На правах рукописи
МОСКАЛЕВ Юрий Владимирович
ОПТИМИЗАЦИЯ МОЩНОСТЕЙ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ
И МЕСТ ИХ РАЗМЕЩЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
НЕТЯГОВЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
ОМСК 2009 1
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор АВИЛОВ Валерий Дмитриевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор ГОРЮНОВ Владимир Николаевич;
кандидат технических наук, доцент РУППЕЛЬ Александр Александрович.
Ведущая организация:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ИрГУПС»).
Защита диссертации состоится 22 мая 2009 г. в 11 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПСе) по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан 21 апреля 2009 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор О. А. Сидоров.
© Омский гос. университет путей сообщения,
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. В современных условиях важным направлением научных исследований является повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов. Для успешного решения этой проблемы необходима разработка и внедрение энергосберегающих технологий, систем контроля и учета расхода энергоресурсов, совершенствование методик прогнозирования и нормирования, проведение последовательной энергосберегающей политики в целом.
На железнодорожном транспорте проблема энергосбережения также актуальна и связана со снижением удельных расходов энергетических ресурсов на тягу поездов и стационарную энергетику. Среди существующих причин снижения энергетической эффективности железнодорожной электроэнергетики особое место занимают проблемы качества электрической энергии (КЭ) и компенсации реактивной мощности (КРМ). Улучшение КЭ, КРМ и снижение потерь электроэнергии – взаимосвязанные проблемы, решение которых возможно с использованием способов и технических средств управления обменом реактивной мощностью.
В 2008 г. утверждена «Энергетическая стратегия ОАО «Российские железные дороги» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года», за основу которой принята энергосберегающая политика. Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта – одно из основных направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги», поэтому улучшение КЭ и КРМ как составляющие проблемы энергосбережения в отрасли являются актуальными.
Успешное решение комплекса сложных вопросов обеспечения КЭ, КРМ и снижения потерь электрической энергии во многом стало возможным благодаря работам ученых Аввакумова В. Г., Арриллаги Дж., Бадера М. П., Бардушко В. Д., Веникова В. А., Германа Л. А, Горюнова В. Н., Железко Ю. С., Жежеленко И. В., Кордюкова Е. И., Мамошина Р. Р., Черемисина В. Т., Шалимова М. Г., Шидловского А. К. и др.
Известные инструктивно-методические указания содержат рекомендации по КРМ в низковольтных электрических сетях, основанные на экономическом значении потребляемой реактивной энергии предприятием, определенной суммарной расчетной мощности компенсирующих устройств (КУ), с их последующим размещением централизованно и (или) децентрализовано в цеховых сетях. При этом сложно определить оптимальные места размещения, структуры и параметры КУ для улучшения КЭ и уменьшения потерь электроэнергии в цеховых сетях.
Цель работы – разработка методики определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:
1) выполнить анализ существующих способов и технических средств снижения потерь и улучшения КЭ в электрических сетях;
2) провести экспериментальные исследования процессов потребления активной и реактивной мощности нагрузками в сетях действующих нетяговых железнодорожных потребителей, по результатам которых идентифицировать параметры математических моделей нагрузок;
3) разработать оптимизационную математическую модель для решения задачи определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей;
4) предложить алгоритм определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ с учетом нестационарных случайных нагрузок нетяговых потребителей;
5) разработать методику определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ;
6) выполнить оценку экономической эффективности внедрения КУ по предложенной методике в электрических сетях ремонтного депо ЗападноСибирской железной дороги.
Методы исследования. В ходе проводимых исследований для решения поставленных задач использовались фундаментальные законы теоретической электротехники; методы симметричных составляющих и гармонического анализа; метод решения системы линейных алгебраических уравнений Гаусса; оптимизационный метод Хука-Дживса; методы синтеза электрических цепей; метод непосредственного натурного эксперимента с использованием двух сертифицированных многоканальных измерительно-вычислительных комплексов ИВК «Омск-М», анализатора количества и качества электроэнергии AR.5.
