Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ конструктивных схем распределения электроэнергии в электропитающих системах и условий их эксплуатации, методов расчета режимных параметров и надежности 11
1.1. Анализ конструктивных схем и условий их эксплуатации 11
1.2. Методы моделирования, расчета режимных параметров и надежности 22
1.3. Цель и задачи исследования 31
1.4. Выводы 32
Глава 2. Определение показателей надежности при распределении и электропотреблении в электропитающих системах 34
2.1. Определение уровня надежности 34
2.2. Условия реализуемости конструкционной и функциональной надежности 37
2.3. Определение показателей надежности 43
2.4. Выводы 46
Глава 3. Определение показателей надежности при распределении и электропотреблении в электропитающих системах 48
3.1. Разработка новых технических решений для повышения эффективности использования и контроля качества электрической энергии 48
3.2. Математическое описание взаимодействия элементов электроприемников электропитающих систем 51
3.3. Определение рациональных конструктивных и режимных параметров системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях 60
3.4. Выводы 66
Глава 4. Экспериментальные исследования при применении электротехнических устройств для повышения эффективности электропотребления и их функционирования в электропитающих системах 68
4.1. Планирование эксперимента, методика и аппаратура исследования 68
4.2. Аппаратура и устройства системы контроля качества электрической энергии 75
4.3. Экспериментальные исследования 79
4.4. Выводы 82
Заключение 83
Библиографический список 85
- Методы моделирования, расчета режимных параметров и надежности
- Условия реализуемости конструкционной и функциональной надежности
- Математическое описание взаимодействия элементов электроприемников электропитающих систем
- Аппаратура и устройства системы контроля качества электрической энергии
Методы моделирования, расчета режимных параметров и надежности
Система распределения электроэнергии включает в себя распределительную электрическую сеть, состоящую [1] из источника питания, линии электропередачи и электроустановки [2]. Анализ конструктивных схем показывает, что наиболее распространенная система распределения электроэнергии (рис. 1.1) включает в себя электроустановку здания, которая подключена к низковольтной распределительной электрической сети, состоящей из источника питания и низковольтной линии электропередачи.
Общий вид низковольтной системы распределения электроэнергии 1 - заземляющее устройство источника питания; 2 - заземляющее устройство электроустановки здания; ПС - трансформаторная подстанция; ВЛ - воздушная линия электропередачи; КЛ - кабельная линия электропередачи Недостатками таких конструктивных схем является низкая надежность без дополнительных резервирующих структурных связей, отсутствие автоматизированного контроля над распределением электроэнергии и электротехнических устройств контроля качества электрической энергии.
Наряду с известными достоинствами, у данной схемы имеется ряд недостатков. Так, при ремонте одной секции распределительного пункта, потребители, питающиеся от двух секций, остаются без резерва, а нерезервированные по сети, отключаются на все время ремонта. Она также не включает в себя электротехнические устройства контроля качества электроэнергии. Вместе с тем, необходимо учитывать, что эксплуатируемые сети в России характеризуются значительным моральным и физическим износом электрооборудования (до 50%), высокими потерями электрической энергии (до 15%) и фактически исчерпали ресурс пропускной способности. Одним из современных путей решения этих проблем являются технологии интеллектуальных электрических сетей [1], [3]. Интеллектуальные электрические сети выполняют заданные цели функционирования, выбирают оптимальный режим функционирования в зависимости от факторов окружающей среды, прогнозируя их поведение и свое собственное состояние [1], [4]. Интеллектуальные электрические сети требуют модернизации энергетического оборудования с установкой счетчиков. Кроме того, создание автоматически управляемых электрических сетей должно обеспечивать изменение структуры распределительных сетей предприятия и удовлетворять растущие требования к надежности и эффективности электропотребления, с требуемым качеством электрической энергии.
