автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование методов управления напряжением и реактивной мощностью в распределительных сетях железнодорожного транспорта

На правах рукописи

КРАУЗЕ Андрей Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТЬЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005060914

6 ИДО-

омск 2013

/->

005060914

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор АВИЛОВ Валерий Дмитриевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ДЕМИН Юрий Васильевич -

профессор кафедры «Электрооборудование и автоматика» Новосибирской государственной академии водного транспорта (НГАВТ)

кандидат технических наук, доцент ЛЮТАРЕВИЧ Александр Геннадьевич -

доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (ОмГТУ)

Ведущая организация:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС)».

Защита диссертации состоится 21.06.2013 г. в 12— часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 20.05.2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01. Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор

О. А. Сидоров.

© Омский гос. университет путей сообщения, 2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Несмотря на существенный прогресс в развитии систем учета, наблюдается практически повсеместный рост отчетных потерь электроэнергии и снижение ее качества в распределительных сетях железнодорожного транспорта, что в основном обусловлено следующими факторами: совершенствованием систем учета, техническими параметрами изношенных элементов сети; неоптимальными режимами работы; недостатком или полным отсутствием средств регулирования напряжения; отсутствием или неудовлетворительной компенсацией реактивной мощности; высокой неравномерностью графиков электрических нагрузок; влиянием внешней сети; увеличением установленной мощности нелинейных и несимметричных нагрузок; недостаточным финансированием программ технического перевооружения распределительных сетей.

В соответствии с «Энергетической стратегией холдинга «Российские железные дороги» на период до 2015 года и на перспективу до 2030 года» основными инновационными энергосберегающими техническими решениями и технологиями, на которые должна быть ориентирована железнодорожная энергетика на перспективу в части снижения потерь и повышения качества электроэнергии (КЭ) в распределительных сетях, являются применение современных устройств компенсации реактивной мощности, фильтр-устройств, накопителей электроэнергии и систем контроля.

В настоящее время уровень технической оснащенности средствами обеспечения КЭ и снижения потерь в ОАО «РЖД» крайне низок. Единственным способом регулирования напряжения является переключение регулятора напряжения трансформатора под нагрузкой (РПН) на стороне высокого напряжения с сезонной периодичностью. В распределительных сетях 35 кВ и ниже полностью отсутствуют известные технические средства управления параметрами режима: устройства компенсации реактивной мощности, вольтодобавочные трансформаторы, реакторы, фильтры переменного тока, накопители. Таким образом, метод регулирования напряжения на основе поддержания заданных графиков в контрольных пунктах сети не в состоянии обеспечить уровень напряжения с учетом всех предъявляемых требований, что свидетельствует о недостаточной разработке темы.

Для повышения энергоэффективности передачи и распределения электроэнергии за счет снижения потерь в распределительных сетях ОАО «РЖД» требуется внедрять адаптивные методы управления работой компенсирующих

3

устройств (КУ), управляемых средств регулирования напряжений, коммутационного и силового оборудования.

Значительный вклад в развитие методов оптимизации режимов энергосистем и распределительных сетей, повышения КЭ внесли такие ученые, как Аввакумов В. Г., Беркович М. А., Веников В. А., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Идельчик В. И., Карташев И. И., Лыкин А. В., Холмский В. Г., Черемисин В. Т., Шидловский А. К.

Повышение наблюдаемости и управляемости распределительной сети железнодорожного транспорта вызвано необходимостью согласования рассматриваемых сетей с элементами распределенной генерации и накопителями энергии.

Целью диссертационной работы является повышение качества и снижение потерь электрической энергии в распределительных электрических сетях железнодорожного транспорта за счет совершенствования методов управления напряжением и реактивной мощностью.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи.

¡.Провести сравнительный анализ современных технических средств и методов управления напряжением, реактивной мощностью, другими параметрами режима и КЭ в распределительных сетях, обосновать применение адаптивных технологий управления объектами электроснабжения в распределительных сетях железнодорожного транспорта для повышения энергоэффективности передачи и распределения электроэнергии.

2. Разработать математическую модель распределительной сети железнодорожного транспорта для расчета и оптимизации установившихся режимов по напряжению и реактивной мощности при условии минимума потерь электроэнергии применительно к централизованным автоматизированным системам управления в реальном времени.

3. Разработать методы управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети ОАО «РЖД», основанные на широком применении современных средств регулирования и централизованных систем автоматического управления.

4. Выполнить обоснование требований к программно-аппаратным комплексам и техническим средствам контроля и регулирования напряжения и реактивной мощности в распределительных сетях ОАО «РЖД».

5. Выполнить моделирование предложенных методов управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети реальной системы электроснабжения железнодорожного транспорта и оценить их экономическую эффективность.

Методы исследования. В ходе проводимых исследований использовались теоретические и экспериментальные методы: теории электрических цепей; расчета электрических сетей; непосредственного натурного эксперимента; математической статистики; оптимизации методом генетического алгоритма; имитационного моделирования.

Большинство выводов и результатов работы получено с использованием средств вычислительной техники, прикладных пакетов математических программ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1, Разработана оптимизационная модель определения параметров состояния объектов управления напряжением и реактивной мощностью распределительной сети железнодорожного транспорта для снижения потерь и стабилизации напряжения.

2. Предложены и реализованы на модели методы управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети ОАО «РЖД», основанные на широком применении современных средств регулирования и централизованных систем автоматического управления.

Практическая ценность исследования заключается в следующем.

