автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методики расчета добавочных потерь в воздушных линиях электропередач и оценки их уровня в электрических сетях

На правах рукописи

У"

Акимжанов Темирболат Балтабаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДОБАВОЧНЫХ ПОТЕРЬ В ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ И ОЦЕНКИ ИХ УРОВНЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические

системы

2? ПАЙ 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0055693ЬУ

Томск 2015

005569369

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальном исследовательском Томском политехническом университете»

Научный руководитель: Ушаков Василий Яковлевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Федоров Владимир Кузьмич,

доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Рикконен Сергей Владимирович,

кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник научно-исследовательского института прикладной математики и механики ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный

технический университет»

Защита диссертации состоится «24» июня 2015 г. в 15~ часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.10 при ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» и на сайте http://portal.tpu.ru/council/2800/worklist

Автореферат разослан «6» мая 2015 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.269.10

А.В. Кабышев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. У большинства населения Земли понятия «энергосбережение» и «энергоэффективностъ», как правило, ассоциируются с эффективностью использования энергии в сфере конечного потребления - в жилищно-коммунальном хозяйстве, в бьггу, в обрабатывающих отраслях промышленности и т.п. Электроэнергетика и сырьевые секторы ТЭК оказываются вне зоны внимания. И только специалистам известно, что энергоемкость товаров и услуг и интегральный показатель -удельная энергоемкость валового внутреннего продукта (ВВП) в значительной мере определяются энергетической эффективностью всех звеньев технологической цепочки, предшествующих потреблению электрической и тепловой энергии: поиск, разведка и добыча энергетического сырья - преобразование его в электрическую и тепловую энергию — доставка ее потребителям.

Для России с ее огромной территорией и, соответственно, большими длинами линий электропередач (по данным Минэнерго на сегодня их суммарная протяженность составляет 2 647,8 тыс. км) повышение энергоэффективности передачи и распределения электрической энергии всегда было чрезвычайно актуальной проблемой. Она усугубляется еще и высокими удельными потерями электроэнергии при ее транспортировке - около 12% в России в сравнении с 6-7% в развитых странах. (За 90-е годы они увеличились на 3-3,5% в то время как среднемировой уровень потерь продолжал снижаться). Руководство страны и отрасли ставит задачу - снизить потери электроэнергии в электрических сетях Российской Федерации до 8% к 2030 г.

В последние десятилетия все в большей мере на потери энергии влияет постоянный рост нелинейных нагрузок, обусловленный, прежде всего, увеличением доли электропотребления бытовым оборудованием и приборами. Это вызывает рост доли высших гармонических составляющих тока и напряжения в электрических сетях. Кроме нелинейных нагрузок, источниками высших гармоник являются нелинейности элементов сети и возможные резонансные режимы их работы. Высшие гармоники тока, помимо снижения качества электроэнергии, вызывают добавочные потери электроэнергии. Добавочные потери возникают также вследствие несимметрии параметров элементов сети и несимметрии режимов. В настоящее время эти составляющие потерь не учитываются при расчете потерь электроэнергии в российских сетях и, соответственно, при формировании тарифов на электроэнергию, что усложняет составление баланса переданной и потребленной электроэнергии. Для разработки методов борьбы с ними необходимы целенаправленные исследования их природы и количественных характеристик. И эта проблема актуальна не только для отечественной энергетики - убытки от низкого качества электроэнергии исчисляются миллиардами долларов и в других развитых странах.

Решению обозначенной проблемы и ее различных аспектов посвящено множество работ отечественных и зарубежных ученых: Воротницкий В.Э., Кучумов JI.A., Железко Ю.С., Жежеленко И.В., Шидловский А.К., Борисов Б.П., Arrillaga J., Bradley D., Bodger P, Williams S. M., Brownfield G. T., Duffus J.W. Однако, несмотря на это, данная проблема сохраняет актуальность.

Идея работы заключается в исследовании, расчете и оценке потерь электроэнергии в воздушных линиях электропередач и электрической сети от несинусоидальности и несимметрии режимов с применением метода фазных координат и теории цепей с распределенными параметрами.

Цель диссертации - разработка методов исследования и расчета добавочных потерь в BJI и методики оценки их уровней в распределительных электрических сетях.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Анализ современного состояния режимов BJI, приводящих к появлению добавочных потерь электроэнергии (по результатам инструментальных исследований, выполненных силами РЦР*") и существующих методов расчета потерь (по литературным данным).

