Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системный подход к исследованию информационных потоков и проблемы потерь электроэнергии в условиях неопределенности ... 19
1.1. Наблюдаемость распределительных электрических сетей 19
1.2. Понятие неопределенности в исследовании потерь электроэнергии 33
1.3. Методы и модели представления информационных потоков для системного анализа потерь электроэнергии в условиях неопределенности 46
1.4. Структурный анализ потерь электроэнергии в распределительных сетях 63
1.5. Общая характеристика методов определения потерь электроэнергии 69
1.6. Концепция определения потерь электроэнергии в ' электрических сетях в условиях неопределенности 87
Глава 2. Моделирование параметров режима для расчета и анализа потерь электроэнергии 102
2.1. Принципы построения математической модели сети для исследования потерь электроэнергии 102
2.2. Статистические исследования токовых нагрузок узлов электрической сети 116
2.3. Обобщенная математическая модель токовой нагрузки ввода 130
2.4. Определение эквивалентных токов вводов подстанций 167
Глава 3. Эквивалентирование электрических сетей 171
3.1. Исходные положения 171
3.2. Определение сопротивлений элементов электрических сетей при низком качестве электроэнергии 178
3.2.1. Влияние низкого качества электроэнергии на поверхностный импеданс шин токопроводов 179
3.2.2. Влияние искажения качества электроэнергии на сопротивления элементов электрической сети 188
3.3. Обобщенная эквивалентная модель подстанции в сетях различного функционального назначения 194
3.4. Эквивалентирование электрических сетей предприятий 196
3.5. Эквивалентирование электрических сетей энергосистем 199
3.5.1. Методика эквивалентирования электрических сетей 199
3.5.2. Эквивалентирование простых замкнутых и сложнозамкнутых сетей первого уровня 206
3.5.3. Эквивалентирование сетей второго уровня 207
3.5.4. Эквивалентирование сетей на третьем уровне 211
3.6. Эквивалентирование электрических сетей с тяговой нагрузкой 215
Глава 4. Методы и алгоритмы уточненного определения потерь электроэнергии в распределительных сетях в условиях неопределенности 220
4.1. Методика уточненного определения технических потерь электроэнергии в распределительных сетях 220
4.2. Алгоритм уточненного определения потерь электроэнергии при неполноте и недостоверности исходной информации 234
4.3. Обоснование корректности метода уточненного определения потерь электроэнергии в условиях неопределенности 236
4.4. Алгоритм определения потерь электроэнергии в распределительной сети 0,4 110 кВ, заключенной между границей раздела балансовой принадлежности и пунктами установки приборов учета электроэнергии 250
4.4.1. Методика почасового определения потерь электроэнергии в распределительной сети 0,4 -г 110 кВ при установке приборов учета электроэнергии не на границе раздела балансовой принадлежности 251
4.4.2. Алгоритм определения потерь электроэнергии в сети 0,4 4-110 кВ между пунктами учета электроэнергии и границей раздела балансовой принадлежности 253
4.4.3. Подготовка исходной информации для расчета потерь электроэнергии в сети между границей раздела балансовой принадлежности и пунктами расчетного учета электроэнергии 280
4.5. Потери в сети, обусловленные низким качеством электроэнергии 283
4.5.1. Структура потерь электроэнергии, обусловленных низким качеством электроэнергии. Моделирование напряжений и токов для исследования таких потерь 283
4.5.2. Технические потери, вызванные низким качеством электроэнергии 291
4.5.3. Метрологические потери, обусловленные низким качеством электроэнергии 309
Глава 5. Комплексная программа и рекомендации по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях энергосистем и предприятий 338
5.1. Комплексная программа снижения потерь электроэнергии в распределительных сетях 338
5.2. Рекомендации по совершенствованию систем учета электроэнергии 340
5.3. Рекомендации по снижению технических потерь электроэнергии 347
5.4. Рекомендации по снижению коммерческих потерь электроэнергии 353
5.5. Рекомендации по снижению потерь электроэнергии в распределительных сетях предприятий 357
5.6. Управление уровнем потерь электроэнергии в распределительных сетях путем компенсации реактивной мощности 365
5.6.1. Технико-экономическая целесообразность компенсации реактивной мощности в сетях потребителей 369
5.6.2. Влияние низкого качества информационных потоков на оптимальную область компенсации реактивной мощности 376
5.6.3. Многоуровневая иерархическая модель компенсации реактивной мощности в распределительных сетевых компаниях 398
5.6.4. Методика оптимальной компенсации реактивной мощности в распределительных электрических ' сетях 403
5.6.5. Алгоритм выбора мест установки и оптимальной мощности КУ 410
5.7 Оценка эффективности мероприятий по снижению потерь электроэнергии 427
Заключение 433
Библиографический список использованных
Источников 436
Приложения 488
- Понятие неопределенности в исследовании потерь электроэнергии
- Статистические исследования токовых нагрузок узлов электрической сети
- Определение сопротивлений элементов электрических сетей при низком качестве электроэнергии
- Алгоритм уточненного определения потерь электроэнергии при неполноте и недостоверности исходной информации
Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшим количественным показателем технического состояния электрических сетей и уровня их эксплуатации является величина потерь электроэнергии и тенденции ее изменения.
