Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса энергосбережения для распределительной сети АПК 11
1.1 Компенсация реактивной мощности в сетях электроснабжения 12
1.1.1 Положение в области компенсации реактивной мощности 12
1.1.2 Оборудование и методы компенсации реактивной мощности 17
1.2 Методы оценки эффективности использования конденсаторных установок 21
1.2.1 Метод конечных отношений в теории энергосбережения 21
1.3 Программные комплексы для оптимизации распределения реактивной мощности 24
1.4 Качество электрической энергии 29
1.5 Задачи исследования 32
2 Разработка нового подхода для оценки эффективности энергосбережения с применением конденсаторных установок для распределительных сетей АПК 33
2.1 Энергоемкость передачи электрической энергии по распределительной сети АПК 33
2.2 Расчет режимов электрических сетей с помощью программных комплексов 36
2.2.1 Комплекс программ Rastr 36
2.2.2 КОСМОС - программный комплекс оперативных расчетов режимов энергосистем на основе телеметрической информации 37
2.3 Оптимизация режима сети по напряжению, реактивной мощности и коэффициентам трансформации 42
2.4 Функция расчета безразмерной энергоемкости в ПК Rastr 45
2.5 Выводы по главе. 52
3 Экспериментальные исследования разработанного метода оценки энергосберегающих мероприятий в распределительной сети АПК 53
3.1 Описание предприятия ОАО «Восточный» 53
3.2 Расчет необходимой мощности установки компенсации реактивной мощности 55
3.3 Описание и технические параметры установки КРМ 56
3.4 Создание математической модели сети АПК в Программном комплексе Rastr 64
3.4.1 Моделирование электрической сети 64
3.4.2 Реализация моделирования сети в Rastr 69
3.4.3 Оптимизация режима в Rastr по реактивной мощности 77
3.5 Эксперименты 81
3.6 Анализатор качества AR5 Circutor 83
3.7 Характеристика показателей качества электроэнергии 88
3.8 Оптимизация с помощью метода конечных отношений 98
3.8.1 Создание математической модели 98
3.8.2 Зависимость между пропускной способностью и энергоемкостью распределительной сети 99
3.9 Выводы по главе 103
4 Технико-экономические характеристржи и экономическая оценка эффективности разработанных мероприятий 104
Общие выводы 109
Литература 110
Приложения 122
- Методы оценки эффективности использования конденсаторных установок
- Расчет режимов электрических сетей с помощью программных комплексов
- Расчет необходимой мощности установки компенсации реактивной мощности
- Зависимость между пропускной способностью и энергоемкостью распределительной сети
Введение к работе
Актуальность темы. Уменьшение потерь активной электроэнергии, обусловленных перетоками реактивных мощностей, является реальной эксплуатационной технологией энергосбережения в электрических сетях.
Компенсация реактивной мощности (КРМ) сельскохозяйственных потребителей с каждым годом становится все более актуальной в связи с вводом животноводческих и птицеводческих комплексов, увеличением числа электромеханизированных ферм, предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции и др.
В электрических сетях сельскохозяйственного назначения (ЭССХ) 30% потерь электроэнергии обусловлены передачей реактивной мощности. В абсолютном исчислении это составляет около 6 млрд.кВтч. Однако до сих пор вопросам компенсации реактивной мощности в ЭССХ уделяется явно недостаточно внимания.
Стимулирование потребителей к поддержанию оптимального для энергосистемы коэффициента реактивной мощности было введено еще в 30-х годах прошлого века, во времена интенсивной индустриализации. Была разработана гибкая система скидок и надбавок к тарифу за электроэнергию. Основной целью снижения величины реактивной мощности тогда было стремление к минимизации расходов на строительство электрических сетей. То есть, снизив величину реактивной мощности, можно было сэкономить на сечении проводов и уменьшении мощности трансформаторов.
Система скидок и надбавок с течением времени претерпевала свои изменения, равно как и менялись нормы на оптимальный коэффициент реактивной мощности. Последняя редакция «Правил применения скидок и надбавок к тарифам на электрическую энергию за потребление и генерацию реактивной энергии» была утверждена в декабре 1997 года.