2. Выбор математической модели режимов BJI для расчета основных и добавочных потерь электроэнергии от протекания высших гармонических составляющих токов и несимметрии токов основной частоты.

3. Алгоритмизация задачи расчета добавочных потерь и ее программная реализация.

4. Использование созданной программы для разработки методики оценки добавочных потерь в электрических сетях.

5. Оценка уровней добавочных потерь в BJI ряда электрических сетей 110 кВ.

Объект исследования. Электрические сети 110 кВ ОАО «МРСК Сибири» и ОАО «МРСК Юга» (далее, соответственно, МРСК Сибири и МРСК Юга).

Предметом исследования являются режимные параметры BJI и добавочные потери электроэнергии в них.

Методы исследований. Для решения задач, поставленных в настоящей работе, использовались: теория матричного исчисления, методы и приемы математического моделирования, методы физических и вычислительных экспериментов, сопоставление результатов инструментальных обследований с результатами расчетов.

Достоверность результатов и выводов обеспечивалась статистической обработкой данных с использованием стандартного пакета MS Office Excel и специально написанной на языке Fortran программы. Программная реализация математических моделей также осуществлена в среде FortranPowerStation 4.0.

Научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту.

1. Разработаны методика и программа расчета основных и добавочных потерь в BJI, позволяющие исследовать их природу с учетом:

• многопроводности BJI, наличия грозозащитного троса и его заземления;

• несимметрии расположения проводов и тросов, а так же режимов BJT;

• распределенности параметров вдоль трассы BJI;

• проявления поверхностного эффекта в проводах и тросах.

• РЦР - Региональный центр ресурсосбережения Томского политехнического университета, в котором диссертант выполнял исследования. Результаты моделирования были сопоставлены с результатами инструментальных исследований; при этом получено хорошее совпадение.

4

2. Установлены следующие закономерности формирования добавочных потерь в BJI:

• с падением нагрузки доля добавочных потерь в суммарных увеличивается;

• возникающие в ВЛ резонансные частоты обусловливают рост токов этих частот и, соответственно, доли добавочных потерь;

величина потерь от несинусоидальности в грозозащитных тросах, не смотря на их частое заземление, может быть сопоставима с таковыми в фазах и даже превышать их;

• значения токов частот высшего порядка могут меняться совершенно непредсказуемо вдоль трассы ВЛ, что подтверждает необходимость их учета при расчете добавочных потерь с применением разработанной программы на всех доступных измерениям частотах.

3. Предложена методика оценки добавочных потерь электроэнергии по ограниченному объему обследованных ВЛ, позволяющая с достаточной для практических целей точностью определять их величину. Объем выборки, достаточный для оценки добавочных потерь, может составлять 10 - 30% от общего количества ВЛ. Для конкретной энергосистемы данная величина должна устанавливаться на основе энергетического обследования.

4. Показано, что в процессе эксплуатации электрических сетей необходим постоянный учет добавочных потерь с целью уточнения их технико-экономических показателей и при составлении балансов мощностей и энергии.

Практическая значимость работы:

1. Предложенная методика оценки добавочных потерь может использоваться для их включения в технологические потери при формировании тарифов.

2. Созданное программное обеспечение используется в МРСК Юга для расчета добавочных потерь в электрических сетях ОАО «Ростовэнерго» и ОАО «Вол-гоградэнерго». Оно может использоваться для этих целей в других эксплуатируемых и проектируемых электрических сетях.

3. Применение методики оценки добавочных потерь в условиях ограниченного количества обследованных ВЛ может сократить затраты на эту процедуру.

4. Предлагаемые методика и средства оценки эффективности транспорта электроэнергии позволяют выявить потенциал энергосбережения в электрических сетях.

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических и международных конференциях: XVIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2012; The 8th International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering (ICTPE-2012), Fredrikstad, Norway, 2012; Международная молодёжная конференция «Энергетическое обследование как первый этап реализации концепции энергосбережения». Томск, 2012; I Международный форум «Интеллектуальные энергосистемы», Томск, 2013; The 9th International Forum on Strategie Technology (IFOST), Cox's Bazar, Bangladesh, 2014.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК и монография (в соавторстве), получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад соискателя. Декомпозиция цели на комплекс задач по исследованию, расчету и оценке добавочных потерь электроэнергии в воздушных линиях электропередач и электрических сетях. Разработка эффективных подходов к решению сформулированных выше задач. Личный вклад в каждой работе, опубликованной в соавторстве, составляет более 50%.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 74 наименований, приложений. Общий объем диссертации 168 страниц, в том числе 70 иллюстраций и 18 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснован выбор темы, дана общая характеристика выполненной работы. Сформулированы цель и задачи, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены основные причины, обусловливающие потери электроэнергии при ее транспортировке и распределении, их природа, также описаны причины сверхнормативных потерь и их взаимосвязь с качеством электроэнергии.

