Наукові основи оцінювання енергетичних і структурних станів діючих систем електропостачання промислових підприємств

Виконані дослідження дозволили сформулювати такі основні висновки з розділу:

1. Зміна структурного стану системи електропостачання супроводжується зміною її енергетичного стану, включаючи втрати потужності в її мережі. Тому структурний резерв системи електропостачання не тільки підвищує її працездатність, але й обумовлює втрати потужності й енергії в системі. Тому що рівні раціонального резерву для забезпечення надійного електропостачання і електрозбереження можуть не збігатися, має сенс розширити семантику поняття "надійність системи електропостачання" до "функційна ефективність системи електропостачання".

2. Перетворення системи електропостачання, що має структурний резерв, у сукупність еквівалентних паралельно-послідовних і (або) послідовно-паралельних структур з фіксованими комутаційними станами резервних електричних зв'язків і формула повної ймовірності дозволяють застосувати до системи алгоритми логічних схем для оцінювання працездатності й непрацездатності її структурних станів.

3. Коректне оцінювання працездатних станів системи електропостачання не можливе без вибору та обгрунтування принципу поділу їх з непрацездатними, без визначення й врахування ступеня відповідності пропускної спроможності елементів системи і структурного резерву її, при неповному відображенні станів елементів системи за працездатністю. Перелічені умови вимагають певності, бо є початковими для оцінювання структурних станів системи електропостачання.

4. Логічна непротилежність структурного перетворення системи електропостачання, структурні стани якої оцінюються відповідно до описаної в роботі методології, обумовлює алгоритмічну можливість розв'язання останньої з метою автоматизації її з використанням ЕОМ.

5. Забезпечення представності бази статистичних даних для оцінювання працездатності і непрацездатності структурних станів ДСПЕП вимагає: ідентифікації на однорідність об'єднаних статистичних вибірок показників надійності елементів ДСПЕП; вибору та обгрунтування періоду спостереження за станом працездатності елементів ДСПЕП і періоду відновлення бази статистичних даних.

У розділі подане теоретичне обгрунтування розробленого здобувачем нового методологічного підходу до вирішення топологічної задачі електричної мережі.

Обгрунтована доцільність до визначення поняття “центр електричних навантажень”, тому що воно обумовлює принципи формування раціональної топології електричної мережі. З цією метою виділені і досліджувані такі чинники, що впливають на вирішення топологічної задачі: чинник енергетичної двоїстості вузлів мережі, чинник суміщеності потужностних навантажень вузлів у мережі, чинник неоднозначності електричних зв'язків між вузлами розподільчої і живлячої мереж, чинник обумовленості параметрів мережі і чинник критеріальної функції вибору раціональних рішень. Запропоновано під “центром електричних навантажень” розуміти точку плану мережі, що обумовлена екстремумом обраної критеріальної функції, яка враховує енергетичну двоїстість вузлів мережі й їх навантаження за струмом при фіксованих електричних зв'язках між вузлами й фіксованим конструктивно-параметричному виконанні мережі, що задовольняє технічним вимогам до її експлуатації.

Показано, що фізико-технічна суть топологічної задачі перекручується, коли вона вирішується відповідно принципам теорії функціонального аналізу з використанням адитивних критеріальних функцій (зокрема річних зведених витрат на мережу). Це обумовлено множиною стаціонарних точок критеріальних функцій (критеріальні функції не опуклі). До того ж топологічна задача електричної мережі є задача із змінними параметрами, що не дозволяє апріорі здійснити ідентифікацію критеріальної функції на опуклість класичними методами. Таким чином, топологічна задача вимагає нових математичних підходів до вирішення.

Запропоновано вирішувати топологічну задачу з використанням імітаційного детермінованого моделювання раціональної мережі, враховуючи перелічені вище чинники. Імітація мережі вимагає обумовленості її конструктивного виконання, параметрів аварійного режиму, електричних зв'язків і метрики між вузлами мережі, координат топологічного базису (x₀,y₀).Детермінованість стосується варіювання координат вузлів мережі, що утворять суміжний (з живлячими і розподільчими вузлами мережі) рівень. Варіювання координат пропонується здійснювати за дугами концентричних кіл із центром у точці з координатами (x₀,y₀) відповідно до алгоритму:

, (12)

де R - радіус метричної області моделювання мережі;

m₁,m₂ - параметри моделювання.

