Зайнутдинова Татьяна Владимировна

Введение

Одним из основных показателей эффективности использования электроэнергии являются технологические расходы, связанные с ее транспортировкой от источников питания к потребителям. Анализ фактических расходов электроэнергии в Украине в последние годы [1] свидетельствует о превышении соответствующих показателей, характерных для стран Западной Европы. Особенно это касается распределительных электросетей, для которых кроме конструктивного несоответствия современным условиям эксплуатации, характерно негативное влияние со стороны магистральных электросетей, обусловленное неоднородностью последних.

Главной причиной повышенного расхода электроэнергии, в частности технической составляющей потерь, является низкая эффективность энергосберегающих мероприятий, что, в свою очередь, обусловлено недостаточным уровнем автоматизации контроля и управления режимами магистральных и распределительных электросетей.

1. Актуальность темы

Надежность и экономичность работы сети в первую очередь определяется качеством проектирования системы электроснабжения и ее последующего развития. Оптимизация потокораспределения мощности в электрических сетях достигается следующими путями: включением в контуры установок продольной компенсации; продольным и продольно-поперечным регулированием; размыкание части контуров замкнутой сети; применением вставок постоянного тока (ВПТ); использованием управляемых линий электропередачи; использование гибких электропередач [3,4].

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче оптимизации потокораспределения мощности различными возможными методами и анализу их достоинств и недостатков. В качестве основного инструмента исследования выступает программное обеспечение PowerFactory, которое производит анализа режимов современных энергосистем.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является изучение методов оптимизации потокораспределения мощности в электрических сетях напряжением 35-110 кВ.

Основные задачи исследования:

1. Анализ основных методов оптимизации потокораспределения мощности.
2. Оценка их достоинств и недостатков для исследуемого участка сети.
3. Применение мероприятия расщепления замкнутой цепи по точке потокораздела, для реального участка ЭЭС.
4. Экономическое обоснование методов оптимизации потокораспределения.
5. Анализ влияния этих методов на параметры режима сети (напряжение, потери).

Объект исследования: изменение перетоков мощности на участке ЭЭС.

Предмет исследования: участок электрической сети при реализации методов оптимизации в среде программы PowerFactory.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

• обоснование эффективности применения мероприятия расщепления сети по точке потокораздела реальной ЭЭС;
• экономическое обоснования применения методов оптимизации потокораспределения.

3. Оптимизация режимов электрических сетей с высокой степенью неоднородности

Современные электрические сети имеют естественное потокораспределение: потоки мощности распределяются по параллельным ветвям соответственно комплексным величинам сопротивлений линий, образующих эти пути.

Экономичным называется потокораспределение, соответствующее минимуму потерь активной мощности в сети. Экономичное потокораспределение совпадает с естественным, возникающим в расчетной схеме после исключения из нее реактивных сопротивлений. При экономичном потокораспределении мощности по ветвям распределяются только в соответствии с активными сопротивлениями [2].

При естественном потокораспределении оптимизация режима энергосистемы производится в двух направлениях. Оптимизируется распределение активных мощностей между станциями по условию минимума суммарного расхода топлива в энергосистеме. Корректируется реактивная мощность линий по условию минимума потерь в сети с учетом ограничений оборудования, установленного диспетчером профиля напряжения и условий устойчивости. При этом потоки активной мощности не меняются или меняются незначительно [3,4].

Электрические системы не являются оптимальными с точки зрения расходов электроэнергии при ее производстве, транспортировке и распределении. Одной из основных причин неоптимальности режимов электроэнергетических систем (ЭЭС) и, соответственно, дополнительных потерь электроэнергии при ее транспорте и распределении является неоднородность ЭЭС [4,5].

Неоднородность сетей – неблагоприятное потокораспределение в развитых высоковольтных сетях связанное с различием индуктивной проводимости ID = X / R для линий различных напряжений. Для линий 110 кВ диапазон ID = 1,37–3,34; 220 кВ – 3,58–7,0.

К сетям с высокой степенью неоднородности относятся смешанные кабельно-воздушные сети одного напряжения и сети с трансформаторными связями, если последние входят в состав замкнутых контуров.

