Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Объект исследования. оценка качества электрической энергии в республике Таджикистан 10
1.1 Описание электроэнергетической системы. Фактическое состояние и перспективы развития электрических станций, электрических сетей и потребителей электрической энергии 10
1.2 Анализ качества электроэнергии электроэнергетической системы Республики Таджикистан 1.2.1 Отклонение частоты 19
1.2.2 Установившееся отклонение напряжения 22
1.2.3 Несимметрия напряжения 26
1.2.4 Несинусоидальность напряжения 27
1.2.5 Провалы и перенапряжения
1.3 Обзор методов оптимизации выбора и размещения средств компенсации 33
1.4 Обзор проблем обеспечения управления качеством электроэнергии 39
1.5 Выводы по первой главе 43
ГЛАВА 2 Моделирование электроэнергетической системы таджикистана для оценки КЭ 45
2.1 Моделирование ЭЭСТ для оценки установившегося отклонения напряжения 45
2.1.1 Оценка качества электрической энергии по установившемуся отклонению напряжения 47
2.1.2 Исходные данные для модели 49
2.1.3 Оценка достоверности математической модели по отклонению напряжения. Сравнение результатов расчета с результатами измерений. 52
2.2 Разработка математической модели ЭЭСТ для оценки КЭ по коэффициентам искажения синусоидальности и n-ой гармонической составляющей напряжения 56
2.2.1 Сущность проблемы высших гармоник напряжения 56
2.2.2 Методы расчета несинусоидальных режимов 58
2.2.3 Моделирование режимов высших гармоник в ЭЭСТ. Постановка задачи 61
2.3.3 Моделирование элементов электроэнергетической системы Таджикистана. 62
2.3.4 Оценка достоверности разработанной модели сети по высшим гармоникам. 65
2.5 Выводы по второй главе 69
ГЛАВА 3 Оценка влияния качества электроэнергии на режим работы электроприемников и влияние режима работы электроприемников на качество электрической энергии 70
3.1 Влияние напряжения на статические характеристики нагрузки и потери мощности 70
3.1.1 Взаимосвязь показателей качества электроэнергии с потребителями и приемниками электроэнергии в электрических сетях республики Таджикистан. 70
3.1.2 Статические характеристики приемников электроэнергии и узлов электрической нагрузки 72
3.1.3 Способы и средства регулирования напряжения применяемые в математической модели ЭЭСТ 78
3.1.4 Анализ изменения параметров электрических сетей при регулировании напряжения с учетом статической характеристики нагрузки. 81
3.1.5 Определение регулирующих эффектов узлов электрической нагрузки в математической модели 82
3.1.6 Влияния СХН на потребление мощности и исследование характерных режимов электропотребления электрической системы Таджикистана. 87
3.1.7 Влияние регулирования напряжения на потребление мощности в передающих сетях 91
3.1.8 Влияние регулирования напряжения в распределительных сетях на потребление и потери электроэнергии 95
3.2 Компенсация реактивной мощности для снижения потерь мощности и электроэнергии и обеспечения нормативных требований по отклонению напряжения 99
з
3.2.1 Сущность проблемы и методы расчета выбора параметров и размещение компенсирующих устройств 99
3.2.2 Расчет и выбор компенсирующих устройств в электроэнергетической системе Таджикистана 102
3.3 Влияние точности задания АЧХ сети на результаты проектирования систем электроснабжения потребителей с нелинейной ВАХ 105
3.4 Выводы по третьей главе 111
Глава 4 Разработка системы управления качеством электрической энергии 112
4.1 Актуальность системы мониторинга для управления качеством электроэнергии 112
4.2 Технико-экономические задачи управления КЭ с применением системы мониторинга
4.2.1 Современные средства измерения показателей качества электроэнергии для создания системы мониторинга 114
4.2.2 Выбор точки непрерывного контроля качества электрической энергии для разработки системы мониторинга КЭ в электрических сетях Таджикистана. 119
4.3 Разработка метода оценки КЭ в узлах энергетической системы Таджикистана при мониторинге КЭ 124
4.3.1 Процентный метод 126
4.3.2 Метод среднего значения и среднеквадратического отклонения случайной величины 128
4.4. Разработка организационных мероприятий управления КЭ 133
4.4.1 Определение внутренних, внешних связей и полномочий Центра УКЭ в составе ОАХК «Барки Точик» 135
4.5 Выводы по четвертой главе 147
Заключение 149
Библиографический список
- Установившееся отклонение напряжения
- Исходные данные для модели
- Определение регулирующих эффектов узлов электрической нагрузки в математической модели
- Разработка метода оценки КЭ в узлах энергетической системы Таджикистана при мониторинге КЭ
Установившееся отклонение напряжения
Известно [8], что потери напряжения от шин ТП до наиболее удаленного электроприемника в сети 380 В могут достигать 9 %.
