Введение к работе
Актуальность проблемы. Потери электроэнергии в электрических сетях 0,38 - 110 кВ России только распределительных сетевых компаний (АО-энерго) составляли в 2004 году 13,2 %. Их снижение является актуальной задачей. При этом следует учесть мировой опыт. Наименьшие потери в 2005 г. составили в Нидерландах, Германии, Финляндии, Южной Корее 4,1, 4,3, 4,5, 4,5 % соответственно как следствие глубоко продуманных технических решений и целенаправленной политики. С 1990 по 2000 годы энергоснабжающие компании Германии ежегодно вкладывали в реконструкцию и модернизацию электрических сетей несколько млрд. долларов. Более 80 % низковольтных распределительных сетей (PC) Финляндии выполнено с применением самонесущих изолированных проводов. Это позволило снизить потери до минимально возможного значения. Уровень потерь в электрических сетях США - 5,5 %, Дании - 6,6 %, Швейцарии и ЮАР - 7 %, Норвегии - 7,6 %, Чили -8 %, Швеции - 8,5 %. В электрических сетях Великобритании потери составляют - 9 %, причем 7 % из них дают PC. Чилийские энергоснабжающие организации впервые в мировой практике использовали стимулирующее регулирование, предусматривающее включение в тариф полной величины потерь в целях их снижения.
В последние два десятилетия фактические (отчетные) потери электроэнергии только в сетях Минпромэнерго РФ составляют 9 % от электроэнергии, отпущенной в сеть. Они соизмеримы с потреблением электроэнергии в наиболее энергоемких отраслях, например, в черной или цветной металлургии. Документальные потери в сетях 6 -10 кВ и 0,38 кВ потребителей электроэнергии (ПЭ) не регистрируются, их фактическое значение неизвестно и принимается приближенно равным 4,5 % потребляемой (оплачиваемой) энергии. Суммарные потери в сетях энергосистем и потребителей составляют более 13 % от отпущенной в сеть с шин электростанций электроэнергии. Основная доля потерь в их структуре только в сетях Минпромэнерго приходится на PC. В том числе потери в сетях 0,38 - 20 кВ относительно суммарных потерь в сетях энергосистемы и ПЭ достигли 34 %. Составляющая стоимости потерь передаваемой от источников к ПЭ электроэнергии имеет непомерно большой удельный вес. Поэтому проблема сокращения потерь мощности и энергии заслуживает особо серьезного внимания, но она не получила пока надлежащего решения по следующим объективным причинам.
1. Многочисленные исследования работы силовых трансформаторов агропромышленного и коммунально-бытового комплексов свидетельствуют о низком использовании их установленной мощности. В каждой ступени трансформации на один кВт передаваемой мощности приходится 1,5 — 3 кВ-А мощности трансформаторов, в то же время основные потоки мощности (60 %) в PC передаются при плотностях тока, значительно превышающих экономические. Отставание развития электрических сетей порождает неэкономичные режимы, перегрузку проводов, низкие уровни напряжений.
2. Отсутствие или плохое использование средств регулирования
напряжения и компенсации реактивных нагрузок. Существенное влияние на
уровень потерь энергии в электрических сетях оказывает степень компенсации
реактивных потоков и связанные с ней уровни напряжения. Передача
реактивной мощности из сети одного напряженная в сеть другого напряжения
экономически не выгодна.
Несовершенные методики расчета, анализа и планирования потерь энергии, а также неудовлетворительное состояние учета потребления и потерь электроэнергии.
Недостаточно высокий уровень и качество управления режимами работы электрических сетей, а потери энергии тем больше, чем выше степень отклонения от оптимального режима. Оптимизация режима электрических сетей тесно связана с надежностью, экономичностью и поддержанием качества электроэнергии.
Весьма существенный рост дополнительных потерь наблюдается при несимметрии напряжений, особенно при выходе несимметрии за допустимые пределы. Несимметрия эксплуатационных режимов стала требовать к себе внимания, поскольку в последние годы коммунальное энергопотребление в ряде энергосистем превысило промышленное потребление электроэнергии, что привело к нарушению симметрии и уравновешенности систем напряжений и токов.