Большинство выводов и результатов работы получены с использованием системы MatLab.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Предложена математическая модель низковольтной электрической сети нетягового железнодорожного потребителя, позволяющая выполнять аналитический расчет токораспределения с учетом кондуктивного взаимовлияния фаз и нулевого провода в комплексном виде.
2. Разработан алгоритм определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств с учетом нестационарных случайных нагрузок нетяговых железнодорожных потребителей.
3. Разработана методика определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей.
4. Предложено использовать нерегулируемые низковольтные статические КУ с различными структурами и параметрами, выбор которых зависит от места подключения КУ в сети и заданных графиков изменения нагрузок.
Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждается применением фундаментальных методов расчета электрических цепей (метод узловых потенциалов), сопоставлением результатов расчета по предложенной методике и схемно-технического моделирования в Simulink системы MatLab. Расхождение результатов теоретических расчетов и проведенного численного моделирования составило не более 1,04 %.
Практическая ценность диссертации. Использование предложенной методики позволяет определить оптимальные места размещения, структуры и параметры нерегулируемых КУ в низковольтных четырехпроводных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ для действующих и проектируемых объектов. Установка и подключение нерегулируемых КУ по предложенной методике позволит улучшить КЭ и снизить нагрузочные потери в электрической сети потребителя на 15 – 25 %.
Реализация результатов работы. Предложенная методика определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в сетях нетяговых железнодорожных потребителей использовалась при разработке мероприятий по снижению потерь и улучшению КЭ в электрических сетях ремонтного вагонного депо «Московка», при проведении энергетического обследования Инского узла Новосибирского отделения Западно-Сибирской железной дороги.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на нескольких научно-технических, научно-практических конференциях: «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Омск, 2007);
«Математическое моделирование, обратные задачи, информационновычислительные технологии» (Пенза, 2007); «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (Благовещенск, 2008); научно-технических семинарах кафедр ОмГУПСа (Омск, 2009).
Публикации. Научные материалы диссертационной работы опубликованы в одиннадцати печатных работах, в том числе три – в изданиях, включенных в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 145 наименований и четырех приложений. Общий объем диссертации составляет 164 страницы, включая 44 рисунка, 18 таблиц и 4 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы, дана краткая аннотация диссертации.
В первой главе рассматриваются содержание проблемы и существующие направления исследований в области КЭ, КРМ и снижения потерь электроэнергии на основании обобщения результатов исследований известных ученых и опубликованных научных материалов.
Акцентировано внимание на анализе известных способов и технических средств снижения потерь, КРМ и улучшения КЭ. Напряжение в любом узле электрической сети можно изменять тремя способами: изменением электродвижущей силы, действующего значения тока, величины входного сопротивления внешней по отношению к рассматриваемому узлу сети. Рассмотренные способы и технические средства классифицированы по этим признакам.
Во второй главе рассмотрен разработанный алгоритм определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ с учетом нестационарных случайных нагрузок электроприемников нетяговых потребителей.
При решении рассматриваемой задачи использовано сочетание нескольких методов: узловых потенциалов, Гаусса и Хука-Дживса.
За основу описывающей электрическую сеть модели принят метод узловых потенциалов, его расчетное выражение в матрично-топологической форме:
где E – вектор-столбец комплексных ЭДС ветвей, В; J – вектор-столбец заданных комплексных токов ветвей (нулевой), А; Y – диагональная матрица комплексных проводимостей ветвей, См; I – вектор-столбец комплексных токов ветвей, А; S – матрица связи электрической сети.
Расчет токораспределения с применением математической модели (1) выполняется с учетом кондуктивного взаимовлияния фаз и нулевого провода в комплексной форме.
Метод Гаусса используется при решении системы линейных алгебраических уравнений математической модели (1), описывающей электрическую сеть. В результате решения при заданных комплексных переменных определяется вектор комплексных значений токов ветвей и напряжений узлов схемы замещения.
