автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка методов и технических средств по снижению потерь электроэнергии в распределительных сетях низкого напряжения

На правах рукописи УДК 621.311.

Юлия Ильинична Ткачева

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПО СНИЖЕНИЮ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ НИЗКОГО

НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре - 2003

Работа выполнена в ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Соловьев Вячеслав Алексеевич

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Грннкруг Мнрон Соломонович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузьмин Вячеслав Матвеевич

кандидат технических наук, доцент Ющенко Леонид Владимирович

Ведущая организация: ОАО «ХАБАРОВСКЭНЕРГО»

Защита состоится " 26 " декабря 2003 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета КМ 212.092.01 в ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 321-3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического \ ннверситета.

Автореферат разослан "25" ноября 2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета КМ 212.092.01 Суздорф В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обусловлена постоянным ростом цен на электроэнергию, необходимостью уменьшения потерь электроэнергии в процессе ее производства и доставки потребителям. Существующие способы экономии электроэнергии не обеспечивают достижения максимально возможных энергетических показателей. Требуется разработка новых способов и подходов к проблеме снижения потерь электроэнергии.

Особенностью энергосистемы является ограниченность возможностей проведения на ней экспериментальных исследований и неполнота получаемой исходной информации. Неполнота исходных данных, необходимых для расчета системы распределения электрической энергии, обусловлена тем, что не всегда имеется возможность проводить требуемые измерения нагрузок всех элементов. Обычно замеры нагрузок производятся только для двух конкретных периодов: зимнего и летнего. Изменения нагрузки имеют как закономерный характер, так и подвержены случайным колебаниям.

Вопросам снижения потерь уделяется достаточно внимания. Разработке методов снижения потерь в сетях низкого напряжения посвящены работы Железко Ю. С., Поспелова Г.Е., Панфилова К.Д., Потребича A.A. и др. Однако, существующие методики расчета характеристик энергетических систем не учитывают ряда реальных факторов. В существующих методиках отсутствует учет влияния на экономические показатели временного графика нагрузки. При расчете энергетических характеристик системы на длительный период используют данные по нагрузкам, полученные при ограниченном числе экспериментов. Разработка методик оптимизации характеристик сетей для передачи и распределения электрической энергии тесно связана с научными и экономическими проблемами.

Таким образом, представляется актуальным проведение комплексных исследований по выявлению факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на потери энергии в распределительных сетях, выявлению оборудования, в котором возникают максимальные потери, и разработке способов уменьшения этих потерь.

Целью работы является разработка и исследование способов экономии электроэнергии в распределительных сетях низкого напряжения, а также разработка технических решений, обеспечивающих реализацию предложенных способов.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

Основные задача, решаемые в работе:

1. Анализ потерь энергии и выявление причин увеличения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения.

2. Разработка способов снижения потерь электроэнергии в трансформаторных подстанциях (ТП) распределительных сетей (РС) низкого напряжения (НН). Исследование влияния параметров изменения нагрузки на эффективность разработанных способов.

3. Разработка инженерных методик расчета потерь, учитывающих изменения реальных факторов нагрузки в процессе эксплуатации.

4. Выявление оптимального соотношения распределения мощностей между трансформаторами ТП, обеспечивающего минимизацию суммарных потерь в понижающих трансформаторах (ПТ), и разработка методики подбора трансформаторов.

5. Разработка технических решений, реализующих предложенные способы снижения потерь электроэнергии в ТП НН.

Методы исследования базируются на теории расчета электрических аппаратов и цепей переменного тока, методах теории автоматического управления, математического моделирования и программирования.

Научная новизна работы заключается в разработке:

- новых способов снижения потерь электроэнергии в понижающих трансформаторных подстанциях (ПТП) и в оценке их эффективности при учете влияния параметров графика нагрузки ТП;

- методики расчета потерь в ПТП при учете сезонных изменений графика нагрузки;

- методик оптимизации суммарных потерь двухтрансформаторных подстанций;

- алгоритмического обеспечения расчета ТП, обеспечивающего оптимизацию параметров понижающих трансформаторов.

Практическая значимость полученных результатов и выводов связана с возможностью уменьшения потерь энергии в РС НН и достаточных для их реализации теоретических положений и заключается:

- в создании методик расчета потерь в ТП, учитывающих реальные изменения нагрузки;

- в создании комплекса программ по оптимизации параметров ПТ подстанций с точки зрения минимизации потерь;

- в разработке рекомендаций по проектированию ПТП для PC НН;

- в разработке технических решений, реализующих предложенные способы снижения потерь ПТП.

Новизна и значимость технических решений подтверждены патентом РФ и положительным решением на выдачу патента РФ. На созданные в процессе диссертационного исследования программные продукты получены свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003610899, №2003610900, публикациями в научных изданиях

Основные результаты диссертационной работы были получены автором в ходе исследований, выполнявшихся в рамках научного направления «Разработка научных и методологических основ энергосберегающих технологий на основе вычислительного интеллекта», проводимого по плану научных работ кафедры «Электропривод и автоматизации промышленных установок» ГОУ ВПО Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, а также в рамках гранта правительства Хабаровского края. Результаты научно-исследовательской работы реализованы в МУППЭС (г. Комсомольск-на-Амуре) при разработке комплекса программ по автоматизированному расчету потерь в сетях предприятия, используются в учебном процессе на кафедре «Электропривод и автоматизации промышленных установок» Комсомопьского-на-Амуре государственного технического университета по специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах» и подтверждены соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на: - 3-ей Международной научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами», Саранск 1999, - 2-ой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», Благовещенск, 2000; - 3-ей Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности», Ульяновск, 2001; - 6th International conference «Electrical power quality and utilisation», Cracow, Poland, 2001: -Федеральной научно-технической конференции «Электроснабжение, электрообор)до-вание, энергосбережение», Новомосковск, 2002; - Региональной научно-технической конференции «Проблемы учета и управления потреблением энергоресурсов и воды», Хабаровск, 2003; -Международная научная конференция ЭЭЭ-2003 «Пути и техноло-

гии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона», Комсомольск-на-Амуре, 2003;

Материалы исследований также докладывались и обсуждались на ежегодных Региональных научно-технических конференциях по итогам выполнения МПНТП «Дальний Восток России» за 1993-1996 гг., Комсомольск-на-Амуре.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ: 12 статей и тезисов, 2 программы для ЭВМ, патент, положительное решение о выдаче патента на способ снижения потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения и устройство для его осуществления, учебное пособие с грифом ДВ РУМЦ (УМО).

Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 185 страницах машинописного текста, иллюстрированных 79 рисунками и 32 таблицами, списка использованных источников из 107 наименований и четырех приложений, в которых представлены 2 описания разработанного программного обеспечения для ЭВМ, 11 таблиц с расчетными данными, 2 акта о внедрении результатов диссертации.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, цель и задачи исследований. Показана научная новизна диссертации, дается ее краткая характеристика и приведены основные научные результаты, которые выносятся на защиту.

Первая глава работы посвящена анализу потерь энергии в элементах РС и потерь энергии в них и факторам, влияющим на них.

Анализ показал, что основные потери РС НН это потери в ПТ ТП, которые могут составлять от 4 до 8 % от передаваемой энергии. Потери же в кабельных линиях, которые являются в основном джоулевыми потерями, составляют менее 2%. Существуют также прочие потери, которые идут на собственные нужды ТП и возникают в контрольно-измерительной аппаратуре (трансформаторах тока (ТТ) и трансформаторах напряжения (ТН) и т.д.), они составляют менее 1%.

Основным фактором, определяющим величину потерь в ПТ и кабельных линиях, является нагрузка. Поэтому анализу подвергались электрические нагрузки различных потребителей.

В практике работы электрических сетей, как правило, рассматриваются летние и зимние графики нагрузок. Оба графика имеют по два максимума в утренние и вечерние часы, причем вечерний максимум больше утреннего. Летний график нагрузки отлича-

ется от зимнего тем, что нагрузка летнего периода ниже зимнего, так как вечерний максимум летом наступает позднее.

Особенностью нагрузок электрических сетей являются циклические колебания потребляемой мощности, которые делятся на суточные и сезонные. Используя типовые суточные графики нагрузки потребителей и принимая во внимание закон изменения нагрузки в году, можно построить годовой график нагрузки, который и применяется для составления балансов расхода электроэнергии, на основании которого определяется установленная мощность ТП и выполняются расчеты потерь энергии в элементах РС. Кроме того, к факторам, влияющим на установленную мощность ТП, относится естественный рост нагрузки за относительно длинный промежуток времени.