Несмотря на существенный прогресс в развитии систем учета электроэнергии, в настоящее время наблюдается практически повсеместный рост отчетных потерь электроэнергии. При этом увеличиваются обе составляющие потерь: техническая и коммерческая. Их соотношение и динамика отличаются не только в разных сетевых компаниях, но и внутри самих компаний. Общим является их увеличение.
Высокий уровень потерь электроэнергии в распределительных сетях энергосистем в основном обусловлен следующими факторами: техническими параметрами элементов сети; неоптимальными режимами работы; недостатком регулирующих средств; отсутствием или неудовлетворительной компенсацией реактивной мощности; высокой неравномерностью графиков электрических нагрузок; неэффективностью систем учета электроэнергии; увеличением установленной мощности нелинейных и несимметричных нагрузок.
Фактические небалансы электроэнергии в распределительных сетях энергосистем зачастую превышают допустимые значения, иногда значительно. Их динамика как по подстанциям, так и по сетям в целом характеризует случайность, стремление к увеличению. Отсюда аппаратурная реализация учета электроэнергии приводит к неопределенности исходной информации, используемой при расчете, анализе и прогнозировании потерь электроэнергии.
Неопределенность – одно из фундаментальных свойств энергосистем, в том числе их подсистем – электрических сетей. По мере развития рыночных отношений состав неопределенных факторов и условий расширяется. Традиционные подходы к разработке мероприятий по снижению потерь электроэнергии в сетях оказываются неэффективными, а целесообразность таких мер в значительной степени теряется. В то же время снижение потерь электроэнергии в электрических сетях приводит к повышению их пропускной способности, что позволяет сетевым компаниям расширять объем услуг по недискриминационному доступу потребителей к сетям.
В связи с развитием рыночных отношений в стране актуальность проблемы потерь электроэнергии существенно возросла и в промышленных электрических сетях. Анализ причин роста потерь показал их сходность с аналогичными причинами в сетях энергосистем, что свидетельствует об одной физической природе и возможности единого подхода к их устранению.
Проблеме исследования потерь электроэнергии ввиду ее важности для эффективного управления электроэнергетическими системами и их подсистемами, в том числе и при низком качестве электроэнергии, уделялось и уделяется пристальное внимание. Большой вклад в ее решение внесли Арзамасцев Д.А., Бартоломей П.И., Богатырев Л.Л, Богуцки А, Воротницкий В.Э., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Казанцев В.Н., Карташев И.И., Кузнецов В.Г., Курбацкий В.Г., Манусов В.З., Паздерин А.А., Поспелов Г.Е., Пономаренко И.С., Потребич А.А., Содномдорж Д., ШидловскийА.К., и др. Усиление неопределенности при функционировании электрических сетей настоятельно требует развития предложенных методов и подходов.
Повышается также и экономическая значимость проблемы потерь электроэнергии, обусловленная включением в тариф нормативных значений потерь, а также снижением прибыли сетевых компаний из-за сверхнормативных потерь. Отсюда перспективной задачей является управление уровнем потерь электроэнергии в распределительных сетях.
