автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности группового регулирования напряжения в распределительных сетях промышленных предприятий в условиях территориально рассредоточенных электропотребителей

На правах рукописи

ШЕВЧУК Антон Павлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРУППОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАССРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.03-Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005551504

Санкт-Петербург - 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Абрамович Борис Николаевич

Официальные оппоненты:

Косьянов Вадим Александрович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе», кафедра механизации, автоматизации и энергетики горных и геологоразведочных работ, заведующий кафедрой

Плащанский Леонид Александрович - кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», кафедра электрификации и энергоэффективности горных предприятий, профессор

Ведущее предприятие - ОАО «НТЦ ЕЭС»

Защита состоится 24 июня 2014 года в 14 час 30 мин. на заседании Диссертационного совета Д 212.224.07 в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д. 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 23 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На современном этапе развития сложных электроэнергетических систем и комплексов, особенно актуальным является решение задач, связанных с разработкой и внедрением энергоэффективных технологий. Критерием эффективности, в данном случае, является минимизация потерь электрической энергии при условии соблюдения норм ее качества как в удаленных точках электросети, так и на шинах главных понизительных подстанций.

Одним из наиболее эффективных способов минимизации потерь электроэнергии является групповое регулирование напряжения, осуществляемое за счет изменения коэффициента трансформации силовых трансформаторов под нагрузкой. При этом, для реализации эффективного управления режимом напряжения в сети необходимо учитывать протяженность отходящих линий, мощность потребителей, распределение нагрузки и режимы ее работы в электрической сети, регулирующие эффекты по напряжению, наличие и состав локальных устройств регулирования и компенсации отклонения напряжения.

В условиях ограниченного объема средств измерения и передачи данных об электропотреблении отдельных потребителей, а также стохастического характера изменения указанных выше параметров, удобным инструментом для решения поставленной задачи являются лингвистические методы обработки данных на основе теории нечетких множеств. Данный подход позволяет определить рациональный уровень напряжения в системе электроснабжения промышленных предприятий в реальном режиме времени, за счет чего становится возможным минимизировать потери электрической энергии в распределительных сетях и снизить электроэнергетическую составляющую себестоимости конечного продукта промышленных предприятий.

Степень разработанности.

Проблемой эффективности группового регулирования напряжения занимались Абрамович Б.Н., ПолищукВ.В., Тарасов Д.М., Kundur P., Wood A.J., Wellberg B.F. и др. Теория регулирования напряжения в распределительных сетях с применением интеллектуаль-

ных систем управления разрабатывалась Манусовым В.З., Жмаком Е.И., Мятежом A.B., Kasztenny В. и др.

В работах Жмака Е.И., Мятежа A.B., Kasztenny В. обосновано применение интеллектуальных систем на основе нечеткой логики в задачах регулирования напряжения и доказана их высокая эффективность по сравнению с классическими алгоритмами управления при встречном регулировании напряжения. Однако не учтены особенности электротехнических комплексов промышленных предприятий, характеризуемых наличием рассредоточенных и удаленных от центров питания электропотребителей, большим удельным весом нелинейных нагрузок, несбалансированными, а зачастую «прерывистыми» режимами питания технологических и вспомогательных электроустановок.

В работе Тарасова Д.М. составлена целевая функция, позволяющая определить оптимальный уровень напряжения в центрах питания при групповом регулировании. Показано, что на величину целевой функции наибольшее влияние оказывают регулирующие эффекты узлов нагрузки по напряжению, протяженность присоединения, мощность нагрузки отдельных узлов и их распределение вдоль линии. Однако, в работе не учитывается наличие локальных средств регулирования и компенсации отклонения напряжения.

В настоящее время не решен ряд вопросов, касающихся выявления числа независимых параметров, характеризующих режим напряжения, также предела их вариаций, позволяющих реализовать рациональное управление режимом напряжения с использованием методов нечеткой логики, при котором обеспечивается минимум затрат на потребление электроэнергии в условиях территориально рассредоточенной нагрузки и ограниченного объема средств сбора и передачи данных.

Цель работы заключается в повышении эффективности группового регулирования напряжения в центрах питания предприятий промышленного комплекса в условиях территориально рассредото-

ченной нагрузки и ограниченного объема средств измерения и передачи данных о состоянии энергопотребления.