Анализ существующих способов снижения потерь электроэнергии показал, что:

- снижение потерь электроэнергии в РС за счет подрегулирования напряжения имеет низкую эффективность и применимо только при использовании трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой;

- второй способ, связанный с оптимизацией мест размыкания линий низкого и среднего напряжения с двухсторонним питанием, приводит к перераспределению нагрузок между питающими подстанциями и изменению потерь сети. При этом оптимальное место размыкания линии 6-35 кВ определяют, рассчитывая суммарное изменение двух составляющих потерь: в линиях 6-35 кВ и во внешней сети. Данный способ эффективен по снижению потерь в кабельных линиях, которые составляют незначительную часть от общих потерь.

- использование отключения части трансформаторов в режимах малых нагрузок, когда величина потерь холостого хода трансформатора оказывается соизмеримой с ростом нагрузочных потерь, является эффективной мерой, но обоснование данного способа в литературе проведено недостаточно корректно и неполно. Во-первых, не выявлено. какие трансформаторы следует устанавливать в ПТП, чтобы снижение потерь при отключении было максимальным, практическое же применение нашло только сезонное регулирование мощности ТП, когда часть трансформаторов отключается на летний период при снижении нагрузки. Во - вторых, в литературе не обоснованы ни выбор трансформаторов при таком регулировании, ни время их отключения при котором снижение потерь максимально. Не рассмотрено также влияние параметров графика нагрузки на эффективность отключения трансформаторов при снижении нагрузки;

- снижение потерь за счет выравнивания графика нагрузки сети можно достичь, если допустим перенос части нагрузки на ночные часы. При этом происходит снижение потерь электроэнергии в трансформаторах (применение данного метода ограничено в жилых районах города).

Уменьшение величины потерь в РС за счет выравнивания нагрузок фаз в сетях 0,4 кВ возможно только при помощи использовании (тиристорного) или релейного перераспределения нагрузок между фазами. При этом также происходит снижение потерь электроэнергии в трансформаторах.

Кроме того, в работе проведен анализ существующих методов расчета электрических сетей. К традиционным, широко используемым методам расчета обычно относят:

1. Ретроспективные, включающие в себя выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии.

2. Оперативные, которые выполняются для контроля и составления планового задания по потерям (наиболее точные). Они позволяют определить величину потерь в конкретный момент времени.

3. Перспективные - обычно выполняются для определения ожидаемых потерь и планируемых мероприятий по снижению потерь электроэнергии. Их используют при проектировании РС. Необходимо подчеркнуть, что при проектировании электрораспределительных сетей выбор элементов сетей производится на основе типовых графиков нагрузки потребителей, исходя из ожидаемой их максимальной суточной мощности в конце пятнадцатилетнего периода эксплуатации. При этом не учитываются сезонные изменения колебаний нагрузки, имеющие существенное различие по регионам.

На основании анализа существующих способов снижения потерь и методов их расчета делается вывод, что используемые способы снижения потерь не отвечают современным требованиям экономии электрической энергии.

Ставится задача по оценке реально существующих потерь к минимально возможным, выявлению элементов сети, обладающих повышенными потерями, разработке способов снижения потерь с учетом реальных факторов изменения нагрузки и корректировке существующих методик проектирования.

Вторая глава работы посвящена анализу городской РС НН (г. Комсомольска-на-Амуре).

Городская РС НН состоит из ряда соединенных подстанций, питание которых осуществляется по кабельным и воздушным линиям. Электрическая энергия, вырабатываемая на ТЭЦ, передается по кабельным и воздушным линиям и поступает на городские распределительные подстанции (ГРП), центральные распределительные подстанции (ЦРП), а затем на ТП НН, откуда поступает к потребителям.

Типовая городская РС состоит из большого числа (281), одно-, двух-, трех- и четырех- ТП. Номинальная мощность трансформаторов, установленных в подстанциях, лежит в диапазоне от 100 до 630 кВт, средняя мощность ТП составляет 544 кВт, а для трансформатора -416 кВт. Питание ТП осуществляется кабельными и воздушными линиями. Анализ характеристик кабелей, используемых в СНН городской сети, показал, что доли потерь в алюминиевых и медных кабелях соизмеримы. Для них была проведена оценка потерь при различных нагрузках. Расчеты показали, что потери в кабельных линиях не превышают 2% на 1 км длины при максимально допустимом токе, н поскольку реально они еще меньше (при реальном диапазоне нагрузок), то ими при рассмотрении способов снижения потерь можно пренебречь. Кроме того, средняя длина кабельной линии по городской сети составляет 0,52 км, а среднее значение коэффициента нагрузки Р/Рдоп, рассчитанное по результатам измерений токов в 159 кабелях, питающих ТП в период зимнего вечернего максимума, составляет 0,125. Расчет реальных потерь, проведенных для одного из городских ЦРП для вечернего зимнего максимума нагрузки, показал, что потери в кабельных линиях составляют при этих условиях меньше 0,15% от передаваемой энергии.

Экспериментальная оценка потерь и нагрузок в ПТ ТП на основании замеров токов в 367 ПТ городской РС показала, что нагрузка в ПТ является временной функцией. В течение суток нагрузка колеблется от 0,2Рт1Х до Ртах. При этом ток измерялся во время зимнего вечернего суточного максимума. Среднее же значение коэффициента нагрузки во время зимнего вечернего максимума составляю всего 0.213. С учетом сезонных колебаний нагрузки реальный диапазон изменения нагрузки ПТ лежит в пределах (0,04-1) Рп»*. Для сравнительной оценки потерь РС НН был выполнен расчет относительных годовых потерь энергии в ПТ. При расчете использовались типовые графики нагрузки для жилого или промышленного района и характеристики стандартных трансформаторов. Расчеты проводились для различных значений со5 <р Потери определялись как сумма потерь на получасовых режимах с учетом сезонного изменения мощности нагрузки. Результаты расчетов относительных потерь и их сопоставпение с ми-

нимально возможными потерями стандартных трансформаторов при постоянной работе их на оптимальной нагрузке представлены в таблице 1.

___ __Таблица 1

Рноы тр КВА сов ср =0,93

Яреы Яшш ЯреаУЯтт

100 0,0233555 0,0179093 1,3

160 0,0305431 0,0158242 1,93

180 0,0455154 0,0233372 1,95

250 0,0359124 0,0144031 2,49

320 0,0394236 0,0205141 1,92

400 0,0391379 0,0129339 3,02

560 0,0542737 0,0182761 2,97

630 0,0473752 0,0120504 3,93

Средняя величина относительных годовых потерь в трансформаторах для всей сети при соБф =0,93 составляет 0,0417. Из расчетов следует, что реальные годовые потери в трансформаторах, установленных в городской РС НН, в 1,3-4 раза превышают минимально возможные.

Основными причинами увеличения потерь в трансформаторах являются: существенная неравномерность графиков нагрузки городских потребителей, которая связана с суточной и сезонной цикличностью ее изменения и низкой загруженностью трансформаторов. Она обусловлена устаревшей методикой проектирования ТП РС, которая заключается в том, что мощность устанавливаемых трансформаторов рассчитывается а

по максимально ожидаемой мощности нагрузки в конце 15 - летнего периода с учетом предполагаемого ее роста по экспоненциальному закону и поскольку в каждой сети имеется значительное число новых ТП, нагрузка которых далека от максимальной расчетной, то это приводит к снижению коэффициентов нагрузки этих трансформаторов, а, следовательно, снижению коэффициента полезного действия (КПД).

В третьей главе рассмотрены новые способы экономии электроэнергии в ПТП и исследовано влияние параметров графика нагрузки на эффективность предложенных способов.

Сущность первого способа заключается в ступенчатом регулировании мощности ТП Для реализации данного способа предлагается ТП комплектовать двумя трансформаторами разной мощности так, чтобы при низкой нагрузке работал один трансформатор, при увеличении нагрузки включался в работу второй трансформатор, а первый отключался, а при нагрузках, близких к максимальным, включались оба трансформатора.

При снижении нагрузки должно происходить обратное переключение. При этом при любой нагрузке трансформаторы в ПТП должны работать в условиях, близких к оптимальным, что обеспечит снижение потерь в ТП.

В работе рассматривается два практических варианта использования данного способа.

Первый заключается в автоматическом переключении трансформаторов в ТП, которое должно осуществляться при выполнении условия равенства потерь в ПТ.

