Содержание к диссертации
Введение
1. ГЛАВА 1 стр. 20
1.1. Анализ особенностей электроснабжения городского района стр. 20
1.2. Оценка влияния факторов отклонения уровня узлового напряжения на работу потребителей, подключенных к городской распределительной сети стр. 23
1.3. Выявление особенностей
распределительной сети Казанского энергорайона стр. 24
1.4. Анализ факторов, влияющих на месторасположение точки деления сети стр. 25
1.5. Принципы построения городской распределительной сети стр. 26
1.6. Основные схемы электроснабжения распределительных сетей стр. 29
1.7. Анализ целесообразности проведения процессов оптимизации действующих
городских распределительных сетей стр. 30
1.8. Выявление проблем и вопросов, требующих разрешения в ходе проведения оптимизационных процессов стр. 41
2. ГЛАВА 2 стр. 46
2.1. Пути решения выделенных проблем
оптимизации режима работы распределительной сети стр. 46
2.2. Разработка алгоритма оптимизации режима работы распределительной сети стр. 53
2.3. Разработка правил и критериев выделения участка оптимизации из действующей схемы городской сети стр.55
2.4. Анализ методик расчета параметров режима сети стр. 60
2.5. Применение разработанного алгоритма для оптимизации режима работы выделенного участка стр. 65
3. ГЛАВА 3 стр.80
3.1. Применение разработанного алгоритма для выделенного участка оптимизации при переносе ТДС стр. 80
3.2. Оценка влияния процессов переноса ТДС на уровни потерь мощности и уровни напряжения рассматриваемого участка стр. 95
4. ГЛАВА 4 стр. 102
4.1. Анализ и сравнение методик расчета потокораспределения мощности стр. 102
4.2. Оценка адекватности полученных результатов расчета и сравнение результатов с фактическими данными стр. 108
4.3. Оценка влияния факторов надежности на процессы оптимизации стр. 114
5. Заключение стр. 118
6. Приложение стр. 124
7. Список литературы
- Оценка влияния факторов отклонения уровня узлового напряжения на работу потребителей, подключенных к городской распределительной сети
- Разработка алгоритма оптимизации режима работы распределительной сети
- Оценка влияния процессов переноса ТДС на уровни потерь мощности и уровни напряжения рассматриваемого участка
- Оценка адекватности полученных результатов расчета и сравнение результатов с фактическими данными
Оценка влияния факторов отклонения уровня узлового напряжения на работу потребителей, подключенных к городской распределительной сети
Данная статистика позволяет предполагать о тенденции увеличения роста городского населения, что в свою очередь ведет к увеличению значения потребляемой мощности, а также к повышению требований к качеству и надежности электроснабжения потребителей.
По мере модернизации и сооружения новых промышленных предприятий, имеющих электроприемники первой категории и непрерывные технологические процессы задача обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) принимает иной акцент. Надежное, бесперебойное и качественное электроснабжение населения и промышленности – основная задача электроэнергетической системы. Электроснабжение потребителей и промышленных предприятий, расположенных в черте города, осуществляется городскими распределительными сетями 6(10)/0,4 кВ. Поэтому данные сети являются одной из важнейших частей электроэнергетической системы.
Необходимость оценки качества электроэнергии не только в данной конкретной точке присоединения потребителя, но и в нескольких узловых точках электрической сети возникает в связи с возрастающими требованиями потребителей к качеству, надежности электроснабжения.
Под качественным и надежным электроснабжением понимается обеспечение нормированных значений показателей качества электроэнергии (ПКЭ). Отклонение данных показателей приводит к нарушению работы и уменьшению срока службы электрооборудования, а в некоторых случаях может привести к значительному материальному ущербу или к возникновению угрозы для жизни и здоровья людей.
Приведение ПКЭ к нормируемым значениям целесообразно осуществлять путем оптимизации режима работы распределительной сети, так как при этом не требуется значительных капитальных затрат. Поэтому вопросы оптимизации режима работы городских распределительных сетей являются актуальными для современной электроэнергетической системы. Анализ опубликованных исследований показывает, что наибольшее внимание уделено рассмотрению режимов работы системообразующих и питающих сетей напряжением 110 кВ и выше, распределительные сети напряжением 6(10) кВ практически не рассматриваются.