Моделювання містить у собі обчислення параметрів аварійного режиму в точках (x_ij,y_ij), оцінювання параметрів мережі на відповідність цьому режиму, обчислення абсолютного і відносного значень критеріальної функції в точках (x_ij,y_ij). Воно дозволяє врахувати багаточинність при розв'язуванні топологічної задачі, оцінити потенціал енергозбереження у мережі конкретної ДСПЕП і з'являється ефективним інструментом при синтезі раціональної електричної мережі. На його підставі в роботі експериментально обгрунтована можливість та доцільність заміни вартісних складових річних зведених витрат на "технічні" функціонали М_1j, М_2j, М_3j, які ізоморфно збігаються з першими при варіюванні метричних параметрів мережі (l_ij). Функціонали відображаються залежностями вигляду:

, (13)

де І_длij - технічно нормоване значення тривало припустимого струму провідника i-ої ділянки мережі в j-ому топологічному рішенні, що відповідає перетину і матеріалові провідника та конструктивному виконанню ділянки;

I ⁿ_pi - параметр енергетичного стану провідника i-ої ділянки мережі за втратами потужності;

I_pi - параметр енергетичного стану провідника i-ої ділянки мережі за найбільшим тривалим нагріванням.

Використання імітаційного детермінованого моделювання подане в роботі на прикладі діючої розподільчої мережі 10 кВ ЗАлКа з чотирнадцятьма трансформаторними підстанціями 10/0,4 кВ, які електрично зв'язані з живлячим вузлом ФПС1 за радіальною схемою. Воно дозволило виявити 300%-ий потенціал енергозбереження у цій мережі.

Зниженню ВЕ в ДСПЕП сприяє не тільки раціональна топологія мережі, але й раціональна структура ДСПЕП. Для оцінювання ефективності фактичної структури ДСПЕП (щодо ВЕ) вимагається порівняння її з раціональною (гіпотетичною) структурою, що не може обійтися без вирішення топологічної задачі, але в умовах непевності електричних зв'язків між вузлами розподільчої та живлячої мереж. При такій постановці топологічна задача являє собою комбінаторну задачу цілочисленого математичного програмування з булевими змінними Z_ij (електричні зв'язки між i-ми та j-ми вузлами мережі), апріорі відомими L_j (метричні параметри m ділянок живлячої мережі ) і C_j (кількість відгалужень живлячих вузлів для приєднання до них вузлів розподільчої мережі) й являє собою таке: знайти мінімум цільової функції вигляду:

, (14)

при обмеженнях:

(15)

де I_ij - техніко-економічні параметри задачі, що відповідають вибраній меті моделювання. Так, при оцінюванні потенціалу енергозбереження ці параметри будуть параметрами функціоналу М_2j.

У розділі наведена математична модель цільового формування раціональної структури ДСПЕП на рівнях розподільчої та живлячої мереж разом і сформульовані основні висновки.

Отримані в дисертаційній роботі результати не мають значимих обмежень на застосування в промисловості і проектуванні за галузевою ознакою. З огляду на те, що запропоновані процедури оцінювання енергетичних і структурних станів ДСПЕП достатньо складні і вимагають від користувача певних навичок і розуміння фізичних процесів, що відображаються ними, для широкого їх впровадження в практику необхідна адаптація. Для цього потрібно розробити інформаційне і методичне забезпечення, що включає в себе вказівки, інструкції, рекомендації, алгоритми і програмне забезпечення для ЕОМ, контрольні розрахунки. Ефективність такого забезпечення буде вище, якщо воно буде розроблено централізовано з притягненням фахівців із стандартизації. Без упорядкування процедур збору первинної інформації, формування баз даних, обчислень не уникнути неякісних оцінок ДСПЕП.

Коректність вихідних даних визначає якість і дієвість результатів оцінювання структурних і енергетичних станів ДСПЕП. У дисертаційній роботі сформульовані основні вимоги до них і перелічені умови, що сприяють їх виконанню в умовах виробництва.

