автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Параметрическая оптимизация городских систем электроснабжения на основе алгоритмов компьютерной геометрии с учетом неоднородности плотности нагрузки

На правах рукописи

АФАНАСЬЕВ АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ

ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ГОРОДСКИХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ АЛГОРИТМОВ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГЕОМЕТРИИ С УЧЕТОМ НЕОДНОРОДНОСТИ ПЛОТНОСТИ НАГРУЗКИ

05.09.03— Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АВГт

Комсомольск-на-Амуре — 2014

005551862

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (КнАГТУ) на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Гринкруг Мирон Соломонович,

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Общей физики» ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Савина Наталья Викторовна,

доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Энергетики» ФГБОУ ВПО «Амурский государственный университет» г. Благовещенск

Дементьев Юрий Николаевич,

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электропривода и электрооборудования» «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» г. Томск

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» г. Хабаровск

Защита диссертации состоится 17 октября 2014 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 212.092.04 в ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 201-3, E-mail: kepapu@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан «У&> августа 2014 г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес Ученого совета университета.

Ученый секретарь в-и- Суздорф

диссертационного совета Д 212.092.04

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Данное исследование посвящено модернизации действующих и разработке новых методов и подходов к решению задачи параметрической технико-экономической оптимизации городских систем электроснабжения (СЭС) низкого напряжения (НН).

В настоящее время математическую основу для решения задач проектирования, реконструкции и планирования работы, городских СЭС составляют модели, базирующиеся на алгоритмах теории графов.

Данные модели не учитывают эффектов взаимодействия объектов СЭС с окружающей средой, архитектурными, топологическими и экономико-географическими особенностями рассматриваемого региона.

Для действующих моделей СЭС, плотность нагрузки является одним из ключевых критериев, на основе которого рассчитываются базовые параметры элементов сетей электроснабжения (ЭС), однако в них не учитывается неоднородность плотности нагрузки, как по пространственным координатам, так и по абсолютным значениям.

Обозначенные выше проблемы ставят вопрос о необходимости модернизации существующих методов и подходов к задаче параметрической оптимизации городских систем электроснабжения.

В качестве базовых инструментов для решения задач параметрической оптимизации выступают современные геоинформационные системы (ГИС) и технологии, методы компьютерной геометрии, алгоритмы дискретной математики и математической морфологии.

Объект исследования — городская система электроснабжения низкого напряжения 0.38 кВ.

Предмет исследования — методы и подходы к осуществлению параметрической технико-экономической оптимизации городских систем электроснабжения с учетом неоднородности плотности нагрузки.

Целью диссертационной работы

Модернизация действующих и разработка новых подходов к параметрической технико-экономической оптимизации городских систем ЭС НН с использованием инструментария ГИС технологий, компьютерной геометрии и математической морфологии, учитывающих неоднородность плотности нагрузки.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих подходов и методик выбора параметров элементов городских сетей ЭС на соответствие требованиям, предъявляемым к СЭС, в современных экономических условиях и определены основные направления разработки новых подходов к задаче параметрической оптимизации городских систем ЭС НН.

2. Получены и обработаны данные по нагрузкам городской сети ЭС НН используемой в качестве экспериментальной. Проанализированы и структурированы ГИС данные потребителей электрической энергии (ЭЭ), центров питания (ЦП) и понижающих трансформаторных подстанций (ПТП).

3. Выведены и обоснованы соотношения для коэффициентов неоднородности плотности нагрузки при определении оптимальных технико-экономических параметров элементов СЭ.

4. Разработан программный модуль, осуществляющий построение обычных и взвешенных диаграмм Вороного, определены оптимальные зоны ответственности трансформаторных подстанций (ТП) в экспериментальной области.

5. С помощью оптимизационных процедур, использующих модернизированный вариант критерия приведенных затрат, получена матрица кумулятивных дистанций с помощью которой определены оптимальные технико-экономические параметры элементов городской сети ЭС НН.