Идея работы. Поставленная цель достигается путем группового регулирования напряжения, при котором уровень напряжения на главной понизительной подстанции (ГПП) устанавливается в соответствии с оценкой информации о параметрах отходящих присоединений на основании нечеткого логического вывода, включая мощность потребителей, протяженность и распределение нагрузки вдоль линий, регулирующие эффекты активной мощности, наличие локальных устройств регулирования в системе. Задачи исследования:

• анализ научно-технических проблем и средств группового управления режимом напряжения в распределительных сетях промышленных предприятий, а также способов их реализации;

• обоснование метода нахождения рационального уровня напряжения в условиях неопределенности входной информации о состоянии и электропотреблении в участках радиально-магистральных распределительных сетей электротехнического комплекса;

• разработка структуры и алгоритмов управления, обеспечивающих определение, формирование и поддержание на рациональном уровне напряжения на шинах ГПП промышленных предприятий, при котором обеспечивается минимизация потерь электроэнергии;

• разработка устройства регулирования напряжения, способного реализовать лингвистическую обработку данных, осуществлять автоматический выбор определяющей линии в реальном режиме времени, с учетом разнородности и разновременности нагрузки, регулирующих эффектов и ее распределения вдоль питающей линии.

Научная новизна работы заключается в обосновании метода группового регулирования напряжения в центрах электроснабжения промышленных предприятий, позволяющего с помощью теоретиче-

ских положений нечеткой логики выявить характеристики определяющего присоединения в условиях вариации параметров режима электропотребления в распределительной сети, при которых обеспечивается минимизация потерь электроэнергии при заданных параметрах режима напряжения.

Практическая значимость работы заключается в том, что предложенные технические решения позволяют повысить эффективность используемых алгоритмов управления режимами энергосистем, что приведет к улучшению технико-экономических показателей электротехнического комплекса, снижению технологического расхода электроэнергии, связанного с ее передачей, улучшению качества электроснабжения потребителей, снижению отказов работы устройств регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) трансформаторов.

На предлагаемые устройства регулирования напряжения с использованием методов нечеткой логики получены Патент №2416855 и Патент №2467447.

Предложенные технические решения приняты ООО «КИНЕФ» к применению при проектировании новых систем электроснабжения, а также при модернизации и реконструкции существующих.

Методы исследований. В работе использовались методы теории электрических цепей, теории систем электроснабжения, численные методы решения уравнений, математическое, физическое и компьютерное моделирование, теория нечетких множеств, методы теоретического и экспериментального определения параметров и характеристик электротехнических комплексов. Положения, выносимые на защиту: 1. Выявленные зависимости и диапазоны вариации лингвистических параметров, характеризующих состояние электротехнического комплекса в произвольный момент времени в условиях территориально рассредоточенных электропотребителей и минимального объема средств сбора и передачи данных, позволяют определить рациональный уровень напряжения в системе

электроснабжения, при соблюдении требований, предъявляемых к качеству электроэнергии.

2. Разработанные алгоритмическое обеспечение и структура электротехнического комплекса регулирования напряжения под нагрузкой позволяют осуществить групповое управление режимом напряжения в соответствие с рациональным уровнем напряжения путем изменения коэффициента трансформации силового трансформатора при использовании устройства регулирования под нагрузкой, оснащенного фаззи-логической системой управления.

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием известных положений теории электрических цепей, математической статистики и теории вероятностей, методов математического моделирования и теории оптимизации, а также достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (Уфа, УГНТУ, 2009), Всероссийской конференции студентов выпускного курса (Санкт-Петербург, СПГГУ, 2011г), Международном форум-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, СПГГУ, 2011 г), Научно-практической конференции с международным участием «НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2012), Международном форум-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2013г) 10 -ой Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва, ИПКОН РАН, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 2 патента Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 135 страницах. Содержит 44 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 71 наименования.

Во введении рассмотрена актуальность работы, указаны цели и задачи работы, приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дана характеристика объекта исследования.

Во второй главе приведен обзор современных технических средств регулирования напряжения.

В третьей главе рассмотрены вопросы применения лингвистических методов обработки информации при регулировании напряжения.

