автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методы оценки и прогнозирования энергетической эффективности электротехнических комплексов городских распределительных сетей

На правах рукописи

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ГОРОДСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

г 1 ноя 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-2013 г.

005539174

005539174

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Фролов Владимир Яковлевич

Официальные оппоненты: Шклярский Ярослав Элиевич

доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», профессор кафедры «Электротехника, электроэнергетика, электромеханика»

Бочаров Юрий Николаевич доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», профессор кафедры «Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника»

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Межрегиональная распределительная сетевая компания Северо-Запада» (ОАО «МРСК Северо-Запада»)

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.20 при ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, гл. здание, аудитория 150.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «СПбГПУ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, СПбГПУ, отдел аспирантуры и докторантуры.

Автореферат разослан «14» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.229.20

к.т.н., доцент С^Р^^ Иванов Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Особое внимание в настоящее время уделяется вопросам энергосбережения, энергетической эффективности и экономии топливно-энергетических ресурсов, что подтверждается нормативными документами, в том числе и действующим федеральным законом «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности».

Разработка методов оценки и прогнозирования энергетической эффективности работы электротехнических комплексов (ЭТК) городских распределительных сетей (ГРС) является актуальной задачей, решение которой, прежде всего, связано с уточнением значений основных составляющих потерь электроэнергии (ПЭ) и направлено на решение проблем оценки и прогнозирования структуры ПЭ как основного показателя энергетической эффективности. Рациональная и эффективная эксплуатация ЭТК ГРС невозможна без четкого представления о структуре и количественных показателях составляющих нормативных и сверхнормативных потерь.

Существующие методы оценки энергетической эффективности работы ЭТК городских распределительных сетей не учитывают изменений характеристик оборудования в процессе эксплуатации и общего низкого уровня информационной обеспеченности электрических сетей напряжением 6-10 кВ и 0,4 кВ, что приводит к необъективным результатам оценок.

В ЭТК ГРС основными составляющими полных ПЭ, значение которых определяется расчетным путем и требует повышения точности расчета, являются условно-постоянные потери в силовых трансформаторах (СТ), нагрузочные потери в линиях 0,4 кВ и метрологические потери, обусловленные систематической погрешностью системы учета электроэнергии.

В настоящее время срок эксплуатации значительной части силовых трансформаторов ГРС с высшим напряжением 6-10 кВ превышает 25-30 лет, а фактические значения мощности потерь холостого хода (МПХХ) существенно отличаются от паспортных значений. Действующие методики расчета ПЭ не учитывают срок эксплуатации СТ, что приводит к погрешности расчета.

При низком уровне мониторинга состояния ЭТК ГРС значительные проблемы расчета нагрузочных потерь электроэнергии связаны с отсутствием исходной информации о параметрах оборудования и режимах работы сетей 0,4 кВ. Это объясняется отсутствием приборов учета на питающих фидерах 0,4 кВ городских подстанций и, как следствие, отсутствием данных о графиках нагрузки и их показателях, используемых в расчетах.

Получение достоверных данных о структуре полных потерь электроэнергии, необходимых для прогнозирования и обоснованного планирования мероприятий по повышению эффективности работы ГРС, невозможно без оценки реального значения метрологических потерь, обусловленных не допустимой, а действительной погрешностью системы учета, большую часть которой, как правило, составляет систематическая погрешность индукционных электросчетчиков (СПИЭ). Действующие методики расчета СПИЭ не учитывают изменений характеристик индукционных электросчетчиков в процессе эксплуатации.

Анализ научно-технической литературы, методик и методов расчета, а также практика проведения работ по расчету потерь электроэнергии в ЭТК ГРС показали недостаточную проработанность проблем, связанных с получением достоверных данных о величине и структуре потерь.

Целью работы является разработка методов оценки и прогнозирования энергетической эффективности электротехнических комплексов городских распределительных сетей, обеспечивающих уточнение расчетных значений потерь электроэнергии как показателя энергетической эффективности в условиях изменяющихся характеристик оборудования при низком уровне информационной обеспеченности.

Поставленная цель достигается путем комплексного подхода к решению проблемы повышения точности расчета трех наиболее значимых составляющих полных потерь электроэнергии в ЭТК ГРС (условно-постоянных потерь в СТ с различными сроками эксплуатации, нагрузочных потерь в сетях 0,4 кВ, метрологических потерь) с учетом влияющих факторов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались задачи, перечисленные ниже.

1) Экспериментальные исследования МПХХ СТ с разными сроками эксплуатации и статистическая обработка полученных результатов с целью выявления факторов, оказывающих наибольшее влияние на изменение МПХХ.

2) Разработка метода расчета мощности потерь холостого хода силовых трансформаторов с длительными сроками эксплуатации на основе математических моделей изменения МПХХ СТ.

3) Экспериментальные исследования графиков нагрузки характерных групп потребителей и анализ изменения потребления электроэнергии за различные временные периоды с целью оценки влияния состава потребителей на показатели графиков и общие закономерности электропотребления.

4) Разработка метода расчета значений показателей графиков нагрузки на основе математических моделей, описывающих графики нагрузки.

5) Экспериментальные исследования изменения СПИЭ в зависимости от срока эксплуатации и нагрузки.

6) Разработка метода определения СПИЭ в зависимости от срока эксплуатации и нагрузки на основе математических моделей изменения СПИЭ.

Методы исследования. В работе использовались теоретические положения электротехники, связанные с процессами передачи и распределения электроэнергии в электрических сетях.

Теоретические исследования проводилось с использованием приемов математической статистики, корреляционного, регрессионного и дисперсионного анализа, а также методов вычислительной математики.

Экспериментальные исследования проводились на действующем оборудовании ЭТК ГРС (полевые исследования) и в лабораториях электрических сетей города Иванова и районных центров Ивановской области.

Обработка результатов исследований проводилась с использованием программных продуктов Microsoft Excel 2007, STATISTICA 6 и сертифицированного специализированного программного комплекса (СПК) EnergyCS.

Достоверность результатов работы подтверждается результатами расчетов ПЭ в ЭТК ГРС Ивановской, Вологодской и Ярославской областей, корректным применением методов математической статистики, а также результатами дополнительных экспериментальных исследований.

Научная новизна работы. Основные научные результаты, полученные впервые и защищаемые автором, заключаются в следующем:

1. Методология оценки энергетической эффективности СТ ЭТК ГРС:

-разработан метод расчета МПХХ группы СТ с различными сроками

эксплуатации на основе математической модели изменения МПХХ СТ с высшим напряжением 6-10 кВ в зависимости от срока эксплуатации.

