автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Научные основы повышения энергоэффективности электротехнических комплексов государственных учреждений

Соснина Елена Николаевна

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ГОСУДАРСТВЕННЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

12 ДЕК 2013

Нижний Новгород 2013

005543903

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева»

Научный консультант: - доктор технических наук, профессор

ЛОСКУТОВ Алексей Борисович Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (г. Самара) ГОЛЬДШТЕЙН Валерий Геннадьевич

- доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Теоретическая электротехника и электрификация нефтяной и газовой промышленности» ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина» (г. Москва) ЕГОРОВ Андрей Валентинович

- доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение» ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет» (г. Ульяновск)

КУЗНЕЦОВ Анатолий Викторович

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное учреждение

науки «Объединенный институт высоких температур Российской Академии Наук»

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет" (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СамГТУ, а с авторефератом диссертации на официальном сайте: http://postgrad.samgtu.ru

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; e-mail: aleksbazarov@vandex.ru

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, ^

д.т.н., доцент A.A. Базаров

Общая характеристика работы

Актуальность. Повышение энергоэффективности и снижение энергоемкости экономики России «до уровня стран с аналогичными природно-климатическими условиями (Канада, страны Скандинавии)» в Концепции «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» отнесены к основным требованиям, выполнение которых необходимо для «обеспечения гарантированного удовлетворения внутреннего спроса на энергоресурсы». Согласно Концепции «Стратегии-2030», повышение энергоэффективности заключается в «максимально рациональном использовании энергетических ресурсов», в том числе электрической энергии (ЭЭ).

Важным объектом повышения энергоэффективности являются государственные учреждения (ГУ) — организации, финансируемые из федерального, регион нального, муниципального или местного бюджета (образовательные, здравоохранения и др.). Ежегодно ГУ России потребляют более 100 млрд.кВт-ч в год ЭЭ — десятую долю от всей ЭЭ, вырабатываемой в стране. Значительные расходы ЭЭ обусловлены высокими ее потерями в электрических сетях и изношенностью эксплуатируемого электрооборудования. Действующие электротехнические комплексы ГУ спроектированы без учета современных тенденций управления электропотреблением. По оценкам специалистов, технический потенциал энергосбережения в бюджетной сфере составляет 38% от существующего уровня энергопотребления.

Решение проблемы требует разработки прорывных инновационных технологий, позволяющих кратно повысить энергоэффективность. Таковыми являются технологии интеллектуальных электрических сетей (ИЭС) и малой распределенной энергетики (МРЭ).

Научным основам развития энергетики с учетом требований рационального ' использования топливно-энергетических ресурсов государственными учреждениями посвящено значительное количество исследований отечественных и зарубежных ученых. Следует отметить работы И.А. Башмакова, Г.Я. Вагина, В.М. Зайченко, A.B. Клименко, Б.И. Кудрина, А.Б. Лоскутова, A.B. Бобрякова, С.Ф. Степанова, Белея В.Ф., П.П. Безруких, Л.Б. Директора и др. Большинство работ посвящены энергетическому менеджменту или энергосбережению в системах теплоснабжения. Мероприятия по рациональному электропотреблению ГУ сводятся в основном к разработке автоматизированных систем учета и мониторинга ЭЭ или разработке электрооборудования с улучшенными характеристиками.

В то же время вопросы повышения энергоэффективности электротехнических комплексов путем интеллектуализации электрической сети и подключения источников МРЭ (в том числе развивающейся возобновляемой энергетики) еще недостаточно проработаны. Нет научно-обоснованных технических решений применения в системах электроснабжения ГУ технологий интеллектуальных сетей Smart Greed, обеспечивающих информационный обмен и автоматическое управление режимами электропотребления и качеством ЭЭ. Решения комплексного использования источников МРЭ, позволяющего снизить потери ЭЭ и разгрузить централизованные электрические сети, как правило, касаются автоном-

ного энергообеспечения. Несмотря на большое количество исследований, до сих пор не решена проблема определения научно-технических норм расхода ЭЭ ГУ, учитывающих современные изменения в структуре и характере энергопотребления.

Анализ зарубежных работ показывает, что в развитых странах мира многие проблемы эффективного использования ЭЭ бюджетными учреждениями уже решены. Однако применяемые за рубежом методы и технологии не учитывают особенностей электроэнергетики и электрического хозяйства России (протяженность электрических сетей, значительный износ электротехнических комплексов и систем генерации, передачи и распределения ЭЭ и др.).

Необходимость скорейшего выведения российской электроэнергетики на качественно новый уровень делает актуальным разработку научных основ повышения энергоэффективности электротехнических комплексов на основе рационального электропотребления путем интеллектуализации распределительной электрической сети, интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную сеть, нормирования электропотребления на примере ГУ. ГУ должны стать полигоном для внедрения энергоэффективных технологий и ориентиром для применения этих технологий в промышленности и бизнесе.

Связь диссертации с научными программами. Работа выполнялась в рамках ряда государственных контрактов с Министерством образования и науки РФ по федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072013 годы» (в том числе ГК от 11.10.2011г. № 16.526.12.6016 «Разработка и создание типового ряда трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения и мощности с расщепленной первичной обмоткой трансформатора и ключами однонаправленного тока»; ГК от 15.03.2013г. № 14.516.11.0006 «Разработка технических решений для создания энергоэффективной системы электроснабжения автономного потребителя на основе комбинированного использования возобновляемых источников энергии и устройств оптимального управления»).

Объект исследования — электротехнические комплексы для электроснабжения государственных (муниципальных) учреждений.

Предмет исследования — методы повышения эффективности систем электроснабжения ГУ.

Цель диссертации - повышение энергоэффективности электротехнических комплексов ГУ на основе элементов интеллектуализации электрической сети, интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную электрическую сеть, нормирования электропотребления, обеспечивающих рациональное использование электрической энергии и высокое качество электроснабжения.

Достижение поставленной цели предусматривает решение ряда научных и практических взаимосвязанных задач:

1. Исследование особенностей электропотребления ГУ с целью оценки их электроэффективности и дальнейшей разработки методов рационального использования ЭЭ с учетом специфики электротехнических комплексов и систем.

2. Разработка научных основ создания, имитационное моделирование и исследование активно-адаптивных (интеллектуальных) распределительных электрических сетей с автоматизированными узлами нагрузки 20(10) кВ.

3. Разработка научно-технических решений цифровой трансформаторной подстанции напряжением 10/0,4 кВ с активно-адаптивной системой управления и ее внедрения в систему электроснабжения (СЭС) ГУ.

4. Разработка научно-обоснованных технологических решений интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную электрическую сеть и их комплексного применения в СЭС ГУ.

5. Разработка методологии выбора наилучшего сочетания энергоустановок МРЭ на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) при проектировании энергоэффективной СЭС ГУ.

6. Нормирование годового расхода ЭЭ ГУ с использованием характеристик режимов работы электропотребителей и математических моделей удельного расхода ЭЭ.

При решении этих задач в диссертационной работе впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты.

1. Концепция построения активно-адаптивной (интеллектуальной) распределительной электрической сети 20 кВ как совокупности равномерно-распределенных автоматизированных узлов нагрузки, позволяющих совмещать услугу по электроснабжению от генерирующей компании с информационными потоками в среде единого проводника основной услуги, имеющей топологию связанных шестиугольников (гексагональная распределительная электрическая сеть).

2. Научно-технические решения по созданию и внедрению в системы электроснабжения ГУ цифровой электрической трансформаторной подстанции с. трансформатором, имеющим автоматический регулятор напряжения и мощности под нагрузкой и трехуровневую систему управления.

3. Научные основы и технические решения по интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную электрическую сеть и их комплексному применению (алгоритмы, имитационные модели и схемотехнические решения устройства интеграции разнородных источников энергии; концепция функционирования мини-ТЭЦ в СЭС ГУ в условиях ограниченной мощности).

4. Методология выбора наилучшего сочетания энергоустановок МРЭ на ВИЭ при проектировании энергоэффективной СЭС ГУ, включающая оценку эксплуатационного риска в электроснабжении потребителей при комплексном использовании разнохарактерных ВИЭ.

5. Методики нормирования удельных расходов ЭЭ ГУ, позволяющие определить годовые нормы расхода ЭЭ как для действующих, так и проектируемых объектов.

Методы исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе научных задач применялись методы структурного анализа, математического, имитационного и физического моделирования, теория портфельного анализа

Марковича, аппарат теории вероятностей и математической статистики, методы статистической обработки эмпирических данных, регрессионного анализа.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается корректным использованием основных законов электротехники, апробированных методов компьютерного моделирования электротехнических комплексов и результатами лабораторных и эксплуатационных испытаний. Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

Новый способ построения распределительной электрической сети 20 кВ как совокупности равномерно-распределенных автоматизированных узлов нагрузки, защищенный патентами, позволяет повысить качество электроснабжения потребителей и оперативность информационного обеспечения о протекании технологических процессов и состоянии оборудования в узлах распределения ЭЭ, при непрерывном ведении учета поставок ЭЭ от снабжающей организации.

Научно-технические решения по созданию цифровой электрической подстанции использованы ЗАО «Энергомаш (Екатеринбург) - Уралэлектротяжмаш» и ООО «Теком» при изготовлении опытного образца регулируемого под нагрузкой трансформатора 10/0,4 кВ нового поколения мощностью 400 кВА и его трехуровневой системы управления. Опытный образец регулируемого трансформатора внедрен в систему электроснабжения Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. С учетом результатов испытаний опытного образца разработана конструкторско-технологическая документация для обеспечения промышленного выпуска типовых регулируемых трансформаторов нового поколения мощностью 250-400-630-1000 кВА.

Технология эффективного использования ВИЭ в СЭС ГУ внедрена на предприятии ЗАО «ЭлектроИнтел» и легла в основу разработки и создания экспериментального образца Устройства интеграции с емкостным накопителем, предназначенного для сопряжения разнородных источников ЭЭ, преобразования и передачи ЭЭ потребителю.

Рекомендации по проектированию энергоэффективных СЭС ГУ на основе ВИЭ, а также автоматизированная база данных по энергоустановкам на ВИЭ, защищенная свидетельством и позволяющая проводить сравнительный анализ технических и экономических параметров энергоустановок, могут быть использованы при проектировании и модернизации СЭС потребителей малой и средней мощности.

Разработанные методики расчета годовых норм расхода ЭЭ доведены до практического применения, и могут быть использованы как в образовательных учреждениях, так и ГУ РФ других типов.

