Методы и алгоритмы для расчета и снижения транспортного расхода электроэнергии в распределительных электрических сетях

Потери электроэнергии в электрических сетях (транспортный расход электроэнергии) являются важнейшим показателем экономичности их работы. В последние годы отмечался значительный рост как абсолютных, так и относительных отчетных потерь электроэнергии [1−3]. В 1999 г. отчетные абсолютные потери электроэнергии в целом по России увеличились в 1.2 -И .3 раза по сравнению с 1990 г., а относительные потери — с 8.2% до 11.2%. Одной из главных причин роста величины отчетных потерь электроэнергии является их коммерческая составляющая. В целом по России величина коммерческих потерь на 1999 г. составила около 10% отчётных потерь, а по отдельным ОАО-энерго — 27 -40%, т. е. почти равнялась величине технических. Проблемы определения и снижения коммерческой, а также других составляющих потерь электроэнергии в настоящее время стоят очень остро, так как затрагивают экономическое благополучие энергоснабжающих организаций. Выявление коммерческой составляющей, очагов повышенных потерь электроэнергии при её передаче невозможно без расчёта технических потерь. В связи с этим актуальным является совершенствование методов расчёта технических потерь электроэнергии, а также методов планирования мероприятий по снижению потерь в первую очередь с целью повышения достоверности расчётов. Важными являются вопросы внедрения практики ежемесячных расчётов потерь электроэнергии, организации выполнения таких расчётов в диспетчерских службах предприятий и районов электрических сетей. В настоящее время ведущая роль по разработке нормативных документов, расчётных методов, программного обеспечения, внедрению информационных технологий для расчетов, анализа и разработки мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях энергосистем принадлежит Всероссийскому научно-исследовательскому институту электроэнергетики (ВНИИЭ).

Настоящая работа выполнена в рамках хоздоговорных и госбюджетных работ кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) — в дальнейшем ЮРГТУ, проводимых в соответствии с планом развития научного направления университета «Рациональное использование топливноэнергетических ресурсов и повышение эффективности работы электроэнергетических систем», комплексной научно-технической программой Северо-Кавказского научного центра высшей школы «Улучшение экологии и повышение надёжности энергетики Ростовской области», грантом Минобразования РФ № 35 ГР-98 и комплексной научно-технической программой Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники».

Объектом исследования являются распределительные электрические сети напряжением 110−35 кВ, а также сети 6(10) кВ и их режимы.

Целями работы являются: создание методов и алгоритмов для ежемесячных расчётов технических потерь энергии в распределительных сетях 110−35 кВ, обладающих меньшей погрешностью по сравнению с существующими методами, что позволяет с большей достоверностью определять очаги повышенных технических и коммерческих потерь, разрабатывать мероприятия по их снижению, обосновывать тарифы на электроэнергиюразработка метода и алгоритма оптимизации мест размыкания в сетях 6(10) кВ для снижения потерь энергии.

Для достижения поставленных целей были решены следующие основные задачи: выполнен анализ существующих методов расчётов потерь энергиисоздан усовершенствованный вариант метода характерных суток, названный в работе методом средних суток, и разработан метод характерных часов для ежемесячных совместных (общая схема замещения) расчётов потерь энергии в распределительных электрических сетях 110−35 кВразработаны и исследованы 2 алгоритма статического оценивания состояния применительно к задаче расчёта потерь энергии в распределительных сетях 110−35 кВ — разработаны алгоритмы и программное обеспечение для выполнения тестовых и практических расчётов потерь энергии в сетях 110−35 кВразработан метод и алгоритм выбора оптимальных по потерям энергии мест размыкания в сетях 6(10) кВ, а также соответствующее программное обеспечениеразработан метод и алгоритм получения численного и приближённого аналитического решения уравнений узловых напряжений на основе разложения решения в ряд Тейлора с использованием нелинейных членов ряда.

Методы исследования. При решении различных задач в работе использовались методы математического моделирования, методы решения линейных и нелинейных систем алгебраических уравнений, методы оценивания состояния линейных и нелинейных систем, методы оптимизации, основные положения теории вероятностей и математической статистики.

Основные положения, защищаемые автором.

1. Метод средних суток и метод характерных часов для ежемесячных совместных расчётов потерь энергии в распределительных сетях 110−35 кВ.