1. Разработанная оптимизационная модель позволяет определять параметры состояния объектов распределительной сети железнодорожного транспорта для реализации управления напряжением и реактивной мощностью.

2. Предложенные методы оптимального управления напряжением и реактивной мощностью могут быть использованы при разработке пилотных интеллектуальных распределительных сетей ОАО «РЖД».

На защиту выносятся следующие положения и результаты.

1. Задача оптимизации, заключающаяся в снижении потерь электроэнергии и среднеквадратичного отклонения напряжения в распределительной сети железнодорожного узла за счет выбора оптимального положения РПН, изменения значений реактивной мощности КУ и активной мощности накопителей и элементов распределенной генерации в узлах, изменения топологии сети.

2. Методы управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети железнодорожного транспорта, основанные на оптимизации параметров режима в реальном времени.

3. Требования к программно-аппаратным комплексам и техническим средствам контроля и регулирования напряжения и реактивной мощности в распределительных сетях железнодорожного транспорта.

4. Результаты моделирования предложенных методов управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети Входнинской дистанции электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги и оценка их экономической эффективности.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использовались при разработке энергосберегающих технологий и мероприятий по снижению потерь и улучшению КЭ в распределительных сетях Входнинской дистанции электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на нескольких научно-технических, научно-практических конференциях различного уровня: «Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов (состояние, перспективы развития)» (Новосибирск, 2009), «Проблемы развития железнодорожного транспорта» (Красноярск, 2009), «Энергоэффективность», «Ресурсосберегающие технологии на Западно-Сибирской железной дороге» (Омск, 2010), «Инновации для транспорта» (Омск, 2010).

Публикации. Научные материалы диссертационной работы опубликованы в одиннадцати печатных работах, две из них - в изданиях, включенных в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников из 73 наименований, одного приложения. Общий объем диссертации составляет 166 страниц, включая 67 рисунков и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследования, сформулированы его основные задачи, указаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе рассматриваются известные средства и методы управления КЭ для повышения энергетической эффективности системы электроснабжения распределительных сетей железнодорожного транспорта. Приводится обзор научных работ отечественных и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в исследование проблемы управления напряжением и реактивной мощностью в сетях, оптимизации параметров режима. Рассматриваются различные способы и технические средства обеспечения КЭ и снижения по-

6

терь, приведены показатели энергетической эффективности передачи и распределения электроэнергии по распределительным сетям железнодорожного транспорта. В качестве основного показателя энергетической эффективности распределительной сети для передачи и распределения электрической энергии выступает величина потерь электроэнергии.

Акцентировано внимание на проблеме согласования рассматриваемых распределительных сетей с элементами распределенной генерации и накопителями энергии. Существующие распределительные сети выполнены в виде иерархических структур от источника к нагрузке, поэтому общепринятые способы регулирования напряжения в таких сетях при наличии источников генерации на стороне среднего (низкого) напряжения оказываются непригодными. Наличие источников генерации (в том числе накопителей энергии в активном режиме) приведет к возникновению уравнительных токов и дополнительным потерям, поэтому идеология построения релейной защиты должна существенно измениться. Требуется управление объектами электроснабжения на основе реализации алгоритмов оптимизации параметров режима в реальном времени.

Рассмотрены перспективы развития адаптивных технологий управления объектами электроснабжениями в распределительных сетях ОАО «РЖД» (рис. 1).

Существующая система передачи и распределения электроэнергии

Перспективная система передачи и распределения электроэнергии

Генерация.

г Распределение

Потребление

Приоритет крупной генерации

Пассивная система передачи (управление генерацией, потреблением и коммутацией)

Использование электроэнергии с учетом внешних ограничений

Единый центр автоматического управления передачей и потреблением электроэнергии

Возможность использования нетрадиционной и распределенной генерации

А кти в но-адаптивная система передачи с управлением в режиме реального _времени_

Гибкое использование электроэнергии с адаптацией к системной ситуации

Система контроля качества электроэнергии в узлах сети

Система автоматического контроля поузлового баланса активной и реактивной мощности

Система регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности

Наличие управляемых сетевых элементов, изменяющих параметры сети

Местные (резервные) источники генерации

Системы контроля и управления надежностью электроснабжения

Рис. 1. Существующие и перспективные технологии управления КЭ

Совершенствование методов управления напряжением, реактивной мощностью и параметрами режима в распределительных электрических сетях железнодорожного транспорта на основе аппаратно-программных средств системы управления электропотреблением и КЭ позволит обеспечить:

а) повышение надежности электроснабжения и КЭ, снижение потерь, он-лайн-мониторинг результатов управления параметрами режима в распределительных сетях по данным информационно-измерительных систем;

б) повышение эффективности использования данных с автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) не только для определения электропотребления, но и для управления им (при развитии синхронных измерений);

в) возможность включения распределенной генерации на параллельную работу с сетью за счет управления режимами напряжения и параметрами генерации в месте подключения в реальном времени, в том числе с учетом графиков выработки и накопления энергии, графиков нагрузки потребителей.

Вторая глава посвящена разработке математической модели оптимизационных алгоритмов определения параметров режима распределительной сети с объектами управления КЭ.

Обоснованы схемы замещения и приведено математическое описание элементов электрической сети: линий, трансформаторов с РПН, вольтодобавочных трансформаторов, устройств продольной емкостной компенсации (УПК), устройств компенсации реактивной мощности, реакторов, нагрузки. Выполнена оценка регулирующих свойств указанных элементов и их влияния на КЭ и снижение потерь электроэнергии. Все элементы сети представлены с сосредоточенными параметрами из-за малой протяженности или полного отсутствия воздушных линий в распределительных сетях железнодорожного транспорта.