6. Сформулированы рекомендации по применению предлагаемой методики при выполнении работ по параметрической оптимизации городских систем электроснабжения.

Основная идея работы — заключается в усовершенствовании принципов параметрической технико-экономической оптимизации городских систем электроснабжения на основе методов компьютерной геометрии, алгоритмов обработки сигналов, что позволяет более полно учесть региональные особенности области проектирования/реконструкции сети ЭС и уменьшить уровень неопределенности и неполноты исходных данных.

Методы исследования

Соотношения для расчета коэффициента неоднородности плотности нагрузки получены на основе методов теории информации и математической статистики. Анализ изображений плотности нагрузки выполнялся с помощью алгоритмов цифровой обработки изображений. При определении областей ответственности ТП использовались алгоритмы компьютерной геометрии и математической морфологии. Для определения оптимальных параметров элементов сетей ЭС НН применялись методы непрерывной и дискретной оптимизации модернизированной целевой функции, описывающей относительные приведенные затраты на создание и эксплуатацию элементов сети ЭС, а также методы поиска оптимальных путей на графах. Общей базой для сбора информационных данных, структурирования, анализа и отображения служила программная среда компьютерной математики —МАТЬАВ.

Научная новизна работы определяется следующими полученными результатами:

1. Соотношениями для учета неоднородности плотности нагрузки при осуществлении параметрической оптимизации городских систем ЭС.

2. Методикой определения зон ответственности ТП и ЦП, их параметров и дескрипторов определяемых на основе обычных и взвешенных диаграмм Вороного.

3. Разработанной информационной структурой в виде кумулятивной матрицы геодезических дистанций и способе ее применения для определения оптимального местоположения ТП.

4. Разработанным подходом и его программной реализацией для определения оптимальных, с технико-экономической точки зрения, трасс для прокладки кабельных линий (КЛ).

Основные положения выносимые на защиту:

1. Математическая модель городской СЭ НН, учитывающая неоднородность плотности нагрузки при выполнении параметрической оптимизации элементов сети.

2. Расчетные выражения для учета неоднородности плотности нагрузки, как по пространственным координатам, так и по абсолютным значениям;

3. Методика и алгоритмы определения зон ответственности ТП на основе обычных и взвешенных диаграмм Вороного.

4. Метод определения оптимального местоположения ТП как координат минимального элемента в кумулятивной матрице геодезических дистанций.

5. Рекомендации для применения, разработанной в исследовании, параметрической оптимизации городских СЭС.

Практическая ценность работы заключается в разработке основных принципов и подходов для практического осуществления параметрической оптимизации элементов городских сетей ЭС НН с учетом неоднородности плотности нагрузки на базе комплексного использования оптимизационных процедур с применением ГИС и методов компьютерной геометрии, что позволяет:

- провести качественный анализ и получить количественные оценки технико-экономических параметров действующих и/или проектируемых городских систем электроснабжения НН;

- получить оптимальную, по технико-экономическим параметрам, топологическую структуру сети ЭС в рассматриваемой области;

- разработать комплекс мер и рекомендаций по выбору значений параметров элементов: сечений жилы кабельных линий, мощности трансформаторов и числа подключений к ним;

- определить наиболее энергоемкие области и разработать рекомендации по перегруппировке потребителей ЭЭ по зонам ответственности ТП с целью равномерного распределения нагрузки и управлению режимами функционирования сети ЭС в наиболее эффективном технико-экономическом режиме.

Основные результаты диссертационной работы были получены автором в ходе исследований, выполняющихся в рамках НИР «Автономные системы децентрализованного энергообеспечения (кластерные энергосберегающие системы выработки, транспорта и преобразования тепловой и электрической энергии)» программа: стратегия ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» и опубликованы в научных изданиях.

Апробация работы. Результаты и выводы диссертационной работы докладывались и получили одобрение на:

- международной научно-технической конференции "Электротехнические комплексы и системы" г. Комсомольск-на-Амуре 2010 г.