2. Методология оценки энергетической эффективности работы распределительных сетей 0,4 кВ ЭТК ГРС:

-получены значения коэффициентов формы графиков активной нагрузки для рабочих (А-=1,06-1,08) и нерабочих {кф = 1,05-1,06) дней недели для бытовых потребителей электроэнергии городских распределительных сетей;

- установлен диапазон изменения значения коэффициента реактивной мощности нагрузки бытовых потребителей ^ =0,28-0,42 при его среднесуточном значении = 0,35;

- разработаны методы определения показателей суточных графиков нагрузки и потребления электроэнергии за различные временные периоды разными группами бытовых потребителей и объектами городской инфраструктуры на основе математических моделей.

3. Методология оценки энергетической эффективности систем учета электроэнергии с индукционными электросчетчиками в ЭТК ГРС:

- разработан метод расчета СПИЭ с различными сроками эксплуатации, работающих при различных нагрузках, на основе математических моделей изменения СПИЭ в процессе эксплуатации.

Практическая ценность работы. Разработанные математические модели и методы позволяют повысить точность расчетов МПХХ силовых трансформаторов, значений показателей графиков электрических нагрузок и значений СПИЭ, что при низком уровне мониторинга состояния оборудования и режимов работы ЭТК ГРС дает возможность получать объективные данные о величине и структуре потерь электроэнергии, корректно решать проблемы оценки и прогнозирования энергетической эффективности работы ЭТК распределительных сетей (РС) и обоснованно планировать мероприятия по энергосбережению и рациональной эксплуатации.

На основании полученных результатов разработаны рекомендации по внесению изменений в существующие нормативные документы.

Предложенный метод расчета МПХХ СТ внедрен в СПК Епег^СБ.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

1. Метод и алгоритм расчета МПХХ силовых трансформаторов 6-10 кВ с различными сроками эксплуатации.

2. Метод и алгоритм определения показателей суточных графиков активной нагрузки различных групп потребителей ГРС. Значения основных показателей графиков нагрузки для различных групп бытовых потребителей

электроэнергии ГРС: коэффициентов формы графиков активной нагрузки и коэффициента реактивной мощности.

3. Метод и алгоритм расчета СПИЭ с различными сроками эксплуатации, работающих при различных нагрузках.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на: Всероссийской конференции «Неделя науки СПбГПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 2009-2011 гг.); региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Электроэнергетика» (Россия, Иваново, 2006-2007 гг.); международной молодежной конференции «Тинчуринские чтения» (Россия, Казань, 2010 г.); международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Россия, Москва, 2007 г.); международной научно-технической конференции «XIV Бенардосовские чтения» (Россия, Иваново, 2007 г.); межрегиональной конференции «Комплексные решения Группы компаний СБой для задач проектирования и эксплуатации систем электроснабжения и автоматики» (Россия, Иваново, 2009).

Публикации по теме работы. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 5 - в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем составляет 170 страниц, в том числе 142 страницы основного текста, 39 рисунков, 34 таблицы, список литературы из 102 наименований и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы; дано краткое описание состояния проблем корректного определения и прогнозирования показателен энергетической эффективности работы ЭТК ГРС напряжением 6-10/0,4 кВ; сформулированы цели и задачи исследований; отражены научная новизна и практическая ценность; описаны методы исследований.

Первая глава посвящена анализу состояния проблем в области повышения энергетической эффективности работы ЭТК ГРС и обоснованию значимости расчетных показателей технологических потерь при прогнозировании структуры ПЭ и оценке эффективности эксплуатации ЭТК.

Проведен обзор литературы и анализ методик и методов расчета ПЭ.

По результатам анализа структуры потерь в девяти ГРС Ивановской области с 2004 по 2011 год выявлены наиболее значимые составляющие. Показано, что повышение точности расчета составляющих полных потерь электроэнергии может быть обеспечено в результате решения комплексной задачи по разработке расчетных методов определения МПХХ силовых трансформаторов, показателей графиков электрических нагрузок и СПИЭ с учетом факторов, влияющих на изменение этих характеристик.

Приведена методика обработки экспериментальных данных, основанная на корреляционном, регрессионном и дисперсионном анализе.

Во второй главе проведен анализ факторов, влияющих на изменение МПХХ СТ, на показатели графиков нагрузки и на изменение СПИЭ. Описаны

методики проведения экспериментальных исследований изменения МПХХ СТ ГРС 6-10 кВ, графиков электрических нагрузок потребителей 0,4 кВ и СПИЭ.

Приведены результаты экспериментальных исследований и выполнен их анализ. Разработаны математические модели изменения МПХХ СТ с высшим напряжением 6-10 кВ при их эксплуатации, суточных графиков нагрузки групп бытовых потребителей и объектов инфраструктуры ГРС и СПИЭ в зависимости от срока эксплуатации при работе с различной нагрузкой.

В третьей главе предложен метод и алгоритм определения МПХХ группы СТ с различными сроками эксплуатации на основании разработанных математических моделей. Проведена оценка точности определения МПХХ группы СТ по предложенному методу путем сравнения результатов расчета с результатами дополнительно проведенных экспериментальных исследований.

Проведена оценка точности определения основных показателей суточных графиков нагрузки путем сравнения результатов расчета этих показателей по разработанной математической модели с результатами расчетов по реальным графикам. Разработан метод и алгоритм построения графика активной нагрузки фидера подстанции ГРС и определения основных его показателей.

На основании разработанных математических моделей и анализа экспериментальных данных предложен метод и алгоритм определения СПИЭ с различными сроками эксплуатации, работающих при различных нагрузках.

В четвертой главе предложены рекомендации по практическому применению разработанных методов и алгоритмов при определении характеристик оборудования и режимов работы ЭТК ГРС с целью повышения энергетической эффективности работы распределительных сетей, приведены примеры практических расчетов и документы о внедрении результатов работы.

В заключении сформулированы выводы по результатам исследований в соответствии с поставленной целью и решенными задачами.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Метод н алгоритм расчета МПХХ группы СТ 6-10 кВ с различными сроками эксплуатации.

Анализ структуры потерь в ГРС с высшим напряжением 6-10 кВ показывает, что ПЭ в СТ являются одними из самых значимых и в основном зависят от срока эксплуатации Та1, который в нормативных методиках расчета не учитывается. Точность расчетов потерь особенно важна в связи с тем, что в настоящее время в РС городов доля СТ со сроком службы 25-30 лет и более превышает 50 %, а изменение МПХХ СТ ДРхх в процессе эксплуатации достигает 50 % и более от значения, указанного в паспорте трансформатора.

Проведены измерения МПХХ 1323 силовых трансформаторов, введенных в эксплуатацию в период с 1941 года по 2004 год.