Под управлением уровнем потерь электроэнергии понимается обеспечение требуемой точности расчета и прогнозирования, оптимального значения потерь на основе системного анализа.
Следовательно, проблема исследования и снижения потерь электроэнергии в электрических сетях не только не утратила актуальности, но и стала одной из важных задач обеспечения финансовой стабильности энергообъединений, промышленных предприятий, сетевых распределительных компаний. Обострение этой проблемы потребовало активного поиска новых путей ее решения, новых подходов к математическому описанию схемной и режимной информации, используемой для расчета потерь электроэнергии. Эти пути и подходы должны выбираться и реализовываться с учетом существенных изменений в системе хозяйственной деятельности, которые происходят и будут происходить, что также усиливает степень неопределенности в расчете, анализе и прогнозировании потерь электроэнергии.
Все вышесказанное подтверждает актуальность проблемы повышения эффективности функционирования распределительных электрических сетей путем управлением уровнем потерь электроэнергии в условиях неопределенности.
Работа выполнена, как фундаментальная НИР, в соответствии со среднесрочным планом исследований по Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в РФ на период с 2006 по 2009 годы по заданию министерства образования и науки РФ, № государственной регистрации 01200503808.
Целью исследования является разработка методических подходов и соответствующих математических моделей и методов, алгоритмов для системного анализа потерь электроэнергии в распределительных сетях, направленных на повышение эффективности их функционирования.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработка единого методологического подхода как инструмента системного анализа потерь электроэнергии в распределительных сетях.
-
Моделирование параметров режима при различной степени полноты и достоверности информационных потоков и их инженерная реализация.
-
Разработка методических подходов к эквивалентированию распределительных электрических сетей с целью снижения неопределенности и размерности решения задачи определения потерь электроэнергии.
-
Разработка методов и алгоритмов уточненного определения технических потерь электроэнергии в распределительных сетях с низкой наблюдаемостью.
-
Систематизация и обобщение технических решений, направленных на снижение потерь электроэнергии в распределительных сетях в условиях неопределенности.
-
Реализация системного подхода к компенсации реактивной мощности как к эффективному средству снижения потерь электроэнергии в распределительных сетях.
Методология исследований опирается на основные положения системного анализа, математического моделирования, теорию принятия решений в условиях неопределенности, теорию случайных процессов, нечетких множеств, вейвлет - анализ.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждены экспериментальными исследованиями, верификационными расчетами, использованием фундаментальных законов теории электромагнитного поля.
Основные научные результаты, выносимые на защиту, и их новизна.
-
Выделен и систематизирован на единой методической основе класс задач функционирования электрических сетей, в которых существенны случайность и неопределенность.
-
Разработаны концепция и структура системного анализа потерь электроэнергии в сетях, обладающих существенной неопределенностью. При этом в качестве объекта управления приняты потери электроэнергии.
-
Введен критерий качества информации – системный критерий, позволяющий корректно применять математические подходы и программные комплексы к моделированию информационных потоков с различной степенью полноты и достоверности.
-
Разработаны модели информационных потоков для системного анализа потерь электроэнергии, адекватные виду неопределенности, на основе совокупного использования теории случайных процессов, теории нечетких множеств, вейвлет-анализа.
-
Разработана обобщенная модель токовой нагрузки узла сети, позволяющая использовать не только аналитическое, но и программное представление случайного процесса изменения тока ввода подстанции для задач исследования потерь электроэнергии на различных временных интервалах.
-
Получены инженерные модели – эквивалентные токи узла нагрузки, позволяющие в зависимости от вида неопределенности приводить обобщенную модель токовой нагрузки к привычному в эксплуатационной практике виду, но с качественно иным содержанием, существенно повышающим точность расчета потерь.
-
Предложены принципы и методы эквивалентирования распределительных электрических сетей, основанные на равенстве потерь электроэнергии в исходной схеме и ее модели и позволяющие резко сокращать размерность решаемой задачи по определению и анализу потерь электроэнергии, а также снижать или исключать неопределенность.
-
Разработаны методы и алгоритмы уточненного определения потерь электроэнергии, в том числе и от низкого качества электроэнергии, позволяющие проводить их комплексный анализ в распределительных сетях с низкой наблюдаемостью. Под научным руководством и при участии автора разработана программа расчета потерь электроэнергии в сетях напряжением 110 0,4 кВ, заключенных между точками поставки электроэнергии на розничном рынке и точками ее учета при их несовпадении, что характерно для распределительных сетей.
-
Предложен и реализован системный подход к оптимальной компенсации реактивной мощности в распределительных сетях с низкой наблюдаемостью как средство управления уровнем потерь электроэнергии в них.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработанные методы, подходы, математические модели, алгоритмы и программа расчета потерь электроэнергии позволяют в распределительных сетях с существенной неопределенностью достоверно определять потери электроэнергии и проводить их структурный анализ, выявлять «очаги» сверхнормативных потерь.
В работе обобщены и систематизированы методы и способы снижения потерь электроэнергии, реализованные в виде комплексной программы и рекомендаций для распределительных сетей с низкой наблюдаемостью. Их отличительной особенностью является возможность использования в эксплуатационной практике как инструментария для управления уровнем потерь электроэнергии с целью снижения эксплуатационных издержек.
Предложенная методика оптимальной компенсации реактивной мощности в распределительных сетях с низкой информационной обеспеченностью не только позволяет снижать величину потерь до оптимальных уровней, но и расширять объем услуг по недискриминационному доступу потребителей к сетям.
Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «ДРСК» при выполнении комплекса научно-исследовательских работ, посвященных решению рассматриваемой проблемы на территории Амурской области, Приморского и Хабаровского краев.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции «Основные направления повышения уровня эксплуатации энергосберегающих технологий в бумажной и деревообрабатывающей промышленности», Краснокамск, 1982 г.; VI Всесоюзной межвузовской конференции по теории и методам расчета нелинейных цепей и систем, Ташкент, 1982 г.; Международной научной конференции «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий», Мариуполь, 1983, 1990, 1994 гг.; Международной научно-практической конференции «Электрификация горных и металлургических предприятий Сибири», Новокузнецк, 1997 г.; III Международном семинаре «Problemy elektroenergetyki», Польша, Лодзь, 2002 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергетика, энергосберегающие технологии», Липецк, 2004 г.; Всероссийской конференции «Энергетика России в XXI веке: Развитие, функционирование, управление», Иркутск, 2005 г.; Всероссийской конференции с международным участием «Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании», Иркутск, 2005, 2006, 2007 гг.; Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», Томск, 2008 г.; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», Благовещенск, 1998, 2000, 2003, 2005, 2008 гг.; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», Иркутск, 2008 г.; Международной научной конференции «Electrical Power Quality And Utilisation», Польша, 1991, 2001, 2003, 2005, 2009 гг.
Публикации. Непосредственно по материалам диссертации опубликовано 82 работы, из которых 68 основных указаны в библиографическом списке автореферата, в т.ч. 2 монографии (одна – в издательстве «Наука»).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка используемой литературы. Объем работы составляет 487 страниц основного текста, 117 рисунков, 42 таблицы. Список использованной литературы содержит 410 наименований.
Понятие неопределенности в исследовании потерь электроэнергии
При функционировании электроэнергетических систем наблюдается тенденция увеличения степени неопределенности, являющейся объективным фактором развития любого энергообъединения. Неопределенность при управлении ЭЭС обусловлена неполнотой и недостаточностью используемой информации, нечеткой природой мышления человека, принимающего решения. По мере развития рыночных отношений в энергетике состав неопределенных факторов и условий расширяется. Раскрытие ее — одна из наиболее важных проблем, решение которой позволит осуществить качественный скачок в управлении энергообъединениями или энергокомпаниями. Традиционные подходы, используемые в эксплуатации, оказались малоэффективными, и их целесообразность в значительной степени снижается при развитии энергосистем. В полной мере это относится и к проблеме потерь электроэнергии, особенно в распределительных сетях разных классов напряжения, где степень неопределенности велика и обусловлена кроме указанных факторов также недостоверностью информации.
