автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оптимизация мощностей компенсирующих устройств и мест их размещения в электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей

На правах рукописи

МОСКАЛЕВ Юрий Владимирович I ^

ОПТИМИЗАЦИЯ МОЩНОСТЕЙ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И МЕСТ ИХ РАЗМЕЩЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НЕТЯГОВЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОМСК 2009

003469336

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмШТ)»).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор АВИЛОВ Валерий Дмитриевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ГОРЮНОВ Владимир Николаевич;

кандидат технических наук, доцент РУППЕЛЬ Александр Александрович.

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ИрГУПС»),

Защита диссертации состоится 22 мая 2009 г. в 11 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 218.007,01 при Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУЛСе) по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 21 апреля 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01. Тел./факс.: 8(3812) 31-13-44.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

О. А. Сидоров.

© Омский гос. университет путей сообщения, 2009

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В современных условиях важным направлением научных исследований является повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов. Для успешного решения этой проблемы необходима разработка и внедрение энергосберегающих технологий, систем контроля и учета расхода энергоресурсов, совершенствование методик прогнозирования и нормирования, проведение последовательной энергосберегающей политики в целом.

На железнодорожном транспорте проблема энергосбережения также актуальна и связана со снижением удельных расходов энергетических ресурсов на тягу поездов и стационарную энергетику. Среди существующих причин снижения энергетической эффективности железнодорожной электроэнергетики особое место занимают проблемы качества электрической энергии (КЭ) и компенсации реактивной мощности (КРМ). Улучшение КЭ, КРМ и снижение потерь электроэнергии - взаимосвязанные проблемы, решение которых возможно с использованием способов и технических средств управления обменом реактивной мощностью.

В 2008 г. утверждена «Энергетическая стратегия ОАО «Российские железные дороги» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года», за основу которой принята энергосберегающая политика Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта - одно из основных направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги», поэтому улучшение КЭ и КРМ как составляющие проблемы энергосбережения в отрасли являются актуальными.

Успешное решение комплекса сложных вопросов обеспечения КЭ, КРМ и снижения потерь электрической энергии во многом стало возможным благодаря работам ученых АввакумоваВ. Г., Арриллаги Дж., БадераМ. П., Бардушко В. Д., ВениковаВ. А., Германа Л. А, ГорюноваВ. Н., Железко Ю. С., Жежеленко И. В., Кордюкова Е. И., Мамошина Р. Р., ЧеремисинаВ. Т., Шалимова М. Г., Шидловского А. К. и др.

Известные инструктивно-методические указания содержат рекомевдации по КРМ в низковольтных электрических сетях, основанные на экономическом значении потребляемой реактивной энергии предприятием, определенной суммарной расчетной мощности компенсирующих устройств (КУ), с их последующим размещением централизованно и (или) децентрализовано в цеховых сетях. При этом сложно определить оптимальные места размещения, структуры и параметры КУ для улучшения КЭ и уменьшения потерь электроэнергии в цеховых сетях.

Цель работы - разработка методики определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1) выполнить анализ существующих способов и технических средств снижения потерь и улучшения КЭ в электрических сетях;

2) провести экспериментальные исследования процессов потребления активной и реактивной мощности нагрузками в сетях действующих нетяговых железнодорожных потребителей, по результатам которых идентифицировать параметры математических моделей нагрузок;

3) разработать оптимизационную математическую модель для решения задачи определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей;

4) предложить алгоритм определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ с учетом нестационарных случайных нагрузок нетяговых потребителей;

5) разработать методику определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ;

6) выполнить оценку экономической эффективности внедрения КУ по предложенной методике в электрических сетях ремонтного депо ЗападноСибирской железной дороги.

Методы исследования. В ходе проводимых исследований для решения поставленных задач использовались фундаментальные законы теоретической электротехники; методы симметричных составляющих и гармонического анализа; метод решения системы линейных алгебраических уравнений Гаусса; оптимизационный метод Хука-Дживса; методы синтеза электрических цепей; метод непосредственного натурного эксперимента с использованием двух сертифицированных многоканальных измерительно-вычислительных комплексов ИВК «Омск-М», анализатора количества и качества электроэнергии АН.5.

Большинство выводов и результатов работы получены с использованием системы Ма&аЬ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Предложена математическая модель низковольтной электрической сети нетягового железнодорожного потребителя, позволяющая выполнять аналитический расчет токораспределения с учетом кондуктивного взаимовлияния фаз и нулевого провода в комплексном виде.

2. Разработан алгоритм определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств с учетом нестационарных случайных нагрузок нетяговых железнодорожных потребителей.

3. Разработана методика определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей.

4. Предложено использовать нерегулируемые низковольтные статические КУ с различными структурами и параметрами, выбор которых зависит от места подключения КУ в сети и заданных графиков изменения нагрузок.

Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждается применением фундаментальных методов расчета электрических цепей (метод узловых потенциалов), сопоставлением результатов расчета по предложенной методике и схемно-технического моделирования в Simulink системы MatLab. Расхождение результатов теоретических расчетов и проведенного численного моделирования составило не более 1,04 %.

Практическая ценность диссертации. Использование предложенной методики позволяет определить оптимальные места размещения, структуры и параметры нерегулируемых КУ в низковольтных четырехпроводных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ для действующих и проектируемых объектов. Установка и подключение нерегулируемых КУ по предложенной методике позволит улучшить КЭ и снизить нагрузочные потери в электрической сети потребителя на 15 - 25 %.

Реализация результатов работы. Предложенная методика определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в сетях нетяговых железнодорожных потребителей использовалась при разработке мероприятий по снижению потерь и улучшению КЭ в электрических сетях ремонтного вагонного депо «Московка», при проведении энергетического обследования Инско-го узла Новосибирского отделения Западно-Сибирской железной дороги.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на нескольких научно-технических, научно-практических конференциях: «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Омск, 2007); «Математическое моделирование, обратные задачи, информационно-вычислительные технологии» (Пенза, 2007); «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов)) (Благовещенск, 2008); научно-технических семинарах кафедр ОмГУПСа (Омск, 2009).

Публикации. Научные материалы диссертационной работы опубликованы в одиннадцати печатных работах, в том числе три - в изданиях, включенных в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 145 наименований и четырех приложений. Общий объем диссертации составляет 164 страницы, включая 44 рисунка, 18 таблиц и 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы, дана краткая аннотация диссертации.

В первой главе рассматриваются содержание проблемы и существующие направления исследований в области КЭ, КРМ и снижения потерь электроэнергии на основании обобщения результатов исследований известных ученых и опубликованных научных материалов.

Акцентировано внимание на анализе известных способов и технических средств снижения потерь, КРМ и улучшения КЭ. Напряжение в любом узле электрической сети можно изменять тремя способами: изменением электродвижущей силы, действующего значения тока, величины входного сопротивления внешней по отношению к рассматриваемому узлу сети. Рассмотренные способы и технические средства классифицированы по этим признакам.

Во второй главе рассмотрен разработанный алгоритм определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ с учетом нестационарных случайных нагрузок электроприемников нетяговых потребителей.

При решении рассматриваемой задачи использовано сочетание нескольких методов: узловых потенциалов, Гаусса и Хука-Дживса.

За основу описывающей электрическую сеть модели принят метод узловых потенциалов, его расчетное выражение в матрично-топологической форме:

где £ - вектор-столбец комплексных ЭДС ветвей, В; / - вектор-столбец заданных комплексных токов ветвей (нулевой), А; У - диагональная матрица комплексных проводимостей ветвей, См; / - вектор-столбец комплексных токов' ветвей, А; 5 - матрица связи электрической сети.

Расчет токораспределения с применением математической модели (1) выполняется с учетом кондуктивного взаимовлияния фаз и нулевого провода в комплексной форме.

Метод Гаусса используется при решении системы линейных алгебраических уравнений математической модели (1), описывающей электрическую сеть. В результате решения при заданных комплексных переменных определяется вектор комплексных значений токов ветвей и напряжений узлов схемы замещения.

