Содержание к диссертации
Введение
1. Новые аспекты потерь электроэнергии и задачи их моделирования и оптимизации 9
1.1. Эксплуатация электрических сетей в современных условиях 9
1.2. Исторический аспект оптимизации потерь в электрических сетях как фактор их эффективности 10
1.3. Реконструкция понятия экономической плотности тока 11
1.4. Выбор сечений проводов и жил кабелей по потерям электроэнергии 13
1.5. Оценка значений экономической плотности тока в современных условиях 21
1.6. Влияние рыночных отношений 23
1.7. Учет современных экономических условий 25
Выводы 33
2. Структура потерь электроэнергии. корреляционный анализ факторов 34
2.1. Классификация потерь на основе семисотовой структуры 34
2.2. Структура потерь. Технологические, экономические и коммерческие составляющие потерь электроэнергии 36
2.3. Структура отчетных потерь 38
2.4. Корреляционный анализ факторов, влияющих на потери 42
2.5. Исследование корреляции температуры и нагрузки фидеров 6 кВ, электроснабжающих население 44
2.6. Определение значимых факторов и особенностей их влияния на расход электроэнергии многоквартирным домом в летний период 49
2.7. Определение значимых факторов и особенностей их влияния на расход электроэнергии многоквартирным домом в осенний период 51
2.8. Определение значимых факторов и особенностей их влияния на расход электроэнергии многоквартирным домом в зимний период 54
2.9. Значимые факторы и особенности их влияния на электропотребление коттеджей и частного сектора с печным отоплением 54
Выводы 55
3. Модели потерь в распределительных электрических сетях 57
3.1. Модель электропотребления многоквартирного жилого дома в летний период 57
3.2. Многофакторная модель множественной регрессии электропотребления многоквартирного жилого дома в летний период 59
3.3. Проверка адекватности модели множественной регрессии 60
3.4. Параметрические модели авторегрессии и проинтегрированного скользящего среднего электропотребления многоквартирного жилого дома в летний период 62
3.5. Анализ остатков модели авторегрессии и проинтегрированного скользящего среднего 66
3.6. Модель электропотребления многоквартирного жилого дома на основе экспоненциального сглаживания и прогнозирование 67
3.7. Модель электропотребления многоквартирного жилого дома на основе периодической функции 69
3.8. Модель электропотребления многоквартирного дома в зимний период на основе авторегрессии и проинтегрированного скользящего среднего 71
3.9. Модель электропотребления многоквартирного дома в осенний период на основе модели множественной регрессии и авторегрессии и проинтегрированного скользящего среднего 75
3.10. Модели электропотребления частного сектора на основе модели множественной регрессии коттеджей 81
3.11. Модели электропотребления коттеджей основе периодической функции и множественной регрессии 83
4. Разработка стратегии развития существующих сетей с учетом потерь энергии 86
4.1. Условия экономичности электрических распределительных сетей 10 -0,4 кВ 86
4.2. Анализ состояния электрических сетей 10 кВ распределительной компании 87
4.3. Методика оптимизации технических потерь при реконструкции сетей 10- 0,4 кВ, с учетом экономической плотности тока. Проект реконструкции электрических распределительных сетей 10 кВ 94
4.4. Методика использования моделей спроса и потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях 10-0,4 кВ коммунально-бытового сектора 98
4.5. Определение коммерческих потерь в сетях 0,4 кВ электроснабжения многоквартирного жилого дома 99
Заключение 101
Список литературы
- Эксплуатация электрических сетей в современных условиях
- Классификация потерь на основе семисотовой структуры
- Модель электропотребления многоквартирного жилого дома в летний период
- Условия экономичности электрических распределительных сетей 10 -0,4 кВ
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в соответствии с Федеральным Законом "Об электроэнергетике" происходит реформирование электроэнергетики. Ее целью является достижение баланса экономических интересов поставщиков и потребителей энергии на основе максимального использования рыночных отношений и конкуренции как основного инструмента повышения эффективности электроэнергетики.
Оборот энергии будет происходить в рамках оптового и розничных рынков электрической энергии.
Распространение на электроэнергетику принципов рыночных отношений и конкуренции направит стратегию сетевых предприятий в сторону снижения затрат на эксплуатацию, техническое обслуживание, повышение производительности труда, а также совершенствование всех сфер производственного процесса.