В четвертой главе разработан комплекс автоматического регулирования напряжения, приведены результаты компьютерного и физического моделирования.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Выявленные зависимости и диапазоны вариации лингвистических параметров, характеризующих состояние электротехнического комплекса в произвольный момент времени в условиях территориально рассредоточенных электропотребителей и минимального объема средств сбора и передачи данных, позволяют определить рациональный уровень напряжения в системе электроснабжения, при соблюдении требований, предъявляемым к качеству электроэнергии.

Учитывая стохастический характер изменения параметров электротехнического комплекса промышленных предприятий, а так же возможности современной вычислительной техники, для решения

задачи оптимизации режима напряжения удобным инструментом является теория нечетких множеств.

Основными факторами, влияющие на величину целевой функции эффективности регулирования оказывают следующие параметры: длина линии, мощность нагрузки отдельных узлов и их распределение вдоль линии, регулирующие эффекты узлов нагрузки, а также наличие локальных устройств регулирования на отходящем присоединении и величина экономического ущерба.

Поэтому выбор определяющего присоединения в работе осуществлялся на основе сравнения функций принадлежности указанных параметров, для которых был сформирован необходимый набор нечетких множеств, заданных соответствующими лингвистическими термами. Для решения поставленной задачи в рамках теории нечетких множеств использовался алгоритм Мамдани.

Интервал варьирования мощности нагрузки и длины линии разделялся на пять термов (очень малая УБ, малая Б, средняя АУ, большая Ь, очень большая УЬ). За базис мощности принималась максимальная мощность из всей совокупности электроприемников. За базис длины принималась максимальная длина до энергообъекта. Функция принадлежности длинны линии ц(Ь) и мощности нагрузки ц(8) представлены соответственно на рисунках 1а и 16.

Терм-множество, характеризующее регулирующий эффект по напряжению Р(и), состоит из трех отдельных термов: сильный (Ь), средний (АУ), слабый (Б), представлено на рисунке 2а. Значения регулирующего эффекта нагрузки вблизи режима с номинальным напряжением определяется как ^^

Распределение нагрузки вдоль линии представлено тремя термами (ЩЬ)): нагрузка сосредоточена в начале линии (В), распределена вдоль линии (БР), сосредоточена в конце (Е). Соответствующая функция принадлежности представлена на рисунке 26.

Категория энергообъекта по ущербу от отклонения напряжения от рационального уровня (К) присваивается каждому потребителю при анализе энергопотребителей и создании базы данных. Для каждо-

9

го электроприемника или узла нагрузки определяется рациональный режим работы, и оценивается ущерб от отклонения напряжения от рационального. Всю зону ущербов можно разделить на три терма: большой (Ь), средний (АУ), малый (Б). Функция принадлежности К представлена на рисунке За.

Терм-множество характеризующие наличие локальных источников регулирования (С) состоит из трех отдельных термов: отсутствуют (к), осуществляют регулирование некоторых потребителей (Б), регулирование напряжения для совокупности всех электроприемников линии (Б), и представлено на рисунке 36.

Рисунок 1 - Функции принадлежности а) длины линии, б) мощности

линии

Рисунок 2 - Функции принадлежности а) зависимости нагрузки от уровня напряжения, б) распределения нагрузки

Рисунок 3 - Функция принадлежности а) категория электроприемника по ущербу, б) наличие локальных средств регулирования

При компьютерном моделировании системы автоматического регулирования напряжения использовалась среда моделирования Matlab. С помощью пакета расширения FuzzyLogicTollbox была создана модель нечеткого контроллера, на основе которого разработана компьютерная модель электротехнического комплекса с нечеткой системой регулирования напряжения, представленная на рисунке 4. На рисунке 4: Source 35kV - блок, описывающий питающую систему 35кВ; Transformer - блок, описывающий модель трехфазного трансформатора напряжения 35/6кВ; Line - блоки, задающие параметры длинной линии; V-I measurement - блок измерения действующих значений тока и напряжения; Dynamic load - блоки, моделирующие трехфазную динамическую нагрузку; Power demand - блоки задания изменения потребляемой мощности для блоков динамической нагрузки; Fuzzy-logic controller - блок нечеткого контроллера; Onload regulator - блоки регулирования напряжения под нагрузкой.