Методы многопараметрической однокритериальной оптимизации необходимы для поиска оптимума целевой функции. В диссертационной работе математическая постановка однокритериальной оптимизационной задачи с огра-

(1)

ничениями рассматривается в виде:

/(Есу)-»1шп;

|С/Д11у)|<(7д011; cos^cp(]iy)> cos(3cp.fl0n; Re(&)>0;

где/- целевая функция (минимум приведенных затрат, минимум потерь активной мощности в сети и др.); Jjcv - вектор-столбец комплексных проводимостей КУ (управляемые переменные), См; Uj ((/доп) - текущее (допустимое) напряжение прямой последовательности в узлах сети, В; cos <pcp(cos <?ср.доп) - текущее (допустимое) значение коэффициента мощности; К2ц (Кщцоп) - текущее (допустимое) значение коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности, %; Кои {Коитд - текущее (допустимое) значение коэффициентов несимметрии напряжений по нулевой последовательности, %, Ун - вектор-столбец комплексных проводимостей нагрузок, См (потребляемые нагрузками активная и реактивная мощности не равны нулю).

Ограничения учитываются с применением метода штрафных функций.

Определение оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ выполняется для двух критериев: минимум приведенных затрат и минимум потерь активной мощности в электрической сети.

Целевая функция «минимум приведенных затрат» содержит два слагаемых: стоимость потерь электроэнергии в сети и затраты на установку КУ с эксплуатационными расходами за расчетный интервал, нагрузочные потери электроэнергии в электрической сети определяются методом расчетных суток:

-> rnin, (3)

где кэ - стоимость электроэнергии, р./кВт-ч; к?ф.м - коэффициент формы графика суточных отпусков электроэнергии в сеть; Дэкв - эквивалентное число дней в расчетном интервале; Л,— активное сопротивление г'-й ветви схемы замещения, Ом; Л-модуль комплексного значения тока 1-й ветви схемы замещения, А; N -количество ветвей, соответствующих элементам распределительной сети (при составлении матрицы связи нумеруются элементы распределительной сети, после элементы нагрузок и КУ); Е„ - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; &ку - удельная стоимость КУ, р./квар; А/ку - количество ветвей КУ с проводимостью не равной нулю; 0-реактивная мощность у'-й ветви КУ, квар; И- эксплуатационные расходы на содержание КУ.

Использование критерия «минимум потерь активной мощности» при ре-

шении оптимизационной задачи позволяет не учитывать затраты на КУ:

ЛР = £/?,.//-> тт.

N

Важным при решении задачи является достоверное информационное обеспечение. Значения параметров схемы замещения (распределительных трансформаторов, низковольтных сетей) определяются по паспорту объекта электроснабжения и по справочным данным. Адекватность математической модели определяется достоверностью исходных данных.

При исследовании в качестве математической модели потребляемых мощностей электрическими нагрузками принята модель аддитивного нестационарного случайного процесса:

где х(1) - исследуемый случайный процесс; ти/О - математическое ожидание случайного процесса, зависящее от времени; £$) - центрированный случайный процесс.

Случайные процессы изменения электрических нагрузок обладают периодичностью на суточных, недельных, квартальных и годовых интервалах, поэтому на выбранном интервале периодичности детерминированную функцию тх(1) можно представить отрезком ряда Фурье с последующей идентификацией параметров ряда методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных. Изменение потребляемых мощностей фиксируются с помощью сертифицированных измерительных средств.

При решении задачи учитывается только изменяющееся во времени математическое ожидание нестационарного случайного процесса, отражающее среднее значение реального случайного процесса на расчетном интервале. Для трех фаз каждого фидера определяется дискретный ряд значений потребляемой активной и реактивной мощности с получасовым интервалом, который преобразуется во временной ряд комплексных проводимостей по известному соотношению. Полученный детерминированный массив комплексных проводимостей является исходным для решения оптимизационной задачи.

Допущения, принятые при расчете: расчет выполняется только по основной частоте; фазные напряжения в узлах согласования с внешней электрической системой содержат только прямую последовательность с номинальным значением; значения проводимостей распределительной сети и трансформаторов постоянны; статические характеристики электроприемников по напряжению линейны в рабочем диапазоне; установленное технологическое оборудование и характерные режимы его работы не изменяются в течение года.

дг(0 = т,(0+^(0.

(5)

§

Алгоритм, разработанный для определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ, представлен на рис. 1.

Ввод исходных данных, Ус - вектор-столбец комплексных проводимостей элементов распределительной сети

итерации

—Номер

Ч Задание начального (гулевого) значения управляемого вектора КУ

Ч Задание первого значения вектора проводимостей нагрузок, к - количество ветвей нагрузок

Ч Определение значения целевой функции для заданных ар1уменгов Определение и суммирование значений целевой функции для всех векторов нагрузок при неизменном векторе КУ Вычисление значения целевой функции для Г-го вектора нагрузок

Вычисление суммы значений целевых функции для п-го вектора КУ

Определение возможности прекращения выполнения оптимизационного алгоритма (метод Хука-Дживса)

—| Изменение значения итерации

Изменение вектора КУ по оптимизационному методу Хука-Дяшвса, т - количество ветвей КУ

—

Вывод оптимального вектора КУ (номера определяют ветви КУ, значения - проводимость каждой ветви)

_| Вывод относительного значения

| уменьшения целевой функции

Рис. 1. Алгоритм решения задачи определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ

Управляемыми переменными являются значения мнимых составляющих комплексных проводимостей ветвей КУ, условно подключенных в каждом трехфазном узле со схемой «звезда с нулем - треугольник» (для расчета формируется управляемый вектор У„ КУ). Важно отметить, если значение в ячейке проводимости оптимального вектора КУ равно нулю, то эта ветвь в окончательной струкгу-

ре КУ будет отсутствовать. Решение оптимизационной задачи по предложенному алгоритму выполняется итерационно с заданной точностью.

В качестве апробации предложенного подхода рассмотрена схема замещения электрической сети небольшой размерности (рис. 2), соответствующая по структуре распределительной сети нетягового железнодорожного потребителя.

Параметры схемы: ¿¡ = (220+ >0)В; Е1 =\-1 ¡(>-¡¡90,53)Ъ, Ё3 = {-110+рЩ53)Ъ;

1^=(10,57-}37,7б)Си;

1,ми:=(417-рз,2) См; £«,«.»,«= (б4,0-№0)Сн

Результат расчета:

, = 20,25квар; Осзо = 18,49«вщ Осзз = 17,67твар; Оса = 4 «квар; <2а, = 70,00квар; Оса = 17,36 квар; без? = Я42квар

Рис. 2. Расчетная схема замещения электрической сети: Т - распределительный трансформатор; КЛ - кабельная линия; СШ - секция шин;

ЩС - щит силовой; КУ - компенсирующее устройство; Н- нагрузка фидера 1 1 - ветви, входящие в структуру КУ

Параметры схемы замещения (см. рис. 2), изменение математического ожидания активной и реактивной мощности на суточном интервале с осреднением полчаса, полученные в результате экспериментальных исследований нагрузок в сетях действующего нетягового потребителя, приведены на рис 3.

Разработанный алгоритм реализован на встроенном языке программирования в системе МаЙЬаЬ. В результате расчета с использованием критерия «минимум потерь активной мощности» определены оптимальные места размещения, структуры и значения реактивных мощностей КУ каждой ветви (см. рис. 2).

6

в

Рис. 3. Графики изменения математических ожиданий активной (а), реактивной (б) мощности первой нагрузки и активной (в), реактивной (г) мощности второй нагрузки на суточном интервале с осреднением полчаса: --фаза А;----фаза В; -----фаза С

Для рассматриваемой сети децентрализовано необходимо подключить КУ ЩС1 со структурой «неполная звезда с нулем - ветвь на межфазное напряжение Иве» и КУ ЩС2 со структурой «неполная звезда с нулем - открытый треугольник».

При оценке изменения потерь электрической мощности (энергии) расчет токораспределения выполнен без КУ и с подключением нерегулируемых КУ к выбранным силовым щитам с оптимальными структурами и параметрами.