- международной научно-технической конференции "Энергоэффективность и энергосбережение " г. Благовещенск 2011 г.

— международной научной конференции "Хейлунцзян-Приамурье" г. Биробиджан 2013 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ: 7 статей и тезисов, 1 программа для ЭВМ, в том числе 2 статьи в журнале «Электротехнические комплексы и системы», включенном в Перечень ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы и трех приложений. Общий объем диссертации 185 страниц машинописного текста, в том числе 147 страниц основного текста, 59 рисунков и 14 таблиц, списка использованных источников из 103 наименований, 3 приложения на 38 страницах.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность кандидату технических наук, Ткачевой Юлии Ильиничне за оказанную помощь в планировании работы, обсуждении научных результатов и большую консультативную работу при написании и предоставлении данной работы к защите.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено краткому описанию действующих подходов к параметрической оптимизации городских систем электроснабжения НН. Проанализированы основные допущения данных методов. Отмечены их достоинства и недостатки. Определены основные направления модернизации существующих подходов к параметрической оптимизации СЭС.

Сформулированы цель, задачи и методы исследования.

В первой главе диссертации рассмотрена общая постановка задачи выбора параметров элементов СЭ, показано, что у различных исследователей наблюдается единый методологический подход,

Дан краткий обзор и анализ литературных источников, в которых рассматриваются различные варианты выполнения параметрической оптимизации городских СЭС НН.

Введена и рассмотрена модернизированная безразмерная целевая функция (1) приведенных затрат на основе которой определяются оптимальные технико-экономические параметры элементов СЭС НН:

у [ у1 Q Гш .0 + *»JM

h(\+kj-x , к ('H,)'-1 m

c.yw YW -О+^сУ '

к "" о+kdry-1 h a" (i+^У1

здесь: К — капитальные вложения, руб., Q, - затраты в году t на обслуживание сети, руб., WJs — потери электроэнергии в элементах сети в году t, кВт ч, с - стоимость электроэнергии в начальном году, руб./кВт-ч, Wan — суммарная энергия, переданная потребителям в году t кВт-ч, kwc — коэффициент роста цены на электроэнергию, kdr - коэффициент приведения разновременных затрат.

Показано, что задача определения параметров элементов СЭС НН является оптимизационной задачей технико-экономической природы.

Проанализированы, действующие подходы к определению местоположения ТП (2), числа отходящих от ТП линий НН (4) и мощности трансформаторов (3) в них

= fax, f±S,; Гг, = ±S,y, /±S,, (2)

1=1 / 1 = 1 1=1 / i = l здесь: St ,„^11 у — полная мощность и координаты /'— той нагрузки соответственно, XTS, Yrs — координаты центров нагрузок, кандидаты на размещение ТП.

Установлено, что соотношения:

STS= 1.45-Vex7 (3)

и

NTS =1.65-10 2 • у/ст^ (4)

получены исходя из энергетических потребностей середины прошлого века.

Как показывают соотношения (3) и (4), фактор плотности нагрузки —а непосредственно влияет на значения параметров элементов сети.

Рассмотрены основные подходы к определению сечений KJI и воздушных линий (ВЛ) для разл1гчных напряжений. Отмечено, что выбор сечений по экономической плотности тока, не соответствует текущей экономической ситуации.

Выполнен обзор существующих методов и подходов к определению нагрузок различных для типов потребителей.

Рассмотрены варианты косвенного учета неоднородности плотности нагрузки с помощью регрессионных зависимостей.

Рассмотрен вопрос выбора характерного линейного параметра —в пределах которого <7 — const. Сделан вывод, что величина ^соответствует технолого-экономическому радиусу сети данного напряжения. Для сети НН Aq х 0.3 км. Отмечено, что данный радиус уменьшается с увеличением числа потребителей ЭЭ на единицу площади.

Во второй главе представлен технико-экономический анализ распределительной сети ЭС города с малоэтажной застройкой на примере города Биробиджана.