Автоматизація процедур оцінювання не тільки прискорює їх виконання, але і підвищує якість результатів оцінювання. Наведені в роботі математичні моделі, алгоритми і програмні продукти для ЕОМ дозволяють стверджувати про існування принципіальних технічних можливостей реалізації їх у вигляді засобів автоматики на мікропроцесорній елементній базі. Це дозволить оперативно керувати енергетичним станом ДСПЕП із метою енергозбереження й підвищення її надійності.

В даний час енергетичні та структурні стани ДСПЕП не оцінюються. На промислових підприємствах немає служб і підрозділів, в задачі яких це входило б. У роботі викладені рекомендації з їх організації й перелічені деякі функціональні обов'язки персоналу. Запропонована структура інформаційного документу єдиного зразку, у якому повинні регулярно відбиватися параметри фактичних і прогнозованих енергетичних станів, перелік заходів щодо зниження ВЕ, параметри структурних станів ДСПЕП і рекомендації з їх цільового регулювання та ін.

Висновок

У результаті виконаних досліджень розроблено принципи і методологічну основу оцінювання енергетичних і структурних станів ДСПЕП, які сприяють підвищенню їх ефективності, що вирішує актуальну науково-технічну проблему енергозбереження та надійності в системах електропостачання.

Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації дисертаційної роботи полягають у такому:

1. Нормативні принципи і методологічні підходи до оцінювання енергетичних і структурних станів систем електропостачання промпідприємств орієнтовані на синтез систем, не забезпечують прийнятної достовірності параметрам енергетичних і структурних станів ДСПЕП і тому не сприяють підвищенню їх ефективності за надійністю та ВЕ.

2. Доведено, що оцінювання енергетичних станів ДСПЕП є багатоцільовим, кожна ціль досягається у своїй області параметричних рішень. У якості пріоритетних цілей виділені оцінювання параметрів енергетичних станів за найбільшим тривалим нагріванням елементів (при певності і непевності початкових умов) і оцінювання параметрів енергетичних станів за втратами електроенергії в мережі ДСПЕП.

Показано, що якість оцінювання енергетичних станів ДСПЕП за втратами електроенергії підвищується, якщо враховується увесь простір енергетичних станів ДСПЕП і коректно оцінюються (на тривалість) структурні стани ДСПЕП, що обумовлюють енергетичні стани.

3. Встановлено, що в ДСПЕП існують функціональні зв'язки між вихідними і (або) залежними параметрами її енергетичних станів, які не погоджуються із законами електротехніки. Неврахування цих зв'язків приводить до значущої похибки оцінок параметрів і фактичних і прогнозованих енергетичних станів ДСПЕП. Оцінювання функціональних зв'язків між параметрами фактичних енергетичних станів ДСПЕП дозволяє зменшити непевність вихідних параметрів прогнозованих енергетичних станів і сформувати раціональні регулюючі впливи на фактичні енергетичні стани із метою діставлення бажаних.

4. Вперше розроблені принципи, методологія й алгоритми оцінювання енергетичних станів ДСПЕП за найбільшим тривалим нагріванням їх елементів і за втратами електроенергії в їх мережах. Встановлено, що при оцінюванні параметрів енергетичних станів ДСПЕП за найбільшим тривалим нагріванням інтегрування вихідних параметрів стану повинно здійснюватися з врахуванням фактичних функціональних зв'язків між параметрами навантаження (з активної та реактивної потужностей) і напруги, межі інтегрування локальні для кожного елементу ДСПЕП і є ковзними за віссю часу вихідних параметрів стану, що оцінюється.

При оцінюванні параметрів енергетичних станів ДСПЕП за втратами електроенергії інтегрування вихідних параметрів стану повинно здійснюватися з врахуванням фактичних функціональних зв'язків між параметрами навантаження (з активної та реактивної потужностей) і напруги в межах всієї осі часу вихідних параметрів стану, що оцінюється. Якщо ДСПЕП має структурну надмірність, то оцінювання втрат електроенергії в ній повинно здійснюватися для всіх її енергетичних станів, що обумовлюються змінюванням структури ДСПЕП. У противному випадку ВЕ, що оцінюються, занижуються до 40%.

5. Розроблений універсальний метод оцінювання структурних станів систем електропостачання зі структурною надмірністю, який заснований на розкладенні системи на логічно еквіваленту сукупність структур відносно станів за працездатністю всіх її резервних зв'язків, що дозволяє коректно оцінити тривалість перебування системи в енергетичних станах з підвищеними, нормальними і зниженими втратами електроенергії, а також з повними і частковими збитками виробничому процесу споживача.

Розроблено принципи формування представницької бази статистичних даних з непрацездатності елементів ДСПЕП для коректного оцінювання її структурних станів, що засновані на застосуванні методів статистики малих вибірок і врахуванні конструктивних особливостей, ступеня зносу та ремонтних циклів устаткування ДСПЕП.

6. Розроблені нові принципи вирішення топологічної задачі електричної мережі при синтезі системи електропостачання, що дозволяють урахувати багаточинність задачі й орієнтировані на підвищення ефективності системи електропостачання. Доведено, що неприпустимо вирішувати топологічну задачу методами функціонального аналізу.

Розроблений методологічний підхід до вирішення топологічної задачі, який заснований на застосуванні імітаційного детермінованого моделювання раціональної електричної мережі й дозволяє: врахувати всі важливі для задачі чинники; ідентифікувати використовувану при її розв'язуванні критеріальну функцію на опуклість; оцінити потенціал енергозбережения в мережі за рахунок оптимізації її топології. Вперше розроблена методологія оцінювання ефективності фактичних структури та топології мережі ДСПЕП за ВЕ та надійністю за допомогою цільового внесення в них раціональних регулюючих впливів. Вона заснована на застосуванні дискретного математичного програмування з використанням булевих змінних і сукупності розроблених критеріальных функцій.

7. Наукові положення і результати дисертаційної роботи використані Технічним комітетом N48 "Енергозбереження" при Інституті загальної енергетики НАН України; проектними інститутами "Укрдіпромез", "Запоріжцівільпроект", "Важпромелектропроект" (м.Москва), комбінатами "Запоріжсталь" і ЗАлК; Запорізьким державним технічним університетом.

За матеріалами дисертації опубліковано 40 наукових праць. Основні положення й результати дисертації опубліковані у таких працях

1. Скоробогатова В.И. Оценивание энергетического состояния действующих промышленных электрических сетей. - К.: 0б-во "Знание" Украины, Укр.дом экон. и науч.-техн. знаний. - 1996. - 54 с.

2. Скоробогатова В.И. Учет фактора надежности в оценивании энергетического состояния действующих промышленных электрических сетей. - К.: Ин-т проблем энергосбережения НАН Украины. - 1996. - 36 с.

3. Скоробогатова В.И., Стоянова И.И., Дьяченко В.В., Соколовская И.С., Шварцман З.Л. Методика оценивания энергетического состояния действующих систем промышленного электроснабжения для их паспортизации. - К.:Ин-т общей энергетики HAH Украины. - 1997. - 27 с.

4. Скоробогатова В. И. Концепция численного оценивания энергетического состояния промышленной системы электроснабжения // Електричний журнал. - 1998. - N2(8). - С.38-40.

5. Скоробогатова В. И. Аналитическая оценка качества топологии и структуры действующей промышленной электрической сети с учетом энергосберегающего фактора // Проблемы энергосбережения. - 1996. - N1-3. - С.21-27.

6. Скоробогатова В.И. Оценка надежности систем электроснабжения на основе формулы полной вероятности // Изв. вузов. Энергетика. - 1989. - N11. - С.42-44.

7. Скоробогатова В.И. Начальные условия и их влияние на результаты анализа отказа системы промышленного электроснабжения // Електричний журнал. - 1996. - N2(4). - С.33-38.

8. Скоробогатова В. И. Об организационном обеспечении оценивания энергетических состояний действующей системы электроснабжения // Електричний журнал. - 1998. - N2(8). - С.62-63.

9. Скоробогатова В.И. О подходе к оцениванию энергетического состояния действующей системы электроснабжения в условиях информационной неопределенности // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 1998. - N2. - С.57-59.

10. Скоробогатова В.И., Дьяченко В.В. Методологическая концепция формирования рациональной электрической схемы системы промышленного электроснабжения // Електричний журнал. - 1995. - N1(1). - С.40-47

11.Скоробогатова В.И., Дьяченко В.В. Метод решения топологической задачи применительно к промышленным электрическим сетям // Електричний журнал. - 1996. - N1. - C.34-37.

12. Скоробогатова В.И., Голобородько А.С. Электрический расчет осветительных сетей на ЭВМ // Энергетика и электрификация. - 1978. - N2. - С.56-57.

13.Скоробогатова В.И., Дьяченко В.В. О целенаправленном формировании рациональной топологии электрической сети // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 1999. - N1(4). - С.178-179.

14. Скоробогатова В.И. О подходе к оцениванию параметров аварийных отказов оборудования действующих систем электроснабжения // Гірнича електромеханіка та автоматика. - 1999. - N3(62). - С.51-55.

15. Скоробогатова В.И., Дьяченко В.В. Условия достижения энергосберегающего эффекта при решении топологической задачи электрической сети// Електричний журнал. - 1999. - N1(9). - С.50-53.

16. Скоробогатова В.И. Повышение качества оценивания энергетических состояний действующих систем электроснабжения как электросберегающий фактор// Гірнича електромеханіка та автоматика. - 1999. - N3(62). - С.55-60.

17. Скоробогатова В.И. Анализ нормативных принципов оценивания установившихся режимов работы систем промышленного электроснабжения// Електричний журнал.-1999.- N1(9).-С.22-25.

18. Скоробогатова В.И., Довбня В.Н. Электропотребление как регулирующий фактор в решении задач компенсации реактивной мощности в сетях потребителей // Условия присоединения потребителей к сети энергосистем. - М.: Общ-во "Знание" России, Центр. росс.дом знаний. - 1993. - С. 69-71.

19. Скоробогатова В.И., Дьяченко В.В. Математическое моделирование рациональной зоны для прогнозирования размещения в ней узла нагрузки электрической сети // Условия присоединения потребителей к сети энергосистем. - М.: Общ-во "Знание" России, Центр. росс. дом знаний. - 1993. - С.67-69.

20. Скоробогатова В.И. Оценивание потерь электроэнергии в действующих системах электроснабжения // Придніпровський науковий вісник. Технічні науки. - 1998. - N79(147). - С.37- 40.

21. Скоробогатова В.И. Факторы, влияющие на формализованное оценивание структурных состояний систем электроснабжения // Придніпровський науковий вісник. Технічні науки. - 1998. - N79(147). - С.46- 48.

22. Скоробогатова В.И. Принципы оценивания энергетического состояния ДСПЭС // Труды III Междунар.конф. "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий ". - Мариуполь: Приаз. госуд. техн. ун-т. - 1994. - С.256-258.

23. Скоробогатова В.И. О качестве оценки потерь электроэнергии в ДСПЭС // Труды Междунар. конф. "Эффективность систем электроэнергетики" (ЕСЕ96). - ч.1. - К.: Гос предпр. “Укрэнергоэффективность”. - 1996. - С.44 - 45.

24. Скоробогатова В.И., Дьяченко В.В., Носулько Ю.Д. Разработка программных средств исследования состояния системы электроснабжения в нормальном установившемся режиме // Труды Всесоюз. конф. "Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах и системах электроснабжения промышленности и транспорта ". - Днепропетровск: Днепропетр. горный ин-т. - 1990. - С.227-229.

25. Скоробогатова В.И., Тарчуткин А.Л. О природе взаимосвязей между параметрами электропотребления и напряжения в действующих системах промышленного электроснабжения и их влиянии на качество регулирования процесса электропередачи // Труды Междунар. конф. "Эффективность систем электроэнергетики "(ЕСЕ 96). - Ч.1. - К.: Гос. предпр. "Укрэнергоэффективность". - 1996. - С. 46-47.

Размещено на Allbest.ru