Неоднородность ЭЭС приводит к отрицательным явлениям:

• снижению качества электроэнергии;
• дополнительной загрузке сетей низших уровней напряжений;
• снижению уровня статической и динамической устойчивости ЭЭС (что в свою очередь уменьшает пропускную способность системы в целом) [6-8].

Неоднородность является конструктивным параметром ЭЭС, поэтому отрицательно влияет на их режимы на протяжении всего времени функционирования.

Минимальные потери в сети и соответствующее оптимальное распределение потоков активной мощности были бы при условии равенства индуктивных проводимостей всех линий, образующих замкнутые контуры. Следовательно, для оптимизации потокораспределения в развитых сетях транзитные потоки в линиях нижних слоев необходимо снизить в несколько раз.

Оптимизация естественного распределения потоков мощности в замкнутых сетях может быть достигнута следующими путями:

1. Включение в контуры сети установок продольной компенсации (УПК) в виде батарей статических конденсаторов или групп реакторов. В результате включения УПК полностью или частично компенсируется неоднородность сети.

Емкостные УПК врезаются в ветви с повышенной индуктивностью. Нагрузка таких ветвей возрастает. Из-за снижения результирующих реактивных сопротивлений уменьшаются потери реактивной мощности. При этом повышаются уровни напряжений за точками включения конденсаторов.

Индуктивные УПК дают противоположный эффект. Они приводят к возрастанию потерь реактивной мощности и снижению уровней напряжений. Установка реакторов может быть оправдана только в кабельных линиях смешанных сетей, особенно при наличии необходимости снижения токов короткого замыкания.

2. Включение в контуры сети продольно-поперечных вольтодобавочных трансформаторов, э. д. с. которых должна быть близка к уравновешивающей (при соответствующем выборе мест установки ВДТ в сети одновременно улучшается режим напряжения).
3. Размыкание контуров замкнутой сети и переход на разомкнутую схему.

В реальных сетях обычно все линии в какой-то мере загружены. Однако размыкание сети в правильно выбранных точках во многих случаях можно получить достаточно благоприятные результаты: снижаются потери активной мощности и улучшается режим напряжений в разгруженных частях сети. Некоторые снижения напряжений в догружаемых частях сети обычно удается компенсировать перестановкой ответвлений силовых трансформаторов и другими мероприятиями по регулированию напряжений.

Размыкание может потребоваться не для всех, а только для части контуров, оказывающих наибольшее влияние на результирующий эффект неоднородности. Размыканию в первую очередь подлежат контуры, для которых уравновешивающая экономическая э. д. с. имеет наибольшее значение [10].

Оптимизация работы неоднородных сетей с помощью ВДТ или УПК целесообразна при сравнительно простых схемах с небольшим количеством замкнутых контуров, а для более сложных схем – в тех случаях, когда исполнение основной части сети обеспечивает умеренную неоднородность и высокий результирующий эффект создает ограниченное количество ветвей, резко отличающихся по исполнению.

В развитых сетях с большим количеством неоднородных контуров размыкание последних представляется основным способом оптимизации.

Снижение степени неоднородности ЭЭС за счет установки в ней устройств продольной компенсации (УПК), реакторов или изменения конструкции ЛЭП требует значительных капитальных затрат и может быть применен лишь тогда, когда неоднородность обусловлена небольшим количеством элементов ЭЭС, или если по тем или иным причинам необходима реконструкция существующих сетей.

Сейчас как раз сложилась такая ситуация, когда стоит проблема реконструкции электрических сетей энергосистем. Предусматривается проведение широкомасштабных мероприятий по реконструкции и техническому перевооружению сетей. В соответствие с этим актуальными являются:

• разработка принципов рационального построения схем сетей с ориентацией на устранение причин неоптимальности ЭЭС, то есть на создание условий самооптимизации их режимов, как это происходит в однородных системах [9-11];
• разработка и усовершенствование способов повышения эффективности капитальных вложений на проведение реконструкции, направленной на достижение общесистемного эффекта.