Интерактивный обучающий программно-методический комплекс «Энергосбережение» активно используется в учебном процессе при проведении практических и лабораторных работ по дисциплинам «Общая энергетика» и «Экономия энергии» для студентов по специальности «Электроснабжение» факультета автоматики и электромеханики и Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Научные и практические результаты исследования использованы в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Системы электроснабжения», «Специальные вопросы электроснабжения», «Общая энергетика», «Экономия энергоресурсов»; в учебно-методической литературе по проблеме рационального энергоиспользования при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Электротехника и электроэнергетика» и специализациям «Системы электроснабжения», «Электрические системы и сети», «Релейная защита», а также на курсах по переподготовке инженерно-технического персонала по программе «Энергосбережение» в Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены на международных, всероссийских, межрегиональных и региональных конференциях и семинарах:

Российско-Германском семинаре «Возобновляемые источники энергии и переработка отходов» (Н.Новгород, 2004 г.); IV, VIII, X всеросс. НТК «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Н.Новгород, 2001, 2005, 2007 г.); всеросс. научно-практической конференции «Итоги реализации проектов в рамках приоритетного направления «Энергетика и энергосбережение» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072012 годы» за 2008 год» (г. Москва, 2008 г.); семинаре МарГТУ «Об инвентаризации электропотребления зданиями и сооружениями, входящими в состав образовательных учреждений» (г. Йошкар-Ола, 2005г.); региональном семинаре (Приволжский Федеральный округ) «Лимитирование энергоресурсов для образовательных учреждений на 2005 г.»; всерос. научных конференциях НТИ-2006, НТИ-2007 «Наука. Технологии. Инновации.» (г. Новосибирск, 2006,

2007 гг.); XI - XVIII Нижегородских региональных конференциях «Сессия молодых ученых. Технические науки» (2006 - 2013 гг.); VIII-XIII Международных молодежных НТК «Будущее технической науки» (Н.Новгород,

2008 - 2013 гг.); 22, 25 - 31 НТК «Актуальные проблемы электроэнергетики» (г. Н.Новгород, НГТУ, 2003, 2006-2012 гг.); VI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» ПРФН-2009 (г. Томск, 2009); международной НТК «Энергоэффективность — 2009» (г. Краков, 21-23 сентября 2009г); всерос. научно-практической конференции «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений» (г. Москва, МЭИ, 18.11.2009г.); XL, XLI, XLII, XLIII Всерос. научно-практических конференциях (с международным участием) «Федоровские чтения» (г.Москва, МЭИ, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.); 7, 8 всерос. научных молодежных школах с международным участием «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, МГУ, 20 Юг, 2012г.); международной НТК «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Самара, СамГТУ, 2011г.); всеросс. НТК «Реализация НИОКР в области энергетики и энергосбережения» (Москва, МЭИ, 2011г.); всеросс. НТК «Энергосбережение и энергоэффективность технологий передачи, распределения и потребления электрической энергии (Москва, МЭИ, 2012г.); форумах «Великие

реки» (г. Н.Новгород, 2012г., 2013г.); международной научно-практической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы» (г. Ульяновск, УлГТУ, 2012г.); научном семинаре факультета автоматики и электромеханики НГТУ (г. Н.Новгород, 2009г.); XI Всерос. науч. конференции «Нейрокомпьютеры и их применение» (Москва, МГППУ, 2013г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 71 работах, 20 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад. Методологический подход к решению проблемы и предложенные методы повышения эффективности использования ЭЭ ГУ разработаны лично автором. Части исследований, которые проводились в сотрудничестве, отмечены в тексте диссертационной работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и семи приложений. Общий объем 386 стр., из них 296 стр. основного текста, включая 134 рисунка, 53 таблицы. Список использованных источников содержит 341 наименование.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертации проблемы, сформулированы цель и связанные с ее реализацией научные и технические задачи. Определены новизна полученных научных результатов и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о практической реализации результатов.

В первой главе рассмотрены состояние и методическая база повышения энергоэффективности электротехнических комплексов (ЭТК) и СЭС ГУ. Приведена классификация ГУ. Дана характеристика ГУ как потребителей ЭЭ. Проведенные исследования показали, что число уровней СЭС ГУ в зависимости от суммарной установленной мощности электроприемников варьируется от двух до четырех (рис.1).

Основу СЭС ГУ составляют: трансформаторные подстанции 10(6)/0,4кВ; вводные распределительные устройства и распределительные щиты (ЩР) 0,4кВ; электрические сети напряжением 0,38, 6 и 10 кВ.

Определены критерии и показатели электроэффективности СЭС ГУ, основными из которых являются: удельный расход ЭЭ, приходящийся на единицу площади; потери напряжения, мощности и ЭЭ в элементах СЭС; качество поставляемой ЭЭ; коэффициент полезного использования ЭЭ; коэффициент реактивной мощности.

Проведены исследования особенностей электропотребления и оценка эффективности использования ЭЭ ГУ трех групп: образовательных учреждений (высшего, среднего, начального профессионального образования, общеобразовательных и дошкольных); учреждений здравоохранения; административных

Рис. 1. Уровни СЭС ГУ

учреждений. Исследования показали, что для всех групп ГУ характерны большие разбросы удельных расходов ЭЭ. Наиболее энергоемкими являются ГУ высшего профессионального образования.

Проведен аналитический обзор текущего состояния исследований и нормативно-правовой базы проблемы повышения энергоэффективности ЭТК и СЭС ГУ в направлениях развития технологий интеллектуальных электрических сетей, малой распределенной энергетики, применения возобновляемых источников энергии, нормирования электропотребления. Дано обоснование поставленных в диссертационном исследовании задач.

Вторая глава посвящена вопросам повышения энергоэффективности ЭТК ГУ путем разработки элементов интеллектуальной электрической сети 4 уровня СЭС.

Переход к интеллектуальным, управляемым электрическим сетям, обеспечивающим эффективность и надежность функционирования генерации и потребителей, является приоритетным инновационным подходом к решению проблемы энергоэффективности. В России интеллектуализация электрических сетей развивается, в основном, в направлении модернизации энергетического оборудования с установкой многочисленных датчиков. Однако создание автоматически управляемых электрических сетей требует изменения и самой их структуры, определяемой в настоящее время распределительными электросетями (РЭС) 610 кВ. Проведенные исследования показывают, что существующая конфигурация РЭС 6-10 кВ не может удовлетворять растущие требования к надежности, предъявляемые к городским сетям. На рис. 2 приведена типовая схема присоединения потребителей к РЭС 6-10 кВ (одна рабочая секционированная выключателем система шин).

Линия ( (ИП1) Линии 2 (ИП2)

—ш

автоматического

М

о<П МП

I I

Потребители

Х-мгкД"

03

С8

41* М

о/П

11

01-07-6аклтоте1и;

АВР-устроостВо Вйодз резерва;

ДГ) - тр-ор напряжении (ТН);

£ - тр-ор тока (ТГ):

СШ1. - система шин; СШ2

СВ — секционная Ваключотело.

Потребители

Рис. 2. Типовая схема узла нагрузки - распределительного пункта РП 6(10) кВ Наряду с известными достоинствами, у данной схемы имеется ряд недостатков. Так, при ремонте одной секции РП ответственные потребители, питающиеся от двух секций, остаются без резерва, а потребители, нерезервированные по сети, отключаются на все время ремонта; при отказе секционного выключателя в момент короткого замыкания на одной из секций отключаются оба источника питания (ИП).

Вместе с тем, эксплуатируемые РЭС 6-10 кВ характеризуются значительным моральным и физическим износом электрооборудования (до 55%), потерями ЭЭ (до 15-20%) и фактически исчерпали свой ресурс по пропускной способности. По этим причинам является актуальным переход к РЭС напряжением 20 кВ, применение которого вместо 6-10 кВ позволит в разы увеличить пропускную способность сети и снизить потери ЭЭ в линиях. Однако существующая радиально-магистральная схема РЭС не позволит в полной мере реализовать автоматическое управление распределением и потреблением ЭЭ. Альтернативный подход к схемной реализации РЭС должен быть основан на унификации, адаптивности, надежности и построении сети по единым законам и правилам.

С точки зрения надежности и равномерности распределения нагрузок наиболее рациональной является схема РЭС, представляющая совокупность равномерно-распределенных узлов потребления ЭЭ, соединенных между собой равномерно-загруженными линиями одинакового сечения. Поэтому автором предложена топология гексагональной или «сотовой» РЭС (рис. 3,а). Территория с электропотребителями покрывается равномерно-распределенной РЭС, имеющей структуру связанных шестиугольников, в вершинах которых располагаются узлы нагрузки (УН).

а) б)

Рис.3. Принцип формирования РЭС и узлов нагрузки Каждый УН сети имеет строго определенную зону обслуживания, а в центре кольца имеется зона совместного обслуживания. УН имеет три луча (рис. 3,6): питающий (питает нагрузку); резервный (находится в горячем резерве); транзитный (осуществляет транзит мощности). Данная сеть инвариантна: питающий луч может стать, при необходимости, транзитным или резервным, транзитный может стать питающим, резервный - транзитным и т. п., т. е возможна переконфигурация УН и изменение потоков мощности в РЭС в зависимости от той или иной ситуации. Конфигурация РЭС зависит от площади территории и необходимости в УН.

Длина линий между УН (шаг РЭС) определяется плотностью нагрузок, что делает возможным связать с площадью рассматриваемой территории города количество и мощность трансформаторов на РП 20кВ:

4-К

тер

Зл/З-TVp

О)

*РП ц -'>•' "расч у "раем

где - шаг сети, км; 5расч - расчетная полная мощность потребителей, МВА; FTep- площадь территории, км2; NPn - число РП; 5РП- расчетная полная мощность РП, MBA; NTp- число трансформаторов, питающихся от РП; 5нХр- номинальная мощность трансформатора, МВА.

В целом универсальный УН представляет собой интеграцию элементов электросетей в виде генераторов, средств и сетей их подключения, магистральной сети доставки, РЭС, потребителей вместе с информационной сетью, покрывающей всю энергосеть. Такая сеть должна быть аналогом Интернета и основываться на едином пространстве имен и унифицированной системе протоколов обмена информацией. С ее помощью будет осуществляться управление устройствами энергосети. Ключевым элементом таких сетей является интегрированный модуль управления (ИМУ), позволяющий реализовать функции управления, защиты, хранения и передачи информации, функцию оплаты за ЭЭ.

На рис.4 показан вариант схемы РУ универсального УН (РП-20кВ) с ИМУ.

■ I ; Q13 Q3.1Y i , jt»J

: " ! ■ЪюврвттСЛГ ; ■ * ! '

5

Q* Ql <28

Ql <M

oe.

Qt'09-маяюттоян;

СЮ

-rp-epnacm

а -гакртр

¡Ьгрйбтяж Ипрбжяхш

Рис. 4 . Типовая схема универсального УН в РЭС 20 кВ с ИМУ Схема имеет две системы шин (рабочую и резервную), рабочие и резервные выключатели для инвариантных переключений и выполнения ремонтных работ. К шинам РП 20 кВ возможно подключение автономных генераторов, в том числе и на ВИЭ. Схема имеет ограниченное количество вариантов состояния, поэтому легко алгоритмизируется.

Основная задача ИМУ - управление УН в автоматическом режиме. Смена режима УН выполняется путем изменения состояния выключателей в схеме (включен — отключен). ИМУ должен оценить ситуацию в РЭС и выбрать оптимальный из возможных режимов. При этом на каждый из выключателей подается сигнал на включение или отключение. Работу ИМУ можно алгоритмизировать с помощью логических уравнений для каждого выключателя при заданном режиме работы УН. Пример алгоритмов управления УН для одного из режимов приведен

в таблице 1. Логические уравнения составляются с помощью простейшей операции булевой алгебры и задают вид электрической схемы.

Для реализации и проверки работы алгоритмов по переконфигурации интеллектуальной гексагональной РЭС, а также для наглядного отображения топологии сети с численными значениями параметров УН и соединяющих их линий в пакете МаНаЬ разработана компьютерная модель РЭС 20 кВ, наглядно отображающая поведение гексагональной РЭС при различных режимах работы УН: нормальном, предаварийном и аварийном. Предаварийный режим характеризуется отключением резервной линии. При аварийном режиме отключены резервная и транзитная линии. Анализ режимов работы УН показал, что сотовая конфигурация РЭС и принятая схема РУ узла нагрузки 20кВ обеспечивают гарантированное электроснабжение потребителей в случае выхода из строя одной из линий, питающей УН.

Таблица 1 — Алгоритмы управления универсальным узлом нагрузки РЭС

№ п'п Режим Логическое уравнение Описание

1 I ^{П.1 = 'Хдц ' Хд$л ' ' X д4 = Сигнал на катушку отключена* выключателя Ql.¡

= Хди ' Хд]2 'Хдгл 'Хд^2 '^611 '^б*- 'ХдЛ- Уф 2 Снгнал на кагушку ьключення выключателя (¿1.2

3 ^6-1 = Х&А ' 'Хд1х ' ди ' Хд}2 'Хд4 = Снгнал на кагушку отключения выключателя £)2.1

4 г-ж. V У V У У У У уоткм. *<222 ~~ лди ' лд\2 'ле2л 'лдзл 'лб-» ~ б2- Сигнал на катушку включения выключателя <£2.2

5 ^£3.1 = Хди 'Хд\2 'Хдц ' Xд2.2 ' Xду\ 'ХдЪ1 ' Хд4 = Снгнал на катушку включения выключателя '

6 = Xд1Л 'Хд]2'Хд2А ' Xд> 2 ' Хди 4 Хд3 : ' Хд4 = Снгнал на катушку отключения выключателя ()3.2

7 уоткя. у у у у у уг у учи. б* ~ б'» * Д 61- 62.1 * Л 62.- * Л 63.» ' 63- ' Л 0* " б4 Снгнал на катушку отключения выключателя Q¡. 1

Важным вопросом при выборе электрооборудования гексагональной РЭС является расчет токов короткого замыкания (ТКЗ). В гексагональных электросетях при коротких замыканиях возникают параллельные и замкнутые цепи, поэтому традиционные методы расчета ТКЗ могут давать погрешности, не удовлетворяющие условиям выбора электрооборудования и уставок релейной защиты.

