автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Совершенствование моделей расчета и анализа потерь мощности и энергии в линиях электропередачи

На правах рукописи

Степанова Анна Александровна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ РАСЧЕТА И АНАЛИЗА ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические

системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 - г';з 2015

Ставрополь - 2014

005558288

Работа выполнена в ФГАОУ университет».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

ВПО «Северо-Кавказский федеральный

доктор технических наук, профессор Кононов Юрий Григорьевич

Кокин Сергей Евгеньевич, доктор технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», профессор кафедры «Автоматизированные электрические системы»

Шведов Галактион Владимирович, кандидат технических наук, доцент-, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», доцент кафедры «Электроэнергетические системы»

Ведущая организация: ОАО «Научно-технический центр

Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы» (ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»), г. Москва

Защита состоится ¿и 2015 г. в^-^часов на заседании

диссертационного совета Д212.245.06 при ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1, ауд. 416.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2, www.ncfu.ru.

Автореферат разослан « </4у> 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

канд. физ.-мат. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Линии электропередачи (ЛЭП) - один из основных элементов электроэнергетических систем и электрических сетей. Основными показателями эффективности функционирования ЛЭП являются надежность и экономичность их работы. Повышение надежности ЛЭП требует постоянного контроля условий функционирования линий, к которым относятся климатические условия (температура, осадки, ветер, солнечная радиация), электрические (уровни напряжения и протекающие токи) и механические (ветровые и гололедные) нагрузки, которые испытывают ЛЭП в процессе эксплуатации. Повышение экономичности ЛЭП связано с таким управлением режимом их работы, которое обеспечивает снижение потерь мощности и энергии.

В электрических сетях всего мира в настоящее время наблюдается интенсивное внедрение современных информационных технологий: оперативно-управляющих информационных комплексов (ОУИК), автоматизированных информационно-измерительных систем коммерческого учета электроэнергии (АИИС КУЭ), автоматизированных информационных систем контроля гололедной нагрузки (АИСКГН), микропроцессорных счетчиков электроэнергии (МПСЭ), оптических трансформаторов тока и напряжения, WAMS технологий на базе устройств измерения фазы (PMU-устройства), позволяющих получать новую информацию о режимах ЛЭП, обладающую большей, чем прежде точностью, достоверностью и оперативностью доставки. Появление новых устройств управления режимами электропередач, таких, как FACTS или гибкие (управляемые) линии позволяет создавать новые подходы к управлению режимами ЛЭП для повышения их экономичности. Внедрение перечисленных устройств и систем служит предпосылкой к переходу традиционных электросетей в разряд «умных» сетей (Smart Grid).

Это требует, в свою очередь, пересмотра имеющихся подходов и разработки новых методик мониторинга и прогнозирования нагрузок на ЛЭП, повышения точности расчета потерь мощности и энергии в них, интеграции

автоматизированных систем с целью повышения надежности и экономичности работы электрических сетей.

Проблемам повышения надежности и эффективности работы ЛЭП, расчетам потерь мощности и энергии в них посвящены исследования как отдельных организаций: ВНИИЭ, НИИПТ, ЭНИН, ОРГРЭС, МЭИ-ТУ, БелПИ, УрФУ и др., так и многих отечественных и зарубежных ученых: Александрова Г.Н., Берлина A.C., Воротницкого В.Э., Дьякова А.Ф., Железко Ю.С., Зарудского Г.К., Кононова Ю.Г., Левченко И.И., Паздерина A.B., Поспелова Г.Е., Холмского В.Г., A. Chakrabortty и др.

Не смотря на достаточно глубокую проработку этих вопросов, новые технические возможности современных информационных систем и управляющих устройств делают актуальной проблему совершенствования математических моделей ЛЭП для использования этих возможностей. Этим и объясняется актуальность выбранной темы диссертации.

Объектом исследования являются линии электропередачи напряжением 35-1150 кВ и системы мониторинга и управления их режимами.

Предметом исследования являются модели ЛЭП, методы расчета потерь мощности и энергии в них, методы идентификации их параметров и управления режимами линий электропередачи.

Целью работы является повышение эффективности передачи энергии по ЛЭП путем снижения потерь энергии в них.

Общая научная задача заключается в совершенствовании моделей линий электропередачи, применяемых при расчетах и анализе потерь мощности и энергии в них, разработке алгоритмов идентификации параметров модели ЛЭП и повышении эффективности передачи электроэнергии по ним.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные частные научные задачи:

1. Систематизация существующих моделей ЛЭП, методов расчета потерь мощности и энергии в них, анализ подходов к идентификации параметров моделей ЛЭП с учетом возможностей современных информационных систем.