Для достижения желаемого эффекта в данном направлении необходимо пересмотреть стратегию проектирования и реконструкции электрических сетей таким образом, чтобы каждый шаг был направлен на достижение общесистемного эффекта, то есть на приближение ЭЭС к однородному состоянию.

3.1 Оптимизация режима работы сети за счет применения установок продольной компенсации

С целью повышения эффективности работы уже существующих линий электропередач, а так же для улучшения их пропускной способности, применяют устройства продольной компенсации реактивной мощности. При передаче по проводам реактивной мощности, имеют место значительные падения напряжения и возрастания тока в участках электрических сетей, и это создает ограничения для передачи полезной, активной мощности.

Продольная компенсация реактивной мощности предполагает дополнительное включение конденсаторов последовательно с нагрузкой через вольтодобавочный или разделительный трансформаторы, что позволяет достичь автоматического регулирования напряжения в зависимости от текущей величины тока нагрузки.

При продольной компенсации ток конденсатора равен текущему через него полному току нагрузки I, и мощность батареи конденсаторов Q является величиной переменной, зависящей от нагрузки в каждый конкретный момент времени. И поскольку мощность на конденсаторах в процессе продольной компенсации не остается постоянной, то и напряжение повышается на величину, которая оказывается пропорциональна изменению реактивной нагрузки данной линии, то есть напряжение на конденсаторах так же отнюдь не постоянно, как это имеет место при поперечной компенсации реактивной мощности.

К преимуществам применения установок продольной компенсации в целом относятся:

• увеличение передаваемой по линии мощности;
• повышение стабильности работы энергосистем при пиковых нагрузках;
• значительное снижение потерь активной мощности;
• повышение качества электроэнергии в сетях;
• высокая экономичность распределения мощности в параллельных линиях;
• исчезает необходимость возведения генерирующих источников на удаленных территориях;
• межсистемные сечения и технические параметры линий не нуждаются в увеличении.

Недостатком является то, что конденсаторы для продольной компенсации реактивной мощности включаются последовательно в цепь переменного тока, через них течет полный ток линии, и следовательно, ток короткого замыкания, в случае возникновения такового, тоже потечет через них [12].

3.2 Оптимизация режима работы сети с помощью вольтодобавочного трансформатор

Одним из простых и эффективных способов, позволяющих поддерживать оптимальные напряжения в узлах нагрузки и оптимизировать режимы работы неоднородных сетей, является применение ВДТ с продольно-поперечным регулированием коэффициента трансформации.

Вольтодобавочные трансформаторы используются для регулирования напряжения на шинах подстанций, где установлены трансформаторы без регулирования коэффициента трансформации под нагрузкой. Это статический электрический аппарат, который состоит из вольтодобавочного и питающего трансформаторов (рис. 3.1). Они могут устанавливаться для регулирования напряжения на отдельных линиях и группах линий.

Ранее было отмечено, что из сетей одного напряжения высокой степенью неоднородности обладают смешанные кабельно-воздушные сети. Обычно такие сети относятся к местным и к ним применяются наиболее приближенные методы расчетов.

Основной задачей расчета является определение оптимальных значений э. д. с. вольтодобавочных трансформаторов. При проектной постановке задачи потребуется также выбрать места установки и найти параметры ВДТ. Основными элементами расчета являются:

• находим действительные значения э. д. с. включенных ВДТ с учетом округлений;
• рассчитываем уравнительные мощности в ветвях сети;
• накладываем потокораспределение уравнительных мощностей на распределение основных.

Вольтодобавочные трансформаторы обладают весьма малыми активными сопротивлениями и значительно большими реактивными. При приближенных проектных расчетах можно пренебречь влиянием сопротивлений ВДТ на выбор оптимальных значений э. д. с. При расчетах послеоптимизационных режимов сопротивления ВДТ можно ввести в схему замещения сети и соответственно скорректировать основное потокораспределение и уравнительные мощности [10].

3.3 Оптимизация режима работы неоднородных сетей путем размыкания контуров

Эффективным и практически не требующим вложения дополнительных средств является размыкание контуров электрической сети рис. 3.2.

Это наиболее распространенный способ уменьшения потерь, основной задачей которого является определение таких точек размыкания, при которых потери мощности становятся минимальными.