При проведении исследований изменение МПХХ силовых трансформаторов оценивалось по значению превышения паспортного значения Арх\м.1сн реальным значением потерь холостого хода (XX) силового трансформатора АРХХ,,,, ,,,. Значение превышения определялось по формуле:

АРХ,, % = %. (1)

После отбраковки для проведения анализа была составлена выборка результатов экспериментальных исследований СТ с номинальной мощностью от 20 кВ-Адо 630 кВ А.

Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 1.

Полученные значения МПХХ СТ характеризуются большим разбросом, при этом МПХХ увеличивается с увеличением срока эксплуатации СТ.

На основе полученных данных разработаны регрессионные

математические модели изменения МПХХ СТ в процессе эксплуатации с целью получения простого метода, позволяющего расчетным путем определять среднее значение АРХХ (Та/), % СТ с произвольным сроком эксплуатации.

В результате исследований доказано, что самым значимым фактором, влияющим на изменение значений МПХХ, является срок эксплуатации СТ, поэтому при статистической обработке данных влияние других факторов, определяющих значение МПХХ СТ, не учитывалось.

Статистическая обработка выборки данных АРХХ,% = /(Та1) проводилась в предположении гипотезы о нормальном законе распределения, при уровне значимости а = 0,05 , в соответствии с принятой методикой обработки данных.

Полученный при анализе статистически значимый коэффициент корреляции г = 0,422 свидетельствует о наличии связи, а его низкое значение объясняется большим количеством и разбросом данных.

Для разработки математической модели были выбраны разные виды уравнений линий регрессии. Все уравнения, полученные в результате статистической обработки, характеризуются незначительной нелинейностью.

Сравнительный анализ полученных моделей позволил сделать вывод о том, что в качестве адекватной статистически значимой математической модели, наиболее точно описывающей зависимость АРХХ,% = ,/'(Та1), должна быть выбрана аппроксимирующая модель в виде степенного уравнения АРХХ(ТСЛ) = -25,320 +Г/;""4, поскольку: все коэффициенты уравнения статистически значимы; коэффициент детерминации достигает наибольшего значения (из числа коэффициентов статистически значимых моделей); модель адекватна по отношению к экспериментальным данным.

По результатам анализа предложен способ построения расчетной модели с заменой одной зависимости ДРхх,% = /(Та1) двумя линейными: 1) от нуля до полученного значения корня линейной зависимости Та, (АРХХ, % = 0) = 20 лет — линейной зависимостью АРхх,% = 0(АРхх = АРХХ„.,„,); 2) от полученного значения

%

ДРц.

• ♦ ♦

♦ ♦ ♦

♦ , V* у Л ♦ ♦

'¿Ж ■¡ы ш г ■и' ♦

¡р* ♦ « ♦

Т 'см

(. 1С 20 31: 4с 50 60 лет

Рисунок 1 МПХХ СТ РС (Ив. обл.)

у

корня та,(АРХХ,% = 0) = 20 лет - линейной зависимостью АР"п. = а, ■ АРП1ис„, где значение коэффициента а, = 1,75 % получено по экспериментальным данным.

Для трансформаторов со сроками эксплуатации более двадцати лет зависимость АР'ХХ, % = ./(ТГ7) может быть описана уравнением АРХХ, % = 1,75 % (7,гл-20), в соответствии с которым расчетное значение МПХХ СТ увеличивается на 1,75 % за каждый год эксплуатации трансформатора.

Для оценки точности предложенного метода проведены выборочные измерения МПХХ трех групп СТ (всего 41 СТ), введенных в эксплуатацию в период с 1962 года по 1993 год, и сравнение измеренных значений АРххп:Л11 с расчетными значениями \/\, .„. Установлено, что различие суммарных АРХХПШ, и А/'ХХ1,ЛСЧ уменьшается с

увеличением общего числа СТ в группе и составляет минус 0,39 % по отношению к АРххп;,л для всех обследуемых трансформаторов.

Метод расчета МПХХ группы СТ с учетом срока эксплуатации (рис. 2) позволяет повысить точность расчетов ПЭ, более эффективно проводить мероприятия по замене и капитальному ремонту СТ, решать вопросы прогнозирования и оценки энергетической эффективности работы ЭТК ГРС.

2. Метод и алгоритм определения показателей суточных графиков активной нагрузки различных групп потребителей ГРС. Значения коэффициентов формы графиков активной нагрузки и коэффициента реактивной мощности.

Проведение расчета режима сети на основе метода расчетных суток и метода средних нагрузок (в соответствии с нормативной Методикой расчета технических потерь) предполагает использование коэффициента формы к. графика суммарной нагрузки сети за расчетный интервал Т.

Правила эксплуатации ГРС не предусматривают регистрации графиков нагрузки сети 0,4 кВ, поэтому при расчетах рекомендуется использовать

значение кф, полученное расчетным путем по формуле = 1 < , где к, =0,5,

при этом кф = 1,15 = 1,33), и даже кф = 1,33 (к*, = 1,67) при к ( = 0,3.

Поставлена задача определения реальных значений кф для проведения расчетов нагрузочных потерь электроэнергии в ЭТК ГРС 0,4 кВ.

В результате экспериментальных исследований суточных графиков электрических нагрузок фидеров, обеспечивающих питание электроэнергией характерных групп бытовых потребителей, получен фактический материал о

ар;л

*

4

г,ч

О К) 2<: ЗС 4С 5С 6С лет — — — — — — предложенный метод:

рачрцбо'пмпшя мшематмчеемш модель

Рисунок 2 Графическое представление метода определения МПХХ СТ и его сравнение с математической моделью

графиках нагрузки потребителей жилой застройки городов и поселков Ивановской области: 186 суточных графиков при исследовании группы потребителей из 2348 абонентов 14 населенных пунктов.

Графики потребления активной мощности Р(/) и реактивной мощности <Э(/) представлялись графиками />*(/) и £?*(') в относительных единицах по отношению к среднесуточным значениям Р и <2 по выражениям:

Р (0 =

Р(0

в (0 =

в(')

(2)

Р

ср.еут ср.еут

Пример суточных графиков активной нагрузки Р'(() бытовых потребителей электроэнергии г. Иванова для рабочих дней приведен на рис. 3.

В результате исследований суточных графиков электрических нагрузок Р'( I) установлено, что изменение сезона, года, населенного пункта и рабочего дня недели не приводит к существенному

изменению их формы. При этом форма графиков рабочих и нерабочих дней различна: графики рабочих дней имеют ярко выраженные утренний и вечерний максимумы, а графики нерабочих дней ярко выраженных максимумов не имеют. Поэтому анализ графиков проводился для рабочих и нерабочих дней недели с учетом типа застройки.