2. Разработка моделей ЛЭП и расчетных выражений, обладающих

повышенной точностью расчета параметров режима, сравнительный анализ методических погрешностей расчетных выражений для определения потерь мощности и энергии в ЛЭП и определение областей их возможного применения.

3. Постановка, разработка алгоритма и анализ решения задачи идентификации удельных параметров ЛЭП по информации устройств РМи.

4. Анализ возможности использования результатов решения задачи идентификации удельных параметров ЛЭП для мониторинга гололедно-изморозевых отложений на проводах воздушных линий электропередачи.

5. Разработка подходов к управлению режимами ЛЭП с помощью технологии гибких линий на основе данных современных информационных систем.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы расчетов электрических цепей, решения систем нелинейных уравнений, теории вероятностей, алгоритмов, математического программирования.

Научная новизна работы заключается в развитии теоретических положений и программных средств расчета и анализа потерь мощности и энергии в линиях электропередачи, идентификации параметров ЛЭП и алгоритмов управления их режимами в условиях оснащения электрических сетей новыми информационными и управляющими системами. Результаты научных исследований можно сформулировать следующим образом:

1. Предложены модели расчета и анализа потерь мощности и энергии в однородных ЛЭП, отличающиеся от существующих повышенной точностью результатов вычислений.

2. Разработаны методические положения оценки погрешностей предлагаемых моделей и моделей других авторов.

3. Выполнен сопоставительный анализ методических погрешностей известных и предлагаемых методов расчета потерь мощности и энергии в ЛЭП и определены области их возможного применения. Показаны преимущества предлагаемых моделей в части точности получаемых результатов.

4. Обоснована целесообразность рассмотрения потерь мощности и энергии

в ЛЭП как суммы четырех слагаемых, зависящих от тока нагрузки, напряжения, потоков активной и реактивной мощности, значения которых соизмеримы между собой. Доказано, что неучет каких-либо слагаемых в расчетах может приводить к неверным выводам и результатам. л

5. Разработана методика решения задачи идентификации удельных параметров однородной ЛЭП на основе данных устройств PMU.

6. Предложен подход к управлению режимом реактивной мощности в ЛЭП с помощью устройств FACTS на основе информации PMU-устройств, обеспечивающий поддержание минимальных потерь мощности и энергии в ней.

Практическая ценность и реализация результатов работы. (

1. Разработанные расчетные выражения для определения потерь мощности и энергии в ЛЭП позволяют повысить точность расчета этих важных техпико-1 экономических показателей как в процессе эксплуатации, так и в проектной . • практике.

2. Разработанные методические материалы решения задачи' идентификации удельных параметров однородной ЛЭП на основе даиНКГ^' современных информационных систем могут быть использованы в комплекса'*:*, программ для актуализации расчетных моделей с целью мониторинга?^" управления и оптимизации текущих режимов электрических сетей зад

' I ° т •

повышения их эффективности. ■

3. Предложенный подход к управлению режимом реактивной мощности' Щ ЛЭП с помощью устройств FACTS на основе информации PMU-ycTpoiicfd^ позволит повысить экономичность передачи энергии по линиям сверхвысокого.';

•t'V

напряжения.

4. Разработанные в диссертационной работе модели потерь мощности'« энергии в ЛЭП применялись при разработке алгоритмов программного обеспечения аппаратно-программного комплекса телеметрической системы мониторинга состояния воздушных линий электропередач.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 10 конференциях, в том числе: на XXXIX и XLI научно-технических конференциях по итогам работы профессорской

преподавательского состава СевКавГТУ за 2009 и 2011 г.г. (Ставрополь, 2010, 2012), XIV и XV региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2010, 2011), XVI и XVIII Всероссийских научно-технических конференциях «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2010, 2012), VI и VII Всероссийских научно-технических конференциях «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (Благовещенск, 2011, 2013), II международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика», (Ставрополь, 2011), VI международной молодежной научной конференции «Научный потенциал XXI века», (Ставрополь, 2012).

Диссертационная работа выполнена в рамках государственного контракта от «10» мая 2012г. №12.527.11.0002 по теме «Разработка аппаратно-программного комплекса телеметрической системы мониторинга (АПК ТСМ) состояния воздушных линий электропередач, обеспечивающего повышение надежности и эффективности использования ЛЭП».