В известных публикациях, посвященным проблемам оптимизации распределительной сети, в качестве основного метода предлагается использовать метод поочередного переноса точки деления сети (ТДС). Причем, задача решается путем расчета потокораспределения мощности в системе, в результате чего находятся точки потокораздела. При этом в качестве основного критерия оптимизации выступает минимум потерь мощности в системе, поэтому этапом, следующим за расчетом потокораспределения мощности является расчет суммарных потерь мощности в сети.
Подходы к решению проблем оптимизации осуществлены с точки сетевых организаций, для которых вопросы уменьшения потерь мощности системы являются наиболее актуальными. Однако, рассматривая режимы работы системы с точки зрения потребителей электроэнергии, необходимо отметить, что наиболее рациональным параметром для оптимизации выступает уровень напряжений в сети.
Технологическая составляющая ущерба, возникающего в связи с качеством электроэнергии, определяется в наибольшей степени отклонениями напряжений от допустимых значений, различных для конкретных электроустановок, входящих в состав распределительных сетей напряжением 6(10) кВ.
Анализ современного состояния системы электроснабжения города показывает, что в первую очередь решаются вопросы уменьшения потерь мощности в системе, при этом вопросам обеспечения оптимального уровня напряжения в сети уделено недостаточно внимания. Таким образом, задача оптимизации режима работы сложнозамкнутой городской распределительной сети напряжением 6(10) кВ с целью минимизации потерь мощности в системе с учетом наилучшего уровня распределения напряжения в сети является актуальной задачей, так как позволяет уменьшить потери электроэнергии в рассматриваемой системе и существенно улучшить условия работы потребителей электроэнергии.
Целью данной работы разработка метода оптимизации режима работы действующих городских распределительных сетей напряжением 6(10) кВ. Задачи исследования: 1. Провести анализ режимов работы городской распределительной сети напряжением 6(10) кВ для выбранного энергорайона имеющего сложнозамкнутую структуру. 2. Разработать алгоритм оптимизации сложнозамкнутых схем электроснабжения с целью минимизации потерь мощности в системе. 3. Разработать правила и критерии выделения участка оптимизации из действующей схемы электроснабжения города. 4. Разработать методику расчета потокораспределения мощности путем применения матричной алгебры, позволяющей учитывать уровни узловых напряжений при расчете потерь мощности в сети. 5. Провести математическое моделирование и построение численной модели для расчета режима работы выделенного участка. 6. Провести обоснование эффективности применения разработанной методики.
Разработка алгоритма оптимизации режима работы распределительной сети
Наилучшим вариантом оптимизации режима работы городской распределительной системы является оптимизация всей схемы сети, т.е. непосредственный учет всех узлов и ветвей, входящих в схему. Однако, учитывая сложность конфигурации, значительное изменение нагрузки по узлам, а также наличие большого количества точек деления сети, более целесообразно выделять в полной схеме отдельный участок электроснабжения и проводить оптимизацию режима работы данного участка. Полная схема электроснабжения может быть представлена как совокупность множества участков, входящих в данную схему, таким образом, путем оптимизирования режима работы отдельных участков схемы можно добиться и оптимизации всей распределительной сети. 2. Отсутствие алгоритма оптимизации выделенного участка;
При наиболее общем подходе проводится расчет параметров режима, мощности в системе с поочередным переносом точки деления сети во все узлы системы. Данный подход не учитывает особенности городских сетей, а именно: наличие большого числа узлов и ветвей, сложность конфигурации сети, разветвленность схемы электроснабжения. При выполнении всех необходимых условий для проведения расчета мощности и параметров режима работы, расчетная часть получается слишком громоздкой. Полученные в ходе расчетов результаты не несут полезной информации. Таким образом, необходимо разработать алгоритм выделения оптимизируемого участка с целью упрощения и ускорения процессов оптимизации режима работы городских распределительных сетей.
Наличие допущений при расчете перетоков мощности в системе не соответствующих фактическому состоянию системы, в частности, постоянство уровня напряжения в узлах системы. Данное допущение призвано упростить и ускорить процесс расчетов потерь мощности, однако в реально действующей городской схеме, напряжение в узлах не постоянно, а изменяется в соответствии со значением нагрузки узлов. Кроме того, в сетях существуют потери и падения напряжения в процессе распределения электроэнергии. Не учет потерь уровня напряжения приводит к дополнительным погрешностям при расчете потерь мощности в системе.