бытовых

24:00 ч.

Рисунок 3 - Суточные графики активной нагрузки бытовых потребителей

Анализ графиков активной и реактивной нагрузки потребителей, объединенных схожими условиями проживания, позволил получить представление об особенностях электропотребления при различных социальных условиях проживания и классифицировать потребителей электроэнергии с учетом типа застройки на три группы: потребители малоэтажной застройки, многоэтажной застройки и инфраструктуры.

Полученные в результате расчетов по экспериментальным данным значения кф приведены в табл. 1.

Таблица 1 Значения коэффициентов формы суточных графиков бытовых потребителей

№ Наименование Малоэтажная застройка Многоэтажная застройка

п/п электрической сети Рабочие дни Нерабочие дни Рабочие дни Нерабочие дни

1 Ивановская ГРС 1,04 1,04 1,07 1,06

2 Кинешемская ГРС 1,04 1,03 1,09 1,06

3 Шуйская ГРС 1,08 1,07 1,09 1,07

4 Вичугская ГРС 1,09 1,06 1,10 1,07

5 Родниковская ГРС 1,07 1,07 1,08 1,06

Среднее значение 1,06 1,05 1,08 1,06

Приведенные значения кф нормативными документами. Для

меньше значений, рекомендуемых бытовых потребителей малоэтажной 10

застройки среднее значение к\ = 1,11. Это означает, что переменные потери, рассчитанные по действующей методике, завышены в 1,33/1,11 = 1,20 раза.

Характер зависимости 2 (0 повторяет характер зависимости Р'(1), при этом зависимость ()'(/) имеет менее выраженные максимумы.

По экспериментальным данным о графиках Р'(е) и О^'Ц) получены суточные графики tg(p{t) = Q'(t)lР'(1). Значения имеют ярко выраженный разброс, что не позволяет выявить зависимостей для всех групп

потребителей. Для малоэтажной застройки, характеризующейся наибольшими значениями ^<р, средние значения 0 изменяются в пределах

= 0,28-0,42, а среднесуточное значение т =0,35, что меньше значения, рекомендуемого нормативными документами. Это означает, что переменные потери электроэнергии, рассчитанные в соответствии с действующей методикой, завышены в 1,21 раза.

По полученным данным, разработаны регрессионные математические модели, описывающие изменение /'*(') в течение суток.

Статистическая обработка данных /''(0 по типам застройки проводилась при подтвержденной гипотезе о нормальном законе распределения с применением критериев Колмогорова и х~ Пирсона, при уровне значимости а = 0,05, в соответствии с принятой методикой обработки данных. Полученные при анализе статистически значимые коэффициенты корреляции, находящиеся в диапазоне г = 0,66-0,73, свидетельствуют о наличии умеренной связи.

Для разработки математических моделей был выбран тип уравнений линий регрессии в виде полинома пятой степени. Параметры уравнений математических моделей приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Данные об уравнениях линий регрессии

№ п/л Тип застройки Дни недели Уравнения линии регрессии

1 Малоэтажная Рабочие Р*(1) = 0,860740- 0,315735/ + 0,117312/2 -0.015229/3 + 0.00081914 -0.000015/5

2 Нерабочие />*(/) = 0.886005 - 0.316733/ + 0.103472?2 -0.012254/3 + 0,000624/4 - 0,00001 К5

3 Много-этажная Рабочие />*(;) = 0,843037-0,345395/ +0.129247/2 -0.016731/3 + 0,000894;4 -0.000017/5

4 Нерабочие Р*(1) = 0,922080 -0,379831/ + 0.121200/2 -0.014209/3 + 0.000717/4 - 0.00001315

Анализ полученных моделей позволяет сделать вывод о том, что они являются адекватными, статистически значимыми, с высокой точностью описывающими Р'(<), так как: все коэффициенты уравнений статистически значимы; коэффициенты детерминации достигают высоких значений, близких к 1; модели адекватны по отношению к экспериментальным данным.

Доказано, что графики объектов инфраструктуры городов с высокой степенью точности могут быть представлены двухступенчатыми графиками.

Полученные математические модели являются основой для разработки методов определения основных показателей суточных графиков активной нагрузки: отпуска электроэнергии группе потребителей, времени использования максимальной нагрузки, абсолютного минимума и максимума потребления активной мощности за любой период времени. Показатели

определяются путем математических вычислений и анализа предложенных выражений, описывающих графики, и их комбинаций.

Предложенные методы и алгоритмы определения показателей графиков нагрузки различных групп потребителей ГРС и полученные значения коэффициентов позволяют повысить точность расчетов ПЭ для каждого конкретного случая в условиях низкого уровня мониторинга режимов работы сетей 0,4 кВ, обоснованно решать вопросы прогнозирования и оценки энергетической эффективности работы этих сетей при их модернизации.

3. Метод и алгоритм расчета СПИЭ с различными сроками эксплуатации, работающих при различных нагрузках.

До настоящего времени в РС с высшим напряжением 6-10 кВ регистрация электроэнергии осуществляется индукционными электросчетчиками (ИЭ) класса 2,5, срок эксплуатации которых может достигать 50 лет и более.

Анализ состава электросчетчиков по типам в четырех ГРС Ивановской области показал — доля индукционных электросчетчиков в некоторых сетях достигает 90 %; средневзвешенное значение однофазных ИЭ к общему числу электросчетчиков в сети составляет 67 %; наиболее распространенными являются индукционные электросчетчики типов СО-1, СО-2, СО-5 и СО-И446; многие электросчетчики, имеющие значительные сроки эксплуатации, не поверялись с момента установки.

В процессе эксплуатации ИЭ накапливают значительную отрицательную систематическую погрешность, которая определяет объем недоучтенной электроэнергии, отпущенной потребителям Ш'т.

Изменение СПИЭ достигает 1,0-1,5 % в год и в пределах межповерочного интервала может выйти за пределы класса точности. При этом относительное значение СПИЭ по сетям в целом оценивается величиной Л1У,'а =4,5-15,0 %.

Проведены экспериментальные исследования значений Ш'а более 2000 индукционных электросчетчиков классов точности 2,0 и 2,5 с различными сроками службы после последней поверки Та, при различных нагрузках ИЭ (в процентах от его номинальной нагрузки 5СЧ ШШ).

Исследования проводились в лабораториях городских распределительных сетей Ивановской области в соответствии с ГОСТ 8.259-2004 в диапазоне нагрузки счетчика от 20 до 100 % с шагом 20 %. Погрешность регистрации не превышала 2,0 %.

Для проведения анализа после отбраковки была составлена выборка результатов экспериментальных исследований 1480 индукционных электросчетчиков.