Однако эта мера целесообразна лишь тогда, когда точки раздела мощностей при естественном и экономическом распределении не совпадают.

В сложно замкнутой электрической сети размыкание каждого контура приводит к некоторому изменению экономического потокораспределения в оставшейся замкнутой сети.

Кроме того, потребители подстанций, питающихся от сети, должны иметь однотипные графики нагрузки. В противном случае точка экономического потокораздела мощности будет перемещаться по сети в зависимости от ее нагрузки. Расчет выполняется в таком порядке:

• определяем потокораспределение, соответствующее полной r-cхеме сети;
• находим значения уравновешивающих экономических э. д. с. для всех независимых контуров сети;
• выбираем линию, которую следует разомкнуть в контуре с наибольшей уравновешивающей э. д. с. Размыкание последних практически не снижает потерь активной мощности в сети, а может привести к их возрастанию.

В дальнейшем расчеты повторяются в таком же порядке для оставшейся замкнутой части сети, пока не окажутся разомкнутыми все контуры сети или пока не останутся только контуры с весьма малыми значениями уравновешивающей э. д. с. Размыкание последних практически не снижает потерь активной мощности в сети, а может привести к их возрастанию [10].

В питающих сетях недостатком такого мероприятия является понижение надежности. Поэтому предварительно надо решить вопрос о допустимости такого размыкания с точки зрения надежности электроснабжения и режимов напряжения [12].

Целесообразность размыкания подтверждается сравнением потерь мощности во всех элементах замкнутого участка сети до и после размыкания.

Важно так же заметить, что поскольку размыкание производится при расчете схемы только с r, иногда точки раздела получаются различными для активной и реактивной мощностей. В этом случае необходимо сравнить потери при размыкании в каждой из них и выбрать наилучшую [12].

Оптимизация работы неоднородных сетей с помощью ВДТ или УПК целесообразна при сравнительно простых схемах с небольшим количеством замкнутых контуров, а для более сложных схем – в тех случаях, когда исполнение основной части сети обеспечивает умеренную неоднородность и высокий результирующий эффект создает ограниченное количество ветвей, резко отличающиеся по исполнению (связи повышенною напряжения, кабельные вставки в воздушных сетях и др.). В развитых сетях с большим количеством неоднородных контуров размыкание последних представляется основным способом оптимизации [10].

4. Оптимизация распределения электроэнергии путем компенсации реактивной мощности

4.1 Распределение реактивной мощности

Оптимальное распределение реактивных мощностей – одна из важнейших задач при эксплуатации и проектировании электрических систем. Экономическим критерием оптимальности распределения при эксплуатационных расчетах является минимум потерь активной мощности на генерацию и распределение реактивной мощности во всех элементах системы. При проектных расчетах минимизируются приведенные затраты на покрытие потребностей системы в реактивной мощности.

При распределении реактивной мощности необходимо также учитывать ряд технических ограничений, которые можно разделить на прямые и косвенные.

К прямым ограничениям относятся:

• располагаемая реактивная мощность отдельных источников питания, которая не может быть превзойдена;
• пропускная способность по току элементов (трансформаторов, линий), связывающих данный источник питания с системой.

Учет прямых ограничений осуществляется переводом пунктов с регулируемой реактивной мощностью после достижения ими предельной загрузки в категорию пунктов с фиксированной реактивной мощностью.

Основным видом косвенных ограничений являются ограничения по режиму напряжения, которые могут потребовать полного перераспределения нагрузок между всеми источниками реактивной мощности. Для учета ограничений, предварительно записанных в форме равенств, можно применить метод неопределенных множителей Лагранжа.

Помимо приведенных требований, следует также иметь в виду, что во всех нормальных режимах должен быть обеспечен необходимый резерв реактивной мощности. Резерв должен предусматривать возможности вывода отдельных генераторов в ремонт, аварийного отключения генераторов, а также отключения отдельных линий сети, приводящего к возрастанию потерь реактивной мощности и снижению уровней напряжений.