Одной из конструктивных схем «интеллектуальных сетей» является распределительная сеть, сформированная по гексагональной схеме [5]. Такая схема представляет собой совокупность равномерно-распределенных узлов потребления электрической энергии, соединенных между собой равномерно-загруженными линиями одинакового сечения. Система электроснабжения предприятия строится по топологии гексагональной или сотовой сети (рис. 1.3). Территория с электропотребителями, таким образом, покрывается равномерно-распределенной распределительной сетью, имеющей структуру связанных шестиугольников, в вершинах которых располагаются узлы нагрузки. Рис. 1.3. Принцип формирования распределительной сети и узлов нагрузки по гексагональной схеме
Каждый узел нагрузки сети в результате имеет строго определенную зону обслуживания, а в центре кольца имеется зона совместного обслуживания. Каждый узел нагрузки имеет три «луча»: питающий (питает нагрузку), резервный (находится в горячем резерве), транзитный (осуществляет транзит мощности). Данная сеть также рассматривается как инвариантная – питающий луч может стать транзитным и т.д. Ключевым элементом такой сети является интегрированный модуль управления, позволяющий реализовывать функции управления, защиты, хранения и передачи информации в автоматическом режиме.
Узлы нагрузки такой сети представляют собой интеграцию распределительной сети, потребителей и информационной сети. Управление электротехническими устройствами коммутации основывается на едином пространстве имен и унифицированной системе обмена информацией. С е помощью осуществляется управление устройствами распределительной электросети. На рис. 1.4 показана схема распределительного устройства универсального узла нагрузки с интегрированным модулем управления. Рис. 1.4. Схема распределительного устройства универсального узла нагрузки с интегрированным модулем управления
Данная схема имеет две системы шин: рабочую и резервную, рабочие и резервные выключатели для инвариантных переключений и выполнения ремонтных работ. Основная задача интегрированного модуля управления здесь – управление узлом нагрузки в автоматическом режиме. Смена режима узла нагрузки происходит путем изменения состояния выключателя. Интегрированный модуль управления постоянно оценивает состояние распределительной сети и выбирает наиболее оптимальный режим работы в конкретных условиях.
Недостатками использования данных схем являются: значительные затраты на реконструкции старой инфраструктуры, повышенная избыточность гексагональной сети подразумевает повышенные затраты на содержание дополнительных линий, рост потерь активной энергии за счет увеличения протяженности распределительной сети, отсутствие средств контроля качества и эффективность использования электрической энергии. Относительная независимость функционирования интегрированных модулей управления на каждом из узлов нагрузки может приводить к сложно диагностируемым сбоям в работе системы в комплексе и каскадному изменению режимов работы узлов распределительной сети. Необходимо также отметить, что при коротких замыканиях в гексагональных распределительных сетях возникают параллельные и замкнутые цепи, что делает традиционные методы расчета токов короткого замыкания неэффективными в силу больших погрешностей, что, в свою очередь, затрудняет условия выбора электрооборудования и установки релейной защиты.
Другим решением в области интеллектуального управления электропотреблением является использование мультиагентной системы и нейронных сетей для прогнозирования потребления [6]. Данный схемный метод заключается в разработке и внедрении систем автоматического управления энергопотоками на основе интеллектуальных алгоритмов с применением прогнозированных данных о потреблении электроэнергии отдельными потребителями в распределительной сети. Формируя прогноз потребления можно сформулировать оптимальную стратегию переключения в системе, которая приводит к минимизации функции затрат на потребление. Метод основан на мультиагентном подходе, в рамках которого система описывается в виде взаимодействующих элементов.
Управление мультиагентной системе заключается в определении алгоритма взаимодействий между компонентами системы, так как осуществляется контроль над процессом переключения для оптимизации производительности и экономической эффективности. Входными данными для формирования стратегии переключения в системе распределения электроэнергии являются фактические данные о потреблении, значение текущего времени и прогнозированные данные. Выходными – стратегия переключения в системе распределения. Стратегия управления электротехническими устройствами, таким образом, определяется на основе прогнозируемых данных о потреблении.
Условия реализуемости конструкционной и функциональной надежности
Данную методику необходимо дополнить контролем качества электрической энергии и эффективностью е использования.