Оп-;заг) Яеди 1аЬзг

Оупапгс 1_оас) '1200кУА

Рисунок 4 - Компьютерная модель электротехнического комплекса

В процессе исследования работы нечеткого регулятора напряжения были получены графики изменения напряжения на шинах ГПП и на нагрузке определяющего присоединения. Данные графики представлены на рисунке 5 и рисунке 6 соответственно.

Полученные результаты проведенного компьютерного моделирования позволили оценить потери электрической энергии в электротехническом комплексе при сравнении результатов работы классического и нечеткого регулятора устройства регулирования под нагрузкой. Применение фаззи-управления устройством РПН позволяет снизить потери электрической энергии на 9-11% по сравнению со встречным алгоритмом регулирования напряжения (Рисунок 7).

Отклонение напряжения на определяющем присоединении

Рисунок 6 - Суточные графики изменения отклонения напряжения от времени на нагрузке определяющего присоединения

1,100

• 1,050 01

| 1.000 Э

" 0,950 0,900 0,350 0,300

1 2 3 4 5 6 7 3 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Врегия,ч

Рисунок 5 - Суточные графики изменения отклонения напряжения от времени на шинах подстанции

Отклонение напряжения на шинах ПП

1,200

1,150

I

5 о 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 13 19 20 21 Время, ч

I Потерн электроэнергии при классическом регулировании к Потериэлектроэнергии при нечетком регулировании

Рисунок 7 - Суточный график изменения потерь электроэнергии от времени на шинах подстанции

2. Разработанные алгоритмическое обеспечение и структура электротехнического комплекса регулирования напряжения под нагрузкой позволяют осуществить групповое управление режимом напряжения в соответствии с рациональным уровнем напряжения путем изменения коэффициента трансформации силового трансформатора при использовании устройства регулирования под нагрузкой, оснащенного фаззи-логической системой управления.

Разработанный алгоритм управления устройством регулирования напряжения под нагрузкой позволяет выявить в реальном режиме времени определяющее присоединение в системе электроснабжения, поддерживать значение напряжения у потребителя в пределах, нормируемых ГОСТ Р 54149-2010 и обеспечить наименьшее количество переключений регулятора. Блок-схема алгоритма представлена на рисунок 8.

Разработанная структура микропроцессорного устройства регулирования напряжения под нагрузкой позволяет осуществлять автоматический выбор определяющей линии с учетом категорийности энергообъекта по ущербу от отклонения напряжения, разнородности и разновременности нагрузки, ее распределение вдоль питающей линии, и позволяет реализовать рациональный закон управления режимом напряжения, также поддерживать данный рациональный режим напряжения, удовлетворяющий нормам качества электрической энергии.

Предлагаемая структура устройства управления нагрузкой поясняется схемой, представленной на рисунке 9.

9 10

Рисунок 9 - Структура устройства управления электрической нагрузкой с применением Й1ггу-логики

На рисунке 9: 1 - блок аналогово-цифровых преобразователей; 2 - блок фаззификации; 3 - модуль памяти контроллера системы управления; 4 - блок нечеткого вывода; 5 - блок хранения базы правил; 6 - блок дефаззификации; 7 - переключатель; 8 - быстродействующий автоматический регулятор; 9 -блок РПН; 10 - трансформа-

16

тор с регулированием напряжения под нагрузкой; 11 - присоединенные линии Л1-Лп; 12 - измерительные трансформаторы тока ТТ1-ТТп; 13 - измерительный трансформатор напряжения ТН; 14 - блок задания постоянных параметров нагрузки и присоединений; 15 - контроллер системы управления.

Для отработки предложенного алгоритма и структуры устройства управления электрической нагрузкой была разработана физическая модель системы регулирования напряжения, представленная на рисунке 10. На основе результатов физического моделирования, которые подтвердили достоверность теоретических выводов, было создано устройство управления электрической нагрузкой, которое защищено патентами Российской Федерации №2416855 и №2467447. Технический результат предлагаемого устройства заключается в приближении уровня напряжения на сборных шинах подстанции промышленных предприятий к рациональному уровню путем группового автоматического регулирования коэффициента трансформации силового трансформатора на основе данных о параметрах и электропотреблении определяющего присоединения.

