Комплексный учёт схемно-структурных и режимно-атмосферных факторов при расчёте потерь электроэнергии в распределительных сетях энергосистем

Реформирование электроэнергетического сектора осуществляется в настоящее время как в России, так и во всем мире. Стратегические решения, которые принимаются сегодня, определяют ситуацию в отечественной и мировой электроэнергетике на длительную перспективу.

Структурные преобразования, происходящие в электроэнергетической отрасли России, направлены на внедрение рыночных механизмов управления процессами выработки, передачи, распределения и потребления электроэнергии (ЭЭ). На фоне этого достаточно сложно формируется новая система технико-экономических и юридических отношений между участвующими субъектами. Среди приоритетных задач реформирования отрасли руководство РАО «ЕЭС России» и Правительство Российской Федерации выделяют повышение эффективности работы предприятий электроэнергетики в условиях сохранения надёжности и бесперебойности электроснабжения добросовестных потребителей [1−4].

В настоящее время, в связи с прекращением деятельности ОАО РАО «ЕЭС России», демонополизацией структуры отрасли и появлением новых самостоятельных участников рынка электроэнергии, в регулировании деятельности которых важную роль играют механизмы рыночных отношений, особое внимание уделяется мониторингу и оптимальному управлению процессами производства, передачи, распределения и потребления ЭЭ, являющейся в данном случае товарной продукцией.

Одним из существенных показателей, влияющих на эффективность функционирования энергосистемы в целом, и в частности сетевых компаний, является значение потерь ЭЭ. Точное и достоверное определение данного интегрального показателя режимов работы является основой для решения широкого круга задач управления электрическими сетями.

При устойчивой тенденции к удорожанию энергетических ресурсов и росту потерь электроэнергии, в том числе и при снижении электропотребления, важны достоверное определение и учёт потерь ЭЭ в распределительных электрических сетях (РЭС) с целью обоснования нормирования и планирования величины, анализа структуры потерь, её технической и коммерческой составляющих [4—6]. Последующая разработка организационных и технических мероприятий по экономии ЭЭ [6—9] является важнейшим резервом минимизации собственных затрат электросетевых предприятий при выполнении своих договорных обязательств перед потребителями.

Проблема повышения точности и достоверности расчётов потерь электроэнергии, доверия к результатам анализа режимов в распределительных сетях 6−35 кВ весьма актуальна в настоящее время по нескольким причинам: распределительные сети, эксплуатируемые преимущественно по разомкнутым схемам — это самые массовые электрические сети и концентрируют в себе около 78% общей величины технических потерь ЭЭ, в том числе в сети 110−220 кВ — 28%, сети 35 кВ — 16%, и сети 0,38−10 кВ — 34%- переход электроэнергетики страны к рыночным отношениям усилил заинтересованность сетевых компаний в объективном определении технических и коммерческих потерь электроэнергии и их снижениинормирование потерь электроэнергии, осуществляемое государственными органами, основано на расчётном способе определения технических потерь электроэнергииэффективность нормирования зависит от точности расчёта технических потерь;

— развитие современных информационных технологий позволяет использовать для расчётов дополнительную информацию, которая ранее была недоступна.

Существенный вклад в исследования и разработку методов, алгоритмов расчёта, оценки потерь электроэнергии в системах её распределения внесли коллективы ВНИИЭ, ВГПИ и НИИ «Энергосетьпроект», ВПО «Союзтех-энерго», ИСЭМ СО РАН, МЭИ (ТУ), МГАУ (МИИСП), УрФУ-УПИ, БИТУ, НГТУ, СевКазГТУ, ЮРГТУ-НПИ и ряд других организаций, и известные учёные: Д. А. Арзамасцев, П. И. Бартоломей, А. С. Бердин, О. Н. Войтов,.

В. Э. Воротницкий, И. И. Голуб, Ю. С. Железко, В. И. Идельчик, В. Н. Казанцев, Ю. Г. Кононов, Е. А. Конюхова, В. Г. Курбацкий, М. С. Левин, Т. Б. Лещинская, А. В. Липес, А. В. Паздерин, В. Г. Пекелис, Г. Е. Поспелов, А. А. Потребич, Д. Л., Савина Н. В., Содномдорж Д., Д. Л. Файбисович, Ю. А. Фокин, М. И. Фурсанов и многие их коллеги.