Основными способами повышения экономичности работы сети является снижение технологических потерь электроэнергии до экономически обоснованных пределов, соответствующих экономической плотности тока, а также снижение коммерческих потерь в распределительных электрических сетях 10-0,4 кВ.
Все потери электроэнергии в сетях можно разделить на технологические и остальные, куда входят и коммерческие. Технологические потери хорошо рассчитываются (нагрузочные, холостого хода и т.д.) и нормируются (на собственные нужды, на хозяйственные нужды). В сетях высокого напряжения задача расчета потерь принципиально решена. Этим вопросам посвящены труды Воротницкого В.Э., Железко Ю.С., Казанцева В.Н., Пекелиса В.Г., Файбисовича Д.Л., Поспелова Г.Е., Сыча Н.М. и других.
Коммерческие потери, характерные для распределительных сетей 10 -0,4 кВ, не имеют математической модели. Их определение представляет
огромный практический интерес для формируемых распределительных компаний.
В настоящее время актуальной является задача адаптации экономической плотности тока как критерия принятия решений при оценке оптимальных значений технологических потерь в сетях, разработке проектов их реконструкции и развития для различных региональных условий.
Цель работы заключалась в разработке базовых моделей, необходимых для анализа и нормирования потерь в электрических сетях 10 - 0,4 кВ в новых условиях. Для достижения этой цели ставились и решались следующие задачи:
адаптация обобщенного показателя экономичности линии к использованию в современных условиях и получение дифференцированных по регионам оценок его величины;
выявление значимых факторов, определяющих спрос и потери электроэнергии в распределительных электрических сетях на основе корреляционного анализа;
разработка моделей спроса и потерь в распределительных электрических сетях 10-0,4 кВ для коммунально-бытового сектора;
разработка методики использования моделей спроса и потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях 10-0,4 кВ при планировании реконструкции и эксплуатации электрических сетей.
Методы исследования: использовались методы системного анализа, линейной алгебры, статистического и факторного анализов. Научная новизна работы состоит в том, что в ней получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:
1. Адаптирован к современным условиям показатель
экономичности сетей - экономическая плотность тока (j эк ), в ее модель включены факторы - срок окупаемости, степень инфляции, особенности
7 источников инвестирования. Получены значения экономической плотности
тока для различных регионов.
Разработана методика оптимизации технических потерь при реконструкции сетей 10- 0,4 кВ, с учетом экономической плотности тока в процессе эксплуатации распределительных сетей 10 - 0,4 кВ, которая заключается в классификации загрузки линий на основе экономической плотности тока и дифференцированных мероприятиях по реконструкции сетей в каждом классе.
На основе проведенных экспериментов выявлены значимые факторы и особенности их влияния на потребление электроэнергии населением в сетях 10 - 0,4 кВ, с учетом категории жилища (многоквартирный дом, частный сектор, коттедж) и сезонных воздействий. К ним относятся: среднесуточная температура окружающего воздуха, сила ветра, наличие и характер осадков, наличие (отсутствие) горячей воды, день недели, степень (коэффициент) отопления жилья.
На основе мониторинга потребления электроэнергии многоквартирным домом и расхода фидеров 6-Ю кВ, осуществляющих электроснабжение частного сектора (с центральным отоплением и без него), разработана математическая модель потребления электроэнергии многоквартирным домом и модель расхода электроэнергии частным сектором, которые могут быть применены для определения и прогнозирования расхода электроэнергии населением с учетом средневзвешенной доли каждого сектора жилья.
Практическая ценность работы заключается в возможности снижения затрат на эксплуатацию распределительных сетей 10 - 0,4 кВ за счет их реконструкции на основе технических решений, принимаемых по разработанной методике оптимизации технических потерь и использующих модели спроса электроэнергии в коммунально-бытовом секторе электрических распределительных сетей.