После отмены приказом Минэнерго России от 10.01.2000 №2 «Правил пользования электрической и тепловой энергией» потребители утратили
8 стимул участвовать в поддержании- коэффициента реактивной мощности и компенсировать реактивную мощность на шинах нагрузок, вследствие чего возникли следующие проблемы:
Снижение уровней напряжения на шинах электроустановок потребителя.
Уменьшение пропускной способности линий электропередач из-за загрузки реактивной мощностью.
Существенное возрастание потерь электрической энергии.
Снижение надёжности схем питания потребителей.
Приказом Минпромэнерго России от 22 февраля 2007г. №49 был утвержден Порядок расчета значений соотношения потребления активной и .реактивной мощности, для отдельных энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии.
Значения соотношения потребления активной и реактивной мощностей (tgp) определяются в виде предельных значений коэффициента реактивной мощности, потребляемой в часы больших суточных нагрузок электрической сети, соблюдение которых обеспечивается покупателями электрической энергии (мощности) — потребителями услуг по передаче электрической энергии посредством соблюдения режимов потребления электрической энергии (мощности) либо использования устройств компенсации реактивной* мощности.
Значения коэффициентов реактивной мощности определяются отдельно для каждой точки присоединения к электрической сети в. отношении всех потребителей, за исключением, потребителей, получающих электрическую энергию по нескольким линиям напряжением 6-20 кВ от одной подстанции или электростанции, для которых эти значения рассчитываются в виде суммарных величин.
Действующие нормативно-технические документы по компенсации реактивной мощности не распространяются на сельскохозяйственных потребителей. Это привело к тому, что в настоящее время КРМ в ЭССХ практически-
отсутствует. В і результате; на ряде подстанций^ в часы максимума* нагрузки коэффициент мощности tgip достигает 0^84.. .0,90; а в ночные часы увеличивается до 1,3... 1,5:.
Цель работы. Єостоит в исследовании и разработке методов оценки энергосберегающих мероприятий с применением конденсаторных установок. Для достижения,поставленной цели в работе необходимо решить;следующие основные задачи:
Разработать методы оценки энергосберегающих мероприятий с применением конденсаторных установок для распределительных сетей АПК;
Усовершенствовать модель распределительной сети в; программном комплексе для расчета установившихся режимов;
, 3; Разработать модель расчета' энергоемкости процесса передачи электрической энергии по распределительной* сети АПК на основе метода конечных отношений;
4: пределить; эффективность методов оценки разработанных мероприятий; по энергосбережению.
Научную новизну работы составляют:
Использование функции расчета; энергоемкости процесса; передачи электрической .энергии в распределительной; сети АПК в программном комплексе Rastr для, оптимизации режима^ потребления,; реактивной мощности с целью снижения технических потерь электрическойэнергии;
Модели расчета энергоемкости процесса передачи; электрической энергии; в распределительных сетях . АПК позволяющая оптимизировать структуры этих сетей;
Зависимость между изменением: пропускной способности и суммарной энергоемкостью распределительной сети АПК.
Практическая значимость работы определяется следующими результатами:
1. Разработаны методы оценки процесса режима потребления реактивной мощности для распределительной сети АПК;
2. Получены данные, отражающие влияние конденсаторных^становок накачество электрической энергии для распределительной сети конкретного предприятия АПК.
Реализация результатов исследования. Результаты исследований внедрены и использованы при проведении энергосберегающих мероприятий с применением конденсаторных установок в распределительной сети ОАО «Восточный» (Удмуртская Республика).
Усовершенствованный программный комплекс Rastr может использоваться проектными организациями при разработке мероприятий по энергосбережению.
На защиту вынесены следующие положения:
1;. Результаты усовершенствования- модели распределительной сети в программном комплексе Rastr;
Методика расчета энергоемкости процесса передачи^электрической; энергиипо распределительной сети АПК для оценки энергосберегающих мероприятий с использованием конденсаторных установок;
Технико-экономические показатели эффективности методов оценки разработанных мероприятии по энергосбережению.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей, в том числе — 1 в центральном издании.