Графики изменения потерь активной мощности в кабельных линиях и трансформаторе, напряжения прямой последовательности, коэффициентов не-

симметрии напряжения, коэффициента мощности в узле питания (узлы 1-3) для критерия «минимум потерь активной мощности» приведены на рис. 4.

СОЭфср

Рис. 4. График изменения потерь активной мощности в сети (а), напряжения прямой последовательности (б), коэффициента напряжения по обратной (в) и нулевой последовательности (г), среднего значения коэффициента мощности (д); --без подключения КУ;--с подключением КУ

Средние значения показателей для трех узлов схемы замещения (см. рис. 2) при оптимизации с использованием двух критериев сведены в таблицу.

Анализ результатов решения оптимизационной задачи

Наименование Параметры БезКУ С использованием КУ

3 —> min АР —> min

Ui ср, В 215,57 217,22 218,93

Узел 5С/У, % -2,01 -1,26 -0,49

питания KiU ср, % 0,39 0,21 0,20

(1,2,3) Кои ср, % 1,28 1,05 0,93

COS <р ср 0,72 0,95 0,97

Ui ср, В 213,26 215,28 217,13

Узел ЩС1 (9,10,11,12) 5 [/у, % Km ср, % Кои ср, % -3,06 0,65 1,40 -2,15 0,36 1,14 -1,30 0,32 1,04

COS <Р ср 0,71 0,90 0,93

Ui ср, в 214,22 216,05 217,85

Узел ЩС2 (13,14,15,16) SUy, % К:иср, % Кои ср, % COS (р ср -2,63 0,48 1,37 0,69 -1,80 0,29 1,13 0,85 -0,98 0,27 0,97 0,89

SQCVCTKY, квар 0,00 69,64 100,14

AWcyr, кВт-ч 198,22 127,85 109,11

AWaro^ кВт-ч 26 754 17 242 14 712

AWH. ГОЛ, % 3,81 2,49 2,13

В третьей главе рассмотрены технические средства, с применением которых можно практически реализовать предложенный подход. Использование существующих симметричных низковольтных КУ недостаточно, так как в зависимости от заданных графиков изменения нагрузок и мест размещения оптимальные структуры и параметры КУ различны.

Для практической реализации предложенного подхода в качестве КУ необходимо использовать двухполюсники, позволяющие генерировать реактивную мощность необходимой величины. В качестве технических средств КРМ широкое распространение получили последовательные ЬС-цепи, с применением которых можно генерировать реактивную мощность теоретически любой величины и осуществлять фильтрацию одной высшей гармоники тока. Для увеличения функциональных возможностей последовательных ЬС-цепей для низковольтных силовых электрических сетей нетяговых железнодорожных потребителей предложено использовать структуры канонических цепей по Фостеру и Кауэру с двумя нулями на амплитудно-частотной характеристике и емкостным сопротивлением по основной частоте. В зависимости от положения нулей на амплитудно-частотной характеристике и значения сопротивления по основной частоте стоимость однофаз-

ных компенсирующих устройств различна (параметры структур различны). Для определения параметров четырех канонических схем в зависимости от требуемых функциональных возможностей и применения двухполюсника с наиболее дешевой структурой при проектировании приведены расчетные выражения.

В четвертой главе сформулированы основные положения методики определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ. Результаты проведенных исследований позволили разработать методику, включающую в себя следующие основные положения:

1. Сбор и анализ технических и экономических данных (составление схемы замещения электрической сети и определение ее параметров; сбор сведений об установленном электрооборудовании; информация о потреблении электроэнергии за расчетный период; идентификация параметров математических моделей нагрузок по результатам экспериментальных измерений; информация о стоимости электрической энергии, удельной стоимости КУ).

2. Использование алгоритма определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ (см. рис. 1).

3. Анализ результатов расчета и разработка предложений по местам размещения, структурам и значениям реактивных мощностей ветвей нерегулируемых КУ.

Разработанная методика была апробирована в ремонтном вагонном депо «Московка» и в локомотивном депо «Инская» Западно-Сибирской железной дороги. По результатам проведенных экспериментальных исследований разработаны рекомендации по оптимальным местам размещения, структурам и параметрам нерегулируемых КУ. Использование нерегулируемых КУ на рассматриваемых железнодорожных объектах позволит улучшить КЭ и снизить нагрузочные потери в цеховых сетях вагонного депо на 24,5 % и на 21,1 % - для фидеров первой и второй секций шин соответственно, на 19,2 % - в сетях локомотивного депо.

Пятая глава посвящена расчету экономической эффективности внедрения КУ в сетях ремонтного вагонного депо «Московка» Западно-Сибирской железной дороги по предложенной методике. В качестве экономического эффекта рассматривалось снижение нагрузочных потерь активной энергии в распределительной сети при подключении нерегулируемых КУ.

В результате расчета для вагонного депо затраты на реализацию мероприятий составляют 103,2 тыс. р., стоимостная оценка результатов установки КУ за год (экономия на электроэнергию) - 60,52 тыс. р., чистый дисконтированный доход за расчетный период в десять лет составляет 252,04 тыс. р., индекс доходности - 3,44, срок окупаемости с учетом дисконтирования - 2,1 года.

Технико-экономическая оценка позволяет сделать вывод об экономической эффективности использования децентрализованного размещения КУ с определением мест размещения по предложенной методике.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих способов и технических средств снижения потерь и улучшения КЭ в электрических сетях позволил выбрать технические средства с необходимыми функциональными возможностями для практической реализации предложенной методики.

2. Результаты экспериментальных исследований случайных процессов потребления активной и реактивной мощности нагрузками в сетях действующих нетяговых железнодорожных потребителей позволили идентифицировать параметры математических моделей нагрузок.

3. Разработана оптимизационная математическая модель для решения задачи определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей.

4. Предложен алгоритм определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ с учетом нестационарных случайных нагрузок нетяговых потребителей.

5. Разработана и апробирована методика определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ.

6. Чистый дисконтированный доход от внедрения нерегулируемых КУ по предложенной методике для вагонного ремонтного депо «Московка» ЗападноСибирской железной дороги за расчетный период, равный 10 годам, составляет 252,04 тыс. р.

Список работ, опубликованных по теме диссертащш

1. А в и л о в В. Д. Методика оценки влияния технологического оборудования предприятий на синусоидальность режима - основа эффективного управления качеством электрической энергии / В. Д. Авилов, Е. А. Третьяков, Ю. В.Москалев// Омский научный вестник. 2006. № 4(38). С. 108 - 111.

2. А в и л о в В. Д. Применение алгоритмов случайного поиска при оптимизации качества электрической энергии в сетях стационарных железнодорожных предприятий / В. Д. Авилов, Е. А. Третьяков, Ю. В. Москалев// Известия Томского политехи, ун-та. 2007. Т. 311. № 4. С. 127 - 131.

3. Определение оптимальных мест размещения и диапазонов регулирования корректирующих устройств при управлении качеством электроэнергии / В. Д. А в и л о в, Ю. В. М о с к а л е в и др. // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2008. №7-8. С. 35-43.

4. Москалев Ю. В. К вопросу об обеспечении качества электрической энергии по искажению синусоидальности на шинах питания 0,4 кВ нетяговых

потребителей железнодорожного транспорта / Ю. В. М о с к а л е в // Материалы межвуз. науч.-практ. конф. студентов и аспирантов. Омский гос. ин-т сервиса. Омск, 2005. С. 330 - 332.

5.МоскалевЮ.В. Разработка вопросов управления качеством электрической энергии стационарных железнодорожных предприятий / Ю. В. М о с к а л е в // Совершенствование технологии ремонта и эксплуатации подвижного состава: Сб. науч. статей аспирантов и студентов. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. Вып. 7. С. 106 - 112.

6. А в и л о в В. Д. Определение параметров корректирующих устройств при оптимизации качества электроэнергии в сетях железнодорожных предприятий / В.Д.Авилов, Е.А.Третьяков, Ю.В.Москалев // Материалы между-нар. науч.-техн. конф. / Пензенская гос. сельскохоз. акад. Пенза, 2007. С. 6 - 9.