8 Использование результатов. Методика, модели и планы реконструкции
сети на их основе применяются в Западных электрических сетях ОАО
«Алтайэнерго» при эксплуатации распределительных сетей 6-10 кВ, в
Южных электрических сетях ОАО «Алтайэнерго», в сетях 6-0,4 кВ
электроснабжения компании ОАО «Сибирь Полиметаллы» и в
государственном предприятии коммунальных электрических сетей
«Алтайкрайэнерго» «Рубцовские межрайонные электрические сети».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 9
печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка литературы (125 наименований) и приложений.
Основной текст изложен на 115 страницах, содержит 46 рисунков, 29
таблиц и приложения.
Основное содержание
Эксплуатация электрических сетей в современных условиях
Критерием выбора сечений проводов воздушных и кабельных линий является величина полных затрат, и выбор сечений проводников производится на основе сопоставительного технико-экономического расчета в каждом конкретном случае [4]. При плановой экономике на протяжении более полувека в практике массового проектирования линий электропередачи выбор сечения проводников производился по нормируемым обобщенным показателям, к которым относится экономическая плотность тока.
Для воздушных линий (ВЛ) значения экономической плотности тока принимались в пределах 1,0...1,5 А/мм2- в зависимости от региона страны и числа часов использования максимальной нагрузки.
В настоящее время изменились условия: нет массового строительства электрических сетей; устойчивого ежегодного прироста нагрузок; единых тарифов на электроэнергию и безакцептной оплаты электрической энергии потребителями. Изменились технические условия эксплуатации электрических сетей, изменилась форма собственности энергопредприятий, изменились экономические условия.
В связи со столь значительными изменениями логично предположить, что изменился и обобщенный показатель экономичности сетей экономическая плотность тока (J3K). На эту тему были организованы дискуссии в журналах «Промышленная энергетика» на статью Л.М. Зальцбурга «Парадоксы проблемы экономической плотности тока и ее решение» (1994 № 5) и «Электричество» на статью Будзко И.А, Левина М.С., Лещинской Т.Б. «Комплексная оценка плотности тока в проводах сельских В Л 10 кВ » (1994 № 4). Ранее, в 1985 - 1987 годах, в этих журналах также были развернуты дискуссии по проблеме экономической плотности тока (ЭПТ).
Адаптация обобщенного показателя экономически оптимальной загрузки линии к изменившимся экономическим условиям стала необходимостью.
Сечения проводов электрических линий на протяжении многих десятков лет выбирались в соответствии с так называемым правилом Кельвина. Согласно этому правилу при наилучшем выборе годовые затраты на потери энергии в линии равны ежегодным отчислениям от переменной части ее стоимости, зависящей от сечения проводов. Указанному соотношению соответствует известное выражение для экономической плотности тока [2] .- =imax.= /lOOOt-Д J3K F "у Зрт-С где /щах - максимальный ток линии, A; F - сечение проводов, мм2; а - сумма нормативных отчислений на амортизацию от стоимости линии, 1/ год; X - коэффициент в линейной зависимости стоимости линии от ее сечения, руб./(км-мм ) для линий с однотипными опорами; р - удельное сопротивление металла проводов, Ом/мм--км; т - время потерь, ч/год; С -удельные затраты на электроэнергию в рассматриваемом звене сети, руб. / (кВт-ч) [2].
В странах социалистического лагеря осуществлялся аналогичный подход к определению рекомендованной величины ЭПТ. Однако этот подход неоднозначно воспринимался рядом ученых. В частности, чешским ученым Иржи Климом высказывалось мнение, что формула лорда Кельвина своеобразно и неправильно интерпретировалась для условий социалистического хозяйствования. Рекомендации для выбора сечений проводников отдавали предпочтение выбору меньших сечений проводов даже за счет более высоких потерь в линиях, да еще с такой мотивировкой: цветные металлы для проводов мы ввозим, в то время как уголь, из которого вырабатывается электроэнергия, является отечественным сырьем [3].
В капиталистических странах цены на металлы и электроэнергию складывались в условиях рыночной экономики. За счет высокой стоимости электроэнергии (в 2,5-3 раза выше советской), экономическая плотность тока определялась гораздо меньшей величиной - 0,6-0,8 А/ мм .
Автором было прослежено, как исторически задавалось понятие экономической плотности тока и какие технико-экономические основания в нем заложены.
