения, реконструкции, внедрения инновационных материалов и оборудования с увеличенным сроком эксплуатации, и создания необслуживаемых электросетевых объектов.
3. Повышения уровня автоматизации электрических сетей, развития информационной и телекоммуникационной инфраструктуры, систем мониторинга, управления и автоматической диагностики, перехода к созданию интеллектуальных сетей без постоянного оперативного персонала.
4. Предъявления передовых технологических требований к оборудованию и материалам, налаживания взаимодействия между научно-исследовательскими, проектными, производственными и электросетевыми организациями, исключения применения морально устаревшего оборудования, материалов и конструкций, развития на территории страны современного производства и пилотного внедрение инновационного оборудования.
5. Выбора оптимальной конфигурации и параметров элементов сети, совершенствования технологий эксплуатации, технического обслуживания и ремонта.
6. Выполнения мероприятий по защите окружающей среды, снижению площади электрических сетей, восстановлению и рекультивации земель, нарушенных в процессе строительства и эксплуатации электрических сетей.
7. Актуализации нормативно-технической базы и методического обеспечения процессов проектирования, строительства и эксплуатации электрических сетей.
Несмотря на то, что концепция и пути развития закреплены на государственном уровне и в технических политиках электросетевых предприятий развитие РСК РФ и сельских сетей в частности происходит не оптимально в связи с недостаточной пропускной способностью как вновь вводимых, так и реконструируемых элементов сети. Происходит это по следующим причинам.
Во-первых, в настоящее время отсутствует практика разработки схем перспективного развития распределительных сетей 6-10 кВ, как результат данные сети развиваются «стихийно» по мере роста нагрузок и подключения новых потребителей, без оценки на перспективу показателей электропотребления, надежности, качества электроэнергии, а также возможности перевода сети на повышенный класс номинального напряжения. Это приводит к необходимости увеличения пропускной способности, только введенных в эксплуатацию или реконструированных элементов сети.
Во-вторых, разработка схем развития питающих сетей 35-110 кВ происходит обособлено от распределительных, несмотря на то, что во многих работах [15, 56, 61, 77, 100] доказано, что вариант с наилучшими технико-экономическими показателями может быть получен только при рассмотрении системы электроснабжения как совокупности питающих и распределительных сетей. Это связано с тем, что расположение и количество питающих подстанций формирует радиус распределительной сети, от которого зависят технико-экономические показатели сети в целом. Следствием пренебрежения взаимного влияния питающих и распределительных, в настоящее время, являются большие радиусы распределительных сетей (свыше 50 км), применение неоптимальных систем номинальных напряжений, рост затрат.
В-третьих, отсутствует актуальная нормативно-техническая и методическая документация регламентирующая выбор оптимальных параметров и схем электрической сети, а также применения современного оборудования, средств автоматизации и материалов в условиях рыночной экономики. С одной стороны, это связано с тем, что существующие методики разработаны в эпоху плановой экономики и как следствие, не учитывают динамику технико-экономических показателей, и базируются на устаревших данных. Перспективу изменения электрической нагрузки при этом оценивают на 5-7 лет, что приводит к тому, что за пределом этого периода пропускная способность становится недостаточной и сеть нуждается в реконструкции. Тогда как по современным требованиям, сечение ЛЭП должно быть выбрано с учетом роста нагрузок на весь срок службы, который должен составлять не менее 40 лет [101].
С другой стороны, отсутствует связь между научно-исследовательскими и электросетевыми организациями, государственными структурами, что приводит к тому, что результаты исследований не находят широкого применения в современной нормативно-технической документации (НТД) и соответственно практике планирования и проектирования сетей. Ярким примером этого являются значения экономической плотности тока, которые не меняются уже около 60 лет, несмотря на то, что данной теме посвящено достаточно большое количество работ, которые говорят о необходимости актуализации данного показателя. Результатом этого является выбор неоптимальных, с экономической и технической точки зрения, параметров элементов электрической сети.
В связи с этим решение задачи обеспечения необходимой пропускной способности элементов сети, должно стать главным при развитии сети. При этом первостепенное внимание стоит уделять пропускной способности распределительных ЛЭП 6-10 кВ в связи с тем, что:
– параметры ЛЭП в значительной степени влияют на надежность электроснабжение, качество электроэнергии для конечных потребителей и эксплуатационные издержки в сети;
– в отличие от трансформаторных подстанций, параметры линий должны выбираться постоянными на весь срок службы, без изменения путем проведения реконструкций.