В [15] в качестве основных факторов, влияющих на качество и эффективность использования электрической энергии, рассматриваются: высшие гармонические составляющие токов и напряжений, резонансные режимы от высших гармоник, несимметрия напряжения по обратной и нулевой последовательности, перенапряжения, колебания и провалы напряжения. Для определения коэффициента качества электрической энергии в [19] предлагается учитывать композицию шести различных показателей качества электрической энергии: где k0[/c - коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности существующего технического уровня; к0{7н -коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности нового технического уровня; k2uc – коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности существующего технического уровня; к2ин - коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности нового технического уровня; kUc - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения существующего технического уровня; кин - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения нового технического уровня; ku(n)c - коэффициент n-гармонической составляющей напряжения существующего технического уровня; ки(П)н - коэффициент п-гармонической составляющей напряжения нового технического уровня; 5Uyc - установившееся отклонение напряжения существующего технического уровня; 6UyH - установившееся отклонение напряжения нового технического уровня; АРС - дополнительные потери от протекания токов высших гармоник на существующем техническом уровне; АРН - дополнительные потери от протекания токов высших гармоник на новом техническом уровне.
Недостатком такого подхода является отсутствие комплексного учета в коэффициенте технического уровня таких показателей как коэффициент готовности и коэффициент энергоэффективности технических процессов, без которых не возможна оценка эффективности использования электроэнергии.
В результате анализа конструктивных схем распределения электроэнергии в электропитающих системах и условий их эксплуатации, методов расчет режимных параметров и надежности сформулированы цели и задачи диссертационной работы.
Повышение качества и эффективности электропотребления в электропитающих системах путм обоснования е рациональных режимных параметров и электротехнических устройств распределения электрической энергии, учитывающих закономерности формирования управляющих воздействий.
Достижение требуемого уровня качества и эффективности электропотребления в электропитающих системах путм обоснования е рациональных режимных параметров и электротехнических устройств распределения электрической энергии, учитывающих закономерности формирования управляющих воздействий.
1. Анализ конструктивных схем, методов расчта параметров и надежности электротехнических устройств и способов управления режимами работы электропитающих систем и условий их эксплуатации. 2. Разработка математической модели формирования топологии и управляющих воздействий в электропитающих системах, учитывающих в комплексе систему распределения электрической энергии и надежность отдельных е элементов для определения ее рациональных параметров, на основе исследования математической модели системы. 3. Обоснование рациональных режимных параметров и гибкой динамики топологии управления электротехническими устройствами электропитающих систем для повышения качества и эффективности электропотребления в электропитающих системах. 4. Определение условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности электротехнических устройств, обеспечивающих рациональные режимы работы и распределение электроэнергии электропитающих систем. 5. Разработка методики определения рациональных параметров электротехнических устройств распределения электрической энергии электропитающих систем, структуры и топологии управления е режимами работы. 6. Численные и экспериментальные исследования режимов работы электротехнических устройств и электропитающих систем при применении разработанных технических решений по управлению распределением электрической энергии.
Определение требуемого уровня наджности основывается на техническом уровне как вводимых в эксплуатацию новых систем, так и усовершенствованием уже используемых. Из целевого назначения технической системы следует, что система уравнений существующего технического уровня рассматривается по отношению к новому техническому уровню системы по зависимостям потенциальной реализуемости, определяя соотношения уровня е разрабатываемости [20], [21], [22], [23], [24].
При рассмотрении системы распределения и контроля качества электрической энергии, коэффициент технического уровня (1.12) необходимо выразить не только через коэффициент готовности, но и через коэффициенты, учитывающие показатели качества электрической энергии, а также энергоемкость технологических процессов. В общем виде коэффициент технического уровня можно представить
Математическое описание взаимодействия элементов электроприемников электропитающих систем
Разработано новое техническое решение – система контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях.