Как видно из представленной диаграммы (рис. 1.9), обеспечить нормативные требования по установившемуся отклонению напряжения при отсутствии автоматического регулирования напряжения на шинах ЦП невозможно. Для регулирования напряжения в системе не используются и компенсирующие устройства, что также влияет на отклонение напряжения на зажимах электроприемников. Снижение напряжения усиливается за счет потребления реактивной мощности нагрузкой (tg(p=0,5) (рис. 1.8 б).
Работа асинхронного двигателя зависит от напряжения на его зажимах [4]. Расчеты показывают, что при снижении напряжения на зажимах двигателя на 15 % от UH0M его электромагнитный момент Мэл снижается до 72 % от Мном , что в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента запаса устойчивости, характеризуемого отношением максимального вращающего момента к номинальному, который регламентируется стандартами на конкретные виды асинхронных электродвигателей. При провалах напряжения двигатель может и остановиться [4].
Повышение напряжения на зажимах электродвигателя приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности. В среднем на каждый процент повышения напряжения потребляемая реактивная мощность увеличивается на 3 % и более (в основном за счет увеличения тока холостого хода) для электродвигателей серии А мощностью (20—100) кВт, а для двигателей меньшей мощности — на (5—7) %. Производительность всех насосов и вращающихся механизмов снижается, что приводит к ущербам и ухудшению экономики страны [4].
При работе ламп накаливания с пониженным (по отношению к номинальному) напряжением происходит уменьшение их светового потока и, как следствие этого, снижение освещенности рабочей поверхности. Так при напряжении равном 0,9UHOM световой поток и освещенность поверхности снижаются в среднем на 40 %. Это приводит к снижению производительности труда людей работающих в помещениях, где для освещения используются такие лампы. В случае если напряжение, приложенное к лампе накаливания, равно 1,1/„ом, то световой поток и освещенность рабочей поверхности возрастают примерно на 40 %, что также неблагоприятно сказывается на производительности труда, при этом происходит сокращение срока службы ламп примерно в 4 раза [6].
Газоразрядные люминесцентные лампы менее чувствительны к изменению напряжения. Так, в диапазоне изменения напряжения (5—7) % UH0M освещенность рабочего места снижается на (10—15) %, но увеличение напряжения сверх верхней границы диапазона приводит к снижению их срока службы, а снижение напряжения ниже нижней границы приводит к мерцанию ламп (фликер), что сказывается на производительности труда людей, работающих в помещениях с таким освещением. При снижении напряжения на 20% и более, зажигание газоразрядных ламп становится невозможным.
Работа электролизных установок при пониженном напряжении приводит к снижению их производительности, повышению удельного расхода электроэнергии и к увеличению себестоимости продукции. Например, снижение напряжения до уровня 0,95 UH0M сопровождается уменьшением производительности оборудования, а также износу электродов. Повышение напряжения свыше 1,05/ном способствует недопустимому перегреву ванн электролизера [8].