Выбор экономического сечения проводников ЛЭП
Согласно ПУЭ [107] выбор экономического сечения проводника осуществляется на основании значений экономической плотности тока (ЭПТ)уэк, по выражению: где / - максимальный расчетный ток в нормальном режиме, А; )эк - нормированное значение ЭПТ, для заданных условий работы, А/мм2. Для линий одинакового сечения с n ответвляющимися нагрузками (сельские ЛЭП) значение ЭПТ необходимо увеличить в ky раз. Коэффициент kу определяется по выражению: где I1,h, …, In - токи нагрузки участков линии, А; h,2, …,/« - длины участков линии, км; L - полная длина линии, км.
Значения ЭПТ были получены в начале 40-х годов по технико-экономической модели ЛЭП, основанной на критерии минимума приведенных затрат. Фундаментальные исследования, посвященные выбору сечения по ЭПТ, представлены в работах А.А. Глазунова [23], П.С. Грудинского [31], С.А. Кукель-Краевского [64], Д.С. Лившица [72], Е.Н. Приклонского [109]. Широкое распространение метод ЭПТ получил, начиная с 1943 года. Позже начиная с 60-х годов исследования в области выбора экономического сечения продолжались И.А. Будзко, М.С. Левиным и Т.Б. Лещинской [12, 13, 16], Л.М. Зельцбургом [46, 47, 48], И.Б. Пешковым [99], А.А. Федоровым [134]. Ими выдвигались доводы о том, что приведенные в ПУЭ значения ЭПТ не имеют объективного технико-экономического обоснования, по следующим причинам:
- значения ЭПТ приведены для сравнительно больших диапазонов числа часов использования максимальной мощности;
- стоимость ЛЭП и тарифа на электроэнергию, на основании которых получены значения ЭПТ, значительно изменились и для различных регионов страны существенно различаются;
- коэффициенты нормативных отчислений от капитальных вложений при расчете ЭПТ для ЛЭП различных напряжений и конструкций принимались одинаковыми (значения ЭПТ для ВЛ 10 кВ и ВЛ 110 кВ одинаковы).
Так в расчетах, приведенных в исследованиях, значения ЭПТ оказывались в ряде случаях в 2-3 раза меньше чем в ПУЭ. В связи с этим предлагалось вычислять значения ЭПТ для конкретного объекта и внести соответствующие корректировки в ПУЭ. Наряду с этим было предложено определять не экономическую плотность тока, а оптимальную на основании многокритериальной модели, учитывающей потери электроэнергии, массу проводов и показатель, характеризующий надежность проводов [13]. Несмотря на объем и однозначные результаты проведенных исследований раздел, посвященный выбору сечений проводников в современной редакции ПУЭ [107] не изменился со времен ПУЭ третьего издания 1958 года [106].
Наряду с методом выбора проводников по ЭПТ, в 1945 году В.М. Блок был предложен метод экономических токовых интервалов (ЭТИ) [49]. Согласно данному методу для ЛЭП различных конструкций определялись приведенные затраты в зависимости от тока нагрузки. Полученные зависимости представляли собой серии параболических кривых, точки пересечения которых, образовывали токовые интервалы, каждому из которых соответствовало одно наивыгоднейшее сечение. На основе исследований было получено выражения граничного тока интервалов: где КЛ1, КЛ2 – капиталовложения на сооружение линий сравниваемых сечений, руб./км; R1, R2 – активные сопротивления линий сравниваемых сечений, Ом/км; – коэффициент, отражающий влияние технико-экономических показателей на величину граничного тока, кВт/руб.; Ен – нормативный коэффициент эффективности, о.е.; – норма отчислений от капитальных вложений на обслуживание, ремонты и амортизацию, %; – время максимальных потерь электроэнергии, ч; сэ – стоимость потерь электроэнергии, руб./(кВтч).
По уравнению (3.3) были построены универсальные номограммы токовых интервалов I = f () для ЛЭП различных конструкций, позволяющих однозначно выбрать экономическое сечение. Пример номограммы приведён на рисунке 3.1. Метод (ЭТИ) заключался в определении расчетного тока нагрузки (I) и значения . Зона номограммы, с координатами (; I) соответствует экономическому сечению.