Разработана математическая модель распределительной сети железнодорожного транспорта. Анализ основных методов расчета систем электроснабжения показал, что универсальных алгоритмов оценки параметров режима не существует. Особенно это относится к моделированию работы конкретных технических средств по изменению параметров режима до требуемых значений.

Установившийся режим системы электроснабжения предлагается описывать нелинейными уравнениями, связывающими мощности, напряжения и токи источников и нагрузок в матричной форме, составленными по методу узловых напряжений:

8

1уи + У6и6=и-'Бу, (1)

где Х_у ~ квадратная матрица узловых проводимостей; II - вектор-столбец линейных напряжений всех узлов; С/д — диагональная матрица линейных напряжений независимых узлов (кроме балансирующего (символ «б»); - вектор-столбец узловых мощностей; символ «Л» означает сопряженный комплекс.

Полученная система нелинейных уравнений для расчета установившегося режима решается итерационно методом Зейделя. Напряжение й выражается через остальные параметры (1) и рассматривается как рекуррентное:

иг (2)

Выражение (2) позволяет вычислить (У*+1 на основании известных значений напряжений из предыдущих шагов. Контроль за точностью приближения ведется по значениям небалансов мощностей узлов:

д^д/Д. (3)

Нагрузка математически представлена с учетом статических характеристик по напряжению:

\2Л

Р =Р

а бн.н

ап + а.

и ( и л

- + аг

ии и

Н-Н \ Н.Н у

и Г и Л

+ Ь2

иИМ ч у

1\

(4)

(5)

где а,, Ь, - коэффициенты; а0 + а, + а2 = 1,0; Ь0 + ¿>, + Ь2 = 1,0.

Выполнена проверка адекватности математической модели на основе сравнения модели с оригиналом (физической моделью) на примере тестовой схемы участка распределительной сети (рис. 2).

С целью подтверждения достоверности теоретических выводов путем сопоставления результатов экспериментальных данных, математического и имитационного моделирования параметров режима участка электрической сети были проведены натурные измерения на физической модели, имитационное моделирование в Ма^аЬ БтиПпк и непосредственное решение установившихся режимов на основе разработанной математической модели (рис. 3).

Проверка адекватности разработанной модели подтвердила приемлемую точность (совпадение значений выходных параметров модели и объекта) (табл. 1).

В работе предложена задача оптимизации, заключающаяся в снижении потерь электроэнергии в распределительной сети железнодорожного узла за счет оптимального положения ответвлений РПН трансформаторов, значений реактивной мощности КУ, активной мощности накопителей и элементов распределенной генерации в узлах, изменения топологии сети с помощью коммутационных аппаратов. В качестве целевой функции приняты потери мощности и отклонение напряжения с коэффициентами

Таблица 1 Результаты эксперимента и моделирования

Параметр Натурный эксперимент Математическая модель МаЙаЬ Э^шиПпк

Нал ряжение, В НН (ф. А) 216,4 217,6 217,3

ВН (ф. А) 22,3 22,7 22,5

Нагрузка 1 (ф. А/В/С) 20,7/20,6/ 19,9 20,8/20,9/ 20,5 20,6/20,7/ 20,4

Нагрузка 2 (ф. МЫС) 20,9/21,3/ 20,2 21,6/21,2/ 21,0 .21,4/21,0/ 20,8

Ток, А НН (ф. А) 7,1 7,3 7,5

ВН (ф. А) 0,6 0,7 0,7

Нагрузка 1 (ф. А/В/С) 3,0/3,0/3,2 3,1/3,2/3,3 3,2/3,3/3,3

Нагрузка 2 (ф. А/В/С) 4,3/4,5/4,6 4,5/4,4/4,5 4,4/4,5/4,5

Активные потери в трансформаторе, Вт 15 13,9 14,1

Активные потери в линии, Вт 8 7,3 7,4

Максимальное отклонение от экспериментальных данных, % 0 8,8 7,5

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки

Рис. 3. Имитационная модель экспериментальной установки в МаНаЬ ЗшшНпк

влияния при условии соблюдения ограничений на управляющие параметры и параметры состояния.

По существу требуется найти такой вектор управляющих параметров 5ор,

и такой вектор параметров состояния чтобы целевая функция ОР

достигала экстремального значения при условии соблюдения ограничений на управляющие параметры и параметры состояния:

• 5„р1 = (К, Ь, М, С, А)- (6)

г0?1=(и?,р;р\о?и=1.....п,

где ОР=ке^АР + киоио; К - вектор коэффициентов трансформации трансформаторов с РПН (номер отпайки); Ь - вектор проводимостей УПК в ветви; М - вектор реактивных мощностей КУ (целочисленные значения ступенчатого КУ); б - вектор активных мощностей распределенной генерации (со знаком «+») или накопителей энергии (со знаком «+», «-») в узле; А - вектор дополнительных проводимостей ветвей для имитации коммутационных аппаратов (О или оо), где кКР,кив - коэффициенты влияния потери мощности в сети АР и отклонений напряжения, о. е. (О, 1 или по 0,5); 170 = ~ I)2 •

Параметры состояния соответствуют уравнению установившегося режима следующего вида:

Ра ~Ри - С03К -'- ви С08(©, -®,)| = 0,1 = 1,2,...ЛГ, -1;

^ (7)

Ос -ви ксо8(0у -©,)-я,СО3(0, - 0,)| = 0, / = 1,2,...Л^,

где Ра,0а1,Ри,0а„и1,Оц,Вд,®1,®] - соответственно активная и реактивная

мощность генерации ¡-го узла и нагрузки, напряжение ¡-го узла, активная и реактивная проводимость линии между ьм и ]-м узлами, фазовый угол.