Классификация потерь на основе семисотовой структуры
Классификация - это построение некоторой целостной структуры для заданного множества объектов, состоящих между собой в некоторых отношениях. Как правило, в качестве такой структуры используется дерево (иерархия), наиболее адекватно отражающее родовитые отношения (рис.2.1), и примером которой может служить классификация потерь электроэнергии.
Однако, возможно применение других систематических структур классификации, например, семисотовая структура (рис.2.1, б), которая обоснована в ряде работ группы ученых НГТУ (Горевого В.Г., Фишова В.А. и др.) [19].
Семисотовая структура позволяет полнее учесть сложные отношения между объектами с помощью специфических топосвойств. Наличие центрального элемента позволяет учитывать иерархию; наличие трех осей позволяет учитывать горизонтальные связи.
На рис. 2.2 представлена классификация потерь на передачу электроэнергии с применением семисотовой структуры.
Наличие трех осей в семисотовой фигуре учитывает наличие трех составляющих:
о вертикальная ось - ось физических явлений, учитывает технологические потери (которые подробнее будут рассмотрены ниже);
о ось режима - ось, характеризующая потери, возникающие при отклонении от расчетного режима (экономические потери);
о ось учета, (ось учет - неучет), определяет потери, возникающие при реализации электроэнергии за счет погрешности учета, неодновременности снятия показаний, неплатежей и хищения электроэнергии. Ячейка соты «Режим напряжения» и ячейка «Корона, потери холостого хода, утечки через изоляцию» имеют общую грань. Это предполагает следующее:
1) наличие различного состава потерь в зависимости от ступени номи нального напряжения электрической сети: системообразующие сети, сети 10-ПОкВ, сети 0,4 кВ.
2) зависимость величины потерь от уровня напряжения в сети. Ячейка соты «Погрешности учета» и ячейка «Режим нагрузки» имеют общую грань. Это подтверждает зависимость погрешности учета, в частности погрешности трансформаторов тока, от величины нагрузки.
Общая грань между ячейками «Режим нагрузки» и «Нагрев проводников, обмоток» указывает на зависимость величины потерь электроэнергии от величины нагрузки.
Если поменять местами ячейки «Режим нагрузки» и «Режим напряжения», то можно задать периферийные зоны пересечением двух треугольников.
Структура (от латинского structura - строение, расположение, порядок) - совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е. сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях. [55].
Все потери электроэнергии в сетях можно разделить на технологические, экономические и коммерческие.
1. Технологические потери на передачу электроэнергии. Расход электрической энергии на ее передачу в электрической сети можно представить состоящим из технологических затрат - неизбежных затрат и превышения над неизбежными, которые можно определить как «потери». Это затраты, обусловленные физическими процессами, происходящими при передаче электроэнергии по электрическим сетям (нагрев проводников, обмоток, создание электромагнитного поля, потери на корону, потери на холостой ход, утечки через изоляцию). В технологическую составляющую необходимо внести минимально необходимые (оптимальные) затраты, обеспечивающие работоспособность сети: освещение подстанций и помещений для оперативного и ремонтного персонала, обогрев помещений и оборудования, расход энергии на необходимые вспомогательные производства.
2. Экономические потери. При идеальных (расчетных) условиях эко номические потери должны быть близки к нулю. Экономические потери мо гут возникать при ошибках или неверных прогнозах на стадии проектирова ния и в процессе эксплуатации, например, на стадии проектирования ошибки могут произойти при выборе типа и конфигурации схемы; выборе номиналь ного напряжения сети или при выборе сечений проводников. В процессе экс плуатации экономические потери могут возникать в сетях, когда не поддер живается оптимальный уровень напряжения, состав включенного оборудова ния, нерациональна схема коммутации.
Наличие экономических потерь в технологическом процессе или при реализации электроэнергии является показателем снижения эффективности энергетического бизнеса. Экономические потери могут выражаться в недополучении прибыли или в превышении затрат над доходами.