Однако, как указывалось выше, на рассматриваемом участке сети существуют потери напряжения, это значит, что в каждом последующем узле уровень напряжения будет меньше относительно уровня в предыдущем узле. Соответственно, в формуле (2.1) при постоянстве напряжения в узлах системы, слагаемые суммы будут иметь меньшие, относительно фактического, значения (так как число в знаменателе будет больше).
. Сложность, громоздкость расчетов потокораспределения мощности в сети при наличии большого числа узлов и ветвей (что характерно для городской сети). Большое количество узлов и ветвей рассматриваемой системы вносит дополнительные трудности при расчете как параметров режима работы сети, так и при расчетах потерь мощности. Наличие большого числа ветвей предполагает сложность анализа потокораспределения мощности, а наличие большого числа узлов приводит к значительному количеству уравнений при поочередном переносе точки деления сети.
Значительные затраты времени на проведение расчетов, а также слабая гибкость при изменении начальных условий расчета перетоков мощности и суммарных потерь мощности в системе. В связи с тем, что параметры сети с течением времени изменяются необходимо разработать методики расчета, применение которых позволит учитывать эти изменения и вносить их в процесс расчета параметров режима работы. Наибольшему изменению подвергаются значения токов в узлах (токи нагрузки), а также схема и конфигурация сети. Последнее вызвано постоянным вводом новых мощностей (строительством новых ТП), которые ведут за собой появление новых узлов и ветвей в рассматриваемой системе электроснабжения. Так как практически все расчеты ведутся с применением стандартных формул в специальных математических пакетах, либо вручную, небольшое изменение начальных параметров расчета приводит к необходимости перерасчета значительной части уравнений. Все это связано с дополнительными трудозатратами.
Как указывалось выше, при расчете суммарных потерь мощности системы не учитывается уровень напряжения в узлах сети. Условно считается, что потери напряжения в сети отсутствуют, таким образом, при расчете потерь мощности напряжение имеет постоянное значение, данное допущение приводит к дополнительной погрешности при расчете потерь мощности в системе [4]:
Практически все расчеты параметров режима работы сети проводятся в ручную, либо с применением специальных математических пакетов. Однако, при наличии большого числа узлов и ветвей системы расчетная часть становится громоздкой, а сами расчеты довольно сложными (так как необходимо учитывать направление потока мощности) и занимающими много времени.
Для расчета суммарных потерь мощности необходимо предварительно перенести точку разрыва и пересчитать потоки мощности на рассматриваемых участках. При этом число элементов st , Rt ., входящих в сумму определяется числом узлов и ветвей системы. То есть, чем больше и разветвленней система (что характерно для городских сетей) тем сложнее, медленнее проведение расчетов перетоков мощности и потерь мощности в сети.
Оценка влияния процессов переноса ТДС на уровни потерь мощности и уровни напряжения рассматриваемого участка
Исходя из анализа кривой распределения напряжения, можно сделать вывод о том, что наименьший уровень напряжения наблюдается в узлах № 5, 6, 7 - это объясняется удаленностью данных узлов от источников питания. Наибольший уровень напряжения (порядка 6 кВ) наблюдается в узлах №1,2, 12 - это объясняется близостью расположения данных узлов к источнику питания, в котором устройствами автоматического регулирования поддерживается заданный уровень напряжения. Наблюдается спад кривой от узла №1 до точки разрыва в узле №5 - это объясняется естественными потерями напряжения при переходе от узла источника питания к узлам нагрузки. Такой же характер кривой наблюдается при рассмотрении кривой со стороны узла №12 - постепенный спад уровня напряжения от питающего к нагрузочному узлу. Таким образом, в наиболее выгодных условиях по уровню узлового напряжения находятся узлы, приближенные к источникам питания. Соответственно, в наихудших условиях находятся узлы наиболее удаленные от ИП и приближенные к точке разрыва.
Анализ кривой показывает, что наибольший уровень напряжения наблюдается в узлах 1, 5,6. Наименьший уровень напряжения в узлах – 7,8,9. Такое распределение уровня напряжения объясняется перераспределением потоков мощности при переносе точки деления сети. Повышенные значения потоков в ветвях схемы, приводят к повышенным потерям напряжения в соответствующих узлах. Средний уровень напряжения в узлах системы:
В качестве результатов расчетов получены суммарные потери мощности по участкам системы для различных точек деления сети, а также уровни узловых напряжений выделенного участка оптимизации. Для повышения удобства анализов полученных данных все результаты сведены в рассматриваемой сети обеспечиваются при переносе точки деления сети в узел №7. При этом по сравнению с потерями соответствующими местоположению точки деления сети в узле №5 обеспечивается снижение на 46%, по сравнению с исходной точкой деления сети потери сокращаются на 30 %.