Ограничения к целевой функции (6): по напряжению: [/,т'п < 1}1 < и™х, г е Мв; по генерации активной и реактивной мощности в узлах: ОТ 2са <ат, 16, РаТ <Ра1 <РСТ, /еЛГ,; по коэффициентам трансформации: К™т ¿Кк< ,кеМ1, к-целое; по наличию УПК в ветвях:

0<Кь<К^,1еИь\ по наличию располагаемой мощности КУ в узлах:

11

М™ < Мв < М™т ,1 е Ыь, М - целочисленное; по наличию коммутационных аппаратов в ветвях: Аь= 0 или оо, i е Мь.

Потери активной мощности

АР=^вк\и-+и)~ 2 £/,{/, сое |. (8)

киМв

Самые распространенные оптимизационные модели на основе линейного и нелинейного программирования не могут быть использованы из-за нелинейной целевой функции, целочисленных и смешанных переменных и необходимости учета логических условий.

В качестве алгоритма оптимизации целевой функции предлагается применять генетический алгоритм (рис. 4).

Рис. 4. Блок-схема оптимизации методом генетического алгоритма

Представленный алгоритм реализован на тестовой задаче в Matlab Genetic Algorithm Tool. На первом этапе случайным образом в диапазоне допустимых значений переменной формируется начальная популяция: коэффициенты трансформации трансформаторов с РПН (номер ответвления); проводимости УПК в ветвях сети; реактивные мощности КУ (целочисленные значения ступенчатого КУ); активные мощности распределенной генерации (со знаком «+») или накопителей энергии (со знаком «+», «-») в узлах. На следующем этапе вычисляется значение приспособленности (целевой функции) для хромосом начальной популяции. Для учета ограничений целевой функции в каждом поколении производится расчет установившегося режима электрической сети. Далее реализуется набор генетических операторов: отбор (методом турнирной селекции), скрещивание с вероятностью равной приспособленности,

мутация (соответствует градиентному методу), расчет целевой функции и проверка условия окончания цикла (максимальное количество поколений).

В конце расчета выбирается режим, для которого значение целевой функции имеет наилучшее значение и параметры которого удовлетворяют заданным требованиям (рис. 5).

700 650 в. 600 550' 500' 450650 6008 550500 450-

0 50 60 Итерация

70 80 90 100

700650£ 600550500 450

650, 6001 : 5501 500 {

40 50 6 Итерация

70 80 90 100

Номер отпайки

370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470

Емкость КУ, квар

Рис. 5. Анализ работы генетического алгоритма: а — выбор оптимального ответвления РПН трансформатора; б - выбор оптимальной емкости КУ в узле

В третьей главе представлен разработанный алгоритм управления напряжением и реактивной мощностью распределительной сети ОАО «РЖД», основанный на широком применении современных средств регулирования и централизованных систем автоматического управления.

В настоящее время основой управления параметрами режима является оперативно-диспетчерское управление, выполняемое энергодиспетчером или персоналом сетевых районов дистанций электроснабжения с помощью коммутационных аппаратов.

Предлагаются усовершенствованные методы управления напряжением и реактивной мощностью распределительных сетей ОАО «РЖД» на базе активно-адаптивных технологий и аппаратно-программного комплекса оптимизации параметров режима в реальном времени по данным информационно-измерительных систем для выработки управляющих воздействий на объекты электроснабжения с высоким быстродействием. Разработанный алгоритм (рис. 6) на основе оптимизации параметров режима позволяет формировать управляющие воздействия в виде оптимального вектора состояния на объекты системы электроснабжения. Управляющие воздействия получены с учетом оценивания состояния сети, прогнозных значений графика нагрузки и ограничений на запасаемую энергию в накопителях для управления в реальном времени.

В качестве метода прогнозирования нагрузки, позволяющего учесть

13

влияние поведения нагрузки в последние предшествующие часы, принят метод статистической экстраполяции:

1 й

Г)/+Д/ \

' Дг=0

(9)

где РСр - среднечасовые

значения мощности на прогнозируемые сутки;

Задание исходных данных

I

Расчет установившегося режима

1С

Сравнение с фактическими и прогнозируемыми параметрами режима

Оптимизационный расчет на основе

генетического алгоритма_

*

Формирование алгоритмов управления с учетом параметров режима

Рис. 6. Алгоритм управления объектами электроснабжения

Р^А',Рф+А1 - фактические замеры нагрузки; гы -средний нормированный коэффициент корреляции случайных величин соседних интервалов времени.

Выполнено обоснование требований к программно-аппаратным комплексам и техническим средствам контроля и регулирования напряжения и реактивной мощности в распределительных сетях ОАО «РЖД».

При внедрении системы активно-адаптивного управления предлагается доработать существующие программные средства расчета и анализа электрических режимов электрических сетей для решения рассматриваемых задач. Кроме этого технические средства сети, обеспечивающие ее управляемость, должны иметь возможность «интеллектуализации».

