Реферат: Реферат наукової праці

РЕФЕРАТ

наукової праці

«Методи і засоби зменшення втрат електроенергії в електроенергетичних системах від власних, взаємних і транзитних перетікань»

авторів Бурикіна О.Б., Комара В.О., Леська В.О., Рубаненко О.О.


У електроенергетичних системах (ЕЕС), об’єднаних на паралельну роботу міжсистемними зв’язками, спостерігається взаємовплив їх режимів. Через неоднорідність електричних мереж ЕЕС взаємовплив режимів негативно відображається на перетоках потужностей між сусідніми системами (взаємні зовнішні перетоки), на перетоках між електричними мережами різної напруги розглядуваної системи (взаємні власні перетоки), а також на наскрізних (транзитних) перетоках потужності електричними мережами (транзитні перетоки). Одним з наслідків взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС є додаткові втрати електроенергії.

Зі змінами в структурі енергетичної галузі та переходом на інший рівень функціонування з’явились нові і загострилися існуючі проблеми. Зокрема це стосується проблем транспортування та розподілу електроенергії. На сьогодні технологічні витрати електроенергії під час її транспортування та розподілу в мережах України внаслідок різних об’єктивних та суб’єктивних причин зросли і майже вдвічі перевищують аналогічні показники західних країн.

Суттєву економію енергоресурсів в процесі експлуатації ЕЕС можна забезпечити за рахунок впровадження електроощадних заходів та оптимального керування їх нормальними режимами. Однією з умов забезпечення ефективності заходів по зменшенню втрат електроенергії є їх структурування за причинами, що зумовлюють їх понаднормативні значення, та за приналежністю їх окремим суб’єктам господарювання. Для розв’язання цієї задачі необхідні відповідні методи виділення складових втрат потужності в електричних мережах енергосистем, в тому числі викликаних взаємними і транзитними перетоками, та розподілу їх між учасниками енергообміну з метою подальшого аналізу і прийняття оптимальних рішень щодо їх зменшення.

На сьогоднішній день розроблено ряд методів виділення та розподілу складової втрат потужності, що пов’язана з взаємовпливом режимів ЕЕС: пропорційні методи, що базуються на припущенні про рівні внески у втрати в ЕЕС вузлів генерування і споживання; граничні методи, що базуються на коефіцієнтах приросту втрат потужності залежно від зміни навантаження у вузлах; дольові методи, що базуються на визначенні потокорозподілу та лінеаризованому розподілі втрат від кожного учасника енергообміну.

Однак, наявні методи розподілу втрат потужності для дослідження взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС не завжди ефективні та не задовольняють сучасним вимогам, оскільки вони не дозволяють виділити втрати від окремого власного, взаємного або транзитного перетоку електроенергії та часто базуються на припущеннях, що зменшують їх точність. Підвищення адекватності аналізу додаткових втрат від взаємних і транзитних перетоків потужності та створення ефективної системи керування ними, дозволить скористатись наявними регулюючими пристроями (РП) для компенсації негативних проявів взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС, що забезпечить передумови підвищення якості їх експлуатації, в тому числі, в темпі процесу.

Метою наукової праці є розробка методів та засобів аналізу взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС і зменшення втрат електроенергії від взаємних і транзитних перетоків потужності в них. Досягається мета за рахунок підвищення ефективності заходів щодо зменшення втрат потужності в неоднорідних електричних мережах шляхом врахування чутливості параметрів режиму до збурень у вузлах ЕЕС, а також розробки математичних моделей якості функціонування систем оптимального керування режимами ЕЕС для підвищення ефективності їх експлуатації.

Характеристика результатів наукової праці.

Рівень енергоспоживання, ощадне використання електроенергії на сьогодні є одним з визначальних факторів в економіці будь-якої країни, надто країни, де наявний гострий дефіцит енергоносіїв.

Зміни, які відбулися в енергетиці України за останні роки, зв’язані, перш за все, з ринковою орієнтацією всього енергетичного сектора, виявили пріоритетність і актуальність досліджень, направлених на розв’язання задач з енергозбереження на новому якісному рівні. І однією з актуальних, з погляду зниження втрат електроенергії в ЕЕС, є завдання оперативного моніторингу і мінімізації втрат активної потужності під час її передачі та розподілу. Зокрема, важливість цієї задачі зростає з переходом до електропостачання за двосторонніми угодами і з впровадженням нової моделі ринку – балансуючого ринку.

Першопричиною неоптимальності режимів ЕЕС і, як наслідок, додатко­вих втрат електроенергії в них є неоднорідність як конструктивний параметр.