7.Третьяков Е. А. Сравнительный анализ методов расчета электрических сетей в условиях низкочастотных искажений / Е. А. Третьяков, Ю.В.Москалев // Материалы междунар. науч.-техн. конф. / Иртышский филиал Новосибирской гос. акад. водного трансп. Омск, 2007. С. 124 - 126.

8. Третьяков Е. А. Управляемый межфазный энергообмен как эффективное средство управления качеством электрической энергии / Е. А. Третьяков, Ю. В. Москалев// Общие комплексные проблемы технических и прикладных наук: Межвуз. сб. науч. тр. / Сибирская гос. автомобильно-дорожная акад. Омск, 2008. Вып. 5. 4.1. С. 314 - 317.

9. М о с кал е в Ю. В. Определение параметров канонических схем для фильтрации высших гармоник /Ю.В.Москалев // Межвуз. сб. науч. тр. / Иртышский филиал Новосибирской гос. акад. водного трансп. Омск, 2008. Вып. 6. С. 77-81.

10.МоскалевЮ.В. Эффективность компенсации неактивной составляющей мощности в электрических сетях/ Ю.В.Москалев, Н.Н.Малышева II Материалы междунар. науч.-пракг. конф. студентов, аспирантов и молодых исследователей / Омский филиал Российского заочного института текстильной и легкой промышленности. Омск, 2008. С. 75 - 78.

П.АвиловВ. Д. Оптимизация установленной мощности низковольт: ной конденсаторной установки / В. Д. А в и л о в, Е. А. Т р е т ь я к о в, Ю. В. М о с к а л е в // Материалы пятой Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием / Амурский гос. ун-т. Благовещенск, 2008. С. 92 - 94.

Автор выражает благодарность профессору Владимиру Григорьевичу Аввакумову и доценту Евгению Александровичу Третьякову за оказанные ими помощь и консультации при работе над диссертацией.

Типография ОмГУПСа. 2009. Тираж 100 экз. Заказ 301. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35.

Введение.

1 Направления исследований в области снижения потерь и улучшения качества электрической энергии в сетях нетяговых железнодорожных потребителей.

1.1 Проблема качества электроэнергии и компенсации реактивной мощности в сетях нетяговых железнодорожных потребителей.

1.2 Анализ способов и технических средств снижения потерь и улучшения качества электроэнергии.

1.3 Неактивная составляющая мощности как причина ухудшения качества электрической энергии.

1.4 Выводы по первой главе.

2 Определение оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств.

2.1 Математическое моделирование низковольтной распределительной сети нетяговых железнодорожных потребителей.

2.2 Постановка и решение оптимизационной задачи.

2.2.1 Определение целевых функций оптимизационной задачи.

2.2.2 Применение метода штрафных функций для задачи условной оптимизации.

2.2.3 Методическое обеспечение решения оптимизационной задачи.

2.3 Информационное обеспечение решения задачи.

2.3.1 Определение параметров схемы замещения электрической сети.

2.3.2 Математическое моделирование нестационарных случайных нагрузок нетяговых железнодорожных потребителей.

2.4 Разработка алгоритма определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств.

2.5 Апробация алгоритма определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств.

2.5.1 Расчет с использованием критерия минимум потерь активной мощности в электрической сети.

2.5.2 Расчет с использованием критерия минимум приведенных затрат.

2.6 Точность решения задачи определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств.

2.7 Выводы по второй главе.

3 Статические нерегулируемые фильтрокомпенсирующие устройства как эффективные средства снижения потерь и улучшения качества электрической энергии.

3.1 Низковольтные установки компенсации реактивной мощности.

3.2 Применение канонических двухполюсников для компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник тока.

3.3 Выводы по третьей главе.

4 Методика определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств в электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей.

4.1 Общие положения методики.

4.2 Апробация методики для действующего вагонного ремонтного депо Западно-Сибирской железной дороги.

4.2.1 Анализ сведений о составе электрооборудования, элементах и топологии распределительной сети предприятия.

4.2.2 Анализ информации о нагрузках и идентификация параметров математических моделей потребляемых мощностей.

4.2.3 Применение алгоритма определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств.

4.2.4 Анализ результатов расчета по предложенному алгоритму.

4.3 Апробация методики для действующего локомотивного ремонтного депо Западно-Сибирской железной дороги.

4.4 Выводы по четвертой главе.

5 Оценка экономической эффективности оптимального размещения компенсирующих устройств в сетях вагонного ремонтного депо «Московка».

5.1 Показатели экономической эффективности.

5.2 Оценка экономической эффективности.

Актуальность исследования. В современных условиях важным направлением научных исследований является повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Для успешного решения этой проблемы необходима разработка и внедрение энергосберегающих технологий, систем контроля и учета расхода энергоресурсов, совершенствование методик прогнозирования и нормирования, проведение последовательной энергосберегающей политики в целом.

На железнодорожном транспорте проблема энергосбережения также актуальна и связана со снижением удельных расходов энергетических ресурсов на тягу поездов и стационарную энергетику. Среди существующих причин снижения энергетической эффективности железнодорожной электроэнергетики особое место занимают проблемы качества электрической энергии (КЭ) и компенсации реактивной мощности (КРМ). Это связано с негативным влиянием электроэнергии, с показателями не соответствующим и нормативным документам, на электрооборудование, технологический процесс, смежные элементы. Наличие неактивной составляющей мощности является причиной дополнительных потерь электроэнергии, отклонения напряжения, снижения пропускной способности электрической сети. Улучшение КЭ, КРМ и снижение потерь электроэнергии -взаимосвязанные проблемы, решение которых возможно с использованием способов и средств управления обменом реактивной мощностью.

Основные направления правового регулирования в области энергосбережения сформулированы в Указе Президента РФ № 72 от 07.05.95 г. «Об основных направлениях энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010 года». В 2008 году утверждена «Энергетическая стратегия ОАО «Российские железные дороги» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года», за основу которой принята энергосберегающая политика.

Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта является одним из основных направлений инновационного развития ОАО «Российские железные дороги» («Белая книга» ОАО «РЖД»), поэтому проблемы КЭ и КРМ как составляющие проблемы энергосбережения в отрасли является актуальными.

Успешное решение комплекса сложных вопросов обеспечения КЭ, КРМ. и снижения потерь электрической энергии во многом стало возможным благодаря работам ученых Аввакумова В. Г., Арриллаги Дж., Бадера М. П., Бардушко В. Д., ВениковаВ. А., Германа Л. А, Горюнова В. Н., Железко Ю. С., Жежеленко И. В., Идельчик В.И., Кордюкова Е. И., Лурье Л.С., Мамошина Р. Р., Черемиси-на В. Т., Шалимова М. Г., Шидловского А. К. и др.

Ухудшение КЭ в электрических сетях увеличивает электрическое и магнитное влияние на смежные устройства, приводит к дополнительным потерям активной мощности в распределительных электрических сетях и электрооборудования, к снижению надежности и срока их службы, недоиспользованию установленной мощности. Улучшением КЭ и КРМ1 можно достичь снижения затрат на электрическую энергию, поэтому обеспечение КЭ и КРМ в электрических сетях общего назначения, питающих тяговую нагрузку, а также распределительных сетях нетяговых железнодорожных потребителей представляет собой важную технико-экономическую задачу.

Для разрешения комплекса вопросов, связанных с повышением эффективности использования электрической энергии на железнодорожном транспорте, существует множество способов и технических средств. Наиболее широкое распространение на практике получили статические регулируемые и нерегулируемые компенсирующие устройства (КУ) благодаря их многофункциональности, простоте эксплуатации, относительно высокой надежности, возможности размещения в любом узле электрической сети.

Известные инструктивно-методические указания содержат рекомендации по КРМ в низковольтных электрических сетях, основанные на экономическом значении потребляемой реактивной энергии предприятием, определенной суммарной расчетной мощности КУ, с их последующим размещением централизованно и (или) децентрализовано в цеховых сетях. При этом сложно определить оптимальные места размещения, структуры и параметры КУ для улучшения КЭ и уменьшения потерь электроэнергии в цеховых сетях.