При этом первое переключение происходит в момент времени, когда нагрузка ТП становится равной такой величине, при которой КПД обоих трансформаторов одинаков. Второе переключение происходит в момент времени, при котором величина нагрузки станет равной такому значению, когда потери в трансформаторе большей мощности становятся равными потерям в паре трансформаторов, работающих на ту же нагрузку. При реализации рассматриваемого способа учитывалось использование трансформаторов из стандартного ряда таким образом, чтобы при реализации данного способа регулирования суммарные годовые потери были на минимальном уровне при работе по заданному графику нагрузки с учетом с его сезонного изменения.

Для данного способа была разработана методика расчета потерь. Она позволяет рассчитать мощность нагрузки, при которой следует производить переключение, а также распределение мощности нагрузки, между трансформаторами, при которой потери з подстанции будут минимальными. Доказано, что отношение мощностей трансформаторов, обеспечивающее минимум потерь, одинаково для любой мощности нагрузки.

Первая точка переключения нагрузки с трансформатора меньшей мощности на трансформатор большей мощности находилась из условия равенства потерь или КПД обоих трансформаторов.

Из решения этого уравнения с учетом коэффициента нагрузки первого и второго трансформаторов относительно Р,шр. находится значение мощности нагрузки, при котором следует переключаться с первого трансформатора на второй

Вторая точка переключения нагрузки с трансформатора большей мощности на пару трансформаторов находилась из решения системы уравнений в которую входят: уравнение равенства нагрузок Р^ = Р, + Р1

уравнение условия равенства потерь в паре трансформаторов и трансформаторе большей мощности, работающих на одинаковую нагрузку

Я„,+ДгЯ„, + Я„2 + , г = ргп, + Я„г, а также уравнение, выражающее условие минимума потерь в ТП

+л,х2+АП1>2

<1Р1 Р1

-2Р,

■ = О

Решение данной системы уравнений, дает:

Я^ ] г^мгр

Я.

я.

- +

рх рх

1 мак 2 май 1

•Я, , \Рца

Р2

Ми I

я.

«ми 2

Я„,

Итоговой формулой данной методики является формула, определяющая мощность нагрузки ТП, при которой происходит переключение с трансформатора большей

мощности на пару трансформаторов

- ЕИ " ь '

где а - коэффициент, который вычисляется по следующим образом

Я.

я. „я,2

Р4

2'«о» 1

Я,

г,2 „2

пои 2 па« I

г>2 п4

Я.,2 1 Я,

»2 р2 * «»и 5 '

Второй вариант реализации данного способа заключается в сезонном регулировании работы ТП. При этом рассматривалась двухтрансформаторная подстанция, состоящая из двух трансформаторов разной мощности. В зимний период эксплуатации ТП работают либо оба трансформатора, либо трансформатор большей мощности (с уменьшением нагрузки работает трансформатор большей мощности), а в летнее время, когда нагрузка становится минимальной, работает трансформатор меньшей мощности. Для минимизации потерь ТП предлагается определять время переключения трансформаторов, а также параметры переключаемых трансформаторов.

Потери в трансформаторах определялись как сумма потерь на получасовых режимах. Использовался закон изменения максимальной мощности в течение года. Точки

переключения определялись следующим образом: для каждой недели определялись суммарные потери при работе каждого из трансформаторов и пары из трансформаторов, работающих на эту же нагрузку с оптимальным соотношением мощностей между ними. Номер недели переключения определялся при равенстве потерь в ТП.

Для определения эффективности предлагаемых способов были рассчитаны минимально возможные относительные и абсолютные годовые потери в однотрансформа-торных, двухтрансформаторных подстанциях с автоматическим регулированием мощности и при работе ТП с сезонным регулированием мощности. Зависимости относительных годовых потерь от максимальной зимней мощности нагрузки ч=^Рт«) для ТП, обслуживающей жилые районы домов, оборудованных газовыми плитами, для различных коэффициентов, характеризующих сезонную неравномерность графика нагрузки, представлены на рис. 1,2,3.

и 10 IVO 110 }0(< 2*0 Jnn я*Сг 400 410 100 110 400 «10 ТОО НО 100 I Я> ООО «10 100

Г|.1т] »

Рис.1. Зависимости q=f(Pma<) дяя однотрансформаторной понижающей подстанции.

-Ч(А'0 01. В'О 14 qtA'O 7*. В-0 21 1 ......4<Л -0 15 В'О IS) -qM-OVl в-0 01|

р (-Вт) »

Рис.2. Зависимости q=f(Pm„) для двухтрансформаторной понижающей подстанции с автоматическим регулированием мощности нагрузки.

Г >1т »

Рис. 3. Зависимости я={(Рта\) при сезонном регулировании мощности ТП.

Расчеты показали, что

- для однотрансформаторных подстанций относительные годовые потери могут сильно меняться даже при небольших изменениях Рщтни (я находятся в диапазоне (1.65-3)%).

- для 2-х ТП с автоматическим регулированием мощности сезонная неравномерность нагрузки меньше влияет на величину годовых потерь, графики плавнее и не имеют таких резких колебаний, как в однотрансформаторных подстанциях < д составляет 0.5-2.6)%)

- для сезонного регулирования мощности относительные годовые потери, при тех же параметрах графика нагрузок, находятся в тех же пределах, что и для двух-трансформаторной подстанции с автоматическим регулированием мощности (для ТП. обслуживающей жилые районы домов с газовыиититауи (1.7-2.6)%. дпя ТП с электроплитами а=(1.6-2.6)%)

Для той же ТП на рисунках 4,5 представлены зависимости относительных годовых потерь от различных параметров графика нагрузки: коэффициента, характеризующего сезонную неравномерность графика нагрузки, и коэффициента мощности. Для сравнительной оценки экономичности работы регулируемых трансформаторных подстанций и сопоставления годовых потерь энергии в регулируемых ПТП с потерями в однотрансформаторных ПТП в работе выполнен их анализ. Величины относительной экономии энергии в ПТ распределительной городской сети по сравнению с минимально возможными потерями в однотрансформаторных подстанциях рассчитывались как отношение разности относительных годовых потерь нерегулируемых и регулируемых

ПТП к относительным годовым потерям в однотрансформаторных подстанциях с минимально возможными потерями.

А-

Рис.4. Зависимости относительных годовых терь от коэффициента, характеризующего зонную неравномерность графика нагрузки.

авф

Рис.5. Зависимости относительных годовых потерь от коэффициента мощности.

Результаты анализа подтверждают, что применение ступенчатого регулирования мощности ПТП НН, обслуживающие жилые районы городов, снижает потери в ТП. Величина снижения суммарных потерь энергии может достигать при автоматическом регулировании мощности 35%, при сезонном регулировании мощности до 27%

Поскольку при использовании ступенчатого регулировании мощности увеличивается суммарная мощность ПТ в ТП и их стоимость, то была произведена оценка экономической эффективности введения данного технического решения. Повышение стоимости трансформаторов компенсируется за счет экономии электроэнергии со средним сроком окупаемости 7-10 лет. Цены на трансформаторы были взяты по данным Биробиджанского завода силовых трансформаторов, а тарифы на электроэнергию по Хабаровскому краю.

Второй способ снижения потерь энергии сводится к установке трансформаторов пониженной мощности в начальном периоде эксплуатации трансформаторов в ТП.

Поскольку в расчетный период эксплуатации трансформаторов их максимальная нагрузка изменяется в 1,5-2 раза, то предлагается разбить период эксплуатации на два и' устанавливать в ТП сменные трансформаторы. Первоначально устанавливается трансформатор пониженной мощности, а затем по мере роста нагрузки более мощный. При

установке второго трансформатора появляется возможность сезонного регулирования, либо первый трансформатор может быть отключен. В результате этих мероприятий увеличивается время работы трансформаторов при нагрузках близких к оптимальным, следовательно, суммарные потери энергии в них уменьшаются.

Для оценки эффективности данного способа было проведено исследование возможности экономии электроэнергии при установке в подстанции трансформаторов пониженной мощности в начальном периоде эксплуатации. Были проведены расчеты абсолютных и относительных потерь в них за период эксплуатации 15 лет при различных уровнях максимальной мощности нагрузки (в коние 15 летнего периода). Потери определялись как сумма потерь на получасовых режимах, учитывалась сезонная неравномерность графика нагрузки, который принимался, как типовой для подстанции, обслуживающей жилые районы домов с газовыми и электроплитами. Путем перебора выбирались трансформатор или пара трансформаторов, имеющие минимальные потери. Один из пары трансформаторов включался в работу в начальном периоде эксплуатации, а второй по мере роста нагрузки. Оптимизировались мощности типовых трансформаторов, время их переустановки и величина потерь в них за весь срок эксплуатации. Результаты расчетов относительных потерь за весь срок эксплуатации для различных коэффициентов, характеризующих сезонную неравномерность графика нагрузки, представлены на рисунке 6.