Данный метод обладает рядом преимуществ по сравнению с методом ЭПТ, заключающихся в его универсальности, точности и информативности [89]:
– выбор сечения проводника ЛЭП производится с учетом дискретности выпускаемых сечений, тогда как при использовании метода ЭПТ найденное значение обычно отличается от ближайшего стандартного сечения;
– позволяет учитывать с помощью номограмм фактические технико-экономические показатели линии, в то время как значения ЭПТ приводятся для некоторых заданных значений этих величин, соответствующих единичному случаю, что может привести к значительной погрешности при выборе провода;
– обладает большей информативностью поскольку позволяет проверить выбранное сечения по дополнительным условиям (нагреву, механической прочности, отклонению напряжения) без использования дополнительной информации и проведения расчетов. Несмотря на очевидные преимущества метода широкого распространения в нормативно-технической и методической литературе он не получил и представлен лишь в учебных пособиях и научных работах.
Следующий этап развития методик выбора экономического сечения берет начало в конце 90-хх начале 2000-хх годов и связан с переходом страны к рыночной экономике и широким применением ЛЭП новых конструкций. Это потребовало дальнейшего усовершенствования существовавших в то время методик в связи с тем, что в них:
– использовались технико-экономические модели, основанные на критерии минимума приведенных затрат, тогда как в настоящее время в качестве основного экономического критерия стал применяться минимум дисконтированных затрат за расчетный период;
– не учитывалась динамика изменения основных технико-экономических показателей электрической сети во времени (электрические нагрузки, стоимость ЛЭП, тариф на электроэнергию для компенсации потерь и др.);
– не учитывалось современное требование к выбору сечения в ЛЭП проводника на весь срок службы (30-40 лет) [102];
– не учитывалось применение материалов и конструкций, используемых при сооружение современных ЛЭП (изолированные провода, кабели с изоляцией из СПЭ, воздушные линии напряжением 20-35 кВ в «габаритах» 10 кВ);
– использовались устаревшие стоимостные показатели на электроэнергию и стоимость ЛЭП.
Актуализации методик в этих направлениях были посвящены работы Э.Н. Зуева [49, 50, 51, 52], С.Н. Ефентьева [40, 41, 42], И.Н. Ковалева и М.А. Осипова [62, 63], Г.Е. Поспелова [104, 105], И.А. Суворовой [128], А.С. Мартьянова и В.П. Фрайштетера [136], М.А. Макеровой [74] и других. Наиболее полно задача выбора проводников ЛЭП в современных условиях раскрыта в работах С.Н. Ефентьева и И.А. Суворовой.
В работах С.Н. Ефентьева были разработаны технико-экономические модели для выбора сечения по методам ЭПТ и ЭТИ на основе критерия нагрузок.
С учетом полученных выражений для определения граничного тока по методу ЭТИ С.Н. Ефентьевым, так же было получено выражение экономической плотности тока: где k2 – тангенс угла наклона прямой, аппроксимирующей зависимость стоимости сооружения 1 км линии от сечения провода, тыс. руб./кммм2. Кроме полученных технико-экономических моделей были построены универсальные токовые номограммы для ВЛ 110-220 кВ, произведена оценка влияния составляющих моделей на экономическое сечение. По результатам анализа выявлено, что экономическое сечение в значительной степени зависит от нормы дисконта, стоимости электроэнергии и ЛЭП. Тем не менее в настоящее время данная работа имеет ряд недостатков:
1. Полученные технико-экономические модели не учитывают изменение тарифа на электроэнергию для компенсации потерь и отчислений на ремонты и обслуживание во времени.
2. В результатах работы не отражен практический выбор экономического сечения проводника по методу ЭПТ в современных условиях.
3. В моделях не учтена динамика электрических нагрузок, что требует дополнительного расчета «фиктивного тока», при котором дисконтированные затраты равны затратам с учетом действительной динамики нагрузок и может привести к ошибкам в выборе оптимального сечения, поскольку фиктивный ток обычно меньше максимального расчетного тока.
4. Не отражена особенность выбора экономического сечения ЛЭП с n ответвляющимися нагрузками.
Кроме указанных недостатков стоит отметить, что в связи с темой работы методический материал для выбора сечения представлен только для ВЛ 110-220 кВ.
Разработка топологической структуры модели сельских электрических сетей
Топологической структурой сети называют такую структуру, которая видна на карте этой сети [96]. Карты-схемы реальных электрических сетей представлены на рисунках 4.3 и 4.4.
Для определения технико-экономических показателей модели системы электроснабжения необходимо установить зоны действия сетей каждой подстанции. Для реальной электрической сети наиболее точно их можно определить при помощи построения диаграмм Вороного [4, 147, 151] (рисунок 4.5).