Задачей технического решения является обеспечение функциональной связи электротехнических устройств, контролирующих эффективное использование, распределение и снижение потерь электроэнергии в электропитающих системах, и снижение потери электрической энергии за счет уменьшения провалов напряжения, реактивной составляющей мощности, контроль над эффективным использованием и распределением электроэнергии.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в системе контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях, содержащей блок базы данных счетчиков, блок архива данных учета, блок системы учета, причем в систему дополнительно введены два блока контроля качества электроэнергии, два блока электротехнических устройств управления качеством электрической энергии, блок электропитающей сети, блок объекта потребления электрической энергии, причем, выход блока базы данных счетчиков связан с блоком архива данных учета, выход которого связан с блоком системы учета, выход которой в свою очередь связан с первым блоком контроля качества электрической энергии, выход которой связан с первым блоком электротехнических устройств управления качеством электрической энергии, первый выход которой связан обратной связью с блоком базы данных счетчиков, а второй выход связан с блоком объекта потребления электрической энергии, выход которого в свою очередь связан со вторым блоком контроля качества электрической энергии, выход которого связан со вторым блоком электротехнических устройств управления качеством электрической энергии.
На рис. 3.1 изображена функциональная схема системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях.
Функциональная схема системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях
Система контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях содержит блок базы данных счетчиков – 1, выход которого связан с блоком архива данных учета – 2, выход которого связан с блоком системы учета – 3, выход которого в свою очередь связан с первым блоком контроля качества электрической энергии – 4, выход которого связан с первым блоком электротехнических устройств управления качеством электрической энергии - 5, выход которого связан с блоком электропитающей сети – 6, первый выход которого при помощи обратной связи связан с блоком базы данных счетчиков – 1, а второй выход связан с блоком объекта потребления электрической энергии – 7, выход которого в свою очередь связан со вторым блоком контроля качества электрической энергии – 8, выход которого связан со вторым блоком контроля качества электрической энергии – 9.
Из функциональных связей системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях следует, что информацию с блока базы данных – 1 счетчиков, т.е. внешней базы данных передают на блок архива данных учета – 2. С блока архива данных учета – 2, который содержит результаты учета параметров электропотребления с интервалом осреднения 30 мин., это расчетная нагрузка по группам точек поставки электроэнергии в формате промышленной ЭВМ, информацию передают на блок системы учета – 3, где формируют исходные данные для расчета параметров режима, технических потерь. Затем информация поступает на первый блок контроля качества электрической энергии – 4, на котором показатели качества электрической энергии сопоставляются с заданными значениями качества электрической энергии. Управляющее воздействие с первого блока контроля качества – 4, затем передается на первый блок электротехнических устройств управления качеством электрической энергии – 5, регулирующих показатели качества электрической энергии от электропитающей сети – 6. Информация о результатах коррекции показателей качества электрической энергии затем передается с первого выход блока электропитающей сети – 6 при помощи обратной связи на вход блока базы данных счетчиков – 1. С блока объекта потребления электрической энергии – 7, питающегося от электропитающей сети – 6, информация о влиянии нагрузки на показатели качества электрической энергии передается на второй блок контроля качества электрической энергии – 8, на котором показатели качества электрической энергии сопоставляются с заданными значениями качества электрической энергии. Управляющее воздействие со второго блока контроля качества – 8, затем передается на второй блок электротехнических устройств управления качеством электрической энергии – 9, регулирующих показатели качества электрической энергии с целью коррекции влияния нагрузки на показатели качества электрической энергии. Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечивать функциональную связь электротехнических устройств, контролирующих эффективное использование, распределение и снижение потерь электроэнергии в электропитающих системах, тем самым снизив потери электрической энергии за счет уменьшения провалов напряжения, реактивной составляющей мощности, эффективно использовать и распределять электроэнергию в рамках электропитающей системы (блоки 1-6) и системы электроснабжения предприятия (7-9). Кроме этого, данное техническое решение обеспечивает высокий уровень масштабируемости для использования на промышленных предприятиях любого размера.
Взаимодействие элементов электроприемников (рис. 3.1) электропитающей системы можно квалифицировать как поточно циклический процесс, с учетом которого можно выделить электроприемники, моменты включения и отключения которых происходят одновременно. Вызвано это технологической связью оборудования. Включение и отключение электроприемников может быть заранее запрограммировано, а может и носить случайный характер. Постановка определения параметров времени взаимодействия электроприемников для электрической системы можно осуществить в зависимости от моментов включения и отключения. В этом случае возможны три ситуации [16].
