автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Технико-экономический анализ городских распределительных электрических сетей с учетом их развития

Введение

1. Общие сведения об электроснабжении городов и задачи научных исследований в работе

1.1. Краткая характеристика литературы по исследованиям оптимального формирования систем электроснабжения городов

1.2. Задачи исследований оптимального формирования распределительной электрической сети города в диссертационной работе

1.3. Выводы

2. Информация, используемая при оптимизации структур и параметров распределительных электрических сетей городов с учетом их развития

2.1. Общая характеристика информации применяемой в работе

2.2. Учет схем построения распределительных электрических сетей городов

2.3. Топологические модели распределительных электрических сетей городов с учетом развития и их характеристики

2.4. Выводы

3. Методика определения показателей, определяющих структуру и топологические характеристики, входящие в технико-экономическую модель распределительных электрических сетей городов

3.1. Исходные положения технико-экономического анализа распределительных электрических сетей городов

3.2. Определение параметров характеризующих структуру и топологию распределительной электрической сети города с учетом ее развития

3.3. Выводы

4. Анализ развития распределительных электрических сетей городов

4.1. Развитие электрических нагрузок потребителей

4.2. Характер развития распределительных электрических сетей городов

4.3. Характер изменения технико-экономических показателей элементов распределительных электрических сетей городов

4.4. Характер изменения стоимости электрической энергии

4.5. Выводы

5. Комплексная оптимизация параметров распределительных электрических сетей городов

5.1. Формирование технико-экономической модели

5.1.1. Технико-экономическая модель кабельных линий низшего напряжения

5.1.2. Технико-экономическая модель трансформаторных подстанций

5.1.3. Технико-экономическая модель кабельных линий среднего напряжения

5.1.4. Комплексная технико-экономическая модель подсистем низшего и среднего напряжений

5.2. Технико-экономические закономерности формирования распределительных электрических сетей городов

5.3. Устойчивость технико-экономической модели

5.4. Определение и выбор оптимальных параметров при практическом проектировании

5.5. Выводы 109 Заключение 111 Литература 114 Приложение 1 120 Приложение 2 125 Приложение

Современное развитие систем электроснабжения городов (СЭСГ) и значимость оптимизационного анализа их структур и параметров определяются ростом количества городов и их населения, развития поселков городского типа, интенсивной динамикой состава и установленной мощности электроприемников вследствие углубления электрификации быта. Перечисленное выше определяет развитие электрических нагрузок, а также постоянное развитие электрических сетей (ЭС) во времени и пространстве. Научно-технический прогресс, а также ужесточающиеся требования к надежности питания потребителей, экономичности и удобству эксплуатации, безопасности обслуживающего персонала, требования экологии стимулируют изменение технических и экономических характеристик электроэнергетического оборудования, материалов, изменение стоимости выработки, передачи и распределения электрической энергии (ЭЭ). Оптимальное развитие сложной динамической СЭСГ требует выполнения научных исследований и их практического осуществления с применением системных методов анализа, с учетом динамики развития всех характеристик оборудования и потребителей.

Длительное время оптимальной системой электроснабжения (СЭС) считалась такая, которая обеспечивала потребителей электроэнергией с минимальными народнохозяйственными затратами (приведенными затратами) при удовлетворении определенных требований к качеству и надежности электроснабжения. Такое понятие оптимальности системы электроснабжения не учитывает такое ее свойство как динамичность, т.е. изменение ее состояния, технических и экономических факторов во времени. Из свойства динамичности следует, что все признаки оптимальности системы также могут изменяться во времени. Иными словами динамическая система с определенным набором параметров может обладать признаками оптимальности только в определенный момент или промежуток времени. Причем набор оптимальных параметров системы для момента и промежутка времени может быть различен.

Таким образом, оценка оптимальности системы электроснабжения должна выполняться на некотором временном отрезке существования системы.

В составе литературы по электроснабжению городов [5, 6, 9, 13 - 20, 25, 27 - 30, 34, 39, 42 - 44, 50, 52 - 57, и др.] существенную часть составляют публикации по оптимизации различных по номинальным напряжениям и составу параметров подсистем. Большая часть данных работ выполнялась на основе технико-экономических моделей (ТЭМ) в форме приведенных затрат при обоснованном составе подсистем. В ряде случаев изучались устойчивость и чувствительность целевых функций и отдельных параметров к изменениям технических и экономических параметров СЭСГ. Выполнен весьма ограниченный объем работ, учитывающих изменение данных параметров во времени, т.е. динамику развития СЭСГ [27, 40].