Потери электроэнергии в электрических сетях Минэнерго СССР находилась на уровне около 9%. Сейчас же, этот показатель равняется 12%. При этом 35% потерь приходится на подстанционное оборудование, а 65% - на линии электропередач.

Одной из главных причин увеличения потерь энергии в электрических сетях является распад СССР и преобразования в экономике страны, изменившие структуру электрических нагрузок и саму электроэнергетическую отрасль. В итоге экономичность режимов работы электрических сетей снизилась. Свой вклад вносит и связанное с технической модернизацией промышленности и развитием бытовой и офисной техники увеличение доли нелинейной нагрузки (например, выпрямители, системы частотного управления и т.п.), а также возможные нелинейности в элементах электрических сетей, обусловливающие добавочные потери.

Задача расчета и оценки потерь в электрических сетях на сегодняшний день решается на основе утвержденной Минэнерго РФ «Инструкции...... При этом используются известные программы расчета установившихся режимов, такие, например, как «РТП 3.1», позволяющие установить структуру потерь в общем виде: по классам напряжения, типам элементов. Базовой формулой расчета потерь электроэнергии в элементах электрических сетей является:

м

А^.=3-Л.Х(/;-А/у)-10-3, (1)

м

где И - активное сопротивление элемента, Ом; I] - токовая нагрузка элемента, принимаемая на интервале времени Д^ неизменной, А; А^ - интервал времени, в течение которого нагрузка элемента сети с сопротивлением К принимается неизменной; М - количество интервалов времени Д^ в базовом периоде.

Известный метод расчета добавочных потерь мощности от несинусоидальности токов ориентирован на расчет потерь в элементах систем электроснабжения:

у=2

где V - номер гармоники; п - число учитываемых гармоник; - ток у-ой гармоники; - активное сопротивления на основной частоте; к„ - коэффициент, учитывающий влияние поверхностного эффекта.

В первом случае не учитываются ни несинусоидальность токов, ни их несимметрия. Во втором - не учитывается несимметрия высших гармонических составляющих токов. Кроме того, оба метода не дают объективного результата расчета потерь в линиях электропередач электрических сетей, т.к. не учитывают несимметрию и распределенность параметров вдоль трассы линии.

Существующие мероприятия по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях не позволяют в полной мере реализовать потенциал энергосбережения. Их совершенствование является актуальной задачей. Эффективных мер снижения добавочных потерь от несинусоидальности токов в электрических сетях отсутствуют в силу слабой изученности данного предмета. Подавление высших гармоник тока иногда осуществляется лишь в системах электроснабжения с целью нормализации питающего напряжения. Но, тем не менее, определенная часть токов частот высшего порядка проникает в электрические сети из-за неточностей в настройках фильтрокомпенсирующих устройств. Добавочные потери от несимметрии токов в электрических сетях так же неизбежны из-за несимметрии нагрузок и параметров ВЛ. Можно сделать вывод, что указанные составляющие потерь должны учитываться при расчете и оценке технологического расхода электроэнергии в электрических сетях.

Во второй главе подтверждены декларированные в первой главе утверждения об искажениях в электрических сетях. По результатам инструментальных суточных измерений, полученных силами сотрудников РЦР ТПУ, проанализированы фактические режимы В Л электрических сетей 110 кВ МРСК Сибири и МРСК Юга по показателям несинусоидальности и несимметрии токов, а также их взаимосвязь с другими режимными параметрами. На рисунках \-<\ приведены характерные для большинства обследованных В Л 110 кВ осциллограммы, спектральные составы токов (К1(п)), суточные графики коэффициентов искажения синусоидальности токов (КО и коэффициентов несимметрии токов по обратной последовательности (К2(1р.