Анализ парка ТП городской сети НН выполнен на основе замеров в период зимнего максимального энергопотребления. Определены коэффициенты нагрузки трансформаторов.

Сделан вывод о слабой загруженности городского парка ТП, что приводит к увеличеным потерям холостого хода. Сопоставление полученных данных с данными города Комсомольск-на-Амуре, показало, что коэффициент корреляции находится на уровне Rcmr = 0.97, что свидетельствует об общей закономерности в распределениях трансформаторов по коэффициентам загрузки.

С помощью инструментария ГИС получено распределение сг(х,у) по пространственным координатам и абсолютным значениям (рис. 1).

<т,МВт / км2

а, МВт/км 18.. 16. 14-, 12.. 1<К. 8.. 6 4~. 2-О .

Рис. I -Распределение плотности нагрузки по пространственным

координатам и абсолютным значениям (МВт/км2). Для анализа пространственных графиков сг(х,у) использовались алгоритмы цифровой обработки сигналов. С помощью пороговой обработки а(х,у) выполнена сегментация карты плотности нагрузки (рис. 2).

Области с высокой плотностью нагрузок

.2

Области с высокой

и повышенной плотностью нагрузок СТ > 5 МВт/км'

10 20 30 40 Области со средней и выше плотностью нагрузок и > 1 МВт/км 2

10 20 30 40 Области с потребительской нагрузкой СТ> 0 МВт/км2

Номер сегмента в направлении Запад-Восток

Рис. 2 - Сегментация плотности нагрузки на 4 зоны по абсолютным

значениям ег.

По результатам сегментации получены предварительные выводы о топологии, иерархии напряжений и особенностям нагрузки в регионе.

Анализ сегментов выполнялся на основе скелетонов двумерных форм

5/:(Х) = ир1[(А"Ор5)-(А''Ор5)оА(5] X с К2,где О и ° морфологиче-

р>0 ц>0

ские операции эрозии и открытия соответственно.

Скелетон (рис. 3) служит образом графа сети ЭС, и на его основе проведена оценка коэффициентов ветвления-^, распределения нагрузки-^.

X ф

с га я о.

С !_

I I

5С Ш

S О

L-

<1) о

О.

<D

S о X

151

201

25

yl4* к

Г^О к©

Из 6а+

5 10 15 20 25 30 35 40 45 Номер сегмента в направлении Запад-Восток Рис. 3 — Скелетон для области с а > 5 МВт/км2, выражений для расчета коэффициентов ветвления

(и + 1)(2и + 1)

схем типа А (рис. 5 ) и kbrí =

2п + п(6т -3) +1

Зк(2 + кп(п + \)) - ' 3/г(2/^ + п-1)

типа В, находятся коэффициенты разветвленности СЭ. Здесь: п— количество участков разбиения фидера, к- количество ответвлений в узле, а-количество тупиковых ветвей, т— количество лучей.

ж_I_

Схема 1 I р

Р/2п Р/2п

Р/2п Р/2п

Шп U2n U2n |_L/2rs

U2n | L/2n I

Шп Шп Шп Шп

1/Зп 1/Зп __ Шп Шп

P/n P/n P/n P/n P/2n P/2rt

Тип А Схема 2(a=1;m=2;k=1) Тип А Схема 3(

Шп

Р/2п P/2n з=2; m=2: k=2) U3n

Un U2n I U2nl ' Р/2п •

Р/г/ L/2n L/2n

P/2n

Un lp/3n

U3n 1 U3n

Р/п/ Шп ¡Р'ЗПШ„1

tP/3n

*Р/2п »Р/2п *""" 'Р'Зп

Тип В Схема 4 (т=2; к=2) Тип В Схема 5 (т=2; к=3) Рис. 5 — Варианты схем А и В для оценки коэффициента ветвления сети.

Соотношения для кЬг и изображение на рис. 5 взяты из Воротницкий В.Э., Калинкина М.А. Расчет, нормирование и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях. Учебно-методическое пособие. 3-е стереотип, гад. -М.: ИПК госслужбы, 2003. -64 с.