Структура и; объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка^ используемых источников и; приложений. Работа изложена на-121 страницах основного текста, содержит 33 рисунка, 20 ;таблиц и список использованных источников из. 111; наименований.
Методы оценки эффективности использования конденсаторных установок
Существует большое количество методик оценки эффективности использования конденсаторных установок, данные методы основаны на сравнительной характеристике стоимостей устанавливаемого оборудования, суммарным удельным годовым затратам на генерацию реактивной мощности установками. Применяемые методики оценки не всегда соответствуют поставленным задачам, являются затратными по времени.
Одной из методик оценки эффективности энергосбережения является метод, разработанный процессором В.Н. Карповым.
Профессором В.Н. Карповым [36] разработан метод оценки энергосбережения, где в качестве основного понятия, определяющего содержание метода, предложена энергоемкость в несколько более широком толковании, чем это принято. Благодаря понятию энергоемкости, удалось получить простые выражения для,определения связи производственных параметров и рыночных условий производства. Показано, что через энергоемкость связаны энергетическая, и производственная мощности предприятия, поэтому появляется возможность рассчитывать допустимые масштабы энергосбережения при ограниченных возможностях развития производства.
Энергоемкость реального процесса передачи энергии в каждом элементе энергетической системы потребителя может быть оценена как qoi - Рвх/Рвых» (отношение мощностей энергетических составляющих на входе и выходе). Соответственно для технологического процесса, имеющего на выходе вещественную составляющую, qTn = Рех / М„ (Мп - производственная мощность процесса). Именно технологический процесс является определяющим, т.к. он представляет собой необходимый энергетический вклад в образование необходимого качества продукта. Элементы энергетической системы могут образовывать последовательные линии звеньев и параллельные. Если принять, что передача энергии, от предыдущего звена1 к последующему при последовательном их соединении происходит без потерь и учитываются потери только в самих звеньях, то энергоемкость всей последовательной цепи будет представлять собой произведение энергоемкостей всех последовательных звеньев, т.е. дэ = ]Д qD1 (где і — число звеньев): К примеру, для двух последовательных звеньев с энергоемкостями q0i = P&xj/Рвьіхі и qD2 = Р вх2 / Рвых2 общая энергоемкость (при РвыХ1 = РвХ2) составит q0i_i = Рвхі/Рвьа2 = Язі q?2- Как уже указывалось, для последовательной цепи без преобразований энергии по виду и без разрывов процесса (например, в накопительных звеньях) энергоемкость представляет собой безразмерную величину, превышающую единицу.
При параллельном соединении звеньев получаем иную картину. Например, для параллельного соединения из двух звеньев с соответствующими энергоемкостями q0i = P j/ Рвых1 и qo2 = Рвх2/ Рвых2 общую энергоемкость звена получаем в виде Отсюда следует вывод о том, что при параллельном соединении звеньев с кратными мощностями на входе и на выходе общая энергоемкость равна энергоемкости базового звена.
Таким образом, полученные правила расчета дают возможность определять энергоемкости как отдельных элементов, так и всей энергетической цепи. Реальные расчеты энергоемкостей при принятии мер по энергосбере жению могут осложниться тем, что, например, снижение энергоемкости одного элемента может повлиять на энергоемкость других последовательных звеньев. Однако полученные выражения позволяют учесть функциональные зависимости звеньев.
Использование понятия энергоемкости может служить основой для нового метода оценки энергосберегающих мероприятий с использованием конденсаторных установок в распределительных сетях АПК.