Для расчета ТКЗ в УН РЭС разработана однолинейная Б^тиПпк-модепъ гексагональной РЭС (рис.5) района г.Н. Новгорода со средней плотностью нагрузки 9 МВА/км2. Параметры РЭС рассчитаны для рабочего линейного напряжения 20 кВ. Питающие узлы заданы, исходя из возможной перспективы развития го____родской сети ВН. Обоснована и

Рис. 5. Гексагональная сеть 20 кВ, наложенная на

площадь районов г.Нижнего Новгорода (69,4км2) предложена упрощенная методика инженерного расчета ТКЗ с применением коэффициента ветвления.

:Площяль. \ рассматрн*гч<*

*|вг*я|0|ви». ::

I X '' ' '

А-Л

> }

Граф с«тв 20 кВ

Для построения эквивалентной схемы замещения на графе от каждого /питающего узла определяется минимальное расстояние до точки КЗ, т.е. длина эквивалентной ветви, состоящей из Л', линий единичной длины (равной шагу РЭС). ТКЗ /-го УН равен току, рассчитанному по эквивалентной схеме (рис.6).

п

I*.

/ =-

1

(2)

где Е - напряжение питающего УН, В; ЛГ. - число единичных линий /-той эквивалентной ветви; к - эмпирический коэффициент ветвления, учитывающий удаленность точки КЗ от ближайшего питающего узла; — эквивалентное сопротивление системы, Ом; 2 - сопротивление единичной линии, Ом.

К

К

Л

Z

Е, 1,

Б,

1Ш,

Рис. 6. Эквивалентная и поясняющая схемы к расчету ТКЗ в гексагональных РЭС Проведенные исследования показали устойчивость и равномерность значений ТКЗ (рис.7), на которые практически не влияет удаленность от источника питания (ИП). Стабильность ТКЗ в УН свидетельствует о стабильности гексагональной РЭС в целом. Однако параллельная работа ИП приводит к увеличению ТКЗ в УН РЭС. Установлено, что значения ТКЗ при числе питающих узлов в РЭС

более двух превышают коммутационную способность выключателей 20 кВ, вследствие чего возникает необходимость в токоограничиваю-щих реакторах в цепи «Трансформатор 110/20 кВ -Шины питающего узла 20 кВ».

На величину ТКЗ в гексагональных РЭС влияет

ЛЪА

адо* яже

«мое за*» зм» |

:гяагг®яйзааЕса в»"«" а'35 8 3 3 3

Тмш к^шм* мяьшэшки луляа шш

Рис. 7. Токи короткого замыкания в узлах РЭС 20 кВ

конфигурация сети, единичная мощность и число параллельно работающих ИП.

Установлено, что прямая привязка модели РЭС к «форме» города негативно сказывается на топологии самой РЭС: появляются участки со слабыми связями, причем с уменьшением шага сети таких элементов становится больше. Рациональнее поделить единую сеть на зоны, имеющие резервные связи (по кабельным линиям) в горячем резерве. Единая гексагональная РЭС должна быть разделена на отдельные участки, питающиеся от одного или двух источников.

Переход от единой сети к РЭС, состоящей из отдельных зон (рис.8) позволяет снизить уровень ТКЗ.

Рис. 8. Переход от единой сети к РЭС, состоящей из отдельных зон

Также в отдельных зонах можно более точно учитывать нагрузку района, а уменьшение шага сети повышает ее гибкость.

Необходимо формировать сети, состоящие из изолированных зон, которые имеют связи друг с другом и находятся в «горячем» резерве. Анализ результатов различных режимов в изолированных зонах показал, что значение ТКЗ в таких сетях допустимо для выбора и функционирования современного электрооборудования. Для нормальной работы рассматриваемой сети необходимо разрабатывать четкие алгоритмы для ее функционирования в нормальных и аварийных режимах.

Реализация разработанной концепции интеллектуализации электрических сетей существенно повысит качество электроснабжения подключаемых к ним как ГУ, так и других потребителей ЭЭ. Интеллектуальные гексагональные РЭС позволят реализовать автоматическое управление режимами электропотребления в УН и качеством ЭЭ, сделать сеть гибкой, вывести электроэнергетику на новый уровень, соответствующий современным мировым стандартам и запросам потребителей.

Третья глава посвящена вопросам разработки цифровой трансформаторной подстанции (ТП) 10-20/0,4 кВ с активно-адаптивной системой управления и автоматическим плавным регулированием напряжения (ТП 3 уровня СЭС ГУ на рис.1).

Новый подход к построению РЭС с автоматизированными узлами нагрузки и возможностью подключения автономных генераторов требует разработки ТП 10-20/0,4кВ нового поколения с активно-адаптивной системой .управления, позволяющих под нагрузкой регулировать напряжение, а также величину и направление мощности при работе автономных энергоустановок на шины 0,4 кВ ТП. Автором разработана концепция цифровой электрической подстанции (ЦЭПС) 10-20/0,4 кВ с регулируемыми под нагрузкой трансформаторами (РТр), на основе которой приняты научно-технологические решения по созданию опытного образца РТр напряжением 10/0,4 кВ мощностью 400 кВА с тиристорным регулятором напряжения и мощности и трехуровневой системой управления (рис. 9). РТр - это силовой трансформатор сухого исполнения с расщепленной обмоткой ВН (рис.10) и устройством автоматического регулирования под нагруз-

14

кой (АРПН). Схема соединения обмоток - У-У/Ун.

10 кВ ДНТ 1 —• ТиристЬрный КОММуТвТОр С ключами ОТ дт Трансформатор С расщепленными обмотками ВН ДНТ. 2

0,4 кВ

1г.

^ Система управления

Рис. 9. Структурная схема регулируемого под нагрузкой трансформатора ЦЭПС АРПН представляет собой блок тиристоров для бесконтактного переключения регулировочных отводов РТр.

Коммутация осуществляется на стороне ВН трансформатора. Особенностью силовой части РТр является однонаправленное протекание токов по расщепленным первичным обмоткам. Возникающие при коммутации контурные токи замыкаются через открытые вентили соседних фаз. В отличие от классической схемы регулятора с тиристорными ключами, данные токи ограничиваются как сопротивлением регулировочной обмотки, так и полными сопротивлениями двух сетевых обмоток.

Рис.10. Принципиальная схема РТр

Это позволяет снизить возникающую перегрузку до 2,5 кратного значения номинального тока. Данная схема делает невозможным постоянное протекание ТКЗ в цепи и образование контуров глухого КЗ. Установившийся ТКЗ в кабельной линии будет протекать в течение одного полупериода, соответствующего направлению включения тиристора, обеспечивая снижение тока более чем в 1,41 раза по отношению к току аварийного режима в классической схеме. Система управления РТр разделена на три уровня (рис.11).

3 уровень Г "*" - — — —

управления • Распределенная система мониторинга и управления (РСМУ) |

^^ - централизованное управление несколькими РТр;

— реализация иерархия управления;

- удаленный доступ к информации.

2 уровень управления

1 уровень | управления I физически!) '

..................................А 8

Активно-адаптивная система управления (ААСУ) |

- оперативное управление РТр; >•

диагностика, зашита, измерение, контроль и учет ЭЭ; оперативное хранение и передача информации в РСМУ.

Технологическая система управления (ТСУ)

V.

- физическое выполнение команд оперативного управления РТр;

- диагностика я измерение необходимых величин функционирования.

Рис.11. Уровни системы управления РТр

I

к

Тиристоркый регулятор

Опытный образец РТр изготовлен и внедрен в составе ТП в систему электроснабжения НГТУ им. P.E. Алексеева. В режиме неравномерности нагрузок между секциями трансформаторов Т1 и Т2 (рис.12) возможен режим параллельной работы трансформаторов, при этом ТСУ и ААСУ настраивают регулятор на равномерную загрузку трансформаторов. ААСУ позволяет собирать оперативную информацию о текущих процессах на подстанции и передавать ее с помощью PLC модемов (рис.13). ААСУ имеет интерфейсы, позволяющие опрашивать устройства, управлять ими и объединять в интеллектуальную сеть. ААСУ позволяет реализовать любые алгоритмы работы распределительной сети.

Рис. 12. Схема подключения ЦЭПС с РТр

На виртуальной &'ты/ш£-модели системы электроснабжения с РТр были проведены исследования энергоэффективных режимов работы РТр: режима параллельной работы РТр (Т1) и стандартного трансформатора (Т2); режима работы с автономным ИП, подключенным к шинам 0,4 кВ РТр. Результаты исследований были учтены при проектировании ТП 10/0,4кВ с РТр и системы электроснабжения потребителей НГТУ.

Рис.13. Активно-адаптивная система управления РТр

Рассмотрены вопросы безопасности и экологичности разработанной ЦЭПС 10/0,4 кВ с Ртр: выполнен расчет шумового воздействия Ртр, определена напряженность электрического поля, создаваемого электрооборудованием. Проведенные исследования показали, что процесс эксплуатации РТр не оказывает вредного воздействия на здоровье обслуживающего персонала и окружающую среду.

РТр найдет применение в системах электроснабжения потребителей 0,4 кВ, позволяя осуществлять дискретное и плавное регулирование переменного выходного напряжения в широком диапазоне без возникновения коммутационных токовых перегрузок. Предполагается, что ЦЭПС в будущем будет являться узловым элементом активно-адаптивной интеллектуальной РЭС.

Четвертая глава посвящена методам повышения энергоэффективности ЭТК 2 уровня СЭС (рис.1) ГУ путем интеграции в централизованную электрическую сеть (ЦЭС) энергоустановок (ЭУ) малой распределенной энергетики (МРЭ) как на возобновляемых энергоресурсах, так и органическом топливе (мини-ТЭЦ). Автономные ЭУ МРЭ, установленные у потребителя и включенные параллельно с ЦЭС, позволяют снизить электропотребление от единой энергетической системы, а вместе с тем потери мощности и ЭЭ в РЭС.

Основу малой энергетики России составляют до 50 тыс. различных электростанций (более 98% из них — дизельные) средней единичной мощностью 340 кВт и суммарной — 17 млн кВт (8% от общей установленной в России мощности). Доля ВИЭ составляет менее 1%, однако развитие ВИЭ относится к главным приоритетам государственной энергетической политики РФ. Проведен анализ современных технологий генерации МРЭ на основе ВИЭ: солнечных (СЭУ) и ветровых (ВЭУ) энергетических установок; мини- и микроГЭС; топливных элементов; ЭУ на биотопливе. Установлено, что технический потенциал ветровой и солнечной энергетики РФ на порядок выше, чем у других ВИЭ. Однако широкое применение энергии ветра и солнца ограничивается невысокой плотностью энергетических потоков и непостоянством во времени, приводящее к неравномерно-

сти выработки ЭЭ, высокому эксплуатационному риску в электроснабжении потребителей. При разработке энергоэффективных СЭС ГУ перспективно применение гибридных ИП на основе разнохарактерных ВИЭ, работающих параллельно с централизованной электросетью. При этом возникает необходимость обеспечения сопряжения выходных параметров ВИЭ с параметрами ЕЭС и потребителя ЭЭ.

Разработана концепция интеллектуального адаптивного устройства интеграции разнородных источников ЭЭ (УИИЭ), обеспечивающего сопряжение выходных параметров ВИЭ с параметрами ЕЭС и потребителя ЭЭ. Разработан алгоритм функционирования УИИЭ, реализующий его основные возможности: активно-адаптивное подключение и оптимизация параметров первичных ИП; определение электрических параметров потребителя ЭЭ; стабилизация выходных параметров напряжения (сеть потребителя) обеспечение гарантированного и безаварийного питания потребителей ЭЭ. На основе алгоритма разработаны схемотехнические решения УИИЭ (рис.14).