В третьей главе рассмотрены традиционные подходы к сегментации областей с потребительской нагрузкой зонами ответственности ТП, на основе которых получены соотношения (3) и (4) для параметров элементов городских систем электроснабжения НН. В качестве основных моделей рассматриваются модели В.К. Плюгачева (покрытие равномерной квадратной сеткой) и модель равномерным гексагональным покрытием. Делается вывод об ограниченности применения данных моделей, так как они предполагают размещение потребителей ЭЭ в узлах правильных геометрических форм.

В качестве альтернативы предлагается модель зон ответственности ТП на основе обычных и взвешенных диаграмм Вороного.

Обычные диаграммы Вороного определяются как множество точек, для которых выполняется: К(7>) = {х е V(P.) \ d{x,Pt) < d(x,PXj = 1,2,...,/?, j /'},

здесь ¿/(х,/^обозначает Евклидову дистанцию между точкой х и Р-точкой из контрольного множества Р , и Р P.. i Ф j, l,j = {l,2,...,n,i^ j}.

В контексте данного исследования, множество Р ={PvP2,...,Pn} это местоположения трансформаторных подстанций на плоскости, а множество х -местоположения потребителей ЭЭ. Для городов, кроме Евклидовой метрики, характерна также Манхэттенская метрика.

Взвешенные диаграммы Вороного для точек Р = {Р1,Р2,...,Рп}, V(Pi,Wt) = {xzV(Pnw,)\wld(x,Pi)<v>Jd{x,PJ),j = \,2,...,n,j * i} w, - вес (5) P:.

Диаграммы Вороного, по отношению к рассматриваемым задачам, обладают следующими важными свойствами:

- учитывают неоднородность плотности нагрузки с помощью весов w: (5);

- содержат в себе традиционные модели как области с a -const;

- обладают свойствами глобальной устойчивости по отношению к локальным изменениям в структуре:

Учет неоднородности сг на основе взвешенных диаграмм Вороного производится с помощью относительных весовых коэффициентов w,:

w,=(a,/ay\ (5)

здесь: т - параметр первоначального приближения, равный 1/3 для модели В.К, Плюгачева и 1/2 для равномерного гексагонального покрытия; сг, = Si /А — плотность нагрузки /'- того сегмента; а = / А - средняя,

плотность нагрузки.

Для получения диаграмм Вороного с весом (5) необходимо определить значения а в зонах действия ТП. Для городских кварталов, пространственное распределение потребителей ЭЭ близко к прямоугольной топологии, и сг определяется из модели В.К. Плюгачева. Для произвольного распределения нагрузки предпочтительнее модель с гексагональным покрытием.

В модели В.К. Плюгачева, оптимальный радиус зоны ответственности

ТП: Rop,=Kf -а-/-, где J ^'■

\ Кг ' (Ь ' С0.38 + 3 • Лс ■ р • С ■ Г • 10 )

В модели с равномерным гексагональным покрытием: Яор1 = каН - а 1/2,

здесь каН = 0.62• ^п-р-Б/к^ .

С целью количественного анализа карт плотности нагрузки было получено выражение для коэффициента неоднородности а - кн.

Так как карта <у(х,у)— двумерный цифровой сигнал, то мерой пространственной неоднородности служит относительная энтропия Шеннона:

Е(А)Г = —(1 / 1о§2 Л) ■ 1оё2 <у(., (6)

/=1

здесь су,. = Д. / ^ Д. — доля / -того сегмента взвешенной диаграммы Вороного.

Неоднородность плотности нагрузки по абсолютным значениям характеризуется коэффициентом вариации плотности нагрузки:

у = (1/а)^(1/П)фа,-а)2. (7)

Используя соотношения (6) и (7) получаем выражение для эффективной плотности нагрузки:

=кн5 = (\ + Е,у)а . (8)

Для исследуемого района города была произведена процедура сегментации на взвешенные полигоны Вороного (рис. 7 маркером «звезда» показаны центры потребительских нагрузок).