Несмотря на значительные достижения в развитии методов и алгоритмов определения потерь электроэнергии, а также на растущее применение систем автоматизированного учёта ЭЭ (АСКУЭ), актуальной остаётся проблема дальнейшего совершенствования разработанных методов и алгоритмов расчёта и анализа потерь электроэнергии в распределительных сетях на основе реально имеющейся на данный момент в распределительных сетевых компаниях (РСК) производственных отделениях филиала ОАО «МРСК"1 информации (данные системы головного учёта ЭЭ, метеослужб, особенности структуры построения схем электроснабжения и др.) без значительного усложнения практического инструмента с позиции инженера — расчётчика [5, 7, 9−11].

Дальнейшее совершенствование методов определения потерь ЭЭ, условно разделяемых на детерминированные и вероятностно-статистические, представляется возможным при помощи комплексного учёта схемно-структурных и режимно-атмосферных факторов.

Объект исследования — распределительная электрическая сеть (система распределения электроэнергии, система электроснабжения).

Предмет исследования — влияние схемно-структурных и режимно-атмосферных факторов на величину технических потерь ЭЭ в распределительной сети.

Цель и задачи исследования

 — повышение точности и достоверности расчёта технической составляющей потерь ЭЭ в распределительных сетях на основе комплексного учёта схемно-структурных и режимно-атмосферных факторов.

1 Наименование предприятий, ранее именуемыми предприятиями электрических сетей (ПЭС) претерпевают изменения в ходе реформирования отрасли.

Достижение поставленной цели реализовано посредством решения следующих задач.

1. С учётом информационной обеспеченности, характерной для распределительных электрических сетей, проанализировать существующие детерминированные методы расчёта технических потерь электроэнергии и выполнить выбор наиболее эффективного метода с целью его дальнейшего совершенствования.

2. Исследовать влияние атмосферных факторов на активное сопротивление проводов воздушных линий электропередачи (ВЛ) и на величину потерь электроэнергии.

3. Разработать и реализовать алгоритм учёта атмосферных факторов при расчёте потерь электроэнергии.

4. Выявить и учесть влияние внутримесячного хода температуры и электропотребления на потери электроэнергии в ВЛ распределительных сетей.

5. Выявить влияние коэффициента мощности, загрузки и структуры распределительной сети на точность расчёта потерь электроэнергии.

Основная идея диссертации — комплексный учёт схемно-структурных и режимно-атмосферных факторов при расчётах технических потерь электроэнергии и установившихся (рабочих) режимов распределительных сетей.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач использовались численные методы решения систем линейных и нелинейных уравненийтеория эксперимента, элементы теории вероятностей и математической статистики, метод статистических испытаний, программные и языковые средства современных информационных технологий.

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Методика и алгоритм учёта дополнительного нагревания провода за счёт влияния атмосферных факторов (температуры окружающего воздуха, скорости ветра, интенсивности солнечного излучения).

2. Обоснование необходимости учёта влияния внутримесячной неравномерности электропотребления и температуры провода на погрешность расчёта потерь ЭЭ.

3. Методика и алгоритм учёта влияния схемно-режимных факторов (коэффициента мощности, загрузки и структуры распределительной сети) на точность расчёта потерь ЭЭ.

4. Методика, алгоритм и программа расчёта технических потерь ЭЭ и рабочих режимов с комплексным учётом схемно-структурных и режимно-атмосферных факторов.

5. Способ учёта специфики, особенностей распределительных электрических сетей на алгоритм расчёта установившихся режимов методом Ньютона.

Научная новизна диссертационной работы.

1. С учётом информационной обеспеченности РЭС для дальнейшей модернизации проанализированы существующие детерминированные методы расчёта технических потерь ЭЭ и выбран наиболее эффективный метод.

2. Исследовано влияние атмосферных факторов на активное сопротивление проводов ВЛ, на величину потерь ЭЭ, и разработан алгоритм их учёта при вычислении потерь ЭЭ в распределительных сетях.

3. Оценено и учтено влияние внутримесячного хода электропотребления и температуры провода на погрешность расчёта потерь ЭЭ.