Методы многопараметрической однокритериальной оптимизации необходимы для поиска оптимума целевой функции. В диссертационной работе математическая постановка однокритериальной оптимизационной задачи с ограничениями рассматривается в виде:
где f – целевая функция (минимум приведенных затрат, минимум потерь активной мощности в сети и др.); YКУ – вектор-столбец комплексных проводимостей КУ (управляемые переменные), См; U1 (Uдоп) – текущее (допустимое) напряжение прямой последовательности в узлах сети, В; cos ср(cos ср.доп) – текущее (допустимое) значение коэффициента мощности; K2U (K2U доп) – текущее (допустимое) значение коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности, %; K0U (K0U доп) – текущее (допустимое) значение коэффициентов несимметрии напряжений по нулевой последовательности, %, YН – векторстолбец комплексных проводимостей нагрузок, См (потребляемые нагрузками активная и реактивная мощности не равны нулю).
Ограничения учитываются с применением метода штрафных функций.
Определение оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ выполняется для двух критериев: минимум приведенных затрат и минимум потерь активной мощности в электрической сети.
Целевая функция «минимум приведенных затрат» содержит два слагаемых: стоимость потерь электроэнергии в сети и затраты на установку КУ с эксплуатационными расходами за расчетный интервал, нагрузочные потери электроэнергии в электрической сети определяются методом расчетных суток:
где kэ – стоимость электроэнергии, р./кВт·ч; k2ф.м – коэффициент формы графика суточных отпусков электроэнергии в сеть; Дэкв – эквивалентное число дней в расчетном интервале; Ri – активное сопротивление i-й ветви схемы замещения, Ом;
Ii – модуль комплексного значения тока i-й ветви схемы замещения, А; N – количество ветвей, соответствующих элементам распределительной сети (при составлении матрицы связи нумеруются элементы распределительной сети, после элементы нагрузок и КУ); Eн – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; kКУ – удельная стоимость КУ, р./квар; NКУ – количество ветвей КУ с проводимостью не равной нулю; Qj – реактивная мощность j-й ветви КУ, квар; И – эксплуатационные расходы на содержание КУ.
Использование критерия «минимум потерь активной мощности» при решении оптимизационной задачи позволяет не учитывать затраты на КУ:
Важным при решении задачи является достоверное информационное обеспечение. Значения параметров схемы замещения (распределительных трансформаторов, низковольтных сетей) определяются по паспорту объекта электроснабжения и по справочным данным. Адекватность математической модели определяется достоверностью исходных данных.
При исследовании в качестве математической модели потребляемых мощностей электрическими нагрузками принята модель аддитивного нестационарного случайного процесса:
где x(t) – исследуемый случайный процесс; mx(t) – математическое ожидание случайного процесса, зависящее от времени; x(t) – центрированный случайный процесс.
Случайные процессы изменения электрических нагрузок обладают периодичностью на суточных, недельных, квартальных и годовых интервалах, поэтому на выбранном интервале периодичности детерминированную функцию mx(t) можно представить отрезком ряда Фурье с последующей идентификацией параметров ряда методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных. Изменение потребляемых мощностей фиксируются с помощью сертифицированных измерительных средств.
При решении задачи учитывается только изменяющееся во времени математическое ожидание нестационарного случайного процесса, отражающее среднее значение реального случайного процесса на расчетном интервале. Для трех фаз каждого фидера определяется дискретный ряд значений потребляемой активной и реактивной мощности с получасовым интервалом, который преобразуется во временной ряд комплексных проводимостей по известному соотношению. Полученный детерминированный массив комплексных проводимостей является исходным для решения оптимизационной задачи.
Допущения, принятые при расчете: расчет выполняется только по основной частоте; фазные напряжения в узлах согласования с внешней электрической системой содержат только прямую последовательность с номинальным значением; значения проводимостей распределительной сети и трансформаторов постоянны; статические характеристики электроприемников по напряжению линейны в рабочем диапазоне; установленное технологическое оборудование и характерные режимы его работы не изменяются в течение года.
Алгоритм, разработанный для определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ, представлен на рис. 1.
