Помощь студентам в учебе
Повышение энергоэффективности подстанции № 18 ''Альметьевская''
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ПОДСТАНЦИИ № 18
«АЛЬМЕТЬЕВСКАЯ» ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССА ПОТРЕБЛЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ 7
1.1. Характеристика подстанции № 18 ''Альметьевская'' 7
1.2. Структура технологических потерь электроэнергии в подстанции №18
«Альметьевская» 10
1.3. Анализ мероприятий по снижению потерь электроэнергии в
распределительных сетях 14
1.4. Влияние реактивной мощности на параметры распределительных сетей 635 кВ 19
1.5. Анализ коэффициента загрузки силовых трансформаторов в подстанции №
18 ''Альметьевская'' 22
1.6. Оценка эффективности организационных мероприятий по компенсации
реактивной мощности, потребляемой силовыми трансформаторами 26
2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПТИМИЗАЦИИ РАЗМЕЩЕНИЯ
КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В ПОДСТАНЦИИ №18 «АЛЬМЕТЬЕВСКАЯ» 30
2.1. Описание задачи оптимизации размещения компенсирующих устройств с
позиции системного подхода 30
2.2. Многоуровневая иерархическая модель оптимизации размещения
компенсирующих устройств в подстанции №18 «Альметьевская» 32
2.3. Формулировка задачи оптимизации размещения компенсирующих
устройств в подстанции №18 «Альметьевская» 35
2.4. Выбор метода оптимизации размещения компенсирующих устройств в
подстанции №18 «Альметьевская» 39
2.5. Оптимизация размещения компенсирующих устройств в подстанцию №18 «Альметьевская» на основе метода неопределенных множителей Лагранжа.... 43
2.6. Способы размещения компенсирующих устройств в электрических сетях 46
2.7. Разработка алгоритма оптимизации размещения компенсирующих
устройств в подстанцию №18 на основе метода неопределенных множителей Лагранжа 48
3. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ РАЗМЕЩЕНИЯ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В ПОДСТАНЦИЮ №18 «АЛЬМЕТЬЕВСКАЯ» 54
3.1. Использование пакета MATLAB Simulink для имитационного
моделирования электрических сетей подстанции 54
3.2. Разработка имитационной модели подстанции №18 55
3.3. Оптимизация размещения компенсирующих устройств в
распределительной сети на стороне 6 кВ 62
3.4. Оценка экономического эффекта результатов оптимизации размещения
компенсирующих устройств в подстанции №18 65
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 69
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 71
1. АНАЛИЗ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ПОДСТАНЦИИ № 18
«АЛЬМЕТЬЕВСКАЯ» ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССА ПОТРЕБЛЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ 7
1.1. Характеристика подстанции № 18 ''Альметьевская'' 7
1.2. Структура технологических потерь электроэнергии в подстанции №18
«Альметьевская» 10
1.3. Анализ мероприятий по снижению потерь электроэнергии в
распределительных сетях 14
1.4. Влияние реактивной мощности на параметры распределительных сетей 635 кВ 19
1.5. Анализ коэффициента загрузки силовых трансформаторов в подстанции №
18 ''Альметьевская'' 22
1.6. Оценка эффективности организационных мероприятий по компенсации
реактивной мощности, потребляемой силовыми трансформаторами 26
2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПТИМИЗАЦИИ РАЗМЕЩЕНИЯ
КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В ПОДСТАНЦИИ №18 «АЛЬМЕТЬЕВСКАЯ» 30
2.1. Описание задачи оптимизации размещения компенсирующих устройств с
позиции системного подхода 30
2.2. Многоуровневая иерархическая модель оптимизации размещения
компенсирующих устройств в подстанции №18 «Альметьевская» 32
2.3. Формулировка задачи оптимизации размещения компенсирующих
устройств в подстанции №18 «Альметьевская» 35
2.4. Выбор метода оптимизации размещения компенсирующих устройств в
подстанции №18 «Альметьевская» 39
2.5. Оптимизация размещения компенсирующих устройств в подстанцию №18 «Альметьевская» на основе метода неопределенных множителей Лагранжа.... 43
2.6. Способы размещения компенсирующих устройств в электрических сетях 46
2.7. Разработка алгоритма оптимизации размещения компенсирующих
устройств в подстанцию №18 на основе метода неопределенных множителей Лагранжа 48
3. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ РАЗМЕЩЕНИЯ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В ПОДСТАНЦИЮ №18 «АЛЬМЕТЬЕВСКАЯ» 54
3.1. Использование пакета MATLAB Simulink для имитационного
моделирования электрических сетей подстанции 54
3.2. Разработка имитационной модели подстанции №18 55
3.3. Оптимизация размещения компенсирующих устройств в
распределительной сети на стороне 6 кВ 62
3.4. Оценка экономического эффекта результатов оптимизации размещения
компенсирующих устройств в подстанции №18 65
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 69
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 71
Актуальность темы исследования. Энергосбережение и повышение энергоэффективности являются одним из важнейших направлений модернизации экономики России. Они входят в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации. Актуальность проблем энергосбережения и повышения энергоэффективности в нашей стране обусловлена высокой энергоемкостью валового внутреннего продукта (ВВП), которая в 3,5-5 раз превышает аналогичные показатели развитых стран. Вместе с тем, Указом Президента РФ от 04.06.2008 № 889 и Энергетической стратегией России на период до 2030 года предусмотрено снизить энергоемкость ВВП к 2020 году не менее чем на 40 %. Снижение данного показателя в значительной мере должно быть достигнуто за счет реализации потенциала энергосбережения в электросетевом комплексе.
Существенное влияние на потери электроэнергии в распределительных сетях 6 кВ подстанций оказывает протекающая по ним реактивная мощность. В результате в отдельных сетях потери электроэнергии достигают 40 %. Как следствие, имеют место сверхнормативные потери, оплачивать которые необходимо из прибыли подстанции. Поэтому энергосбережение и повышение энергоэффективности в подстанциях является актуальной задачей, необходимость решения которой обусловлена различными техническими и экономическими причинами.
Цель работы заключается в снижении потерь электроэнергии в распределительных сетях подстанции и повышении их энергоэффективности при оптимизации потребления реактивной мощности.
Идея работы состоит в разработке организационных и технических мероприятий по снижению потерь электроэнергии в подстанции за счет оптимизации размещения КУ, управления реактивной мощностью и повышения эффективности режимов работы оборудования.
Основные задачи исследования:
1. Анализ влияния реактивной мощности на пропускную способность, потери электроэнергии и потери напряжения в подстанции.
2. Исследование процессов потребления реактивной мощности в силовых трансформаторах.
3. Анализ существующих подходов к размещению КУ в электрических сетях и обоснование наиболее приемлемого метода оптимизации их размещения в подстанции.
4. Разработка алгоритма оптимизации размещения КУ в подстанции.
5. Построение имитационной модели подстанции и оценка с ее помощью эффективности разработанного алгоритма.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложен алгоритм оптимизации размещения КУ в подстанции, основанный на методе неопределенных множителей Лагранжа, отличающийся от известных алгоритмов предварительной оценкой коэффициентов загрузки силовых трансформаторов с использованием зависимостей tgфт = _/(Р).
2. Разработана имитационная модель подстанции, отличающаяся от известных моделей возможностью осуществлять управление реактивной мощностью в сети в зависимости от коэффициентов загрузки силовых трансформаторов.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что разработанный алгоритм оптимизации размещения КУ и управления потреблением реактивной мощности обеспечивает снижение потерь электроэнергии в подстанции.
Имитационная модель подстанции позволяет производить выбор мощности и мест установки КУ в проектируемой и существующей электрической сети с целью минимизации потерь электроэнергии, а также осуществлять управление реактивной мощностью в зависимости от коэффициента загрузки силовых трансформаторов.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке программ энергосбережения в электросетевом комплексе.
Методология и методы исследования. Проведенные исследования основывались на общих положениях теории электрических цепей, методах математической статистики, аналитическом методе исследования функциональных зависимостей, теории многоуровневых иерархических систем, методе неопределенных множителей Лагранжа, имитационном моделировании.
Степень достоверности научных положений подтверждается применением современных математических методов оптимизации и экспериментальной проверкой теоретических выводов на имитационной модели подстанции №18 «Альметьевская», построенной на основании фактических данных о нагрузках сети, полученных по показаниям приборов учета.
Существенное влияние на потери электроэнергии в распределительных сетях 6 кВ подстанций оказывает протекающая по ним реактивная мощность. В результате в отдельных сетях потери электроэнергии достигают 40 %. Как следствие, имеют место сверхнормативные потери, оплачивать которые необходимо из прибыли подстанции. Поэтому энергосбережение и повышение энергоэффективности в подстанциях является актуальной задачей, необходимость решения которой обусловлена различными техническими и экономическими причинами.
Цель работы заключается в снижении потерь электроэнергии в распределительных сетях подстанции и повышении их энергоэффективности при оптимизации потребления реактивной мощности.
Идея работы состоит в разработке организационных и технических мероприятий по снижению потерь электроэнергии в подстанции за счет оптимизации размещения КУ, управления реактивной мощностью и повышения эффективности режимов работы оборудования.
Основные задачи исследования:
1. Анализ влияния реактивной мощности на пропускную способность, потери электроэнергии и потери напряжения в подстанции.
2. Исследование процессов потребления реактивной мощности в силовых трансформаторах.
3. Анализ существующих подходов к размещению КУ в электрических сетях и обоснование наиболее приемлемого метода оптимизации их размещения в подстанции.
4. Разработка алгоритма оптимизации размещения КУ в подстанции.
5. Построение имитационной модели подстанции и оценка с ее помощью эффективности разработанного алгоритма.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложен алгоритм оптимизации размещения КУ в подстанции, основанный на методе неопределенных множителей Лагранжа, отличающийся от известных алгоритмов предварительной оценкой коэффициентов загрузки силовых трансформаторов с использованием зависимостей tgфт = _/(Р).
2. Разработана имитационная модель подстанции, отличающаяся от известных моделей возможностью осуществлять управление реактивной мощностью в сети в зависимости от коэффициентов загрузки силовых трансформаторов.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что разработанный алгоритм оптимизации размещения КУ и управления потреблением реактивной мощности обеспечивает снижение потерь электроэнергии в подстанции.
Имитационная модель подстанции позволяет производить выбор мощности и мест установки КУ в проектируемой и существующей электрической сети с целью минимизации потерь электроэнергии, а также осуществлять управление реактивной мощностью в зависимости от коэффициента загрузки силовых трансформаторов.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке программ энергосбережения в электросетевом комплексе.
Методология и методы исследования. Проведенные исследования основывались на общих положениях теории электрических цепей, методах математической статистики, аналитическом методе исследования функциональных зависимостей, теории многоуровневых иерархических систем, методе неопределенных множителей Лагранжа, имитационном моделировании.
Степень достоверности научных положений подтверждается применением современных математических методов оптимизации и экспериментальной проверкой теоретических выводов на имитационной модели подстанции №18 «Альметьевская», построенной на основании фактических данных о нагрузках сети, полученных по показаниям приборов учета.
В диссертационной работе содержится решение актуальной задачи снижения потерь электроэнергии в подстанции №18 и повышения их энергоэффективности при оптимизации потребления реактивной мощности, что имеет важное научно-практическое значение для электросетевого комплекса.
Основные результаты выполненного исследования заключаются в следующем:
1. Установлено, что в общей структуре технологических потерь электроэнергии в подстанции доля потерь, обусловленных передачей реактивной мощности по элементам сети, составляет 47 %.
2. Выявлено, что при увеличении коэффициента реактивной мощности относительные значения пропускной способности, потерь электроэнергии и потерь напряжения в подстанции изменяются в кубической зависимости. Так, при среднем значении tg9 = 0,6 пропускная способность подстанции снижается на 14 %, потери электроэнергии увеличиваются на 26 %, а потери напряжения - на 38 %.
3. Установлено, что критические значения коэффициентов загрузки силовых трансформаторов, при которых происходит резкое увеличение относительной величины потребляемой ими реактивной мощности, зависят от их конструктивного исполнения и материала магнитопровода и имеют более низкие значения по сравнению с принятыми на практике. Так, для электродвигателей критическое значение составило Ь.кр = 0,3 вместо установленного Ь.кр = 0,45, для трансформаторов - Ркр = 0,2 вместо Ркр = 0,4.
4. Представлена многоуровневая иерархическая модель процесса оптимизации размещения КУ в подстанции, включающая в себя уровень описания проблемы, уровень принятия решений и организационный уровень, объединенные многочисленными поперечными связями. Применение данной модели позволяет структурировать задачу оптимизации размещения КУ на разных этапах ее реализации.
5. Предложен алгоритм оптимизации размещения КУ на основе метода неопределенных множителей Лагранжа, позволяющий получать оптимальное распределение реактивных мощностей в подстанции с учетом предварительной оценки коэффициентов загрузки силовых трансформаторов с использованием зависимости tg9x = _/(Р).
6. Разработана имитационная модель подстанции, позволяющая осуществлять управление реактивной мощностью в сети в зависимости от коэффициентов загрузки силовых трансформаторов.
7. Установлено, что при оптимизации размещения КУ на стороне 6 кВ потери в подстанции при среднем коэффициенте загрузки трансформаторов в = 0,15 снизились на 15,7 %, при в = 0,502 - на 3,3 %, на стороне 0,4 кВ потери при среднем коэффициенте загрузки трансформаторов в = 0,15 уменьшились на 16,7 %, при в = 0,502 - на 4,3 %.
8. Определено, что в результате оптимизации размещения КУ в подстанции на стороне 6 кВ экономический эффект составил 833,6 тыс. руб, на стороне 0,4 кВ - 1032,0 тыс. руб. при сроке окупаемости менее одного года.
Основные результаты выполненного исследования заключаются в следующем:
1. Установлено, что в общей структуре технологических потерь электроэнергии в подстанции доля потерь, обусловленных передачей реактивной мощности по элементам сети, составляет 47 %.
2. Выявлено, что при увеличении коэффициента реактивной мощности относительные значения пропускной способности, потерь электроэнергии и потерь напряжения в подстанции изменяются в кубической зависимости. Так, при среднем значении tg9 = 0,6 пропускная способность подстанции снижается на 14 %, потери электроэнергии увеличиваются на 26 %, а потери напряжения - на 38 %.
3. Установлено, что критические значения коэффициентов загрузки силовых трансформаторов, при которых происходит резкое увеличение относительной величины потребляемой ими реактивной мощности, зависят от их конструктивного исполнения и материала магнитопровода и имеют более низкие значения по сравнению с принятыми на практике. Так, для электродвигателей критическое значение составило Ь.кр = 0,3 вместо установленного Ь.кр = 0,45, для трансформаторов - Ркр = 0,2 вместо Ркр = 0,4.
4. Представлена многоуровневая иерархическая модель процесса оптимизации размещения КУ в подстанции, включающая в себя уровень описания проблемы, уровень принятия решений и организационный уровень, объединенные многочисленными поперечными связями. Применение данной модели позволяет структурировать задачу оптимизации размещения КУ на разных этапах ее реализации.
5. Предложен алгоритм оптимизации размещения КУ на основе метода неопределенных множителей Лагранжа, позволяющий получать оптимальное распределение реактивных мощностей в подстанции с учетом предварительной оценки коэффициентов загрузки силовых трансформаторов с использованием зависимости tg9x = _/(Р).
6. Разработана имитационная модель подстанции, позволяющая осуществлять управление реактивной мощностью в сети в зависимости от коэффициентов загрузки силовых трансформаторов.
7. Установлено, что при оптимизации размещения КУ на стороне 6 кВ потери в подстанции при среднем коэффициенте загрузки трансформаторов в = 0,15 снизились на 15,7 %, при в = 0,502 - на 3,3 %, на стороне 0,4 кВ потери при среднем коэффициенте загрузки трансформаторов в = 0,15 уменьшились на 16,7 %, при в = 0,502 - на 4,3 %.
8. Определено, что в результате оптимизации размещения КУ в подстанции на стороне 6 кВ экономический эффект составил 833,6 тыс. руб, на стороне 0,4 кВ - 1032,0 тыс. руб. при сроке окупаемости менее одного года.