Рисунок 10 - Физическая модель устройства регулирования напряже-

ния

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи по повышению эффективности регулирования группового регулирования напряжения в распределительных сетях промышленных предприятий.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработан метод группового регулирования напряжения, позволяющий на основании теоретических положений нечеткой логики определить рациональный уровень напряжения в системе электроснабжения в условиях стохастического изменения параметров, характеризующих состояние электротехнического комплекса в произвольный момент времени;

2. Сформированы лингвистические переменные, характеризующие отходящие присоединения в системе электроснабжения, заданы наборы термов, определены функции принадлежности, разработана процедура нечеткого логического вывода и задана структура базы правил, характеризующая отношения лингвистических переменных по каждому присоединению к выходной переменной;

3. Обоснована структура комплекса технических средств, позволяющего производить автоматический выбор определяющего присоединения при групповом регулировании напряжения в режиме реального времени в условиях ограниченного объема средств сбора и передачи данных;

4. Разработано алгоритмическое обеспечение устройства регулирования напряжения под нагрузкой, которое позволяет осуществлять управление режимом напряжения по параметрам определяющего присоединения в реальном режиме времени, и поддерживать значение напряжения у потребителя в пределах нормируемых значений;

5. Разработаны компьютерная и физическая модели устройства регулирования напряжения, которые позволяют выполнить оценку адекватности предложенного метода группового регулирования напряжения на основе теоретических положений методов нечеткой ло-

гики. Применение фаззи-управления режимом напряжения в электрической сети позволяет снизить потери электрической энергии на 911% по сравнению со встречными алгоритмами регулирования напряжения;

6. Разработаны метод и устройство регулирования напряжения, технический результат которых заключается в приближении напряжения к рациональному уровню, путем автоматического регулирования коэффициента трансформации силового трансформатора на основе данных о параметрах и электропотреблении определяющего присоединения;

7. Разработано устройство динамического управления электрической нагрузкой с применением нечеткой логики, технический результат которого заключается в увеличении быстродействия приближения уровня напряжения сети к рациональному;

8. Предложенные технические решения по повышению эффективности регулирования напряжения в центрах питания промышленных предприятий приняты ООО «КИНЕФ» к применению при проектировании новых систем электроснабжения, а также при модернизации и реконструкции существующих.

По теме диссертации опубликованы следующие работы в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Абрамович, Б.Н. Эффективное управление режимом напряжения на металлургических предприятиях / Б.Н. Абрамович, Д.М. Тарасов, А.П. Шевчук // Горное оборудование и электромеханика. - 2009. - №9. - С. 47-49.

2. Абрамович, Б.Н. Устройство управления режимом напряжения в электрических сетях предприятий сырьевого комплекса / Б.Н. Абрамович, Д.М. Тарасов, А.П. Шевчук // Записки Горного института. - 2012. - Том 196. - С. 214-217.

3. Шевчук, А.П. Применение теорий нечеткой логики при компенсации высших гармоник активным фильтром / А.П. Шевчук // Записки Горного института. - 2009. - Том 182. - С. 137-140.

4. Пат. 2416855 Российская Федерация, МПК Н(ШЗ/12(2006.01) Устройство управления режимом напряжения в электрической сети с применением Икгу-логики / Абрамович Б.Н., Тарасов Д.М., Шевчук А.П.; заявитель и патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)» - №2010114672/07; заявл. 13.04. 11; опубл. 20.04.11, - 6 е.: ил.

5. Пат. 2467447 Российская Федерация, МПК Н02Ш2(2006.01) Устройство динамического управления режимом напряжения в электрической сети с применением йхггу-логики / Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А., Устинов Д.А., Шевчук А.П.; заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный университет» - № 2011141241/07; заявл. 11.10.11; опубл. 20.11.12, - 6 е.: ил.

В других изданиях;

Абрамович, Б.Н. Эффективное управление режимом напряжения в условиях нефтегазодобывающих предприятий / Б.Н. Абрамович, Д.М. Тарасов, В.Б. Прохорова, А.П. Шевчук // Собрание научных трудов II Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий»: сб. науч. тр. / УГНТУ. - Уфа, 2009. -Том 2. - С. 36-39.

7. Абрамович, Б.Н. Автоматическое регулирование напряжения в распределительных сетях предприятий минерально-сырьевого комплекса с использованием методов нечеткой логики / Б.Н. Абрамович, А.П. Шевчук II Материалы 10-ой Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» сб. науч. тр. / ИПКОН РАН. - Москва, 2013. -С.173-175.

