НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Буйний Роман Олександрович

УДК 621.316.11

МОДЕЛІ І МЕТОДИ ОПТИМІЗАЦІЇ НАДІЙНОСТІ ПОВІТРЯНИХ

РОЗПОДІЛЬНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖ

Спеціальність 05.14.02 – електричні станції, мережі і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електротехніки та автоматики Чернігівського державного технологічного університету МОН України.

Наукові керівники: | – доктор технічних наук, професор Зорін Владлен Володимирович, професор кафедри електропостачання Національного технічного університету України “КПІ” МОН України;

– доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Тисленко Віктор Васильович.

Офіційні опоненти: | – доктор технічних наук, старший науковий співробітник Авраменко Володимир Миколайович, провідний науковий співробітник відділу аналізу режимів електроенергетичних систем Інституту електродинаміки НАН України;

– кандидат технічних наук, доцент Фещенко Петро Прокопович, начальник відділу охорони праці і пожежної безпеки ВАТ "Центренерго" Національної енергетичної компанії України.

Провідна установа | – Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України (відділ математичного та економетричного моделювання), м.Київ.

Захист дисертації відбудеться “26” жовтня 2005 р. об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .187.03 при Інституті електродинаміки НАН України, за адресою: 03680, м. Київ-57, проспект Перемоги, 56. Тел. 456-91-15

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України, за адресою: 03680, м. Київ-57, проспект Перемоги,56.

Автореферат розіслано “16” вересня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради к.т.н., с.н.с. В.О. Саратов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності функціонування промислового виробництва та нормальної життєдіяльності населення в першу чергу пов’язане з надійним електропостачанням. Велика кількість споживачів, які знаходяться у сільській місцевості та в невеликих населених пунктах, отримують живлення від повітряних розподільних мереж класу напруги 10кВ. На території України такі мережі мають значну довжину, що пов’язано з розосередженням споживачів.

В даний час фізичний стан більшості повітряних ліній вичерпав свій життєвий цикл служби та потребує реконструкції у повному або частковому обсязі. У зв’язку зі змінами, що відбулися в соціально-економічній сфері, виник дефіцит фінансових ресурсів на ремонт і реконструкцію фізично і морально застарілого обладнання електричних мереж. Також змінився характер взаємовідносин між споживачами та постачальниками електричної енергії, що знайшло відображення в укладанні договору між ними. Існуючі умови договору не стимулюють роботи по підвищенню надійності електропостачання. Так, при визначенні відповідальності сторін у “Правилах користування електричною енергією” не враховуються реальні збитки споживача від ненадійності. Це потребує не тільки аналізу впливу відмов на роботу різних споживачів, але й розробки необхідних методів розрахунку показників надійності електропостачання.

Одним з ефективних напрямків розв’язання проблеми, пов’язаної з поліпшенням надійності електропостачання споживачів, є оптимізація структурної надійності систем електропостачання. Основні методи розрахунку та оптимізації показників надійності електропостачання стосовно розподільних мереж були розроблені у 80-90-х роках ХХ століття. Однак вони не враховують деяких, принципово важливих аспектів, які з’явилися зі змінами в соціально-економічній сфері держави. Одним з таких аспектів є вибір системи показників надійності, які можна покласти в основу договірних відносин між споживачами та постачальниками електричної енергії. Методи розрахунку надійності електропостачання та вибору необхідних заходів для її покращання повинні враховувати прийняті показники надійності.

Таким чином, в даний час виникла необхідність адаптації до сучасних соціально-економічних відносин існуючих та розробки нових методів розрахунку і оптимізації надійності електропостачання споживачів, які живляться від повітряних розподільних мереж, і проведення економічно обґрунтованих заходів для її покращання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідницька робота дисертації проводилась за темою “Розробка методів і технічних засобів підвищення надійності та ефективності сільських електричних мереж” (№ ДР 0101U001711). У зазначеній НДР безпосередньо автором дисертаційної роботи розроблено метод оптимізації надійності розподільних мереж 10кВ та рекомендовано ряд заходів для підвищення надійності з урахуванням договірних відносин між споживачами та постачальниками електричної енергії.