Приведенные сведения позволяют сформулировать положение об актуальности исследований оптимального формирования и функционирования СЭСГ в целом и распределительных ЭС городов в частности с учетом динамики их развития и, как следствие, сбора и анализа информации о развитии распределительных электрических сетей (РЭС), используемой при проектировании. Необходимость исследований объясняется также тем, что затраты на сооружение и эксплуатацию РЭС городов напряжением 0,38 - 10 кВ имеют наибольший вес в общих капиталовложениях в СЭСГ; указанные сети имеют наибольшую протяженность и непосредственное отношение к потребителям электрической энергии (ПЭ).

Задачами практического проектирования является определение технико-экономически (ТЭ) целесообразной совокупности параметров СЭСГ, обеспечивающих необходимое качество электроснабжения городских потребителей на определенном временном отрезке развития. При проектировании распределительных электрических сетей города (РЭСГ) решаются следующие основные вопросы:

- выбор параметров сети - числа и мощностей трансформаторов трансформаторных подстанций (ТП) 10/0,38 кВ, сечений жил кабелей сетей 0,38 -10 кВ, номинального напряжения сети, транзитных мощностей распределительных пунктов (РП);

- выбор схемы построения сетей 0,38 - 10 кВ - мест расположения РП, и ТП, числа трансформаторов в ТП, числа отходящих линий 0,38 кВ и распределительных линий среднего напряжения (СН), отходящих от ИП.

Каждая РЭСГ имеет индивидуальные особенности. Поэтому ее оптимальные параметры и характеристики для конкретных условий необходимо определять с учетом ее специфики. Это приводит к невозможности полной формализации процесса проектирования. Поэтому целесообразность того или иного варианта сети в значительной степени зависит от грамотности, опыта проектирования и интуиции лица, принимающего решения.

Достаточно равномерное размещение ПЭ по территории жилых районов городов и, в связи с этим, примерно равномерная плотность электрической нагрузки, а также равномерное размещение ТП, сетей до и выше 1000 В создает возможность обобщенного анализа на основе идеализированных топологических моделей. При таком подходе к анализу возможно выявление общих закономерностей изменения ТЭ показателей сети таких, как длина линий СН и низшего напряжений (НН), количество линий СН и НН отходящих от ИП и ТП соответственно, затрат на электрооборудование и возмещение потерь электроэнергии и т.д., в зависимости от параметров ЭС - сечений жил кабелей, мощности подстанций и ИП, принятой схемы электроснабжения потребителей и др. Это дает возможность математически описывать ТЭ закономерности построения РЭСГ, а при пренебрежении дискретностью шкал изменения параметров электрооборудования, получать непрерывные функции изменения этих параметров друг относительно друга. Если задать функцию, согласно которой, предположительно, будет развиваться во времени и по территории города ЭС, то становится возможен учет данного процесса. 7

Вследствие массовости и однотипности застроек с равномерной планировкой городских районов, однотипности применяемого оборудования, возможно применение полученных ТЭ закономерностей между параметрами ЭС при практическом проектировании.

Оптимизация параметров идеализированных ЭС на основе математических моделей (ММ) элементов РЭС, параметров схем системы и ее развития во времени, позволяет значительно сократить объем вычислений связанных с ТЭ сравнением вариантов при практическом проектировании.

В данной работе рассматриваются распределительные сети селитебных территорий городов. Разрабатывается методика, позволяющая ответить на вопросы, возникающие при ТЭ анализе РЭСГ на основе современных критериев оценки эффективности инвестиционных проектов и их отбора для финансирования. Исследования ведутся с учетом развития во времени и пространстве РЭСГ жилых районов для современных и перспективных условий на основе математических моделей указанных сетей.

При написании диссертации, существенную помощь в области применения критерия минимума дисконтированных затрат, оказал проф. Э.Н. Зуев. В связи с указанным, соискатель выражает ему свою признательность.

Основные результаты работы формулируются следующим образом:

1. Разработана методика формирования ТЭМ РЭСГ на основе критерия минимума дисконтированных затрат на сооружение и эксплуатацию ЭЭ с учетом ее развития во времени и по территории города.

