Расчёт потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях на основе объединения детерминированного и стохастического методов и алгоритмов

В последние годы энергетика России столкнулась с самыми серьёзными трудностями за всю историю, значительно сократился ввод новых мощностей (с 6−12 до 0,4−0,6 ГВт в год) [1], износ энергетического оборудования достиг угрожающих размеров. На фоне роста экономики и жилищно-коммунального хозяйства происходит рост электропотребления (рисунок 1), вместе с тем возможности выработки электроэнергии постепенно сокращаются. Снижающиеся возможности выработки электроэнергии энергосистемой России (рисунок 2) могут остановить экономический рост, социальные и экономические преобразования.

Рисунок 1 — Электропотребление в России.

Указанной проблематике был посвящен доклад председателя правления РАО «ЕЭС России» А. Б. Чубайса от 13 февраля 2007 г.

Энергетика тормоз или локомотив развития экономики", в котором отмечается резкий рост потребностей в новых генерирующих мощностях, а как следствие и инвестициях [2]. Руководством РАО ЕЭС была разработана программа строительства и ввода новых мощностей до 2010 г. (таблица 1).

Значительную часть из возникших инвестиционных потребностей планировалось покрывать за счёт внутренних средств холдинга. 5.

Рисунок 2 — Потребности в электроэнергии и возможности энергетики в России.

Таблица 1 — Программа ввода мощностей.

Год 2006 2007 2008 2009 2010 2006;10.

Тепловая генерация ОГК, ТГК, РАО ЕЭС 1196 1474 1596 7576 16 979 28 821.

Малые ГЭС ТГК 2 110 161 96 124 493.

Гидро ОГК 56 696 477 1548 2152 4929.

Всего по холдингу 1254 2280 2234 9220 19 255 34 243.

Прочие вводы 402 771 2093 2201 1190 6657.

Всего вводы 1656 3051 4327 11 421 20 445 40 900.

В настоящее время, в связи с прекращением деятельности ОАО РАО «ЕЭС России», демонополизацией структуры отрасли и появлением новых самостоятельных участников рынка электроэнергии, в регулировании деятельности которых важную роль играют механизмы рыночных отношений, особое внимание уделяется мониторингу и оптимальному управлению процессами производства, передачи, распределения и потребления ЭЭ, являющейся в данном случае товарной продукцией.

Одним из существенных показателей, влияющих на эффективность функционирования энергосистемы в целом, и в частности сетевых компаний, является значение потерь ЭЭ. Точное и достоверное определение данного интегрального показателя режима работы является основой для решения широкого круга задач управления электрическими сетями.

Без детального расчета структуры потерь, расчета фактических и допустимых небалансов электроэнергии невозможно решение задач оптимизации режимов и выбор обоснованного перечня приоритетных мероприятий по снижению технических и коммерческих составляющих потерь электроэнергии.

В данной работе рассматриваются электрические сети, выполняющие функцию распределения ЭЭ. К ним относят сети напряжением 0,38−110 и в ряде случаев 220 кВ. Распределительные сети составляют наиболее массовую и разветвлённую часть электрических сетей и концентрируют в себе около 78% общей величины технических потерь ЭЭ, в том числе сети 110−220 кВ -28%, сети 35 кВ — 16% и сети 0,38−10 кВ — 34%.

Среди основных причин роста потерь в настоящее время можно отметить: эксплуатация физически и морально устаревшего оборудованиянесоответствие схемно-режимных решений изменениям структуры потреблениянеоптимальные уровни напряжений и потокораспределение реактивной мощности в сетях РСКвлияние оптового рынка электроэнергии на режимы работы сетей.

Существенный вклад в исследования и разработку методов, алгоритмов расчёта, оценки потерь ЭЭ в системах её распределения внесли коллективы ВНИИЭ, ВГПИ и НИИ «Энергосетьпроект», ВПО «Союзтехэнерго», ИСЭМ СО РАН, МЭИ, УГТУ-УПИ, БИТУ, НГТУ и ряд других организаций, и лично известные учёные: Д. А. Арзамасцев, П. И. Бартоломей,.