В отдельных энергосистемах общая протяженность коммунальных и сельскохозяйственных линий 0,38 кВ достигает сотен тысяч км, 6 -10 кВ -десятков тысяч км. Расчеты потерь напряжения, мощности, электроэнергии в PC с учетом несимметрии в них связаны со значительными трудностями, прежде всего, информационного и методического характера. Как отмечается в исследованиях ВНИИЭ, если в сетях напряжением 110 кВ и выше информационная база достаточна, то в PC в сто раз надо увеличить расходы на ее развитие, на что потребуется, помимо значительных капитальных вложений, длительное время. Чтобы обойти это основное препятствие, существующие директивные методики расчета потерь электроэнергии базируются на статистических выборках параметров сетей. В силу большой протяженности PC даже в этом случае затраты на достижение желаемой цели остаются непомерно велики. Сложность определения потерь энергии в электрических сетях резко возрастает по мере снижения класса напряжения. С другой стороны, на данных нижнего уровня, как на исходной информации, базируются процессы оптимизации режимов всей энергосистемы. Поэтому задача совершенствования расчета, а также снижения потерь электроэнергии в PC с несимметричными нагрузками является актуальной научно-технической проблемой энергетики.
В работе обобщаются результаты исследований и разработок, связанных с решением указанной проблемы, выполненных при непосредственном участии автора. Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с отраслевыми и региональными научно-техническими программами энергосбережения по актуальной тематике для электроэнергетики, а также приоритетных направлений фундаментальных исследований:
269.97 - "Исследование влияния параметров электрических сетей 0,38 - 10 кВ коммунальной энергетики на потери электроэнергии и надежность электрооборудования, разработка образцов устройств непрерывного контроля параметров этих сетей, снижения потерь электроэнергии в них, повышения надежности работы электрооборудования" по направлению "Топливно-энергетический комплекс".
400/2 - "Разработка теоретических основ моделирования процессов в интеллектуальных электромеханической и энергетической системах. Фундаментальное исследование".
Объект исследований - PC 0,38-10 кВ сельского хозяйства и коммунальной энергетики. Предмет исследований - потери электрической мощности в радиальных и магистральных линиях PC.
Цель работы. Целью работы явилось выполнение исследований,
направленных на разработку эффективных методов снижения и алгоритмов
расчета потерь электроэнергии в PC с несимметричными нагрузками на базе
современных информационных технологий, создание на этой основе и
внедрение в эксплуатационную практику многофункциональных
конденсаторных устройств компенсации реактивных нагрузок,
уравновешивания токов нулевой последовательности.
Основу решения проблемы снижения потерь составляют положения:
Концепция системного подхода, означающая учет всех факторов, оказывающих влияние на практическое решение задачи снижения потерь и выявление связей, которые можно считать границами системы.
Введение понятия и вычленение типовых модулей "ВМЛ с несимметричными нагрузками". Исследование режимов типовых модулей и перенесение результатов этих исследований на всю совокупность PC.