РИЦ Горного университета. 14.04.2014. 3.259. Т.ЮОэкз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

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

профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

04201459825

На правах рукописи

ШЕВЧУК Антон Павлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРУППОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАССРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор технических наук, профессор Б.Н.Абрамович

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................................................5

Глава 1 Научно-технические проблемы регулирования напряжения в электротехнических комплексах........................................................................11

1.1 Характеристика объекта исследования...................................................11

1.2 Причины возникновения отклонений напряжения от рационального уровня...............................................................................................................18

1.3 Влияние отклонения напряжения от рационального уровня на работу элементов электротехнического комплекса.................................................20

1.3.1 Асинхронные двигатели....................................................................20

1.3.2 Синхронные двигатели......................................................................22

1.3.3 Силовые трансформаторы.................................................................22

1.3.4 Сети освещения..................................................................................23

1.4 Способы регулирования напряжения......................................................25

1.4.1 Групповое регулирование..................................................................26

1.5 Выводы к главе 1.......................................................................................28

Глава 2 Технические средства регулирования напряжения...........................30

2.1 Устройство продольно-емкостной компенсации...................................31

2.2 Вольтодобавочный трансформатор.........................................................33

2.3 Автоматический регулятор напряжения на базе автотрансформатора35

2.4 Устройство регулирования напряжения под нагрузкой силовых трансформаторов.............................................................................................39

2.5 Статические компенсаторы реактивной мощности...............................48

2.6 Динамический компенсатор искажений напряжения............................50

2.7 Параллельный активный фильтр.............................................................52

2.8 Выводы к главе 2.......................................................................................55

Глава 3 Методы расчетов и оптимизации режимов электрических систем. Применение методов нечеткой логики в задаче регулирования напряжения ...............................................................................................................................56

3.1 Методы расчетов и оптимизации режимов электрических систем.....56

3.2 Задача рационализации режима напряжения при использовании теории нечетких множеств.............................................................................58

3.3 Формирование нечетких множеств в задаче регулирования напряжения.......................................................................................................60

3.4 Формирование базы правил и приведение к нечеткости......................65

3.5 Нечеткий вывод.........................................................................................68

3.6 Процедура композиции.............................................................................70

3.7 Приведение к четкости.............................................................................72

3.7.1 Агрегация локальных выводов.........................................................72

3.7.2 Дефаззификация.................................................................................72

3.8 Формы представления нечетких множеств для вычислительной техники.............................................................................................................73

3.8.1 Функциональное представление нечетких множеств....................73

3.8.2 Парное представление нечетких множеств при микропроцессорном решении задачи регулирования.............................74

3.9 Применение нечеткой логики в задачах микропроцессорного управления........................................................................................................75

3.10 Выводы к главе 3.....................................................................................76

Глава 4 Алгоритм и устройство регулирования напряжения с применением методов нечеткой логики. Экспериментальные исследования......................77

4.1 Задачи регулирования...............................................................................77

4.2 Структура нечеткого управления при регулировании напряжения.....81

4.3 Алгоритм регулирования напряжения по определяющему присоединению................................................................................................83

4.4 Компьютерное моделирование устройства регулирования напряжения.......................................................................................................87

4.5 Эмулирование микроконтроллера в среде PROTEUS...........................98

4.6 Экспериментальный комплекс регулирования напряжения под нагрузкой........................................................................................................104

4.7 Устройство управления электрической нагрузкой..............................108

4.8 Устройство динамического управления электрической нагрузкой с применением нечеткой логики.....................................................................114

4.9 Выводы к главе 4.....................................................................................120

Заключение.........................................................................................................122

Список литературы............................................................................................124

Приложение А....................................................................................................132

Приложение Б....................................................................................................134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Повышение эффективности регулирования напряжения в распределительных сетях промышленных предприятий, в условиях территориально рассредоточенной нагрузки, является важной научно-технической задачей, решение которой позволяет приблизить уровень напряжения в системе к рациональному, за счет чего достигается минимизация потерь электрической энергии при условии соблюдения норм ее качества как в удаленных точках электросети, так и на шинах главных понизительных подстанций.