На первом этапе разработки метода, позволяющего расчетным путем определить значение систематической погрешности Д[Г,';/(Х*ч,Гг, Д% электросчетчика с произвольной нагрузкой счетчика .V',, и сроком эксплуатации Тсл , решалась задача разработки модели определения расчетным путем в зависимости от срока эксплуатации счетчика Та,.

Результаты экспериментальных исследований изменения СПИЭ в зависимости от Тсл представлены на рис. 4.

4 >у;„, % при б;,, = 100 % ДIV,],,, % при б;,, =20 %

2(1 01 ■2(

■6С -¡¡С

■ лю

(I 10 20 3( 40 5С 61 0 1С 20 30 40 50 60

а) б)

Рисунок 4 - Экспериментальные данные о А1У,'и,% для различных значений срока эксплуатации ИЭ Та1 при нагрузке счетчиков 100 % (а) и 20 % (б)

Полученные значения ДIV'а, % характеризуются большим разбросом, при этом СПИЭ ЛИ',',,% увеличивается с увеличением срока эксплуатации Та,.

В результате исследований доказано, что на изменение СПИЭ влияет не только срок эксплуатации, но и изменение нагрузки: меньшим нагрузкам соответствует большее значение СПИЭ. При статистической обработке данных влияние других факторов, определяющих изменение СПИЭ, не учитывалось.

Статистическая обработка данных Л((-',',, % = /(Тсл) проводилась в соответствии с принятой методикой, при подтвержденной гипотезе о нормальном законе распределения с применением критерия х~ Пирсона, при уровне значимости а = 0,05.

Полученные при анализе статистически значимые коэффициенты корреляции для совокупностей данных при нагрузке счетчиков 100 % г = 0,453 и при нагрузке 20 % - г = 0,610 свидетельствуют о наличии умеренной связи.

Для разработки математических моделей были выбраны разные виды уравнений линий регрессии. Все уравнения, полученные в результате статистической обработки, характеризуются незначительной нелинейностью.

На основе полученных данных разработаны регрессионные математические модели изменения СПИЭ (А1¥'1Д,%) в процессе эксплуатации.

Сравнительный анализ полученных моделей позволяет сделать вывод о том, что в качестве адекватных статистически значимых математических моделей, наиболее точно описывающих влияние Тсл на Д»>(, %, должны быть выбраны аппроксимирующие модели в виде линейных уравнений А^(7-„/) = -1,563-0,398Тгл (при З'сч=100%)п А »'Д( (Тс, ) = -1,913 - 0,426 ■ Тсл (при В'сч =20 %), поскольку: все коэффициенты уравнений статистически значимы; коэффициенты детерминации Л2 достигают наибольших значений (из числа коэффициентов статистически значимых моделей); модели адекватны по отношению к исходным данным.

Зависимости А1У{щ(Та1),% адаптированы к реальным обстоятельствам эксплуатации, с выполнением условия А1У'а{Та! =о) = 0, и представлены в виде линейных зависимостей общего вида А№{1Д,% = агТ01: Д({-',',,% = -0,457 ■ Тсл (при нагрузке б;',, =100 %) и Л', % = -0,495 • Тс., (при нагрузке =20 %).

...........Г*............ 1

г,-. . Я

*

♦

♦

Г ♦ * 1 • ♦

♦ X

♦ Тгя, лег

Адаптированные зависимости ÁIV¡ln"A = /(Trl) использованы для разработки расчетного метода определения значений СПИЭ с произвольной нагрузкой S'c4 и сроком эксплуатации Тсл: AW'VI(S'C4,TCJI),%.

В результате экспериментальных исследований СПИЭ в диапазоне нагрузки S'cv =20-100 % установлено, что зависимости AIV,',,,% = f(S'C4,%) с высокой степенью точности описываются логарифмическими математическими моделями. Показана возможность линеаризации зависимостей AW'm, % = f(S'C4, %) и представления их в виде линейного уравнения

w;m(S-C4) = ba+bX4 (3)

практически без потери точности описания.

В результате совместного решения адаптированных уравнений линий регрессии общего вида AlV,',//,% = al Тгл и уравнения (3) получена расчетная модель определения СПИЭ при различных нагрузках и сроках эксплуатации:

AW'm (S'c4, Тсл), % = (0,00048 ■ S'C4 - 0,505) • Та,. (4)

Полученное выражение позволяет проводить расчет СПИЭ AíV¡l;l =f(S'C4,Ta¡) как для одного счетчика, так и для группы электросчетчиков.

Метод расчета систематической погрешности группы ИЭ с учетом срока эксплуатации и нагрузки позволяет повысить точность расчетов ПЭ, более эффективно проводить мероприятия по замене ИЭ, решать вопросы прогнозирования и оценки энергетической эффективности работы ЭТК ГРС при модернизации и совершенствовании систем учета электроэнергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны методы оценки и прогнозирования энергетической эффективности электротехнических комплексов городских распределительных сетей 6-10/0,4 кВ, учитывающие факторы эксплуатации оборудования. Основные результаты и выводы:

1. Проведен анализ существующих методов расчета потерь электроэнергии в городских распределительных сетях, показана необходимость проведения исследований по повышению точности определения показателей энергетической эффективности работы сетей в современных условиях.

2. Предложен метод расчета мощности потерь холостого хода группы трансформаторов в зависимости от срока службы, в соответствии с которым для силовых трансформаторов со сроком эксплуатации более двадцати лет потери при расчетах должны быть увеличены на 1,75 % за каждый год эксплуатации после 20 лет, то есть, АРХХМСЧ = АРххшси ■ (1 + 0,0175 ■ (Тсл - 20)).

3. Получены значения коэффициентов формы графиков активной нагрузки конкретных потребителей электроэнергии для рабочих (кф =1,06-1,08) и нерабочих (кф = 1,05-1,06) дней недели и среднее значение коэффициента реактивной мощности (tg<p,p = 0,35 из диапазона значений tg<p4,= 0,28-0,42). Предложены методы определения показателей графиков электрических нагрузок расчетным путем по разработанным математическим моделям.

4. Предложен метод определения систематической погрешности индукционных электросчетчиков в зависимости от срока эксплуатации и

14

нагрузки, позволяющий расчетным путем определять объем недоучтенной ими электроэнергии: Ш'п:1 (,У*Ч, Тсл), % = (0,00048 • - 0,505) • Тсл .