Целью диссертационной работы является разработка методики определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1) выполнить анализ существующих способов и технических средств снижения потерь и улучшения КЭ в электрических сетях;

2) провести экспериментальные исследования процессов потребления активной и реактивной мощности нагрузками в сетях действующих нетяговых железнодорожных потребителей, по результатам которых идентифицировать параметры математических моделей нагрузок;

3) разработать оптимизационную математическую модель для решения задачи определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей;

4) предложить алгоритм определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ с учетом нестационарных случайных нагрузок нетяговых потребителей;

5) разработать методику определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ;

6) выполнить оценку экономической эффективности внедрения КУ по предложенной методике в электрических сетях ремонтного депо ЗападноСибирской железной дороги.

Методы исследования. В.ходе проводимых исследований для решения поставленных задач использовались-теоретические и экспериментальные методы: фундаментальные законы теоретической электротехники; методы симметричных составляющих и гармонического анализа;

- метод решения системы линейных алгебраических уравнений Гаусса; оптимизационный метод Хука-Дживса;

- методы синтеза электрических цепей;

- метод непосредственного натурного эксперимента с использованием двух сертифицированных многоканальных измерительно-вычислительных комплексов ИВК «Омск-М», анализатора количества и качества электроэнергии АЯ.5.

Большинство выводов и результатов работы получены с использованием системы Ма1:ЬаЬ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Предложена математическая модель низковольтной электрической сети нетягового железнодорожного потребителя, позволяющая выполнять аналитический расчет токораспределения с учетом кондуктивного взаимовлияния фаз и нулевого провода в комплексном виде.

2. Разработан алгоритм определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств с учетом нестационарных случайных нагрузок нетяговых железнодорожных потребителей.

3. Разработана методика определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей.

4. Предложено использовать нерегулируемые низковольтные статические КУ с различными структурами и параметрами, выбор которых зависит от места подключения КУ в сети и заданных графиков изменения нагрузок.

Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждается применением фундаментальных методов расчета электрических цепей (метод узловых потенциалов), сопоставлением результатов расчета по предложенной методике и схемно-технического моделирования в 81тиНпк системы МаАЬаЬ. Расхождение результатов теоретических расчетов и проведенного численного моделирования составило не более 1,04 %.

Практическая ценность диссертации. Использование предложенной методики позволяет определить оптимальные места размещения, структуры и параметры нерегулируемых КУ в низковольтных четырехпроводных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ для действующих и проектируемых объектов. Установка и подключение нерегулируемых КУ по предложенной методике позволит улучшить КЭ и снизить нагрузочные потери в электрической сети потребителя на 15 — 25 %.

Реализация результатов работы. Предложенная методика определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в сетях нетяговых железнодорожных потребителей использовалась при разработке мероприятий по снижению потерь и улучшению КЭ в электрических сетях ремонтного. вагонного депо «Московка», при проведении энергетического обследования Инско-го узла Новосибирского отделения Западно-Сибирской железной дороги.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на нескольких научно-технических, научно-практических конференциях: «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Омск, 2007); «Математическое моделирование, обратные задачи, информационно-вычислительные технологии» (Пенза, 2007); «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (Благовещенск, 2008); научно-технических семинарах кафедр ОмГУПСа (Омск, 2009).

Публикации. Научные материалы диссертационной работы опубликованы в одиннадцати печатных работах, в том числе три - в изданиях, включенных в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы.

В первой главе рассматривается содержание проблем снижения потерь и КЭ, влияние низкого КЭ на функционирование системы электроснабжения,, отдельных электроприемников. Приводится перечень отечественных и зарубежных ученых внесших значительный вклад в исследование проблемы КЭ и КРМ. На основании анализа результатов разработок технических средств для улучшения КЭ и снижения потерь электрической энергии выполнена их классификация, рассмотрены достоинства и недостатки различных устройств.

Вторая глава посвящена построению алгоритма определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств с учетом нестационарных случайных нагрузок нетяговых железнодорожных потребителей. Разработана оптимизационная математическая модель, определены методы ее решения, выполнена оценка точности решения рассматриваемой задачи с использованием систем схемно-технического моделирования.

В третьей главе рассмотрены существующие низковольтные компенсирующие устройства. Для практической реализации предложенного подхода в качестве ветвей компенсирующих устройств на ряду с классическими последовательными ЬС-цепями можно использовать структуры канонических цепей по Фостеру и Кауэру. Для определения параметров четырех канонических схем в зависимости от требуемых функциональных возможностей и выбора двухполюсника с наиболее дешевой структурой приведены расчетные выражения.

В четвертой главе сформулированы основные положения методики определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств с учетом нестационарных случайных процессов потребления мощностей электрическими нагрузками. Выполнена апробация предложенной методики на действующих нетяговых железнодорожных потребителях.

В пятой главе выполнена оценка экономической эффективности разработанных мероприятий с использованием предложенной методики.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 145 наименований и четырех приложений. Общий объем диссертации составляет 164 страницы, включая 44 рисунка, 18 таблиц и 4 приложения.

4.4 Выводы по четвертой главе

1. Предложена методика определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств в электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей.

2. Применение методики продемонстрировано на примере действующих нетяговых железнодорожных потребителей.

3. На основании применения методики рекомендовано использовать децентрализованное размещение нерегулируемых компенсирующих устройств с точным указанием оптимальных мест размещения, структур и необходимой величины генерируемой реактивной мощности КУ по основной частоте ветвей каждого КУ. Результаты расчета с использованием разработанной методики и методика переданы для использования в рассмотренные структурные подразделения ОАО «Российские железные дороги», подписаны соответствующие акты (Приложение А). Относительное снижение нагрузочных потерь активной мощности для ВЧДР-3 «Московка» составит 24,5 % и 21,1 % для первой и второй секций шин соответственно, для ТЧ-5 «Инская» составит 19,2 %.

5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИМАЛЬНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В СЕТЯХ ВАГОННОГО РЕМОНТНОГО ДЕПО «МОСКОВКА»

Предлагаемая методика позволяет выполнить оптимизацию по двум критериям; в большинстве случаев используется критерий «минимум приведенных затрат», но этот критерий позволяет только приближенно оценить возможный экономический эффект от предлагаемых мероприятий, поэтому необходимо выполнить дополнительную оценку экономического эффекта в рамках технико-экономического расчета.

Конденсаторные батареи (как один из возможных вариантов технического устройства корректирующего КЭ) являются эффективным средством по компенсации реактивной мощности и повышения, КЭ-для железнодорожной электроэнергетики с тяговой нагрузкой и нетяговых потребителей. Экономический эффект от внедрения конденсаторных батарей складывается из нескольких составляющих:

1) уменьшение потерь, электроэнергии в распределительной-сети на действующих объектах;

2) снижение капитальных затрат (инвестиций) при проектировании системы электроснабжения;

3) повышение надежности распределительной сети; технологического оборудования и трансформаторов (уменьшение физического и морального износа оборудования и т.д.);

4) повышение использования установленной мощности технологического оборудования;

5) экономия затрат на оплату реактивной мощности (при действующих документах, устанавливающих тарифы на реактивную мощность).

При расчете экономической эффективности в работе учитываются только потери электроэнергии, т.к. эффект от снижения износа оборудования трудно оценить (отсутствие общих методов оценки для различного оборудования), в настоящее время оплата за реактивную мощность стационарными железнодорожными предприятиями не осуществляется.

Эффективность выбора установленной мощности и мест размещения КУ определяется через сравнение возможных вариантов. Показателем наилучшего варианта является минимум годовых приведенных затрат. В данной работе рассмотрим сравнение двух вариантов для стационарного железнодорожного предприятия ВЧДР-3 «Московка»: без использования КУ и размещение КУ в различных узлах распределительной сети на основании расчетов с использованием предлагаемой методики. Важно отметить, что предлагаемая методика позволяет выбрать оптимальное сочетание централизованно»— децентрализованного размещения КУ. Как показали исследования на разработанной модели, для критерия «минимума потерь» размещение КУ целесообразно только децентрализовано, при использовании критерия «минимум приведенных затрат» в ряде случаев необходимо применение сочетания централизованно - децентрализованного» размещения КУ, что определяется соотношением стоимости потерь электроэнергии и КУ.