4. Исследовано влияние схемно-режимных факторов (коэффициента мощности, загрузки и структуры распределительной сети) на точность расчёта потерь ЭЭ, минимизирована ошибка расчёта нагрузочных потерь ЭЭ в элементах РЭС в зависимости от загрузки и структуры схемы.

5. Разработана методика и программа расчёта технических потерь ЭЭ на основе модернизированной автором программы расчёта установившихся режимов с учётом реально имеющейся информации о топологии и многоре-жимности РЭС.

Значение для теории. Создана теоретическая основа для развития методов расчёта технических потерь ЭЭ в распределительных сетях энергосистем с учётом влияния схемно-структурных и режимно-атмосферных факторов.

Значение для практики.

Разработанные методика и алгоритм расчёта установившихся режимов и потерь электроэнергии в системах распределения ЭЭ позволяют комплексно учитывать влияние и схемно-структурных, и режимно-атмосферных факторов.

Практическая ценность.

Полученные алгоритмы реализованы в разработанном соискателем программно-вычислительном комплексе (ПВК) «REG10PVT» установившихся режимов и технических потерь ЭЭ на основе реально имеющейся инфорг мации о топологии и многорежимности РЭСПВК принят в опытную эксплуатацию рядом сетевых предприятий.

Достоверность полученных результатов. Эффективность разработанных алгоритмов установлена при помощи сравнительного анализа полученных в диссертационной работе результатов со значениями, рассчитанными методом статистических испытаний, базирующихся на ряде тестовых и реально существующих схем РЭС.

Использование результатов диссертации. Разработанные алгоритмы учёта режимно-атмосферных и схемно-структурных факторов вошли в состав экспериментального программно-вычислительного комплекса «REG10PVT» расчёта установившихся режимов и потерь электроэнергии в распределительных сетях. Комплекс является законченным продуктом, внедрённым в опытно-промышленную эксплуатацию в четырёх филиалах.

ОАО «Красноярскэнерго», в одном филиале ОАО «Хакасэнерго» и в учебно-исследовательский процесс кафедры «Электрические станции и электроэнергетические системы» Политехнического института Сибирского федерального университета, что подтверждено шестью актами внедрения. Комплекс разработан при выполнении хозяйственных договоров с ОАО «Красноярскэнерго» № 100/153 «Программно-вычислительный комплекс расчёта установившихся режимов и потерь электроэнергии в распределительных сетях ПЭС» в 19 992 000 годах (отв. исп. темы — Г. С. Тимофеев). В 2000 году разработанная «Методика расчёта потерь электроэнергии в распределительных сетях энергосистем» (соавтор — Г. С. Тимофеев) была согласована и утверждена ОАО «Красноярскэнерго» и Красноярскэнергонадзором. ПВК доработан и использовался при выполнении договора «Оптимизация режимов работы ВЭС по напряжению, коэффициентам трансформации с минимизацией потерь мощности и электроэнергии» с филиалом «Восточные электрические сети» ОАО «Красноярскэнерго» № 119/04−9, регистрационный номер 01.2.006 9 043 в 2004 году (отв. исп. темы — Г. С. Тимофеев).

Личный вклад соискателя. Соискателю принадлежит формализация поставленных задач, разработка математических моделей и методов, обобщение, анализ результатов, программная реализация алгоритмов и в целом создание программно-вычислительного комплекса. Научные и практические результаты, выносимые на защиту, разработаны и получены автором. Разработка, реализация основных положений и общей научной идеи диссертации выполнены при участии научного руководителя.

Апробация результатов работы. Отдельные результаты исследований доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009 г.) — Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов» (г. Красноярск, 1999 г.) — второй Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов» (г. Красноярск, 2000 г.) — третьей Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов» (г. Красноярск, 2001 г.) — второй Всероссийской научно-практической конференции и выставке по проблемам энергоэффективности «Развитие теплоэнергетического комплекса города» (г. Красноярск, 2001 г.) — Всероссийской научно-практической конференции «Энергосистема: управление, качество, безопасность» (г. Екатеринбург, 2001 г.) — Всероссийской научно-методической конференции «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов» (г. Красноярск, 2003 г.).

Публикации. По диссертации опубликовано 19 печатных работ, из которых 3 статьи по списку ВАК, 8 статей в сборниках научных трудов, 6 статей по материалам конференций, 2 депонированные рукописи.