Неполнота исходной информации обусловлена несколькими причинами: принятой системой измерения и учета электроэнергии, т.е. пунктами и количеством установленных счетчиков или датчиков; порядком и периодичностью снятия их показаний; способом обработки; помехами, приводящими к потере информации при ее передаче; состоянием схемы сети между периодами сбора режимной информации. Недостоверность возникает из-за погрешностей измерительных комплексов и систем передачи, приема и обработки информации. Причинами таких погрешностей являются не только технические средства, но и математическое описание режимной информации, скрытые ошибки.
Аналогичная ситуация наблюдается в промышленных и городских сетях. Поэтому подход к анализу и определению потерь электроэнергии в распределительных сетях должен быть единым.
Таким образом, можно выделить класс сетей, для которых степень неопределенности высока и связана с отсутствием исходной информации в требуемом объеме для исследования потерь электроэнергии либо с ее недостоверностью, обусловленной погрешностями измерительных комплексов. Это распределительные сети.
Под детерминированной информацией понимается информация, основанная на закономерных причинно-следственных связях и задаваемая в численно-однозначной форме, не изменяющаяся в рассматриваемый период эксплуатации (паспортные данные оборудования, состав включенного оборудования и т.п.). Для упрощения расчетов к детерминированной информации относят также так называемую условно-детерминированную информацию, т.е. вероятностную информацию, меняющуюся в незначительных пределах при изменении режима сети.
Вероятностная информация описывает стохастический характер изменения параметров режима, совокупности элементов сети, соответствующей данному режиму.
Вероятностно-определенная информация, отражая физическую сущность параметров режима, обусловлена тем, что параметры в принципе не могут быть заданы точно. Однако статистические выборки из случайных процессов достаточны для установления их законов распределения и достоверного определения вероятностных характеристик.
Вероятностно-ограниченная информация характеризуется неполным объемом выборки, необходимой для достоверного описания параметров случайного процесса, и не позволяет традиционными методами выявить закономерности исследуемых процессов. Иными словами ограниченность объема выборки, обусловленная условиями эксплуатации, не позволяет обеспечить требуемую точность описания параметров режима.
Неопределенная информация - это такая информация, которая позволяет описать количественные значения параметров режима или схемное состояние сети лишь приблизительно, опираясь только на номинальные параметры элементов сети и предположительную совокупность включенных и отключенных элементов схемы, и соответствует случайному или стохастическому воздействию на систему.
Нечетко определенная информация характерна для случаев, когда известен лишь предположительный диапазон изменений параметров режима или схемы сети. Полностью неопределенная информация соответствует случаям полной неизвестности об объекте и предопределяет неоднозначность его описания. Неопределенность информации характеризуется следующими ее свойствами: недостаточность, недостоверность, неоднозначность, неизвестность. Под недостаточностью будем понимать такой объем информации, который не позволяет получить решение задачи с требуемой на практике точностью.
Недостоверность возникает при погрешностях измерений, превышающих допустимую, определенную условиями задачи. Неоднозначность - это многовариантность информации, обусловленная различными способами ее получения и описания.
Неизвестность — отсутствие информации, обусловленное техническими или физическими факторами.
Для того чтобы можно было описать математические свойства информации введем термин качество информации, под которым понимается степень ее полноты и достоверности [219, 260]. В зависимости от степени полноты информация делится на избыточную, полную, неполную, неопределенную и неизвестную. Точность представления информации обусловливает ее отнесение к группе достоверной, нечетко достоверной, недостоверной информации.
При системном анализе потерь электроэнергии одна и та же используемая информация в одной задаче может быть полной и достоверной, т.е. достаточной, в другой неполной, нечеткой, а в третьей неполной и (или) недостоверной, т.е. неопределенной. Например, при расчете потерь электроэнергии на текущий момент времени (время контрольных замеров) информация достаточна, для ретроспективного анализа она неполна, для прогнозирования - неопределенна.