Из рисунка 4.5 видно, что территория обслуживания каждой подстанции представляет собой неправильный многоугольник, размер и форма которого зависит от конкретных условий размещения подстанций. Для упрощения модели, пользуясь ранее принятым допущением, территория обслуживания трансформаторных подстанций представлена в виде простой геометрической фигуры, которая должна обладать двумя свойствами:
– по своей форме должна быть подобной реальной территории обслуживания;
– делить плоскость, не оставляя свободного пространства.
С точки зрения геометрии, закрыть плоскость без пробелов можно при помощи трех видов правильных многоугольников: квадрата, треугольника и шестиугольника (рисунок 4.6).
По форме территории обслуживания для сельских электрических сетей наиболее близки модели в виде квадрата (модель В.К. Плюгачева) и шестиугольника (модель Ш.Ч. Чокина). Для упрощения расчетов принята модель в форме квадрата.
Связь между подстанциями в модели выбирается в соответствии с конфигурациями реальных сетей (рисунок 4.7). Для питающих сельских электрических сетей основными являются схемы с двухсторонним питанием по одной ЛЭП (рисунок 4.7б) и замкнутые схемы от одного ЦП с одной ЛЭП (рисунок 4.7в), которые в результате развития могут быть преобразованы в две сети с двухсторонним питанием по одной ЛЭП. Для распределительной сети характерной является радиальная конфигурация (рисунок 4.7а).
Схема распределительного устройства (РУ) ПС на стороне ВН при двух линиях – мостик, при большем числе линий – одна рабочая, секционированная выключателем, система шин или одна рабочая, секционированная выключателем, и обходная система шин. На стороне СН1, СН2 – одна рабочая, секционированная выключателем система шин или две, секционированные выключателями, системы шин. Для ТП схема блок линия-трансформатор с разъединителем.
Основными элементами питающей сети являются ПС и питающие ЛЭП, основными элементами распределительной сети – ТП, распределительные ЛЭП, РП, СП, ПАВР, ЛР. ПАРН в модели не учитывается. В работах [5, 44, 17, 98] посвященных эффективности применения ПАРН рассматриваются только отдельные протяженные ЛЭП с сосредоточенными нагрузками, без учета динамики развития сети и потерь электроэнергии. В работе [77] был сделан вывод о неэффективности широкого применения ПАРН, в связи с ростом потерь электроэнергии в сети. Кроме того, стоит отметить, что ПАРН имеют высокую стоимость. В связи с этим применение ПАРН в сети может рассматриваться как исключение для конкретной ЛЭП.
На основании типовой конфигурации реальных сетей составлены карты-схемы и принципиальные электрические схемы питающей и распределительной
Комплексные модели электрической сети для используемых в настоящее время и перспективных систем напряжения приведены на рисунках 4.13 и 4.14. При разработке модели системы номинальных напряжений 110/35/10/0,4 кВ принято допущение о том, что на ПС 110/35/10 кВ вся мощность распределяется на напряжении 35 кВ, в связи с чем сеть 10 кВ получает питание только от ПС 35/10 кВ.
Выбор оптимальной системы номинальных напряжений
Поскольку выбор оптимальной системы номинальных напряжений сельских электрических сетей производится в масштабах страны, для сравнительно большого количества возможных состояний среды, решение задачи осуществляется при помощи метода районирования множества векторов состояния природы. Для этого по каждой стратегии проводится расчет частных критериев и оценочного функционала для возможных состояний среды при различных значениях поверхностной плотности нагрузки по выражениям (4.86), (4.99), (4.113), (4.123), (4.124) и составляются графики функции. Исходные данные, используемые в расчетах, приведены в приложении В (таблица В.1). Для правильности сопоставления различных стратегий в качестве радиусов распределительной сети использовались их оптимальные значения. Полученные зависимости и рейтинги рассматриваемых стратегий представлены в приложении В (рисунки В.1-В.42). По данным результатам определены возможные состояния среды, разделенные на области, для каждой из которых определена оптимальная стратегия (таблицы 4.10, 4.11). Поскольку в ряде случаев конструкция ЛЭП задана исходными данными, оптимальные стратегии определены как независимо от конструкции ЛЭП так и при ЛЭП в кабельном или воздушном исполнении.