2. Показана обоснованность технико-экономического анализа РЭСГ с учетом их развития во времени, на основе современных критериев эффективности инвестиционных проектов т.к. в этом случае возможен учет факторов, не принимавшихся во внимание в ранее существовавшей методике, а именно:

2.1.растянутость во времени: капитальных вложений; издержек на ремонт и обслуживание электрооборудования; затрат на возмещение потерь ЭЭ в элементах ЭС;

2.2.заинтересованность инвестора в минимизации расходов в пределах определенного расчетного срока при норме дисконта, зависящей от состояния экономики в данный период времени;

2.3.учет ликвидационной стоимости электрооборудования на момент окончания расчетного срока;

2.4.изменение стоимости электрооборудования и ЭЭ в пределах расчетного срока.

3. Выполненные исследования позволили:

3.1. выявить факторы, которым при оптимизации формирования РЭСГ следует уделять наибольшее внимание: учет затрат на возмещение потерь ЭЭ, т.к. доля этих затрат значительна и возрастает с увеличением расчетного срока; сроки капитальных вложений в элементы ЭС; величина расчетного срока и нормы дисконта;

3.2.определить характер и диапазоны изменения факторов, определяющих изменение технико-экономических параметров РЭСГ во времени. Развитие нагрузок ПЭ и количество КЛ НН, СН и ТП, могут быть описаны Б -образными зависимостями. При этом нагрузка жилого дома достигает 90 % от расчетной к 1 - 5 году после начала эксплуатации, далее интенсивность увеличения замедляется. Электрическую нагрузку общественных зданий можно принять равной расчетной, начиная с первого года после ввода в эксплуатацию. Продолжительность интенсивной застройки жилого района города изменяется в пределах 7-15 лет и более;

3.3. выявить закономерности оптимального формирования и развития структуры РЭСГ, ее подсистем, узлов и участков линий в новых экономических условиях. На основе которых можно сделать вывод о тенденции к укрупнению ТП и использования кабелей с большим сечением жил, а также подтверждает необходимость выполнения технико-экономического анализа РЭСГ с учетом их развития во времени, на основе современных критериев эффективности инвестиционных проектов.

4. Технико-экономический анализ на основе дисконтированных затрат, подтверждает экономическую обоснованность широкой и глубокой унификации параметров РЭСГ, вследствие большой устойчивости функции дисконтированных затрат. Целесообразно применение кабелей ПН с сечением

Заключение

Проведенные исследования и анализ данных предшествующих исследований, проектирования и эксплуатации показали актуальность учета развития РЭСГ при проведении их технико-экономического анализа. Изменение экономических условий в стране, повлекло за собой пересмотр существовавшей ранее методики технико-экономической оценки вариантов ЭС. Основное отличие новой методики оценки эффективности инвестиционных проектов и их отбора для финансирования от существовавшей ранее, является необходимость учета развития ЭС и ее технико-экономических показателей в течение некоторого расчетного периода. Это потребовало формирования математической модели РЭСГ с учетом ее поэтапного формирования, развития электрических нагрузок ПЭ, технико-экономических показателей электрооборудования и изменения стоимости ЭЭ во времени.

1. Арзамасцев Д.А., Липес A.B. Оптимизационные модели развития электрических сетей энергосистем. Учеб. пособие. - Свердловск, изд. УПИ им. С.М. Кирова, 1987.-72 с.

2. Арзамасцев Д.А., Липес A.B., Мызин А.Л. Модели и методы оптимизации развития энергосистем. Учеб. пособие по курсу «Модели оптимального развития энергетических систем» Свердловск, изд. УПИ им. С.М. Кирова, 1976.- 148 с.

3. Арион В.Д. Оптимизация развития электрических сетей в САПР. Учеб. пособие. Кишинев, КПИ им. С. Лазо, 1987. - 76 с.

4. Арион В.Д., Каратун B.C., Пасинковский П.А. Оптимизация СЭС в условиях неопределенности. Кишинев, Штиинца, 1991. 162 с.

5. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Глазунов A.A., Мрзел Ю.Л. Критериальный анализ иерархической структуры СЭСГ// Труды МЭИ, вып. №242. М.: 1975.-С. 14-21.

6. Астахов Ю.Н., Глазунов A.A., Туфанов В.А., Быков A.B., Власова Т.А., Федосеев A.A. Оптимизация параметров схем ГВ ВН в крупные города методами критериального программирования// Труды МЭИ, вып. №133. -М.: 1972.-С. 97- 103.

7. Бирюков Л.Е. Основы планировки и благоустройства населенных мест и промышленных территорий. Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1978.-237 с. ил.