Публикации. По содержанию и результатам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, 4 из них в изданиях, рекомендованных ВАК. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Расчетные выражения для определения потерь мощности и энергии в однородных ЛЭП, отличающиеся повышенной точностью результатов вычислений.

2. Методические положения оценки погрешностей моделей потерь мощности и энергии в ЛЭП и результаты сопоставительного анализа методических погрешностей известных методов расчета потерь мощности и энергии в ЛЭП и области их возможного применения.

3. Методика решения задачи идентификации удельных параметров однородной ЛЭП на основе данных современных информационных систем.

4. Подход к управлению режимом реактивной мощности в ЛЭП с помощью устройств FACTS на основе информации PMU-устройств, обеспечивающий поддержание минимальных потерь мощности и энергии в ней. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4

глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 190 страниц, иллюстрирован 38 рисунками, содержит 19 таблиц. Список литературы включает 117 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена общая характеристика диссертационной работы, показана актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая ценность, описана структура работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы расчета потерь мощности и энергии в ЛЭП, подходы к решению задачи идентификации ее параметров.

На основе анализа литературных источников выполнена систематизация существующих подходов и методов расчета потерь мощности и энергии в линиях электропередачи. Показано, что для получения расчетных выражений для ^ определения потерь мощности и энергии в ЛЭП используются различные ее ■ математические модели, в частности, наиболее часто используются: Г-, Т-, П- и обратная Ш-образная схемы замещения, четырехполюсник и уравнения длинной линии. Выполнена группировка расчетных выражений для определения потерь мощности в ЛЭП, полученных разными авторами, по используемым моделям. Показано, что большинство предлагаемых расчетных выражений получены путем использования при их выводе упрощающих допущений.

В этой же главе выполнен анализ существующих подходов к решению задачи идентификации параметров моделей ЛЭП. Сделан вывод, что идентификация какого-либо объекта электроэнергетики представляет собой определение параметров его математической модели по данным замеров режимных характеристик. Задача идентификации имеет множество постановок и методов решения, сводящихся, в основном, к экстремальной задаче, и для ее решения может быть использован аппарат теории решения оптимизационных задач.

Во второй главе выполнены разработка математической модели ЛЭП на основе уравнений длинной линии и сравнительный анализ точности моделирования.

На основе известных уравнений длинной линии трехфазного переменного синусоидального тока

U, = U^ch/l + yfiL.^shyl] /, = -j^ shy/ + ¿chyl

где t/,,/, - комплексы напряжения и тока в точке ЛЭП, расположенной на расстоянии I от ее конца, и2, £ - комплексы напряжения и тока в конце ЛЭП, Zc =Zc(cos£+ysin£) - волновое сопротивление линии, y = p + ja - коэффициент распространения электромагнитной волны, были выведены уравнения для расчета потерь мощности в ЛЭП без каких-либо упрощающих допущений, присущих большинству из рассмотренных в главе 1 выражений.

Если потери активной мощности рассматривать как потери в равномерно распределенных сопротивлении и проводимости линии по формулам

APr=3r0jl;dl

о

L

(2)

где г0 .- погонное активное сопротивление ЛЭП, §0 - ее погонная активная проводимость, I - полная длина линии, то подстановка выражений (1) в (2) позволяет получить следующие расчетные формулы:

ар, = g0\2I\hIy +UX +P1hPy+Q2hi

'Qy)

где

-Лр*—)

1 (%Ырь ыпгаЬ р а

1 (сЫВЬ-Х , со$2а£-1 . ,

= 2Т\—р—С0^--—

1 (сЬ2рЬ~] . , соь2аЬ-1

2гси\аръ 8т2 аЬ 4{ р а

2 (сЬ2В1-\ , соз2а£-1 . .

т[ а

гсГсЬ2/?1-1 . . сое2а/,-1

т(—0—*т4——'

К, иРг

>ъ.=

(4)

Выражения для потерь реактивной мощности получаются из (3) заменой г0 на лго, а ^о - на Ьо.

Если потери мощности рассматривать как разность потоков мощности в начале и в конце ЛЭП, т.е.