Из таблиц 4.10 и 4.11 следует, что оптимальными стратегиями по оценочному функционалу первого типа, являются стратегии для ЛЭП в воздушном исполнении і (система 110/10/0,4 кВ), і (система 110/35/10/0,4 кВ) и з (система 110/20/0,4 кВ). При рассмотрении стратегий ЛЭП только в кабельном исполнении оптимальной является стратегия 6 (система 110/20/0,4 кВ). Поскольку оценочный функционал данного типа представлен суммарными затратами, то при выборе также руководствуемся положением, приведенным в главе 2, согласно которому для сетей с равными затратами или затратами, отличающимися не более чем на 10 %, приоритет должен отдаваться сетям более высокого напряжения. Оптимальной стратегией с учетом данного положения являются стратегии с системой номинальных напряжений 110/20/0,4 кВ: з для ЛЭП в воздушном и б для ЛЭП в кабельном исполнении.
Оптимальной стратегией по оценочному функционалу второго типа, учитывающему экологический критерий для всего рассматриваемого диапазона является стратегия 6 (система 110/20/0,4 кВ) для ЛЭП в кабельном исполнении. Связано это с тем, что охранная зона кабельных ЛЭП более чем в 10 раз меньше, охранной зоны ВЛ(ВЛЗ) 10-35 кВ. При рассмотрении ЛЭП в воздушном исполнении практически во всем диапазоне оптимальной является стратегия з (система 110/20/0,4 кВ). Только при удельном числе ТП от 0,25 до 1 шт./км2 и малых значениях (Г) оптимальной является стратегия і (система 110/35/10/0,4 кВ). При этом разница в оценочном функционале по сравнению с з в среднем составляет 2 %.
Из полученных результатов следует, что наиболее эффективной системой номинальных напряжений является система 110/20/0,4 кВ. Для оценки эффективности внедрения данной системы были рассчитаны относительные изменения оценочных функционалов, по сравнению с действующими системами номинальных напряжений 110/10/0,4 кВ и 110/35/10/0,4 кВ (рисунок 4.25):
Из анализа результатов оценочного функционала первого типа следует, что затраты на строительство и эксплуатацию электрической сети в среднем снижаются на 8,4 % и 3,8 % для ЛЭП в воздушном и кабельном исполнении, соответственно, для всего диапазона расчетных параметров нагрузки. В отдельных случаях данные значения достигают достигает 26,2 % и 11 %, соответственно. Анализ результатов оценочного функционала второго типа (F(2)) показывает, что эффективность электрической сети при переходе к системе 110/20/0,4 кВ с учетом экологического критерия возрастает в среднем на 20,8 % и 14,5 % для распределительных ЛЭП в воздушном и кабельном исполнении, соответственно. В ряде случаев эффективность возрастает на 61,7 % и 32,8 %.
Следующими по эффективности являются распространенные в настоящее время системы 110/10/0,4 кВ и 110/35/10/0,4 кВ. Данные системы могут эффективно использоваться при следующих сочетаниях удельного числа ТП и поверхностной плотности нагрузки, при которых суммарные затраты отличаются не более чем на 5 %: N0ТП = 0,025 шт./км2 (T) = 1-2 кВт/км2 (для ВЛ); N0ТП = 0,05 шт./км2 при (T) = 2-5 кВт/км2 (для ВЛ); N0ТП = 0,1 шт./км2 при (T) = 3-10 кВт/км2 (для ВЛ) и (T) = 110-150 кВт/км2 (для КЛ); N0ТП = 0,25 шт./км2 при (T) = 6-30 кВт/км2 (для ВЛ) и (T) = 6-150 кВт/км2 (для КЛ); N0ТП = 0,5 шт./км2 при (T) = 20-60 кВт/км2 (для ВЛ) и (T) = 20-150 кВт/км2 (для КЛ); N0ТП = 0,1 шт./км2 при (T) = 11-120 кВт/км2 (для ВЛ) и (T) = 30-150 кВт/км2 (для КЛ).
Стратегии с системой номинальных напряжений 110/35/0,4 кВ независимо от типа оценочного функционала не оптимальны, ввиду высоких дисконтированных затрат на распределительные ЛЭП и ТП. При использовании оценочного функционала, учитывающего экологический критерий, эффективность использования ЛЭП в воздушном исполнении также снижается за счет большего размера охранной зоны ВЛЗ 35 кВ по сравнению с ВЛЗ 10, 20 кВ.
Анализ значений экологического критерия (рисунки В.13-В.18) показал, что при кабельном исполнении ЛЭП, площади охранных зон различных систем номинальных напряжений практически одинаковы. При воздушном исполнении, наименьшей площадью охранной зоны обладает система номинальных напряжений 110/20/0,4 кВ. Её охранная зона меньше на 3,6-23,4 % чем у с систем 110/10/0,4 кВ и 110/35/10/0,4 кВ.