Для достижения поставленной цели решались задачи:
анализ схемных и режимных параметров линий (6 - 10) и 0,38 кВ, существующих методов расчета потерь электроэнергии в них; допущений, принятых в директивных методиках, определение границ их использования с целью отказа от некоторых из используемых допущений;
обследование нагрузок PC республик Адыгея, и Калмыкия, обоснование необходимости дополнительных измерений при обследовании нагрузок, например, токов в нулевых проводах ВМЛ 0,38 кВ; анализ результатов этих обследований; расчеты потерь электроэнергии в PC с несимметричной нагрузкой; выявление основных составляющих технических потерь;
развитие метода ортогональных проекций симметричных составляющих при исследовании PC с несимметричной нагрузкой; создание универсальных математических моделей для расчета потерь в радиальных воздушных (ВЛ) и кабельных (КЛ) линиях, а также ВМЛ;
исследование универсальной математической модели относительных потерь активной мощности в двух ответвлениях от магистрали; использование шагового метода определения потерь активной мощности в ВМЛ в качестве эталонного;
- разработка алгоритма эквивалентирования трехфазной несимметричной
нагрузки трехфазной симметричной и однофазной нагрузками по критерию
потерь активной мощности; создание метода коэффициентов перехода от
модулей токов несимметричной нагрузки к модулям токов конденсаторных
батарей (КБ) для уравновешивания токов нулевой последовательности (ТНП)
стационарной несимметричной нагрузки; использование конденсаторов
компенсации реактивных нагрузок (КРН) для коррекции ТНП в сетях с
несимметричными нагрузками;
- разработка метода уравновешивания ТНП сельских и коммунальных сетей
0,38 кВ с несимметричной нагрузкой как главного направления снижения потерь
электроэнергии, а также увеличение сечения нулевого провода как одной из
кардинальных мер уравновешивания режимов потребления электроэнергии;
- определение предельной загрузки распределительных трансформаторов
однофазной нагрузкой.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теоретических основ электротехники, математической статистики и теории вероятностей, математического анализа, математического и имитационного моделирования, натурного эксперимента. Научная новизна работы
Основные научные результаты состоят в следующем:
1. Для многообразных, имеющих существенные отличия, линий сельских
и коммунальных PC предложены универсальные схемная и математическая
модели типового модуля. Любая PC может быть представлена в
формализованном виде как множество типовых модулей, подключенных к
многочисленным физическим границам энергосистемы. Это позволило
отказаться от традиционной структурной иерархической схемы для анализа
потерь энергии в PC и создать новую структурную схему, а также методы,
учитывающие связь точечных и интегральных показателей несимметричных
режимов, распределение нагрузок вдоль магистрали, изменение структуры и
режимов сети.
2. Разработана уточненная методика расчета коэффициента
неравномерности загрузки (КНЗ) фаз PC, отличающаяся от директивной
методики тем, что позволяет учитывать не только амплитудную, но и фазовую
несимметрии токов. Как показано в работе погрешность определения значений
КНЗ без учета фазовой несимметрии может достигать 50 %. Применяемая
уточненная методика требует при обследовании нагрузок в выборке, наряду с
измерением линейных токов, выполнять замеры токов в нулевом проводе.
3. Методика и алгоритм замены трехфазной несимметричной нагрузки
трехфазной симметричной и однофазной нагрузками, основанный на
использовании пульсирующей мощности трехфазной несимметричной сети,
позволяют определять модуль, и аргумент мощности корректирующего
устройства и фазу, в которую следует его включать, а также определять
последствия коррекции режима.
4. Практический метод коэффициентов перехода от модулей токов
несимметричной нагрузки к модулям тока корректирующего устройства
конденсаторного типа, позволяющий с помощью таблиц или графиков
определять параметры конденсаторов, используемых для уравновешивания
ТНП. В его основе лежит метод ортогональных проекций ССТ, адаптированный
для расчетов несимметричных режимов PC.
5. Математическая модель эквивалента активного сопротивления ВМЛ,
отличающаяся тем, что включает в себя схемотехнические данные и
интегральные показатели режима. Полученные на основе математических
моделей расчетные формулы позволяют определять с достаточной для целей
практики точностью потери в линии лишь на основе данных о режиме
головного участка.
Практическая ценность и внедрение результатов работы: Для целей совершенствования директивных методик расчета и снижения потерь электроэнергии в PC выполнен анализ взаимосвязей интегральных и точечных характеристик их несимметричных режимов. На основе многолетних многочисленных обследований несимметричных режимов доказана необходимость нулевой провод выполнять такого же сечения, как и фазные, а при обследовании нагрузок в режимные дни - измерять токи в нулевых проводах ВМЛ напряжением 0,38 кВ. Величиной потерь мощности и энергии можно управлять, воздействуя на режимы и конструктивные параметры элементов сети. При внедрении результатов исследований, выполненных в диссертации, в PC напряжением 0,38 кВ и выше ОАО "Дагэнерго" получен экономический эффект 14,8 млн. руб.
