Планирование электрических распределительных сетей в общем случае проводится на базе экономического сравнения вариантов.
При этом для конкретного промежутка времени намечаются варианты построения сетей, которые должны удовлетворять следующим требованиям:
— напряжение находится в пределах заданных значений при пиковой и минимальной нагрузках,
— нагрузка линии и трансформаторов при любой степени их загруженности в нормальном и аварийном режимах работы не превышает предельно допустимых значений,
— значения токов короткого замыкания во всех узлах сети соответствуют установленным нормам,
— инвестиционные вложений и эксплуатационные издержки минимизируются.
Для определении единственного оптимального варианта необходимо проведение многочисленных технических и экономических расчётов, которые при большом объёме задач можно осуществить только с помощью компьютера. При этом сперва для каждого варианта исследуются токовые характеристики и коэффициент напряжения схемы в нормальном состоянии. Если при расчете потоков мощности нарушаются заданные ограничения, то за этим следует изменение сетевых и эксплуатационных параметров, и расчеты повторяются.
Часто уже для нормального состояния проекта на стадии разработки необходимы многочисленные изменения параметров схемы для соблюдения заданных технических условий.
Для исследования аварийных режимов – выхода из строя линии или трансформатора – необходимы дальнейшие расчёты потока мощности. Последующие расчеты токов короткого замыкания в пределах распределительной сети обычно приводят скорее к требуемым результатам и требует меньше затрат на обработку данных.
По окончанию технических расчётов намеченные варианты построения сети подвергаются экономической оценке. Сравнение экономичности отдельных вариантов осуществляется через показатель затрат (приведенные затраты), который включает в себя как инвестиционные вложения, так и эксплуатационные издержки. При этом особо трудоёмкого расчёта требует точное определение суммы затрат на потери в сети.
Из хода процесса планирования видно, что для нахождения оптимального варианта необходимы многочисленные расчёты, которые объединяются в единое целое трудоёмкими промежуточными этапами обработки данных, проводимыми вручную (подготовка, оценка, корректировка отдельных частей задачи. Тем временем потребность в исследованиях при планировании достигла такой точки, где этот способ стал слишком затруднителен, растянут и дорог.
На основании этого Институтом энергетики по рациональному использования электроэнергии в Лейпциге в сотрудничестве с Институтом электроснабжения в Дрездене была разработана программа, которая служит для рационализации решения задач планирования систем электроснабжения.
На основании автоматического сравнения вариантов программа позволяет определить экономически и технически выгодные варианты , с учётом заданных требований, причём без ручных промежуточных этапов обработки данных. Длительная работа по подготовке, поведению расчётов и оценке результатов отдельных частей задачи сокращается в ощутимых объёмах. Выигранное время инженер может посвятить основательному анализу и оценке развития сети и мероприятиям её совершенствования.
1. Общий обзор
1.1 Построение программы
Представленная подробно в [1] и [2] программа – это вспомагательное средство для комбинированного технико-экономического планирования сетей электроснабжения на основании сравнения вариантов.
С учётом уже имеющейся сети задаются все необходимые элементы (подстанции, линии, трансформаторы) вплоть до последних этапов разработки в форме конкретно определённых мероприятий развития сети. До этого эти мероприятия должны быть тщательно продуманы и проанализированны инженером-разработчиком, и представлены в определенных пошаговых инструкциях.
Программа контролирует эффективность единичных мероприятий в отношении соблюдения экономических и технических условий, берёт на себя автоматический ход процесса расчёта планируемой сети и выбирает из представленных вариантов реализации сети оптимальный и технически допустимый.
Вся программа состоит из десяти комплексных частей:
1. ввод, редактирование, контроль вводимых данных выходной сети, предусмотренных мероприятий, обобщенных вариантов и блоков разработки,
2. организация хранения вводимых и выводимых данных,
3. определение эффективного плана поэтапной разработки путём автоматической комбинации заданных мероприятий,
4. реальный расчёт перетоков мощности с учётом мощностей в узлах схемы, многочисленных источников питания, пунктов, устойчивых к повышению напряжения и регулирования напряжения трансформаторов,
5. расчёт токов трёхфазного короткого замыкания с учётом перераспределённых сетей, питающих генераторов и двигательной нагрузки (синхронных и асинхронных двигателей),
6. исследование простых аварий с учётом их самоликвидации,
7. проверка вариантов построения сети на соблюдение заданных технических условий,
8. расчет показателя затрат для каждого варианта,
9. сравнение вариантов относительно общих затрат и выбор оптимального варианта,
10. вывод и представление результатов отдельных частей программы.
1.2 Ход программы
Выполнение программы происходит в три фазы:
1. Расчёт исходной сети
- расчёт потоков мощности,
— расчёт токов короткого замыкания,
— расчёт аварийного режима,
— вывод результатов.
2. Автоматическая комбинация заданных вариативных мероприятий расчёта оптимального построения сети. При этом технические и экономические расчёты проводятся в сокращённой форме без представления результатов, и оптимальный вариант проекта собирается воедино.
3. 3. Полный и точный просчёт оканчательного варианта проекта
- расчёт потоков мощности,
— расчёт токов короткого замыкания,
— расчёт аварийного режима,
— расчет затрат
— сравнение вариантов,
— выдача результатов.
2. Математическая модель
2.1. Расчёт потоков мощности
2.1.1 Методика вычислений
Расчёт потоков мощности, то есть определение распределения тока и напряжения, является общей основой для исследований при планировании. Даже при разных соотношениях сопротивлений R/X соединительных элементов (воздушных линий, кабелей, трансформторов) распределительной сети при более точном пересчёте получают лишь малые расхождения между результатами реальных расчётов потоков мощностей и точных комплексных методов.
Основой математического метода при заданных мощностях Si в узлах сети с индексом II( главным образом, это - точки присоединения потребителей) и постоянном значении напряжения в узлах с индексом I (главным образом, это - точки присоединения питания) являются следующие уравнения узлового интерационного метода:
После решения (1) относительно неизвестных векторов SI и uII возникают матричные уравнения модели мощности, которые применяются в программе
v- интерационный индекс,
UD,I , UD,II - диагональные матрицы с элементами векторов напряжений соответственно uI и uII, в главной диагонали.
Элементы матрицы проводимостей Y составляются из значений сопротивлений Zik соединительных элементов:
Из-за нелинейного характера уравнения (1) при задании векторов SI и uII уравненя (2) и (3) решаются интерационным методом. Для точного решения уравнения (2) применяется алгоритм Гаусса в сочетании с методом “упорядоченного исключения”, во избежание расчёта обратной матрицы 
библиотека