Коэффициенты несимметрии напряжения по обратной К2и и нулевой
Кои последовательности. Коэффициент несимметри напряжения по нулевой последовательности Кои характеризует несимметрию напряжения в четырёхпроводных сетях напряжением 380В. В основном измерения проводились в трёхпроводных сетях напряжением 10 кВ и выше. Для оценки КЭ в распределительных сетях несколько приборов подключались в трехфазную четырёхпроводную сеть 0,38 кВ. В качестве примера кривые изменения мощности по фазам и коэффициента несимметрии по нулевой последовательности представлены нарис 1.10.
Согласно [5, 7], нормально допустимое значение Хои составляет 2%, а предельное допустимое значение - 4%. Как видно из кривой, изображенной на рис 1.10 б), нагрузка по фазам распределена неравномерно, что способствует протеканию дополнительного тока по нулевому проводнику, что приводит к возникновению дополнительных потерь электрической энергии. Величина коэффициента несимметрии напряжения по нулевой последовательности в низковольтных сетях достигает оиСр=7-8%, а такое значение противоречит нормам [5] (рис. 1.10 а).
Несимметрия напряжения в целом отрицательно влияет на режим работы трёхфазных двигателей, трансформаторов, конденсаторов, создает дополнительные потери, приводит к преждевременному старению изоляции всех вышеперечисленных устройств [6].
Анализ низковольтных электрических сетей РТ [49] показывает, что основной причиной несимметрии напряжения является неравномерное распределение однофазных электроприемников по фазам на ТП и РП 10/0,4 кВ.
Исходные данные для модели
В Великобритании клиенты главным образом жалуются на проблемы возмещения ущерба от плохого КЭ и перерыва в электроснабжении у потребителей. Потребители в этой стране жалуются на такие показатели КЭ, как мерцание и гармоники, которые вызывают дискомфорт и дополнительные потери. По всему миру сетевые операторы в разных странах получают много жалоб на КЭ от различных групп потребителей. В основном 70% ухудшения КЭ ощущается со стороны потребителей, в то время как 30% нарушений происходит со стороны энергоснабжающей организации [90].
Известно, что причиной провалов напряжения в первую очередь является грозовая активность, когда в результате попадания молнии в линии электропередач или открытые распределительные устройства срабатывают средства защиты оборудования или автоматики. Для решения данной проблемы необходимо многолетнее наблюдение за этими показателями с применением систематического контроля. Как известно [65, 41],в причинах ухудшения КЭ могут быть виноваты как энергоснабжающая организация, так и потребители.
В этих странах полностью или частично решена проблема управления КЭ, где основным техническим механизмом является измерение, обработка и передача показателей КЭ в центр управления качеством электроэнергий. Несмотря на применение системы мониторинга проблемы обеспечения КЭ остаются нерешёнными из-за стремительного увеличения количества электроприемников, которые ухудшают КЭ.
В низковольтных сетях жилых и общественных зданий получили широкое применение относительно маломощные нелинейные электроприемники. Несмотря на малую мощность этих приемников, их массовое применение наряду с большим значением сопротивления нулевой последовательности и элементов трехфазных четырехпроводных сетей является основной причиной значительных искажений синусоидальности напряжений в сетях низкого напряжения [67]. При выдаче электросетевой компанией технических условий на присоединение энергопринимающих устройств к электрической сети должны быть проведены соответствующие измерения и расчеты всех ПКЭ, смоделированы ситуации по изменению электромагнитной обстановки и уровней ПКЭ для любого вновь вводимого присоединения.
В процессе функционирования энергопринимающих установок дальнейшее обеспечение КЭ в части поддержания нормального функционирования электросетевого оборудования лежит на электросетевой компании при условии соблюдения технологического режима работы энергопринимающей установки, а для этого требуется наблюдение за режимом работы потребителя [66, 41].