Рис.14. Структурная функциональная схема экспериментального образца УИИЭ Проведено компьютерное моделирование режимов работы универсального преобразователя и определены основные параметры его элементов. Изготовлена физическая модель универсального инвертора напряжения мощностью 4 кВА. Результаты испытаний физической модели показали практически полное соответствие данным полученным при компьютерном моделировании (погрешность менее 5%). Изготовлен экспериментальный образец УИИЭ на полную мощность нагрузки 30 кВА. Проведенные испытания экспериментального образца УИИЭ подтвердили работоспособность устройства при определенных стандартами параметрах испытательных напряжений, токов й допустимых перегревах. На рис.15 приведена однолинейная схема энергоэффективной СЭС с УИИЭ. Интеллектуальное УИИЭ открывает возможность широкого использования ВИЭ.

Применительно к ЭТК и СЭС ГУ проведен сравнительный анализ ЭУ МРЭ на базе органического топлива: дизельных, газопоршневых, газотурбинных (единичной установленной мощностью до 1МВт). Рассмотрены их достоинства и недостатки. Газопоршневые ЭУ отличаются высокой экономичностью, приемистостью и экологичностью. Повышение энергоэффекгивности СЭС ГУ может быть достигнуто путем применения газопоршневой мини-ТЭЦ. Ее достоинствами являются: низкая стоимость вырабатываемой ЭЭ и тепла; мобильность; быстрая окупаемость; высокий КПД при частичных нагрузках; возможность эксплуатации в полностью автоматическом режиме и др.

Энергосистема

ОР2-5Л А Л \

пнЕЫ±Н2

Интеллекту- X

альное УИИЭ - __ С)1'7

\\\\ I-

И

',4кВ

Потребители 0,4 кВ

ЩМ 0,4 кВ

К ОР'к орюХ

| ЩР1 0,4 | щр2 0,4 1

1 171 I I ТГ7Т

ЩРЗ 0,4

Т~1~г

ОР11-19

¥¿>9

Элеюроприемники Рис.15. УИИЭ в составе энергоэффективной СЭС ГУ

По назначению мини-ТЭЦ может служить в качестве основного, дополнительного или резервного источника ЭЭ для СЭС ГУ.

Известно, что электрическая мощность является определяющей при выборе газопоршневых мини-ТЭЦ. Способ расчета электрической установленной мощности мини-ТЭЦ для ГУ зависит от назначения мини-ТЭЦ. Определение установленной мощности мини-ТЭЦ (Ру тэц) как основного источника ЭЭ производится, исходя из анализа суточных и годовых графиков электрической нагрузки действующих ГУ, или по расчетной мощности проектируемых ГУ, при этом:

^у.тэц — ^м.гу ИЛИ РУ .ТЭЦ — ^р.гуэ О)

где Рм гу - получасовой максимум нагрузки ГУ; Рргу - расчетная мощность ГУ. Установленная мощность мини-ТЭЦ как дополнительного источника ЭЭ:

Ру.тях ~ ^ч гу~~ -^М.ЭС ИЛИ Ру.ТЭЦ — ^°р.гу ^м.эс» (4)

где Рм.эс - мощность, которую энергосистема может передать ГУ в период максимума нагрузки.

Установленная мощность мини-ТЭЦ как резервного источника ЭЭ:

(5)

1=1

где Яр, - расчетная мощность ответственных потребителей; п - число ответственных потребителей.

На основании проведенных исследований показано, что мини-ТЭЦ целесообразно размещать на территории ГУ рядом с потребителями ЭЭ. Это позволяет

применять напряжение генераторов 0,4 кВ вместо 10 кВ, что значительно снижает стоимость мини-ТЭЦ и системы электроснабжения ГУ.

Эффективность использования мини-ТЭЦ во многом определяется согласованностью ее режимов работы с графиками электрической и тепловой нагрузок ГУ. В каждом случае для конкретных условий эксплуатации рекомендуется выбирать оптимальную схему подключения мини-ТЭЦ и соответствующие технические характеристики энергоблока. Характерной особенностью режимов работы ГУ является совпадение формы графиков его электрической и тепловой нагрузок, что делает применение мини-ТЭЦ особенно перспективным для целей электроснабжения, теплоснабжения и кондиционирования ГУ (тригенерация). Основная задача оптимизации схем энергоснабжения - добиться максимально возможного коэффициента использования установленной мощности мини-ТЭЦ. Рассмотрены экологические аспекты применения мини-ТЭЦ: акустическое воздействие мини-ТЭЦ с газопоршневыми и дизельными двигателями на окружающую среду и влияние вида топлива мини-ТЭЦ на эмиссию парниковых газов.

Применение мини-ТЭЦ при полной автоматизации режимов ее работы может значительно повысить энергоэффективность ГУ, одновременно снижая затраты на энергоносители и увеличивая надежность и бесперебойность снабжения ГУ электрической и тепловой энергией. Для этого необходима разработка оптимального, гибкого комплекса алгоритмов управления и создание на их основе автоматизированных систем управления режимами работы мини-ТЭЦ.

Петая глава посвящена вопросам выбора наилучшего сочетания энергоустановок на ВИЭ при проектировании энергоэффективной СЭС ГУ. Разработаны рекомендации по применению ВИЭ в СЭС ГУ, включающие выбор ЭУ, использование информации о метеоданных региона, оценку эксплуатационного риска в электроснабжении при комплексном использовании разнохарактерных ВИЭ, учет экологического воздействия ЭУ на ВИЭ на окружающую среду.

С целью оптимизации выбора ВИЭ для проектируемой или реконструируемой СЭС автором разработана автоматизированная база данных (БД) по современным ЭУ на ВИЭ. БД включает четыре раздела: 1) солнечные фотоэлектрические ЭУ; 2) ветровые ЭУ; 3) мини- и микрогидроэлектростанции; 4) ЭУ на топливных элементах. Возможности БД: сортировка информации по фирмам-производителям, типам ЭУ и их характеристикам; оперативный поиск необходимой информации; редактирование информации (ввод новых и удаление устаревших данных с автоматизированной их адаптацией на общем фоне БД); построение гистограмм; сравнительный анализ технических (энергетических и конструкционных) и экономических характеристик ЭУ. Достоинством БД является широкая номенклатура современных ЭУ.

Как правило, при выборе ВИЭ основными критериями являются: стоимость вырабатываемой ЭЭ, доля замещения углеводородного топлива, габариты и стоимость применяемых энергоустановок, расстояние от потребителя до сетей централизованного электроснабжения. Данные критерии определяют экономические и технические показатели эффективности проекта. В работе автором решалась задача исследования рисков нарушения электроснабжения, зависящих от случайного характера поступления возобновляемой энергии.

В задачах электроснабжения широко используются вероятностные методы. Как правило, случайной величиной считается потребляемая объектом мощность, а экспериментальные данные часто позволяют считать закон ее распределения близким к нормальному. Если предположить, что мощность нагрузки задана, тогда случайной величиной можно считать мощность ИП. Изменение величины генерируемой мощности может быть связано с ресурсными и природными ограничениями (изменение скорости ветра и т.д.). При использовании одного ВИЭ будем считать функцию его мощности распределенной нормально с математическим ожиданием Р и стандартным отклонением а. Эксплуатационный риск в электроснабжении потребителей Я определяется как вероятность события, когда мощность ИП Р становится меньше некоторого заданного предельного значения, например, Р = А. Предположим, что мощность ВИЭ является случайной величиной с нормальным распределением (рис. 16). Площадь затемненной области слева соответствует уровню эксплуатационного риска, который может быть рассчитан по формуле:

К

1

" 2а2

с1х.

(6)

/р>

ЛЛ) — •

т

р

Рис. 16. Нормальное распределение мощности ВИЭ

Стандартное отклонение портфеля:

При использовании нескольких источников ЭЭ, работающих одновременно, для оценки эксплуатационного риска можно использовать аппарат портфельного анализа. Математическое ожидание мощности портфеля из N источников ЭЭ:

= (7)

/=1

где Р1 - математическое ожидание мощности /-го источника.

N N

стпорт = ЛЕ2>/°";Л,-> (8)

где / — номер одного источника,/' - номер другого источника, а, - стандартное отклонение для источника /', ст,- - стандартное отклонение для источника ], р,у — коэффициент корреляции между мощностями источников / ну (-1 < р,у< 1, р„ =1).

Для корректного сравнения различных комбинаций источников ЭЭ целесообразно ввести следующие ограничения: 1) суммарные мощности различных комбинаций источников одинаковы; 2) однотипные источники имеют одинаковые коэффициенты вариации (СУ = =) и полную положительную взаимную корреляцию. В этом случае эксплуатационный риск в электроснабжении потребителей определяется как вероятность того, что суммарная мощность портфеля источников окажется меньше требуемой:

К= I ^ е ^ (9)

_<лл/2я-£7порт

С ростом N эксплуатационный риск уменьшается, причем, чем меньше коэффициент корреляции между мощностями источников, тем меньше эксплуатационный риск в электроснабжении потребителей.

Использование однотипных источников, для которых ру = 1, практически не дает уменьшения риска. Расширение комплекса ВИЭ (ветроэнергетические установки, солнечные фотоэлектрические батареи, мини-ГЭС, топливные элементы и др.), работающих на общего потребителя, позволяет обеспечить его энергонезависимость и снизить электропотребление от ЕЭС. При этом очевидно, что коэффициенты корреляции для различных пар ИП меньше единицы. В ряде случаев корреляция ИП может быть отрицательной. Например, в пасмурные дни снижается эффективность солнечных батарей. Вместе с этим может наблюдаться усиление ветра, что ведет к увеличению выработки ЭЭ ветровыми ЭУ. Это приводит к существенному снижению эксплуатационного риска в электроснабжении потребителя.

Разработана методика выбора наилучшего сочетания ЭУ на ВИЭ с учетом эксплуатационного риска в электроснабжении потребителей (ЭРЭП). ЭРЭП при использовании ВИЭ определяется как вероятность того, что суммарная мощность совокупности источников ЭЭ окажется меньше требуемой. Таким образом, учет ЭРЭП позволяет оценить вероятность неполучения потребителями требуемой (расчетной) мощности вследствие присутствия риска непостоянства энергоносителей. На рис. 17 приведен алгоритм выбора наилучшего сочетания разнородных

ВИЭ в СЭС ГУ.

В блоке ввода исходных данных задаются параметры для расчета нагрузки, экономические параметры проекта, метеоданные региона. Формируются все возможные комбинации портфелей ВИЭ. Первым условием отбора портфелей ВИЭ является оценка экономической привлекательности проектов. Для выбранной группы портфелей ВИЭ проводится анализ риска в электроснабжении потребителей.

Разработанная методика позволяет сопоставить экономические показатели проектов с риском в электроснабжении и определить наилучший вариант соотношения «стоимость — вероятность нарушения электроснабжения».

Выработка ЭЭ на основе возобновляемых источников считается экологически «чистым» вариантом», однако воздействие на окружающую среду ВИЭ в определенных областях может быть отрицательным, что необходимо учитывать при

Рис. 17. Применение ЭРЭП при проектировании СЭС ГУ с ВИЭ

проектировании. Разработаны рекомендации по применению ЭУ на ВИЭ (ветровых, солнечных ЭУ, мини-ГЭС и ЭУ на биотопливе) в СЭС с учетом воздействия на окружающую среду, которые необходимо учитывать при выборе вида и места расположения ЭУ.

Шестая глава посвящена вопросам развития методов рационального электропотребления ГУ, включающих подходы к расчету научно-технических норм расхода ЭЭ с учетом специфики ГУ и разработку программно-методического обеспечения для подготовки кадров в области энергосбережения и повышения энергоэффективности.