-qlA»0,6S.B-0,3M ----q(A-0.7.B-0.3)

■ q <Л - О ,7 í . В-0.25) -*-q ( * - 0 .8 . В - 0 .2 t

О .0 2 9 0 .0 2 7 -

Í 0,0 2 5 -'

0 .0 2 3 -Í Ч , %

0,021 -¡

0 .0 1 9

0 .0 1 7

0 ,0 I 5 ^ ........ ...... —' .......-

0 100 200 „300 J 0 0 5ДО 6 0 0 7 0 0

Р Ш I 5 , К В Т Г

Рис.6. Зависимости относительных потерь для однотрансформаторной понижающей

подстанции.

На рисунке 7 представлена зависимость относительных годовых потерь для по-станции, обслуживающей район домов с газовыми плитами, при установке в ней трансформатора пониженной мощности в начальный период эксплуатации.

0,025 -

0,024 -j

t 0,023 -j

| 0.022 -)

q, % 0,02 I -

0,02 H 0,019 0,018 0,017

0,016

-q(A = 0,65, B = 0,35) • q(A-0.7}, B-0.2S)

----q(A = 0,7, B-0,3)

—*-q(A-0,S, В»0,2)

300 400

Pm ax, кВт

600

Рис.7. Зависимости относительных потерь для ТП при установке в ней трансформатора пониженной мощности в начальный период эксплуатации.

Из графиков следует, что для однотрансформаторной подстанции имеется три максимума и три минимума, и отношение максимальных потерь к минимальным, равно 1,5. При установке в подстанции в начальный период эксплуатации трансформатора пониженной мощности с заменой его на более мощный по мере роста нагрузки по сравнению с однотрансформаторными подстанциями происходит общее уменьшение потерь. Графики имеют уже один большой пик, а второй - менее выраженный, и два минимума.

Показано, что при проектировании ТП целесообразно выбирать их нагрузку в диапазонах мощности от 150 до 200 кВт, от 370 до 430 кВт, от 550 до 630 кВт. За счет рационального выбора числа потребителей подключаемых к подстанции можно уменьшить потери в них.

Установка трансформаторов пониженной мощности в начальный период позволяет экономить до 33% энергии, по сравнению с однотрансформаторной ПТП. Четвертая глава посвящена разработке технического решения для осуществления ступенчатого регулирования мощности нагрузки для двухтрансформаторной подстанции. Функциональная схема ТП с двумя трансформаторами, обеспечивающая ступенчатое регулирование мощности, показана на рисунке 8. Переключение осуществляется следующим способом: при малой нагрузке работает один трансформатор Т1, при этом включен выключатель F3 , а выключатели F4 и F5 отключены. При увеличении нагрузки по сигналу с датчика мощности контроллер 7 осуществляет управление выключателями F1 и F2, которые выключаются, а выключатели F4 и F5 включаются, и при этом на полную нагрузку работает трансформатор Т2. При дальнейшем повышении нагрузки

датчик мощности через контроллер осуществляет размыкание выключателя РЗ и включение выключателей Г1 и Р2. В этом режиме работают оба трансформатора, каждый на свою нагрузку. При снижении нагрузки происходит обратное переключение.

Рис. 8. Схема включения трансформаторов

Переключение происходит при условии: РИ1гр<Рч, |, подключен трансформатор меньшей мощности; Ркр |<РИагр подключен трансформатор большей мощности; Рнагр>Р«р2, трансформаторы работают каждый на свою нагрузку; где Ркмр - мгновенная мощность нагрузки, Ркр г мощность нагрузки, при которой КПД трансформаторов равны, Ркр2- мощность нагрузки, превышающая номинальную мощность трансформатора меньшей мощности, определяется условием равенства потерь при работе большего трансформатора и потерь при одновременной работе двух трансформаторов на ту же нагрузку.

Предложенная схема обеспечивает последовательность включения трансформаторов без потери напряжения на нагрузке. Это достигается за счет отключения работающего трансформатора с выдержкой времени после включения другого трансформатора.

Если учитывать недетерминированность времени срабатывания автоматических выключателей, т.е., что время срабатывания автоматического выключателя лежит в определенных пределах, то возможно появление конфликтных ситуаций:

- параллельная работа трансформаторов;

- возникновение бестоковой паузы в нагрузке.

Ситуации, при которых возможна параллельная работа трансформаторов, определяются в основном пространственным положением выключателей ¥2, РЗ, Р4, поэтому для исключения данных ситуаций достаточно формировать временные задержки на срабатывание этих выключателей.

Для исключения конфликтных ситуаций, которые возникают из-за неполноты информации положения контактов выключателей, и повышения надежности работы ПТП было предложено использовать Нечеткий логический контроллер (НЛК). НЛК позволяет сформировать функциональную зависимость моментов срабатывания выключателей от величины мощности нагрузки, знака ее производной и положения контактов выключателей.

Поскольку напряжение нагрузки практически неизменно, то производная мощности нагрузки прямо пропорциональна производной тока, и вместо сигнала о знаке производной мощности нагрузки целесообразно использовать сигнал о знаке производной тока нагрузки.

Управление переключением осуществляется по следующему алгоритму (принимая во внимание, что в текущий момент времени к нагрузке подключен трансформатор меньшей мощности Т1, выключатель РЗ замкнут)

- если мощность нагрузки близка к мощности нагрузки, при которой коэффициенты полезного действия обоих трансформаторов равны и производная мощности нагрузки положительная, то вначале замыкается выключатель Р5, затем выключатель Р4, а по истечении выдержки времени размыкается выключатель а затем выключатель И!;

- если мощность нагрузки близка к мощности, при которой КПД большего трансформатора равен КПД ТП с двумя включенными трансформаторами, работающими каждый на свою нагрузку, и производная мощности положительная, то вначале замыкается выключатель П. а затем замыкается выключатель и после выдержки времени размыкается выключатель РЗ.

- если мощность нагрузки больше или близка к мощности, при которой КПД большего трансформатора равен КПД ТП с двумя включенными трансформаторами, работающими каждый на свою нагрузку, и производная мощности отрицательная, то вначале замыкается выключатель РЗ и после выдержки времени размыкается выключатель Р2, а затем размыкается выключатель Р1.

- если мощность нагрузки больше или близка к мощности нагрузки, при которой КПД трансформаторов равны и производная мощности отрицательная, то вначале замыкается выключатель Р1, затем выключатель VI, а по истечении выдержки времени размыкается выключатель И4, а потом выключатель Р5.

Использование НЛК позволяет минимизировать время параллельной работы трансформаторов и уменьшить величину бестоковой паузы.

Моделирование рассматриваемой нечеткой системы управления переключением трансформаторов ТП показало, что величина бестоковой паузы может быть сведена практически к нулю.

Пятая глава посвящена экспериментальной проверке методики расчета потерь и выбора оптимальных параметров ТП при ступенчатом регулировании мощности ТП. Физическое моделирование проводилось на макетной установке. Моделирование работы двухтрансформаторной подстанции осуществлялось с помощью двух трансформаторов разной мощности, при этом соотношение мощностей трансформаторов было выбрано близким к стандартному.

Вначале моделировался режим работы однотрансформаторной подстанции и определялись потери энергии в трансформаторе.

Затем моделировалась работа двухтрансформаторной подстанции с переключением режимов в ранее определенных точках, и определялись потери в подстанции, работающей со ступенчатым регулированием мощности.

Сопоставление экспериментальных данных с расчетными для аналогичных режимов работы показало хорошее совпадение. Экономия электроэнергии в эксперименте при ступенчатом регулировании мощности составила (0.7-1,3)% от энергии отданной потребителю.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований, представленных в диссертационной работе, состоят в следующем:

1. На основе проведенного анализа потерь энергии в элементах PC НН и изучения факторов влияющих на эти потери, предложены способы уменьшения потерь энергии в ПТП в городских PC.

2. Разработана методика расчета потерь в ТП, учитывающая сезонные изменения нагрузки во время эксплуатации ПТ.

3. Создан комплекс программ, позволяющий определять величины потерь энергии в ПТ, определять оптимальные параметры ТП, оптимизировать режимы работы в них.

4. Разработан метод расчета распределения мощности между трансформаторами в ТП, обеспечивающий минимизацию потерь в них.

5. Предложено и запатентовано техническое решение по способу «Снижение потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения и устройство для его осуществления», позволяющее повысить надежность работы ТП.