Статистические исследования токовых нагрузок узлов электрической сети
Построение модели по экспериментальным данным — это задача идентификации, решение которой возможно лишь при измерении характеристик и параметров физических объектов, в нашем случае — токовых нагрузок выбранных объектов исследования. Экспериментальные исследования случайных процессов токовых нагрузок, требующие сбора и обработки большого количества информации, весьма трудоемки, поэтому необходима предварительная подготовка эксперимента, которая базируется на совокупности имеющихся априорных знаний о процессе, основанных на анализе данных, снимаемых дежурным персоналом на подстанциях. В связи с этим разработан метод подготовки эксперимента, сущность которого заключается в следующем. 1. Определение основной цели исследования и круга частных задач, решение которых необходимо для достижения этой цели. 2. Выбор совокупности вероятностных характеристик, необходимых для решения поставленных задач. 3. Предварительная оценка влияния случайных факторов, вывод о необходимости их учета. 4. Предварительная оценка влияния изменений условий при записи различных реализаций, т.е. предварительное решение вопроса об эргодичности процесса. 5. Предварительная оценка влияния изменения условий непосредственно во время записи реализаций, т.е. предварительное решение вопроса о стационарности процесса. 6. Выбор необходимой и достаточной точности исследований, т.е. принятой вероятности непревышения допустимой погрешности при определении оценок вероятностных характеристик. При этом должен быть одинаковый порядок допустимой погрешности на всех этапах исследования. 7. Предположительное определение закона распределения вероятностей. 8. Решение вопроса о возможности применения корреляционной теории в исследовании процесса. 9. Приблизительная оценка спектральной плотности процесса. 10. Ориентировочное определение необходимого и достаточного для обеспечения заданной точности исследований количества реализаций и достаточного времени одной реализации в зависимости от эргодичности процесса. 11. Определение возможности применения устройств непосредственного измерения вероятностных характеристик на разных этапах исследования. 12. Определение шага квантования по уровню и дискретизации по времени для обеспечения принятой точности исследования, что определяет выбор масштаба уровня и времени записи информации.
При выборе совокупности вероятностных характеристик учитывался тот факт, что для решения задачи определения потерь электроэнергии в элементе сети важно знать частоту появления тех или иных значений нагрузки за исследуемый интервал времени на каждом выделенном временном интервале. Отсюда - необходимо знать функцию распределения случайного процесса, нормированную плотность распределения, математическое ожидание, дисперсию, автокорреляционную функцию (АКФ), отражающую связь между ординатами процесса тока вводного присоединения, и взаимную корреляционную функцию (ВКФ), отражающую связь между отдельными присоединениями и вводом подстанции.
Оценка случайных факторов, влияющих на нагрузку, показала, что экспериментальные исследования необходимо проводить только в характерные сутки, т.е. такие, когда идет устойчивый технологический процесс для предприятий или выделять сутки рабочих и выходных дней для сетевых компаний.
При выборе и формировании модели токовой нагрузки большое значение имеют интервалы осреднения и интервалы дискретизации непрерывного процесса ее изменения. От интервала фиксирования значений нагрузки зависят числовые характеристики случайного процесса, а также необходимые технические средства для получения информации. Предположение об эргодичности процесса дает возможность использовать интервал осреднения, равный часу. Однако при построении математической модели необходимо доказать эргодичность процесса или выделить из стохастического процесса интервалы стационарности и эргодичности. Поэтому, необходимо проводить непрерывную запись процесса в течение характерных суток.
Чтобы обеспечить необходимую точность исследований тока, равную 5% с интегральной вероятностью 0,95, необходимо исследовать график нагрузки как случайный процесс по свойствам отдельных реализаций в различные промежутки времени. Это означает, что исследовать суточные графики нужно в разное время года, что позволяет установить основные устойчивые характеристики процесса в течение года и тем самым значительно повысить точность модели. В качестве измерительных средств используются приборы класса точности 0,2 0,5. Для достижения одного порядка погрешности условия эксперимента должны быть неизменными на всех анализируемых подстанциях.
Необходимая для получения достоверной информации о характеристиках случайного процесса длительность наблюдения Т определяется разрешающей способностью анализа энергетического спектра, т.е. различимостью двух соседних пиков этого спектра. Для распределительных сетей длительность реализации составляет от 8 часов до 3 суток [249, 251, 267], что доказано неоднократными экспериментами.
Определение сопротивлений элементов электрических сетей при низком качестве электроэнергии
Основными элементами сети, учитываемыми при эквивалентировании схем сетей энергосистем и предприятий всех уровней напряжения, являются: воздушные и кабельные линии, промышленные токопроводы; силовые трансформаторы; токоограничивающие реакторы и реакторы поперечной компенсации; синхронные компенсаторы и двигатели.