0.51- ..,,,,, 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Локальная координата X км

Рис. 7 - Сегментация региона на взвешенные диаграммы Вороного В результате сегментации на взвешенные полигоны Вороного, про изошла перегруппировка потребителей ЭЭ по зонам ответственности,

уменьшением значения коэффициента вариации плотности нагрузки - у (7), что является признаком более равномерного распределения нагрузки по трансформаторным подстанциям в регионе исследования.

Для определения оптимальных параметров КЛ и ТП с помощью целевой функции 2 (I) была получена целевая функция относительных, приведенных удельных затрат-г,''характеризующая удельные затраты на 1м. КЛ.

+6.55-10"3 -сь

-о :

т (=\ (р ^ тах 2

К

\ -1

шах

(9)

здесь сь — стоимость потерь электроэнергии, определяется из (13).

Из значений по каждой нагрузке, для каждого квадратного метра, исследуемой области формируется матрица удельных затрат 20с/ (9) столбцы которой локальные X координаты, а строки У координаты. Шаг дискретизации равен 1 м.:

2" = о

-<(1.2) -о'(2,1) -<(2,2)

1) 4{к,Т)

-о'а«)

-о'(2,«)

(10)

На Рис. 8 показана матрица 2£'(Ю), для сегмента взвешенной диаграммы Вороного, в оттенках серого цвета, каждому оттенку соответствует определенное значение <(9), 1 пиксель на изображении соответствует 1 м2. км

1.15«

Локальная координата X Рис. 8- Изображение матрицы значений

Матрица служит весовой матрицей для определения элементов матрицы геодезических дистанций и оптимальных маршрутов КЛ.

Элементами матрицы геодезических дистанций 0.'а являются затраты на прокладку кабеля отточки с координатами ВРУ /-того потребителя:

/3" =

<';(1Д) 2) ^(2,2)

<(2,1)

О.")

(П)

Из (11) формируется кумулятивная карта: - У

1

Кумулятивная матрица

геодезических дистанции

Карты геодезических дистанций по отдельным нагрузкам

50 100 150 200 Локальная координата X

Рис. 9. — Карты отдельных нагрузок и кумулятивная картаЦ'/. Наиболее затратные участки отмечены светлым оттенком серого, маркером «звезда» отмечена точка минимума как оптимальных координат ТП. По Од находятся оптимальные маршруты трасс прокладки КЛ. (рис. 10). м 220 200 -Е 180

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Локальная координата X м

Рис. 10. - Оптимальные траектории для прокладки КЛ.

Полученные маршруты проверяются на критерий падения напряжения. При не соответствии данному критерию, выбирается следующее сечение из номенклатурного ряда и производится перерасчет матрицы . Процедура итеративно повторяется, пока выбранное сечение не будет удовлетворять критерию.

На рис. 11 представлена блок-схема алгоритма параметрической оптимизации городских систем ЭС, которая в графическом виде резюмирует предложенный в исследовании подход.

НАЧАЛО

' Ввод координат и значений нагрузок

/ " \ Цикл по

нагрузкам

Вычисление предельной силы тока

Определение сечения по ПУЭ Р=Рха Ы

/ Выбор

/сечения из стандартной номенклатуры значений/

Вычисление »атрицы приведенны затрат

' Вычисление матрицы геодезич. дистанций

Конец цикла по нагрузкам

/ Вычисление

кумул. матрицы геодезич. дистанций/

Определение

координатТП

1

/ \

Цикл по

нагрузкам

1

Определение оптимального маршрута от ВРУ до ТП

Вычисление

длины маршрута

/ Вычисление / матрицы геодезич. ' дистанций !