Одним из перспективных направлений автоматизации процесса расчета ПКЭ сложных систем является создание технологий и информационно-методического обеспечения динамического прогнозирования ПКЭ в системе, что позволит определить риски при отклонении ПКЭ от нормативных значений в будущем и заранее разработать мероприятия по нормализации уровней ПКЭ во избежание серьезного ущерба от низкого КЭ. Такие разработки целесообразней делать по данным текущего мониторинга. Другой задачей контроля КЭ является определение набора параметров, необходимых для измерения ГЖЭ, которые можно определить в результате анализа конкретной задачи.
При учете влияния КЭ на показания приборов учета электрической энергии и мощности, когда осуществляются коммерческие расчеты между поставщиком и потребителем, необходима инструментальная оценка показателей КЭ в узле учета.
Набор измеряемых показателей КЭ определяется характеристикой технологического процесса энергопринимающих устройств потребителя при формировании технических условий на присоединение этого потребителя.
Набор измеряемых параметров при разработке технических регламентов электросетевой компании определяется индивидуально, в зависимости от понимания руководством компании необходимости поддержания КЭ. Государственный надзор осуществляется за измерением двух ПКЭ - это отклонение напряжения и отклонение частоты, так как эти ПКЭ определены правилами сертификации [91]. Задачи контроля двух последних пунктов должны предусматривать контроль всех ПКЭ кроме отклонения частоты, так как она является общесистемным параметром.
Определение регулирующих эффектов узлов электрической нагрузки в математической модели
На стадии эксплуатации электроэнергетической системы необходимость в анализе несинусоидальных режимов возникает в связи с решением следующих задач:
Прогноз качества электроэнергии и резонансных явлений, когда изменяется схема питания искажающих нагрузок, после реконструкции электрической сети предприятия и электроэнергетической системы;
Оценка соответствия показателей качества электроэнергии требованиям ГОСТ 13109-97 и отраслевым стандартам; Управление мощностью батарей конденсаторов; Управление устройствами коррекции качества электроэнергии; Определение финансовой ответственности сторон за нарушение договорных обязательств по ухудшению качества электроэнергии в точках ее коммерческого учета. Первая из перечисленных задач решается только расчетным путем. Следующие три задачи решаются как путем расчетов, так и экспериментально. Последняя задача должна решаться только путем измерений. Расчет несинусоидальных режимов включает в себя решение следующих задач: 1. Моделирование источников искажений и пассивных элементов системы электроснабжения и энергосистемы в целом, а также разработка математических моделей энергосистемы и системы электроснабжения для расчета режимов ВГ. 2. Составление математического описания рассматриваемых режимов с помощью систем уравнений. 3. Выбор метода и алгоритма решения полученной системы уравнений. Принципы математического моделирования применяются к системам электроснабжения в целом и при моделировании искажающих режимов в частности. Полная процедура моделирования рассматриваемых режимов включает в себя две основные части: 1) алгоритм построения модели 2). Алгоритм решения задачи.