Несинусоидальность и несимметрия напряжений приводит к увеличению активного сопротивления токам высших гармоник, сопротивлений обратной и нулевой последовательностей [402], что вызывает в элементах сети дополнительные потери активной мощности.
Так как в сетях энергосистем и предприятий много нелинейных и несимметричных электроприемников (таких как электрическая тяга переменного тока, предприятия целлюлозно-бумажной промышленности, черной и цветной металлургии и т.п. - для энергосистем или выпрямительные, несимметричные, резкопеременные нагрузки - для предприятий и городов), необходим анализ влияния искажений, вносимых данными потребителями или нагрузкой, на величину потерь электроэнергии, а, следовательно, и на сопротивления элементов сетей. Это связано с тем, что определение потерь на современном этапе требует знания достаточно точных значений активных сопротивлений, что в итоге позволит снизить коммерческую составляющую потерь. Активные сопротивления должны определяться с учетом не только поверхностного эффекта, но и эффекта близости, влияния вихревых токов, распределенности параметров и других факторов. Получение аналитических выражений, описывающих сопротивления с учетом качества электроэнергии, является весьма сложной задачей, связанной с расчетом электромагнитных полей. Поэтому в работе показано на примере токопроводов как можно получить такие выражения, а для остальных элементов сети произведено обобщение результатов, полученных другими авторами, и на его основе предложены выражения, описывающие зависимость активного сопротивления от несинусоидальности и несимметрии напряжений.
Одним из основных вопросов эффективного функционирования электрических сетей промышленных предприятий является способ передачи электроэнергии напряжением 6-10 кВ по территории предприятия, поскольку именно этот фактор является определяющим при анализе их надежности.
Обычно канализация электроэнергии на энергоемких предприятиях (цветная металлургия, химическая и целлюлозно-бумажная промышленность) осуществляется с помощью токопроводов промышленной частоты в открытом исполнении или в закрытых наземных галереях, в том числе с ограждением из оцинкованной стали, которое в дальнейшем будем называть ферромагнитным экраном.
Качество электроэнергии на таких предприятиях, как правило, не удовлетворяет требованиям ГОСТ 13109-97 и, в основном, характеризуется несинусоидальностью и несимметрией напряжений и токов.
Сопротивление шин - важная характеристика токопроводов, выполненных на напряжение 6-10 кВ. Изменение его величины может привести как к изменению длины токопровода, так и к дополнительным потерям мощности и энергии в шинах токопровода. Поэтому необходимо знать, как влияет электромагнитное поле, наводимое токами высших гармоник и обратной последовательности, на импеданс шин. Следовательно, нужно получить аналитические выражения, описывающие сопротивление шин в зависимости от низкого качества электроэнергии [238, 246, 269].
Исследование влияния низкого качества электроэнергии на полное сопротивление шин проводилось при произвольной форме ферромагнитного экрана и без него для алюминиевых шин различного сечения. При этом решались уравнения электромагнитного поля как в шине с помощью бесселевых функций, так и в воздухе с помощью метода разделения переменных и представления электромагнитного поля в виде суперпозиции двух полей — падающего и отраженного [389].
Изменение сопротивления шин будем определять без учета ферромагнитных элементов поддерживающей конструкции токопровода. Рассмотрим шины трубчатого сечения. Уравнение электромагнитной волны в шине с учетом приведенного выше допущения, записанное с помощью метода комплексных амплитуд, имеет вид Раскроем V2 в цилиндрической системе координат, учитывая, что Н не зависит от OZ, так как ось 2 направляем по оси шины, и от 0 — в силу симметрии:
Это частный случай уравнения Бесселя. Его решение можно записать в следующем виде [7]: где А и В - постоянные интегрирования; 10(рг) - функция Бесселя нулевого порядка I рода; N0(рг) - функция Бесселя нулевого порядка II рода; г - расстояние от шины до исследуемой точки поля.