Одним из наиболее эффективных способов минимизации потерь электроэнергии является групповое регулирование напряжения, осуществляемое за счет изменения коэффициента трансформации силовых трансформаторов под нагрузкой. При этом для реализации эффективного управления режимом напряжения в сети необходимо учитывать протяженность отходящих линий, мощность потребителей, распределение нагрузки и режимы ее работы в электрической сети, регулирующие эффекты по напряжению, наличие и состав локальных устройств регулирования и компенсации отклонения напряжения.

Структура электросетевого распределительного комплекса, состав нагрузок и особенности технологического процесса промышленных предприятий формируют особые требования к режимам электроснабжения технологического электрооборудования и качеству электрической энергии. Кроме того, ограниченный объем средств измерения и передачи информации об электропотреблении отдельных электроустановок не позволяет оперативно поддерживать уровень напряжения на шинах понизительной подстанции при вариации структуры и параметров нагрузки.

Поэтому решение задачи поддержания уровня напряжения в системе электроснабжения промышленных предприятий на рациональном уровне с помощью средств группового регулирования режима напряжения в реальном

режиме времени представляется актуальным, позволяет минимизировать потери электрической энергии в распределительных сетях и снизить электроэнергетическую составляющую себестоимости конечного продукта промышленных предприятий.

Степень разработанности

Проблемой эффективности группового регулирования напряжения занимались Абрамович Б.Н., Полищук В.В., Тарасов Д.М., Kundur P., Wood A.J., Wellberg B.F. и др. Теория регулирования напряжения в распределительных сетях с применением интеллектуальных систем управления разрабатывалась Манусовым В.З., Жмаком Е.И., Мятежом A.B., Kasztenny В. и др.

В работах Жмака Е.И., Мятежа A.B., Kasztenny В. обосновано применение интеллектуальных систем на основе нечеткой логики в задачах регулирования напряжения и доказана их высокая эффективность по сравнению с классическими алгоритмами управления при встречном регулировании напряжения. Однако не учтены особенности электротехнических комплексов промышленных предприятий, характеризуемых наличием рассредоточенных и взаимоудаленных от центров питания электропотребителей, большим удельным весом нелинейных нагрузок, несбалансированными, а зачастую «прерывистыми» режимами питания технологических и вспомогательных электроустановок.

В работе Тарасова Д.М. составлена целевая функция, позволяющая определить оптимальный уровень напряжения в ЦП при групповом регулировании. Показано, что на величину целевой функции наибольшее влияние оказывают регулирующие эффекты потерь активной мощности узлов нагрузки, протяженность присоединения, мощность нагрузки отдельных узлов и их распределение вдоль линии. Однако в работе не учитывается наличие местных средств регулирования и компенсации отклонения напряжения.

В настоящее время не решен ряд вопросов, касающихся выявления числа независимых параметров, характеризующих режим напряжения, также предела их вариаций, позволяющих реализовать рациональное управление режимом

напряжения с использованием методов нечеткой логики, при котором обеспечивается минимум затрат на потребление электроэнергии в условиях территориально рассредоточенной нагрузки и ограниченного объема средств сбора и передачи данных.

Цель работы

Повышение эффективности группового регулирования напряжения в центрах питания предприятий промышленного комплекса в условиях территориально рассредоточенной нагрузки и ограниченного объема средств измерения и передачи данных о состоянии энергопотребления.

Идея работы

Поставленная цель достигается путем группового регулирования напряжения, при котором уровень напряжения на главной понизительной подстанции (ГПП) устанавливается в соответствии с оценкой информации о параметрах отходящих присоединений на основании нечеткого логического вывода, включая мощность потребителей, протяженность и распределение нагрузки вдоль линий, регулирующие эффекты активной мощности, наличие локальных устройств регулирования в системе.