6. Разработаны рекомендации по выбору ПТ в ТП городских PC, обслуживающих жилые районы городов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Учебные пособия

1. М.С. Гринкруг, В.А. Соловьев, Ю.И. Ткачева. Способы принятия оптимальных решений с использованием информационных технологий: Учебное пособие. -Комсомольск-на-Амуре гос. Техн. ун-т, 2001. - 60 с. (Гриф ДВ РУМЦ (УМО)). Свидетельства и патенты

2. Патент 2179776 РФ, МПК 7 Н 02 J 3/00. Способ снижения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения. / М.С. Гринкруг, A.B. Поповский, В.А. Соловьев, Ю.И. Ткачева (RU). - № 2000105315/09; Заявлено 03.03.2000; Опубл. 20.02.02. «Изобретения и полезные модели» № 5. - 253-254 с.

3. Свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003610900. Выбор оптимальных трансформаторов в понижающих трансформаторных подстанциях низкого напряжения при проектировании электрораспределительных сетей. И Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, М.С. Гринкруг, В.А. Соловьев, Ю.И. Ткачева, A.C. Копцов. - заявка № 2003610362, зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ г. Москва 2003. - 5 с.

4. Свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003610899. Определение мощностей трансформаторов понижающей трансформаторной подстанции и режимов ее работы, соответствующих минимуму потерь энергии в ней, при сезонном регулировании мощности трансформаторной подстанции. // Комсо-мольский-на-Амуре государственный технический университет, М.С. Гринкруг, В.А. Соловьев, Ю.И. Ткачева, А.С. Копцов. - заявка № 2003610361, зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ г. Москва 2003. - 8 с.

5. Положительное решение о выдаче патента на изобретение. МПК 7 Н 02 J 3/00. Способ снижения потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения и устройство для его осуществления. / М.С. Гринкруг, А.В. Поповский, В.А. Соловьев, Ю.И. Ткачева. - № 2002108625/09; Заявлено 04.04.2002.

Статьи

6. Гринкруг М.С., Соловьев В.А., Ткачева Ю.И., Балаганский Д.Г. Выбор рациональных параметров электрических подстанций низкого напряжения с учетом роста потребляемой мощности. // Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов: Сборник трудов И Всероссийской научно технической конференции с международным участием. - Благовещенск, АМГУ, 2000, - 360 - 364с.

7. Гринкруг М.С., Соловьев В.А.. Ткачева Ю.И. Анализ энергопотерь и изучение возможности энергосбережения в городских сетях низкого напряжения. // Энергосбережение в городском хозяйстве. Материалы Третьей Российской научно-технической конференции, г.Ульяновск, 24-25 апреля 2001 г. -Ульяновск: УЛГТУ, 2001. -85-89с.

8. Miron Grinkrug, Yulia Tkacheva. "Improvement in power voltage quality and reduction in Power losses at city low voltage transformer substations.1^"1 International Conference Electrical Power Quality and Utilisation, 2001, Cracow, Poland, -411-415 p.

9. Ткачева Ю.И. Выбор мероприятий по снижению технических потерь в распределительных сетях низкого напряжения на основе анализа реальных нагрузок ее элементов. -Деп. в ВИНИТИ №!04-В2002 -28с.

10. Miron Grinkrug, Vyacheclav Soloviev, Yulia Tkacheva. "Application of fuzzy control in adjusting system of low voltage power transformer substation with the purpose of time reduction of emergency current's weep." 10lh International Symposium Short - Circuit Currents In Power Systems, Lodz, 2002, -171-176 p.

11. Гринкруг M.C., Соловьев B.A., Ткачева Ю.И. Исследование возможности экономии электроэнергии в понижающих трансформаторах подстанций 6/0,4 кВ обслуживающих

жилые районы. //Электрофикаиия железнодорожного транспорта - техника и технологии нового тысячелетия: Сборник трудов НПК. /Дальневосточный государственный университет путей сообщения; Под ред. Б.Е. Дынькина. -Хабаровск: Изд-во ДВГУПС,

2002. - 124-129с.

12. Гриякруг М.С., Соловьев В.А., Ткачева Ю.И. Принципы снижения потерь электроэнергии в распределительных сетях низкого напряжения. // Материалы региональной научно-практической конференции «Проблемы учета и управления потреблением энергоресурсов и воды» / Правительство Хабаровского края. -Хабаровск, 2003. -47-49с.

13. Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И., Кузнецов П.А., Блохина М.А. Расчетно-программный комплекс для определения оптимальных параметров понижающих трансформаторных подстанций сетей низкого напряжения. Нелинейная динамика и прикладная синергетика. 4.2: Материалы международной конференции (Комсомольск-на-Амуре, 23-27 сентября 2002 г.) /Редкол.: Ю.Г. Кабалдин (отв.ред. и др.) -Комсомольск-на-Амуре: ГО-УВПО «КнАГТУ», 2003.145-149с.

14. Гринкруг М.С., Соловьев В.А., Ткачева Ю.И. Выбор трансформаторов понижающих подстанций городских сетей низкого напряжения с учетом сезонных колебаний нагрузки. // Сборник трудов МНТК «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» /Томский политехнический университет. - Томск, ТПУ 2003. - 287-289с.

15. Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И. Определение оптимального распределения мощности нагрузки между трансформаторами в двухтрансформаторной понижающей подстанции. // Сборник трудов МНК ЭЭЭ-2003 «Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона» / ГОУВПО «Комсомоль-ский-на-Амуре государственный технический университет.» -Комсомольск-на-Амуре,

2003. - 38-39с.

16. Гринкруг М.С., Соловьев В.А., Ткачева Ю.И., Кузьмич М.В. Исследование возможности экономии электроэнергии при установке в ТП трансформаторов пониженной мощности в начальном периоде эксплуатации. // Сборник трудов МНК ЭЭЭ-2003 «Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона» / ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» -Комсомольск-на-Амуре, 2003. - 26-33с.

17. Гринкруг М.С., Соловьев В.А., Ткачева Ю.И. Экспериментальная проверка возможности экономии электроэнергии при ступенчатом регулировании мощности трансформаторной подстанции. // Сборник трудов НТК «Современные тенденции в развитии и

»20 898

конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии» / Омский государственный университет путей сообщения. - Омск, 2003.

Ткачева Юлия Ильинична РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПО СНИЖЕНИЮ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

Из-во ГОУВПО КнАГТУ. Подписано к печати 24.11.2003. Формат 60x84/16. Усл. печ.л. 1,4 уч.-изд. л. 1,35. Тираж ЮО.Заказ 17552

Условные обозначения.

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПОТЕРЬ И НАГРУЗОК В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ. ОЦЕНКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗЦИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Потери в электрических сетях низкого напряжения.

1.1.1. Классификация потерь.

1.1.2. Потери в понижающих трансформаторах.

1.1.3. Потери в кабельных линиях.

1.1.4. Прочие потери в сетях низкого напряжения.

1.1.5. Мероприятия по снижению потерь в электрических сетях 21 низкого напряжения.

1.2. Анализ нагрузки в электрических сетях низкого напряжения.

1.2.1. Графики нагрузки по видам потребителей.

1.2.2. Факторы, влияющие на графики нагрузки.

1.3. Методы проектирования и расчета характеристик распределительных сетей.

1.3.1. Методы расчета потерь в электрических сетях низкого напряжения электрических сетей.

1.3.2. Методы проектирования электрических сетей.

1.3.3. Методы выбора оптимальных параметров электрических сетей низкого напряжения.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРОДСКОЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ

НОЙ СЕТИ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

2.1. Исследование структуры городской сети низкого напряжения (г. Комсомольск-на-Амуре).

2.2. Оценка потерь и нагрузок в кабельных линиях городской распределительной сети.

2.3. Анализ нагрузок понижающих трансформаторов низкого напряжения городской распределительной сети.

2.4. Анализ потерь в понижающих трансформаторах низкого напряжения в городской распределительной сети.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ЭКОНОМИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ПОНИЖАЮЩИХ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЯХ ЖИЛЫХ РАЙОНОВ ГОРОДА.

3.1. Разработка способов уменьшения потерь в понижающих трансформаторах распределительных сетей низкого напряжения.

3.2. Оптимизация параметров трансформаторных подстанций состоящих из понижающих трансформаторов стандартного ряда по минимальным годовым потерям электроэнергии при заданном графике нагрузки.

3.3. Оценка влияния параметров графика нагрузки на величину снижения потерь в понижающих трансформаторах при ступенчатом регулировании мощности трансформаторной подстанции.

3.3.1. Разработка алгоритма определения параметров точек переключения понижающих трансформаторов при ступенчатом регулировании мощности трансформаторной подстанции.