= (5)

то, подставляя (1) в (5), для потерь активной и реактивной мощности можно получить следующие расчетные выражения:

^=+и1ниа+Р2НРа+<2гНда

А в=н„+и\нир+Р2нрр+д2ндр

(6)

где

и

(7)

H¡a =-^(sh2/?£cos£-sin2aZ.sin£)

HUa = —(sh2/?L cos^ + sin 2aZ,sin^) 2Ze

HPa = ch2/?Z.cos2£ + cos2arZ.sin2,J-l HQa = (ch2/?L - eos 2aL)

Hlp = (sh2/?L sin £ + sin eos

HUp = (sh2/?Lsin£-sin2aLcos£) 2 Zc

HPp =^y¿(ch2/?Z,-cos2aL) HQp = ch2/?Z. sin2 £ + eos 2ari cos2 £ -1

Расчеты показывают, что между общими потерями и потерями в сопротивлении и проводимости соблюдаются следующие соотношения:

AP = APr+APg Д2 = Д&+ДЙ

а четыре составляющие общих потерь можно получить путем алгебраического сложения соответствующих составляющих потерь в проводимости и сопротивлении. В связи с этим можно записать следующие соотношения между величинами, входящими в выражения (3) и (6):

Hh=r0ho + g0hly

(8)

ntp=xА

(9)

Нир=х0Ъиг-ЬХ НРа=фР2+%а1\Ру НРр=х0ИР!-Ь0ИРу

HQa=r(¡hдг+gvhQy

Ндр- - К^Оу

Полученные выражения для определения потерь мощности и их составляющих универсальны и применимы к линиям электропередач трехфазного переменного синусоидального тока любого номинального напряжения.

Анализ поведения параметров Я из выражений (7) в зависимости от длины электропередачи показывает, что параметры Hj„, Нца и Нра всегда положительны и возрастают с ростом длины ЛЭП, а параметр Ноа - всегда отрицателен. Были проанализированы зависимости Я от I для реальных погонных параметров ЛЭП (го, хо. go, bo) номинальным напряжением от 10 до 750 кВ, и во всех случаях вышеуказанные тенденции поведения Я повторялись (рисунок 1 ).

Таким образом, потери мощности в ЛЭП складываются из четырех составляющих, причем первая составляющая зависит от тока, вторая - от напряжения, а третья и четвертая - от потоков активной и реактивной мощности соответственно:

АР = АР,+АРи+АРр+АРд (10)

Первая составляющая АР, в литературе часто называется нагрузочными потерями, а вторая АРц - условно-постоянными. Причем, считается, что потери мощности в ЛЭП складываются только из этих потерь.

Однако, например, для ЛЭП-500 кВ длиной 500 км, выполненной проводом ЗхАС-ЗОО, при параметрах режима конца электропередачи {/>=500 кВ, Р+/02=350+j217 MBA (cosçj>=0,85) расчетное значение /У,=510,3 кВ, а потери мощности в линии составят Д/>=13,765 МВт. При этом доли каждой составляющей потерь из (10) равны: первой ДР/- +74,1%, второй AI',, - +66,6%, третьей АРр -+1,9%, а доля четвертой составляющей АР о равна минус 42,6%.

Столь значительный удельный вес последней составляющей в общей структуре потерь мощности в ЛЭП свидетельствует о том, что бытующее представление о наличии в линиях электропередач только составляющих потерь, зависящих от квадрата тока (нагрузочные потери) и квадрата напряжения (условно-постоянные потери) требует пересмотра.

Исходя из положений теории вероятностей, из первой формулы системы (6) получено следующее выражение для потерь активной энергии:

-4TylJ2[lVP2cjp2rPU2+WQ1crQ2rQU7)^+ , (11)

+ T-M2U2(\ + ) HUa + WP2Hra + WQ2HQa

где op2, oqi и от - средние квадратические отклонения величин активной и реактивной мощности и напряжения, д,2=сrw/Mt/2 - коэффициент вариации напряжения конца электропередачи, грш и rQm - коэффициенты корреляции между мощностями и напряжением в конце ЛЭП.

Выражения для расчета потерь реактивной энергии AWP могут быть получены аналогичным образом. Следует также отметить, что если в уравнения (3), (6) или (11) вместо параметров конца ЛЭП (узел 2) подставить параметры начала (узел 1), то следует изменить знак плюс на минус у последних двух слагаемых.

Для анализа погрешностей расчета потерь мощности и энергии по выражениям известных методов расчета потерь мощности и энергии в ЛЭП, рассмотренных в главе 1, а также полученных в данной работе были разработаны математические модели в программной среде MATHCAD. В обеих моделях в

качестве условно-эталонных приняты расчеты по уравнениям длинной линии, с которыми сравнивались результаты расчетов по другим методам и выражениям.