В четвертой главе выполнена апробация предложенных методов управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети Входнинской дистанции электроснабжения. Анализ состава оборудования показал, что средств регулирования параметров режима недостаточно. Для возможности управления КЭ по режимам напряжения и реактивной мощности предлагается на первых секциях шин 10 кВ ЭЧЭ-111 и ТП-11 установить ступенчато-регулируемое КУ. Значения напряжений, токов, графиков нагрузок в течение расчетных суток представлены на основании данных системы

АСКУЭ, установленных во всех точках учета рассматриваемого участка (рис. 7). Для решения задачи рассматриваемый участок распределительной сети

был смоделирован в МаЙаЬ ЗтиНпк (рис. 8).

Реализован алгоритм оптимизации режима с определением параметров состояния отпаек РПН понизительных трансформаторов и емкости ступенчатого КУ (рис. 9). Оптимизация режима выполнялась на часовом интервале с получением почасовых векто-

Рис. 7. Принципиальная схема электрической Ров состояния РПН транссети рассматриваемого участка форматоров и КУ (табл. 2).

Рис. 8. Математическая модель участка распределительной сети в среде МаЙаЬ ЗтиНпк

Результаты моделирования на интервале расчетных суток свидетельствуют о снижении потерь мощности на рассматриваемом участке сети на 28 %, среднеквадратичного отклонения напряжения - вдвое.

Предварительные расчеты показывают, что при реализации предложенного метода управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети Входнинской дистанции электроснабжения экономический эффект должен составить около 520 тыс. р. в год, затраты на внедрение системы

15

оптимального управления параметрами режима - 4700 тыс. р.

m, (Tapi)

йоп

1000 -- -!-! !

квар j. U.....1

600

?ПП 1 ................!.. —ч

0 i i -1-'

ЙКУ2 200

Машинное время -

Рис. 9. Параметры работы объектов: а- выбор положения РПН трансформатора Т1; б - выбор положения РПН трансформатора Т2; в - выбор мощности КУ 8В1; г - выбор мощности КУ 8В2

Таблица 2

Результаты эксперимента и моделирования

СКО напряжения, В (птиогитепьно 10.5 кВ") Ветвь Мощность в ветвях, кВ А (среднее значение) Потери эле! кВ сгроэнергии, тч

Узел без управ- с управлением без управления с управлением без управления с управлением

1 2 3 4 5 6 7 8 152,68 151,73 162,82 210,16 301,90 254,64 317,45 386,14 136,12 126,43 134,57 157,84 184,29 173,33 188,17 191,70 1 -3 3-4 4-5 5-8 2-6 6-7 7-8 903.4 743,8 513,7 241.5 881.6 624,5 378,3 794.4 653,7 449,6 217.1 781.5 551.6 339.2 632.4 297.5 205.5 96,6 352.6 249,8 264,8 476,6 209,2 143,9 69,5 250,1 176,5 203,5

Итого 2099,2 1529,3

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Проведен сравнительный анализ современных технических средств и методов управления напряжением, реактивной мощностью, другими параметрами режима и КЭ, обосновано применение адаптивных технологий управления объектами электроснабжения в распределительных сетях железнодорожного транспорта для повышения энергоэффективности передачи и распределения электроэнергии. В настоящее время уровень технической оснащенности средствами обеспечения КЭ и снижения потерь в распределительных сетях железнодорожного транспорта крайне низок. Единственным способом регулирования напряжения является переключение регулятора РПН трансформатора на стороне высокого напряжения с сезонной периодичностью. В распределительных сетях 35 кВ и ниже полностью отсутствуют известные технические средства управления параметрами режима: устройства компенсации реактивной мощности, вольтодобавочные трансформаторы, реакторы, фильтры переменного тока, накопители. Таким образом, метод регулирования напряжения на основе поддержания заданных графиков в контрольных пунктах сети не в состоянии обеспечить уровни напряжения с учетом всех предъявляемых требований.

2. Разработана математическая модель распределительной сети железнодорожного транспорта для расчета и оптимизации установившихся режимов по напряжению и реактивной мощности при условии минимума потерь электроэнергии применительно к централизованным автоматизированным системам управления в реальном времени. Выполнена проверка адекватности предложенной математической модели.

В работе предложена задача оптимизации, заключающаяся в снижении потерь электроэнергии и среднеквадратичного отклонения напряжения в распределительной сети железнодорожного узла за счет оптимального положения ответвлений РПН трансформаторов, значений реактивной мощности компенсирующих устройств, активной мощности накопителей и элементов распределенной генерации в узлах, изменения топологии сети с помощью коммутационных аппаратов.

3. Разработаны методы управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети ОАО «РЖД», основанные на широком применении современных средств регулирования и централизованных систем автоматического управления в реальном времени по данным информационно-измерительных систем для выработки управляющих воздействий на объекты электроснабжения с высоким быстродействием.

Разработанный на основе оптимизации параметров режима алгоритм позволяет формировать управляющие воздействия на объекты системы электроснабжения в виде оптимального вектора состояния. Управляющие воздействия получены с учетом оценки состояния сети, прогнозных значений графика нагрузки и ограничений на запасаемую энергию в накопителях для управления

в реальном времени.

4. При внедрении системы адаптивного управления напряжением и реактивной мощностью предложено доработать существующие программные средства расчета и анализа электрических режимов электрических сетей для решения рассматриваемых задач. Кроме этого технические средства сети, обеспечивающие ее управляемость, должны иметь возможность «интеллектуализации».