На основе усовершенствованного метода ортогональных проекций симметричных составляющих разработан метод выбора КБ для компенсации ТНП, разработан и внедрен в городских электрических сетях г. Майкопа с постоянной несимметричной нагрузкой статический тиристорный компенсатор ТНП.
В Адыгейских электрических сетях АО "Кубаньэнерго" внедрены: методика коэффициентов неравномерности загрузки фаз в сетях 0,38 кВ; шаговый метод расчета потерь электроэнергии в распределительных сетях (6-10) кВ; методика расчета и выбора устройств, корректирующих ТНП при несимметричной нагрузке сетей 0,38 кВ.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров и магистров в лекционных курсах, на лабораторных и практических занятиях, курсовом и дипломном проектировании, а также на курсах повышения квалификации слушателей ФПК предприятий электрических сетей. Монографии "Уравновешивание токов нулевой последовательности", "Использование конденсаторов для компенсации реактивной мощности и улучшения качества электрической энергии" и учебные пособия "Внутреннее симметрирование нагрузок: Пособие по курсу "Электротехнологические установки", "Применение метода симметричных составляющих в системах электроснабжения электротехнологических установок", "Рациональное
использование электрической энергии при ее транспортировке" применяются эксплуатационным персоналом и студентами при решении практических и учебных задач. Основные положения, выносимые на защиту:
новая структурная схема для анализа потерь электроэнергии в PC с выделением типовых модулей и границ их примыкания к энергосистеме;
методика применения ортогонального разложения симметричных составляющих для анализа несимметрии режимов и расчетов потерь в ВМЛ 0,38 кВ;
- представление коэффициента неравномерности загрузки фаз при амплитудно-
фазовой несимметрии токов как обобщающего показателя несимметрии и
неуравновешенности;
- математические модели относительных потерь активной мощности в
радиальных и магистральных КЛ и ВЛ с несимметричными нагрузками;
универсальная математическая модель относительных потерь активной мощности в двух ответвлениях от ВМЛ, позволяющая использовать шаговый метод определения потерь активной мощности в ВМЛ в качестве эталонного;
- метод расчета потерь электроэнергии в ВМЛ с использованием базы данных
коэффициентов относительных потерь головного участка;
алгоритм эквивалентирования несимметричной нагрузки трехфазной симметричной и однофазной нагрузками;
- метод коэффициентов перехода от модулей токов несимметричной нагрузки к
модулям токов КБ, используемых для уравновешивания ТНП;
- критерии по многофункциональному использованию несимметричных КБ,
отличающиеся от известных ранее тем, что они являются функциями
относительных значений емкостей двух фаз в сравнении с емкостью фазы с
наибольшим ее значением.
Достоверность и обоснованность полученных результатов. Достоверность результатов диссертационных исследований подтверждена лабораторными и натурными испытаниями, полевыми экспериментами, математическим и имитационным моделированием, а также опытом эксплуатации разработанных устройств.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертации докладывались на семинарах РАН "Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение промышленных предприятий" (г. Новочеркасск, 1982 - 1987, 1992 - 2005 гг.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава НПИ-ЮРГТУ, КГУ (1982 - 2005 гг.), на III региональной научно-технической конференции по проблемам энергетики Юга России (1988 г.), на расширенном заседании IV секции Научного совета АН СССР по проблеме надежности и безопасности электроснабжения северных районов страны (г. Норильск, 1989 г.), на научно-практической конференции "Региональные проблемы повышения качества и экономии электроэнергии" (г. Астрахань, 1991 г.), на Международных научно-практических конференциях:
"Моделирование. Теория, методы и средства" (г. Новочеркасск, 2001 г., 2004 г.), "Современные энергетические системы и комплексы и управление ими" (г. Новочеркасск, 2004 г.), на Международном научно-техническом семинаре "Нормирование, анализ и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях - 2002" (г. Москва, 2002 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 печатных работ, в том числе две монографии.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем 339 страниц. Основной материал изложен на 303 страницах текста с рисунками.