фаза А Фаза В Фаза С

Рис. 1. Характерные осциллограммы токов

с=зфаза А

• Фаза В

| Фаза С

1

, I, 1,1, ,1,1,

2 3 4 5 6 7 6 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 28 27 28 29 33 3! 32 33 34 35 30 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Рис. 2. Характерный спектральный состав токов 7

Рис. 3. Характерный график коэффициентов искажения синусоидальности токов

сч гч с-1

Время

Рис. 4. Характерный график коэффициентов несимметрии токов по обратной последовательности

Анализ суточных измерений показал, что:

- в течение суток Кт достигает и даже превышает значения 20% в 1/4 присоединений МРСК Сибири и 1/2 присоединений МРСК Юга;

- среднесуточные значения К2(п токов выше 10% в 1/3 присоединений МРСК Юга и МРСК Сибири.

Кроме того, наблюдениями установлено, что с падением загрузки линий по току основной частоты увеличиваются значения высших гармонических составляющих токов. На рисунке 5 показан пример, описывающий взаимосвязь измеренных в течение суток тока основной частоты и тока пятой гармоники фазы А в одной из исследованных В Л 110 кВ.

Так, анализ коэффициентов загрузки линий по экономической плотности тока показал, что меньше, чем на половину загружены 50% линий МРСК Сибири и 30% линий МРСК Юга. Малая загрузка линий, с одной стороны, позволяет в перспективе увеличивать ее, а с другой - как показали наблюдения, она способствует росту токов частот высшего порядка и, как следствие, увеличению добавочных потерь.

В третьей главе диссертации сформулированы требования

«16 ее 14

Ы

н 12 ¡10

щ^тЩШ»

Номер наблюдения

"Основная частота """-5 гармоника

Рис. 5. Суточные графики токов основной частоты и пятой гармоники фазы А в одной из исследованных линий

к модели расчета добавочных потерь в ВЛ и описана отвечающая этим требованиям модель расчета системных и режимных параметров. Основные требования можно сформулировать в следующем виде:

1. Несимметрия режимов обуславливает необходимость учета многопровод-ности, несимметрию расположения проводов ВЛ относительно друг друга и относительно земли. Кроме того, необходимо учитывать наличие грозозащитных тросов и их заземление. При этом следует не забывать, что в современных ВЛ встречаются две линии на одной опоре, где общее количество проводов и тросов может достигать восьми.

2. На частотах высшего порядка возрастает активное сопротивление проводов, поэтому необходимо учитывать проявление поверхностно эффекта в проводах и тросах.

3. Для анализа режимов на основной частоте достаточно использовать элементы с сосредоточенными параметрами, в условиях широкого распространения в электрических сетях несинусоидальности необходимо учитывать распределенность параметров вдоль трассы ВЛ.

Перечисленные факторы учитываются при расчете:

- системных параметров в фазных координатах,

- режимных параметров с применением телеграфных уравнений.

Наличие в воздушных ЛЭП до восьми проводов (в т.ч. тросов), а также необходимость программной реализации расчета потерь делает возможным расчет их режимов только численными методами, что, кроме того, обеспечивает универсальность этих моделей.

Матрицы погонных активных сопротивлений ВЛ, представляющие собой действительные части матриц полных сопротивлений, на частоте «-ой гармоники рассчитывается по условиям, приведенным в таблице 1, и формуле (3).

Таблица 1

— /«<1 x¿> 1 *->30

rü ' (Х„ + 0,25 + 3/ 64 ro'(x„ + 0,265) * r0- x„

Здесь величина Хп определяется по формуле:

12 > (3)

где R - радиус провода, со„ - круговая частота на п-ой гармонике, /;, у - магнитная проницаемость материала и его проводимость, определяемые из справочных материалов, Го — удельное активное сопротивление провода на основной частоте.

Принято считать, что активная проводимость ВЛ практический на всех частотах равна нулю в силу малой утечки по изоляторам.

Расчет матриц погонных собственных и взаимных индуктивностей, представляющие собой мнимые части матриц полных сопротивлений, на частоте п-ой гармоники осуществляется по формулам:

хи, = '0,145 lg—, (4)

А

где Б3 = 938 м ~ 1000 м - глубина прохождения эквивалентного тока земли при условии замены ее обратным проводом того же эквивалентного радиуса, м; р — для нерасщепленной фазы равняется радиусу провода, Ду - расстояние между проводами фаз (в т.ч. тросом).

Матрица погонных емкостных проводимостей, представляющих собой мнимые части матриц полных проводимостей, многоводной ВЛ на частоте и-ой гармоники определяется как:

(6)

Ьс=ЧСц,

где Сц - при 1=] определяется по формуле с, = с-, при Щ определяется по

1 Р..