5.1 Показатели экономической эффективности

Для оценки экономической эффективности внедрения на железной дороге проекта использована методика [145].

Оценка затрат и результатов осуществляется в пределах расчетного периода, при расчете период принят равным десяти годам. Рассматриваемый проект классифицируется как мероприятие с длительным сроком службы, поэтому необходимо приведение разновременных показателей к начальному моменту времени, на основе коэффициента дисконтирования. Приведение затрат и результатов к начальному моменту времени осуществляется умножением их на коэффициент дисконтирования, определяемый для постоянной нормы дисконта по выражению: а, =(1+

5.1) где Ен - принятая норма дисконта (для железных дорог Еп = 0,1 [145]).

К основным показателям общей и сравнительной социально-экономической эффективности относятся:

1) чистый дисконтированный доход (ЧДД);

2) индекс доходности (ИД);

3) внутренняя норма доходности (ВИД);

4) срок окупаемости инвестиций (Т0).

Чистый дисконтированный доход при постоянной норме дисконта определяется по формуле: где — результаты, достигаемые на соответствующем 1-ом шаге расчета;

3( - текущие издержки за минусом амортизации и инвестиции достигаемые на соответствующем /-ом шаге расчета; Т— горизонт расчета (Т= 10 лет). Для более полной характеристики проекта определяется индекс доходности, или рентабельность инвестиций: т

5.2) т ид= т

5.3) где К( - капитальные вложения на 1>ом шаге расчета;

- затраты на 1>ом шаге расчета за исключением капитальных вложений и амортизационных отчислений.

Внутренняя норма доходности представляет собой такую норму дисконта, при которой величина приведенных эффектов на расчетном периоде равна приведенным капитальным вложениям. Внутренняя норма доходности должна быть не меньше средней номы доходности, иначе нет смысла капиталовложений в проект. ВНД является результатом решения уравнения: у К, ~ 31 тг-ч К1

Я(1 + ВЩ)' + внд)г (5'4)

Срок окупаемости инвестиций - период времени от начала реализации проекта, за пределами которого ЧДД становится неотрицательным. о к *ок

5.5)

0 /=0

5.2 Оценка экономической эффективности

Для расчета ущерба, который в рассматриваемом случае равен стоимости потерь электроэнергии в распределительной сети, необходимо определять потребление активной и реактивной энергии по вводам ТП 3406 (таблица 5.1).

В результате расчета, выполненного с использованием сертифицированного программного комплекса РТП-3 (сертификат соответствия № РОСС RU.ME20.H01189), нагрузочные потери активной электроэнергии по вводу № 1 и № 2 составили 82 168,93 и 68 477,89 кВт-ч за базовый период (2007 год), что составляет 5,89 % и 5,61 % по секциям шин соответственно. Принятый при расчетах тариф электроэнергии составляет 1,75 руб./кВт-ч.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Анализ существующих способов и технических средств снижения потерь и улучшения КЭ в электрических сетях позволил выбрать технические средства с необходимыми функциональными возможностями для практической реализации предложенной методики.

2. Результаты экспериментальных исследований случайных процессов потребления активной и реактивной мощности нагрузками в сетях действующих нетяговых железнодорожных потребителей позволили идентифицировать параметры математических моделей нагрузок.

3. Разработана оптимизационная математическая модель для решения задачи определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей.

4. Предложен алгоритм определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ с учетом нестационарных случайных нагрузок нетяговых потребителей.

5. Разработана и апробирована методика определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ.

6. Чистый дисконтированный доход от внедрения нерегулируемых КУ по предложенной методике для вагонного ремонтного депо «Московка» ЗападноСибирской железной дороги за расчетный период, равный 10 годам, составляет 252,04 тыс. р.

1. Постановление Правительства РФ «О неотложных мерах по энергосбережению» № 1087 от 02.11.95.

2. Закон РФ «Об энергосбережении» 28-ФЗ от 03.04.1996 г.

3. Стратегические направления научно-технического развития. ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД»).

4. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. ИПК. Издательство стандартов, 1998. 30 с.

5. Аберсон M.JI. Оптимизация регулирования напряжения. М.: Энергия, 1975. 160 с.

6. Аввакумов В.Г., Багиев Г.Л., Воскобойников Д.М. Технико-экономическая оценка качества электроэнергии в промышленности. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1977. 132 с.

7. Аввакумов В.Г. Постановка и решение электроэнергетических задач исследования операций. Киев: Выща школа. Головное изд-во, 1983. 240 с.

8. Аввакумов В.Г. Методы нескалярной оптимизации и их приложения. Киев: Выща школа, 1990. 188 с.

9. Арриллага Дж., Бредли Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах. М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.

10. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1983. 183 с.

11. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. -М.: Электроатомиздат, 1984. 160 с.

12. Жежеленко И.В., Рабинович М.Л., Божко В.М. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях. Киев: Техника 1981. 160 с.

13. Жежеленко И.В., Шиманский О.Б. Электромагнитные помехи в системах электроснабжения промышленных предприятий. — М., 1986. 120 с.

14. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии. М.: Электроатомиздат, 1985. 224 с.

15. Железко Ю. С. Стратегия снижения потерь и повышения качества электроэнергии в электрических сетях // Электричество, 1995, № 5. С. 6-12.

16. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Повышение качества электрической энергии в электрических сетях. — Киев: Наук, думка, 1985. 286 с.

17. Шидловский А.К., Новский В.А., Каплычный H.H. Стабилизация параметров электрической энергии в распределительных сетях. Киев. Наук, думка., 1989. 312 с.

18. Железко Ю.С. О нормативных документах в области качества электроэнергии и условий потребления реактивной мощности // Электрика, 2003, № 1.С. 9-16.

19. Кудрин Б.И. О пакете новых нормативных документов, заменяющих Правила пользования электрической и тепловой энергией // Промышленная энергетика, 2005, № 9, С. 38-43.

20. Шидловский А.К. О совершенствовании нормирования качества электроэнергии // Электричество, 1987, № 10, С. 65.

21. Ферреро А. Измерения при несинусоидальных сигналах: новые подходы к старой проблеме науки и техники измерений // Приборы и системы управления. 1999. № 10. С. 60-66.

22. Борисов Р.К., Смирнов М.Н., Петров С.Р. и др. Методы и средства решения практических проблем электромагнитной совместимости на электрических станциях и подстанциях // Электро, 2002, № 2, С. 45.

23. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Ярославский В.Н. Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии // Электричество. 2000. №4. С. 11-17.

24. Горюнов В.И: и др. Основные принципы-построения системы контроля, анализа и управления качеством электрической энергии // Электрические станции, 1998, № 12.

25. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость. М.: УМК МПС, 2002. 638 с.

26. Бардушко В.Д. Анализ и параметрический синтез систем тягового электроснабжения: дис. докт. техн. наук. Иркутск, 2001. 259 с.

27. Бардушко В.Д. Учет влияния внешней сети при анализе качества электроэнергии в системах тягового электроснабжения // Электрика, 2001, №9. С. 33-38.

28. Дрехслер Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузке. М.: Энергоатомиздат, 1985. 148 с.

29. Дрехслер Р. Коэффициент мощности и потери в сети при несимметричном и нелинейном потребителе // Электричество, 1982, № 2, С. 12-16.

30. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Реактивная мощность в задачах электроэнергетики. //Электрика. 1987. № 2.

31. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Централизованная компенсация неси-нусодальности напряжения. // Электрика. 2002. № 5. С. 10-13.

32. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л., Бараненко Т.К. Интергармоники сетевого тока непосредственных преобразователей частоты* с искусственной коммутацией. // Электрика. 2005. № 5. С. 16-22.

33. Жежеленко И.В., Кашина Т.М., Харламова З.В. Частотные характеристики входных сопротивлений сетей энергосистем со стороны узлов // Изв. вузов «Энергетика», 1979, № 12, С. 74-77.