По своему свойству No на оси шины обращается в бесконечность, но по физическому смыслу напряженность магнитного поля — величина конечная в любой точке шины, в том числе на ее оси, поэтому В = 0, и тогда
Напряженность магнитного поля в шине имеет только касательную составляющую. Определим постоянную интегрирования А, исходя из равенства касательных составляющих напряженностей магнитного поля на границе раздела двух сред. Для этого рассмотрим электромагнитное поле в воздухе внутри экрана, представляя его в виде электромагнитной волны.
Запишем уравнение электромагнитной волны в воздухе в цилиндрической системе координат. Для этого ось OZ направим параллельно осям шин. Изменения величин электромагнитного поля вдоль OZ не происходит (считаем шины бесконечно длинными).
Алгоритм уточненного определения потерь электроэнергии при неполноте и недостоверности исходной информации
Укрупненный алгоритм определения потерь электроэнергии в сетях различной конфигурации выглядит следующим образом. 1. Корректировка показаний счетчиков активной и реактивной энергии до достоверных значений согласно алгоритмам подраздела 4.1. 2. Построение математических моделей токовых нагрузок вводных присоединений подстанций сначала в сети 220 кВ, затем — 110 кВ, а потом — 35 и 6-10 кВ по методике, приведенной в главе 2. 3. Эквивалентирование схем распределительных сетей первого уровня (напряжение 6-10 или 35 кВ) согласно алгоритмам, приведенным в главе 3. 4. Определение технических нагрузочных потерь электроэнергии в сети первого уровня по выражению (4.9) или (4.12). 5. Определение условно-постоянных потерь в сети и условно-постоянных потерь по подстанциям по методике [118]. 6. Эквивалентирование схем распределительных сетей второго уровня (напряжение 110 кВ) согласно алгоритмам, приведенным в главе 3. 7. Определение технических потерь электроэнергии в сети второго уровня по выражению (4.9) или (4.12) в зависимости от постановки задачи определения потерь. 8. Эквивалентирование схем распределительных сетей третьего уровня (напряжение 220 кВ) согласно алгоритмам, приведенным в главе 3. 9. Определение технических потерь электроэнергии в сети третьего уровня по выражению (4.9) или (4.12). 10. Определение метрологической составляющей потерь электроэнергии вначале в сети третьего уровня, затем — второго и первого уровней. 11. Определение коммерческой составляющей потерь электроэнергии вначале в сети третьего уровня, затем второго и первого уровней: ЫУК0М = ш - Ш\псхп - Шмал, (4.17) где ЬЛУ - суммарные потери электроэнергии; А № техн - точное значение суммарных технологических потерь в сети каждого уровня, полученное в результате коррекции с учетом потерь от низкого качества электроэнергии; Л\Умет — суммарные метрологические потери электроэнергии в сети с учётом методической составляющей. 12.
Структурный анализ коммерческих потерь электроэнергии. Количественные значения по структурному анализу потерь для распределительных сетей разных уровней в целом по Амурской энергосистеме в процентном соотношении приведены в табл. 4.2. В алгоритмах предусматривается такой анализ по каждому присоединению распределительных сетей 10-220 кВ, который должен выводиться в соответствующее окно на дисплее по вызову. Для доказательства пригодности и достоверности разработанных методов определения потерь электроэнергии приводится количественный расчет таких потерь методом уточненного их определения и классическим методом. Для обоснования корректности разработанного метода определения потерь электроэнергии выбрана сеть 35 кВ Серышевского РЭС Амурской энергосистемы. Однолинейная схема сети приведена на рис.4.5. Исходными данными для расчета потерь электроэнергии являются показания счетчиков по подстанциям, принадлежащим РЭС, за три года, паспортные данные трансформаторов с номинальным напряжением ВН 35 кВ, приведенные в табл.4.3, марки и сечения проводов ЛЭП 35 кВ, приведенные в табл.4.4. Для расчета потерь электроэнергии необходимо знать значения активной и реактивной мощности вводных присоединений подстанций, которые получены по откорректированным показаниям счетчиков. На основе вероятностно-статистического анализа согласно следующим выражениям определены: средняя нагрузка среднеквадратичная мощность Для определения точек размыкания сети при расчете потерь электроэнергии была составлена структурная схема сети 35 кВ Серышевского РЭС (рис. 4.6).