Мета і задачі дослідження. Розробка та удосконалення методів розрахунку та оптимізації показників надійності електропостачання споживачів в розподільних мережах 10кВ і техніко-економічне обґрунтування заходів для підвищення їх надійності (ЗПН).

Досягнення поставленої мети базується на вирішенні наступних задач:

– вибір системи показників надійності, які враховують вплив відмов електропостачання на роботу характерних споживачів;

– розробка нових та удосконалення існуючих методів аналізу та оптимізації надійності розподільних мереж з урахуванням нових економічних умов;

– вдосконалення методів пошуку місць пошкодження при міжфазних коротких замиканнях у повітряних розподільних мережах 10кВ;

– розробка комплексу програм для оптимізації показників надійності електропостачання в розподільних мережах 10кВ;

– обґрунтування вибору заходів для підвищення надійності та визначення їх впливу на кількісні показники надійності.

Об’єктом дослідження є повітряні розподільні мережі класу напруги 10кВ.

Предметом дослідження є аналіз моделей та методів оптимізації показників надійності електропостачання в повітряних розподільних мережах при договірних відносинах між споживачами та постачальниками електричної енергії.

Методи дослідження. Вирішення поставлених задач базується на застосуванні математичного моделювання для визначення місць пошкодження при коротких замиканнях, теорії математичної статистики для обробки статистичної інформації про відмови розподільних мереж, теорії ймовірностей та імітаційного моделювання відновлення працездатності розподільних мереж 10кВ для визначення кількісних показників надійності споживачів, а також методів дискретного програмування для вибору ЗПН.

Математичні розрахунки та розробка комплексу програм виконані з використанням програмних засобів Maple V6, Delphi 6.

Наукова новизна одержаних результатів:

– удосконалено метод оптимізації надійності електропостачання, який враховує такі індивідуальні характеристики елементів мережі, як частота відмов та вартість резервних перемичок, що дозволило отримати більш обґрунтовані і достовірні результати. При цьому передбачено автоматичне формування структурно-логічної матриці, що виключає помилки, які можливі при ручному способі її формування;

– вперше запропоновано при розв’язку оптимізаційних задач використовувати зонні структури, які дозволяють враховувати не тільки окремі види ЗПН, а і їх різні комбінації. Запропонована модель дозволяє враховувати окрім раптових навмисні відключення, що підвищує її адекватність;

– розвинуто метод пошуку місць пошкодження у повітряних розподільних мережах 10кВ при міжфазних коротких замиканнях, що враховує не лише індуктивну складову опору лінії, а й активну, і дозволяє скоротити тривалість відновлення електропостачання;

– запропоновано систему договірної економічної відповідальності, яка дозволила обґрунтувати фінансові взаємовідносини сторін (постачальника та споживача електричної енергії) для отримання необхідного рівня надійності з урахуванням сучасних економічних відносин.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані методи розрахунку та оптимізації надійності дозволяють проводити вибір необхідних заходів для підвищення надійності у розподільних мережах 10кВ з урахуванням вимог споживачів. Розроблена методика пошуку місць пошкодження при міжфазних коротких замиканнях може бути використана у сучасних мікропроцесорних комплексах релейного захисту та автоматики. Результати дисертаційної роботи передані для використання в проектах перспективного розвитку електричних мереж та для розробки нормативно-технічної документації по проектуванню і експлуатації електричних мереж України проектним інститутом “Укрсільенергопроект”, м. Київ.

Результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі Чернігівського державного технологічного університету на кафедрі електротехніки та автоматики.

Особистий внесок здобувача. В наукових роботах, опублікованих у співавторстві, автору дисертаційної роботи належать: в [1] – отримання залежності відстані до місця пошкодження від параметрів аварійного режиму; в [2] – розробка алгоритму розрахунку показників надійності електропостачання споживачів для обґрунтування вимог до необхідних рівнів надійності; в [5] – розробка методу оптимізації структурної надійності розподільчих мереж 10кВ, що базується на розбитті мережі на зони, обмежені комутаційними апаратами; в [6] – запропоновано спосіб врахування важливості споживача, проведена відповідна модифікація метода структурно-логічної матриці; в [7] – отримано залежності для визначення доцільності застосування різних ЗПН. Роботи [3], [4] написані здобувачем особисто.