A. С. Берлин, О. Н. Войтов, В. Э. Воротницкий, Ю. С. Железко,.

B. Н. Казанцев, Ю. Г. Кононов, В. Г. Курбацкий, А. В. Липес, А. В. Паздерин, В. Г. Пекелис, Г. Е. Поспелов, А. А. Потребич,.

Н. М. Сыч, Д. Л. Файбисович, Ю. А. Фокин, М. И. Фурсанов и многие их коллеги.

К настоящему времени разработано значительное количество методов, алгоритмов и программ расчёта, нормирования и оценки технических потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях (РЭС). Несмотря на существенные достижения актуальной остаётся проблема совершенствования разработанных и на этой основе создания новых методов и алгоритмов, предложение эффективных подходов в задаче определения потерь ЭЭ в системах её распределения.

Дальнейшее улучшение эффективности расчётов может быть достигнуто в результате анализа и оценки свойств и возможностей детерминированных [6−11] и вероятностно-статистических [12−16] методов расчёта, максимального обобщения (сжатия) исходной информации об электрических нагрузках и, на этой основе, разработки методики позволяющей объединить положительные стороны методов, а также в определённой мере компенсировать их недостатки.

Методологической основой такого объединения является более полное использование детерминированных и стохастических начал как при моделировании систем распределения ЭЭ (в первую очередь электрических нагрузок) так и при построении новых методов и вычислительных алгоритмов [17, 18].

Объединение методов может выполняться различными способами. Данная идея может быть реализована посредством одновременных вычислений и принятия итогового результата с определенным весом и (или) взаимным использованием наиболее эффективных частей рассматриваемых методов. Таким образом, объединение на методическом уровне и принятие результатов расчёта с определённым весом позволит уменьшить разброс погрешностей относительно нулевого значения и повысить достоверность получаемого результата.

Объект исследования — распределительная электрическая сеть (система распределения ЭЭ, система электроснабжения).

Предмет исследования — методы расчёта технических потерь ЭЭ в.

РЭС.

Цель и задачи исследования

 — повышение точности и достоверности результатов расчёта технической составляющей потерь ЭЭ в распределительных сетях на основе объединения детерминированного и вероятностно-статистического методов.

Достижение поставленной цели реализовано посредством решения следующих задач:

1. Проанализировать существующие детерминированные и стохастические методы расчёта технических потерь ЭЭ и выполнить выбор соответствующих методов с учётом эффективности их применения.

2. Исследовать, усовершенствовать вероятностно-статистический метод расчёта потерь ЭЭ и адаптировать его для применения на месячном (произвольном) интервале времени с учётом информационной обеспеченности, характерной для РЭС.

3. Исследовать и усовершенствовать детерминированный алгоритм расчёта потерь ЭЭ в РЭС.

4. Разработать и реализовать алгоритм расчёта потерь ЭЭ на основе объединения детерминированного и вероятностного методов.

5. Разработать и внедрить программу расчёта потерь ЭЭ в РЭС, реализующую основные результаты диссертационных исследований.

Основная идея диссертации — объединение детерминированного и вероятностного методов на основе факторного моделирования нагрузок в задаче расчёта потерь ЭЭ в РЭС.

Методы исследовании. Для решения поставленных в работе задач применялись методы теории вероятностей и математической статистики (корреляционный и факторный анализ), численные методы решения систем линейных и нелинейных уравненийтеория экспериментапрограммные и языковые средства современных компьютерных технологий.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Методика и алгоритм расчёта технических (технологических) потерь ЭЭ в РЭС на основе объединения детерминированного и вероятностно-статистического алгоритмов.

2. Математическая модель электрических нагрузок, методика её получения и применение в алгоритмах расчёта технических потерь ЭЭ.

3. Методика и алгоритм определения коэффициента формы графика пропуска ЭЭ головного участка распределительной сети.

4. Методика и алгоритм оценки средних нагрузок трансформаторных пунктов распределительной сети.

5. Методика и алгоритм определения времени работы фрагмента распределительной сети.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Выполнен переход от детерминированной постановки решения задачи расчёта потерь ЭЭ в распределительных сетях, использующей классический алгоритм среднеквадратичного тока (мощности), к более общей, учитывающей детерминированные и вероятностные свойства исходной информации, что в итоге позволяет получить более точное и достоверное решение.