Расчет режимов электрических сетей с помощью программных комплексов
Для расчета установившихся режимов широко используется Программа RastrWin [63]. Комплекс программ Rastr разработан на кафедре «Автоматизированные электрические системы» ФГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет» г. Екатеринбург. Программный комплекс RastrWin предназначен для решения задач по расчету, анализу и оптимизации режимов электрических сетей и систем. RastrWin используется более чем в 150 организациях на территории России, Казахстана, Киргизии, Беларуси, Молдовы, Монголии, Югославии. Расчетные модули: расчет установившихся режимов электрических сетей произвольного размера и сложности, любого напряжения; полный расчет всех электрических параметров режима (токи, напряжения, потоки и потери активной и реактивной мощности во всех узлах и ветвях электрической сети); расчет установившихся режимов с учетом частоты; контроль исходной информации на логическую и физическую непротиворечивость; эквивалентирование электрических сетей; оптимизация электрических сетей подуровням напряжения; потерям мощности и.распределенйюреактивноймощности; расчет положений регуляторов трансформатора под нагрузкой и;по-: ложений вольто добавочных трансформаторов; расчет предельных по1 передаваемой мощности режимов энергосистемы, определение опасных сечений; . структурный анализ потерь мощности - по их характеру, типам оборудования; районам и уровням напряжения; проведение серийных (многовариантных расчетов) по списку возможных аварийных ситуаций; - моделирование отключения ЛЭП; -.моделирование генераторов и? возможность задания его PQ диаграммы; моделирование линейных и: шинных реакторов с возможностью их отключения;: - анализ допустимой токовой загрузки: ЛЭП; и« трансформаторов, в том числе с учетом зависимости допустимого тока от температуры; расчет сетевых коэффициентов, позволяющих оценить влияние из менения входных параметров.на результаты расчетами; наоборот,.проанали зировать чувствительность результатов; расчета к изменению; входных пара метров: В настоящее время в ряде организаций стран СНГ эксплуатируется программный1 комплекс КОСМОЄ, предназначенный для оперативных расчетов режимов энергосистем; с использованием телеметрической информации. Комплекс ориентирован на выполнение оперативных расчетов Его целесо образно использовать.для« краткосрочного планирования в службах оптимизации ;электрическихг режимов и для контроляїза режимами и имитационного моделирования;в диспетчерском управлении [85].
В составе комплекса объединены программы; решения следующих задач: формирования расчетной схемы; оценивания состояния; построения; мо . дели режима по расширенной схеме, включающей внутренние иI внешние ненаблюдаемые фрагменты; расчета установившихся и самоустанавливающихся по частоте режимов; утяжеления по заданным траекториям;, оптимизации пореактивной мощности. Задачи, включенные в. состав комплекса, опираются на единую специализированную базу данных и имеют/ общую? сервисную оболочку. Программный! комплекс функционирует в операционной системе WINDOWS/95 и оформлен-в виде;стандартного приложения. Обмен данными и преобразование структуры информации. Для эффективного- взаимодействияк с; другими программами-: в1 комплексе К0СМС имеются-средстваюбмена данными: Є их помощью можно:: - вводить информацию из. указанного; файла в. унифицированном формате или в форматах комплекса К0СМОС;; - выводить информацию; в заданный файл, в. унифицированном формате или вформатах комплексаК0ЄМОЄ; ; . - осуществлять.замену одного базового режима на: другой; (подготовленный унифицированном формате); - осуществлять подмену описания- топологии (используя; на оснований информации в унифицированном формате) с сохранением всех остальных данных, не связанных непосредственно с заданием параметров элементов схемы; - вводить и выводить описания графических изображений; Для- изменения состава таблиц или их структуры предусмотрена? возможность .переформирования, информации в соответствии с подготовленным новым; описанием оглавлений таблиц. ГТрш выполнении данной? функции столбцы таблиц с идентичными идентификаторами переносятся1 из старого описания; в новое. Этим обеспечивается возможность ввода новых параметров в уже существующие таблицы, и возможность формирования дополнительных, ранее не предусмотренных таблиц. Наличие данной функции крайне необходимо, т. к. позволяет адаптировать ранее подготовленные описания режимов , при і включении в комплекс новых программ или дополнительных функций.