Полученные результаты позволяют повысить точность расчетов потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях с высшим напряжением 6-10 кВ. Они могут быть использованы для оценки и прогнозирования энергетической эффективности работы электротехнических комплексов городских распределительных сетей, для разработки мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности при низком уровне мониторинга состояния оборудования, его характеристик и режимов работы.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК России

1. Короткое, А. В. Графики активной и реактивной нагрузки бытовых потребителей / В. Я. Фролов, А. В. Короткое // Вестник ИГЭУ. - 2011. - Вып. 5. -С. 29-31.

2. Короткое, А. В. О повышении точности определения нормативных потерь электроэнергии и структуры фактических потерь / В. Я. Фролов, А. В. Короткое // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2012. - № 1. — С. 41^44.

3. Короткое, А. В. Методика определения мощности потерь холостого хода трансформаторов с различным сроком службы / Ю. Б. Казаков, В. Я. Фролов, А. В. Коротков // Вестник ИГЭУ. - 2012. - Вып. 1. - С. 20-24.

4. Коротков, А. В. Методика определения систематической погрешности индукционных электросчетчиков / А. А. Шульпин, В. Я. Фролов, А. В. Коротков // Вестник ИГЭУ. - 2013. - Вып. 5. - С. 42^5.

5. Коротков, А. В. Статистический метод оценки энергетической эффективности работы трансформаторов городских сетей / Ю. Б. Казаков, В. Я. Фролов, А. В. Коротков // Вестник ИГЭУ. - 2013. - Вып. 5. - С. 51-53.

Публикации в других изданиях

6. Коротков, А. В. Определение годового отпуска электроэнергии в фидер 0,4 кВ подстанции городской электросети / А. В. Коротков, В. В. Коротков, Д. А. Салов // Повышение эффективности работы энергосистем. Труды ИГЭУ / под общ. ред. В. А. Шуина, М. Ш. Мисриханова, А. В. Мошкарина. - М. : Энергоатомиздат, 2004. - Вып. 7. - С. 523-531.

7. Коротков, А. В. Изменение потерь холостого хода трансформаторов распределительных сетей в процессе эксплуатации / А. В. Коротков // Электроэнергетика. Региональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, 20-21 апреля 2006 г.: тез. докл. - Иваново : ИГЭУ, 2006. - С. 66-68.

8. Коротков, А. В. Методики и результаты расчетов технических потерь электроэнергии в электрических сетях / С. В. Балдов, А. В. Коротков, В. В. Коротков, А. Ю. Тюрин // Актуальные проблемы электроэнергетики. Труды НГТУ. - Н. Новгород : НГТУ, 2006. - Т. 59. - С. 220-223.

9. Коротков, А. В. О недоучете электроэнергии индукционными электросчетчиками / А. В. Коротков, В. В. Коротков // Актуальные проблемы электроэнергетики. Труды НГТУ. - Н. Новгород : НГТУ, 2006. - Т. 59. - С. 226-229.

10. Короткое, А. В. Количественная оценка зависимости потерь холостого хода силовых трансформаторов от срока эксплуатации / В. В. Короткое, А. Б. Козлов, А. В. Коротков // Повышение эффективности работы энергосистем. Труды ИГЭУ / под общ. ред. В. А. Шуина, М. Ш. Мисриханова, А. В. Мошкарина. - Иваново : ИГЭУ, 2007. - Вып. 8. - С. 351-356.

11. Коротков, А. В. О недоучете электроэнергии индукционными электросчетчиками / А. В. Коротков, В. А. Шуин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : тез. докл. 13 Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, 1-2 марта 2007 г. : в 3 т. - М. : Издательский дом МЭИ, 2007. - Т. 3.-С. 310-311.

12. Коротков, А. В. Систематическая погрешность индукционных счетчиков бытовых потребителей городских электрических сетей / А. В. Коротков, В. А. Шуин // Электроэнергетика. Региональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, 20-27 апреля 2007 г. : тез. докл. : в 3 т. -Иваново : ИГЭУ, 2007. - Т. 3. - С. 15-17.

13. Коротков, А. В. О структуре норматива потерь для электросетевых предприятий ЖКХ / В. А. Шуин, А. В. Коротков, В. В. Коротков // Состояние и перспективы развития энерготехнологии : тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. «XIV Бенардосовские чтения» : в 2 т.- Иваново : ИГЭУ, 2007. - Т. 1. - С. 69.

14. Коротков, А. В. Сравнительный анализ результатов расчета потерь электроэнергии в сетях с напряжением выше 1000 В при использовании различных расчетных программ / С. В. Балдов, А. В. Коротков // Комплексные решения Группы компаний С8оА для задач проектирования и эксплуатации систем электроснабжения и автоматики : материалы Межрегиональной конф., 9-10 декабря 2009 г. - Иваново : ИГЭУ, 2009. - С. 33-38.

15. Коротков, А. В. Определение графика электрической нагрузки городской подстанции / А. В. Коротков, В. Я. Фролов // XXXVIII Неделя науки СПбГПУ : сб. ст. - СПб.: СПбГПУ, 2009. - С. 106-108.

16. Коротков, А. В. Расчет годового отпуска электроэнергии в фидер 0,4 кВ подстанции городской электросети / А. В. Коротков, В. Я. Фролов // Материалы V Международной молодежной конференции «Тинчуринские чтения», 28-29 апреля 2010 г. / под общ. ред. Ю. Я. Петрушенко : в 4 т. -Казань : КГЭУ, 2010. - Т. 1. - С. 37-38.

17. Коротков, А. В. Графики электрических нагрузок потребителей городских электрических сетей / А. В. Коротков, В. Я. Фролов // Материалы V Международной молодежной конференции «Тинчуринские чтения», 28-29 апреля 2010 г. / под общ. ред. Ю. Я. Петрушенко :в4 т.-Казань: КГЭУ, 2010.-Т. 1,- С. 38-39.

18. Коротков, А. В. Методика определения мощности потерь холостого хода трансформаторов с различным сроком службы / А. В. Коротков, В. Я. Фролов //ХЬ Неделя науки СПбГПУ : сб. ст. - СПб.: СПбГПУ, 2011. - С. 125-126.

19. Коротков, А. В. Показатели графиков нагрузки потребителей городских электрических сетей / А. В. Коротков, В. Я. Фролов // ХЬ Неделя науки СПбГПУ : сб. ст. - СПб.: СПбГПУ, 2011. - С. 126-128.

20. Коротков, А. В. Результаты измерений мощности потерь холостого хода трансформаторов с различным сроком службы / А. В. Коротков, В. Я. Фролов // Электрика. - 2011. -№ 8. - С. 8-11.