8. Будзко И.А., Левин М.С. Особенности оптимизационных задач энергетики и методов их решения //Электричество. - 1981. - №3. - С. 1 - 7.

9. Быков В.А., Власова Т.А., Глазунов А.А, Туфанов В.А. Тенденции развития ГВ ВН в СЭС крупных городов// Труды МЭИ, вып. №133. М.: 1972. -С. 92-97.

10. Веников В.А., Будзко И.А., Левин М.С., Блохина Е.Л., Петров В.А. О методах решения многокритериальных оптимизационных задач энергетики с неопределенными величинами //Электричество. 1987. - №2. - С. 1 - 7.

11. Гамазин С.И., Цырук С.А. Сборник заданий для контрольных работ по электрическим сетям и токам короткого замыкания / Под ред. Киреевой Э.А. -М.: Изд-во МЭИ, 1998.-52 с.

12. Глазунов А., Флориан Р., Спиров М. Оптимизиране броя и мощноста на трансформаторите в подстанциите 110/10 20 кВ с отчитане динамиката на нарастване на товара им. - София //Енергетика. - 1983. - №2.

13. Глазунов A.A. Системный метод оптимизации структур и параметров электроснабжения городов. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. -М.: МЭИ, 1981.

14. Глазунов A.A. Условия и критерии оптимизации структур и параметров СЭСГ// Труды МЭИ, вып. №605. -М.: 1983. С. 9 - 14.

15. Глазунов A.A., Кузнецова Т.А., Федосеев A.A. Оптимизация мощности понижающих подстанций ИП СЭСГ// Труды МЭИ, вып. №484. М.: 1980. -С. 8- 14.

16. Глазунов A.A., Уткина Е.Г. Анализ оптимальных мощностей глубоких вводов 110 220 кВ в системах электроснабжения крупных городов //Вестник МЭИ. - 1998. - № 5.

17. Гордиевский И.Г., Лордкипанидзе В.Д. Оптимизация параметров электрических сетей. -М.: Энергия, 1978. 144 с.

18. ГОСТ 13109 97 Нормы качества электроэнергии у ее приемников, присоединенных к сетям общего назначения. - М.: Изд-во стандартов, 1997.

19. Дале В.А. Кришан З.П. Паэгле О.Г. Динамическая оптимизация развития электрических сетей. Рига.: Зинатне, 1990.-248 с.

20. Зорин В.В. Моделирование и оптимизация режимов электрических сетей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. -М.: МЭИ, 1983.

21. Зорин В.В., Экель П.Я. Управление развитием и функционированием СЭС. В помощь лектору и специалисту. УССР. Киев.: Общество знание, 1986. -20 с.

22. Зорин. В.В., Перепеченный А.Т., Дубров В.А. Определение наивыгоднейшего соотношения затрат на ТП и сеть 0,4 кВ с учетом динамики роста нагрузок// Сб. «Опыт проектирования систем электроснабжения городов». -Д.:Энергия, 1973. С. 62 - 66.

23. Зуев Э.Н. Определение границ экономических токовых интервалов на основе дисконтированных затрат. //Вестник МЭИ. 2000. - №4. - С. 75 - 77.

24. Зуев Э.Н. Определение экономической плотности тока на базе критерия минимума дисконтированных затрат. //Вестник МЭИ. 2000. - №3. - С. 59 -61.

25. Илларионов Г.А.,Файбисович Д.Л., Шапиро И.М. Принципы построения систем электроснабжения крупнейших городов страны. //Электрические станции. 1986. - №1. - С. 62-66.

26. Инструкция по проектированию городских электрических сетей. РД 34.20.185 -94. М.:Энергоатомиздат, 1995.-48 с.

27. Карпов Ф.Ф. Расчет городских распределительных электрических систем. М.: Энергия, 1968. - 223 с.

28. Козлов В.А. Городские распределительные электрические сети. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.:Энергоиздат, 1982. -224 е., ил.

29. Козлов В.А. Городские распределительные электрические сети. -Л.:Энерия, 1971. 280 е., ил.

30. Кузнецова Т.А. Оптимизация структуры и основных параметров ГВ ВН СЭСГ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -М.: МЭИ, 1980.

31. Лазарев И.А., Балузин В.М., Травкин A.A. К вопросу оптимального проектирования электроэнергетических систем// Труды МЭИ, вып. №486. М.: 1980.-С. 44-51.

32. Левин М.С., Лещинская Т.Б. Методы теории решений в задачах оптимизации СЭС. Учеб. пособие /Под ред. акад. Васхнил, И.А. Будзко М.: ВИПКэнерго, 1989. - 130 с.

