Многокритериальная оптимизация параметров системы электроснабжения периферийных районов крупных городов с применением глубоких вводов высокого напряжения

Доля городского населения во всем мире за последние десятилетия постоянно увеличивается. С 2007 года более половины населения Земли проживает в городах. По прогнозам к 2030 году уже 60% населения Земли станет городским, а к 2050 — 70% [18]. Города — центры развития человечества, и урбанизация обеспечивает возможности для научного, технического и культурного прогресса и благосостояния людей. 20% общемирового ВВП формируется десятью самыми экономически развитыми городами. Москва — один из них.

Урбанизация создает огромную нагрузку на городскую инфраструктуру и окружающую среду. Сегодня города потребляют около 60% питьевой воды, 75% энергии и дают 80% мировых выбросов парниковых газов. Городская инфраструктура достигает пределов в росте, поэтому повышение ее эффективности является основной задачей для устойчивого развития городов, а также поддержания экономического и экологического баланса в мире. Комплексное улучшение всех элементов инфраструктуры позволит поддержать качество жизни в городах, обеспечить их экономическую конкурентноспособность и в то же время защитить окружающую среду и природные ресурсы. Для населения это будет означать снижение бытовых затрат и повышение качества коммунальных услуг.

Одним из самых важных аспектов развития инфраструктуры является эффективное и экологически безопасное электроснабжение. Рост числа городов и численности городского населения сопровождается развитием электрификации коммунально-бытового хозяйства, административных зданий и всех сфер производственной деятельности людей в городах. Такое развитие городов, городского хозяйства и производства на их территории обусловливают значительные приросты потребления электроэнергии. В среднем потребление электроэнергии в мире увеличивается на 2,7% каждый год.

Развитие электропотребления в городах характеризуется ростом электрических нагрузок всех его объектов. В таких условиях обеспечение развития комплексов потребителей требует строительства новых источников питания электроэнергией. При очевидной невозможности сооружения электростанций в черте города, а также строительства множества линий электропередачи 10−20 кВ от внешних источников питания к потребителям возрастает роль источников питания в виде глубоких вводов высокого напряжения. Сооружение глубоких вводов высокого напряжения является принципиально необходимым и перспективным направлением развития систем электроснабжения крупных городов, входящих в состав региональных объединенных электроэнергетических систем.

В предыдущих исследованиях [10−17, 30, 32, 38, 53−54, 59, 61 и др.] в основном рассматривались глубокие вводы в «центральные районы» города, характеризующиеся значительным удалением от внешних источников питания. Однако в настоящее время территория крупных городов активно расширяется, сооружаются новые современные жилые и промышленные районы, зоны деловой активности (бизнес районы), нагрузки которых достигают достаточно больших значений. В связи с этим, в последнее время в крупных городах актуально сооружение глубоких вводов и в новых «периферийных районах», граничащих с внешними источниками питания города.

Таким образом, необходимо провести исследование по определению экономической целесообразности сооружения глубоких вводов в новых периферийных районах крупных городов, а также определить и проанализировать параметры систем электроснабжения крупных городов, выполняемых с применением глубоких вводов высокого напряжения с учетом современных тенденций развития городов.

Основной целью данной работы является определение рациональных параметров системы электроснабжения периферийных районов современных крупных городов, выполняемой с применением глубоких вводов высокого напряжения.

Для достижения данной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Формирование топологической модели новых периферийных районов крупных городов и системы их электроснабжения с применением глубоких вводов с учетом современных тенденций развития городских территорийопределение ее основных топологических характеристик.

2. Разработка математической модели системы электроснабжения периферийных районов крупных городов, описывающей критерии оптимизации основных параметров системы и учитывающей ее электротехнические, топологические и экономические характеристики.

3. Определение целесообразности сооружения и оптимальных параметров глубоких вводов высокого напряжения.

4. Оценка целесообразности сооружения подстанций глубокого ввода в подземном исполнении.

Научная новизна работы состоит в том, что автором диссертационной работы впервые получены следующие новые научные результаты:

1. Сформирована топологическая модель новых периферийных районов крупных городов и системы их электроснабжения с применением радиального глубокого ввода.

2. На основе сформированной топологической модели разработаны математические модели показателей суммарной длины трасс кабельных лииий среднего напряжения и дисконтированных затрат на сооружение и эксплуатацию системы электроснабжения нового периферийного района города.

3. Определены рациональные параметры систем электроснабжения периферийных районов крупных городов с применением глубоких вводов высокого напряжения в зависимости от геометрических размеров района и поверхностной плотности нагрузки.

4. Определены условия экономической целесообразности сооружения подстанции глубокого ввода в подземном исполнении.

Практическая значимость работы.

Разработанные в диссертации теоретические положения, методические подходы, математические модели критериев оптимизации, полученные значения рациональных параметров позволяют принимать решения о сооружении глубокого ввода для электроснабжения периферийного района города, выбирать оптимальные площадки для сооружения подстанции глубокого ввода относительно внешнего источника питания.

Полученные результаты могут применяться: в качестве рекомендаций при проектировании или модернизации существующих систем электроснабжения городов, при формировании соответствующих нормативных документов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Весь материал работы изложен на 144 страницах, включает 31 рисунок, 9 таблиц и 1 приложение. Список использованной литературы состоит из 72 наименований.

Выводы по главе 4:

1. В результате оптимизации получено, что при диапазоне поверхностной плотности нагрузки 10−50 МВА/км2 целесообразно осуществлять электроснабжение 20 — 45% территории района по сети среднего напряжения от ИПоптимальные значения заглубления ПГВ от границы участка района, питающегося от ПГВ, составляют от 0 до 40%- для периферийных районов городов большой площади с поверхностной плотностью нагрузки 50 МВА/км2 и более целесообразно предусматривать магистральный или несколько радиальных ГВ.

2. При многокритериальной оптимизации по критериям минимума дисконтированных затрат и минимума суммарной длины распределительных линий СН получено, что целесообразно осуществлять электроснабжение по сети среднего напряжения от ИП 30% территории района, а также располагать ПГВ относительно границы питаемой части района на расстоянии 40% от стороны питаемого подрайона. Наибольшее влияние на значения рациональных параметров СЭС городов с применением ГВ оказывает суммарная длина распределительных линий СН.

3. На основе анализа устойчивости сделан вывод о значительной устойчивости технико-экономической модели дисконтированных затрат. Значительные диапазоны допустимых отклонений оптимизируемых параметров £Пгв% и /, ип% от их экономически целесообразных значений при заданной величине отклонения критерия оптимизации свидетельствуют о том, что при сооружении ГВ выбор места строительства ПГВ мало влияет на величину дисконтированных затрат.

4. Рациональные значения параметров ГВ наиболее чувствительны к значению стоимости потерь электроэнергии.

5. Сформулированы условия экономической целесообразности сооружения подземных подстанций ГВ в крупных городах в настоящее время.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертации получены следующие основные результаты и выводы:

1. Сформирована топологическая модель нового периферийного района города и системы его электроснабжения с применением радиального глубокого ввода. По ней определены топологические характеристики и сформированы математические модели длин кабельных линий среднего напряжения.

2. Сформированы аналитические модели элементов системы электроснабжения периферийного района города с применением глубокого ввода высокого напряжения, на основе которых составлена аналитическая модель критерия оптимизации — дисконтированных затрат от оптимизируемых параметров: установленной мощности подстанции глубокого вводарасстояния от источника питания до границы участка, питающегося от подстанции глубокого вводазаглубления подстанции глубокого ввода от границы участка района, питающегося от подстанции глубокого ввода.

3. В результате проведенного технико-экономического исследования целесообразности сооружения глубоких вводов на территории города с использованием полученной модели дисконтированных затрат на сооружение и эксплуатацию системы электроснабжения периферийного района города с применением глубокого ввода высокого напряжения получены минимальные значения геометрических размеров района и поверхностной плотности нагрузки, при которой целесообразно сооружение глубокого ввода.

4. Проведена оптимизация и получены значения рациональных параметров системы электроснабжения периферийного района города с применением глубокого ввода высокого напряжения по критерию минимума дисконтированных затрат и минимума суммарной протяженности распределительных линий среднего напряжения. Полученные результаты позволяют принимать решения о сооружении глубокого ввода для электроснабжения периферийного района города, выбирать оптимальные площадки для сооружения подстанции глубокого ввода относительно внешнего источника питания.

5. На основе анализа устойчивости сделан вывод о значительной устойчивости технико-экономической модели дисконтированных затрат на рассматриваемую сеть в области минимума целевой функции. Значительные диапазоны допустимых отклонений оптимизируемых параметров от их экономически целесообразных значений при заданной величине отклонения критерия оптимизации свидетельствуют о том, что при сооружении глубокого ввода выбор места строительства подстанции глубокого ввода мало влияет на величину дисконтированных затрат.

6. Получены технико-экономические условия целесообразности сооружения подземных подстанций глубоких вводов в крупных городах в виде соотношения относительного удорожания подстанции глубокого ввода в подземном исполнении к надземному и арендной стоимости земли под объекты электроэнергетики.