Подписано в печать 12.11.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 11221Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201451339

КОРОТКОВ Александр Владимирович

На правах рукописи

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ГОРОДСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор

Фролов Владимир Яковлевич

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................... 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

КАК ПОКАЗАТЕЛЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ... 10

1.1. Общие проблемы определения и прогнозирования структуры

потерь электроэнергии в городских распределительных сетях............................. 14

1.2. Обоснование выбора требующих исследования и уточнения составляющих

потерь электрической энергии...................................................................... 18

1.3. Обзор литературы о современных методах расчета

потерь электроэнергии в электротехнических комплексах.................................. 25

1.3.1. Условно-постоянные потери и

потери холостого хода трансформаторов................................................ 25

1.3.2. Нагрузочные потери в сетях 0,4 кВ................................................ 27

1.3.3. Метрологические потери............................................................. 28

1.4. Постановка задачи исследований.............................................................. 31

1.5. Методика обработки экспериментальных данных......................................... 33

1.6. Выводы............................................................................................ 40

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОБОРУДОВАНИЯ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ............................................................................................. 41

2.1. Экспериментальные исследования мощности потерь холостого хода трансформаторов 6-10/0,4 кВ с различными сроками эксплуатации...................... 41

2.1.1. Анализ факторов, влияющих на изменение

потерь холостого хода трансформатора................................................... 42

2.1.2. Методика проведения экспериментальных исследований..................... 45

2.1.3. Результаты экспериментальных исследований.................................. 46

2.1.4. Анализ полученных результатов и разработка математических моделей, описывающих изменение мощности потерь холостого хода трансформаторов в процессе эксплуатации............................................. 48

2.2. Экспериментальные исследования графиков электрических

нагрузок потребителей городских электрических сетей..................................... 55

2.2.1. Методика проведения экспериментальных исследований..................... 56

2.2.2. Результаты экспериментальных исследований.................................. 60

2.2.3. Анализ полученных результатов и разработка

математических моделей, описывающих графики электрических нагрузок....... 72

2.3. Экспериментальные исследования систематической погрешности индукционных электросчетчиков с различными сроками эксплуатации................. 79

2.3.1. Анализ состава электросчетчиков потребителей................................ 81

2.3.2. Анализ факторов, влияющих на изменение систематической погрешности индукционных электросчетчиков........................................ 85

2.3.3. Методика проведения экспериментальных исследований..................... 87

2.3.4. Результаты экспериментальных исследований.................................. 88

2.3.5. Анализ полученных результатов и разработка математических моделей, описывающих изменение систематической погрешности электросчетчика в процессе эксплуатации при различных нагрузках.............. 89

2.4. Выводы............................................................................................... 100

Стр.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ГОРОДСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ........................ 101

3.1. Метод оценки и прогнозирования энергетической эффективности работы

силовых трансформаторов......................................................................... 101

3.1.1. Разработка метода расчета мощности потерь холостого хода силовых трансформаторов с различными сроками эксплуатации.............................. 101

3.1.2. Оценка предложенного метода расчета........................................... 105

3.2. Метод определения показателей суточных графиков нагрузки характерных потребителей городских распределительных сетей 0,4 кВ.................................. 108

3.2.1. Оценка точности определения показателей суточных графиков нагрузки 109

3.2.2. Разработка метода построения графика нагрузки фидера

электрической сети и определения его основных показателей...................... 111

3.3. Метод оценки и прогнозированеия энергетической эффективности систем

учета электроэнергии с индукционными электросчетчиками.............................. 117

3.3.1. Корректировка математических моделей зависимости систематической погрешности индукционных счетчиков от срока эксплуатации..................... 118

3.3.2. Разработка метода расчета систематической погрешности индукционного счетчика или группы электросчетчиков............................... 119

3.4. Выводы............................................................................................ 122

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ

ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ХАРАКТЕРИСТИК ОБОРУДОВАНИЯ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ......................................... 123

4.1. Применение метода расчета мощности потерь холостого хода....................... 123

4.2. Применение метода расчета показателей суточных графиков нагрузки............ 125

4.2.1. Повышение точности расчета потерь электроэнергии за счет

уточнения значений коэффициентов формы и реактивной мощности............. 126

4.2.2. Метод определения отпуска электроэнергии в фидер городской подстанции...................................................................................... 129

4.3. Применение метода расчета систематической погрешности индукционных счетчиков............................................................................................... 134

4.4. Комплексное применение предложенных методов расчета при оценке и планировании мероприятий по повышению энергетической эффективности........... 136

4.5. Выводы............................................................................................ 137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................... 139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................... 143

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Выборка результатов экспериментальных исследований

мощности потерь холостого хода трансформаторов.............................................. 154

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Характеристики точек регистрации параметров режима

работы фидеров.............................................................................................. 157

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Выборка результатов экспериментальных исследований

систематической погрешности индукционных электросчетчиков........................... 159

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Справки о внедрении результатов диссертационной работы...... 165

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Особое внимание в настоящее время уделяется вопросам энергосбережения, энергетической эффективности и экономии топливно-энергетических ресурсов, что подтверждается нормативными документами, в том числе и действующим федеральным законом «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности».

Разработка методов оценки и прогнозирования энергетической эффективности работы электротехнических комплексов (ЭТК) городских распределительных сетей (ГРС) является актуальной задачей, решение которой связано с уточнением значений основных составляющих потерь электроэнергии (ПЭ) и направлено на решение проблем оценки и прогнозирования структуры ПЭ как основного показателя энергетической эффективности. Рациональная и эффективная эксплуатация ЭТК ГРС невозможна без четкого представления о структуре и количественных показателях составляющих нормативных и сверхнормативных потерь.

Существующие методы оценки энергетической эффективности работы ЭТК городских распределительных сетей не учитывают изменений характеристик оборудования в процессе эксплуатации и общего низкого уровня информационной обеспеченности электрических сетей напряжением 6-10 кВ и 0,4 кВ, что приводит к необъективным результатам оценок.

В ЭТК ГРС основными составляющими полных ПЭ, значение которых определяется расчетным путем и требует повышения точности расчета, являются условно-постоянные потери в силовых трансформаторах (СТ), нагрузочные потери в линиях 0,4 кВ и метрологические потери, обусловленные систематической погрешностью системы учета электроэнергии.

В настоящее время срок эксплуатации значительной части силовых трансформаторов ГРС с высшим напряжением 6-10 кВ превышает 25-30 лет, а фактические значения мощности потерь холостого хода (МПХХ) существенно отличаются от паспортных значений. Действующие методики расчета ПЭ не учитывают срок эксплуатации СТ, что приводит к погрешности расчета.

При низком уровне мониторинга состояния ЭТК ГРС значительные проблемы расчета нагрузочных потерь электроэнергии связаны с отсутствием исходной информации о параметрах оборудования и режимах работы сетей 0,4 кВ. Это объясняется отсутствием приборов учета на питающих фидерах 0,4 кВ городских подстанций и, как следствие, отсутствием данных о графиках нагрузки и их показателях, используемых в расчетах.