Во всех установившихся режимах работы энергосистемы должны соблюдаться условия баланса реактивных мощностей. При относительно небольшом дефиците реактивной мощности в системе происходит понижение уровней напряжений, которое приводит к снижению потребляемой реактивной мощности в соответствии со статическими характеристиками нагрузок.

4.2 Компенсация реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности относится к важнейшим мероприятиям по уменьшению потерь мощности в распределительных сетях [12].

Компенсация реактивной мощности производится:

• синхронными компенсаторами (СК);
• батареями конденсаторов (БК).

1. Синхронный компенсатор – это синхронный двигатель, который работает в режиме холостого хода, то есть практически без активной нагрузки на валу. Таким образом, СК загружен только реактивным током.

Достоинства СК:

• возможность увеличения генерируемой мощности при снижении напряжения в сети за счет регулирования тока возбуждения;
• возможность плавного и автоматического регулирования реактивной мощности.

После установки в конце линии у потребителя КУ (рис. 4.1) линия разгружается по реактивной мощности, увеличивается cosφ и уменьшаются потери в линии.

Синхронные компенсаторы в энергосистемах устанавливают главным образом по условиям работы линий электропередачи сверхвысоких напряжений, а так же в узлах сети, где пропускная способность питающих линий не находится в соответствии с их загрузкой, особенно в послеаварийных режимах. Потери мощности в СК составляют до 2 % номинальной и даже выше. Поэтому установка СК как средства снижения потерь менее эффективна, чем использование БК [12].

2. Батареи конденсаторов комплектуются из отдельных конденсаторов, которые соединяются последовательно и параллельно.

Батареи конденсаторов применяются:

• для генерации реактивной мощности в узлах сети – поперечная компенсация. Батареи конденсаторов называют шунтовыми (ШБК);
• для уменьшения индуктивного сопротивления ЛЭП – продольная компенсация. Батареи конденсаторов называют устройствами продольной компенсации (УПК).

Преимущества:

• простота устройства и его обслуживания;
• отсутствие вращающихся частей дает безопасность обслуживания;
• малые потери активной мощности.

Недостатки:

• зависимость мощности БК от напряжения;
• ступенчатое регулирование мощности БК и ее напряжения;
• чувствительность к искажению кривой формы напряжения;
• недостаточная электрическая прочность конденсаторов и малый срок их эксплуатации.

Установка БК вблизи потребителей позволяет разгрузить элементы сети по реактиву, за счет чего происходит снижение потерь активной мощности. Кроме того их применение позволяет снизить уровень падения напряжения в сети, и повысить напряжение на шинах потребителей. Влияние разных мощностей БК на потери мощности и уровень падения напряжения, для простейшей сети, представлено на рис. 4.3.

В различных режимах работы сети (при изменении нагрузки потребителя), мощность КУ может стать больше мощности потребления. Это может привести к изменению направления реактивной мощности. Что в свою очередь приведет к увеличению потерь активной мощности ΔP_БК. Это мы и наблюдаем при Q_БК ≤ 10.

Важно не допускать избыточной компенсации, т.к. потери ΔP_БК могут превышать те, что были до начала компенсации. В некоторых случаях БК необходимо просто отключать.

Выводы

Выполненный в магистерской диссертации анализ позволяет сделать вывод, что применение в ЭЭС таких методов оптимизации как: включение в сеть установок продольной компенсации, вольтодобавочных трансформаторов, размыкание контуров замкнутой сети позволяет повысить надежность энергосистемы, снизить потери электроэнергии и повысить уровень напряжения вблизи потребителей.

В рамках проведенных исследований выполнено:

• на основании анализа литературных источников выделены основные варианты оптимизации потокораспределения мощности;
• для реального участка ЭЭС смоделированного в программной среде PowerFactory применены мероприятия расщепления замкнутой цепи по точке потокораздела;
• проведено экономическое обоснование методов оптимизации потокораспределения;
• осуществлен предварительный анализ основных методов оптимизации потокораспределения мощности.

На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Предполагаемая дата завершения: май 2019 года. В данный реферат будут вноситься изменения по мере выполнения работы. Окончательную работу можно будет получить у автора или его руководителя после указанной даты завершения написания.