Рис. 1. Алгоритм решения задачи определения оптимальных мест размещения, Управляемыми переменными являются значения мнимых составляющих комплексных проводимостей ветвей КУ, условно подключенных в каждом трехфазном узле со схемой «звезда с нулем – треугольник» (для расчета формируется управляемый вектор Yn КУ). Важно отметить, если значение в ячейке проводимости оптимального вектора КУ равно нулю, то эта ветвь в окончательной структуре КУ будет отсутствовать. Решение оптимизационной задачи по предложенному алгоритму выполняется итерационно с заданной точностью.
В качестве апробации предложенного подхода рассмотрена схема замещения электрической сети небольшой размерности (рис. 2), соответствующая по структуре распределительной сети нетягового железнодорожного потребителя.
Рис. 2. Расчетная схема замещения электрической сети:
Т – распределительный трансформатор; КЛ – кабельная линия; СШ – секция шин;
ЩС – щит силовой; КУ – компенсирующее устройство; Н – нагрузка фидера Параметры схемы замещения (см. рис. 2), изменение математического ожидания активной и реактивной мощности на суточном интервале с осреднением полчаса, полученные в результате экспериментальных исследований нагрузок в сетях действующего нетягового потребителя, приведены на рис 3.
Разработанный алгоритм реализован на встроенном языке программирования в системе MatLab. В результате расчета с использованием критерия «минимум потерь активной мощности» определены оптимальные места размещения, структуры и значения реактивных мощностей КУ каждой ветви (см. рис. 2).
PН квар QН PН квар QН Рис. 3. Графики изменения математических ожиданий активной (а), реактивной (б) мощности первой нагрузки и активной (в), реактивной (г) мощности второй нагрузки на суточном интервале с осреднением полчаса:
Для рассматриваемой сети децентрализовано необходимо подключить КУ ЩС1 со структурой «неполная звезда с нулем – ветвь на межфазное напряжение UВС» и КУ ЩС2 со структурой «неполная звезда с нулем – открытый треугольник».
При оценке изменения потерь электрической мощности (энергии) расчет токораспределения выполнен без КУ и с подключением нерегулируемых КУ к выбранным силовым щитам с оптимальными структурами и параметрами.
Графики изменения потерь активной мощности в кабельных линиях и трансформаторе, напряжения прямой последовательности, коэффициентов несимметрии напряжения, коэффициента мощности в узле питания (узлы 1 – 3) для критерия «минимум потерь активной мощности» приведены на рис. 4.
cosср Рис. 4. График изменения потерь активной мощности в сети (а), напряжения прямой последовательности (б), коэффициента напряжения по обратной (в) и нулевой последовательности (г), среднего значения коэффициента мощности (д);
Средние значения показателей для трех узлов схемы замещения (см. рис. 2) при оптимизации с использованием двух критериев сведены в таблицу.
Анализ результатов решения оптимизационной задачи (9,10,11,12) (13,14,15,16) В третьей главе рассмотрены технические средства, с применением которых можно практически реализовать предложенный подход. Использование существующих симметричных низковольтных КУ недостаточно, так как в зависимости от заданных графиков изменения нагрузок и мест размещения оптимальные структуры и параметры КУ различны.
Для практической реализации предложенного подхода в качестве КУ необходимо использовать двухполюсники, позволяющие генерировать реактивную мощность необходимой величины. В качестве технических средств КРМ широкое распространение получили последовательные LC-цепи, с применением которых можно генерировать реактивную мощность теоретически любой величины и осуществлять фильтрацию одной высшей гармоники тока. Для увеличения функциональных возможностей последовательных LC-цепей для низковольтных силовых электрических сетей нетяговых железнодорожных потребителей предложено использовать структуры канонических цепей по Фостеру и Кауэру с двумя нулями на амплитудно-частотной характеристике и емкостным сопротивлением по основной частоте. В зависимости от положения нулей на амплитудно-частотной характеристике и значения сопротивления по основной частоте стоимость однофазных компенсирующих устройств различна (параметры структур различны). Для определения параметров четырех канонических схем в зависимости от требуемых функциональных возможностей и применения двухполюсника с наиболее дешевой структурой при проектировании приведены расчетные выражения.
В четвертой главе сформулированы основные положения методики определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ. Результаты проведенных исследований позволили разработать методику, включающую в себя следующие основные положения:
«