34. Жежеленко И.В., Липский A.M., Чубарь Л.А., Кашина Т.М., Харламова 3.В. Частотные характеристики узлов нагрузок сетей промышленных предприятий // Электричество, 1982, № 3. С. 6-10.

35. Зыкин Ф.А. Энергетические процессы в системах электроснабжения с нагрузками, ухудшающими качество электроэнергии // Электричество, 1987, № 12. С. 5-9.

36. Иванов B.C., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. — М.: Элек-троатомиздат, 1987. 336 с.

37. Кордюков Е.И. Многоцелевая оптимизация качества электроэнергии и средств его улучшения в системах электроснабжения железных дорог и промышленных предприятий: В 2 т., т.1: Дис. докт. техн. наук. Омск, 1993. 256 с.

38. Кузнецов В.Г., Григорьев A.C., Данилюк В.Б. Снижение несимметрии и несинусоидальности напряжений в электрических сетях. Киев.: Наукова думка, 1992. 240 с.

39. Мамошин P.P. Повышение качества энергии на тяговых подстанциях. дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1973. 224 с.

40. Черемисин В.Т. Совершенствование методов расчета режимов приема и потребления электрической энергии в условиях несимметрии и несинусоидальности электротяговой нагрузки переменного тока: Дис. докт. техн. наук. Омск, 1996. 443 с.

41. Шалимов М.Г. Сопротивления проводов линий электропередачи и контактной сети в спектре повышенных частот (теория и расчет): В 2 т., т.1: Дис. докт. техн. наук. Омск, 1970. 411 с.

42. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок: Пер. с польск. М.: Энергоатомиздат, 1985. 136 с.

43. Dixon J., Morán L. A Clean Four-Quadrant Sinusoidal Power Rectifier Using Multistage Converters for Subway Applications // IEEE Transactions on industrial electronics. 2005. № 3. pp. 1-9.

44. Dixon J., Garcia J., Moran L. Control System for Tree-Phase Active Power Filter Which Simultaneously Compensates Power Factor and Unbalanced Loads // IEEE Transactions on industrial electronics. 1995. № 6. pp. 636-641.

45. Dixon J., Garcia J., Moran L. Control System for Tree-Phase Active Power Filter Which Simultaneously Compensates Power Factor and Unbalanced Loads // IEEE Transactions on industrial electronics. 1995. № 6. pp. 636-641.

46. Константинов Б.А., Воскобойников Д.М. Использование кибернетических методов в промышленной электроэнергетике // Электричество, 1976, № 10, С. 70-71.

47. Мелентьев JI.A. О роли математических моделей и информации в управлении большими системами в энергетике // Изв. АН СССР «Энергетика и транспорт», 1969, № 5, С. 3-11.

48. Мелентьев JI.A. Системные исследования в энергетике. М.: Наука, 1983.456 с.

49. Огвоздин В.Ю. Управление качеством. Основы теории и практики. М.: Дело и сервис, 1999. 160 с.

50. Растригин JI. А. Адаптация сложных систем. Рига: Зинатне, 1981. 375 с.

51. Идельчик В.И. Расчеты и оптимизация режимов в электрических сетях. М.: Энергоатомиздат, 1988.

52. Веников В.А., Суханов О.А. Кибернетические модели электрических систем. М.: Энергоатомиздат, 1982. 328 с.

53. Киселев А.Н., Громилин В.А. Системный подход к обеспечению качества электроснабжения средних промышленных предприятий // Электрика, 2005, № 10. С. 13-17.

54. Мадьяр JI. Коэффициент мощности. Пер. с немецкого. Госэнергоиз-дат, 1961. 376 с.

55. Кириенко В. П., Слепченков М. Н. Комплексное устройство компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с управляемыми выпрямителями // Электричество. 2006. № 11. С. 33-40.

56. Веников В. А., Жуков JI. А., Карташев И. И., Рыжов Ю. П. Статические источники реактивной мощности в электрических сетях. М.: Энергия, 1975. 136 с.

57. Веников В. А., Идельчик В. И., Лисеев М. С. Регулирование напряжения в электроэнергетических системах. М.: Энергоатомиздат, 1985. 216 с.

58. Добрусин JI.A. Автоматизация расчета фильтрокомпенсирующих устройств для электрических сетей, питающих преобразователи // Промышленная энергетика, 2004, № 5, С.34-39.

59. Дорожко JI. И., Либкинд М. С. Реакторы с поперечным подмагничи-ванием. М.: Энергия, 1977. 176 с.

60. Жуков Л.А., Рыжов Ю.П. О путях разработки статических управляемых источников реактивной мощности с непрерывным регулированием // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1967. № 5. С. 72-80.

61. Зиновьев Г.С. Вентильные компенсаторы реактивной мощности, мощности искажения и мощности несимметрии на базе инвертора напряжения // Современные задачи преобразовательной техники.Ч.2. — Киев: ИЭД АН УССР, 1975. с.

62. Карпов Ф.Ф., Солдаткина A.A. Регулирование напряжения в электросетях промышленных предприятий. М.: Энергия, 1970. 223 с.

63. Кузнецов В.П., Рудько C.B. Сварочные выпрямители с улучшенными техническими показателями // Известия ВУЗов. Электромеханика. 2007 № 3. С. 72-73.

64. Кулинич Ю.М. Повышение качества электроэнергии, потребляемой электровозом однофазно-постоянного тока, на основе применения гибридного компенсатора реактивной мощности: Дис. докт. техн. наук. Москва, 2002. 270 с.

65. Кутузов С.И. Взаимная компенсация гармоник, вносимых в автономную энергосистему статическими и электромеханическими преобразователями // Электричество. 1996 № 3.

66. Лабунцов В.А., Чжан Дайжун. Однофазные полупроводниковые компенсаторы пассивной составляющей мгновенной мощности // Электричество, 1993, № 12. С. 20-32.

67. Мустафа Г .М., Кутейникова А. Ю., Розанов Ю. К., Иванов И. В. Применение гибридных фильтров для улучшения качества электроэнергии // Электричество, 1995, № 10. С. 33-39.

68. Розанов Ю .К., Кошелев К. С., Смирнов М. И. Цифровая система управления статическим компенсатором реактивной мощости // Электричество, 2006, № 7. С. 25-30.

69. Сарв В. Вентильные цепи регулирования напряжения с управляемым межфазным энергообменом. Таллин. Валгус., 1986. 184 с.

70. Чаплыгин Е.Е. Вопросы управления вентильными компенсаторами пассивной мгновенной мощности // Электричество. 1995. № 11. С. 56-60.

71. Шевченко В. В., Куровски Т., Буре И. Г., Бенысек Г. Оптимизированный гибридный фильтр для силовых цепей переменного тока// Электричество. 2002. № 7. С. 15-22.

72. Шишкин С.А. Оптимизация эксплуатационных параметров силовых трансформаторов 10/0,4 кВ с помощью низковольтных фильтрокомпенсирую-щих конденсаторных установок // Промышленная энергетика, 2005, № 5, С. 2932.

73. Gyugyi L., Strycula Е.С. Active AC power filters. IEEE/IAS, Annual Meeting, 1976. pp. 529-535.

74. Ortuzar M.E., Carmi R.E., Dixon J.W, Morân L. Voltage-Source Active Power Filter Based on Multilevel Converter and Ultracapacitor DC Link // IEEE Transactions on industrial electronics. 2006. № 2. pp. 477-484.

75. Karve S. Active Harmonic Conditioners. // MGE UPS Systems Ltd March 2001.

76. Morân L., Pastorini I., Dixon J., Wallace R. Series active power filter compensates current harmonics and voltage unbalance simultaneously // IEE Proc.-Gener.Transm.Distrib., 2000. № 1. pp. 31-36.

77. Maffrand C., Dixon J., Morân L. Binary Controlled Static Var Compensator, Based on Electronically Switched Capacitors // 29th IEEE Power Electronics Specialists Conference, May 17-22, 1998, Fukuoka, Japan.