Проведенные исследования удельных расходов заявляемого потребления ЭЭ большой группы ГУ показывают, что они имеют большие разбросы (до 2^-5 крат) даже для ГУ одного назначения. Это объясняется отсутствием в РФ научно-обоснованных методов нормирования расхода ЭЭ ГУ. Отсутствие нормативных документов по расчету норм расхода ЭЭ для ГУ не позволяет объективно оптимизировать запрашиваемые ГУ заявки на потребление ЭЭ и проводить энергосберегающую политику в этом направлении повышения энергоэффективности объектов бюджетной сферы. Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности...» от 2009г. также диктует разработку научно-технических норм расхода ЭЭ для ГУ.

Исследования показывают, что система норм и нормативов потребления ЭЭ ГУ должна строиться по иерархическому принципу и охватывать следующие уровни: I - уровень подведомственного ГУ; II - муниципальный уровень (район, город); III - уровень субъекта РФ (область, республика, край); IV - федеральный уровень (агентство, министерство).

К расчету норм расхода ЭЭ для первого уровня электропотребления возможны два подхода: 1) на основе фактического потребления ЭЭ за последние три года; 2) на основе характеристик режимов работы электроприемников (ЭП).

При первом подходе годовая норма расхода ЭЭ:

= ДГЭ, (10)

где Идф - базовая величина годового расхода ЭЭ (среднее фактического электропотребления за последние три года); ЛИэ ~ величина снижения расхода ЭЭ за счет внедрения мероприятий по энергосбережению, определяемая на основе энергоаудита ГУ. Если составляющая Д Иэ определена некорректно, возможно завышение нормативов потребления ЭЭ.

Второй подход дает большую точность расчета норм расхода ЭЭ, однако информации по ЭП и режимам их работы для ГУ в справочной литературе нет. Необходимые данные могут быть получены на основе аудита помещений и зданий ГУ. Например, для образовательного учреждения (ОУ) годовая норма расхода ЭЭ определяется:

п к к

< = + *с5Ход)+»но+д<с, (и)

¡-1 ;=1 /=1

где п - количество зданий ОУ; к - количество помещений в здании; (И'воу ) — годовая норма расхода ЭЭ силовой нагрузки (внутреннего освещения) /-го поме-

щения j-то здания; - годовая норма расхода ЭЭ наружного освещения; Д<с - годовая норма потерь ЭЭ в питающей сети, Кс - коэффициент спроса.

Проводится функциональный анализ использования помещений по назначению и их электрического хозяйства. При этом учитываются направления использования ЭЭ: лекционные аудитории административные помещения; места общего пользования; помещения с общетехническим электрооборудованием зданий; кафедры; буфеты, столовые; котельные, жилые комнаты (для общежитий) и проч.

Годовая норма расхода ЭЭ силовой нагрузки помещения:

^а ~ 2(Рут " fy • Ки1 • Гп), (12)

/=л

где п - количество типов ЭП, шт.; Яуст/ - установленная мощность ЭП /-го типа (паспортные данные), кВт; Ni - число ЭП /-го типа, шт; Кк1 - коэффициент использования установленной мощности ЭП /-го типа (справочные- данные), o.e.; Tri -годовое число часов работы ЭП /-го типа, ч.

Анализ показывает, что TTi зависит от режимов работы силовых ЭП. Для ЭП, используемых административно-хозяйственным персоналом и ППС, при фиксированной длительности рабочей недели Т„: Тт = Ти ■ NH, где N„ - годовое число рабочих недель. Для общетехнического электрооборудования зданий при фиксированной длительности рабочего дня Тю: Тт=Твя- Nm, где N№ - годовое число рабочих дней. Для ЭП лекционных аудиторий Тп определяется по плану учебного отдела; для лабораторий, учебных мастерских, спортзалов - по учебным планам соответствующих кафедр.

Годовая норма расхода ЭЭ осветительной нагрузки помещения:

<о; = Русг-п-Тг , (13)

где п - количество ламп в помещении, шт.; Руст- установленная мощность одной лампы, кВт; Тг - годовое число часов работы источников света помещения, ч.

В случае планируемой реконструкции системы освещения с заменой светильников рекомендуется использовать метод удельных мощностей:

W„»oi = Pya-F.TT, (14)

где Руа - удельная установленная мощность искусственного освещения помещения при выполнении норм освещенности, Вт/м2; F - площадь помещения, м2.

Годовое число часов работы источников света зависит от специфики работы ОУ. Нормы времени использования осветительной нагрузки для служб и отделов определяются в зависимости от количества смен работы и наличия естественного освещения. На основе проведенных исследований разработаны нормы времени для помещений общего пользования, лабораторий, учебных мастерских и лекционных аудиторий.

Годовая норма расхода ЭЭ наружного освещения:

W£0=Py„-Nc-Kc-Tr, (15)

где Руст - установленная мощность ламп в одном светильнике; Л^ - суммарное количество светильников; Кс - коэффициент спроса. Нормы времени использования осветительной нагрузки наружного освещения (Г,, ч) устанавливаются в зависимости от режима работы: для включенного всю ночь - 3500 ч., для выключаемого в час ночи - 2350 ч.

Проведенный анализ показывает, что годовые потери ЭЭ в электрической сети следует учитывать, если на балансе ОУ имеются: ТП 10(6)/0,4 кВ; ЛЭП 10(6) кВ или ЛЭП 0,4 кВ (от городской ТП до ввода в здание ОУ). Для их расчета рекомендуется выражение:

п т

ДЖр=ХА^тР,+1А^ЛЭП/- (16)

¡=1 у=1

где ДЖТр, — годовые потери ЭЭ в /-ом трансформаторе ТП, кВт-ч; и — количество трансформаторов ТП, шт; ДИ'лэгу- годовые потери электроэнергии в у'-ой ЛЭП,

кВт-ч; т - число ЛЭП, шт.

Предложенная автором методика расчета норм расхода ЭЭ на основе характеристик режимов работы ЭП положена в основу создания программного комплекса и рекомендуется для использования при самообследовании ГУ.

При разработке нормативов электропотребления на муниципальном, региональном, федеральном уровнях перспективно применять математические модели, построенные по статистическим данным по элекгропотреблению ГУ. Применение статистических моделей для описания закономерностей электропотребления ГУ одного назначения обусловлено тем, что для них характерен устойчивый и однотипный режим работы и состав ЭП. Главной предпосылкой эффективного использования статистических моделей является их адекватность реальному процессу элекгропотребления.

За объект исследования автором взяты ОУ Приволжского Федерального округа (ПФО), статистические данные фактического расхода ЭЭ по которым были предоставлены НИИ Энергоэффективных технологий НГТУ. Сформированная база данных включает информацию о годовом общем и удельном потреблении ЭЭ, численности обучающихся, общей площади помещений объектов по каждому из 232 ОУ ПФО за четыре года. С целью формализации исследований автором проведена классификация ОУ ПФО. По основным признакам ОУ разделены на десять групп: классические университеты численностью обучающихся до и выше 14 тыс. чел., технические университеты, академии, институты, техникумы, колледжи, ПТУ, ПУ и лицеи.

Для обработки статистических данных и моделирования удельного электропотребления выбран классический аппарат регрессионного анализа на базе современной интеллектуальной системы Лд/йй'ся. Исследована динамика и оценены пределы изменения м>ул по выделенным группам ОУ. На основе анализа временных рядов установлено, что м/ул являются величинами случайными. Исследование соответствия эмпирических распределений случайных величин -н?ул теоретическим показало, что н>уд имеет логнормальное распределение для всех групп ОУ. Определены основные характеристики случайных величин (математическое ожидание Мм>уд, и дисперсия Ьмуд), значения которых могут быть использованы

при прогнозировании электропотребления ОУ. Корреляционный анализ выявил тесную взаимосвязь удельного электропотребления ОУ с площадью помещений зданий и численностью обучающихся. В большей степени >*>уд зависят от площади зданий. Математическое описание энергетических характеристик можно представить в виде:

П0 = Л*1(0,-..,*4(0]+<К0, (17)

где У(1) - удельные расходы ЭЭ ОУ; Х(1) - входные параметры, характеризующие площадь, объем помещений здания, количество учащихся, студентов и т.д.; е(0 -эквивалентный шум, заменяющий действие всех неконтролируемых параметров.

Построены линейные регрессионные модели, отражающие зависимость удельного электропотребления от двух переменных - численности обучающихся и площади зданий. В общем случае уравнение можно представить в виде:

Г = Ь0+Ь1Х1+Ь2Х2 , (18)

где 6,— неизвестные коэффициенты регрессии; Х1 - численность обучающихся ОУ; Х2 — общая площадь полов зданий ОУ.

Значимость уравнений оценивалась критерием дисперсионного анализа (Р - критерий), коэффициентом детерминации (Л2) и значением стандартной ошибки уравнения. Адекватность полученных моделей оценивалась графическим анализом регрессионных остатков. Анализ полученных моделей показал, что линейная регрессия не достаточно точно описывает взаимосвязь и>уд, Щ. Нелинейный регрессионный анализ позволил получить более точные модели удельного энергопотребления. В основе нелинейных регрессионных уравнений лежит полином второй степени:

7 = ¿о + ЬхХх + Ь2Х2 + ¿3X1X2 + + Ъ5Х\ + Ь6(ХхХ2 )2 (19) В таблице 2 приведены результаты моделирования м>уд для вузов ПФО.

Таблица 2- Результаты нелинейного регрессионного анализа иуд для вузов ПФО

Группа ОУ Регрессионная модель

Классические университеты (> 14 тыс. чел) Y = 0,125 • 10^*, -0,065 • 10^*2 -0,358• Ю-10*,2 + 0,295• 10_12*|

Классические университеты (< 14 тыс. чел) Y = 0,0371 + 0,395 ■ 1О'11 Х\ -1,051 • 10-19 (Хх ■ Х2 f

Технические университеты r = 0l0M0"4JT2 -0,382-Ю-10*2 -0,119-10~uXf

Институты Y = 0,027 - 0,748 • 10"5 Xx + 0,176 • 10-5 X2 - 0,252 • 10"9 ХгX2

В итоге проведенных исследований получены модели удельных расходов ЭЭ по характерным классам ОУ ПФО, которые можно использовать для нормирования и мониторинга электропотребления ОУ. Разработан подход к моделированию удельного электропотребления на основе статистических данных.

Предлагается следующая методология расчета норм потребления ЭЭ на И, III и IV уровнях иерархии. 1) ГУ заполняют по установленным формам сводные таблицы потребления ЭЭ по каждому зданию (объекту), с указанием его назначе-

ния. Показывают фактическое потребление ЭЭ в натуральном и стоимостном выражении. Определяют плановую потребность в ЭЭ на планируемый год с учетом полученной экономии и снижения затрат за счет проведения в предыдущем году мероприятий по энергосбережению. Обязательным условием является снижение электропотребления за счет проведения мероприятий по энергосбережению на планируемый год. 2) Администрации городов, районов и отраслевые министерства и ведомства определяют перечень ГУ - потребителей ЭЭ. Заполняют сводные формы потребности в ЭЭ района, которые направляются в министерства топливно-энергетического комплекса (ТЭК) области (края, республики). 3) Министерство ТЭК области анализирует, обобщает предоставленные сведения и формирует сводные таблицы потребности в ЭЭ ГУ области, направляемые в Минэнерго РФ и отраслевые министерства.

Информационное и методическое обеспечение энергосбережения позволяет формировать мировоззрение в решении проблемы повышения энергоэффективности ГУ. На основе проведенных исследований автором разработан интерактивный обучающий программно-методический комплекс (ОПМК) «Энергосбережение» (рис.18).

Обучающий прогваммшьметодмческяй комплекс «Энергосбережение»

Программное обеспечение

Элт1|||||>|| wptiiwml курс

Методичное— »особ— яля «рямммия»! |

ч:

Иа^шшмш! (лок

Т

Методическое обеспечен не

1

Пд««г шиямиуальмыж мшя!

Мствмчссп* укю um« м ihimmii»

■ристачс

BtpDimi*«tNi ОГМСКМ обммчмм

жргмдат*

ч:

Цель ОПМК - научить будущих специалистов бюджетной и прочих сфер деятельности культуре энергосбережения, основам грамотного и эффективного использования энергии, находящейся в их распоряжении, в доступной форме объяснить необходимость энергосбережения как с экономической, так и с экологической точек зрения.

Рис. 18 - Состав ОПМК «Энергосбережение»

ОПМК «Энергосбережение» позволяет реализовать интерактивное обучение слушателей, как в аудитории, так и дистанционно, и успешно применяется при чтении курсов «Общая энергетика» и «Экономия энергии» студентам специальности «Электроснабжение» факультета автоматики и электромеханики и Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Основные результаты и выводы работы

В диссертационной работе изложены научно-обоснованные технологические решения проблемы повышения энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения на примере государственных учреждений. Разработаны научные основы рационального использования энергоресурсов с использованием элементов интеллектуализации электрических сетей, техноло-

гий малой генерации, нормирования электропотребления, обеспечивающие энергоэффективное функционирование электротехнических комплексов ГУ.

При этом получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработаны научные основы создания активно-адаптивной (интеллектуальной) распределительной электрической сети (РЭС) 10-20кВ как совокупности равномерно-распределенных автоматизированных узлов нагрузки, позволяющих совмещать услугу по электроснабжению от генерирующей компании с информационными потоками в среде единого проводника основной услуги. Предложена и обоснована топология РЭС в виде связанных шестиугольников (гексагональной РЭС), разработаны алгоритмы функционирования узлов нагрузки, имитационные модели, проведено исследование режимов работы гексагональной РЭС.

2. Разработаны научно-технические решения по созданию и внедрению в системы электроснабжения ГУ цифровой электрической трансформаторной подстанции 10(20)/0,4 кВ с трехуровневой системой управления и трансформаторами, позволяющими под нагрузкой регулировать напряжение и мощность на стороне 0,4 кВ.

3. Разработаны научно-обоснованные технологические решения интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную электрическую сеть и их комплексного применения в системе электроснабжения ГУ, обеспечивающие повышение качества электроснабжения ГУ.

4. Созданы алгоритмы, имитационные модели и на их основе схемотехнические решения интеллектуального адаптивного устройства интеграции источников энергии, позволяющего подключать внешние источники электрической энергии с различными выходными параметрами и обеспечивающего их сопряжение с параметрами ЕЭС и потребителя ЭЭ, а также требуемое качество ЭЭ.

5. Разработана концепция функционирования мини-ТЭЦ в системе электроснабжения ГУ с учетом специфики энергопотребления, суточных и годовых графиков электрической и тепловой нагрузки.

6. Разработана методология выбора сочетания энергоустановок МРЭ на возобновляемых источниках энергии при проектировании энергоэффективной системы электроснабжения ГУ, позволяющая сопоставить экономические показатели проекта с риском в электроснабжении потребителей и определить наилучший вариант соотношения «стоимость - вероятность нарушения электроснабжения».

7. Разработана методология нормирования, а на ее основе методики определения годовых расходов ЭЭ ГУ с использованием режимов работы электропотребителей и математических моделей удельного расхода ЭЭ, позволяющие оценить годовые нормы расхода ЭЭ как для действующих, так и проектируемых объектов.

8. Разработан интерактивный обучающий программно-методический комплекс «Энергосбережение» для обучения специалистов бюджетной и прочих сфер деятельности основам эффективного использования энергии.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

Статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК

1. Лоскутов, А.Б. Новый подход к построению электрических распределительных сетей России / А.Б. Лоскутов, E.H. Соснина, A.A. Лоскутов // Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. 2011. - № 3. - С.148-152.

2. Соснина, E.H. Топология городских распределительных интеллектуальных электрических сетей 20 кВ / E.H. Соснина, А.Б. Лоскутов, A.A. Лоскутов // Промышленная энергетика: 2012. - № 5. - С.11-17.

3. Лоскутов, А.Б. Разработка протокола маршрутизации в распределенных электрических сетях напряжением 10 кВ / А.Б. Лоскутов, E.H. Соснина, С.А. Анисимов // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2012. - №12. - С.53-58.

4. Соснина, E.H. О трансформаторно-тиристорном регуляторе напряжения и мощности / E.H. Соснина, Р.Ш. Бедретдинов // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2013. - №4. - С.24-26.

5. Соснина, E.H. Моделирование системы электроснабжения с питанием группы потребителей от трансформатора с тиристорным регулятором напряжения и мощности / E.H. Соснина, Р.Ш. Бедретдинов // Вестник ННГУ. 2013. -№5( 1). — С. 178-184.

6. Соснина, E.H. Оценка шумового воздействия силовых трансформаторов на окружающую среду / E.H. Соснина, О.В. Маслеева, Г.В. Пачурин // Современные проблемы науки и образования. 2012. - № 6.

7. Соснина, E.H. Экологическая оценка шумового воздействия трансформаторной подстанции на окружающую среду / E.H. Соснина, О.В. Маслеева, Р.Ш. Бедретдинов, И.А. Липужин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. - №4. -С.168-172.

8. Соснина, E.H. Вопросы эффективного использования возобновляемых источников энергии в локальной системе электроснабжения / E.H. Соснина, A.B. Шалухо // Электрические станции. 2012. - № 9. - С.13-16.

9. Соснина, E.H. Вопросы сопряжения параметров источников малой распределенной энергетики / E.H. Соснина, А.И. Чивенков // Вестник БГТУ им.В.Г.Шухова. 2012. -№ 2. -С.158-163.

10. Соснина, E.H. К анализу норм качества электроэнергии для локальных систем электроснабжения / E.H. Соснина, A.B. Шалухо // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт.2013. — №3. - С.50-54.

11. Соснина, E.H. Акустическое воздействие ветроэнергетических установок на окружающую среду / E.H. Соснина, О.В. Маслеева, Г.В. Пачурин // Экология и промышленность России. 2013. - №9. - С.8-11.

12. Соснина, E.H. Вопросы эффективного использования возобновляемых источников энергии в локальной системе электроснабжения потребителей / E.H. Соснина, A.B. Шалухо // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2012. - № 3. - С. 214-218.

13. Вагин, Г.Я. Концепция применения и основные технические решения типового ряда мини-ТЭЦ / Г.Я. Вагин, А.Б. Лоскутов, Е.Б. Солнцев, А.Г. Воеводин,

E.H. Соснина, A.M. Мамонов, A.A. Петров // Промышленная энергетика. 2010. -№7.-С. 2-6.

14. Соснина, E.H. Влияние вида топлива мини-ТЭЦ на эмиссию парниковых газов / E.H. Соснина, О.В. Маслеева, Г.В. Пачурин, Д.А.Филатов // Фундаментальные исследования. 2013. - №6 (ч.1). - С.72-75.

15. Соснина, E.H. Экологическое воздействие мини-ТЭЦ с газопоршневыми и дизельными двигателями на окружающую среду / E.H. Соснина, О.В. Маслеева, Г.В. Пачурин, Д.А.Филатов // Фундаментальные исследования. 2013. - №6 (ч.1). — С.76-80.

16. Вагин, Г.Я. Исследование законов случайных изменений энергопотребления образовательных учреждений / Г.Я. Вагин, Е.Б. Солнцев, E.H. Соснина, С.А. Бугров, О.Ю: Малафеев // Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. 2010. - № 2. -С.158-163.

17. Вагин, Г.Я. Нормирование расходов электроэнергии бюджетных учреждений / Г.Я. Вагин, Е.Б. Солнцев, E.H. Соснина, А.Н. Фитасов, С.А. Бугров// Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2009. -№ 2.-С.128-135.

18. Куркин, A.A. Применение регрессионного анализа для нормирования энергопотребления образовательных учреждений / A.A. Куркин, E.H. Соснина, // Вестник БГТУ им.В.Г.Шухова. 2009. - № 2. - С. 117-123.

19. Соснина, E.H. Моделирование энергопотребления образовательных учреждений / E.H. Соснина, A.B. Шалухо // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2011. — № 7. — С.66-70.

20. Соснина, E.H. Анализ и моделирование удельного энергопотребления образовательных учреждений / E.H. Соснина, A.B. Шалухо // Известия вузов. Электромеханика. 2011. - № 3. - С.79-81.

Патенты;

21. Пат. на изобретение RU 2484571 С1, МПК H02J 4/00 (2006/01). Система передачи электрической энергии / Лоскутов А.Б., Соснина E.H., Лоскутов A.A. № 2011154308/07; заявл. 28.12.2011; опубл. 10.06.13.

22. Пат. на изобретение RU 2475918 С1, МПК H02J 4/00 (2006/01). Способ передачи электрической энергии / Лоскутов А.Б., Соснина E.H., Лоскутов A.A. № 2011154427/07; заявл. 29.12.2011; опубл. 20.02.2013. Бюл.№5.

23. Пат. на полезную модель 125407, МПК H02J. Устройство заряда накопительных конденсаторов / Чивенков А.Б., Гребенщиков В.И., Соснина E.H., Ми-хайличенко Е.А. заявл. 13.08.2012; опубл. 27.02.2013.

24. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2013617735. Автоматизированная система поиска энергоустановок на возобновляемых источниках энергии / Соснина E.H., Филатов Д.А., Сушенок Д.А. -№2013615368; заявл. 27.06.2013.

Монографии и учебные пособия

25. Вагин, Г.Я. Методика проведения энергетических обследований (энергоаудита) бюджетных учреждений. РД.34.01 - 03. Изд. 2-е, доп. / Г.Я. Вагин, Л.В. Дудникова, Е.А. Зенютич, А.Б. Лоскутов, Е.Б. Солнцев, A.A. Севостьянов, E.H. Соснина; под ред. С.К. Сергеева. - Н.Новгород: НГТУ, НИЦЭ, 2003. - 228с.

26. Пачурин, Г.В. Экологические аспекты биоэнергетики / Г.В. Пачурин, О.В. Маслеева, E.H. Соснина. - Saarbrücken, Deutschland: LAP Lambert Academic Publishing, 2012. - 83 c.

27. Вагин, Г.Я. Системы электроснабжения: комплекс учеб.-метод. материалов / Г.Я. Вагин, E.H. Соснина. - Н.Новгород: НГТУ, 2006. - 91 с.

28. Соснина, E.H. Общая энергетика: комплекс учеб.-метод. материалов / E.H. Соснина. - Н.Новгород: НГТУ, 2008. - 129 с.

29. Вагин, Г.Я. Пособие по дипломному проектированию: комплекс учеб.-метод. материалов для студентов заочной и дистанционной форм обучения / Г.Я. Вагин, E.H. Соснина, A.M. Мамонов, Е.В. Бородин. - Н.Новгород: НГТУ, 2009. -167 с.

30. Вагин, Г.Я. Системы электроснабжения: комплекс учеб.-метод. материалов / Г.Я. Вагин, E.H. Соснина. - 2-е изд., перераб. и доп.; Н.Новгород: НГТУ, 2012. - 143с.

Статьи, опубликованные в других изданиях и за рубежом

31. Лоскутов, А.Б. Концепция развития интеллектуальной энергетической системы России / А.Б. Лоскутов, E.H. Соснина // Известия Академии инженерных наук РФ им. A.M. Прохорова. 2011. - С. 124-128.

32. Соснина, E.H. Создание интеллектуальных электрических сетей на основе адаптивного управления / E.H. Соснина, Р.Ш. Бедретдинов // Электроэнергетика глазами молодежи: сборник статей / СамГТУ. - Самара, 2011. - Т. 3. -С.116-119.

33. Соснина, E.H. Основные направления развития интеллектуальных электрических сетей на основе адаптивного управления / E.H. Соснина, Р.Ш. Бедретдинов // Федоровские чтения 2011: материалы всерос. научно практической конференции / МЭИ - Москва, 2011. - С.32-35.

34. Соснина, E.H. Моделирование режимов работы узла нагрузки 20 кВ интеллектуальной равномерно-распределенной электрической сети / E.H. Соснина [и др.] // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. 2012. -№ 1(94). - С. 185-191.

35. Соснина, E.H. Разработка протокола маршрутизации в распределенных энергетических гридах следующего поколения / С.А Анисимов, А.Б. Лоскутов, И.В. Полозов, А.И Смирнов, E.H. Соснина // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. 2012. - № 4. - С.224-231.