3.3.2. Исследование влияния параметров графика нагрузки на величину снижения потерь в понижающих трансформаторах при автоматическом регулировании мощности трансформаторных подстан

3.4. Исследование влияния параметров графика нагрузки на величину снижения потерь в понижающих трансформаторах подстанций при сезонном регулировании мощности трансформаторных подстанций.

3.5. Сравнительный анализ экономии электроэнергии при применении предлагаемых способов реализации трансформаторных подстанций с величиной минимальных потерь в однотрансформаторных понижающих подстанциях.

3.6. Оценка возможного диапазона экономии электроэнергии при установке в трансформаторной подстанции трансформаторов пониженной мощности на начальном периоде эксплуатации

Выводы по третьей главе. НО

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРАМИ В ПОНИЖАЮЩИХ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЯХ ПРИ СТУПЕНЧАТОМ РЕГУЛИРОВАНИИ МОЩНОСТИ.

4.1. Разработка алгоритма переключения трансформаторов и его техническая реализация.

4.2. Разработка нечеткой системы управления переключением трансформаторов в понижающей трансформаторной подстанции.

4.2.1. Синтез регулятора системы управления на базе нечеткого логического контроллера.

4.2.2. Синтез базы знаний нечеткого логического контроллера.

4.2.3. Моделирование работы нечеткого логического контроллера на ЭВМ.

Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ И ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ ПРИ СТУПЕНЧАТОМ

РЕГУЛИРОВАНИИ МОЩНОСТИ.

Выводы по пятой главе.

Актуальность работы обусловлена постоянным ростом цен на электроэнергию, необходимостью уменьшения потерь электроэнергии в процессе ее производства и доставки потребителям. Существующие способы экономии электроэнергии не обеспечивают достижения максимально возможных энергетических показателей. Требуется разработка новых способов и подходов к проблеме снижения потерь электроэнергии.

Системы распределения электрической энергии представляют собой сложный объект исследований, содержащий большое количество разнообразных по типам элементов.

Особенностью энергосистемы является ограниченность возможностей проведения на них экспериментальных исследований и неполнота получаемой исходной информации. Неполнота исходных данных, необходимых для расчета системы распределения электрической энергии, обусловлена тем, что невозможно проводить периодические измерения нагрузок всех элементов. Замеры нагрузок производятся только для двух конкретных периодов: зимнего и летнего. Изменения нагрузки имеют как закономерный характер, так и подвержены случайным колебаниям. Это переносит задачу, поиска способов улучшения характеристик энергосистемы в область разработки и исследования математических моделей.

Вопросам снижения потерь уделяется достаточно внимания. Разработке методов снижения потерь в сетях низкого напряжения посвящены работы Железко Ю. С., Поспелова Г.Е., Панфилова К.Д., Потребича А.А. и др. Однако, существующие методики расчета характеристик энергетических систем не учитывают ряда реальных факторов. В существующих методиках отсутствует учет влияния на экономические показатели временного графика нагрузки. При расчете энергетических характеристик системы на длительный период используют данные по нагрузкам, полученные при ограниченных экспериментах. Вся задача расчета характеристик сложной цепи сводится к решению системы нелинейных уравнений. Для решения этих задач принимаются допущения, приводящие к отклонению реальных решений от действительного состояния энергосистемы. Разработка методик оптимизации характеристик сетей для передачи и распределения электрической энергии тесно связана с научными и экономическими проблемами и представляет собой отдельную задачу исследования. Задача поиска минимума целевой функции затрат для PC содержащей большое количество различных элементов имеющих, как непрерывные так и дискретные характеристики не решена в строгой математической постановке. Учет быстро меняющихся экономических показателей стоимости оборудования и тарифов на электроэнергию приводит к трудностям экономического обоснования эффективности предложенных мероприятий по экономии электроэнергии.

Задача улучшения характеристик электрических систем должна решаться комплексно с использованием всей полноты имеющейся информации при помощи моделей, учитывающих все реальные факторы, оказывающие существенное влияние на экономические характеристики PC.

Таким образом, представляется актуальным проведение комплексных исследований по выявлению факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на потери энергии в PC, выявлению оборудования, в котором возникают максимальные потери и разработке способов уменьшения этих потерь.

Целью работы является разработка и исследование способов экономии электроэнергии в PC НН, а также разработка технических решений, обеспечивающих реализацию предложенных способов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ потерь энергии и выявление причин увеличения потерь электроэнергии в СНН.

2. Разработка способов снижения потерь электроэнергии в ТП PC НН. Исследование влияния параметров изменения нагрузки на эффективность разработанных способов.

3. Разработка инженерных методик и программного обеспечения для расчета потерь, учитывающих изменения реальных факторов нагрузки в процессе эксплуатации.

4. Выявление оптимального соотношения распределения мощностей между трансформаторами ТП, обеспечивающего минимизацию суммарных потерь в ПТ, и разработка методики подбора трансформаторов.

5. Разработка технических решений, реализующих предложенные способы снижения потерь электроэнергии в ТП НН.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способы снижения потерь энергии в PC НН.

2. Методики расчета потерь энергии в ТП, учитывающие изменение реальных параметров потребителей за весь срок эксплуатации.

3. Программно-аналитическое обеспечение, позволяющее исследовать зависимость величины потерь электроэнергии в PC НН от изменения реальных параметров сети и нагрузки.

4. Техническое решение по повышению надежности работы ПТП.

5. Рекомендации по выбору оптимальных параметров ПТ, обеспечивающих минимальные потери при заданных параметрах нагрузки.

Методы исследовании базируются на теории расчета электрических аппаратов и цепей переменного тока, методах теории автоматического управления, математического моделирования и программирования.

Научная новизна работы заключается в разработке:

1. новых способов снижения потерь электроэнергии в ПТП и в оценке их эффективности при учете влияния параметров графика нагрузки ТП;

2 методики расчета потерь в ПТП при учете сезонных изменений графика нагрузки;

3. методик оптимизации суммарных потерь двухтрансформаторных подстанций;

4. алгоритмического обеспечения расчета ТП, обеспечивающего оптимизацию параметров понижающих трансформаторов;

5. способа повышения надежности работы ТП, уменьшении времени протекания уравнительных токов при переключении ПТ в ТП.

Практическая значимость полученных результатов и выводов связана с возможностью уменьшения потерь энергии в PC НН и достаточных для их реализации теоретических положений и заключается:

1. в создании методик расчета потерь в ТП, учитывающих реальные изменения нагрузки;

2. в создании комплекса программ по оптимизации параметров ПТ в ТП обеспечивающих минимизацию потерь в них;

3. в разработке рекомендаций по проектированию ПТП для PC НН;

4. в разработке технических решений, реализующих предложенные способы снижения потерь ПТП.

Новизна и значимость технических решений подтверждены патентом РФ, положительным решением на выдачу патента РФ, регистрацией программ для ЭВМ №2003610899, №2003610900 созданных в процессе диссертационного исследования и публикациями в научных изданиях.

Основные результаты диссертационной работы были получены автором в ходе исследований, выполнявшихся в рамках научного направления «Разработка научных и методологических основ энергосберегающих технологий на основе вычислительного интеллекта», проводимого по плану научных работ кафедры «Электропривод и автоматизации промышленных установок» ГОУ ВПО Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, а также в рамках гранта правительства Хабаровского края. Результаты научно-исследовательской работы реализованы в МУППЭС (г. Комсомольск-на-Амуре) при разработке комплекса программ по автоматизированному расчету потерь в сетях предприятия, используются в учебном процессе на кафедре «Электропривод и автоматизации промышленных установок» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета по специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах» и подтверждены соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на: - 3-ей Международной научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами», Саранск 1999; - 2-ой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», Благовещенск, 2000; - 3-ей Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности», Ульяновск, 2001; - 6th International conference «Electrical power quality and utilisation», Cracow, Poland, 2001; -Федеральной научно-технической конференции «Электроснабжение, электрооборудование, энергосбережение», Новомосковск, 2002; Региональной научно-технической конференции «Проблемы учета и управления потреблением энергоресурсов и воды», Хабаровск, 2003; -Международная научная конференция ЭЭЭ-2003 «Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона», Комсомольск-на-Амуре, 2003;

Материалы исследований также докладывались и обсуждались на ежегодных Региональных научно-технических конференциях по итогам выполнения МПНТП «Дальний Восток России» за 1993-1996 гг., Комсомольск-на-Амуре.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ: 12 статей и тезисов, 2 программы для ЭВМ, патент, положительное решение о выдаче патента на способ снижения потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения и устройство для его осуществления, учебное пособие с грифом ДВ РУМЦ (УМО).

Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 185 страницах машинописного текста, иллюстрированных 79 рисунками и 32 таблицами, списка использованных источников из 107 наименований и четырех приложений, в которых представлены 2 описания разработанного программного обеспечения для ЭВМ, 11 таблиц с расчетными данными, 2 акта о внедрении результатов диссертации.

Выводы по пятой главе:

Произведена экспериментальная проверка методики расчета потерь и выбора оптимальных параметров ТП при ступенчатом регулировании мощности ТП.

Результаты эксперимента наглядно подтверждают расчетные значения потерь энергии и совпадают до 0,3%.

Экономия электроэнергии в эксперименте при ступенчатом регулировании мощности составила (0,7*1,3)% от энергии, отданной потребителю.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ потерь энергии в элементах PC НН и выявлены факторы, оказывающие наибольшие влияния на потери. Предложены новые способы уменьшения потерь энергии в ПТП городских PC.

2. Разработана методика расчета потерь в ПТП городских PC учитывающая сезонные изменения графика нагрузки, а также прогнозируемый рост нагрузки во время эксплуатации.

3. Создан комплекс программ позволяющий: рассчитывать величины потерь энергии в ПТ; определять оптимальные параметры ТП; оптимизировать режимы работы ПТП; проводить исследования по влиянию параметров графика нагрузки на величину потерь энергии в ПТП.

4. Показано и расчетными методами подтверждено, что величина снижения потерь в ПТП при применении предложенных способов может достигать 35% при автоматическом регулировании мощности ПТП, 27% при сезонном регулировании мощности ПТП, 33% при использовании трансформатора пониженной мощности в начальный период эксплуатации ПТП.

5. Получено выражение, определяющее отношение мощности между трансформаторами в ПТП, обеспечивающее минимизацию потерь в них. Показано, что оптимальное распределение мощностей ПТ в ПТП не зависит от величины нагрузки. Приведена методика определения мощности нагрузки, при которой необходимо производить переключение трансформаторов в ПТП.

6. Предложены и запатентованы технические решения на способы снижения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения и устройство для его осуществления, позволяющее повысить надежность работы ТП.

7. На основании выполненных расчетных исследований по выявлению влияния основных параметров графика нагрузки на величину энергопотерь в ПТП. Разработаны рекомендации по выбору ПТ в ТП городских PC обслуживающих жилые районы городов. Показано, что целесообразным является формирование нагрузки ПТП лежащих в интервалах мощности (130-170), (370-430), (550-630) кВт.

1. Железко Ю.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях: Руководство для практических расчетов. -М.: Энергоатомиздат, 1989. -176 с.

2. Инструкция по снижению технологического расхода электрической энергии на передачу по электрическим сетям энергосистем и энергообъединений. М.: СПО «Союзтехэнерго», 1987.

3. Инструкция по учету электроэнергии в энергосистемах // Инструктивные материалы Главгосэнергонадзора. М.: Энергоатомиздат, 1986. -213-237 с.

4. Инструкция по расчету и анализу технологического расхода электрической энергии на передачу по электрическим сетям энергосистем и энергообъединений. М.; СПО «Союзтехэнерго», 1987 г.

5. Железко Ю.С. «Стратегия снижения потерь и повышение качества электроэнергии в электрических сетях» // Электрическтво №5, -1992, -6-12 с.

6. Потери электроэнергии в электрических сетях энергосистем / В.Э. Воротницкий, Ю.С. Железко, В.Н. Казанцев и др.; Под ред. B.H. Казанцева. М.: Энергоатомиздат, 1983.

7. Петров Г.Н. Электрические машины. В 3-х частях. Ч. 1. Введение, Трансформаторы, Учебник для вузов. М., «Энергия», 1974. -240 с.

8. П.М. Тихомиров. Расчет трансформаторов. М., Энергоатоиздат, 1986.— 528 с.

9. Сергеенков Б.Н. и др. Электрические машины: Трансформаторы: Учеб. пособие для электромех. Спец. Вузов / Б.Н. Сергеенков, В.М. Киселев, Н.А. Акимов; Под ред. И.П. Копылова. -М: Высш. шк., 1989. -352 с.

10. JI.M. Шницер Основы теории и нагрузочная способность трансформаторов. М., -J1.; Госуд. Энергет. Издат., 1959. 232 с.

11. М.Д.Залысикин. Выбор трансформаторов в энергетических системах. М., JL, Госэнергоиздат, 1960. -96 с.

12. ГОСТ 11920-93 Трансформаторы силовые масленые общего назначения напряжением до 35 кВ включительно. Технические условия М.: Госстандарт СССР, 1985.

13. Волчков К.К., Козлов В.А. Эксплуатация сооружений городской электрической сети. -2-е изд., перераб. -Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979. -304 с.

14. Сооружение и эксплуатация городских кабельных линий / Б.М. Баранов, П.Г. Поклад, Л.П. Смирнов и др. Изд. 2-е - М.: Высш. школа, 1969.

15. Справочник по проектированию электроснабжения линий электропередачи и сетей. Под ред. Я.М. Больтама, В.И. Круповича, М.Л. Сановера. М., «Энергия», 1975. -696 с.

16. Привезенцев В.А., Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии. Учебное пособие для вузов. М., «Энергия», 1970. -424 с.

17. Электротехнический справочник: В 3 т. Т. 3. В 2 кн. Кн. 1. Производство и распределение электрической энергии (Под общ. ред. профессоров МЭИ: И.Н. Орлова (гл.ред) и др.) -М.: Энергоатомиздат, 1988. -880 е.: ил.

18. Тульчин И.К., Нудлер Г.И. Электрические сети жилых и общественных зданий. -М.: Энергоатомиздат, 1983. -304 с.

19. Потребич А.А., Овчинникова Н.С. К выбору мероприятий по снижению потерь энергии. Энергетика и электрификация, 1986, № 1.

20. Пелисье Рене. Энергетические системы /Пер. с франц. (Предисл. и коммент. В.А. Веникова ). —М.: Высш.школа, 1982. -568 с.

21. ГОСТ 14209-85 Трансформаторы силовые масленые общего назначения. Допустимые нагрузки. М.: Госстандарт СССР, 1985.

22. Козлов В.А., Билик Н.С., Файбинович Д.Л. Справочник по проектированию систем электроснабжения городов. Л., «Энергия», 1974. -227 с.

23. Федосенко Р.Я. Надежность электроснабжения и электрические нагрузки. -М.: «Энергия», 1967. -160 с. с ил.

24. Указания по проектированию городских электрических сетей. В.С.Н. 7597. — М.: Информэлектро, 1976.

25. Потребич А.А., Шевцов В.И. Расчет потерь энергии и выбор мероприятий по их снижению при наличии в электрической сети резкопеременной нагрузки. Электрические станции, 1995, № 3.

26. Козлов В.А. Электроснабжение городов. Изд. 2-е переработанное. —Л.: «Энергия». 1977. -280 с.

27. Методика определения электрических нагрузок городских потребителей. /АКХ им. К.Д. Панфилова. -М.: Стройиздат, 1981.-76 с.

28. Жежеленко И.В., Степанов В.П. Развитие методов расчета электрических нагрузок. Электричество, № 2, 1993.

29. Каялов Г.М. Определение потерь энергии в электрической сети по средним значениям нагрузок в ее узлах. Электричество, 1976, № 6

30. Потребич А.А. Расчет потерь энергии в электрических сетях с учетом неоднородности графиков нагрузок. — Электричество, 1990, № 6.

31. С.Д. Волобринский. Электрические нагрузки и балансы промышленных предприятий. Л.; «Энергия» 1976. -128 с.

32. А.А. Ефимов. Основы электроснабжения промышленных предприятий. -М.; Энергоатоиздат, 1983. -208 с.

33. В.А. Козлов. Городские распределительные электрические сети. -Л.: Энергоиздат, 1982,-224.

34. Тимченко В.Ф., Колебания нагрузки и обменной мощности. -М., «Энергия», 1975. -280 с.

35. Синков В.М., Богословский А.В. Оптимизация режимов энергетических систем. Высшая школа. Киев, 1973.

36. Потребич А. А. К вопросу о планировании потерь энергии в электрических сетях энергосистем. Электрические станции, 1992, № 1.

37. Потребич А.А., Одинцов В.П. Планирование потерь энергии в электрических сетях энергосистем. М.: Электрические станции, 1998, № 2.

38. Bhavaraju М.Р., Hebson J.D., Wood W. Emerging issues in power system planning. Proceedings of the IEEE, 1989, vol. 77, №6.

39. Hisao Ishibuchi, Manabu Nii. Fuzzy regression using asymmetric fuzzy coefficients and fuzzified neural networks. Fuzzy Sets and Systems, 2001, vol. 119(2).

40. Nazarko J., Zalewski W. The Fuzzy Regression Approach to Peak Load Estimation in Power Distribution Systems. IEEE Transactions on Power Systems, August 1999, vol. 14, № 3.

41. Манусов B.3., Могиленко А.В. Методы оценивания потерь электроэнергии в условиях неопределенности. Электричество, 2003, № 3.

42. Журавлев В.П., Миснин M.JI. Прогнозные расчеты электропотребления, АН Молдавской ССР. -Кишенев: Штинада, 1972. -252 с.

43. Саркисян С.А., Голованов JI.B. Прогнозирование развития больших систем. -М.: Статистика, 1975. -190 с.

44. Гмошинский В.Г., Флиорент Г.И. Теоретические основы инженерного прогнозирования. -М.: Наука, 1973, -294 с.

45. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. -13-е изд., исправленное. -М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. -544 с.

46. Маркушевич Н.С. Регулирование напряжения и экономия электроэнергии. М.: Энергоатомиздат, 1984.

47. Файбисович В.А. Определение параметров электрических систем: Новые методы экспериментального определения. -М.: Энергоиздат, 1982. —120 с.

48. Потребич А. А. Методы расчета потерь энергии в питающих электрических сетях энергосистем. Электричество, № 8, 1995.

49. Хомитов А.Х., Ганиходжаев Н.Г. Потери электроэнергии в низковольтных сетях. Ташкент: Узбекистан, 1984.

50. Потребич А.А. Расчет потерь энергии в электрических сетях с учетом графиков нагрузок. Электричество, № 6, 1990. -52-57 с.

51. Потребич А.А. Расчет потерь энергии в электрических сетях с учетом вероятностно-статистических характеристик нагрузок. -Изв. Вузов. Энергетика, 1986, № 7.

52. Потребич А.А. Моделирование графиков нагрузок для расчета потерь энергии в электрических сетях энергосистем. -М.: Электричество, 1997, №3.

53. Гордиевский И.Г., Лордкинанидзе В.Д. Оптимизация параметров электрических сетей. М.: Энергия, 1978. -145 с.

54. И. Клима. Оптимизация энергетических систем. М., «Высшая школа», 1991.-302 с.

55. Belyaev L.S., Kononov Yu.D., Makarov A.A. Methods and models for optimization of energy systems development. Soviet Experience. Review of Energy Models. - Laxenburg. II AS A, 1976, №3.

56. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента (справочное руководство). -М., «Наука», 1971. -192 с.

57. Электрические системы. Математические задачи электроэнергетики: Учебник для студентов вузов / Под ред. В.А. Веникова —2-е изд., перераб. И доп. -М.: Высш. Школа, 1981.-288 с.

58. Поспелов Г.Е., Сыч Н.М. Потери мощности и энергии в электрических сетях. М.: Энергоиздат, 1981.

59. К.М. Поярков. Регулируемые трансформаторы и их эксплуатация. М., -JI., Госнергоиздат, 1962. — 176 с.

60. Маркушевич Н.С. Автоматизированное управление режимами энергосетей 6-20 кВ. М.: Энергия, 1980.

61. Под ред. В.А. Веникова, В.В. Михайлов, М.А. Поляков. Потребление электрической энергии надежность и режимы. М.; Высш. Шк., 1989. —143 с.

62. Н.С. Маркушевич, JI.A. Солдаткина. Качество напряжения в городских электрических сетях. -М.: Энергия, 1975.)

63. Я.Д. Баркан, Н.С. Маркушевич. Использование статистической информации о качестве электроэнергии в электрических сетях. -М.: Энергия, 1972.

64. Аберсон M.JI. Оптимизация регулирования напряжения. М., «Энергия», 1975.-160 с.

65. Пейзель В.М., Степанов А.С. Расчет технических потерь энергии в распределительных электрических сетях с использованием информации АСКУЭ и АСДУ. М.: Электричество, 2002, № 3. - 10-15 с.

66. Арзамасцев Д.А., Липес А.В. Снижение технологического расхода энергии в электрических сетях. -М.: «Высшая школа», 1989.

67. Ю.В. Щербина, Н.Д. Бойко, А.Н. Бутенко. Снижение технологического расхода энергии в энергетических сетях. Киев. Техника. 1981.

68. Экономия энергии в электрических сетях / И.И. Магда, С.Я. Меженный, В.Н. Сулейманов и др.; Под ред. Н.А. Качановой и Ю.В. Щербины. Киев: Техника, 1986.

69. Данилов Н.И. Энергосбережение. Екатеринбург: Энерго-Пресс, 1999, 109 с.

70. Энергосбережение. /Батищев В.Е., Мартыненко Б.Г., Сысков С.Л., Щелоков Я.М. Екатеринбург: Энерго-Пресс, 1999, 304 с.

71. ГОСТ 51387-99. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения. М.: Госстандарт России, 2000.

72. ГОСТ Р 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей. Общие положения. М.: Госстандарт России, 2000.

73. Сазыкин В.Г. Расширение и классификация используемых в задачах электроснабжения нечетких чисел. // Электричество. 1996. №6, -33-38 с.

74. Kang Hoon. Stable and control of fuzzy dynamic systems via cell-state transitions in fuzzy hypercubes // IEEE TFS vol. 1, no. 4 pp. — 267-279, Nov. 1993.

75. Wang L.X. Stable adaptive fuzzy control of nonlinear systems // IEEE TFS vol. 1, no. 2, pp.-146-155, May 1993.

76. Malki H.A., Li Huaidong, Chen Guanrong. New design and stability analysis of fuzzy proportional-derivative control systems // IEEE TFS vol. 2, no. 4, pp. -245-254, Nov. 1994.

77. Tanaka K., Sano M. A robust stabilization problem of fuzzy control systems and its application to backing up control of a truck-trailer // IEEE TFS vol. 2, no. 2, pp.-119-134, May 1994.

78. Shieh Kung Ying, Ming Liaw Chang. A fuzzy controller improving a linear model following controller for motor drives // IEEE TFS vol. 2, no. 3, pp. 194202, Aug. 1994.

79. Johansen T.A. Fuzzy model based control: stability, robustness and performance issues // IEEE TFS vol. 2, no. 3, pp. -221-234, Aug. 1994.

80. Lee Jihong. On methods for improving performance of Pi-type fuzzy logic controllers // IEEE TFS vol. 1, no. 4, pp. -298-301, Nov. 1993.

81. Spooner J.T., Passino K.M. Stable adaptive control using fuzzy systems and neural networks // IEEE TFS vol. 4, no. 3, pp. 339-359, Aug. 1996.

82. Tani Т., Murakoshi S., Umano M. Neuro-fuzzy hybrid control system of tank level in petroleum plant // IEEE TFS vol. 4, no. 3, pp. -360-368, Aug. 1996.

83. Feng Juang Chia, Teng Lin Chin. An online self-constructing neural fuzzy inference network and its applications // IEEE TFS vol. 6, no 1, pp. -12-32, Feb. 1998.

84. Chen Cheng, Chih Chen Wen. Fuzzy controller design by using neural network techniques // IEEE TFS vol. 2, no 3, pp. -235-244, Aug. 1994.

85. Mandani E.H., Assilifni S. An Experiments in Linguistic Synthesis with a Fuzzy Logic Controller // Int. J. Man-Mach. Studies. 1975. №7. pp. -3-13.

86. Mandani E.H. Advances in the Linguistic Synthesis of Fuzzy Controllers // Int. J. Man-Mach. Stud. 1976. Vol. 8. pp. -669-678.

87. Mandani E.H. Rule-based Fuzzy Approach to the Control of Dynamic Processes // IEEE Trans. On Comput. 1981, № 12. pp. -432-440.

88. ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Учебное пособие

89. М.С. Гринкруг, В.А. Соловьев, Ю.И. Ткачева. Способы принятия оптимальных решений с использованием информационных технологий:

90. Учебное пособие. -Комсомольск-на-Амуре гос. Техн. ун-т, 2001. 60 с. * (Гриф ДВ РУМЦ (УМО)).1. Свидетельства и патенты

91. Miron Grinkrug, Yulia Tkacheva. "Improvement in power voltage quality andtbreduction in Power losses at city low voltage transformer substations."6 International Conference Electrical Power Quality and Utilisation, 2001, Cracow, Poland, -411-415 p.

92. Ткачева Ю.И. Выбор мероприятий по снижению технических потерь в распределительных сетях низкого напряжения на основе анализа реальных нагрузок ее элементов. -Деп. в ВИНИТИ №104-В2002 -28 с.