Выбор и оценка источников электроснабжения отдаленных сельскохозяйственных районов

Существующая в настоящее время система электроснабжения сельскохозяйственных районов представляет собой структуру существующую, без значительных изменений, на протяжении десятилетий. Очевидно, что происходящие в последние годы изменения в экономике и науке требуют уточнения принципов выбора основных параметров систем сельской энергетики, таких как обоснованность применения того или иного источника электроснабжения. В настоящее время, появились направления и методики, позволяющие оптимизировать параметры систем электроснабжения, на основании теории принятия решений и мно-гокритериальности. Такой подход позволяет выбрать оптимальный вариант с учетом не одного, а нескольких критериев, в условиях неопределенности части исходной информации.

Выбор оптимального источника электроснабжения является задачей планирования, что вынуждает принимать решение с учетом перспективы развития электрических сетей. При этом традиционный подход к решению задач подобного рода, по минимуму приведенных затрат, без учета показателей надежности электроснабжения и качества электрической энергии, является недостаточным.

В данной работе, с использованием многокритериальной модели, приводиться методика выбора источника электрической энергии для электроснабжения отдаленных сельскохозяйственных районов, характеризующихся малой плотностью электрической нагрузки, величина которой учтена в качестве неопределенного фактора.

В качестве частных критериев оценки приняты удельные дисконтированные затраты, показатели качества и надежности электрической энергии.

В настоящей работе использованы показатели индексов цен (по данным Госкомстата РФ), учтены рекомендации по оценке техникоэкономической эффективности (утвержденные Госстроем России, Минфином РФ, Минэкономики РФ), «Концепция развития электрификации сельского хозяйства» до 2010 года (принятая в 2001 году Минсельхозом РФ, Минэнерго РФ, РАСХН, ВИЭСХ), «Основные направления развития распределительных электрических сетей на период до 2015 года» (разработанные ОАО «РОСЭП»),.

В итоге, при помощи современной вычислительной техники, путем имитационного моделирования с использованием современных технических и экономических подходов получены оптимальные параметры сельских электрических сетей (радиусы электрических сетей при различных источниках электроснабжения, числе часов использования максимума электрической нагрузки, стоимости топлива и поверхностной плотности электрической нагрузки) и даны рекомендации по выбору источников электрической энергии.

Актуальность проблемы. Отдаленные сельскохозяйственные районы (СР) с малой плотностью электрической нагрузки характеризуются большой протяженностью распределительных сетей 10−110кВи рас-средоточенностью потребителей небольшой мощности. Процесс формирования и развития систем электроснабжения таких районов прежде всего подразумевает выбор оптимального источника электрической энергии.

До настоящего времени приоритетным считалось централизованное электроснабжение СР от ближайшей энергосистемы, как правило, от шин 110.220кВ районной трансформаторной подстанции. В условиях модернизации производства и появления современных типов электростанций назрела необходимость оценить эффективность применения различных источников электрической энергии, работающих на не возобновляемых видах топлива, для электроснабжения СР с малой плотностью электрической нагрузки.

Традиционным подходом к решению задачи выбора источника электроснабжения для СР являлся выбор варианта с минимумом приведенных затрат, без учета показателей надежности электроснабжения и качества электрической энергии. В последние годы появилась новая методика оптимизации систем электроснабжения СР, позволяющая сделать вывод на основе теории решений, по нескольким частным критериям и в условиях неопределенности части исходной информации. Задача выбора оптимального источника электроснабжения отдаленных СР с малой плотностью электрической нагрузки с использованием многокритериального моделирования, при учете неопределенного фактора поверхностной плотности электрической нагрузки ранее не решалась.

Учитывая вышеизложенные факторы, а также то обстоятельство, что больше половины распределительных сетей, в частности в отдаленных СР с малой плотностью электрической нагрузки, выработали свой ресурс и требуют модернизации и замены, задача выбора и оценки оптимальных источников электрической энергии для таких СР является на сегодня актуальной.

Объектом исследования являются системы электроснабжения напряжением 10 — 110 кВ отдаленных СР с малой плотностью электрической нагрузки.

Предметом исследования являются методы многокритериального выбора оптимального источника и параметров электроснабжения СР с малой плотностью электрической нагрузки в условиях неопределенности части исходной информации.

Цель работы заключается в разработке методов выбора и оценки источников электроснабжения отдаленных СР с малой плотностью электрической нагрузки.

Достижение данной цели потребовало решения следующих задач: разработка топологической и математической моделей системы электроснабжения СР с малой плотностью электрической нагрузкивыбор частных критериев, вывод для них аналитических выражений и оценка системы электроснабжения СР по каждому из нихразработка алгоритма многокритериальной оптимизации выбора источника электроснабжения отдаленных СР с малой плотностью электрической нагрузкивыявление неопределенных факторов и поиск путей для снятия этой неопределенностипроведение имитационного моделирования на ПЭВМ, расчет параметров системы электроснабжения СР, выбор оптимального источника электроснабжения при различных характеристиках района и анализ результатов.

Методы исследования. Исследования, которые проводились в данной работе, включают методы теории решений, теории вероятностей, математическую статистику, методы математического моделирования, методы системного анализа и др.

Научная новизна состоит в следующем:

1) проведен обширный анализ современного рынка дизельных, газопоршневых и газотурбинных электроагрегатов отечественного и иностранного производства малой и средней мощности. На основании этих данных получены и обработаны зависимости стоимости электростанций на базе этих электроагрегатов от их мощности при различных значениях стоимости топлива и числе часов использования максимума электрической нагрузки;

2) разработаны топологическая и математическая модели, применяемые в решении задач оптимизации и выбора источника электроснабжения СР;

3) использована и уточнена методика многокритериальной оптимизации для выбора источника электроснабжения отдаленного СР с малой плотностью электрической нагрузки по нескольким частным критериям с учетом неопределенности части исходной информации;

4) выведены аналитические уравнения частных критериев:

— для критерия эффективности — дисконтированные затраты;

— для критерия надежности — дисконтированный недоотпуск электрической энергии;

— для критерия качества — дисконтированная неодинаковость напряжения;

5) обоснована методика учета неопределенного фактора (поверхностной плотности электрической нагрузки) на основании вероятности значений функции принадлежности состояний среды, полученной по итогам экспертного опроса;

6) при помощи имитационного моделирования определены оптимальные параметры систем электроснабжения СР и даны рекомендации по выбору источника электроснабжения СР при различных значениях поверхностной плотности электрической нагрузки ро, времени использования максимума электрической нагрузки Т и других факторов.

Достоверность разработанных научных положений, методов, сделанных выводов и рекомендаций обеспечивается корректным применением современных методик исследования, использованием ПЭВМ для расчета параметров оптимизации при выборе источника электроснабжения отдаленного СР с учетом многокритериальности и неопределенности части исходной информации для различных районов страны и совпадением теоретических и расчетных результатов для конкретного района.

Практическая ценность работы. Разработанная в диссертации методика позволяет осуществлять оптимизацию различных параметров систем электроснабжения отдаленных СР, таких как радиусы распределительных линий, осуществлять предварительный выбор источников электроснабжения по минимуму исходной информации (такой как удаленность района от центра питания, плотность нагрузки и удельного числа пунктов потребления электрической энергии), что может быть использовано при планировании развития энергосистем. Полученные данные и методика расчетов могут быть использованы при проектировании систем электроснабжения СР и учтены при составлении соответствующих нормативных документов.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты и методика многокритериальной оптимизации выбора источника электроснабжения отдаленных СР с малой плотностью электрической нагрузки с учетом неопределенности части исходной информации, а также рекомендации, сформулированные по результатам проведенных исследований приняты и используются в ОАО «РОСЭП» и во Всероссийском НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) при решении задач, связанных с разработкой и планированием систем электроснабжения СР, что подтверждается актом внедрения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научно практических конференциях профессорско-преподавательского совета ФГОУ ВПО МГАУ (2003 г., 2004 г., 2005 г.), и на техническом совете ОАО «РОСЭП» (16 декабря 2004 года).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7'рек статьях и одной монографии.

Структура диссертации и ее объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы 219 страниц. Основная часть 169 страниц, 42 таблицы, 57 рисунков. Библиография включает 98 наименований. Приложения содержат 50 страниц.

1. Автономные системы энергоснабжения. // Энергетика за рубежом. Приложение к журналу Энергетик. — Вып. 1, 2002. — 34 -38.

2. Беллман Р., Заде Л. А. Принятие решений в расплывчатых условиях. — В кн.: Вопросы анализа и процедуры принятия решений. -Пер. с англ. яз. — М.: Мир, 1976.

3. Блок В. М. Электрические сети и системы. — М.: Высшая школа, 1986.-430 с.

4. Брахман Т. Р. Многокритериальность и выбор альтернативы в технике. М.: Радио и связь, 1984.

5. Будзко И. А., Левин М. С, Терешко О. А., Переверзев П. С. Комплексная оценка показателей технического состояния сельских сетей 10 и 0.38 кВ // Электрические станции. — 1987. — № 12.

6. Будзко И. А., Левин М. С. Электроснабжение сельскохозяйственных предприятий и населенных пунктов. М.: Агропромиздат, 1985.-320с.

7. Будзко И. А., Левин М. С, Лещинская Т. Б. Выбор сечений проводов распределительных линий с учетом роста нагрузок. // Электричество. — 1976. — № 5. 71−74.

8. Веников В. А. и др. О методах решения многокритериальных оптимизационных задач электроэнергетики с неопределёнными величинами // Электричество. — 1987. — № 2.

9. Веников В. А, Веников Г. В. Теория подобия и моделирования. — М.: Высшая школа, 1984. — 439 с.

10. Вестник управления ценообразования в строительстве и жилищно-коммунальном комплексе. // Госстрой России. — М.: Ко-Инвест. Вып. 37, 2001. — 19. Вып. 44, 2003. — 7. Вып. 46, 2004. — 7.

11. Гермейер Ю. Б.

Введение

в теорию исследования операций. — М.: Наука, 1971.-384с.

12. Гордиевский И. Г., Лордкипанидзе В. Д. Оптимизация параметров электрических сетей. — М.: Энергия, 1978.

13. ГОСТ 13 109–97. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. — Минск: Изд-во стандартов, 1998.-31с.

14. Губанов М. В., Лепщнская Т. Б. Состояние сельской электрификации и её перспективы // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2000. — № 3. — 2 — 4.

15. Гук Ю. Б. Анализ надежности электроэнергетических установок. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. — 224 с.

16. Гук Ю. Б. Основы надежности электроэнергетических установок. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1976. — 192с.

17. Дружинин В. В. Конторов Д.С. Системотехника. — М.: Радио и связь, 1985.

18. Ефентьев Н. Развитие методики технико-экономического анализа при выборе основных параметров электрических сетей с уче-том неопределенности исходной информации. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н. — М.: МЭИ, 2004.

19. Заде Л. А. Основы нового подхода к анализу сложных систем и процессов принятия решений. — В сб.: Математика сегодня. — Пер. с англ. яз. — М.: Знание. 1974.

20. Заде Л. А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию решений. — М.: Мир, 1976.

21. Захарин А. Г. Методика определения технико-экономических показателей сельскрсс электрических сетей. — В кн.: Проблемы энергетики. -М.: Изд-во АН СССР, 1959, с. 174−185.

22. Зельнер А. Байесовские методы в эконометрии. — Пер. с англ. яз. — М.: Статистика, 1980. — 438с.

23. Идельчик В. И. Электрические системы и сети. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 592с.

24. Исследование операций. Ред. коллегия: Ляпунов А. А., Борисов В. И., Ахундов М. Д. — М.: Наука, 1972. — 138с.

25. Канакин Н. С. Коган Ю.М. Технико-экономические вопросы электрификации сельского хозяйства. — М.: Энергоатомиздат, 1986. 192 с.

26. Карташев И. И., Зуев Э. Н. Качество электроэнергии в системах электроснабжении. Способы его контроля и обеспечения. — М.: Изд-во МЭИ, 2001. — 120с.

27. Кини Р. Л., Райфа X. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения. — Пер. с англ. яз. — М.: Радио и связь, 1981.-560с.

28. Князев П. В., Лещинская Т. Б. Применение автономного источника электроэнергии для электроснабжения сельскохозяйственного района. // Электрика. — 2004. — № 9. — 18 — 23.

29. Князев П. В., Лещинская Т. Б. Выбор и оценка источников электроснабжения отдаленных сельскохозяйственных районов. / Монография — М.: Агроконсалт, 2005.

30. Концепция развития электрификации сельского хозяйства России. — М.: Россельхозакадемия, 2001.

31. Левин М. С, Лещинская Т. Б. Методы теории решений в задачах оптимизации систем электроснабжения. — М.: ВИПКэнерго, 1989. — 130с.

32. Левин М. С, Лещинская Т. Б. Сборник задач по электроснабжению сельских районов. Учебное пособие. М.: МГАУ, 1996. — 120с,.

33. Лещинская Т. Б. Методы многокритериальной оптимизации систем электроснабжения сельских районов в условиях неопределённости исходной информации. — М.: Агроконсалт, 1998.

34. Лещинская Т. Б. Оптимизация систем электроснабжения (в примерах и иллюстрациях) — М.: МЭИ, 2002.

35. Лещинская Т. Б. Применение методов многокритериального выбора при оптимизации электроснабжения сельских районов. // Электричество. — 2003. — № 1. — 14 — 22.

36. Лещинская Т. Б. Развитие СЭС напряжением 10−110 кВ сельских районов. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ, д.т.н. — М.: МИИСП им. В. П. Горячкина, 1990.

37. Лещинская Т. Б., Глазунов А. А., Шведов Г. В. Алгоритм решения многокритериальных задач оптимизации с неопределенной ин-формацией на примере выбора оптимальной мощности глубокого ввода высокого напряжения. // Электричество. — 2004. — № 10. — 8 -14 .

38. Лещинская Т. Б., Метельков А. А. Разработка методики планирования систем электроснабжения районов с малой плотностью нагрузок с учетом неопределенности исходной информации. — М.: Агроконсалт, 2003. — 116 с.

39. Мелентьев Л. А. Системные исследования в энергетике. — М.: Наука, 1983.

40. Местные энергетические системы / Вейц В. Н., Захарин А. Г., Караулов Н. А., Пирхавка П. Я. — М.: АН СССР, 1958.-294 с.

41. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов: рук. авт. кол.: Косов В. В., Лившиц В. Н., Шахназаров А. Г. — М.: Экономика, 2000. — 421 с.

42. Методические указания по обеспечению при проектировании нормативных уровней надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. // РУМ. — М.: «Сельэнергопроект», октябрь 1986 г.

43. Мисриханов М. Ш., Мозгалев К. В., Неклепаев Б. Н., Шунтов А. В. О технико-экономическом сравнении вариантов электроустановок при проектировании // Электрические станции. — 2004. — № 2. — 2 — 8 .

44. Молоснов Н. Ф., Островский В. А. Электроснабжение ферм и комплексов. — М.: Россельхозиздат, 1977. — 55с.

45. Надежность схем выдачи мопщости электростанций / Балаков Ю. Н., Шевченко А. Т., Шунтов А. В. — М.: Изд-во МЭИ, 1993. -128с.

46. Надежность технических систем. Справочник / Беляев Ю. К., Богатырев В. А., Болотин и др.- Под ред. И. А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985;608с.

47. Научные основы электроснабжения сельского хозяйства Казахстана / Чокин Ш. Ч., Майзель С, Я., Выползова В. Н., Шустров Э. П. — Алма-Ата.: Изд-во Наука Казахской ССР, 1966. — 230 с.

48. Неклепаев Б. Н. Электрическая часть электростанций и подстанций. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 640с.

49. Непомнящий В. А. Учет надежности проектирования энергосистем. М.: Энергия, 1978. — 200с.

50. Никитин А. А.: Децентрализованные источники энергии на основе поршневых двигателей производства Вяртсиля НСД Корпо-рэйшн. Доклад с Международной конференции Энергетическая безопасность Европы. Взгляд в XXI век. 3−6 мая 2000 г. — Киев, 2000.

51. Нормы технологического проектирования дизельных электростанций НТПД — 90. Министерство энергетики и электрификации СССР.-М.: «Сельэнергопроект», 1990.

52. Околович М. Н. Проектирование электрических станций. — М.: Энергоиздат, 1982. — 400с.

53. Оптимизация систем электроснабжения в условиях неопределённости / Арион В. Д., Каратун B.C., Пасинковский П. А. — Кишинев: «Штиница», 1991.

54. Орлов А. В. Оптимальное решение проблемы автономного и аварийного энергообеспечения. // Новости электротехники. — 2002. -№ 5(17).-С.48−49.

55. Орлов А. В. Системы автономного электроснабжения (САЭ): как создать оптимальный энергоблок с ДЭС. // Новости электротехники. — 2003. — № 1(19). — 68 — 69.

56. Основные направления развития распределительных электрических сетей на период до 2015 года. М.: ОАО «РОСЭП», 2004.

57. Переверзев П. С. Методы оценки технического состояния сельских электрических сетей и выбор мероприятий по их улучшению. Дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н. М., 1986.

58. Плюгачев В. К. Основы рационального электроснабжения сельского хозяйства. Дисс. на соиск. уч. степ. д.т.н. — Минск, 1962.

59. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. — 264с.

60. Правила устройства электроустановок — 6-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 640с.

61. Правила устройства электроустановок. Раздел 2. Передача электроэнергии. Главы 2.4, 2.5. — 7-е изд. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. — 160с.

62. Правила устройства электроустановок. Раздел 4. Распределительные устройства и подстанции. Главы 4.1, 4.2. — 7-е изд. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. — 104с.

63. Прейскурант на строительство трансформаторных подстанций напряжением до 110 кВ (ПЭСС-2−92). — М.: «Сельэнергопроект», 1992.-32 с.

64. Прусс В. Л., Тисленко В. В. Повышение надежности сельских электрических сетей. — Д.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1989.-208 с.

65. Рекомендации по расчету электрических нагрузок в сетях 0,38 — 110 кВ сельскохозяйственного назначения. // РУМ. — М.: АО «РО-СЭП», май 1996. — 86с.

66. Рекомендации по технологическому проектированию подстанций переменного тока с высшим напряжением 35 — 750 кВ. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. — 80с,.

67. Розанов М. Н. Надежность электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1984. — 200с.

68. Сборник укрупненных показателей стоимости строительства воздушных Л1ший электропередачи напряжением 0,38 — 10 кВ в сельской местности (УПСС 0,38 — 10 кВ 2001 г.). — М.: АООТ «РО-СЭП», 2001.-42с.

69. Синьчугов Ф. И. Расчет надежности схем электрических соединений. — М.: Энергия, 1971. — 176 с.

70. Солдаткина Л. А. Электрические сети и системы. — М.: Энергия, 1978.-216с.

71. Справочник инженера-электрика сельскохозяйственного производства, учебное пособие. М.: Информагротех, 1999. — 536с.

72. Справочник по проектированию электроснабжения, линий электропередачи и сетей. Под ред. Я. М. Большама, В. И, Круповича, М. Л. Самовера. Изд. 2-е. — М.: Энергия, 1974. — 696с.

73. Справочник по проектированию электроэнергетичесюгх систем / Ершевич В. В., Зейлигер А. Н., Илларионов Г. А. и др.- Под ред. С. Рокотяна и И. М. Шапиро. М.: Энергоатомиздат, 1985. — 325с.

74. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Под общ. ред. А. А. Федорова и Г. В. Сербиновского. В 2-х кн. Кн.

75. Проектно-расчетные сведения. М.: Энергия, 1973. — 520с.

76. Сукманов В. И., Лещинская Т. Б. Дипломное проектирование. Методические рекомендации по электроснабжению сельского хозяйства. — М.: МГАУ, 1998. — 103с.

77. Трубицын В. И. Надежность электрической части электростанций. — М.: Изд-во МЭИ, 1993. — 112с.

78. Трубицьш В. И. Надежность электростанций. — М.: Энергоатомиздат, 1997.-240с.

79. Трухаев Р. И. Модели принятия решений в условиях неопределенности. — М.: Наука, 1981. — 258с.

80. Трухаев P.M., Горшков И. С. Факторный анализ в организационных системах. — М.: Радио и связь, 1985. — 184с.

81. Указания по применению показателей надежности элементов энергосистем и работы энергоблоков с паротурбинными установками.-М.: Союзтехэнерго, 1985. -20с.

82. Федеральные законы об энергетике. — М.: Книга сервис, 2003.

83. Фишман В. Быть или не быть собственному источнику электроснабжения на предприятии. // Новости электротехники. — 2003. -№ 4(22).-С.82−85.

84. Фокин Ю. А, Туфанов В. А. Оценка надежности систем электроснабжения. — М: Энергоиздат, 1981. — 224с.

85. Халфен А. А. Исследование технико-экономических показателей централизованного электроснабжения сельских потребителей. Дисс. на соиск. уч. степ, к.э.н. — М: ВИЭСХ, 1970.

86. Шевляков В. И. Концептуальные подходы к реконструкции и техническому перевооружению распределительных электрических сетей сельских территорий. Сб. научи, трудов ВИЭСХ — М: ВИЭСХ, 2001.

87. Шевляков В. И. Разработка концепции развития распределительных электрических сетей в сельской местности. Дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н. М., 2001.

88. Электроснабжение сельского хозяйства / Будзко И. А., Лещинская Т. Б., Сукманов В. И. — М.: Колос, 2000. — 536с.

89. Энергетика и электрификация Восточного Казахстана / Чокин Ш. Ч., Сартаев Т. С, Шкрет А. Ф. — Алма-Ата: Наука, 1986. — 240с.

90. Aillert Р. — «Bull. Soc. francaise des Electr. y>, 1956, № 61. 91. Gaussens P. — «Bull. Ass. Suiss des Electr.», 1959, № 26.

92. Zadeh L.A. Similarity relations and fuzzy orderings. — Inform. Sci., 97, vol.3,N2.

93. Князев П. В., Лещинская Т. Б. Разработка модели для систем сельского электроснабжения // Электрика. — 2004. — № 12. — 27 — 30.