2. Алгоритм метода «нормальной системы уравнений» и алгоритм метода коррекции базисных измерений для статического оценивания состояния применительно к задаче расчёта потерь энергии в сетях 110−35 кВ.

3. Метод и алгоритм выбора оптимальных по потерям энергии мест размыкания в сетях 6(10) кВ.

4. Метод и алгоритм получения численного и приближённого аналитического решения уравнений узловых напряжений на основе разложения решения в ряд Тейлора с использованием нелинейных членов ряда.

Научная новизна.

1. Метод средних суток и метод характерных часов для ежемесячных совместных расчётов потерь энергии в распределительных электрических сетях 110−35 кВ, позволяющие определять потери энергии в сетях с меньшей погрешностью по сравнению с существующими методами.

2. Метод выбора оптимальных по потерям энергии мест размыкания в сетях 6(10) кВ, отличающийся более точным способом определения потерь энергии и стратегией поиска оптимального решения, обеспечивающей высокое быстродействие метода.

3. Метод получения численного и приближённого аналитического решения уравнений узловых напряжений в форме баланса мощностей на основе разложения решения в ряд Тейлора с использованием нелинейных членов ряда.

Практическая ценность. Предложенные методы и алгоритмы расчёта потерь энергии позволяют выполнять ежемесячные совместные расчёты для распределительных сетей 110−35 кВ и уменьшить погрешность определения потерь энергии за счёт более полного использования информации о параметрах режимов и схеме сети, обычно имеющейся в сетевых предприятиях. Разработанные алгоритмы статического оценивания состояния применительно к условиям расчёта потерь энергии обладают высокой надёжностью и быстродействием, что позволяет экономить время при выполнении практических расчётов. Высоким быстродействием обладает также разработанный метод и алгоритм выбора оптимальных мест размыкания в сети 6(10) кВ. Предложенный метод получения решения уравнений узловых напряжений может оказаться полезным при решении других задач, стоящих перед диспетчерскими службами электроэнергетических систем.

Реализация результатов работы. Метод средних суток реализован автором в программе ТРЭСС, которая использовалась в 1997;2001 гг. для определения потерь энергии в электрических сетях ряда ПЭС.

Метод и алгоритм выбора оптимальных мест размыкания в сетях 6(10) кВ был реализован автором в программном комплексе СЕТЬ, разработанном на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы» ЮРГТУ. Программа СЕТЬ была внедрена в городских электрических сетях г. Ростова-на-Дону в 1997 г.

Результаты работы используются также в учебном процессе при подготовке инженеров-электриков по специальности 100 200 «Электрические системы и сети» на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы» ЮРГТУ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 17 научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях. В том числе на 3-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием (г. Таганрог, 1996 г.), 2-й научно-практической конференции (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2000 г.), на VI симпозиуме «Электротехника 2010 год», (Моск. обл., Всерос. электротехн. ин-т, 2001 г.), на семинарах АН России «Кибернетика электрических систем» (г. Новочеркасск, 1996;2002 г. г.), на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава НГТУ-ЮРГТУ в 1996;2002 г. г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ. Материалы диссертации отражены в зарегистрированном во ВНТИЦ отчете о научно-исследовательских работах кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» ЮРГТУ за 1996;2000 г. г.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и списка использованной литературы, включающего 87 наименований. Материалы изложены на 156 страницах машинописного текста, содержат 22 рисунка и 17 таблиц.

3.6. Выводы.

1. Предложен метод и алгоритм выбора мест размыкания электрической сети 6(10) кВ при определении потерь энергии по методу средних нагрузок.

3. Разработаны программные модули, реализующие метод выбора мест размыкания сети 6(10) кВ. Разработанные модули, вошли в комплекс программ СЕТЬ, внедренный в Городских электрических сетях г. Ростова-на-Дону.

4. Предложен метод и алгоритмы получения приближённого аналитического и алгоритм получения численного решения системы уравнений узловых напряжений на основе разложения решения в ряд Тейлора.

4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ И ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ.

4.1. Расчеты потерь энергии.

4.1.1. Характеристика программы расчета потерь энергии методом средних суток и ее основные функции.

Для расчетов потерь энергии методом средних суток была создана программа, которая получила название ТРЭСС. Программа разработана в среде Ое1рЫ-5 и предназначена для работы под управлением Vmdows-98 или более поздней версии. Программа поддерживает собственную базу данных. Объем обрабатываемой сети ограничивается объемом доступной оперативной памяти ЭВМ.