Современные программы, такие как Matlab, В2 Spice, исключают алгоритм решения задачи в процессе моделирования и моделируют все элементы электроэнергетической системы, а также системы электроснабжения любой сложности. Вторая часть задачи моделирования представляет собой не обычный жесткий алгоритм с фиксированной структурой исходных данных и процедурой их преобразования, а алгоритм с гибкой структурой, конкретный вид которого может измениться в зависимости от результатов, полученных по ходу решения задачи. Метод моделирования в среде В2 Spice имеет очень важное значение для решения задач исследования и управления системой, так как позволяет заменить дорогостоящие, а иногда и просто невозможные эксперименты на реальных больших системах экспериментами на модели. 1. Экономичность и простота модели, а также удобство проведения на ней экспериментов; 2. Наличие соотношений подобия между системой-оригиналом модели и моделью, принимаемые в широком смысле как взаимно однозначное соответствие между ними. Существует метод, который обеспечивает свойства адаптивности и оптимальности, а также способность настраиваться на вычисление только интересующих переменных. Этот метод кибернетического моделирования, получивший развитие в трудах основоположников, основан на рассмотрении системы как некоторого «черного ящика» с доступными для наблюдения входными и выходными переменными. В области кибернетического моделирования работали такие ученные как В.А. Веников, О.А. Суханов. Большие электроэнергетические системы и сети состоят из большого числа взаимодействующих и взаимосвязанных элементов, имеющих глубокие внутренние и внешние связи. Такие системы электроснабжения относятся к категории сложных систем, обладающих в целом иными качествами, несвойственными отдельным их элементам. Поэтому нельзя при изучении режимов таких систем разделять их на независимые части и изменять рассматриваемые параметры «по одному». Как бы глубоко и полно не рассматривались все элементы системы электроснабжения по отдельности, это не приведет к знанию закономерностей поведения системы в целом. В связи с этим для анализа искажающих режимов сложных систем электроснабжения используется программное обеспечение В2 Spice, которое позволяет по мере заложенных свойств учитывать при моделировании несинусоидальных режимов системный подход и взаимосвязь всех элементов, которые участвуют в процессе генерации, распределения и потребления высших гармонических составляющих.
Моделирование с целью расчета высших гармоник включает в себя ряд этапов. В первую очередь необходимо провести оценку режимов ВГ. В качестве исследуемого объекта выбираем участок системообразующей сети Таджикистана, на котором производились измерения ПКЭ (Рис. П. 1.1). Эти этапы предусматривают [34]:
Сети энергосистемы Таджикистана имеют большую протяженность и много элементов. Практически отсутствует возможность отображения в модели всей сети энергосистемы. Возникает задача о достаточном отображении сети энергосистемы для проведения исследований режимов высших гармоник в рассматриваемой сети, которая моделируется далее.
В качестве нагрузок сетей энергосистемы выступают нагрузки населенных пунктов и территорий, включающие распределенные сети, состоящие из очень большого количества элементов. Возникает необходимость обоснованного представления нагрузок узлов ВЫ при исследовании режимов высших гармоник.
В процессе функционирования энергосистемы происходят значительные изменения ее режима и состава включенного оборудования. Состав реальной сети и ее режим всегда будет отличаться от режима на модели. При исследовании возникают задачи верификации модели.
Моделирование осуществляется в среде программного комплекса В2 Spice для оценки ВГ тока и напряжение в электрических сетях. Составление модели производится на основе линейных схем замещения, справедливых для каждой гармоники в отдельности [34]. Каждый элемент в данной модели описывается своей математической моделью для расчета ВГ, которая состоит из совокупности следующих элементов: математическая модель ЛЭП (высокого и сверх высокого напряжения); математическая модель трансформаторов (автотрансформаторов, трансформаторов с расщепленными обмотками); математическая модель узлов нагрузки; математическая модель реакторов и конденсаторных батарей. Более подробно математическое описание элементов в среде В2 Spice представлено в приложении П.2. Математическая модель электроэнергетической системы проиллюстрирована на рис.2.8.
Разработка метода оценки КЭ в узлах энергетической системы Таджикистана при мониторинге КЭ
Информация, поступающая на третий уровень, требует детализированной обработки. При анализе причин ухудшения КЭ требуются результаты усреднения измерений на различных отрезках времени. Огромный поток информации из объектов (электрическая станция, магистральные и распределительные сети) электроэнергетической системы требует ее обработки, анализа в числовом и графическом виде специалистами в области КЭ. Анализ потока информации, дает конечный вывод о состоянии качества электроэнергии в узлах электроэнергетической системы. Возникает необходимость сбора, и обработки дополнительных сведений, которые помогают выявить возможные причины ухудшения ПКЭ и разработки мероприятий по устранению этих явлений. Решение этих задач достигается только созданием центра в составе организационной структуры ОАХК «Барки Точик», которая отвечает за вопросы обеспечения КЭ.
