Оптимизация распределения потоков реактивной мощности в узлах нагрузки

Автор:Иванов К.В., Руцков А.Л., Крысанов В.Н.

Источник:Сборник статей по материалам VIII международной научно-практической конференции. В 4–х частях. 2017

Аннотация:В данной статье рассматривается проблема оптимизации распределения потоков реактивной мощности в узлах нагрузки. Приводится алгоритм расчета и пример расчета целесообразности установки устройств компенсации реактивной мощности в реальных узлах нагрузки. В заключении сделаны выводы о критериях эффективного использования устройств компенсации реактивной мощности.

Ключевые слова: оптимизация энергопотребления, компенсация реактивной мощности, эффективность устройств компенсации.

Проблема оптимального распределения потоков реактивной мощности в узлах нагрузки (УН) является важной задачей развития электроэнергетических систем (ЭЭС) [1, 2].

Целесообразность установки устройств компенсации реактивной мощности (УКРМ) определяется исходя из минимума суммарных затрат в соответствии с выражением (1):

где З_Σ – суммарные затраты;
З₁ – затраты на установку БСК;
З₂ – компенсация потерь электроэнергии;
З₃ – потери электроэнергии в сети [3].

Рассмотрим целесообразность и эффективность применения УКРМ (без конкретизации схемного решения) для примера радиальной сети 110/35/10 кВ, содержащей два УН Белгородской ЭЭС (рис.1). Под УН будем понимать совокупность приёмников электроэнергии и мощности, для которых можно топологически выделить вышестоящие центры питания (ЦП), полностью обеспечивающие распределение активных и реактивных перетоков в данных подструктурах.

Рисунок 1 – Структурная схема питания 1-2 УН от ЦП ПС 110/35 кВ Новый Оскол

На рисунке 1 приняты следующие обозначения: P_i, Q_i, P^′_i, Q^′_i – комплексные компоненты активной и реактивной мощности в прямом и обратном (со штрихами) направлениях. При этом, следует отметить, что УН обладают переменным значением подключаемой активной нагрузки, а также величиной избыточной реактивной мощности (приводящей к увеличению потерь в данном УН от оптимального режима).

Определим критерии целесообразности установки УКРМ и сроки окупаемости потребителей УН 1,2. Примем, что капиталовложения в УКРМ вкладываются в начале первого года (УКРМ устанавливаются одномоментно), и эффект снижения потерь электроэнергии также будет проявляться, начиная с первого года. Тогда составляющие суммарных затрат за расчетный период можно выразить в виде следующих соотношений:

где K_{УКРМ уд.} – стоимость единицы мощности УКРМ (полная);
Q_укрм – устанавливаемая мощность УКРМ;
a_рем, a_обсл – соответственно нормы отчислений от капиталовложений на ремонты и обслуживание;
Е – норматив дисконтирования;
Т_р – расчетный период;
a_ам – норма отчислений от капиталовложений на амортизацию;
c_э – стоимость потерь электроэнергии;
Т_раб – время работы УКРМ в году;
Δp_укрм – потери активной мощности в УКРМ, отн. ед.;
P, Q – активная и реактивная мощность нагрузки УН соответственно;
U_ном – номинальное напряжение сети;
R – активное сопротивление линии сети;
τ – время наибольших потерь мощности.

Введем следующие интегральные показатели – дисконтирующий множитель D_д и расчетный множитель D_p:

В выражениях (3), (4) от времени зависит только множитель, поэтому систему (2) преобразуем к следующему виду:

Зависимость суммарных затрат от мощности устанавливаемых УКРМ представлена на рис. 2.

Рисунок 2 – Зависимость дисконтированных затрат от установленной мощности УКРМ

Суммарные дисконтированные затраты принимают минимальное значение при оптимальном уровне компенсации реактивной нагрузки потребителя – Q_{УКРМопт}, т.е. при δQ_Уi = 0.

Для аналитического определения целесообразной мощности УКРМ возьмем частную производную от суммарных затрат – З_Σ по мощности УКРМ – Q_БСК:

Приравняем нулю формулу (6), получим выражение для определения оптимальной мощности УКРМ:

В таблицу 1 сведём величины среднего удельного эффекта от установки УКРМ для различных типов сетей.

Произведём расчёт среднего удельного эффекта от установки УКРМ для УН №1 и УН №2 в ЦП 110/35 кВ Новый Оскол – область 2 на рис.1 в соответствии с выражениями (2) – (7). Результаты сведём в таблицу 2.

Анализируя выражение (7), а также результаты среднего удельного эффекта от установки УКРМ для УН №1 – ЛРД и УН №2 – ЗРД, можно сделать следующие выводы:

• эффективность размещения УКРМ тем выше, чем больше сопротивление сети R, т.е. чем ближе к потребителю устанавливаются УКРМ;
• между отмеченным в п.1 условием по размещению УКРМ и затратами на установку в данных точках (непосредственно вблизи УН) необходимо находить компромисс с учётом выражения (1). Так, для рассматриваемых УН 1,2 более приемлемым оказывается размещение УКРМ по стороне 35 кВ ЦП Новый Оскол, а не на базе ПС 35/10 кВ ЛРД (ЗРД);
• эффективность размещения УКРМ тем выше, чем выше стоимость потерь электроэнергии. Данное заключение с учётом постоянно растущих тарифов на электроэнергию является прямым стимулом для дальнейшего внедрения устройств компенсации реактивной мощности в «перегруженных» УН;
• помимо этого, выражение (7) непосредственно указывает на необходимость дальнейшего развития УКРМ, в частности, в плане снижения затрат на введение их в эксплуатацию.

Список литературы

1. Руцков А.Л. Анализ эффективности управления режимами сетей 220 кВ / А.Л. Руцков, Н.В. Гагаринов, А.В. Романов // Всероссийская научно-техническая конференция «Научные технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве», Воронеж, 25-28 октября 2015 г.
2. Крысанов В.Н. Повышение энергоэффективности и энергосбережения промышленных узлов нагрузки / В.Н. Крысанов, Ю.В. Шарапов, А.Л. Руцков // Современные технологии в науке и образовании – СТНО – 2016 сб. тр. междунар. научн. техн. и науч. – метод. конф. в 4 томах. Рязанский государственный радиотехнический университет под общ. ред. О.В. Миловзорова, 2016. - С. 280-284.
3. Шведов Г.В. Потери электроэнергии при её транспорте по электрическим сетям: расчёт, анализ, нормирование и снижение: учебное пособие для вузов / Г.В. Шведов, О.В. Сипачёва, О.В. Савченко; под ред. Ю.С. Железко. – М.: Издательский дом МЭИ, 2013. – 424 с.: ил.