Модель электропотребления многоквартирного жилого дома в летний период
Исходными данными явилось суточное потребление (расход) электроэнергии стоквартирным домом (рис. 3.1) по адресу г. Рубцовск, проспект Ленина, 247. Данные в летний период были получены автором собственноручно с 9-го июля по 22 августа (и далее до 1 февраля 2005 г.) по показаниям трехфазного активного счетчика типа СА 4У - И 672 на вводе в зависимость расхода от дня недели: видны характерные всплески потребления по пятницам, снижение расхода в выходные погожие дни, когда жильцы уезжают на дачи. Невозможно объяснить снижение потребления электроэнергии по четвергам. Однако, легко заметить увеличение расхода на 9-11% при отсутствии горячей воды (с 9-го по 16 июля и с 16 по 22 августа), причем, в первый день подачи воды (16 июля) расход увеличивается на 20 %. Заметно увеличение расхода в дождливые будние дни, (с 1 по 4 августа) на 8 %, и в субботний (холодный, дождливый) день 7 августа, когда люди отказались от прогулок и поездок на дачу и отдыхали дома по причине ненастья.
Исследования электропотребления многоквартирных жилых домов, проводимые длительное время, позволили собрать данные для разработки математической модели электропотребления и его прогноза с учетом сезонных воздействий.
Задача решалась с помощью статистического программного обеспечения на базе системы STATIST1KA 6.0, использовались модули
Нелинейное оценивание, Определенная пользователем регрессия; Анализ временных рядов/ Прогнозирование [22, 23, 24, 30].
Для статических методов построения эмпирических зависимостей очень важно, чтобы результаты наблюдений подчинялись нормальному закону распределения, поэтому проверка нормальности распределения - основное содержание предварительной обработки результатов наблюдений [27].
Для построения модели воспользуемся методами регрессионного анализа, используем корреляционные матрицы значимых факторов, определенные во второй главе для летнего периода (таблица 2.4), применим метод множественной регрессии.
Из пошаговых регрессионных методов, предложенных системой, выбираем Forward Stepwise, который состоит в том, что на каждом шаге в модель включается какая-то наиболее «значимая» независимая переменная. Включение переменной определяется при помощи F - критерия. Искомая многофакторная модель множественной регрессии для летнего периода имеет вид:
Y - -160,740 - 59,260 (ГВ) + 6,502 (ДН) + 13,093 О + 6,1737 (СЗ), где ГВ - наличие (1) или отсутствие (0) горячей воды; ДН - день недели, идентифицированный по значимости коэффициентами 106.... 112; О -наличие (1) или отсутствие (0) осадков; СЗ - сезонные заготовки, аналогично.
Гистограмма распределения остатков с наложением нормального распределения (рис. 3.2) показывает, что они распределены близко к нормальному закону.
График остатков на нормально-вероятностной бумаге убеждает, что остатки хорошо ложатся на прямую, которая соответствует нормальному закону распределения, рис. 3.3, а). Из графика Остатки и независимые переменные, рисунок 3.3, б), видно, что остатки хаотично разбросаны относительно прямой, соответствующей независимой переменной, и в их поведении нет закономерности.
График остатков на нормально-вероятностной бумаге: а) относительно нормального распределения; б) относительно зависимой переменной. Стандартная ошибка оценивания коэффициентов составляет 18,9 %, что является неплохим показателем. Коэффициент детерминации равен 0,748. Значит, построенная регрессия описывает 75 % разброса значений относительно среднего. Остатки составляют менее 6,5%.
F-критерий используется для проверки значимости регрессии (для проверки гипотезы, утверждающей, что между зависимой переменной и независимыми переменными нет линейной зависимости, т.е. 6,=0 против альтернативы ,= 0 (у - bt -х + Ь0), Значение F = 29,7 и уровень значимости р - 0,00001 показывают, что построенная регрессия высоко значима.
Параметрические модели авторегрессии и проинтегрированного скользящего среднего электропотребления многоквартирного жилого дома в летний период
Потребление электроэнергии можно рассматривать как временной ряд.
В самом широком смысле временными рядами называют ряды измерений, зависящие от дискретного или непрерывного аргумента (времени), подвергающиеся нерегулярным случайным воздействиям или флуктуациям и допускающие только статистическое описание [22].
Временные ряды описывают широкий круг явлений, например, как временной ряд можно рассматривать наблюдаемый курс акций, или наблюдаемую солнечную активность, или суточное потребление электроэнергии многоквартирным жилым домом, в нашем случае.
Наблюдаемые явления, с одной стороны, имеют элемент случайности, а с другой - изменяются во времени. Явления, в которых объединены случайность и время, описывается моделями временных рядов [30].