2. Разработаны и реализованы метод, алгоритм определения коэффициента формы и других характеристик неравномерности электропотребления, опирающиеся на модификацию факторной модели графиков электрических нагрузок, позволяющие существенно повысить точность их расчёта.

3. Разработаны и реализованы метод, алгоритм оценки средних нагрузок трансформаторных подстанций РЭС, основанные на учёте типов электропрнёмников н позволяющие повысить точность их оценки и снизить соответствующую составляющую погрешности расчёта потерь ЭЭ.

4. Разработаны и реализованы метод, алгоритм определения времени работы участка РЭС, опирающиеся на эмпирическую зависимость коэффициента формы от коэффициента заполнения графиков электрических нагрузок и регрессионные зависимости пропуска ЭЭ от времени, позволяющие исключить грубые ошибки в расчётах потерь ЭЭ, вызванные переключениями в схемах распределительной сети.

5. Разработан метод и алгоритм расчёта потерь ЭЭ в РЭС на основе объединения детерминированного и стохастического методов, использующий их возможности и существенно компенсирующий их недостатки.

Значение для теории. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, создают теоретическую основу для развития методов расчёта технических потерь ЭЭ в РЭС.

Значение для практики заключается в создании метода и программы расчёта потерь ЭЭ RegPVT, позволяющих более качественно определить значение данной интегральной характеристики работы РЭС. В программе учтено влияние схемно-режимных и атмосферных факторов, что позволило повысить точность расчётов. Повышение достоверности получаемого результата реализовано на основе объединения методов и алгоритмов расчёта потерь ЭЭ.

Объединение детерминированного и стохастического методов в единый алгоритм позволяет более точно и достоверно решать задачи определения нормативов потерь ЭЭ, выявления очагов коммерческих потерь, планированию мероприятий по их снижению, оптимизации режимов работы. Предлагаемые программные разработки позволяют повысить экономическую эффективность управления распределительными сетями и более полно обосновать тарифы на ЭЭ.

Достоверность полученных результатов. Проверка эффективности разработанных алгоритмов и достоверности результатов, полученных в диссертации, определяется их сравнительным анализом со значениями.

11 рассчитанными по данным статистических испытаний применительно к ряду тестовых и реальных электрических схем, а также сопоставлении с результатами, полученными с помощью лицензированных программных продуктов.

Использование результатов диссертации. Результаты диссертационной работы использовались при выполнении хозяйственных договоров:

1. Оптимизация режимов работы ВЭС по напряжению, коэффициентам трансформации с минимизацией потерь мощности и электроэнергии. Отв. исп. темы — А. В. Тихонович. — № 114/04−9. Красноярск 2004 (Заказчик филиал ВЭС ОАО «Красноярскэнерго»).

2. Расчёт и анализ режимов работы сетей 10/0,4 кВ ВЭС ОАО «Красноярскэнерго» по потерям мощности напряжения и электроэнергии Отв. исп. темы — А. В. Тихонович. — № ГР 01.2.007 8 814. Красноярск 2005 (Заказчик филиал ВЭС ОАО «Красноярскэнерго»).

Алгоритмы определения потерь ЭЭ и анализа режимов электрических систем реализованы в виде приложения клиент-серверного СУБД Firebird 1.5 для 32-битных платформ Windows и приняты к внедрению в филиале ВЭС ОАО «Красноярскэнерго» в состав программного обеспечения, что засвидетельствовано актом внедрения.

Личный вклад автора. Научные н практические результаты диссертации, положения, выносимые на защиту, разработаны и получены автором. Разработка и реализация общей научной идеи выполнена при участии научного руководителя.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях:

XI Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», 2005 г.

ТомскМежрегиональная научно-практическая конференция.

Инновационное развитие регионов Сибири", 2006 г. КрасноярскВсероссийская научная конференция молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации.» 2006 г. НовосибирскВсероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», 2007 г. ТольяттиВсероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь и наука начало XXI века», 2007 г. Красноярска также постоянно действующем семинаре кафедры «Электроснабжение и электрический транспорт» ПИ СФУ.

Публикации. Основные результаты исследований по данной теме опубликованы в 10 печатных работах из которых: 1 статьи по списку ВАК, 4 статьй в сборниках научных трудов, 5 статей по материалам конференций.