В результате проведенной серии расчетов для ЛЭП напряжением 35 - 1150 кВ определены области возможного использования рассмотренных в главе 1 и полученных в главе 2 выражений. Результаты расчетов потерь мощности по полученным в работе выражениям (6) полностью совпадают с эталонными значениями, полученными по (5). Что касается погрешности расчета потерь энергии по выражению (11), то максимальная погрешность расчета не превышает 0,1 % для ЛЭП всех рассмотренных классов напряжения.

Также во второй главе на основе первого уравнения из системы (1) получено расчетное выражение для определения напряжения в начале линии при известных параметрах конца ЛЭП:

р z

= U2 (chpLcosaL) + -2—^(sh{SLcosaLcos% - ch/?¿ sin sin £ ) + U2

Q 2

л—— (chpL sin aL cos £ + shBL cos aL sin £) +

V2 (12)

+7

P Z

U2 (shftL sin aL) + -2—^ (chPL sin aL cos £ + shPL cos aL sin н

Ui

О 2 2

Третья глава посвящена постановке, разработке алгоритма и анализу решения задачи идентификации удельных параметров ЛЭП. В работе решается задача идентификации удельных параметров ЛЭП г0, х0, go, Ьо на основе полученных выше точных уравнений для потерь мощности и энергии, напряжения и угла сдвига фаз векторов напряжений.

Задача формулируется для случая, когда по концам линии установлены устройства РМи, измеряющие потоки активной и реактивной мощности /',„,,„ Р2иш, бум«, 02и,м. модули напряжения {¡1иш, 11 и угол между векторами напряжений 8иш.

На основании этих замеров могут быть определены потери активной и реактивной мощности в ЛЭП

15

\р = р —Р

¡пи 1 '

А0ам = 01 чч ~ 02«1« )

В этом случае задача идентификации может быть сформулирована следующим образом.

Необходимо решить относительно г0, хо, go, Ьо систему уравнений вида

АР,

/2

у 2иги

да

и2

Р1 +п2

_ 1 2 »зу

н,а+и\т»нш + Р2иыНРа+С?2,аиНда

и22иы

+ ^21 т^ир + ^21ач^Рр + (ЗьаиНдр

(14)

-Чи

В этой системе уравнений Г./| а и 1ЛР определяются из выражения (12) при подстановке в него измеренных значений параметров конца, параметры Н определяются по выражениям (7), а входящие в уравнения (7) и (12) параметры 2С, £ а и р зависят, в свою очередь, от удельных параметров ЛЭП следующим образом:

2 =

2оУо Го£о х0Ь0

гоУо+гоёо+ХоЬ<>

где г0 ;'о=7я„2+6„2 •

Поскольку система уравнений (14) содержит нелинейные зависимости относительно искомых переменных, решение задачи идентификации параметров ЛЭП возможно численными методами.

Анализ сходимости методов решения систем нелинейных уравнений (14) показал, что наилучшие результаты достигаются при использовании метода Ньютона, который и был выбран для решения поставленной задачи.

Для проверки работоспособности предложенного алгоритма была разработана программа в среде МАТНСАО. Тестовые расчеты показали, что алгоритм успешно справляется с решением задачи.

В работе выполнен анализ погрешности идентификации удельных параметров ЛЭП. На основании проведенных вычислительных экспериментов сделаны следующие выводы:

1) Наиболее чувствительным к погрешностям измерения всех исходных режимных параметров с точки зрения его идентификации является параметр go■ Такое свойство go, очевидно, объясняется сравнительной малостью удельной активной проводимости и ее слабым влиянием на потери мощности и напряжения в ЛЭП.

2) При измерении активной мощности с максимальной для РМи погрешностью ±1% погрешность идентификации удельных параметров линии г0, хо и Ьо составляет менее 0,2% для всех исследованных ЛЭП.

3) При измерении реактивной мощности с максимальной для РМи погрешностью ±1,5% с максимальной погрешностью (до 6%) определяется удельная емкостная проводимость Ь0 на линии 330 кВ. В остальных случаях погрешность расчета параметров составляет менее 1%.

4) При измерении угла <5 с допустимой для РМи погрешностью ±0,1° с максимальной погрешностью (до 4,5%) определяются удельные параметры г0 и хо. При этом с наименьшей погрешностью идентифицируется параметр Ьо.