5. Реализован алгоритм оптимизации режима с определением параметров состояния отпаек РПН понизительных трансформаторов и емкости ступенчатого КУ. Оптимизация режима выполнялась на часовом интервале с получением почасовых векторов состояния РПН трансформаторов и КУ. Результаты моделирования на интервале расчетных суток свидетельствуют о снижении потерь мощности на рассматриваемом участке сети на 28 %, среднеквадратичного отклонения напряжения - вдвое. Окупаемость предложенных решений должна составить около 15 лет из-за недостаточной оснащенности сетей управляемыми техническими средствами регулирования параметров режима.

Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., доценту Третьякову Е. А. за оказанную помощь в подготовке диссертационной работы.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Третьяков Е. А. Энергоэффективность компенсации низкочастотных искажений в электрических сетях 0,4 кВ / Е. А. Третьяков, Н. Н. Малышева, А. В. Краузе // Энергоэффективность: Материалы междунар. науч.-техн. конф. / Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2010. С. 94 - 98.

2. Третьяков Е. А. Перспективы и современные технологии повышения эффективности использования электрической энергии в распределительных се-

18

тях железных дорог / Е. А. Третьяков, А. В. Краузе // Ресурсосберегающие технологии на Западно-Сибирской железной дороге: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. С. 64 - 68.

3. Третьяков Е. А. Оптимизация структуры компенсирующих устройств / Е. А. Третьяков, Н. Н. Малышева, А. В. Краузе // Известия Транссиба. 2010. № 4. С. 85 - 94.

4. Третьяков Е. А. Пути повышения энергоэффективности распределительных сетей железных дорог / Е. А. Третьяков, Н. Н. Малышева, А. В. Краузе // Инновации для транспорта: Материалы междунар. науч.-техн. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. С. 193 - 198.

5. Малышева Н. Н. Оценка эффективности использования электроэнергии на железнодорожном транспорте / Н. Н. Малышева, А. В. Краузе // Политранспортные системы: Материалы всерос. науч.-техн. конф. / Сибирский гос. ун-т путей сообщения. Новосибирск, 2010. С. 414 - 417.

6. Третьяков Е. А. Применение устройств продольной емкостной компенсации и корректирующих фильтров в распределительных сетях нетяговых потребителей / Е. А. Третьяков, А. В. Краузе // Современные материалы, техника и технология: Материалы междунар. науч.-практ. конф. / Юго-Запад. гос. ун-т. Курск, 2011. С. 213-217.

7. Краузе А. В. Разработка продольного фильтра для управления входным сопротивлением трансформатора в частотной области / А. В. Краузе // Россия молодая: передовые технологии в промышленность!: Материалы всерос. науч.-техн. конф. / Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2011. С. 54 - 59.

8. Третьяков Е. А. Разработка продольно-параллельных фильтр-устройств для управления входными сопротивлениями элементов питающей сети в частотной области / Е. А. Третьяков, А. В. Краузе // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. С. 26-31.

9. Краузе А. В. Управление напряжением и реактивной мощностью в распределительных сетях ОАО «РЖД» / А. В. Краузе // Материалы науч.-практ. конф. молодых ученых и аспирантов «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте» / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. С. 15 - 19.

10. Авилов В. Д. Управление качеством электроэнергии в распределительных сетях железнодорожного транспорта / В. Д. Авилов, Е. А. Третьяков,

A. В. Краузе // Известия Транссиба. 2013. № 1 (13). С. 48 - 54.

11. Авилов В. Д. Совершенствование технологий управления качеством электроэнергии в распределительных сетях железнодорожного транспорта /

B. Д. Авилов, Е. А. Третьяков, А. В. Краузе // Омский научный вестник. 2013. № 1 (117). С. 183 - 187.

Типография ОмГУПСа. 2013. Тираж 100 экз. Заказ 25 0 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))

" " ~" " ~ На правах рукописи

КРАУЗЕ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТЬЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор, заслуженный работник транспорта РФ В. Д. Авилов

ОМСК 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................................................... 4

1 Анализ средств и методов управления качеством электроэнергии .................... 12

1.1 Проблема качества электроэнергии и компенсации реактивной мощности .. 13

1.2 Способы и технические средства обеспечения качества электроэнергии ...... 15

1.3 Показатели энергетической эффективности передачи, распределения и потребления электроэнергии и их связь с качеством электроэнергии .................. 21

1.4 Проблемы согласования распределительных сетей ОАО «РЖД»

с элементами распределенной генерации и накопителями энергии...................... 31

1.5 Перспективы совершенствования управления качеством электроэнергии .... 35

1.6 Выводы ................................................................................................................... 37

2 Разработка математической модели распределительной сети ............................ 40

2.1 Элементы электрической сети ............................................................................. 41

2.1.1 Линия................................................................................................................... 42

2.1.2 Трансформатор ................................................................................................... 47

2.1.3 Нагрузка .............................................................................................................. 52

2.1.4 Устройства регулирования напряжения .......................................................... 55

2.1.4.1 Трансформаторы с РПН.................................................................................. 57

2.1.4.2 Вольтодобавочные трансформаторы ............................................................ 60

2.1.4.3 Устройства продольной емкостной компенсации ....................................... 64

2.1.4.4 Батареи конденсаторов ................................................................................... 69

2.1.4.5 Реакторы........................................................................................................... 73

2.1.4.6 Статические компенсаторы реактивной мощности..................................... 76

2.2 Математическая модель расчета распределительных сетей............................. 80

2.3 Адекватность математической модели ............................................................... 93

2.4 Оптимизационные алгоритмы определения параметров режима

с объектами управления качеством электроэнергии ............................................. 101