Получение достоверных данных о структуре полных потерь электроэнергии, необходимых для прогнозирования и обоснованного планирования мероприятий по повышению эффективности работы ГРС, невозможно без оценки реального значения метрологических потерь, обусловленных не допустимой, а действительной погрешностью системы учета, большую часть которой, как правило, составляет систематическая погрешность индукционных электросчетчиков (СПИЭ). Действующие методики расчета СПИЭ не учитывают изменений характеристик индукционных электросчетчиков в процессе эксплуатации.

Анализ научно-технической литературы, методик и методов расчета, а также практика проведения работ по расчету потерь электроэнергии в ЭТК ГРС показали недостаточную проработанность проблем, связанных с получением достоверных данных о величине и структуре потерь.

Целью работы является разработка методов оценки и прогнозирования энергетической эффективности электротехнических комплексов городских распределительных сетей, обеспечивающих уточнение расчетных значений потерь электроэнергии как показателя энергетической эффективности в условиях изменяющихся характеристик оборудования при низком уровне информационной обеспеченности.

Поставленная цель достигается путем комплексного подхода к решению проблемы повышения точности расчета трех наиболее значимых составляющих полных потерь электроэнергии в ЭТК ГРС (условно-постоянных потерь в СТ с различными сроками эксплуатации, нагрузочных потерь в сетях 0,4 кВ, метрологических потерь) с учетом влияющих факторов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались задачи, перечисленные ниже.

1) Экспериментальные исследования МПХХ СТ с разными сроками эксплуатации и статистическая обработка полученных результатов с целью выявления факторов, оказывающих наибольшее влияние на изменение МПХХ.

2) Разработка метода расчета мощности потерь холостого хода силовых трансформаторов с длительными сроками эксплуатации на основе математических моделей изменения МПХХ СТ.

3) Экспериментальные исследования графиков нагрузки характерных групп потребителей и анализ изменения потребления электроэнергии за различные временные периоды с целью оценки влияния состава потребителей на показатели графиков и общие закономерности электропотребления.

4) Разработка метода расчета значений показателей графиков нагрузки на основе математических моделей, описывающих графики нагрузки.

5) Экспериментальные исследования изменения СПИЭ в зависимости от срока эксплуатации и нагрузки.

6) Разработка метода определения СПИЭ в зависимости от срока эксплуатации и нагрузки на основе математических моделей изменения СПИЭ.

Методы исследования. В работе использовались теоретические положения электротехники, связанные с процессами передачи и распределения электроэнергии в электрических сетях.

Теоретические исследования проводилось с использованием приемов математической статистики, корреляционного, регрессионного и дисперсионного анализа, а также методов вычислительной математики.

Экспериментальные исследования проводились на действующем оборудовании ЭТК ГРС (полевые исследования) и в лабораториях электрических сетей города Иванова и районных центров Ивановской области.

Обработка результатов исследований проводилась с использованием программных продуктов Microsoft Excel 2007, STATISTICA 6 и

сертифицированного специализированного программного комплекса (СПК) Епег^СБ.

Достоверность результатов работы подтверждается результатами расчетов ПЭ в ЭТК ГРС Ивановской, Вологодской и Ярославской областей, корректным применением методов математической статистики, а также результатами дополнительных экспериментальных исследований.

Научная новизна работы. Основные научные результаты, полученные впервые и защищаемые автором, заключаются в следующем:

1. Методология оценки энергетической эффективности СТ ЭТК ГРС:

-разработан метод расчета МПХХ группы СТ с различными сроками

эксплуатации на основе математической модели изменения МПХХ СТ с высшим напряжением 6-10 кВ в зависимости от срока эксплуатации.

2. Методология оценки энергетической эффективности работы распределительных сетей 0,4 кВ ЭТК ГРС:

-получены значения коэффициентов формы графиков активной нагрузки для рабочих (кф= 1,06-1,08) и нерабочих (кф= 1,05-1,06) дней недели для бытовых потребителей электроэнергии городских распределительных сетей;

- установлен диапазон изменения значения коэффициента реактивной мощности нагрузки бытовых потребителей tg(pcp= 0,28-0,42 при его

среднесуточном значении tg<pcp = 0,35;

- разработаны методы определения показателей суточных графиков нагрузки и потребления электроэнергии за различные временные периоды разными группами бытовых потребителей и объектами городской инфраструктуры на основе математических моделей.

3. Методология оценки энергетической эффективности систем учета электроэнергии с индукционными электросчетчиками в ЭТК ГРС:

- разработан метод расчета СПИЭ с различными сроками эксплуатации, работающих при различных нагрузках, на основе математических моделей изменения СПИЭ в процессе эксплуатации.

Практическая ценность работы. Разработанные математические модели и методы позволяют повысить точность расчетов МПХХ силовых трансформаторов, значений показателей графиков электрических нагрузок и значений СПИЭ, что при низком уровне мониторинга состояния оборудования и режимов работы ЭТК ГРС дает возможность получать объективные данные о величине и структуре потерь электроэнергии, корректно решать проблемы оценки и прогнозирования энергетической эффективности работы ЭТК распределительных сетей (РС) и обоснованно планировать мероприятия по энергосбережению и рациональной эксплуатации.

На основании полученных результатов разработаны рекомендации по внесению изменений в существующие нормативные документы.

Предложенный метод расчета МПХХ СТ внедрен в СПК Епег^уСБ.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

1. Метод и алгоритм расчета МПХХ силовых трансформаторов 6-10 кВ с различными сроками эксплуатации.

2. Метод и алгоритм определения показателей суточных графиков активной нагрузки различных групп потребителей ГРС. Значения основных показателей графиков нагрузки для различных групп бытовых потребителей электроэнергии ГРС: коэффициентов формы графиков активной нагрузки и коэффициента реактивной мощности.

3. Метод и алгоритм расчета СПИЭ с различными сроками эксплуатации, работающих при различных нагрузках.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на: Всероссийской конференции «Неделя науки СПбГПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 2009-2011 гг.); региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Электроэнергетика» (Россия, Иваново, 2006-2007 гг.); международной молодежной конференции «Тинчуринские чтения» (Россия, Казань, 2010 г.); международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Россия, Москва, 2007 г.); международной научно-технической

конференции «XIV Бенардосовские чтения» (Россия, Иваново, 2007 г.); межрегиональной конференции «Комплексные решения Группы компаний СБой для задач проектирования и эксплуатации систем электроснабжения и автоматики» (Россия, Иваново, 2009).

Публикации по теме работы. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 5 - в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех гл