5) Погрешность измерения напряжения (максимальная погрешность для РМи ±0,5%) наиболее сильно сказывается на погрешности идентификации параметра г о (до 100%), и наименьшим образом влияет на погрешность определения параметра Ь0 (до 0,6%).

6) Увеличение длины линии повышает точность идентификации удельной емкостной проводимости, а увеличение загрузки ЛЭП - снижает эту точность.

Таким образом, по результатам исследования можно сделать вывод об удовлетворительной точности идентификации удельных сопротивлений и емкостной проводимости ЛЭП в пределах гарантированной точности измерительных каналов устройств РМи.

Следует отметить, что, если будет создана система мониторинга удельных параметров ЛЭП, то по характеру изменения этих параметров, в частности, проводимости Ьо, можно будет судить о влиянии погодных условий на работу

линии (наличие гололедообразования), что является очень важным для эксплуатационных подразделений ОАО «ФСК ЕЭС».

По удельным параметрам могут быть определены параметры любой модели ЛЭП, в том числе и П-образной, используемой в программах расчета режимов и оценивания состояния электроэнергетических систем. Уточнение модели ЛЭП в процессе эксплуатации является актуальным для подразделений Системного оператора (ОАО «СО ЕЭС»),

Четвертая глава посвящена вопросам применения разработанных моделей для совершенствования приемов эксплуатации и повышения эффективности функционирования ЛЭП.

В работах Ю.Г. Кононова и Ф.А. Дьякова показано, что между емкостной проводимостью линии и суммарной механической нагрузкой существует достаточно сильная корреляционная связь (значение коэффициента корреляции равно 0,953). Поэтому предложено использовать для идентификации наличия гололеда на ЛЭП значение удельной емкостной проводимости, получаемой путем обработки информации устройств РМ11, расположенных по концам электропередачи. Это позволит повысить эффективность АИСКГН и создавать системы мониторинга параметров моделей ЛЭП, обеспечивающие повышение бесперебойности и эффективности эксплуатации линий электропередачи и энергосистем в целом.

Также рассмотрено теоретическое обоснование нового подхода к управлению режимом ЛЭП с целью минимизации потерь мощности и энергии в ней.

Как следует из первого уравнения системы (6), потери активной мощности в ЛЭП имеют два слагаемых, зависящих от потока реактивной мощности: одно -от квадрата (?2, другое - пропорциональное О г- В качестве примера на рисунке 2 показан график зависимости потерь мощности АР от потока реактивной мощности 02 для ЛЭП 500 кВ 500 кВ длиной 500 км, выполненной проводом ЗхАС-ЗОО, с погонными параметрами г»=0,033 Ом/км, *0=0,31 Ом/км, go^З,6■lO's См/км, ¿о=3,97 -10"6 См/км при нагрузке Р2= 500 МВт.

Из этого графика следует, что имеется некоторое оптимальное значение потока реактивной мощности, отличное от нуля, при котором потери мощности в ЛЭП минимальны. Взяв производную от АР по (?2 в первом уравнении системы (6) и приравняв ее к нулю, получим выражение для вычисления этого значения реактивной мощности:

Нп

л Qa

«-2опт 2 2//

(15)

ДР.МВт i 1 "j

Qi, Мвар

О 100 200 300 400 500

Рисунок 2 - Зависимость потерь мощности в ЛЭП 500 кВ от потока реактивной

мощности

Из выражения (15) следует, что оптимальный поток реактивной мощности не зависит от передаваемой активной мощности, а определяется только уровнем напряжения и конструктивными характеристиками ЛЭП.

Анализ зависимости Qiom от длины линии выявил ее сложный характер, однако до 800 км эта зависимость имеет практически линейный характер. Исследование влияния на значение Q20Пт изменения удельных параметров ЛЭП (го, хо, go, bo) показало, что в рамках возможных пределов их изменения оптимальная реактивная мощность растет с ростом г0 и Ь0 и уменьшается с ростом Хо и g0.

Для оценки эффективности поддержания в конце ЛЭП потока реактивной мощности на уровне 02опт сравним этот режим с режимом полной компенсации реактивной мощности в конце ЛЭП, т.е. с режимом, характеризующимся значением (¿2 = 0.

Если в первое уравнение системы (6) вначале подставить значение <2г= 0, а затем - выражение для Огот из (15) и вычесть из первого результата второй, то получится выражение для разницы в потерях мощности между двумя рассматриваемыми режимами:

5Р = АРп-Ы\т=и1-^- (16)

Из уравнения (16) следует, что выигрыш в потерях мощности оптимального режима по сравнению с режимом полной компенсации не зависит от передаваемой активной мощности, а, как и величина <2г0т, определяется только уровнем напряжения и конструктивными характеристиками ЛЭП.