2.4.1 Постановка задачи оптимизации .................................................................... 101

2.4.2 Оптимизация целевой функции...................................................................... 107

2.4.3 Анализ работы генетического алгоритма...................................................... 113

2.5 Выводы ................................................................................................................. 117

3 Управление качеством электроэнергии в распределительных сетях

ОАО «РЖД»............................................................................................................... 120

3.1 Структура и алгоритм управления объектами электроснабжения ................ 121

3.1.1 Оценивание состояния распределительной сети .......................................... 123

3.1.2 Прогнозирование графиков нагрузки ............................................................ 125

3.1.3 Особенности управления параметрами режима для снижения потерь и повышения качества электроэнергии в темпе процесса ....................................... 131

3.2 Требования к программно-аппаратным комплексам и техническим средствам контроля и регулирования параметров режима .................................. 132

3.2.1 Требования к программно-аппаратному комплексу .................................... 132

3.2.2 Требования к техническим средствам ........................................................... 134

3.2.2.1 Устройства регулирования реактивной мощности.................................... 135

3.2.2.2 Устройства регулирования параметров сети.............................................. 137

3.2.2.3 Устройства продольно-поперечного включения ....................................... 137

3.2.2.4 Накопители электрической энергии............................................................ 138

3.3 Выводы ................................................................................................................. 138

4 Апробация предложенных решений на действующих объектах ...................... 140

4.1 Характеристика распределительной сети железнодорожного узла............... 140

4.2 Моделирование участка электрической сети для оптимизации

параметров режима ................................................................................................... 144

4.3 Выводы ................................................................................................................. 148

5. Оценка экономической эффективности внедрения системы автоматического управления напряжением и реактивной мощностью

вЭЧ-1 «Входная» ...................................................................................................... 150

Заключение ................................................................................................................ 157

Список использованных источников ...................................................................... 160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Несмотря на существенный прогресс в развитии систем учета, наблюдается практически повсеместный рост отчетных потерь электроэнергии и снижение ее качества в распределительных сетях ОАО «РЖД», что в основном обусловлено следующими факторами: совершенствованием систем учета, техническими параметрами изношенных элементов сети; неоптимальными режимами работы; недостатком или полным отсутствием средств регулирования напряжения; отсутствием или неудовлетворительной компенсацией реактивной мощности; высокой неравномерностью графиков электрических нагрузок; влиянием внешней сети; увеличением установленной мощности нелинейных и несимметричных нагрузок; недостаточным финансированием программ технического перевооружения распределительных сетей.

В соответствии с «Энергетической стратегией холдинга «Российские железные дороги» на период до 2015 года и на перспективу до 2030 года» основными инновационными энергосберегающими техническими решениями и технологиями, на которые должна быть ориентирована железнодорожная энергетика на перспективу в части снижения потерь и повышения качества электроэнергии в распределительных сетях, являются применение современных устройств компенсации реактивной мощности, фильтр-устройств, накопителей электроэнергии и систем контроля [1].

Наряду с внедрением современного энергоэффективного электрооборудования проблему повышения эффективности использования электрической энергии в стационарной энергетике железнодорожного транспорта можно решить за счет внедрения активно-адаптивных технологий управления работой компенсирующих устройств, управляемых средств регулирования напряжений, накопителей, коммутационного и силового оборудования и их диагностирования на основе

цифровых технологий, в том числе для автоматического поддержания минимума потерь в сетях при изменении нагрузок.

В настоящее время управление режимами активной и реактивной мощности, напряжением в распределительных сетях ОАО «РЖД» реализуется организационно-технической системой, которая обеспечивает поддержание напряжения по графику в контрольных пунктах и в допустимых пределах во всех точках сети. Единственным способом регулирования напряжения является переключение регулятора напряжения трансформатора под нагрузкой (РПН) на стороне высокого напряжения с сезонной периодичностью. В распределительных сетях 35 кВ и ниже полностью отсутствуют известные технические средства управления параметрами режима: устройства компенсации реактивной мощности, вольтодобавочные трансформаторы, реакторы, фильтры переменного тока, накопители. Таким образом, метод регулирования напряжения на основе поддержания заданных графиков в контрольных пунктах сети не в состоянии обеспечить уровень напряжения с учетом всех предъявляемых требований, что свидетельствует о недостаточной разработке темы.

Новейшие технологии, применяемые в сетях, обеспечивающие адаптацию характеристик оборудования к режимной ситуации, активное взаимодействие с генерацией и потребителями, позволяют создать эффективно функционирующую систему, в которую встраиваются современные информационно-диагностические системы, системы автоматизации управления всеми элементами, включенными в процессы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии. Для реализации этой новой функции сети должны оснащаться современными быстродействующими устройствами силовой электроники и электромашиновен-тильных систем, а также системами, обеспечивающими получение информации о режимах работы сети и состоянии оборудования в темпе процесса [2].

Значительный вклад в развитии методов оптимизации режимов энергосистем и распределительных сетей, повышения качества электрической энергии внесли такие ученые как Аввакумов В. Г., Беркович М. А., Веников В. А.,

Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Идельчик В. И., Карташев И. И., Лыкин А. В., Холмский В. Г., Черемисин В. Т., Шидловский А. К. [3-28].