я„

формуле с,

ч

; с - постоянный коэффициент, равный с = 41,4-Ю6, км/Ф ;

рп и р! — внешний радиус поперечного сечений провода и троса соответственно; Ну - расстояние между проводом ] и зеркально отраженным проводом /', //,, - расстояние между проводом и его зеркальным отражением относительно поверхности земли.

Таким образом, матрицы собственных и взаимных погонных сопротивлений и проводимостей проводов и тросов на частоте п-й гармоники размерностью т имеют вид:

^2,(4)

212<Ч) 222(&>„)

„ю

2я1{т,) ... 1тт{юп)

ЪМ) У2М)

ад

Изменение напряжений и токов вдоль трассы линии на различных частотах рассчитывается с применением телеграфных уравнений. Телеграфные уравнения несимметричной многопроводной линии электропередачи из т проводов (в том числе, грозозащитных тросов) на п-н гармонике имеют вид системы дифференциальных уравнений, размерностью 2т:

их(й))=еАМ]хА +^)ХВ;

" (7)

где их(соп) и Д(®„) - векторы-столбцы комплексных гармонических составляющих напряжений и токов п-й гармоники на расстоянии х от начала линии размер-

-4/(«¡О

■ комплексные квадратные

ностью т х 1; Аи(соп), 1,(т„), е матрицы размерностью т ут, представляющие собой соответствующие функции от матриц параметров линии на частоте п-н гармоники размерностью также т ут\ К)= , АД®л) = л/у(йГЩйГ); Ап, Вп, СЦ, - постоянные векторы-

столбцы независящие от расстояния х размерностью от х 1, вычисляемые из граничных условий, что л:=0 и х=1.

Функции от матриц типа Я„(ю„)=1/г(ю„)Г(ю„), Á1(wtl)=,]Y{co„)Z(coll) е к{а"], , вычисляются с использованием теоремы Кэли-Гамильтона:

1 и

_ п-к

А:' "

(8)

где А - определитель Вандермонда det^A/ '] :

W(À],À2,...,ÀJ =

Л 42 ■ . Г]

Л А2 • . Г

А Л2 • . лг

л я2 . . ЛГ',

где Я собственные значения матрицы А, а А, - определитель, получаемый, если в А вместо А/, А/,...А/ подставить значения функций /(А,),/(А2),.../(!„).

На основе представленных выше уравнений разработан алгоритм и программа расчета основных и добавочных потерь мощности и электроэнергии в одно- и двухцепных ВЛ (описание применения которого приводится в четвертой главе), включающая в себя: а) блок расчета активных сопротивлений в зависимости от номера гармоники (пример результатов на Рис. 6); блок расчета эпюр напряжений и токов вдоль трассы ВЛ (пример результатов на Рис. 7); в) блок исследования частотных характеристик ВЛ и определение резонансных частот

—— — — г: С ) Г-1 г*, . . j j

Номер гармоники

-70 кв.мм 95 кв.мм 120 кв.мм -150 кв.мм.......... 185 кв.мм...............240 кв.мм

Расстояние от начала ВЛ, км

-A3 -

-А27-

-А9 -

-АЗЗ-

-А15--А39-

- А21 ~ А45

Рис. 6. Активное сопротивление Рис. 7. Эпюры токов различных частот в проводов различного сечения В Л 110 кВ, 77 км

Под частотными характеристиками ВЛ подразумевается зависимость входных проводимостей фаз линии от частоты приложенного напряжения. Величина этих проводимостей численно равна фазному току, возникающему в фазах линии под действием трехфазной симметричной системы напряжений единичной величины, приложенной к зажимам линии:

ÚA=\.0 + j 0.0; Üp =-0,866-70,5; Uc =0,866 + 70,5.

Ниже приведены результаты сопоставления расчетных частотных характеристик (Рис. 8) и измеренного гармонического состава тока (К!(п)) (Рис. 9) в одной из радиальных ВЛ 110 кВ (филиала МРСК Сибири - ОАО «Читаэнерго») длинной 70 км, выполненной проводами марки АС-120 на опорах типа П110-5В. Инструментальные измерения показали, что коэффициент загрузки рассматриваемой линии по экономической плотности тока в период максимальной передачи мощности

Рис. 8. Рассчитанные частотные характеристики ВЛ

Номер гармонической составляющей

Рис. 9. Измеренный гармонический состав токов в ВЛ

Из рисунков видно, что частотные характеристики ВЛ действительно оказывают влияние на спектральный состав тока, увеличивая токи частот, соответствующих резонансным. Данное обстоятельство, во-первых, подтверждает адекватность созданной программы, во-вторых, указывает на то, что резонансные частоты ВЛ способствуют увеличению доли добавочных потерь от несинусоидальности.