Общая характеристика диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, содержащего 122 наименований и приложений. Материал изложен на 138 страницах основного текста и на 65 страницах приложения. В работе приведены 14 иллюстраций и 15 таблиц.

Выводы.

1. Модернизирована программа расчёта, анализа установившихся режимов и потерь ЭЭ, главной особенностью которой является алгоритм расчёта установившихся режимов и потерь ЭЭ с учётом схемно-структкрных и режимно-атмосферных факторов.

2. Программа была принята к внедрению в состав программно-математического обеспечения филиала ВЭС ОАО «Красноярскэнерго», а также в ряде других ПЭС ОАО «Красноярскэнерго» и АО «Хакасэнерго» .

3. Опираясь на представленное программное обеспечение, по хозяйственному договору «Оптимизация режимов работы ВЭС по напряжению, коэффициентам трансформации с минимизацией потерь мощности и электроэнергии» с филиалом «Восточные электрические сети» ОАО «Красноярскэнерго» № 119/04−9 выполнено решение задачи расчета и анализа потерь ЭЭ в распределительных сетях 6−10 кВ филиала ВЭС ОАО «Красноярскэнерго».

4. Результаты поверочных расчётов показали эффективность разработанных алгоритма и программы, возможность их применения при решении задач расчёта установившихся режимов и потерь ЭЭ в распределительных электрических сетях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе расчётного и статистического обобщения реальной информации о многорежимности, схемно-структурных и режимно-атмосферных факторов экспериментально и теоретически обоснован и практически реализован уточнённый детерминированный подход в задаче расчёта и анализа потерь электрической энергии в распределительных электрических сетях энергосистем. Основные результаты такого обобщения следующие.

1. Разработана уточнённая методика детерминированного расчёта технических потерь ЭЭ, базирующаяся на реально имеющейся информации о схемах и многорежимности РЭС на основе потоков ЭЭ с уточнением влияния на потери ЭЭ ряда схемно-структурных и режимно-атмосферных факторов распределительных сетей. Реализация методики позволяет повысить эффективность (малые трудозатраты, требуемая точность, заданная достоверность) расчёта потерь ЭЭ в условиях эксплуатации ПЭС.

2. Разработаны и реализованы два алгоритма определения (уточнения) расчётной температуры и погонного активного сопротивления провода ВЛ с учётом влияния солнечного излучения и, соответственно, нагрузочных потерь электроэнергии в ЛЭП. Отличие результатов по каждому алгоритму находится в пределах точности исходных данных.

3. Определена предельная граница влияния солнечного излучения на активное сопротивление проводов РЭС (АС 35 — АС 95) — сопротивление увеличивается до 5%, потери электроэнергии — до 2%. Результаты расчёта зависят от исходных актинометрических данных.

4. Установлено, что расчёт потерь ЭЭ методом средних нагрузок с оценкой величины среднеквадратичного тока по месячному пропуску ЭЭ и среднемесячной температуре даёт заниженное значение потерь ЭЭ с математическим ожиданием ошибки, равным -6,55%. Для внутримесячных (среднесуточных) изменений температуры проводов ВЛ и посуточного электропотребления с уровнем достоверности 0,95 и с точностью до 0,849 в расчётное выражение по данному алгоритму необходимо ввести поправочный (среднемесячный) коэффициент, равный 1,07.

5. Выполнен анализ перегрева (дополнительного нагревания) проводов РЭС на потери ЭЭ ВЛ в зависимости от плотности токовой нагрузки и атмосферных факторов. Учёт перегрева проводов вносит уточнение в расчёт нагрузочных потерь ЭЭ до 12−22% при допустимых нагрузках В Л.

6. Предложен способ минимизации ошибки (динамические поправки) со средним значением, близким к нулевому, расчёта нагрузочных потерь ЭЭ в элементах РЭС в зависимости от загрузки и структуры схемыинтервал оценки потерь в пределах от -0,51% до -0,09% с достоверностью 0,95 с наибольшим рассеянием от -2,5% до 1,5% (а2 = 3,16).

7. На основе результатов исследований создан программно-вычислительный комплекс расчёта рабочих режимов и потерь ЭЭ в РЭС, прошедший многолетнюю апробацию на ряде ПЭС и используемый для решения ряда задач эксплуатации и развития распределительных сетей.