36. Соснина, E.H. Компьютерная модель системы электроснабжения потребителей с ТТРНМ ОТ / E.H. Соснина, Р.Ш. Бедретдинов // Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы: материалы междунар. научно практической конференции / УлГТУ - Ульяновск, 2012. - С.371-374.

37. Sosnina, Е. Development and research model of electricity supply system of consumers with TTVRP UC / E. Sosnina, R. Bedretdinov // Journal "Challenges of modern technology", Warsaw. 2012. -№ 3. -P.7.

38. Соснина, E.H. Разработка и создание типового ряда трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения и мощности с расщепленной первичной обмоткой трансформатора и ключами одг "направленного тока / E.H. Соснина, А.Б. Лоскутов, А.И. Чивенков // Энергосбережение и энергоэффективность тех-

нологий передачи, распределения и потребления электрической энергии: тезисы докладов всерос. научно технической конференции / МЭИ - Москва, 2012. -С.31-32.

39. Соснина, E.H. Интеллектуальные трансформаторные подстанции на основе ТТРНМ ОТ / E.H. Соснина, Р.Ш. Бедретдинов // Федоровские чтения 2012: материалы всерос. научно практической конференции / МЭИ — Москва, 2012. -С.116-120.

40. Соснина, E.H. Разработка интеллектуальной трансформаторной подстанции 10/0,4кВ / А.Б. Лоскутов, E.H. Соснина, А.И.Чивенков, Р.Ш. Бедретдинов // Актуальные проблемы электроэнергетики: материалы научно-технической конференции / НГТУ - Н.Новгород, 2012. - С.11-16.

41. Соснина, E.H. Разработка архитектуры системы управления трансформа-торно-тиристорными регуляторами напряжения и мощности с ключами однонаправленного тока (ТТРНМ ОТ) / С.А Анисимов, А.Б. Лоскутов, И.В. Полозов,

A.И Смирнов, E.H. Соснина // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. 2013. — №1.

42. Вагин, Г.Я. Исследование погрешностей трансформаторов тока и напряжения и их влияние на учет электроэнергии системами АСКУЭ / Г.Я. Вагин, E.H. Соснина, Н.Г. Шверин, Е.В. Бородин // Промелектро. - Киев, 2004. - № 5. -С.30-36.

43. Соснина, E.H. Решение задачи гарантированного электроснабжения при комплексном использовании разнородных источников энергии / E.H. Соснина,

B.В. Пятко // Наука. Технологии. Инновации: материалы всерос. научной конференции / НГТУ. - Новосибирск, 2007. - Ч. 3. - С.246-247.

44. Лоскутов, А.Б. Особенности работы малых генерирующих компаний на розничном и оптовом рынке электроэнергии / А.Б. Лоскутов, E.H. Соснина// Известия Академии инженерных наук РФ им. акад. A.M. Прохорова. Малая энергетика. 2008. - Т. 23. - С.3-10.

45. Митяков, С.Н. Снижение эксплуатационного риска электроснабжения потребителей при одновременном использовании источников энергии разного типа / С.Н. Митяков, E.H. Соснина // Прогрессивные технологии в технике, экономике, естествознании и образовании: межвуз. сб. статей / АПИ. - Арзамас, 2008. - С.294-297.

46. Соснина, E.H. Нетрадиционная энергетика Нижегородской области / E.H. Соснина // Прогрессивные технологии в технике, экономике, естествознании и образовании: межвуз. сб. статей / АПИ. - Арзамас, 2008. - С.309-311.

47. Соснина, E.H. Технические решения сопряжения потребителей и разнородных источников _ электрической энергии / E.H. Соснина, А.Б. Лоскутов, А.И. Чивенков // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: материалы всерос. научно-техн. конференции / ЧГУ. — Чебоксары, 2009. - С.352-358.

48. Соснина, E.H. Разработка базы данных по альтернативным источникам электроэнергии / E.H. Соснина, A.A. Петров, Д.А. Филатов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. 2009. — Т.77. — С.183-188.

49. Лоскутов, А.Б. Повышение эффективности использования альтернативных источников электроэнергии в системах электроснабжения / А.Б. Лоскутов, E.H. Соснина//NAFTA-GAZ, Польша-Краков. 2010. -№ 7. - С.602-605.

50. Соснина, E.H. Использование альтернативных источников энергии в системах энергоснабжения образовательных учреждений / E.H. Соснина, A.B. Ша-лухо // Энергетика: состояние, проблемы, перспективы: материалы всерос. научно-практической конференции / ОГУ. - Оренбург, 2010.

51. Соснина, E.H. Анализ законодательной и нормативной базы новых и возобновляемых источников энергии / E.H. Соснина, А.П. Антропов, A.B. Шалухо // Федоровские чтения 2010: материалы всерос. научно практической конференции / МЭИ. - Москва, 2010. - С.7-9.

52. Соснина, E.H. Разработка и анализ базы данных по возобновляемым источникам энергии (раздел «Ветроэнергетические установки») / E.H. Соснина, Д.А. Филатов // Возобновляемые источники энергии: материалы всерос. научной молодежной школы с международным участием / МГУ. - Москва, 2010. — С.357-360.

53. Соснина, E.H. База данных но новым и возобновляемым источникам энергии / E.H. Соснина, Д.А. Филатов // Актуальные проблемы электроэнергетики: материалы научно-технической конференции / НГТУ. - Н.Новгород, 2010. -С.125-128.

54. Соснина, E.H. Технология бесперебойного электроснабжения потребителей на основе комплексного использования новых и возобновляемых источников энергии / E.H. Соснина [и др.] // Актуальные проблемы электроэнергетики: материалы научно-технической конференции / НГТУ. - Н.Новгород, 2010. - С.141-144.

55. Соснина, E.H. Создание базы данных по альтернативным источникам энергии для эффективного электроснабжения потребителей / E.H. Соснина, Д.А. Филатов // Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: материалы докладов / Н.Новгород, 2011. - С.397-401.

56. Соснина, E.H. Исследование риска электроснабжения потребителей при использовании возобновляемых источников энергии / E.H. Соснина, A.B. Шалухо // Современные техника и технологии: материалы междунар. научно практической конференции / Томский политехнический университет — Томск, 2011. — С.132-133.

57. Соснина, E.H. Применение аппарата "портфельного анализа" при разработке энергоэффективной системы электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии / E.H. Соснина, A.B. Шалухо // Федоровские чтения 2011: материалы всерос. научно практической конференции / МЭИ. - Москва, 2011. -С.193-199.

58. Соснина, E.H. Вопросы эффективного использования возобновляемых источников энергии в локальной системе электроснабжения потребителей / E.H. Соснина, A.B. Шалухо // Электроэнергетика глазами молодежи: сборник статей / СамГТУ. - Самара, 2011. - Т. 1. -С.276-279.

59. Соснина, E.H. Методика выбора оптимального сочетания возобновляемых источников энергии для локальных энергосистем / E.H. Соснина, A.B. Ша-

лухо // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. 2012. -№ 3. -С.215-219.

60. Sosnina, Е. Technique of a choice the optimal combination of renewable energy sources in the power supply system taking into account the random nature of changes in weather conditions / E. Sosnina, A. Shalukho // Journal "Challenges of modern technology", Warsaw. 2012. -№ 3. - P. 19-22.

61. Соснина, E.H. Анализ норм качества электрической энергии для локальных систем электроснабжения с учетом случайного характера поступления возобновляемой энергии / E.H. Соснина, A.B. Шалухо // Федоровские чтения 2012: материалы всерос. научно практической конференции / МЭИ - Москва, 2012. — С.12-17.

62. Соснина, E.H. Методика выбора возобновляемых источников энергии для локальной энергосистемы / E.H. Соснина, A.B. Шалухо // Возобновляемые источники энергии: материалы всерос. научной молодежной школы с международным участием / МГУ - Москва, 2012. - С.455-459.

63. Солнцев, Е.Б. Альтернативные источники энергоснабжения сельских школ / Е.Б. Солнцев, E.H. Соснина // Энергоэффективность. 2005. - Вып.2-3. — С.55-57.

64. Вагин, Г.Я. Концепция применения и основные технологические решения создания мини-ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей / Г.Я. Вагин, E.H. Соснина [и др.] // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. 2010. - № 1(80). - С. 169-175.

65. Соснина, E.H. Акустическое воздействие мини-ТЭЦ с газопоршневыми и дизельными двигателями на окружающую среду / E.H. Соснина, О.В. Маслеева, Г.В. Пачурин, Д.А.Филатов // Успехи современного естествознания. 2013. - №4.

66. Соснина, E.H. Разработка интегрированного обучающего программно-методического комплекса «Энергосбережение» / E.H. Соснина, Е.Б. Солнцев, М.В. Вьюнов // Энергоэффективность. 2005. - Вып.2-3. - С.58-59.

67. Вагин, Г.Я. Применение регрессионного анализа для нормирования расходов электроэнергии бюджетных учреждений / Г.Я. Вагин, E.H. Соснина, А.Н. Фитасов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. 2008. - Т.70. - С.147-154.

68. Вагин, Г.Я. Методика нормирования расхода электроэнергии в образовательных учреждениях / Г.Я. Вагин, JI.B. Дудникова, Е.Б. Солнцев, E.H. Соснина // Энергоэффективность. 2004. — Вып.З. - С.49-55.

69. Вагин, Г.Я. Методика экспресс-анализа обоснованности заявляемых объемов ТЭР образовательными учреждениями / Г.Я. Вагин, E.H. Соснина, Е.Б. Солнцев, А.Н. Фитасов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. 2005. - Т. 49. — С.116-119.

70. Соснина, E.H. Вопросы моделирования энергопотребления образовательных учреждений на основе методов математической статистики и "Data Mining" / E.H. Соснина, A.B. Шалухо // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. 2009. — Т.77. — С.148-153.

71. Соснина, E.H. Комплексный подход к повышению энергетической эффективности объектов бюджетной сферы / E.H. Соснина, П.В. Терентьев // Будущее технической науки: материалы междунар. молодеж. научно-технической конференции / НГТУ - Н.Новгород, 2012. - С.77-78.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.04. ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», (протокол № 21 от 10.09. 2013 г.).

Подписано в печать 20.11.2013. Формат 60 х 84 Vi6. Бумага офсетная. _Печать офсетная. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 130 экз. Заказ 834._

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. P.E. Алексеева

05201450316

На правах рукописи

Соснина Елена Николаевна

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ГОСУДАРСТВЕННЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: Доктор технических наук, Профессор Лоскутов А.Б.