Суточное потребление электроэнергии можно рассматривать как временной ряд и описать параметрической моделью ARIMA (Авторегрессии и проинтегрированного скользящего среднего - АРПСС), а также использовать методы экспоненциального сглаживания, сезонной декомпозиции, взятие разности с любым сдвигом и другие, предоставляемые в модуле Time Series/Forecasting (Анализ временных рядов и прогнозирование).
Авторегрессионные модели относятся к числу наиболее простых и часто используемых параметрических моделей. Для модели Авторегрессии исходным является понятие белого шума.
Условия экономичности электрических распределительных сетей 10 -0,4 кВ
Прибыль энергокомпании определяется разностью между стоимостью проданной электроэнергии и издержками в процессе эксплуатации. Эксплуатация перегруженных электрических сетей, сетей с малой загрузкой, а также сетей в состоянии предельной изношенности заставляют пристальнее взглянуть на процесс эксплуатации с точки зрения снижения издержек. Основными способами повышения экономичности работы сети является снижение технологических потерь электроэнергии до экономически обоснованных пределов, соответствующих экономической плотности тока, а также снижение коммерческих потерь в распределительных электрических сетях 10-0,4 кВ.
В настоящее время нельзя говорить о массовом строительстве сетей, как это было в семидесятых-восьмидесятых годах, более того, почти полностью отсутствует строительство новых линий. Развитие сетей происходит за счет их реконструкции в процессе эксплуатации. В таблице 4.1 показана динамика строительства новых линий, причем за последние 10 лет объемы строительства новых линий велись в основном в счет реконструкции существующих сетей.
Основной задачей реконструкции является приведение распределительной электрической сети в соответствие с пропуском по ней электроэнергии.
В настоящее время, в связи с изменениями в экономике, произошло перераспределение нагрузки в сетях, выбор проводов в которых традиционно осуществлялся на основе экономической плотности тока. Распределительные электрические сети оказались загружены неоптимально: в районах с высокими тарифами на электроэнергию (ОАО «Алтайэнерго») они перегружены, а в районах с низкими тарифами на электроэнергию, в энергоизбыточных районах, таких как ОАО «Хакассэнерго», они оказались недогружены. Изменение загрузки произошло также за счет отсутствия стабильности экономического развития потребителей. Большая часть хозяйств Алтайского края, получающих электроснабжение по линиям 10 кВ, пришли в упадок и снизили потребление электроэнергии, другие - наоборот.
В энергосистеме ОАО «Алтайэнерго» автором был проведен статистический анализ плотностей тока 135 воздушных линий электропередачи напряжением 10 кВ, принадлежащих распределительной компании Западные электрические сети, которая состоит из восьми районов электрических сетей (РЭС) и снабжает электроэнергией западную часть Алтайского края. Районы электрических сетей, входящие в состав Западных электрических сетей следующие: Рубцовский РЭС, Поспелихинский РЭС, Волчихинский РЭС, Ши пуновский РЭС, Угловский, Егорьевский, Михайловский и Новичихинский районы электрических сетей.
Район электрических сетей Рубцовский формировался в конце 60-х годов. Линии электропередач 10 кВ были построены, в основном, за период с семидесятых по восьмидесятые годы. На конец 2000 года на обслуживании РЭС находилось 948 километров ВЛ 10 кВ и 693 км ВЛ 0,4 кВ. В результате распада колхозов и совхозов, постоянных хищений объемы сетей к 2004 году снизились по воздушным линиям 10 кВ на 170 км, по трансформаторным подстанциям (ТП 10/0,4 кВ) на 60 штук [109].
В таблице 4.2 приведены сведения по 47 линиям 10 кВ Рубцовского РЭС, которые содержат следующие данные: номер питающей подстанции; диспетчерское наименование линии; год ввода в эксплуатацию; марка провода и длина фидера; наибольший ток, определенный по суточной ведомости контрольных замеров декабря 2002 года; плотность тока и экономическое се чение, определяемые по формулам J р и гж . , соответственно. - J эк Экономическое сечение, указанное в таблице в последнем столбце, было рас-считано по экономической плотности тока j ЭК=0,П А/мм .