В четвертой главе описаны порядок расчета и определения структуры потерь в ВЛ, а также этапы оценки уровня добавочных потерь в электрических сетях на основе созданной в ходе выполнения работы программы.

На первом этапе определения величины добавочных потерь мощности в ВЛ рассчитываются суммарные потери (ДР2, Вт) по формуле (9), потери на основной частоте по формуле (10), потери от протекания токов прямой последовательности основной частоты по формуле (11).

¡=1 ¿=1 о

т г

^,=1 г1т\Пт(х)ск, (10)

ы о

(11)

1=1 о

где т - количество проводов в линии; К - количество гармоник, учитываемых в расчете; - погонное активное сопротивление /-го провода на частоте ¿-той гармоники (см. табл. 1 и рис. 6); 7/,да(х) - действующее значение тока /-го провода на частоте ¿-той гармоники на расстоянии х от начала линии (см. формулу (7) и рис. 7), 1щ)(х) - то же, но для тока основной частоты, Д, (1 ((х) - то же, но для тока прямой последовательности основной частоты; / - длина ВЛ.

Добавочные потери мощности от несимметрии токов:

АР =АР..,—АР.т. (12)

д.несимм. (1) 1(1) \ /

Добавочные потери мощности от несинусоидальности токов:

(13)

Потери мощности в ВЛ на частоте ¿-той гармоники:

(14)

¡=1 о

По результатам суточных измерений режимов линии рассчитываются основные (15) и добавочные потери энергии от несимметрии токов основной частоты (16) и несинусоидальности токов (17), а также коэффициент, представляющий собой оценку добавочных потерь энергии в ВЛ (18).

АИт1=£ -' (15)

0)1 % 1000

А ^Д.„СС„ММ. = Ъ--' ( 1 6)

^ДРлвг,-(А/э/60)

А КВГ=У ---(17)

двг ^ 1000 4 7

где N — количество измерений; А1Э - продолжительность экстраполированного интервала времени между измерениями (мин.): Д/э=1440/Л'; 1440 - количество минут в сутки.

А1¥ + А№

,--(18)

дп д Ш

""1(1)

В качестве примера, на рисунках 10 и 11 приведены суточные графики и структура основных и добавочных потерь в ВЛ, представление об искажениях в которой дают рисунки 1-4.

Результаты расчета потерь энергии сведены в таблицу 2. Видно, что добавочные потери (45,77 кВт*ч) увеличивают основные (161,8 кВт*ч) в 1,28 раз.

14000

Н 12000

И 10000 8000 2 6000

О. 4000 2000 О

Время

Л.

6000 Н 5000 ® 4000 ¡5 3000 д,а 2000 <1 1000 о

Время

1500

н И

1000

500 0

Ыи п.

.ШГ.

-ото^ото^опои 1 ^ « Ю ¿1 —(-1 О (Ч гЧ '

О ц^ О О 1 -П □ Г^ П VI С

Время

140 120 г? юо „ 80 цГ 60 <1 40 20 о

«Р •

1

'т^Яок.. .

Время

в) г)

Рис. 10. Суточные графики: а) основных потерь; б) потерь от несимметрии токов основной частоты; в) потерь от несинусоидальности токов; г) относительных добавочных потерь.

Таблица 2

ДW|(l), кВт.ч ЛХУд, кВт.ч Лдп.ВЛ Д\¥ , кВт.ч

161,8 45,77 1,28 207,6

ТI V 174 .д.и. иХ

Фаза А »Фаза В

■ Фаза С

■ Трос

Номер гармоники

Рис. 11. Структура потерь энергии в ЕШ за сутки: а) укрупненная; б) по проводам; в) по высшим гармоникам.

Подобные расчеты были сделаны для более 240 линий МРСК Сибири и МРСК Юга. На рисунке 12 приведен вариационный ряд из 36 линий по показателю А\Уд,% для филиала МРСК Сибири - ОАО «Бурятэнерго»._

70

60 ■

¿5 50' ч 40 ■ ^ 30 ■ < 20 ■ 10 '

0 - (Ч п Р! т м г'! ^

Номер обследованной ВЛ

Рис. 12. Уровни добавочные потери в линиях 110 кВ ОАО «Бурятэнерго»

При таких уровнях потерь задача их учета во всей сети становится актуальной. Так, в данной работе предлагается методика оценки добавочных потерь в электрической сети по ограниченному количеству обследованных ВЛ при условиях, что имеются: а) результаты расчета основных потерь с применением известных программ расчета установившихся режимов, б) суточные измерения режимных параметров, которые принимаются характерными для базового периода оценки.