Задача центра управления качеством электроэнергии (ЦУКЭ) при осуществлении мониторинга КЭ заключается в следующем: Центр УКЭ при мониторинге должен находить баланс между улучшением информативности и исходной информации за счет оптимизации выбора точек контроля [72]. Центр УКЭ, используя измеренные ПКЭ должен моделировать работу сети и прогнозировать КЭ в будущем. Целесообразно на такую сеть наложить графические показатели отклонения ПКЭ от установленных [72], что увеличит наглядность результатов измерений (Разработка карты КЭ).
Полученную центром информацию необходимо обработать и дать заключение о соответствии требованиям [72]. Это требует специального программного обеспечения. Для каждого прибора разработано индивидуальное программное обеспечение. Поэтому требуется разработка программ, подходящих к любому прибору. Кроме того, такой массив информации требует соответствующего структурирования и формализацию к стандартным формам.
После определения причин ухудшения КЭ необходимо разрабатывать конкретные меры для нормализации качества электроэнергии путем реверсивного воздействия на существующие отделы и службы систем управления ОАХК «Барки Точик» (см. Рис. 4.12).
УКЭ в составе ОАХК «Барки Точик». Управления КЭ в центре УКЭ осуществляется за счет воздействия технологическими связями управляющих органов, которые участвуют в процессе выработки, передачи и распределения электроэнергии потребителю требуемого качества. Имеется необходимость определения обязанностей центра УКЭ и обязанностей служб, отделов, имеющих технологические связи с центром УКЭ, для оценки, управления и обеспечения КЭ требованиям нормативных документов [72]. Следует согласовать и интегрировать организационные связи Центра УКЭ в составе ОАХК «Барки Точик» с учётом особенности структуры управления, которая состоит из отделов и служб.
Индикатором, определяющим уровень обеспечение КЭ, является ее показатели, уровень которых устанавливается нормативными документами [72]. Задача Центра УКЭ заключается в исследовании нормируемых и ненормируемых показателей КЭ и определении проблем, связанных с обеспечением того или иного показателя КЭ, и разработка методических, технических и организационных мероприятий.
Управление КЭ в Центре УКЭ должно осуществляться за счет изменения рабочих характеристик, состава работающего оборудования, выработки мероприятий по улучшению КЭ. Отключение, включение оборудования заключается в согласованной работе различных защит, противоаварийной автоматики - это находится в оперативном управлении диспетчера. Ключевое значение имеет точечное оптимальное воздействие (какие именно выключатели включить/ отключить, какую автоматику задействовать и т. д.).
Таким образом, управляющие воздействия Центра УКЭ должны согласоваться с диспетчерской службой ЦДУ ОАХК «Барки Точик». Объем управляющих воздействий в каждом регионе ограничен. При этом необходимо соблюдать принцип адаптивного распределения управляющих воздействий на основе определения «виновника» создания напряженного режима. Воздействие должно быть направлено на обеспечение КЭ путем выбора схемы сети, питающей искажающую нагрузку, корректировки графика такой нагрузки, контроля за состоянием средств обеспечения КЭ.
Отдел надежности следит за состоянием электроэнергетической системы в целом, обеспечивает безопасность электроэнергетической системы, наблюдая за надежностью отдельных элементов, управляет процессом обеспечения надежности электроснабжения потребителей первой, второй категорий во время ограничения электропотребления, тем самым, обеспечивая безопасность основных потребителей.
Надежность ЭЭС зависит от надежности отдельных ее элементов, оборудования, аппаратуры и средства автоматизации и зашиты. При заданных показателях надежности оборудования ЭЭС бесперебойность электроснабжения потребителей определяется выбором рациональной структуры ЭЭС, обеспечением резервов мощности. Все эти задачи возможны только при достаточном наблюдении с помощью средств системы контроля и учета, к каким относятся мониторинг КЭ.