/ Вычисление /матрицы приведенны затрат

/ Выбор

/ сечения из стандартной номенклатуры значений /

ДА

1 г

Конец цикла по

нагрузкам

/

Вывод параметров

КОНЕЦ

Рис. 11. — Блок — схема предложенного алгоритма. В четвертой главе рассматриваются вопросы сравнительного технико-экономического анализа для выборочной совокупности параметров элементов и экономических показателей для действующей сети ЭС и синтетических

вариантов сетей полученных на основе подходов и решений, разработанных в исследовании.

Определены параметры для анализа на период эксплуатации сети:

- суммарная мощность ТП характеристика энерговооруженности;

- потери ЭЭ в кабельных линиях;

- средняя площадь зоны ответственности ТП;

- суммарная длина кабельных линий;

- средняя длина кабельных линий; -суммарное сечение головных участков;

- процент затрат на прокладку кабеля по отношению к рабочему варианту; -суммарные затраты на сооружение КЛ и эксплуатационные расходы. Обоснован и выполнен расчет капитальных затрат для монтажа КЛ в условиях Дальневосточного региона.

Расчет потерь электроэнергии, по рассматриваемому региону, выполнялся на основе выражения для расчета по обобщенным данным:

здесь: РИт — среднее сечение головного участка, мм2; с1и — доля электроэнергии, потребляемая на расстоянии двух линейных ответвлений от ТП, по отношению к суммарному отпуску в сеть 0.4 кВ.

Значения 1У04рассчитывались по результатам 1593 замеров тока в фидерах ТП в период зимнего годового максимума нагрузки, оценка Жолдля других сезонов была получена с помощью поправочного коэффициента, учитывающего сезонные колебания нагрузки: = Р/ Рт.„ = /4 + В ■ ят(С ■ / + О), здесь А, В, С, \\ Э величины, характеризующие сезонную неравномерность в потреблении электрической энергии. Для Дальневосточного региона среднее значение величины Хге, равно 0.7.

Коэффициент к04 в (12) рассчитывается по формуле:^ = ки-(7.78-2.67■ с1и - 1.48• • (1.25 + 0.14 • ¿/и), где ¿„=1 для линии 0.4/0.23 кВ и 3 для линии 220/127 В.

Удельные затраты на покрытие потерь ЭЭ рассчитывались по формуле:

где <рк и у/к— коэффициенты для элементов сети; 1\ — показатель режима нагрузки.

Усредненные показатели <рк и шк, были приведены к ценам 2014 года. Результаты выборочного сравнительного технико-экономического анализа, выполненные в ценах, приведенных к ценам 2014 г. показывают, что построение и эксплуатация СЭС на принципах и механизмах предложенных в исследовании дает 30% экономию в затратах на капитальные вложения и эксплуатацию по сравнению с действующими подходами.

В целях формирования единого подхода и наработки практических навыков сформулированы рекомендации, которые устанавливают порядок и требования к определению параметров элементов сетей ЭС НН.

Для действующих сетей возможен постепенный перевод зон обслуживания в соответствии сегментацией на взвешенные полигоны Вороного, так как, при добавлении или удалении вершины сегмента Вороного перестраивается ближайшее окружение, что приводит к локальным изменениям в топологической компоновке сети ЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целями и задачами данного исследования являются модернизация действующих и разработка новых подходов к осуществлению параметрической оптимизации городских систем ЭС НН. В ходе достижения поставленных целей были получены следующие результаты:

1. Обоснована и доказана необходимость пересмотра действующих подходов и методов к определению параметров элементов городских систем электроснабжения, как несоответствующих современной экономической ситуации и уровню развития современных информационных технологий;

2. Определено, что решение поставленных в исследовании задач возможно на основе синтеза действующих подходов использующих алгоритмы теории графов и современных достижений в области дискретной математики, математической морфологии, компьютерной геометрии с использованием аппарата ГИС технологий;

3. На основе методов математической морфологии и компьютерной геометрии разработаны подходы для прогноза и оценки развития сети ЭС используя матрицы плотности нагрузки в виде двумерных структур;

4. Проведено теоретическое обоснование и получены соотношения для оценки степени неоднородности плотности нагрузки в виде коэффициентов неоднородности, учитывающих неоднородность плотности нагрузки, как по пространственным координатам, так и по абсолютным значениям;