Если рассмотреть процент этого выигрыша 8Р от Д Р0, то для рассмотренной выше ЛЭП 500 кВ длиной 500 км его зависимость от нагрузки Р2 имеет вид, показанный на рисунке 3. Как видно из графика, выигрыш в потерях мощности даже в самых нагруженных режимах составляет около 5 %.

Рисунок 3 - Зависимость выигрыша в потерях мощности от нагрузки ЛЭП 500 кВ

В таблице приведены результаты расчетов рассмотренных в данной работе параметров для ряда ЛЭП разного номинального напряжения.

Таблица - Расчетные данные для ЛЭП

Uhom, kB Марка провода L, км Qiопт, Мвар SP, МВт

35 АС-70 30 0,05 0,000025

110 АС-240 80 1,35 0,0014

220 АС-240 120 7,54 0,017

330 2х АС-240 300 58,4 0,535

500 ЗхАС-ЗОО 500 224,4 3,03

750 4хАС-500 1000 851,1 13,98

Рассмотренные свойства потока реактивной мощности и его влияние на потери активной мощности в ЛЭП делают актуальным решение задачи управления этим потоком с целью минимизации потерь мощности и энергии. Как видно из данных, приведенных в таблице, оптимальное управление линиями электропередачи напряжением 330 - 750 кВ может обеспечить существенный эффект в снижении потерь мощности и энергии.

Очевидно, что устройства, способные обеспечить управление потоком реактивной мощности с целью минимизации потерь, должны создаваться на принципах, характерных для так называемых гибких линий с помощью FACTS-устройств. Поскольку параметры ЛЭП могут сильно изменяться в процессе эксплуатации, система управления FACTS-устройством должна получать данные о текущем состоянии линии от системы мониторинга и идентификации этих параметров, базирующейся на информации PMU-устройств.

Предлагаемые в работе подходы к управлению функционированием ЛЭП могут быть реализованы путем создания автоматизированной системы, опирающейся на информацию WAMS и вырабатывающей управляющие воздействия для FACTS-устройств и систем борьбы с ГИО. При этом главным условием создания такой системы является наличие устройств PMU на приемной

и передающей подстанциях ЛЭП. Структурная схема предлагаемой системы представлена на рисунке 4.

Центр АСКГН

Рисунок 4 - Структурная схема управления электропередачей ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполнения теоретических и обобщения численных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. На основании уравнений длинной линии получены формулы для расчета потерь мощности в однородной ЛЭП, напряжений по ее концам и угла между векторами напряжений. Предложенные выражения являются точными, опирающимися на наиболее точную модель линии (линия с распределенными параметрами).

2. Предложены расчетные выражения для определения потерь энергии в ЛЭП, отличающиеся повышенной точностью результатов по сравнению с известными на сегодняшний день. Погрешность расчета не превышает 0,1 %.

3. В результате проведенных исследований обоснована необходимость представления потерь мощности и энергии в ЛЭП четырьмя слагаемыми, а не

двумя (нагрузочные и условно-постоянные), как принято считать. Неучет этого обстоятельства может приводить к принятию неверных решений в практике разработки мероприятий по снижению потерь энергии в линиях электропередач сверхвысокого напряжения.

4. Выполнена постановка задачи идентификации удельных параметров ЛЭП на основе замеров режимных характеристик, получаемых от устройств PMU, установленных по концам электропередачи. Разработан алгоритм ее решения методом Ньютона и показана удовлетворительная сходимость решения при нормированных погрешностях данных векторных регистраторов.

5. Использование предложенных в работе теоретических подходов, методов и алгоритмов позволит создавать сравнительно малозатратные АИСКГН и системы мониторинга параметров моделей ЛЭП, обеспечивающие повышение бесперебойности и эффективности эксплуатации линий электропередачи и энергосистем в целом.

6. На основе теоретического анализа зависимости потерь мощности от потока реактивной мощности по ЛЭП обоснован новый подход к управлению режимом линий электропередачи с помощью устройств FACTS на базе информации PMU-устройств, обеспечивающий для ЛЭП-330 кВ и выше существенный эффект в снижении потерь энергии.