78. Morân L., Dixon J. A Three-Phase Active Power Filter Operating with Fixed Switching Frequency for Reactive Power and Current Harmonic Compensation // IEEE Transactions on industrial electronics. 1995. № 4. pp. 402-408.

79. Morân L., Mora E., Wallace R., Dixon J. Performance Analysis of a Power Factor Compensator which Simultaneously Eliminates Line Current Harmonics, IEEE Power Electronics Specialists Conference, PESC'92, Toledo, Spain, June 29-July 3, 1992.

80. Morân L., Mahomar J., Dixon J. Selecting the Best Point of Connection for Shunt Active Power Filtres in Multibus Power Distribution Systems, IEEE Industry Applications Magazine, Vol. 10, № 2, March/April 2004, pp. 43-50.

81. Rivas D., Morân L., Dixon J.W., Espinoza J.R. Improving Passive Filter Compensation Performance With Active Techniques//IEEE Transactions on industrial electronics. 2003. № 1.

82. Rivas D., Morân L., Dixon J.W., Espinoza J.R. A simple control scheme for hybrid active power filter // IEE Proc.-Gener.Transm.Distrib., 2002. № 4. pp. 485-489.

83. Salgado F., Lopez E., RudnickH. VAR planning in distribution systems via genetic operators // IEEE Power Engineering Society General Meeting, Monreal, Canada.2006.

84. Staccy E.J., Strycula E.C. Hybrid power filters. IEEE/IAS, Annual Meeting, 1977. pp. 1133-1140.

85. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Ин-термет Инжиниринг, 2005. 672 с.

86. Глинтерник С.Р. Электромагнитные процессы и режимы мощных статических преобразователей. JL: Наука, 1970. 127 с.

87. Кене Ю.А., Жураховский А.В. Высшие гармоники в трехфазных цепях// Электричество. 1995. № 5. С. 68-74.

88. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. 4.1. Линейные электрические цепи. М.: Энергия, 1978. 591 с.

89. Атабеков Г.И. и др. Теоретические основы электротехники. ч.2 и 3: Нелинейные электрические цепи. М.: Энергия, 1979. 431 с.

90. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: Высшая школа, 1989. 528 с.93. www.cda.org.uk/PQP/pqag.htm // Power Quality Application Guide. Copper Development' Association >IEE Endorsed Provider.

91. Беркович Е.И. К определению понятия мощности в нелинейных цепях // Электричество, № 1,1989, С. 6 К

92. Жарков Ф.П. Об одном способе определения реактивной мощности // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1984, № 2.

93. Кадомский Д.Е. Активная и реактивная мощность — характеристики средних значений работы и энергии периодического электромагнитного поля в элементах нелинейных цепей // Электричество, 1987, № 7, С. 39.

94. Караев Р.И., Силкин В.Н. Активная и неактивная мощность электрических систем // Электричество, 1989, № 12. С. 56-58.

95. Койков С.Н. Анализ взаимодействия между источником и потребителем электроэнергии // Электричество, 1987, № 1.

96. Копылов И.П. К определению динамических энергетических показателей при несинусоидальном несимметричном напряжении // Изв. АН. Энергетика. 2001. №3.

97. Растригин J1. А. Статистические методы поиска. М: Наука, 1968. 307 с.

98. Растригин JI. А. Случайный поиск в задачах оптимизации многопараметрических систем. Рига: Зинатне, 1965. 405 с.

99. РТМ 36.18.32.6-92 «Указания по проектированию установок компенсации реактивной мощности в электрических сетях общего назначения промышленных предприятий».

100. Гусейнов A.M. Расчет в фазных координатах несимметричных установившихся режимов в сложных системах // Электричество, 1989, № 3, С. 3.

101. Идельчик.В.И. Расчеты установившихся режимов электрических систем. М.: Энергия, 1977. 189 с.

102. Шидловский А.К., Вагин Г.Я., Куренный Э.Г. Расчеты электрических нагрузок систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энерго-атомиздат, 1992. 224 с.

103. МинаковИ.А. Сравнительный анализ некоторых методов случайного поиска и оптимизации // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 1999. № 2. С. 286-293.

104. Аоки М. Введение в методы оптимизации. М.: Наука, 1977. 344 с.

105. Веников В.А., Будзко И.А., Левин М.С., Блохина Е.Л., Петров В.А. О методах решения многокритериальных оптимизационных задач электроэнергетики с неопределенными величинами // Электричество, 1987, № 2, С. 1.

106. Вощинин А. П., Сотиров Г. Р. Оптимизация в условиях неопределенности. Изд-во МЭИ. Техника, 1989. 224 с.

107. Жилинскас А., Шалтянис В. Поиск оптимума. М.: Наука, 1989. 122 с.

108. БандиБ. Методы оптимизации. Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988. 128 с.

109. Пантелеев A.B., Летова Т.А. Методы оптимизации в примерах и задачах. М.: Высшая школа, 2002. 544 с.

110. Измайлов А.Ф.»,. СолодовМ.В. Численные методы оптимизации- М:: Физматлит, 2005. 304 с. ;

111. Третьяков Е.А. Сравнительный анализ методов расчета электрических сетей в условиях низкочастотных искажений / Третьяков Е.А.,,Москалев Ю.В. //

112. Материалы междунар. науч.-технич. конф.' / Иртышский филиал Новосибирской государственной академии водного транспорта. Омск, 2007. С. 124 126.

113. Ильяшов ВЛ. Конденсаторные установки» промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат. 1983. 152 с.

114. Денисенко Н.А, Хоффманн И. Автокорреляционные функции электрических нагрузок и напряжений в системах электроснабжения»// Электричество, 1985, № 1, С. 43-45.

115. Жежеленко>И1В. Методы вероятностного моделирования в расчетах характеристик электрических нагрузок потребителей. — М.: 1990. 234 с.

116. Жежеленко И.В. Учет вероятностного1 характера1 графиков нагрузки при пересчете коэффициентов максимума на различных интервалах времени // Электричество, 1987, № 12.

117. Каялов Г.М., Гордеев В.И. Теория корреляции и основы расчета электрических нагрузок железнодорожных тяговых сетей//Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1969. № 5. С. 40-48.

118. Марквардт Г.Г. Применение теории вероятностей и вычислительной техники в системе электроснабжения. М.: Транспорт, 1972. 224 с.

119. Шидловский А.К., Куренный Э.Г. Введение в статистическую динамику систем электроснабжения. Киев. Наук, думка., 1984. 272 с.

120. Фокин Ю.А., Гремяков A.A. Стохастические характеристики активных и реактивных нагрузок потребителей электрических сетей напряжением 610 кВ // Электричество, 1972, № 2, С. 75-78.

121. Фокин Ю.А. Вероятностно-статистические методы в расчетах систем электроснабжения. М.: Энергоатомиздат, 1985. 240 с.

122. Тимофеев,Д.В. Режимы в электрических системах с тяговыми нагрузками. М.: Энергия, 1972. 296 с.

123. Шумилов В.Ф. Корреляционные функции и спектральные плотности случайных нагрузок промышленных установок // Электричество, 1988, № 3, С. 29-34.

124. Свешников A.A. Прикладные методы теории случайных функций. М.: Наука, 1968. 463 с.

125. Никитин Ю.М. Метод статистического исследования нестационарных случайных процессов в электроснабжении // Электричество, 1971, № 2, С. 2530.

126. Венецкий В.А. Математическая статистика. М.: Статиздат, 1963. 363 с.

127. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1982. 528 с.

128. Справочник по электроснабжению железных дорог, т.2 /под редакцией Марквардта К.Г. М.: Транспорт, 1981. 392 с.

129. БалабанянН. Синтез электрических цепей. М.: Госэнергоиздат, 1961. 416 с.

130. Москалев Ю.В. Определение параметров канонических схем для фильтрации высших гармоник. Сборник научных трудов: вып. 6. Омск: Иртышский филиал НГАВТ, 2008. С. 77-81.

131. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций. М.: Энергоатомиздат. 1989. 608 с.

132. Справочник по проектированию электрических сетей. Под редакцией Д.Л. Файбисовича. М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2005. 320 с.

133. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиций на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт, 1997. 52 с.