Оценку добавочных потерь предлагается производить в 5 этапов:

Этап 1. Полное инструментальное обследование В Л электрической сети, которое согласно ФЗ №261 «Об энергосбережении...» подлежит выполнению раз в 5 лет, и расчет фактического ЛтШ1ЭС:

ЕА^в. , _

-+1,

(19)

где ЛИ/дпЮ и д(г||||ы. - добавочные и основные потери электроэнергии в г'-ой В Л

ЭС соответственно; п - количество обследованных ВЛ.

Этап 2. Исследование полученного £;шВЛ ЭС в зависимости от количества обследованных ВЛ с целью определения достаточного набора ВЛ для получения объективной оценки ктШЭС ■ На рисунке 13 приведен пример исследования £яп ВЛ ЭС в зависимости от количества обследованных ВЛ. Из графика видно, что сходимость достигается на 20-й ВЛ.

г *

в в £ =■

5 о

■е- и

1| ы 4

1.18 1.15

■а 1.12

£ 1.09 о

е 1.06

1,03 1

- о о о о о о о о о о О О О „'

о. = о о

Количество обследованных ВЛ

Рис. 13. Сходимость ВЛ 110 кВ ОАО «Бурятэнерго» по к,

дп.ВЛ-ЭС

Кроме того, исследования показали, что общность режимов в конкретных электрических сетях (обусловленные, например, плотностью населения региона, степенью развитости промышленности, электрифицированного транспорта и т.д.) задают закономерность в распределении В Л по показателю А\¥д рисунок 14.

20

-fi 15 • ЕЗЭЭмпир.закон распр.

и s 10 " s. —Теор.закон распр.

§ о. 1-( < . _

и о 14,2 35.5 42.6 49.7 56.8 63.9

AWn,%

Рис. 14. Закон распределения ВЛ по показателю А\¥д,% Здесь вероятность соответствия распределения экспоненциальному закону равняется 40%, что является не малым соответствием, при оценке математического ожидания относительных добавочных потерь 7=12,452, степеней свободы л=7 и уровне значимости а=0,05.

Результаты, иллюстрированные на рисунках 12-14, подтверждают правомочность предлагаемого подхода к сокращению объема инструментальных измерений при определении оценки кт вл эс.

Этап 3. По результатам определения оптимального порядка обследования и достаточного количества обследуемых В Л кшШЭС оценивается с периодичностью, необходимой для защиты тарифов в федеральной службе по тарифам._

l.i

и 1,08

Г)

5 1,06

J5 1,04

1,02

1,083

1,078

1,043

ii'itii 1ПП5 им ^ иим

Бурягэнерго Алтайэнерго Читаэнерго Кузбасэнерго Омскэнерго Ростовэнерго Волгоградэнерго

Рис. 15. ктВЛЭС для некоторых сетей 110 кВ МРСК Сибири и МРСК Юга

Этап 4. Расчет реального значения потерь электроэнергии в линиях всей электрической сети:

^^ВЛ.ЭС ~ ^дп.ВЛ.ЭС ' А^,|)вл эс! (20)

где Д ^¡¡,)влзс ~ потери в линиях сети, рассчитанные с применением известных программ расчета установившихся режимов.

Этап 5. Выделение добавочных потерь из суммарных:

АIV = АIV - ЛIV /о 1ч

" дп.вл.эс "" вл.эс "" 1(1)ВЛ.ЭС- (¿1)

По нашему мнению, Федеральная служба по тарифам должна принимать данные о добавочных потерях, полученные по предлагаемой методике.

Заключение

1. Для объективной оценки эффективности транспорта электроэнергии, а также уровней несинусоидальности и несимметрии напряжений и токов в электрической сети необходимо проводить её инструментальные обследования, не смотря на их относительно высокую стоимость.

2. Эффективность инструментальных обследований повышается при их комплексном исполнении - одновременной оценке качества электроэнергии (например, при её сертификации на соответствие ГОСТ), энергетическом обследовании (энергоаудите), оценке уровня добавочных потерь.

3. Созданная программа расчета добавочных потерь в BJI может послужить основой для разработки программы исследования и расчета добавочных потерь электроэнергии в сложных электрических сетях.