7. Анализ возможностей современных информационных систем и устройств управления режимами электрических сетей позволил обосновать схему системы управления электропередачей, обеспечивающей повышение экономичности и надежности ее работы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Степанова, A.A. О составляющих потерь мощности в линиях электропередач. [Текст] / A.A. Степанова, В.И. Маругин, A.C. Степанов // Вестник СевКавГТУ. -2010. - №3 (24). - С. 105-108.

2. Степанова, A.A. Мониторинг гололедообразования на проводах воздушных ЛЭП путем идентификации ее электрических параметров. [Текст] / A.A. Степанова, Ю.Г. Кононов // Вестник СевКавГТУ. - 2012. - №4 (33). - С.54-58.

3. Степанова, A.A. Диагностика состояния ЛЭП на основе идентификации удельных электрических параметров. [Текст] / A.A. Степанова, Ю.Г. Кононов // Известия вузов. Электромеханика. - 2013. - № 1. - С. 56-57.

4. Степанова, A.A. О возможности снижения потерь энергии в ЛЭП путем регулирования потока реактивной мощности. [Текст] / A.C. Степанов, A.A. Степанова, P.A. Калина, М.А. Калина // Известия вузов. Электромеханика. -2014.-№3.-С. 9-12.

Статьи в других изданиях:

5. Степанова, A.A. Универсальные формулы для расчета потерь мощности в линиях электропередач. [Текст] / A.A. Степанова, В.И. Маругин, A.C. Степанов // Материалы XXXIX научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2009 г. -Ставрополь: изд. СевКавГТУ. -2010 - С. 68-69.

6. Степанова, A.A. Анализ составляющих потерь мощности в линиях электропередачи. [Текст] / A.A. Степанова, В.И. Маругин, A.C. Степанов // Материалы XIV региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». Том 1. Естественные-и точные науки. -Ставрополь: изд. СевКавГТУ. - 2010,- С. 109-110.

7. Степанова, A.A. Расчет потерь энергии в линиях электропередачи. [Текст] / A.A. Степанова, Ю.Г. Кононов, A.C. Степанов // Материалы XVI Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность».- Томск: Изд. ТПУ. - 2010.- С. 19-21.

8. Степанова, A.A. Потери мощности и энергии в линиях электропередачи. [Текст] / A.A. Степанова, Ю.Г. Кононов, A.C. Степанов // Сборник трудов VI Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов».- Благовещенск: Изд. АмГУ. - 2011 - С. 276-278.

9. Степанова, A.A. Постановка задачи идентификации параметров линии электропередач. [Текст] / A.A. Степанова // Материалы II международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика», т.1 Естественные и технические науки. — Ставрополь: Изд. СевКавГТУ. -2011.-С. 205-207.

10. Степанова, A.A. Формулы для определения потерь мощности и энергии в ЛЭП на основе уравнений длинной линии. [Текст] / A.A. Степанова // Материалы XV региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». Том 1. Естественные и точные науки.Ставрополь: Изд. СевКавГТУ. - 2011.- С. 22-23.

11. Степанова, A.A. Определение параметров линии электропередачи на основе уравнений длинной линии. [Текст] / A.A. Степанова, К.А. Завилевский // Материалы VI международной молодежной научной конференции «Научный потенциал XXI века», т.1. Естественные и технические науки. Ставрополь: Изд. СевКавГТУ.-2012.-С. 107-111.

12. Степанова, A.A. Идентификация параметров линии электропередачи. [Текст] / A.A. Степанова, К.А. Завилевский // Материалы XLI научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2011

год, т. 1 Естественные и точные науки. - Ставрополь: Изд. СевКавГТУ. - 2012. - С. 85-88.

13. Степанова, A.A. Алгоритм решения задачи идентификации удельных параметров линии электропередачи. [Текст] / A.A. Степанова, Ю.Г. Кононов // Материалы XVIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность».- Томск: Изд. ТПУ. -2012,-С. 114-117.

14. Степанова, A.A. О влиянии потока реактивной мощности на потери активной мощности в ЛЭП. [Текст] / A.A. Степанова, P.A. Калина, Ю.Г. Кононов, A.C. Степанов // Сборник трудов VII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов».- Благовещенск: Изд. АмГУ. - 2013. - С. 234239.

Личный вклад. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат: в [1, 5, 6, 7, 8] - вывод основных выражений, [2, 3, 11, 12, 13] - постановка задачи, формулировка требований, в [4, 14] - идея подхода, математические выкладки, обработка результатов исследований. Общий объем текста, написанный в публикациях лично автором, составляет 2,0 п. л.