5. Установлено, что применение обычных и взвешенных диаграмм Вороного делает возможным перераспределение потребителей ЭЭ по зонам ответственности ТП с целью уменьшения неоднородности плотности нагрузки, что позволяет ТП региона функционировать в относительно одинаковых режимах;

6. Разработана информационная структура в виде кумулятивной матрицы геодезических дистанций, аккумулирующая затраты на прокладку всей совокупности КЛ. Установлено, что координаты минимума кумулятивной матрицы геодезических дистанций являются локальными координатами оптимального местоположения ТП. Определены оптимальные технико-экономические маршруты прокладки кабельных линий и вычислена их протяженность.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах соискателя. В изданиях рецензируемых ВАК

1. Афанасьев А.П., Грннкруг М.С. Особенности применения критерия поверхностной плотности нагрузки и при выборе местоположения и мощности трансформаторных подстанций//Научно-технический журнал «Электротехнические комплексы и системы управления» -Воронеж,2013.—№ 4.—С.1-4.

2. Афанасьев А.П., Гринкруг М.С. Определение зон ответственности трансформаторных подстанций 6/0.4 кВ на основе диаграмм Вороного с учетом неоднородности плотности нагрузки//Научно-технический журнал «Электротехнические комплексы и системы управления». — Воронеж, 2014. — № 1. — С. 36-41.

Свидетельства

3. Свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ №2014613462. Программа для ЭВМ «Определение зон ответственности трансформаторных подстанций на основе диаграмм Вороного с использованием ГИС-технологий» // Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, М.С. Гринкруг, А.П. Афанасьев, Ю.И. Ткачева — заявка №2014610745, г. Москва 2014. - 5 с.

Статьи

4. Афанасьев А.П., Гринкруг М.С. Выбор мощности понижающих трансформаторов в распределительных сетях 6/0.4 кВ в современных экономических условиях // материалы международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы». — Комсомольск на Амуре,

2010.-С. 148-150

5. Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И., Афанасьев А.П. Анализ и возможная классификация неоднородностей плотности нагрузки с помощью аппарата двумерного вейвлет преобразования // Вестник Дальневосточной государственной социально-гуманитарной академии Серия 1: Точные науки — Биробиджан: Изд-во ДВГСГА, 2011. - №1/1 (4) - С. 38-44.

6. Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И., Афанасьев А.П., Анализ энергоэффективности понижающих трансформаторов в распределительной сети города с малоэтажной застройкой// материалы международной научно-технической конференции «Энегроэффективность и энергосбережение». - Благовещенск,

2011.-С. 148-153.

7. Афанасьев А.П., Гринкруг М.С. Учет неоднородности плотности нагрузки с помощью диаграмм Вороного // Хэйлунцзян - Приамурье: сборник материалов I междунар. науч. конф, Россия, Биробиджан, ФГБОУ ВПО «ПГУ им. Шолом-Алейхема», 30 октября 2013 г. В 2 ч. - Биробиджан: Изд-во ФГБОУ ВПО «ПГУ им. Шолом-Алейхема», 2013. - Ч. 1. - С. 32-36.

8. Афанасьев А.П., Афанасьева М.А. Определение оптимальных технико-экономических параметров элементов сетей электроснабжения с использованием инструментария ГИС // Современная техника и технологии. - Апрель 2014.-№ 4[Электронный ресурс].1ШЬ: http://technology.snauka.ru/2014/04/3405 (дата обращения: 25.04.2014).

Афанасьев Александр Петрович

Параметрическая оптимизация городских систем электроснабжения на основе алгоритмов компьютерной геометрии с учетом неоднородности плотности нагрузки

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано к печати 21.07.2014. Формат 60x84 1/16. бумага 65 г/м2. Ризограф Е2570е. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,10. Тираж 100 экз. Заказ 26415 Полиграфическая лаборатория ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 618013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.