33. Лещинская Т.Б. Развитие СЭС напряжением 10 110 кВ сельских районов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: МИИСП им. В.П. Горячкина, 1990.

34. Лордкипанидзе В.Д., Макаров С.Ф., Синьчугов Ф.И. Оценка надежности городских электрических сетей //Электрические станции. 1984. - №5. - С. 53 - 56.

35. Мелентьев Л.А. Оптимизация развития и управления больших систем энергетики. Учеб. пособие 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк. 1982. - 319 е., ил.

36. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. М.: Экономика, 2000.

37. Мрзел Ю. Технико-экономический анализ и оптимизация основных параметров электрических сетей систем электроснабжения города. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МЭИ, 1975.

38. Мушик Э., Мюллер П. Методы принятия технических решений.: Пер. с нем. М.: Мир, 1990. - 208 е., ил.

39. Нгуен Динь Хао Разработка вероятностных моделей и комбинаторных методов анализа и оптимизации систем электроснабжения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МЭИ, 1987.

40. Нгуен Динь Хао Учет динамики развития при выборе сечений проводов и кабелей распределительной сети// Труды МЭИ, вып. №554. -М.: 1981. С. 37-41.

41. Отчет по НИР Разработка оптимальной структуры питающих и распределительных сетей СЭС г. Москвы и Московской области на период до 2010 года. М.:МЭИ, 1989.

42. Отчет по НИР Технико-экономические показатели схем ГВ 110 220 кВ в крупные города. - М.:МЭИ, 1972.

43. Попов В.А. Оптимизация эксплуатационных режимов систем электроснабжения городов с учетов фактора неопределенности. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Киев. 1985.

44. Пособие по проектированию городских и поселковых электрических сетей (к ВСН 97-83)/ Гипрокоммунэнерго, МНИИТЭП. М.: Стройиздат, 1987. -208 с.

45. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 392 е., ил.

46. Правила устройства электроустановок 6-е изд. перераб. и доп. /Министерство топлива и энергетики. - М.:Главгосэнергонадзор, 1998. -607 с.

47. Рокотян И.С., Федоров Д.А. Оптимизация режимов автоматизированных энергетических систем. Учеб. пособие по курсу «Применение методов ма-таматического программирования для выбора оптимальной конфигурации сети.-М.: МЭИ, 1980.

48. Спиров М. Прогноза за консумацията на електрически енергия и за върхо-вите товара за коммунально-битови нужди до 1980 г. София //Енергетика. - 1970. - №1.

49. Спиров М., Боцов Н. Електрически разпределителни мрежи. София.: Техника, 1974.

50. Федосенко Р.Я. Надежность электроснабжения и электрические нагрузки. М.: Энергия, 1967. - 160 е., ил.

51. Флориан Р. Комплексная условно-динамическая оптимизация параметров и развития ГВ СЭС крупного города. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МЭИ, 1983,

52. Фришберг P.M., Шапиро И.М. Основные направления развития электрических сетей в Польской Народной Республике.// Энергохозяйство за рубежом. 1986. - №5. - С. 20-24.

53. Чинакаева Н.С., Леонова Э.Г. Вопросы экономики в дипломных проектах по электроэнергетике / Под ред. H.H. Кожевникова. М.: МЭИ, 1989. - 46 с.

54. Шаруф Сумайя Многокритериальная оптимизация параметров городских РЭС при неопределенности исходной информации. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МЭИ, 1993.

55. Шевченко Ж.И., Власова Т.А., Глазунов A.A. Вероятностные характеристики токов К.З. в городских электрических сетях и применение этих характеристик в технико-экономических исследованиях СЭСГ// Труды МЭИ, вып. №133. -М.: 1972. С. 103 - 108.

56. Экель П.Я. Модели и методы оптимизации параметров и управления режимами систем электроснабжения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Киев. 1990.

57. Электрические системы. Кибернетика электрических систем/ Ю.Н. Астахов, В.А. Веников, Ю.М. Горский и др.; Под ред. В.А. Веникова. М.: Высш. шк., 1974.

58. Я к Ь-ц к1/4к5/2а5/2¥7/4пк Уи.укд.А.1<этДэкз пр.л тп гп Ркз.и Ьг'=0е(а0 ~а1 /(1+1'+ДИ)) е(а0 -а, /(г'+АЙ))0,7еа00 ац