Графическая технологическая! подсистема; комплекса; Расчеты по программам, входящим; в состав-комплекса; выполняются в специальной1 среде; сочетающей преимущества графического и табличного представления, информации.- Иод графическим; представлением- подразумевается? изображение СХеМЫ ЭНерГОСИСТеМЬГ ИЛИ ОТДеЛЬНЫХ ЄЄ фраГМеНТОВ (В ТОМї числе СХЄМ первичных коммутаций) с нанесенными исходными параметрами или результатами расчетов; К несомненным; преимуществам графического представления; следует отнести-наглядность, возможность воздействия непосредственно на изображения элементов с целью» изменения их состояния или параметров.. Табличное; представление: информации; позволяет определенным образом упорядочивать результаты расчетові и? отображать, обобщенные: характеристики режима. Наибольшие удобства для пользователей1 создаются при контекстной зависимости между таблицами результатов и графическим изображением. Так, при просмотре таблицы отклонений (формируется после оценивания состояния) на схему наносятся измеренные и расчетные величины, а элементы схемы, к которым относятся ошибочные измерения, выделяются: цветом. При необходимости проанализировать, причину большого отклонения между измерением и рассчитанной величиной достаточно указать соответствующую строку в таблице и изображение позиционируется таким образом, что интересующий район помещается в:центре экрана.
Расчет необходимой мощности установки компенсации реактивной мощности
Экспериментальные исследования разработанного метода оценки энергосберегающих мероприятий в распределительной сети АПК приведены на примере ОАО «Восточный». Система электроснабжения ОАО «Восточный» включает: ПС «Успен-ка» 110/10 кВ, распределительную сеть 10 кВ, от которой питается 26 понизительных трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ. Потребителями электроэнергии, помимо подразделений свинокомплекса (сельскохозяйственных потребителей), является и население. Основной задачей предприятия является удовлетворение потребностей населения, обеспечение продовольственной безопасности Удмуртской Республики в части производства свинины, путем повышения конкурентоспособности, продуктивности и сохранности поголовья, снижения себестоимости производства мяса, улучшения качества выпускаемой продукции, технического перевооружения, внедрения энергосберегающих технологий и оборудования. По таблице П 1.1 (Приложение А) выбирается необходимое значение коэффициента К. Рассчитывается необходимая мощность установки компенсации реактивной мощности: где QKPM мощность установки компенсации реактивной мощности; Рн — активная нагрузка потребителей; К— коэффициент.
Согласно расчетам П 1.2, компенсация реактивной мощности особенно необходима у следующих потребителей ТП 601 - репродуктор, ТП 602 - откормочный цех, ТП 636 — консервный цех. Рассмотрим 3 варианта включения КРМ: 1. на шинах 0,4 кВ ТП 601 10/0,4кВ; ТП 602 10/0,4кВ; ТП 636 10/0,4кВ; 2. на шинах 10 кВ ТП 601 10/0,4кВ; ТП 602 10/0,4кВ; ТП 636 10/0,4кВ; 3. на шинах 10 кВ ПС «Успенка» 110/10 кВ. Рассчитана необходимая мощность конденсаторных установок для потребителей ОАО «Восточный». В таблице З.Г приведен расчет количества и стоимости установок, необходимых для компенсации реактивной мощности. Установки конденсаторные для компенсации реактивной мощности серии КРМ-0,4 (6/10) кВ предназначены для повышения коэффициента мощности cosq электроустановок промышленных предприятий и распределительных сетей, а также автоматического поддержания его на заданном уровне (costp не ниже 0,9). Установки КРМ-0,4 мощностью до 200 квар монтируются в напольных корпусах, имеющих на задней стенке крепления для настенного размещения (навесное исполнение). Установки мощностью свыше 200 квар - в напольных корпусах (напольное исполнение). Аппаратура состоит из модульных конденсаторных батарей, которые включаются и выключаются автоматически посредством контакторов, оснащенных устройством, способным ограничивать пик тока включения на основе требуемой для установки емкостной реактивной мощности. Конденсаторы, составляющие конденсаторные батареи, оснащены металлизированным пластмассовым регенерируемым диэлектриком, разрядными резисторами и разъединителем для защиты от избыточного давления.
