Все меры снижения потерь и повышения эффективности электроснабжения подразделяются на три группы [1]:
- технические мероприятия, направленные на реконструкцию, модернизацию и строительство сетей;
- мероприятия по совершенствованию учета электроэнергии;
- организационные мероприятия по совершенствованию эксплуатационного обслуживания электрических сетей и оптимизация их схем и режимов.
Первое направление эффективно только при проектировании и строительстве новых сетей. Второе направление связано с внедрением АСКУЭ, которое все шире внедряется в настоящее время в электроэнергетических сетях, и связано с учетом и контролем расходования электроэнергии в текущий момент времени или за определенный промежуток времени, т.е. осуществляется фиксация потерь в линии.
Наиболее перспективным направлением является третий путь, который связан с совершенствованием системы эксплуатации и оптимизации схем распределительных сетей и их режимов на основе информационной системы мониторинга и прогнозирования параметров распределительных электроэнергетических сетей.
Основной задачей информационной системы является оптимизация потерь электрической энергии в распределительных сетях за счет перераспределения энергетических потоков по линиям электропередач.
Известно [2, 6], что перераспределение тока по параллельным ветвям с одинаковыми значениями сопротивлений линий вдвое снижает суммарные потери электроэнергии в цепи.
Поэтому суть оптимизации потерь сводится к перераспределению потоков электроэнергии по различным линиям электропередач для электроснабжения одного потребителя в пиковые моменты нагрузки в соответствии с графиком нагрузок.
В настоящее время существуют методики расчета электрических потерь в линиях электропередач [1, 7, 5, 8], которые сводятся к расчету постоянных потерь, не зависящих от тока в линии и нагрузочных потерь в фиксированные моменты времени.
Перспективным направлением оптимизации электрических потерь является создание интеллектуальных электрических сетей Smart Grid, под которыми понимается комплекс электрооборудования, подключенных к источникам и потребителям, использующих новые принципы, технологии передачи и управления потоками электроэнергии [4, 9]. При создании таких сетей предполагается объединение на технологическом уровне электрических сетей, потребителей и производителей электроэнергии в единую автоматизированную систему, обладающую свойствами прогнозирования, самодиагностики, самовосстановления и способностью управлять перераспределением потоков электрической энергии в зависимости от графиков нагрузок потребителей.
Для создания единой интеллектуальной системы необходимо создать единое информационное пространство на отдельных территориях - так называемые энергокластеры.
С точки зрения информационной системы мониторинга и прогнозирования параметров распределительных электроэнергетических сетей энергокластер - это отдельный территориальный участок распределительной сети с элементами преобразования и передачи электроэнергии и компьютерная сеть для обработки, хранения и передачи информации о параметрах электроэнергии и их прогнозирования по соответствующим алгоритмам.
Для оценки влияния параметров сети на её энергетические показатели необходимо разработать аналитическую модель энергокластера распределительной сети. На рисунке 1 представлен пример энергокластера, состоящего из линий электропередач различного напряжения, двухобмоточных и трехобмоточных трансформаторов и пяти потребителей электроэнергии, характеризующимися соответствующими графиками нагрузки.
Для разработки аналитической модели энергокластера необходимо отдельные элементы распределительной сети представить их эквивалентными схемами.
При разработке эквивалентных схем отдельных элементов и межрегиональной распределительной сети в целом сделаем следующие допущения:
- все сети с глухозаземленной нейтралью, а, следовательно, все ветви связаны между собой нулевым проводом;
- нагрузка по всем фазам симметричная, поэтому расчет ведется для одной фазы;
- частота сети не изменяется, а, следовательно, индуктивные сопротивления постоянны;
- потери холостого хода для всех режимов работы постоянны;
- емкостная энергия, наводимая коронным разрядом, постоянная;
- потери холостого хода и емкостная энергия учитываются при анализе потерь в сети как постоянные величины на своих участках.
В межрегиональных распределительных сетях большинства районов России протяженность линий электропередач между трансформаторными подстанциями и потребителями не превышает 80 - 100 км. Поэтому при построении аналитической модели сети распределенности параметров можно не учитывать и использовать сосредоточенные параметры активного и реактивного сопротивления линии Rл и Xл [10].
Эквивалентное активное сопротивление определяется по формуле
Rл =roL, (1)
где ro - удельное сопротивление, Ом/км, при температуре провода +20oC, определяемое по таблицам в зависимости от поперечного сечения;
L - длина линии, км.
Рисунок 1. Пример принципиальной схемы энергокластера
При температуре провода, отличной от 20 oC, сопротивление линии уточняется [8] в соответствии с выражением
, (2)
где R20 - стандартное справочное сопротивление провода сечением F, мм2 при температуре tп = 200 С;
tB - температура окружающего воздуха, oC;
j - плотность тока в проводе А/мм2 за расчетный период.
При отсутствии данных о средней плотности тока за расчетный период принимают расчетное значение j = 0,5A/мм2 [1].
Реактивное сопротивление определяется выражением
Xл=xoL, (3)
где xo - удельное реактивное сопротивление, Ом/км.
При расчетах симметричных режимов (принятые допущения) используют средние значения xo [8]
Ом/км, (4)
где rпр - радиус провода, см;
- среднегеометрическое расстояние между фазами, см;
DAB, DBC, DCA - расстояния между проводами фаз А, В и С соответственно.
Емкостная проводимость линии Bл, обусловленная емкостями между проводами разных фаз и емкостью провод-земля для сетей 110-220 кВ, учитывается как реактивная мощность, генерируемая емкостью линий [1]. Половина емкостной (зарядной) мощности линии в Мвар определяется выражением
, (5)
где UФ фазное напряжение, кВ;
Ib - емкостной ток на землю.
С учетом вышеизложенного схема замещения линий электропередач представляется схемой, представленной на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема замещения линии электропередач
Для воздушных линий напряжением 35 кВ и ниже емкостную мощность можно не учитывать [1].
Потери активной мощности в ЛЭП делятся на потери холостого хода ?РХХ (потери на корону) и нагрузочные потери (на нагрев проводов) ?РН [1]
. (6)
Потери реактивной мощности тратятся на создание магнитного потока внутри и вокруг провода
. (7)
Одним из основных элементов любой распределительной сети являются трансформаторные подстанции, включающие двухобмоточные, трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы. В аналитических моделях используются приведенные трансформаторы [3], у которых обе обмотки приводятся к одному числу витков.
Используя уравнения для приведенного трансформатора [3], реальный трансформатор можно заменить эквивалентной схемой. Наиболее распространенной схемой замещения трансформатора является Т-образная схема замещения. Потери в цепи намагничивания относятся к потерям холостого хода и не зависят от тока нагрузки.
К потерям холостого хода также относятся потери на активном и индуктивном сопротивлениях первичной обмотки ?SМ1
(8)
К потерям холостого хода относятся добавочные потери, которые обусловлены конструкционными и технологическими особенностями сердечника трансформатора и составляют 15-20 % от потерь в стали [3].
С учетом вышеизложенного потери холостого хода будут определяться выражением
. (9)
Исходя из вышеизложенного, двухобмоточный трансформатор можно представить упрощенной схемой замещения, представленной на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема замещения одной фазы двухобмоточного трехфазного трансформатора
На рисунке 3 обозначено: S1 - полная входная мощность фазы, S2 - полная выходная мощность фазы, - активное эквивалентное сопротивление одной фазы трансформатора, - реактивное эквивалентное сопротивление одной фазы трансформатора, ?SХХ - потери холостого хода трехфазного трансформатора.
Потери холостого хода для каждого трансформатора можно взять из паспортных данных или рассчитать из опыта холостого хода [3].
Применяя к трехфазному трехобмоточному трансформатору допущения и методику получения эквивалентной схемы замещения двухобмоточного трехфазного трансформатора, их эквивалентная схема замещения будет иметь вид, представленный на рисунке 4.
На рисунке обозначены: So, Sc, SH - полные мощности обмоток высшего, среднего и низшего напряжения, RTB, RTC, RTH, XTB, XTC, XTH - активные и реактивные сопротивления обмоток высшего, среднего и низшего напряжения, UB, UC, UH - напряжения обмоток высшего, среднего и низшего напряжения.
Рисунок 4. Эквивалентная схема замещения трехфазного трехобмоточного трансформатора (для одной фазы)
На рисунке обозначены: So, Sc, SH - полные мощности обмоток высшего, среднего и низшего напряжения, RTB, RTC, RTH, XTB, XTC, XTH - активные и реактивные сопротивления обмоток высшего, среднего и низшего напряжения, UB, UC, UH - напряжения обмоток высшего, среднего и низшего напряжения.
Для энергокластера, представленного на рисунке 1, эквивалентная схема замещения с учетом эквивалентных схем элементов сети, полученных выше, будет иметь вид, представленный на рисунке 5.
Рисунок 5. Эквивалентная схема энергокластера
Вся эквивалентная схема разбита на ряд последовательных цепей, в каждой из которых протекает характерный ток. Это позволяет упростить расчеты параметров цепи и потери на отдельных участках цепи.
Все электроэнергетические процессы, проходящие в эквивалентной схеме, а также баланс мощностей идентично отражают электроэнергетические процессы и передачу мощностей реальной распределительной сети энергокластера.
В результате исследования предметной области построения аналитической модели межрегиональной распределительной сети для построения информационной системы мониторинга параметров и оптимизации потерь при передаче электроэнергии можно сделать следующие выводы:
- Аналитическую модель межрегиональной распределительной сети целесообразно строить по кластерам, ограниченным территориально, количеством элементов сети и подчиненных определенному административному делению.
- Для построения аналитической модели использовать эквивалентные схемы замещения участков линий электропередач с различными номинальными напряжениями, трехфазными двухобмоточными и трехобмоточными трансофрматорами при равенстве соотношений баланса мощностей в эквивалентной и реальной схемах.
- Передачу электроэнергии к конкретным электроприемникам осуществлять путем перераспределения потоков электроэнергии по различным ветвям сети путем оптимизации потерь в линиях электропередач и элементах сети на основе исследования и анализа аналитической модели межрегиональной распределительной сети.
Рецензенты:
- Шевцов Ю. Д., доктор технических наук, профессор кафедры информатики, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар.
- Сингаевский Н. А., доктор технических наук, профессор кафедры информатики, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар.