Автоматика и телемеханика, № 1, 2015
Безопасность, живучесть, надежность,
техническая диагностика
© 2015 г. Г.Г. ГРЕБЕНЮК, д-р техн. наук (grebenuk@lab49.ru), А.А. КРЫГИН (akrygin@lab49.ru) (Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, Москва)
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ГРАФЫ В СТРУКТУРНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Рассматривается применение метода предельных графов для решения задач структурной оптимизации режимов распределительных электрических сетей, ранее разработанного для противоаварийного управления тепловыми сетями. Проводится сравнительный анализ результатов оптимизации практической 52-шинной распределительной сети по показателям устойчивости, равномерности профиля напряжения и потерям мощности.
1. Введение
Распределительные сети являются частью энергосистемы, обеспечивая передачу электроэнергии от распределительных подстанций разного уровня напряжения до потребителей. Наибольшие потери мощности среди трех частей энергосистемы (производство, передача и распределение) принадлежит распределению. Так происходит как по объективным причинам из-за низкого уровня напряжения, так и из-за выработки ресурса оборудованием, недостаточного внимания к современным средствам и методам снижения потерь и др.
В развивающихся странах потери мощности составляют около 20 % [1] по сравнению с 10 % и менее в развитых странах Причем, примерно 70 % этих потерь приходится на распределительные системы, которые более разветвлены, чем системы передачи.
Традиционно наиболее слабым звеном в системе электроснабжения являются воздушные распределительные сети 6(10) кВ - последний этап на пути электрической энергии к потребителю. Протяженность воздушных линий 6(10) кВ в России составляет более 1,5 млн км - почти 45 % от общей протяженности линий электропередачи 0,4-110 кВ. Около 70 % всех нарушений электроснабжения приходится на сети данного класса напряжения.
С точки зрения потребителя надежность и качество, а также стоимость электроэнергии, в которую входят сетевые потери, являются важнейшими критериями распределительной системы. Качество электроэнергии во многом определяется стабильностью напряжения. Вводимые в действие распределительные сети, как правило, не испытывают проблем со стабильностью напряжения. Однако нагрузки в распределительной сети резко возрастают с увеличением бытового и промышленного потребления, что подводит парамет-
ры сети в ее узлах к границам устойчивости. По этой причине стабильности напряжения и ее оценке сегодня уделяется особое внимание.
Возможность оперативно изменять конфигурацию сети появилась с развитием технологий "умных сетей", вводом распределенной генерации (БС) в систему распределения, существенно влияющему на профиль напряжения, потоки мощности и качество энергии. Данные технологии сочетают достижения силовой электроники и информационных технологий.
Традиционный подход к снижению загруженности электрической сети связан с увеличением пропускной способности линий передачи за счет строительства дополнительных линий. Другой подход связан с использованием структурных возможностей сетей, резервированием путей доставки энергии потребителям для повышения надежности электроснабжения. Реконфигурация является процессом изменения структуры и состояния распределительной сети выполнением переключений коммутационными аппаратами. Этот процесс очень привлекателен, поскольку он работает только на закрытие нормально открытых (НО) коммутаторов или на открытие нормально замкнутых (НЗ) коммутаторов уже существующих в системе без каких-либо дополнительных затрат.
Реконфигурация сети наряду с управлением потреблением, выравниванием графиков нагрузок и введением дополнительной генерации является эффективным способом повышения надежности, качества, а также снижения стоимости (потерь) электроэнергии.
Ниже рассматриваются задачи распределительных сетей электроэнергетики, решаемые путем изменения ее структуры при использовании предельных графов - подхода, предложенного в [2] и примененного к решению задачи минимизации переключений при авариях в сетях теплоснабжения. В сетях электроснабжения структурные изменения должны сопровождаться анализом устойчивости и расчетом распределения потоков в каждой новой конфигурации сети. Многочисленные работы по оптимизации распределительных электрических сетей, как правило, содержат способ реконфигурации, экспериментальный пример и материалы, обосновывающие результат (модель потоков, анализ устойчивости по напряжениям в узлах сети). В предлагаемой ниже работе подход, изложенный в [2], применен для решения задач электроснабжения; содержание работы соответствует указанной выше структуре изложения.
2. Некоторые задачи, решаемые методами реконфигурации
Рассматриваемые ниже задачи относятся к задачам оптимизации режима электрической сети.
2.1. Балансировка нагрузки
Распределительная электрическая сеть бывает неравномерно загружена, следовательно, нуждается в корректировке потоков мощности, которая может быть достигнута путем изменения структуры сети, ее реконфигурации. Загруженность линий и трансформаторных подстанций в различных частях
распределительной сети в нормальных условиях эксплуатации может значительно различаться из-за неравномерного по территории смешения различных типов нагрузок (бытовых, коммерческих и промышленных). Это приводит к тому, что некоторые части системы сильно загружены в определенное время и менее загружены в другое время суток. Поэтому имеет смысл переносить нагрузки между фидерами или подстанциями путем переключения нагрузок. Для управления указанным процессом в [3] вводятся индексы нагрузки участков линий (ветвей) как отношение фактического тока линии к допустимому. Задача балансировки нагрузки формулируется в виде целенаправленного подбора значений индексов нагрузки участков линий (ветвей) и расчета индекса сбалансированности нагрузки всей системы. Цель заключается в оптимизации индексов нагрузки ветвей таким образом, чтобы индекс сбалансированности нагрузки системы свести к минимуму.
2.2. Минимизация потери электроэнергии
В большинстве нагруженных распределительных систем по фидерам к нагрузке проходят большие токи, которые приводят к увеличению потерь мощности при низком качестве и более высоких тарифах на электроэнергию. Основные потери в сети складываются из потери электроэнергии в распределительных линиях и в силовых трансформаторах. В целом потери в трансформаторах составляют 2 % от всей произведенной электроэнергии, или 1/3 от всех потерь вообще. Потенциал энергосбережения в области распределительных трансформаторов соизмерим с потенциалом сбережения электродвигателей и бытовых электроприборов. Задачи минимизации потерь сводятся к вычислению оптимальной схемы нагрузки линий и трансформаторов.
Уменьшению потерь энергии в распределительных сетях может способствовать размещение DG и компенсаторов в определенных частях сети. Выбор точек размещения DG сильно влияет на характер изменения потерь. При правильном расположении установок распределенной генерации потери мощности могут снизиться, при неправильном - возрасти. Задачам оптимального размещения DG посвящены многие исследования, например [4].
Шунтирующие конденсаторы обычно используются для компенсации реактивной мощности в локальной сети и как следствие, снижения потери электроэнергии в линии и повышения профиля напряжения. Размещению конденсаторов и выбору их размеров для минимизации потери мощности посвящены многие исследования, среди них можно указать [5]. Решение перечисленных выше задач сопровождается расчетом устойчивости режимов.
2.3. Контроль загруженности и устойчивости сети
Проблема стабильности напряжения привлекает все больше внимания в связи с увеличением нагрузки и мощности передаваемой электроэнергии. По условиям устойчивости энергосистем нормируются минимальные коэффициенты запаса статической апериодической устойчивости по активной мощности в сечениях и по напряжению в узлах нагрузки. Вследствие нарушения статической устойчивости энергосистемы может случиться лавинообразное снижение напряжения (лавина напряжения, collapse of voltage). В качестве
основного фактора, определяющего статическую устойчивость нагрузки, рассматривается нагрузка вращающихся машин - асинхронных и синхронных двигателей, что в определенных условиях может приводить к лавине напряжения. Лавина напряжения может иметь место, если напряжение в узле понижается до значения Икр, которое называется критическим. Такая неустойчивость проявляется, в первую очередь, в снижении напряжения на шинах узла нагрузки (до 30-60 % нормального рабочего напряжения), что приводит к нарушению электроснабжения всех потребителей данного узла. По указанной причине стабильность напряжения - важный фактор, рассматриваемый в управлении и планировании режимов энергосистем. Для недопущения этого явления необходимо рассчитывать запас статической апериодической устойчивости по напряжению в узлах распределительной сети.
Особенно важно умение вычислять степень статической устойчивости в реальном времени, чтобы диспетчер мог принять меры для предотвращения аварийного режима. Проблеме мониторинга статической устойчивости энергетических систем посвящены многочисленные работы, среди которых отметим метод грамианов [6], а также метод индексов устойчивости по напряжению VSI (voltage stability index). Последний имеет массу разновидностей, отличающихся своей вычислительной сложностью. Следует отметить, что этот метод не учитывает слабоустойчивые колебательные моды, которые играют важную роль в формировании механизмов развития лавины напряжений в распределительной сети. Анализ и некоторые сравнения между индексами устойчивости по напряжению можно найти в литературе [5, 7-10].
Многие исследования посвящены выявлению слабейшей шины системы. Самым слабой шиной считается та, напряжение на которой ближе к критическому напряжению, предшествующему лавине напряжения.
Во многих исследованиях, в том числе перечисленных выше, по структурной оптимизации в качестве оптимальной конфигурации сети в нормальном режиме принимается структура сет
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.