Первая ситуация относится к электроприемникам, отключение и включение которых относительно друг друга осуществляется одновременно, что, как правило, определяется технологическим процессом. На электроприемники воздействует как собственные негативные факторы (постепенные и случайные отказы), так и внешние негативные факторы, связанные с электропитающей системой. Временные параметры, характеризующие функционирование электроприемников в электросистеме не являются постоянными величинами. Степень негативного взаимодействия электроприемников друг на друга ина электропитающую систему неравноценна. Поэтому устранение негативного воздействия на работу электроприемников не всегда возможно. Графическое отображение одновременного включения в работу и отключения электроприемников для первой ситуации представлено на рис. 3.2.
Так как анализу подвержены временные параметры, то высота импульсов для всех электроприемников принята равной единице. Данный режим работы характерен для различных групп электроприемников при условии, что импульс отражает только временные параметры функционирования. Периоды включения и отключения этих электропотребителей одновременны. Они полностью зависят от технологического процесса и соответствуют программе функционирования (рис. 3.1).
Аппаратура и устройства системы контроля качества электрической энергии
Из рис. 4.10, 4.11, 4.12, 4.13, видно, что расхождение значений теоретических и экспериментальных исследований не превышают 13,5%, что допустимо в инженерных расчетах. Достигнутый эффект повышения эффективности потребления электрической энергии составляет 25-30%, что подтверждает эффективность применения системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических и экспериментальных исследований, и, разработанных технических решений по повышению эффективности потребления электрической энергии. 4.4. Выводы
1. Проведено планирование эксперимента, разработана методика экспериментальных исследований и выбрана аппаратура для их проведения при применении новых технических решений по системе контроля и управления эффективным использованием электрической энергии в электропитающей системах.
2. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что использование разработанной системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях позволило увеличить эффективность потребления электрической энергии до 25-30%
3. Сравнение результатов теоретических исследований с результатами экспериментальных исследований показало, что расхождение между ними составило 13,5%, что допустимо в инженерных расчетах.
Диссертация представляет собой законченную научно квалификационную работу, в которой поставлена и решена задача обоснования рациональных структуры и параметров электротехнической системы контроля и управления эффективностью использования электрической энергии в электрических сетях. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. Определены зависимости для расчета уровня показателей надежности электротехнических устройств контроля и коммутации для управления эффективностью использования электрической энергии в электропитающих системах на основе функциональной связи с коэффициентом их технического уровня, учитывающего качество электрической энергии, коэффициент готовности и энергоэффективность электроприемников технологического процесса.
2. Установлена зависимость для расчета коэффициента технического использования, являющегося комплексным показателем эффективности использования электрической энергии, учитывающим коэффициенты эффективности, устанавливающие прямую взаимосвязь между функциональными возможностями электроприемников с помощью амплитудно-временных параметров потоков электрической энергии.
3. Моделированием переходных процессов в электротехнических устройствах перераспределения и рационального использования электрической энергии установлены закономерности формирования топологии и управляющих воздействий в электропитающих системах для управления их режимами работы. 4. Установлены условия реализуемости результатов моделирования переходных процессов в электротехнических устройствах перераспределения и рационального использования электрической энергии в электропитающих системах и надежности, определяемые свойствами и условиями работы конструкционных материалов, взаимодействием электроприемников и совместного функционирования любого числа электропотребителей в реальных условиях эксплуатации для расчета их рациональных параметров.
5. Определены параметры электротехнической системы контроля и управления эффективностью использования электрической энергии в электрических сетях, обеспечивающие е требуемую работоспособность на основе исследований устойчивости е работы в конкретных условиях эксплуатации.
6. Проведены численные и экспериментальные исследования электротехнических устройств контроля и управления эффективностью использования электрической энергии в электропитающих системах, которые показали, что расхождение между результатами теоретических и экспериментальных исследований составило 13,5%, что допустимо при инженерных расчетах, а эффективность их работы повысилась на 25-30%.