Основные функции программы вызываются из ее главного меню, рис. 4.1.

N дмл^и. -еШ.

Б 9.3 6. Схема. КИ «'ежимы Энергия Ра. зме иы.

Рис. 4.1. Главное меню программы ТРЭСС.

Пункт «База» главного меню программы предназначен для операций с базами данных. Пункт «Схема» — для работы со списком оборудования сети и задания параметров оборудования. Пункт «КИ» (контрольные измерения) предназначен для ввода и коррекции суточных графиков, параметров режима и коммутации. Пункт «Режимы» предназначен для выполнения расчётов режимов и отображения параметров режимов. Пункт «Энергия» — для ввода потоков энергии за расчетный месяц, просмотра и документирования структуры месячных, а также годовых потерь энергии. Пункт «Размеры» — для получения справки о текущих и предельных размерах базы данных.

Ниже приводятся некоторые особенности организации базы данных, входной и выходной информации программы. При этом входная и выходная информация организована более естественно, чем это предусматривает известный формат ЦДУ.

4.1.2. База данных программы.

База данных (или месячная база данных) представляет собой файл, в котором хранится вся информация, необходимая для расчета потерь энергии одного месяца: информация о схеме сети и параметрах оборудования, информация о параметрах режима и коммутации присоединений в течении контрольных суток, информация о приеме и отпуске электроэнергии за месяц, а также вся расчетная информация: сведения о структуре потерь энергии в электрической сети рассматриваемого месяца, сведения о параметрах режима и о структуре потерь мощности всех рассчитанных для определения потерь энергии в рассматриваемом месяце режимах. Файл базы данных имеет специальное наименование, поддерживаемое программой, включающее год и номер месяца.

Файлы баз данных всех месяцев года, собранные в одном каталоге (папке) образует годичную базу данных. Имеется только одна функция для работы с годичной базой данных для составления годовой структуры потерь энергии в сети. Многолетняя база данных программой не поддерживается. Однако при сохранении годичных баз данных для визуального просмотра и печати нужной информации может быть открыта база данных любого месяца прошлых лет.

Для операций с месячной базой данных предусмотрен ряд функций: открыть базу данных, создать базу данных, добавить к отрытой базе данных другую базу данных, копировать часть или всю открытую базу данных, удалить часть или всю открытую базу данных. При создании базы данных запрашиваются необходимые размеры базы: допустимое количество линий, двухобмоточ-ных трансформаторов, и т. п., размеры суточных графиков (полные, неполные) и др. и осуществляется разметка файла. В процессе дальнейшей работы при добавлении или удалении информации размер файла базы данных остается постоянным. Если добавление новых элементов сети в базу данных становится невозможным из-за превышения допустимых размеров базы или из базы удалено значительное количество элементов, то база данных может быть скопирована на новое место с указанием новых допустимых размеров.

Расчеты потерь энергии для нового месяца обычно начинаются с того, что копируется база данных предыдущего месяца и осуществляется необходимая коррекция и ввод новых данных.

4.1.3. Входная информация.

Входную информацию программы можно разделить на информацию о схеме электрической сети, информацию о контрольных измерениях (суточных графиках параметрах режимов), информацию о месячных потоках энергии в точках учета.

Информация о схеме электрической сети. Сведения о схеме электрической сети задаются не по узлам и ветвям, а по устройствам, типы и коды устройств, различаемых программой, приведены в табл. 4.1. Состав оборудования сети заносится в экранную форму «Оборудование сети», приведенную на рис. 4.2. Каждое устройство в этой форме занимает одну строку.

В колонке «Тип» формы указывается тип устройства в соответствии с табл.4.1. В колонке «№» — диспетчера номер устройства (по умолчанию №=1). В колонке «Объект» указывается наименование объекта (станции, подстанции, отпайки), где установлено устройство или где начинается линия. В колонке «Объект 2» для линий указывается: куда приходит линия, для нагрузок и линий связи — примечание. Для остальных устройств поле в этой колонке должно быть пустым. Длина имени в поле «Объект» и «Объект2» не должна превышать 12 символов. В колонке «и» для каждого устройства указывается класс напряжения. В колонке «Орг.» указывается сокращенное наименование предприятия (до 4 символов), которому принадлежит устройство. По умолчанию все устройства принадлежат рассчитываемой сети.