Оптимізація режимів неоднорідної ЕЕС може здійснюватись шляхом лі­квідації першопричини, тобто зниженням міри неоднорідності за рахунок спрямованого коригування параметрів пасивних елементів ЕЕС (реконстру­кція ліній, введення пристроїв повздовжньої компенсації), або шляхом примусової корекції струморозподілу на етапі експлуатації існуючих мереж за допомогою наявних пристроїв керування (трансформаторів з РПН, воль­тододаткових трансформаторів (ВДТ), крос-трансформаторів, джерел активної і реактивної потужності, тощо).

Проблема коригування неоднорідності, а відповідно взаємних і транзитних перетоків потужності, може вирішуватись шляхом формування узагальнених залежностей на основі оцінок чутливості втрат активної потужності у вітках її схеми до збурень у вузлах у вигляді законів керування з використанням теорії подібності. Розрахунок та реалізація таких керувальних впливів можливі з використанням апаратного забезпечення автоматизованих систем диспетчерського керування (АСДК) та оперативно-інформаційного комплексу (ОІК) ЕЕС в темпі процесу.

Тому в роботі розроблено метод визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності з лінійним представленням навантаження і використанням результатів розрахунку усталеного режиму. Сформульовано умови оптимальності взаємних і транзитних перетоків потужності в ЕСС з урахуванням коефіцієнтів трансформації регулювальних трансформаторів. На їх підставі, з використанням узагальнюючих методів теорії подібності, отримано вирази для визначення зрівнювальних е.р.с., введення яких в замкнені контури схеми забезпечує оптимальність взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС.

Вдосконалено метод визначення коефіцієнтів чутливості втрат потужності у вітках електричних мереж ЕЕС до збурень у вузлах та показано, що чутливість втрат потужності у вітках залежить від параметрів системи, її топології, значень напруги у вузлах, а також розрахункових умов, зокрема вибору балансувального вузла.

Під час формування узагальнених залежностей необхідно враховувати ту обставину, що кінцевий техніко-економічний ефект від управління станами ЕЕС визначається результатами пра­ктичної реалізації оптимальних станів, які в свою чергу залежать від рівня готовності регулюючих пристроїв (РП) до виконання задач оптимального керування. Тому необхідно визначити критерій, за яким можна було б робити висновки щодо стану готовності РП до виконання визначених для них задач і на основі якого можна було б обґрунтувати допустиму інтенсивність їх роботи під час практичної реалізації результатів оптимальних розрахунків. Таким критерієм може бути якість функціонування.

В роботі показано схожість математичного моделювання марковських процесів та критеріального моделювання. На основі чого побудовано математичні моделі якості функціонування РП з використанням принципів критеріального програмування.

Розроблені теоретичні засади визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності дозволяють для заданої частини електричної мережі визначати втрати потужності від окремих вузлів навантаження, що належать іншій частині мережі. Це дозволяє сформулювати умови оптимальності власних, взаємних і транзитних перетоків. Вдосконалити закони оптимального керування ними та мінімізувати додаткові втрати від взаємних і транзитних перетоків в електричних мережах, об’єднаних на паралельну роботу в ЕЕС.

Впровадження розроблених алгоритмів оцінки взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС за критерієм додаткових втрат, реалізованих в програмному комплексі аналізу чутливості та оптимізації нормальних режимів ЕЕС (АЧП) дозволяє додатково знизити втрати електроенергії в ЕЕС за рахунок більш ефективного використання наявних регулювальних пристроїв і раціональних алгоритмів на 0,3–0,6%, а в деяких мережах нижчої напруги на 20–30%.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у такому:

– встановлено залежність втрат потужності, зумовлених взаємними і транзитними перетоками в ЕЕС, від неоднорідності електричних мереж, що може бути використано для підвищення ефективності оптимального керування нормальними режимами ЕЕС і зменшення в них додаткових втрат електроенергії;

– вперше розроблено метод визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності з лінійним представленням навантаження і використанням результатів розрахунку усталеного режиму, що дозволяє визначити втрати потужності у вітках електричної мережі від навантажень заданих вузлів, які можуть належати іншій електричній мережі;

– сформульовано умови оптимальності взаємних і транзитних перетоків потужності в ЕЕС, що дозволило вдосконалити метод визначення оптимізуючих впливів в системі автоматичного керування потоками потужності і напругою в ЕЕС;

– встановлено залежність результатів компенсації негативного впливу збурень в неоднорідних електричних мережах від розрахункових умов, яка може бути використана для оптимізації режимів електричних мереж і зменшення в них додаткових втрат електроенергії;

– розвинуто метод визначення коефіцієнтів чутливості втрат потужності у вітках електричних мереж ЕЕС до збурень у вузлах, що дозволяє відповідним чином ранжувати вітки та з більшою ефективністю проводити заходи щодо зменшення втрат електроенергії при її транспортуванні і розподілі;

– вперше розроблена натурно-імітаційна модель для оцінки чутливості втрат потужності в електричних мережах, яка на відміну від відомих використовується для коригування дій системи автоматичного керування у відповідності зі збуреннями в ЕЕС, в тому числі зі зміною транзитних перетікань, що дозволило вдосконалити систему оптимального керування потоками потужності й напругою в ЕЕС;

– показана можливість використання подібності моделювання марковських процесів та критеріального моделювання для побудови математичних моделей оцінки якості функціонування систем керування;

– вперше запропонований метод математичного моделювання якості функціонування систем оптимального керування, використовуючи схожість математичних моделей марковських процесів та критеріального моделювання, що дозволяє отримати критеріальні моделі відмов та якості функціонування для врахування рівня надійності регулюючих пристрої під час оптимального керування станами динамічних систем;

– сформульовані квазіумови оптимальності задачі критеріального програмування, використання яких дозволило вдосконалити метод визначення вектора оптимальних значень критеріїв подібності в задачах великої розмірності;

– розроблений метод використання отриманих математичних моделей для врахування якості функціонування пристроїв регулювання напруги під час оптимального керування, що дозволило підвищити якість електроенергії і зменшити її втрати в електроенергетичних системах;

– вперше запропоновано метод оптимального керування нормальними режимами ЕЕС з використанням засобів теорії подібності, що на відміну від відомих базується на нейро-нечіткому моделюванні критеріїв подібності, що дозволяє підвищити ефективність прийняття оптимальних рішень.

Практична значимість одержаних результатів полягає в такому. На основі методу визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності розроблено алгоритми визначення додаткових втрат потужності від взаємних і транзитних перетоків як наслідку взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС та вдосконалено систему автоматичного керування потоками потужності і напругою в ЕЕС. А саме:

– розроблено алгоритми визначення додаткових втрат потужності, зумовлених взаємними і транзитними перетоками в електричних мережах ЕЕС, з метою аналізу і оцінки їх впливу на режими роботи системи;

– розроблено алгоритм формування законів оптимального керування та керувальних впливів локальної системи автоматичного керування (САК) потоками потужності і напругою в ЕЕС;

– розроблено алгоритм прийняття оптимальних рішень щодо керування взаємними і транзитними перетоками потужності в ЕЕС, який дозволяє підвищити ефективність роботи систем оперативно-диспетчерського керування за рахунок врахування взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС.

– з використанням матриці коефіцієнтів чутливості розроблено алгоритми визначення додаткових втрат потужності у вітках при збуреннях у вузлах та при зміні розрахункових умов, зокрема, балансуючого вузла як наслідку взаємовпливу режимів неоднорідних електричних мереж ЕЕС.

– розширенні можливостей математичного моделювання шляхом використання подібності моделювання марковських процесів та критеріального моделювання, що дозволило отримати математичні моделі якості функціонування систем автоматичного керування і врахувати її під час розв’язання задач оптимального керування станами динамічних систем, і електроенергетичної системи зокрема

Одержані результати є готовими для використання у вигляді програмних блоків та знайшли практичне застосування в Південно-Західній електроенергетичній системі.

Інша інформація, яка характеризує роботу. Загальна кількість публікацій авторів за тематикою роботи в фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України – 39, деклараційних патенти на корисну модель – 2, свідоцтв про реєстрацію авторського права на твір – 2, монографій – 3. Загальна кількість посилань на членів авторського колективу наукової праці у пошуковій системі http://scholar.google.com/ складає 7.

В результаті виконання наукової праці захищено 3 кандидатські дисертації, 1 кандидатську дисертацію підготовлено до захисту.

Отримані результати пройшли апробацію та обговорювалися на 19 міжнародних науково-технічних конференціях в Україні та за її межами. Результати обговорення теми «Методи і засоби зменшення втрат електроенергії в електроенергетичних системах від власних, взаємних і транзитних перетікань» відображені в збірниках «Енергетика: проблеми і перспективи. Погляд громадськості» №3 2006 р, №4 2007 р, №8 2009 р.

Порівняння з кращими вітчизняними та зарубіжними аналогами.

Залежно від використаних припущень та наближень всі доступні методи розподілу втрат на передачу потужності можуть бути виокремленні у групи методів, заснованих на: пропорційному розподілі, приростах втрат на передачу потужності, дольовому розподілі, формулі втрат потужності та теорії кіл.

Методи пропорційного розподілу (Pro Rata) базуються на припущенні про рівні внески у втрати мережі джерел енергії і споживачів. Дані методи, як правило, не враховують особливості потокорозподілу та структуру електричної мережі. В наш час така техніка використовується у країнах Великобританії, Іспанії та Бразилії;

Методи, основою яких є коефіцієнти приросту втрат на передачу потужності (Incremental transmission loss (ITL) coefficients) використовують чутливість втрат потужності до зміни генерування та навантаження вузлів. Деякі модифікації цієї методології розподіляють втрати між вузлами генерування з врахуванням зустрічних перетоків потужності, тобто результати отримані на основі даної методології можуть набувати негативних значень. Ця методологія використовується у Норвегії та частково у Бразилії.

Дольовий розподіл (Proportional Sharing) базується на розподілі втрат потужності у вітці електричної мережі відповідно до внеску кожного окремого джерела енергії (навантаження) або виділеної електричної мережі у загальний переток потужності в цій вітці. Результати розрахунків не залежать від вибору балансуючого вузла та завжди мають позитивні значення. На базі даної методики втрати потужності не можуть бути розділені одночасно між вузлами генерування та споживачами, тобто відповідальність за втрати потужності переноситься та розподіляється між суб’єктами енергоринку, що одночасно або постачають або споживають електроенергію.

Методи засновані на формулі втрат потужності та теорії кіл з’явились порівняно недавно. Дані методи використовують математичну модель електричної мережі для визначення системних втрат, як функції суми квадратів струмів, з їх подальшим розподілом та нормалізацією. Існують методи, що використовують матрицю вузлових опорів для так званого “природного розподілу” втрат потужності між вузлами ЕЕС та методи засновані на принципі суперпозиції.

Але для розв’язання зазначеної задачі, яка пов’язана зі значними обчислювальними та часовими обмеженнями, використовувані методи не дозволяють отримувати точні результати в темпі процесу.

Отже, розробка ефективного методу та математичної моделі для аналізу взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС та вдосконалення на її основі системи оптимального керування потоками потужності в ЕЕС є актуальною задачею.

В роботі розроблено метод визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності з лінійним представленням навантаження і використанням результатів розрахунку усталеного режиму, що дозволяє визначити втрати потужності у вітках електричної мережі від навантажень заданих вузлів, які можуть належати іншій електричній мережі. Розроблений метод розподілу втрат потужності дозволяє кількісно оцінити втрати від взаємних і транзитних перетоків потужності, а наявність у виразах коефіцієнтів трансформації дозволяє оцінити ефект від оптимального керування за критерієм додаткових втрат електроенергії в електричних мережах.

Впровадження результатів наукової праці. Результати наукової праці впроваджені у Південно-Західній електроенергетичній системі. Використання результатів наукових досліджень дозволяє узгодити задачу оптимального керування нормальними режимами ЕЕС з наявними способами регулювання перетоків потужності та напруги за локальними параметрами. Очікується, що доповнення програмного комплексу аналізу чутливості та оптимізації втрат потужності (АЧП) програмою формування законів оптимального керування транзитними та взаємними перетоками в ЕЕС дозволить підвищити ефективність використання трансформаторів з РПН і додатково знизити втрати електроенергії в мережах енергосистеми на 0,5-0,7%.

На основі результатів роботи та виконаних техніко-економічних розрахунків у напрямку забезпечення ефективності експлуатації розподільних електричних мереж фахівцями ВАТ «АК Вінницяобленерго» було розроблено та впроваджено низку електроощадних заходів, що дозволили забезпечити зниження звітних втрат по компанії в цілому до рівня нормативних. Використання вказаних результатів дозволило за рахунок прийняття більш обґрунтованих рішень, підвищити ефективність зменшення технічних втрат електроенергії у Вінницьких міських електричних мережах на 4–9%.

Працездатність розроблених алгоритмів та їх програмної реалізації підтверджена шляхом дослідної експлуатації в ВАТ „ЕК Харківобленерго”. Впровадження даних програм дозволило, за рахунок підвищення точності розрахунку змінних втрат електроенергії та оцінки їх чутливості, обґрунтовано зменшити капітальні витрати, пов’язані з впровадження заходів по зменшенню втрат електроенергії на 20 %.

Метод, алгоритми та програми визначення втрат потужності від взаємних і транзитних перетоків потужності у електричних мережах об’єднаної ЕЕС та формування оптимізуючих керуючих впливів окремими регулюючими пристроями (РП) на нормальні режими ЕЕС використовуються в дисциплінах “Електроощадні режими та технології” та “АСУ електричних систем”, що читаються на кафедрі електричних станцій та систем. Програми, що реалізують розроблені в дисертації алгоритми, використовуються в лабораторному практикумі в названих курсах та в дипломному проектуванні.

Обсяги впровадження наукової праці. Результати наукової праці впроваджено на ПЗЕС, підпорядкованого Міністерству палива та енергетики України.

Розроблені теоретичні положення та практичні результати знайшли застосування у навчальному процесі Вінницького національного технічного університету.

За тематикою наукової праці було виконано дослідження за пріоритетним напрямом розвитку науки в Україні виконаних на державне замовлення. 3 фундаментальні праці загальним обсягом більше 300000 тисяч гривень за держбюджетними темами “Розробка критеріїв оцінки і способів аналізу чутливості оптимальних рішень в електроенергетиці” (№ держреєстрації 0101U004670), “Самооптимізація електроенергетичних систем на основі принципу найменшої дії” (№ держреєстрації 0104U000742) ”Оптимальне керування взаємними і транзитними перетоками потужності в об’єднаних енергетичних системах” (№ держреєстрації 0107U02091). Всі роботи виконані відповідно до пріоритетного напряму згідно переріку Закону України про пріоритетні напрямі науки і техніки «Новітні та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі».

Економічна ефективність розроблених методів та алгоритмів розподілу втрат потужності, оцінки їх чутливості до зміни навантаження у вузлах, розроблених законів оптимального керування власними, взаємними і транзитними перетіканнями досягається завдяки спрямованому використанню наявних регулювальних пристроїв електричної мережі, залежно від необхідного результату та балансової належності електричних мереж.

З аналізу результатів розрахунків видно, що за рахунок спрямованого перерозподілу потоків потужності та витіснення перетоків із мережі нижчої напруги у мережу вищої напруги досягається зниження втрат потужності в схемі електричної мережі. Останнє підтверджується зменшенням втрат потужності у мережі 110 кВ з 5,62 МВт до 2,076 МВт, що складає 63 % від втрат активної потужності в мережі 110 кВ вхідного режиму.

Оптимальне керування власними, взаємними і транзитними перетіканнями імітоване реалізацією оптимальних коефіцієнтів трансформації дозволяє отримати стійке зниження загальносистемних втрат потужності, що становить 3-6 %. При чому досягнуто зменшення втрат потужності в електричній мережі 750-330 кВ в середньому на 7% від загальних втрат, втрати потужності в електричній мережі 110 кВ зменшились в середньому на 30%. Така ефективність оптимізації для мереж нижчих класів напруги пояснюється витісненням взаємних перетоків з мереж НН в мережу ВН.

З використанням методу матриці коефіцієнтів розподілу втрат потужності, визначено вплив навантаження електричних мереж “ЗЕС”, “ЦЕС”, “Вінницяобленерго” та “Хмельницькобленерго” на втрати потужності в електричній мережі “ПЗЕС 750-330 кВ”.

Результатом використання розроблених методів та законів оптимального керування стало зменшення втрат від транзитного перетоку потужності в електричну мережу “ЗЕС” мережами “ПЗЕС 750-330 кВ” в середньому на 3%. Вплив електричних мереж “ЦЕС”, “Вінницяобленерго” та “Хмельницькобленерго” на втрати потужності в електричній мережі “ПЗЕС 750-330 кВ” зменшився в середньому на 27%.

В результаті спрямованої оптимізації втрат потужності в електричній мережі ПЗЕС 330-750 кВ отримано їх зменшення в середньому на 1% за рахунок перерозподілу перетоків у мережі нижчих рівнів.

Отримані результати свідчать про можливість керування взаємовпливом режимів електричних мереж ЕЕС для оптимізації загальносистемних втрат від взаємних і транзитних потоків потужності.

Отриманий економічний ефект від впровадження результатів наукової праці підтверджується розрахунками економічної ефективності та актами впровадження розроблених систем.

Отже, наукова праця «Методи і засоби зменшення втрат електроенергії в електроенергетичних системах від власних, взаємних і транзитних перетікань», в якій вирішено важливу науково-прикладну задачу розробки теоретичних засад та впровадження на практиці математичних моделей та методів формування умов оптимальності взаємовпливу електроенергетичних систем засобами автоматичного керування. Проведені розробки мають значне економічне значення для електроенергетики України, оскільки впровадження розроблених підходів дає відчутний економічний ефект.