Таким образом, поддержание оптимальной точки деления сети оказывает существенное влияние на уровень потерь мощности в рассматриваемой системе.
На основании полученных результатов доказана целесообразность поддержания точки деления сети с учетом требований сетевых энергоснабжающих организаций. Исходя из поставленных целей и задач, необходимо оценить влияние поддержания оптимальной точки разрыва на работу потребителей электроэнергии.
Так как в качестве дополнительного критерия оптимизации выбран уровень напряжения в сети, необходимо оценить влияние факторов переноса точки деления сети на кривую распределения напряжения вдоль рассматриваемых участков. Используя метод узловых напряжений, а также теорию графов и матриц, проведен расчет уровней напряжения в узлах системы, результаты расчета сведены в таблицу:
Для более комфортного сравнения полученных результатов составлен совмещенный график зависимости уровня узловых напряжений от местоположения ТДС. График зависимости уровня напряжения в узлах схемы от местонахождения ТДС отражает необходимость и целесообразность переноса точки разрыва в процессе оптимизации, исходя из дополнительного критерия (уровни узловых напряжений). По оси ординат графика откладывается уровни напряжения (кВ) по оси абсцисс номер узла схемы. Точки на координатной плоскости определяют уровень узлового напряжения в соответствующем узле.
При переносе точки деления изменяются значения напряжения в узлах схем, соответственно, изменяется и положение графика на плоскости (перемещается вверх, либо вниз). Для выбора наиболее оптимальной ТДС необходимо совместить графики соответствующих точек деления на одной координатной плоскости.
Анализ графика показывает, что с точки зрения наиболее оптимального распределения уровня напряжения в системе целесообразно перенести точку деления сети в узел №7. Кривая, соответствующая данной точке разрыва имеет наиболее ровный характер без значительных провалов и всплесков. Кроме того, большинство точек данной кривой находятся выше точек смежных кривых, это значит, что при месторасположении точки деления в данном узле будут обеспечены более высокие уровни напряжения в системе без применения ПБВ трансформаторов.
Наиболее неблагоприятной точкой деления сети с точки зрения уровня распределения напряжения является узел №5. Кривая распределения соответствующая данному узлу имеет не ровный характер, наблюдается значительный провал напряжения в узле №5, кроме того большинство точек данной кривой располагаются ниже соответствующих точек смежных кривых, а это значит, что уровень напряжения в узлах будет ниже, по сравнению с уровнем, обеспеченным другими точками деления. Однако при анализе графиков распределения уровня напряжения необходимо учитывать состав и характер нагрузки подключенной к соответствующему узлу. Например, если потребитель первой категории, предъявляющий повышенные требования к надежности и качеству электроснабжения подключен к узлу №5, то с точки зрения обеспечения оптимального уровня напряжения в данном узле целесообразно перенести точку деления сети в узел №6 (см. рис 2.5). При таком месторасположении точки разрыва узел №5 находится в более благоприятных условиях по сравнению с остальными узлами. При этом не учитываются суммарные потери мощности в системе при месторасположении точки деления в данном узле, так как первичным критерием в этом случае служит необходимость обеспечения требуемого уровня надежности и напряжения.
Таким образом, месторасположение точки деления сети выбирается не только исходя из минимума потерь мощности и уровня распределения напряжения в рассматриваемой системе, но и исходя из состава и характеристик подключенных к данной системе потребителей электроэнергии.
Оценка влияния процессов переноса точки деления сети в различные узлы системы может быть проведена путем сравнения средних значений уровней узлового напряжения. Такой подход позволяет упростить и ускорить анализ влияния процессов оптимизации на уровень узлового напряжения.
Для оценки влияния процессов переноса точки деления сети на уровень узлового напряжения, проводится сравнение средних значений напряжения при различных месторасположениях точки разрыва.
Оценка адекватности полученных результатов расчета и сравнение результатов с фактическими данными
Проведен сравнительный анализ результатов полученных при расчетах с различными исходными параметрами, а именно: с максимальными значениями токов нагрузки в узле, фактическими токи нагрузками в узле. При этом месторасположение оптимальной точки деления сети не изменилось. В результате сделан вывод об адекватности применяемой методики и возможности ее использования для оптимизации режима работы действующей городской распределительной сети напряжением 6(10) кВ.
Рассмотрено влияние аварийного и послеаварийного режима работы на возможность проведения оптимизационных процессов в рассматриваемой системе. Оценено влияние повреждения оборудования, входящего в состав распределительных сетей на возможность оптимизации режима работы. Сделан вывод о том, что рассмотрение влияния факторов повреждения оборудования, входящего в состав распределительной сети, является отдельной темой для нового исследования.
В результате проведенной работы и в ходе выполнения исследования достигнута цель, а именно: разработана методика оптимизации режима работы городских распределительных сетей напряжением 6(10) кВ.
Решены следующие поставленные задачи:
1. Проведен анализ режимов работы городской распределительной сети напряжением 6(10)кВ в результате которого выделены особенности работы городской распределительной сети Казанского энергорайона. рассматриваемая система может быть охарактеризована следующими свойствами:
1.1 Значительное преобладание протяженности кабельных линий электропередач над протяженностью воздушных линий Данная особенность влияет на ход расчет параметров режима работы системы, так как для кабельных линий индуктивное сопротивление невелико x0=0, данный параметр не учитывается при расчетах.
1.2. Наличие двух уровней среднего напряжения: 6 и 10 кВ соответственно.
Данная особенность обусловлена историческими предпосылками, центральная часть города получает питание от распределительной сети напряжением 6 кВ, новые районы – от сети 10 кВ. Данная характеристика отрицательно влияет на структуру и надежность схемы электроснабжения города, так как отсутствует возможность взаиморезервирования различных районов города, получающих питание от центров питания различного уровня напряжений. Однако применение напряжения 10 кВ позволяет существенно уменьшить потери мощности и напряжения в рассматриваемой системе.
1.3. Преобладание двухсекционных подстанций, позволяет упростить процесс выделения оптимизируемого участка из полной схемы электроснабжения района.
1.4. Преобладание коммутационной аппаратуры без устройств автоматического управления. Все оперативные переключения в рассматриваемой сети производятся вручную оперативно – выездными бригадами (ОВБ).
1.5. Точка деления сети чаще всего поддерживается в середине участка электроснабжения (с обязательным учетом факторов, определяющих местоположение точки разрыва)
2. Разработан алгоритм оптимизации режима работы городской распределительной сети 6(10) кВ;
3. Разработаны правила выделения оптимизируемого участка городской распределительной сети из действующей схемы электроснабжения города. С помощью разработанных критериев из распределительной сети может быть выделен участок для проведения процессов оптимизации режима работы.
4. Разработана методика, позволяющая рассчитывать потокораспределения мощности методами матричной алгебры, а также позволяющая учитывать уровни узловых напряжений при расчете потерь мощности в сети. Применение разработанной методики позволяет ускорить, упростить и увеличить гибкость расчетной части по сравнению с использованием старых методик.
5. Проведено математическое моделирование и построение численной модели для расчета режимов работы выделенного участка, в результате которого получены сведения о потерях мощности, а также об уровне распределения напряжения воль участка.
6. Проведено обоснование эффективности применяемой методики. Исходя из анализа полученных результатов, рекомендуется перенос точки деления сети в тот или иной узел, с целью уменьшения потерь мощности, а также для улучшения распределения уровня напряжений по узлам сети. Практическая значимость заключается в возможности применения разработанного алгоритма и метода оптимизации режима работы участка городской распределительной сети с целью уменьшения потерь мощности и улучшения уровня распределения напряжения вдоль рассматриваемого участка.
Теоретическая значимость заключается в анализе и совершенствовании существующих методик расчета потерь мощности в системе, путем внедрения матричных методов для расчета перетоков мощности в рассматриваемом участке. Применение матричных методов позволяет существенно упростить, ускорить и повысить гибкость расчетов параметров режима работы рассматриваемой системы.
Таким образом, выполненное исследование имеет теоретическую и практическую значимость, а результаты, полученные в ходе выполнения данной работы, могут быть использованы для оптимизации режима работы действующей городской распределительной сети напряжением 6(10) кВ.