Задачи исследования:

• Анализ научно-технических проблем и средств группового управления режимом напряжения в распределительных сетях промышленных предприятий, а также способов их реализации;

• Обоснование метода нахождения рационального уровня напряжения, в условиях неопределенности входной информации о состоянии и электропотреблении в участках радиально-магистральных распределительных сетей электротехнического комплекса;

• Разработка структуры и алгоритмов управления, обеспечивающих определение, формирование и поддержание на рациональном уровне

напряжения на шинах ГПП промышленных предприятий, при котором обеспечивается минимизация потерь электроэнергии;

• Разработка устройства регулирования напряжения, способного реализовать лингвистическую обработку данных, осуществлять автоматический выбор определяющей линии в реальном режиме времени, с учетом разнородности и разновременности нагрузки, регулирующих эффектов и ее распределения вдоль питающей линии;

Научная новизна работы заключается в обосновании метода группового регулирования напряжения в центрах электроснабжения промышленных предприятий, позволяющего с помощью теоретических положений нечеткой логики выявить характеристики определяющего присоединения в условиях вариации параметров режима электропотребления в распределительной сети, при которых обеспечивается минимизация потерь электроэнергии при заданных параметрах режима напряжения.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные технические решения позволяют повысить эффективность используемых алгоритмов управления режимами энергосистем, что приведет к улучшению технико-экономических показателей электротехнического комплекса, снижению технологического расхода электроэнергии, связанного с ее передачей, улучшению качества электроснабжения приёмников, снижению отказов работы РПН трансформаторов.

На предлагаемые устройства регулирования напряжения с использованием методов нечеткой логики получены Патент №2416855 и Патент №2467447.

Методы исследований

В работе использовались методы теории электрических цепей, теории систем электроснабжения, численные методы решения уравнений, математическое, физическое и компьютерное моделирование, теория нечетких

множеств, методы теоретического и экспериментального определения параметров и характеристик электротехнических комплексов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Выявленные зависимости и диапазоны вариации лингвистических параметров, характеризующих состояние электротехнического комплекса в произвольный момент времени в условиях территориально рассредоточенных электропотребителей и минимального объема средств сбора и передачи данных, позволяют определить рациональный уровень напряжения в системе электроснабжения, при соблюдении требований, предъявляемых к качеству электроэнергии.

2. Разработанные алгоритмическое обеспечение и структура электротехнического комплекса регулирования напряжения под нагрузкой позволяют осуществить групповое управление режимом напряжения в соответствие с рациональным уровнем напряжения, за счет изменения коэффициента трансформации силового трансформатора при использовании устройства регулирования под нагрузкой, оснащенного фаззи-логической системой управления.

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием известных положений теории электрических цепей, математической статистики и теории вероятностей, методов математического моделирования и теории оптимизации, а также достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация

Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Электротехнологии, электропривод и

электрооборудование предприятий» (Уфа, УГНТУ, 2009), Всероссийской конференции студентов выпускного курса (Санкт-Петербург, СПбГГУ, 2011 г), Международном форум-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, СПбГГУ, 2011г), Научно-практической конференции с международным участием «НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ , 2012), Международном форум-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, СПбГГУ, 2013г), 10-ой Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва, ИПКОН РАН, 2013).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 - в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК. Получены патенты №2416855, №2467447.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 135 страницах. Содержит 44 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 71 наименования, 2 приложения.

и

ГЛАВА 1 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ

1.1 Характеристика объекта исследования

В представленной диссертационной работе в качестве объекта исследования рассматривается электротехнический комплекс предприятий нефтедобывающей промышленности, которая является одним из основных потребителей электрической энергии среди промышленных предприятий Российской Федерации.

Электротехнический комплекс предприятий нефтедобычи, который содержит в своем составе промысловые распределительные подстанции и сети напряжением 6-10кВ, а также подключенное к ним технологическое оборудование, получает питание от энергоснабжающей организации на уровнях напряжения 35 и 110 кВ.

Технологическое оборудование комплекса представлено добычными установками в виде установок электроцентробежных насосов (УЭЦН), штанговых глубинных установок (ШГС), установок поддержания пластового давления (УППД), а также станков-качалок (СК) и буровых установок (БУ). Промысловые распределительные линии электротехнического комплекса являются радиально-магистральными, характеризуются значительной протяженностью и разветвленностью. Координаты подключения электрооборудования к промысловым линиям электропередачи являются случайным параметром, определяемым топологией процесса извлечения технологической жидкости на поверхность, поддержания пластового давления и ведения буровых работ. [4, 44]

Анализ показал [44], что состав промысловой нагрузки достаточно четко структурирован по технологическим процессам, что позволяет создать обобщенную схему электроснабжения предприятия нефтедобычи с территориально рассредоточенными объектами, приведенную к шинам 6(10) кВ промысловой распределительной подстанции, представленную на рисунке 1.1, и опред