Комплектующие КРМ-0,4 (6/10) кВ: - сухие полипропиленовые само восстанавливающиеся конденсаторы, имеющие защиты от перенапряжений, коротких замыканий, перегрузок и выхода из строя в конце срока службы; - специализированные электромеханические конденсаторные пускатели (контакторы), оснащенные устройством, способным ограничивать пик тока включения на основе требуемой для конденсаторной установки емкостной реактивной мощности и увеличивающие срок службы конденсаторов и контактов; - специальные регуляторы (контроллеры) реактивной мощности, обеспечивающие автоматическое регулирование cos p, в том числе с возможностью передачи данных на компьютер (дистанционный контроль). Конденсаторы (конденсаторные батареи) предназначены для автоматизированных и нерегулируемых (фиксированной мощности) систем компенсации реактивной мощности, в том числе для местной компенсации (подключение конденсаторов параллельно двигателям). Во всех силовых конденсаторах используются само восстанавливающиеся диэлектрики, следствием чего является полная работоспособность конденсатора во время короткого замыкания (электрического пробоя) и после него. Таким образом, технические характеристики конденсатора не ухудшаются в случае перегрузок и электрического пробоя. Встроенный в конденсатор предохранитель-прерыватель избыточного давления предот вращает разрыв корпуса при аварийной эксплуатации. Регулирование соэф происходит включением и отключением ступеней конденсаторов. Каждая ступень представляет собой три конденсатора в одном корпусе, соединенных по схеме; «треугольник» и имеющих блок разрядных резисторов. Включение ступеней осуществляется контакторами. Контакторы имеют вспомогательные контакты с более ранним замыканием на краткое время (2-3 мс) через резисторы, ограничивающие ток заряда конденсаторов.
Зависимость между пропускной способностью и энергоемкостью распределительной сети
Изменение энергоемкости передачи электрической энергии по распределительной сети АПК возможно как при использовании конденсаторных установок, так и при изменении конфигурации сети. Были рассмотрены различные варианты конфигурации сети, изменение мест и мощности включаемых установок компенсации реактивной мощности представлены на рис. П4.1.-П4.10.( Приложение Г). С помощью усовершенствованного программного комплекса с использованием функции расчета энергоемкости определены режимные показатели распределительной сети включая изменение пропускной способности и суммарной энергоемкости, результаты приведены в таблице 3.17. Для нахождения зависимости между изменением пропускной способности и суммарной энергоемкостью сети для каждого из 10 вариантов определены значения суммарных энергоемкостей по программе Rastr с введенной функцией расчета энергоемкости. Изменение пропускной способности распределительной сети определено по следующей формуле: По горизонтальной оси точками отмечены значения суммарных энергоемкостей передачи электрической энергии для исследуемых 10 вариантов конфигурации сети, изменение мест и мощности включаемых конденсаторных установок. Полученные отдельные точки достаточно хорошо описываются степенной функцией, аппроксимируемой по методу наименьших квадратов.
Полученная зависимость характеризует различные варианты конфигурации сети и изменения емкости, количества и мест подключения конденсаторных установок. Наибольшее влияние на изменение указанных параметров оказывает емкость и количество конденсаторных установок. При увеличении пропускной способности сети на с 4 до 12% энергоемкость уменьшается на 0,6%. Для конкретной распределительной сети применены: 1. разработанный метод оценки энергосберегающих мероприятий с применением конденсаторных установок для распределительной сети АПК; 2. усовершенствование программного комплекса Rastr с функцией расчета энергоемкости; 3. определена зависимость изменения пропускной способности от суммарной энергоемкости передачи электрической энергии при изменении режимных и конструктивных параметров. Экономический эффект от внедрения автоматической конденсаторной установки складывается из следующих составляющих: 1. Экономия на оплате реактивной энергии. Оплата за реактивную энергию составляет от 12% до 50% от активной энергии в различных регионах России. 2. Для действующих объектов уменьшение потерь энергии в кабелях за счет уменьшения фазных токов. 3. Для проектируемых объектов экономия на стоимости кабелей за счет уменьшения их сечения. В среднем в действующих объектах в подводящих кабелях теряется 10... 15% расходуемой активной энергии. Для расчетов примем коэффициент потерь Кп = 12%. Потери пропорциональны квадрату тока, протекающего по кабелю. Рассмотрим эту составляющую на примере действующего объекта. До внедрения автоматической конденсаторной установки cos = 0,80. После внедрения автоматической конденсаторной установки cos p = 0,95. Относительную активную составляющую тока (совпадающую по фазе с напряжением) примем равной единице.