Нижний Новгород 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................................................................................................7

1 Состояние и методическая база повышения энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения государственных учреждений. Обоснование задач исследования..........................16

1.1 Характеристика государственных учреждений как потребителей электрической энергии..............................................................................................................................16

1.1.1 Классификация..................................................................................................................17

1.1.2 Общая характеристика систем электроснабжения (СЭС)............19

1.1.3 Критерии энергооэффективности СЭС..................................................23

1.2 Оценка эффективности использования электроэнергии ГУ......................29

1.2.1 Образовательные учреждения..................................................................................30

1.2.2 Учреждения здравоохранения..................................................................................41

1.2.3 Административные учреждения............................................................................43

1.3 Аналитический обзор текущего состояния исследований в области повышения энергоэффективности ГУ............................................................................43

1.3.1 Развитие интеллектуальных электрических сетей................................44

1.3.2 Развитие малой распределенной энергетики и применение возобновляемых источников энергии в СЭС..........................................49

1.3.3 Нормирование электропотребления ГУ............................................................51

1.4 Обоснование цели и задач исследования................................................................53

1.5 Выводы по главе 1........................................................................................................................56

2 Интеллектуализация распределительной электрической сети......................59

2.1 Основные подходы....................................................................................................................59

2.2 Разработка концепции интеллектуальной равномерно-распределенной электрической сети..................................................................................................61

2.2.1 Анализ существующих схем городских распределительных электрических сетей............................................................................................................61

2.2.2 Равномерно-распределенная сеть. Принцип компланарности .. 64

2.2.3 Типовая схема узла нагрузки......................................................................................67

2.2.4 Интегрированная система управления узлом нагрузки....................70

2.3 Разработка алгоритма управления электрическими сетями в зависимости от режимов работы распределенной энергосистемы ... 72

2.3.1 Основные варианты состояния узла нагрузки..........................................72

2.3.2 Автоматизация узла нагрузки с помощью управляющего модуля..........................................................................................................................................75

2.4 Моделирование, исследование и оптимизация гексагональной РЭС.. 78

2.4.1 Моделирование гексагональной РЭС..................................................................78

2.4.2 Расчет токов короткого замыкания....................................................................83

2.4.3 Оптимизация структуры и деление гексагональной РЭС..................90

2.5 Перспективы внедрения гексагональных РЭС..........................................................96

2.6 Выводы по главе 2..........................................................................................................................99

3 Разработка цифровых электрических трансформаторных подстанций

3 уровня СЭС ГУ......................................................................................................................................101

3.1 Актуальность разработки цифровой электрической подстанции (ЦЭПС) 10-20/0,4 кВ с регулируемыми трансформаторами (РТр)......................101

3.2 Разработка научно-технических решений по созданию ЦЭПС 1020/0,4 кВ с РТр......................................................................................................................................................103

3.2.1 Концепция ЦЭПС 10-20/0,4 кВ с РТр..................................................................103

3.2.2 Технические решения ЦЭПС. Применение тиристорного регулятора напряжения и мощности..................................................................105

3.2.3 Система управления ЦЭПС........................................................................................110

3.3 Исследование режимов работы двухтрансформаторной ЦЭПС............114

3.3.1 Режимы работы ЦЭПС..........................................................................................................................114

3.3.2 Разработка имитационной модели ЦЭПС в составе системы электроснабжения ГУ............................................................................................................................116

3.3.3 Исследование энергоэффективных режимов работы ЦЭПС ... 119

3.3.4 Исследование параллельной работы РТр и серийного трансформатора ТС...:................................................... 121

3.3.5 Разработка рекомендаций по применению ЦЭПС в системах электроснабжения ГУ................................................ 125

3.4 Реализация проекта создания опытного образца ЦЭПС 10/0,4 кВ с 127 номинальной мощностью РТр 400 кВА............................................

3.5 Выводы по главе 3............................................................. 131

4 Применение технологий малой распределенной энергетики (МРЭ) в

системах электроснабжения ГУ..................................................... 133

4.1 Исследование и анализ современных энергоустановок МРЭ на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ)...................................... 133

4.1.1 Обзор энергоустановок МРЭ на ВИЭ................................. 133

4.1.2 Комплексное использование разнохарактерных источников электроэнергии в системе электроснабжения........................... 140

4.1.3 Экологические аспекты применения энергоустановок на ВИЭ 146

4.2 Научно-технические решения по созданию энергоэффективной системы электроснабжения ГУ на основе комплексного использования разнородных источников электроэнергии......................................... 150

4.2.1 Концепция Устройства интеграции разнородных источников электроэнергии (УИИЭ)........................................................ 150

4.2.2 Разработка алгоритма работы УИИЭ................................ 152

4.2.3 Разработка и исследования экспериментального образца УИИЭ 155

4.2.4 Энергоэффективная система электроснабжения ГУ с УИИЭ.... 170

4.3 Применение энергоустановок МРЭ на органическом топливе в системах электроснабжения ГУ.............................................. 171

4.3.1 Обзор энергоустановок МРЭ на органическом топливе...... 171

4.3.2 Разработка концепции функционирования мини-ТЭЦ в системе электроснабжения ГУ............................................... 175

4.3.3 Экологические аспекты применения мини-ТЭЦ................... 181

4.4 Выводы по главе 4..........................................................................................................................187

5 Вопросы выбора наилучшего сочетания энергоустановок на ВИЭ при проектировании энергоэффективной системы электроснабжения....................190

5.1 Разработка автоматизированной базы данных по современным энергоустановкам на ВИЭ......................................................................................................................190

5.1.1 Характеристика структуры и разделов базы данных........................191

5.1.2 Программная оболочка базы данных................................................................197

5.2 Исследование эксплуатационного риска в электроснабжении потребителей (ЭРЭП) при комплексном использовании ВИЭ........................200

5.2.1 Основные подходы............................................................................................................201

5.2.2 Разработка методики определения ЭРЭП....................................................203

5.2.3 Исследование ЭРЭП............................................................................................................207

5.2.4 Методы снижения ЭРЭП................................................................................................211

5.3 Разработка рекомендаций по применению ВИЭ в энергоэффективных системах электроснабжения ГУ....................................................215

5.3.1 Выбор типа энергоустановок на ВИЭ..................................................................216

5.3.2 Использование информации о метеоданных региона..............................218

5.3.3 Выбор наилучшего сочетания энергоустановок на ВИЭ..................220

5.3.4 Учет экологического воздействия ВИЭ на окружающую среду.... 223

5.4 Выводы по главе 5..........................................................................................................................226

6 Развитие методов рационального использования электроэнергии ГУ ... 229

6.1 Разработка методологии расчета научно-технических норм расхода

ЭЭ с учетом специфики ГУ. Основные подходы....................................................229

6.2 Расчет норм годового расхода электрической энергии ГУ на основе характеристик режимов работы электропотребителей..................................233

6.2.1 Методика расчета норм расхода электроэнергии....................................233

6.2.2 Программно-методический комплекс расчета норм расхода ЭЭ 241

6.3 Расчет норм годового расхода ЭЭ с использованием математических моделей удельного электропотребления ГУ............................................................245

6.3.1 Исходные данные для моделирования......................................................245

6.3.2 Разработка регрессионных моделей удельного потребления ЭЭ

ГУ......................................................................................................................................................245

6.3.3 Нейросетевой подход к нормированию электропотребления.... 250

6.3.4 Алгоритм моделирования норм расхода ЭЭ ГУ....................................252

6.4 Разработка методологии расчета нормативов электропотребления на уровне района (города), региона (области, края, республики), округа

и Федерации............................................................................................................................................253

6.5 Разработка обучающего программно-методического комплекса «Энергосбережение»..................................................................................................................254

6.6 Выводы по главе 6..........................................................................................................................260

Заключение............................................................................................................................................................262

Список использованных источников..............................................................................................264

Приложение А. Результаты исследования особенностей

электропотребления государственных (муниципальных) учреждений ... 297 Приложение Б.Интеллектуализация распределительных электрических

сетей........................................................................................................................................322

Приложение В. Цифровая электрическая трансформаторная подстанция... 335 Приложение Г. Имитационные модели и результаты исследований

экспериментального образца УИИЭ..........................................................348

Приложение Д. Результаты анализа характеристик энергоустановок БД ... 361

Приложение Е. Нормирование электропотребления ГУ....................................................367

Приложение Ж. Акты внедрений результатов диссертационной работы.... 380

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Повышение энергоэффективности и снижение энергоемкости экономики России «до уровня стран с аналогичными природно-климатическими условиями (Канада, страны Скандинавии)» [217] в Концепции «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» отнесены к основным требованиям, выполнение которых необходимо для «обеспечения гарантированного удовлетворения внутреннего спроса на энергоресурсы» [309]. Согласно Концепции «Стратегии-2030», повышение энергоэффективности заключается в «максимально рациональном использовании энергетических ресурсов», в том числе электрической энергии (ЭЭ).

Важным объектом повышения энергоэффективности являются государственные учреждения (ГУ) - организации, финансируемые из федерального, регионального, муниципального или местного бюджета (образовательные, здравоохранения и др.). Ежегодно ГУ России потребляют более 100 млрд.кВт-ч в год ЭЭ - десятую долю от всей ЭЭ, вырабатываемой в стране. Значительные расходы ЭЭ обусловлены высокими ее потерями в электрических сетях и изношенностью эксплуатируемого электрооборудования. Действующие электротехнические комплексы ГУ спроектированы без учета современных тенденций управления электропотреблением. По оценкам специалистов, технический потенциал энергосбережения в бюджетной сфере составляет 38% от существующего уровня энергопотребления [7-9, 24, 80,81, 128].

Решение проблемы требует разработки прорывных инновационных технологий, позволяющих кратно повысить энергоэффективность. Таковыми являются технологии интеллектуальных электрических сетей (ИЭС) и малой распределенной энергетики (МРЭ) [12, 18, 37, 122, 123, 134, 185, 195, 296].

Научным основам развития энергетики с учетом требований рационального использования топливно-энергетических ресурсов государственными учреждениями посвящено значительное количество исследований отечественных и зарубежных ученых. Следует отметить работы И.А. Башмакова, Г.Я. Вагина, В.М. Зайченко, A.B. Клименко, Б.И. Кудрина, А.Б. Лоскутова, A.B. Бобрякова, С.Ф. Степанова, Белея В.Ф., П.П. Безруких, Л.Б. Директора и др. Большинство работ посвящены энергетическому менеджменту или энергосбережению в системах теплоснабжения [6-10]. Мероприятия по рациональному электропотреблению ГУ сводятся в основном к разработке автоматизированных систем учета и мониторинга ЭЭ или разработке электрооборудования с улучшенными характеристиками [25-29, 127, 128, 139, 265-267].

В то же время вопросы повышения энергоэффективности электротехнических комплексов путем интеллектуализации электрической сети и подключения источников МРЭ (в том числе развивающейся возобновляемой энергетики) еще недостаточно проработаны. Нет научно-обоснованных технических решений применения в системах электроснабжения ГУ технологий интеллектуальных сетей Smart Grid, обеспечивающих информационный обмен и автоматическое управление режимами электропотребления и качеством ЭЭ. Решения комплексного использования источников МРЭ, позволяющего снизить потери ЭЭ и разгрузить централизованные электрические сети, как правило, касаются автономного энергообеспечения [5, 13, 76]. Несмотря на большое количество исследований, до сих пор не решена проблема определения научно-технических норм расхода ЭЭ ГУ, учитывающих современные изменения в структуре и характере энергопотребления.

Анализ зарубежных работ показывает, что в развитых странах мира многие проблемы эффективного использования ЭЭ бюджетными учреждениями уже решены [313-326]. Однако применяемые за рубежом

методы и технологии не учитывают особенностей электроэнергетики и электрического хозяйства России (протяженность электрических сетей, значительный износ электротехнических комплексов и систем генерации, передачи и распределения ЭЭ и др.).

Необходимость скорейшего выведения российской электроэнергетики на качественно новый уровень делает актуальным разработку научных основ повышения энергоэффективности электротехнических комплексов на основе рационального электропотребления путем интеллектуализации распределительной электрической сети, интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную сеть, нормирования электропотребления на примере ГУ. ГУ должны стать полигоном для внедрения энергоэффективных технологий и ориентиром для применения этих технологий в промышленности и бизнесе [195].

Связь диссертации с научными программами. Работа выполнялась в рамках ряда государственных контрактов с Министерством образования и науки РФ по федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (в том числе ГК от 11.10.2011г. № 16.526.12.6016 «Разработка и создание типового ряда трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения и мощности с расщепленной первичной обмоткой трансформатора и ключами однонаправленного тока»; ГК от 15.03.2013г. № 14.516.11.0006 «Разработка технических решений для создания энергоэффективной системы электроснабжения автономного потребителя на основе комбинированного использования возобновляемых источников энергии и устройств оптимального управления»).

Объект исследования - электротехнические комплексы для электроснабжения государственных (муниципальных) учреждений.

Предмет исследования - методы повышения эффективности систем электроснабжения ГУ.

Цель диссертации - повышение энергоэффективности электротехнических комплексов ГУ на основе элементов интеллектуализации электрической сети, интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную электрическую сеть, нормирования электропотребления, обеспечивающих рациональное использование электрической энергии и высокое качество электроснабжения.

Достижение поставленной цели предусматривает решение ряда научных и практических взаимосвязанных задач:

• Исследование особенностей электропотребления ГУ с целью оценки их электроэффективности и дальнейшей разработки методов рационального использования ЭЭ с учетом специфики электротехнических комплексов и систем.

• Разработка-научных основ создания, имитационное моделирование и исследование активно-адаптивных (интеллектуальных) распределительных электрических сетей с автоматизированными узлами нагрузки 20(10) кВ.

• Разработка научно-т