4. Предложенная методика оценки добавочных потерь электроэнергии в электрических сетях позволяет решить не только основную задачу, но и уточнить балансы мощностей и энергии.

5. В следствие неучета добавочных потерь электроэнергии при расчёте норматива технологических потерь они автоматически попадают в разряд коммерческих, т.е. не включаются в тариф. Энергоснабжающие компании при этом несут убытки, а государство недополучает налоги от потерянных компанией доходов.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю проф. Ушакову В.Я. и соруководителю доц. Харлову H.H. за их постоянное внимание к работе и помощь, а также сотрудникам РЦР ЭНИН Волкову М.В. и Боровикову B.C. за предоставление результатов инструментальных энергетических обследований ряда распределительных сетей 110 кВ, Богдановой Е.В. за помощь в решении организационных вопросов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации: а) в изданиях по перечню ВАК

1. О необходимости включения добавочных потерь от высших гармоник тока в технологические потери при передаче электрической энергии / B.C. Боровиков, H.H. Харлов, Т.Б. Акимжанов // Известия Томского политехнического университета / Томский политехнический университет (ТПУ). - Томск, 2013. - Т. 322, № 4 : Энергетика. - С. 91-93.

2. Инструментальная оценка эффективности работы фильтрокомпенсирую-щих устройств в системах электроснабжения горнодобывающих предприятий / H.H. Харлов, Т. Б. Акимжанов // Известия Томского политехнического университета / Томский политехнический университет (ТПУ). - Томск, 2013. - Т. 322, № 4 : Энергетика. - С. 99-103.

3. Искажения синусоидальности и несимметрия напряжений в электрических сетях 110 кВ Сибири и Юга России / Т.Б. Акимжанов, В.Я. Ушаков, H.H. Харлов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - Казань, 2014. - № 1-2. - С. 67-73.

б) в других изданиях

4. Development of calculation methods for additional electrical power losses during transportation. T.B. Akimzhanov, N.N. Kharlov, V.S. Borovikov, V.Ya. Ushakov.

The 9th International Forum on Strategic Technology (IFOST), October 21-23, 2014, Cox's Bazar, Bangladesh. Publisher: IEEE. pp. 351-354.

5. Свид. №2014619784. Расчет добавочных потерь в одно- и двухцепных линиях электропередачи // Харлов Н.Н., Боровиков B.C., Акимжанов Т.Б.; Заявитель и правообладатель «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»; - №2014617803; заявл. 06.08.2014; опубл. 22.09.2014 г.

6. Режимные свойства электрических сетей 110 кВ юга России в обеспечении эффективности транспорта электроэнергии / B.C. Боровиков, М.В. Волков, В.В. Иванов, В.В. Литвак, В.А. Мельников, A.B. Погонин, Н.Н. Харлов, Т.Б. Акимжанов. - Томск, STT, 2013. - 268 с.

7. К вопросу разработки модели расчета параметров катушки индуктивности. Смагулов С.Б., Акимжанов Т.Б. // материалы Международной молодёжной конференции «Энергетическое обследование как первый этап реализации концепции энергосбережения», 3-4 декабря 2012 г. / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во ООО «СПБ Графике», 2012. - С. 345-348.

8. Statistical estimation of the voltage quality ratings distribution in the electric load nodes of 110 kV. N.N. Kharlov, T.B. Akimzhanov // Conference proceedings. The 8th International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering (ICTPE-2012). Ostfold University College 5-7 September 2012, Fredrikstad, Norway. -P. 283-285.

9. К вопросу разработки методики и математического аппарата для расчета добавочных потерь в элементах электроэнергетических систем. Акимжанов Т.Б., Боровиков B.C., Волков М.В. // сборник трудов XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В 3 т. Т. 1 / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - С. 7-8;

10. Смагулов С.Б., Акимжанов Т.Б. Расчет добавочных потерь электроэнергии в ЛЭП 110 кВ на примере Ростовэнерго и Бурятэнерго // Материалы I Международного форума «Интеллектуальные энергосистемы». Томск, 2013. -321 с.

Подписано к печати 23.04.2015. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,05.

_Заказ 296-15. Тираж 130 экз._

~. Национальный исследовательский Томский политехнический университет Система менеджмента качества

Издательства Томского политехнического университета сертифицирована в соответствии с требованиями ISO 9001:2008

ИЗДАТЕЛЬСТВО W* ТПУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru