Совершенствование иерархически-структурного метода расчета характеристик графиков электрических нагрузок систем электроснабжения

Проблема совершенствования методов расчета характеристик графиков электрической нагрузки систем электроснабжения продолжает оставаться актуальной [1, 2]. Адекватность оценки расчетных значений характеристик графиков электрической нагрузки (ГЭН) фактическим значениям, в основном, определяет эффективность систем электроснабжения (СЭС) в условиях эксплуатации. Это объясняется тем, что совокупность расчетных характеристик ГЭН является информационным обеспечением решения большей части комплекса технико-экономических задач на стадии проектирования и эксплуатации СЭС промышленных предприятий.

Таким образом, вопросы достоверности оценки расчетных значений характеристик ГЭН достаточно актуальны при проектировании объектов, имеющих централизованное электроснабжение, но еще более актуальнее при создании автономных СЭС, которые в настоящее время находят все более широкое применение в нефтяной, газовой, строительной отраслях промышленности.

График электрической нагрузки объекта формируется из двух составляющих — детерминированной и случайной. При этом детерминированная составляющая определяется технологическим процессом, а случайнаявлиянием ряда факторов, стохастических по самой своей природе, таких, как метеоусловия, человеческий фактор и т. п. В то же время реальное состояние самого технологического процесса также случайно, потому что его состояние определяется влиянием набора факторов, строгий учет и прогноз которых невозможны.

Используемые в проектировании вероятностные методы расчета: метод упорядоченных диаграмм и статистический позволяют определять лишь две расчетные характеристики графика: среднюю нагрузку и нагрузку по нагреву (пик нагрузки тридцатиминутной длительности) [3]. Это объясняется тем, что оба метода являются методами статического модели7 рования, в основу которых положена математическая модель с ограниченными возможностями — модель «случайная величина». Средняя нагрузка и нагрузка по нагреву по своему физическому смыслу могут быть использованы, как исходные данные, только для решения следующих двух практических задач:

— выбора сечения проводника по условию нагрева и экономической плотности тока;

— определения расхода электроэнергии.

Кроме того, как свидетельствует практика, использование в проектировании указанных методов приводит, в ряде случаев, к существенному завышению расчетных значений средней нагрузки и нагрузки по нагреву [4−6].

Для решения всего комплекса технико-экономических задач, возникающих при проектировании, эксплуатации и реконструкции СЭС, а также при перевооружении промышленного предприятия, знание только двух расчетных статических характеристик графика явно недостаточно. Необходимо располагать дополнительной информацией о таких характеристиках как: пиках и впадинах нагрузки различной длительности, среднего числа, средней длительности и средней амплитуды выбросах и провалах нагрузки относительно заданного уровня. Такая совокупность вышеуказанных характеристик ГЭН определяется иерархически-структурным методом [1,7, 8], в основу которого положена математическая модель «случайный процесс». Расчетные характеристики ГЭН, полученные иерархически-структурным методом (ИСМ), являются исходными данными для решения следующих технико-экономических задач в электроснабжении [1, 3, 9−12]:

— определение расчетных потерь мощности и электроэнергии в промышленных электрических сетях;

— оценка максимальных, минимальных потерь и отклонений напряжения, а также диапазона их изменения в системах электроснабжения;

— выбор оптимальной мощности и числа ступеней регулируемой конденсаторной установки низкого напряжения- 8.

— оценка экономической эффективности регуляторов напряжения и мощности компенсирующих устройств, диапазона регулирования напряжения;

— проверка выбранных по пику температуры элементов систем электроснабжения по условию перегрузки при определении их функциональной надежности;

— вычисление недоотпуска электроэнергии, обусловленного ограничениями пропускной способностью отдельных элементов системы электроснабжения;

— выбор номинальных токов плавких вставок, уставок автоматических воздушных выключателей, уставок тока защиты от перегрузки и времени ее срабатывания;

— прогнозирование возможности превышения максимума нагрузки различной продолжительности над заявленной активной мощностью;

— регулирование максимума нагрузки промышленного предприятия.

Решение вышеуказанных задач обеспечивает создание эффективных.

СЭС, соответствующих требованиям электромагнитной совместимости, минимума потерь мощности и электроэнергии, металлоемкости промышленной электрической сети.

Все указанные обстоятельства определяют необходимость использования новых методов расчета характеристик ГЭН для проектирования, эксплуатации, реконструкции и перевооружении СЭС промышленных предприятий.

Связь темы диссертации с государственными научными программами.

Работа выполнялась по научно-технической программе СамГТУ «Энергосбережение и управление энергоэффективностью в образовательных учреждениях» на 2001;2005 гг. (Решение ученого совета от 30.03.01, протокол № 7) в рамках основных направлений программы «Энергосбережение Минобразования России» на 1999;2005 гг.

Целью работы заключается в совершенствовании ИСМ метода расчета характеристик ГЭН, которые являются исходными данными для решения всего комплекса технико-экономических задач, составляющих основу энергосберегающей технологии в проектировании и эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий.

Научная новизна работы заключается:

1. Обоснован выбор длительности интервала дискретизации исходных ГЭН для экспериментальной оценки видов и параметров их нормированных корреляционных функций (НКФ).

2. Предложено аналитическое выражение эквивалентной корреляционной функцией (КФ), позволяющее использовать для оценки динамических характеристик ГЭН вероятностную модель случайного стационарного ГЭН с КФ, относящейся к дифференцируемым случайным процессам.

3. Предложен метод оценки параметров эквивалентной КФ для расчета динамических характеристик ГЭН.

4. Разработана методика оценки динамических характеристик ГЭН с различными видами и параметрами НКФ, нормальным законом распределения ординат и законом, отличным от нормального коэффициентами асимметрии и эксцесса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование интервала дискретизации ГЭН для экспериментальной оценки видов и параметров их НКФ.

2. Упрощенные способы оценки параметра эквивалентной КФ при неавтоматизированных расчетах статических характеристик ГЭН.

3. Метод расчета параметров эквивалентной КФ ГЭН, использование которого позволяет получить эффективную оценку характеристик выбросов и провалов ГЭН.

4. Динамические модели и метод оценки характеристик выбросов и.

10 провалов ГЭН с нормальным законом распределения ординат и законом, отличным от нормального коэффициентами асимметрии и эксцесса.

5. Алгоритм и пакет программ для оценки статических и динамических характеристик ГЭН иерархически-структурным методом на персональной ЭВМ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— экспериментальными исследованиями в действующих СЭС и теоретическим анализом результатов эксперимента в рамках теории стационарных случайных процессов;

— обработкой результатов экспериментальных исследований на ЭВМ с помощью методов теории вероятностей и математической статистики;

— совпадением результатов моделирования ГЭН на ЭВМ и аналитических расчетов с результатами прямых экспериментальных исследований в действующих СЭС.

Методы научных исследований: Теоретическое обоснование интервала дискретизации исходного ГЭН для оценки видов и параметров их НКФ производилось с применением теории информации. Разработка методов эк-вивалентирования различных по виду и параметрам КФ ГЭН производилась с применением математического аппарата корреляционной теории. При разработке методов динамического моделирования характеристик выбросов и провалов ГЭН относительно заданного уровня использовались основные положения теории выбросов случайных стационарных процессов. Обработка экспериментальных ГЭН выполнена с использованием методов математической статистики.

Практическая ценность работы заключается:

1. Реализовано схемное, аппаратурное и методическое обеспечение измерений НКФ ГЭН в условиях действующих производств.

2. Экспериментально получена информация о видах и параметрах НКФ индивидуальных ГЭН общепромышленных ЭП, дополняющая новую информационную базу исходных данных.

3. Разработан алгоритм и программный пакет оценки статических и динамических характеристик ГЭН иерархически-структурным методом для персональной ЭВМ.

4. Разработана инженерная методика оценки статических характеристик ГЭН при неавтоматизированных расчетах.

5. Составлены таблицы значений динамических характеристик ГЭН в зависимости от заданного уровня нагрузки и коэффициентов асимметрии и эксцесса закона распределения вероятностей ординат ГЭН.

6. Разработаны уточненные методики решения прикладных задач электроснабжения, использующих в качестве исходных данных статические и динамические характеристики ГЭН.

7. Реализован в виде программного пакета метод «элементных процессов» для воспроизведения ГЭН с нормальным законом распределения вероятностей ординат и заданной НКФ с целью проверки адекватности результатов аналитических расчетов с результатами моделирования ГЭН.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в практику проектирования в ОАО «Волгаэнергопроект-Самара» (г. Самара), ЗАО Самарский центр «Проект-электро» (г. Самара), ООО «Спецэнергомонтаж» (г. Самара). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедр «Автоматизированные электроэнергетические системы» и «Электроснабжение промышленных предприятий» Самарского государственного технического университета, «Электроэнергетика и электроснабжение» Нижегородского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 19, 23 сессиях Всероссийского научного семинара РАН.

Кибернетика электрических систем" по тематике «Электроснабжение промышленных предприятий» (г. Новочеркасск, 1997, 2001 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: Управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (г. Благовещенск, 1998 г.), на 6 и 7 международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2000, 2001 г.), на международном симпозиуме «Надежность и качество 2001» (г. Пенза, 2001 г.), на 11 межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2001 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 1 монография, 7 статьи и 4 тезиса докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 13 приложений, содержит 157 стр. основного текста, включая 60 рисунков и 3 таблицы, 11 стр. списка использованной литературы из 105 наименований, 97 стр. приложений.

5.4. Выводы:

1. Сближение фактических АРРф и расчетных АЖр потерь электроэнергии в промышленных электрических сетях достигается за счет увеличения объема исходной информации по действительным графикам электрической нагрузки 1((): вида нормированной корреляционной функции и ее параметров.

2. Максимальная и минимальная потери напряжения А17, а также диапазон их изменения в проектируемой системе электроснабжения при нормальном законе распределения вероятностей ординат графика электрической нагрузки определяются соответственно по формулам (5.17, 5,18, 5.20), а при отличии закона распределения вероятностей ординат графика электрической нагрузки от нормального коэффициентами асимметрии и эксцесса — (5.21, 5.22, 5.23).

3. Число ступеней регулируемой конденсаторной установки низкого напряжения и их оптимальная мощность зависит от закона распределения ординат графика реактивной нагрузки и определяется численным решением уравнения (5.26). При стабильных значениях тарифов на активную и реактивную энергию, цен на конденсаторные установки число ступеней регулирования конденсаторной установки низкого напряжения не превышает трех.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе поставлена и решена задача совершенствования иерархически-структурного метода расчета характеристик графиков электрических нагрузок систем электроснабжения.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработано теоретическое обоснование и даны практические рекомендации по выбору интервала дискретизации исходного графика электрической нагрузки для экспериментальной оценки видов и параметров их нормированных корреляционных функций.

2. Предложено методическое обеспечение и современное аппаратурное для проведения экспериментальных измерений нормированных корреляционных функций графиков электрической нагрузки в условиях действующих предприятий.

3. Для неавтоматизированных расчетов пиков и впадин нагрузки различной длительности с различными видами и параметрами корреляционных функций, нормальным законом распределения ординат и отличным от нормального коэффициентами асимметрии и эксцесса разработаны упрощенные способы оценки параметров эквивалентной корреляционной функции.

4. Разработаны динамические модели и метод оценки характеристик выбросов и провалов графиков электрической нагрузки: среднего числа, средней длительности и средней амплитуды относительно заданного уровня для графиков с различными видами и параметрами нормированных корреляционных функций, нормальным законом распределения ординат и законом, отличным от нормального коэффициентами асимметрии и эксцесса.

5. Для оценки среднего числа, средней длительности и средней амплитуды выбросов и провалов нагрузки введено понятие и дано определение.

157 эквивалентной корреляционной функции, позволяющей учесть различие видов и параметров корреляционных функций индивидуальных графиков нагрузки электроприемников при их суммировании.

6. Предложено аналитическое выражение эквивалентной корреляционной функции, позволяющей использовать для оценки среднего числа, средней длительности и средней амплитуды выбросов и провалов нагрузки формулы теории выбросов случайных стационарных процессов.

7. Для оценки среднего числа, средней длительности и средней амплитуды выбросов и провалов графиков электрической нагрузки разработан метод расчета параметров эквивалентной корреляционной функции, заключающийся в равенстве значений суммарной и эквивалентной корреляционных функций при аргументах т=0 и z=At.

8. Разработан в среде «Delphi» программный пакет для оценки пиков и впадин нагрузки различной длительности, а также среднего числа, средней длительности и средней амплитуды выбросов и провалов графиков электрической нагрузки иерархически-структурным методом для персональной ЭВМ с операционной системой Windows 98/NT.

9. Разработаны уточненные методики решения следующих прикладных задач электроснабжения: определение расчетных потерь электроэнергии в промышленных электрических сетяхоценка максимальных, минимальных потерь и отклонений напряжения, а также диапазона их изменений в системах электроснабжениявыбор оптимальной мощности и числа ступеней регулируемой конденсаторной установки низкого напряжения.