Предпосылками создания системы управления объектами электроснабжения распределительной сети ОАО «РЖД» на базе активно-адаптивных технологий оптимизации параметров режима в реальном времени является ряд актуальных проблем. Во-первых, это проблема, связанная с согласованием системы электроснабжения распределительных сетей с источниками генерации. Существующие распределительные сети выполнены в виде иерархических структур от источника к нагрузке, поэтому общепринятые законы регулирования напряжения в таких сетях при наличии источников генерации на стороне среднего (низкого) напряжения оказываются непригодными. Наличие источников генерации (в том числе накопителей энергии в активном режиме) приведет к уравнительным токам и дополнительным потерям, существенно меняется идеология построения релейной защиты. Требуется управление объектами электроснабжения на основе реализации алгоритмов оптимизации параметров режима в реальном времени. Во-вторых, проблема оптимального управления режимами напряжений в точках распределительных сетей, параметрами режима по реактивной мощности в реальном времени, управление электропотреблением для снижения потерь в сетях, повышения качества электроэнергии и повышения надежности электроснабжения.

Настоящая работа посвящена развитию и разработке методов управления напряжением, реактивной мощностью и параметрами режима в распределительных электрических сетях железнодорожного транспорта. Развитие оперативно-технологического управления сетями и энергообъектами 35 кВ и ниже на основе аппаратно-программных средств системы управления электропотреблением и качеством электроэнергии позволит обеспечить:

а) повышение надежности электроснабжения и качества электрической энергии, снижение потерь, онлайн-мониторинг результатов управления параметрами режима в распределительных сетях по данным информационно-измерительных систем;

б) повышение эффективности использования данных с АСКУЭ не только для определения электропотребления, но и управления им (при развитии синхронных измерений);

в) возможность включения распределенной генерации на параллельную работу с сетью за счет управления режимами напряжения и параметрами генерации в месте подключения в реальном времени, в том числе с учетом графиков выработки и накопления энергии, графиков нагрузки потребителей.

Целью диссертационной работы является повышение качества и снижение потерь электрической энергии в распределительных электрических сетях железнодорожного транспорта за счет совершенствования методов управления напряжением и реактивной мощностью.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи.

1. Провести сравнительный анализ современных технических средств и методов управления напряжением, реактивной мощностью, другими параметрами режима и КЭ в распределительных сетях, обосновать применение адаптивных технологий управления объектами электроснабжения в распределительных сетях железнодорожного транспорта для повышения энергоэффективности передачи и распределения электроэнергии.

2. Разработать математическую модель распределительной сети железнодорожного транспорта для расчета и оптимизации установившихся режимов по напряжению и реактивной мощности при условии минимума потерь электроэнергии применительно к централизованным автоматизированным системам управления в реальном времени.

3. Разработать методы управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети ОАО «РЖД», основанные на широком применении современных средств регулирования и централизованных систем автоматического управления.

4. Выполнить обоснование требований к программно-аппаратным комплексам и техническим средствам контроля и регулирования напряжения и реактивной мощности в распределительных сетях ОАО «РЖД».

5. Выполнить моделирование предложенных методов управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети реальной системы электроснабжения железнодорожного транспорта и оценить их экономическую эффективность.

Методы исследования. В ходе проводимых исследований использовались теоретические и экспериментальные методы: теории электрических цепей; расчета электрических сетей; непосредственного натурного эксперимента; математической статистики; оптимизации методом генетического алгоритма; имитационного моделирования.

Большинство выводов и результатов работы получено с использованием средств вычислительной техники, прикладных пакетов математических программ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Разработана оптимизационная модель определения параметров состояния объектов управления напряжением и реактивной мощностью распределительной сети железнодорожного транспорта для снижения потерь и стабилизации напряжения.

2. Предложены и реализованы на модели методы управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети ОАО «РЖД», основанные на широком применении современных средств регулирования и централизованных систем автоматического управления.

Практическая ценность исследования заключается в следующем.

1. Разработанная оптимизационная модель позволяет определять параметры состояния объектов распределительной сети железнодорожного транспорта для реализации управления напряжением и реактивной мощностью.

2. Предложенные методы оптимального управления напряжением и реактивной мощностью могут быть использованы при разработке пилотных интеллектуальных распределительных сетей ОАО «РЖД».

На защиту выносятся следующие положения и результаты.

1. Задача оптимизации, заключающаяся в снижении потерь электроэнергии и среднеквадратичного отклонения напряжения в распределительной сети железнодорожного узла за счет выбора оптимального положения РПН, изменения значений реактивной мощности КУ и активной мощности накопителей и элементов распределенной генерации в узлах, изменения топологии сети.

2. Методы управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети железнодорожного транспорта, основанные на оптимизации параметров режима в реальном времени.

3. Требования к программно-аппаратным комплексам и техническим средствам контроля и регулирования напряжения и реактивной мощности в распределительных сетях железнодорожного транспорта.

4. Результаты моделирования предложенных методов управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети Входнинской дистанции электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги и оценка их экономической эффективности.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использовались при разработке энергосберегающих технологий и мероприятий по снижению потерь и улучшению КЭ в распределительных сетях Входнинской дистанции электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на нескольких научно-технических, научно-практических конференциях различного уровня: «Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов (состояние, перспективы развития)» (Новосибирск, 2009), «Проблемы развития железнодорожного транспорта» (Красноярск, 2009), «Энергоэффективность», «Ресурсосберегающие технологии на Западно-

Сибирской железной дороге» (Омск, 2010), «Инновации для транспорта» (Омск, 2010).

Публикации. Научные материалы диссертационной работы опубликованы в одиннадцати печатных работах, две из них - в изданиях, включенных в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы.

В первой главе рассматриваются средства и методы управления каче