Общая характеристика диссертации. Диссертация изложена на 165 страницах основного машинописного текста и состоит из введения, пяти основных разделов, заключения списка литературы из 75 наименований и приложений. В работе приведены 53 иллюстрации и 26 таблиц.

Основные результаты проведённых теоретических исследований и практических расчётов можно конкретизировать следующими основными положениями:

1. Результаты испытания методов определения собственных чисел и собственных векторов матрицы корреляционных моментов нагрузок сети позволили выявить и применить в программе метод, отличающийся большим быстродействием и численной устойчивостью получения решения, чем подход, использовавшийся ранее в вероятностных алгоритмах расчёта потерь ЭЭ. Применение современного итерационного подхода к решению проблемы собственных значений позволило улучшить характеристики веростностных методов расчёта потерь.

2. Предложен метод и алгоритм адаптации стохастического подхода к расчёту потерь ЭЭ в РЭС. Данный подход реализован при помощи модификации факторной модели нагрузок, параметры которой для каждого узла определяются по данным головного участка в соответствии с предложенными методиками оценки средних нагрузок и определения неравномерности электропотребления.

3. Предложена методика определения характеристик неравномерности электропотребления головных участков распределительной сети, базирующаяся на вероятностной модели нагрузок. Применение данного подхода позволило снизить погрешность определения коэффициента формы головного участка до значения 1,21% при ст2 =3,26.

4. Предложен метод оценки средних нагрузок трансформаторных подстанций распределительной сети, опирающийся на систематизацию имеющейся на сетевом предприятии информации. Метод реализован в виде подпрограммы, выполняющей сбор данных из имеющейся электронной документации предприятия в автоматическом режиме, что позволяет без существенных трудозатрат уточнить значение потерь ЭЭ в распределительной сети на величину, зависящую от структуры схемы и составляющую 0,4 -5- 2,5%.

5. Предложена методика определения времени работы фрагмента распределительной сети, опирающийся на два различных подхода. Средняя погрешность данных подходов составляет 8% при с-2 =98,4 и 10% при а2 = 73,2. Его применение в процессе расчёта позволяет, используя доступный объём режимной информации, с достаточной точностью рассчитать значение времени работы фидера и уточнить значение потерь ЭЭ.

6. Анализ рассмотренных детерминированного и вероятностного методов расчёта потерь электроэнергии выявил необходимость взаимного (комбинированного) их использования. Объединение детерминированного и стохастического алгоритмов позволяет (при уровне достоверности от 0,95 до 0,9975) снизить среднюю ошибку до значения близкого к нулевому и рассеянием до 3,3%.

Заключение

.

Работа посвящена учёту многорежимности для целей расчёта, анализа и нормирования потерь ЭЭ в распределительных электрических сетях. Рассмотрены различные методы расчёта потерь ЭЭ, относящиеся к детерминированному и вероятностному классам. Предшествующее развитие подходов к расчёту потерь энергии в распределительных сетях проходило основываясь на совершенствовании отдельных методов и алгоритмов и в некоторой мере себя исчерпало. На данный момент известно достаточное количество методов отличающихся спецификой расчётов и набором допущений и в итоге в той или иной мере позволяющих математически описать процесс передачи и распределения электрической энергии. Каждая из методик описывает определённую грань данного сложного физического процесса и задача исследователя, по нашему мнению, заключается в выборе нужного набора алгоритмов, который при имеющемся информационном обеспечении позволил бы создать наиболее качественную математическую модель. Представленная работа явилась реализацией высказанной идеи объединения различных подходов для решения поставленной задачи.

Выполнено обобщение работ, связанных освоением современных средств хранения и передачи данных, разработки программного обеспечения. Представляемый программный продукт построен на основе компонентов аналогичных использованным в широко распространённом, лицензионном программном обеспечении расчёта установившихся режимов и потерь ЭЭ, что упростит его дальнейшую модернизацию. Все расчётные модули присоединены к графической оболочки в виде динамических библиотек. Подобный подход разделения расчетной и графической части позволит при несущественных затратах обеспечить работоспособность приложения в условиях постоянного развития программно-аппаратной платформы.