Аналіз, узагальнення результатів досліджень та відпрацювання науково-методичних положень дисертації здійснено при консультаційній допомозі д.т.н., професора Зоріна В.В., д.т.н. Тисленко В.В.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації обговорювалися на міжнародних, відомчих та вузівських науково-технічних конференціях та семінарах: міжнародна конференція “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (Кременчук, 2002р.); міжнародна конференція “Проблеми сучасної електротехніки ПСЕ-2002” (Київ, 2002р.); міжнародна конференція “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (Кременчук, 2003р.); конференція науково-педагогічних працівників, наукових співробітників та аспірантів за підсумками науково-дослідницьких робіт 2003 року (Київ, НАУ, 2004р.); науковий семінар з міжнародною участю “Міжнародна інтеграція в енергетиці як фактор економічної безпеки держави” (Чернігів, ЧДТУ, 2004р.).

Публікації. Основні результати досліджень викладені у 7 друкованих працях: 3 статті опубліковано у фахових наукових журналах і 4 – у фахових збірниках наукових праць.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури з 88 найменувань і 6 додатків. Загальний обсяг роботи становить 165 сторінок, у тому числі 123 сторінки основного тексту, 82 рисунки, 17 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, сформульовано мету і задачі досліджень, викладені наукова новизна, практичне значення результатів роботи, наведено відомості про апробацію та публікації результатів дисертації, а також їх впровадження.

У першому розділі досліджується стан експлуатаційної надійності розподільних мереж, вивчаються основні фактори впливу та класифікуються наслідки їх дії на стан системи електропостачання. Формулюється проблема підвищення надійності електропостачання та аналізуються сучасні шляхи її вирішення в умовах договірних відносин між електропостачальником та споживачем.

Аналіз впливу різноманітних факторів на стан та режими роботи розподільних мереж 10кВ показує, що основними причинами їх відмов є пошкодження проводів повітряних ліній, ізоляції та кабельних вставок. Ці причини у сумі від загальної кількості відмов складають 70%. Отже, основними заходами для підвищення надійності повинні бути покращання механічної та електричної міцності ліній, а також скорочення тривалості простою лінії за рахунок правильної організації системи обслуговування.

Вирішення питання про доцільність застосування різноманітних заходів для підвищення надійності електропостачання в розподільних мережах 10кВ пов’язане з визначенням оптимального розподілення фінансових ресурсів.

Проблемі підвищення надійності систем електропостачання присвячені глибокі теоретичні дослідження В.В. Тисленко, В.Л. Прусса, В.В. Зоріна, О.О. Терешко, Ю.О. Фокіна, Ю.Б. Гука, В.М. Авраменко, Т.Б. Лещинської, В.В. Козирського та інших.

У їх роботах почали розглядатися показники надійності, які враховують вплив рівня надійності систем електропостачання на споживачів (частота відмов, середня тривлість відновлення, тривалість простою споживачів, недовідпуск електричної енергії та ін.). Такі показники надійності досить повно характеризують стан системи електропостачання і в даний час. Проте аналіз більшості робіт показує, що розроблені раніше методи розрахунку і оптимізації надійності не відповідають сучасним вимогам щодо врахування договірних відносин між постачальником та споживачами.

Тому актуальним є перегляд існуючих моделей і методів розрахунку та оптимізації надійності, їх адаптація до нових економічних умов, а також визначення доцільності застосування поєднань різноманітних ЗПН.

У другому розділі аналізуються існуючі моделі та методи розрахунку та оптимізації надійності повітряних розподільчих мереж.

В умовах договірних відносин між постачальником електричної енергії і споживачами успішне вирішення задач підвищення надійності базується на можливості її кількісної оцінки. Тому розрахунок та оптимізація надійності систем електропостачання передбачає попередній вибір показників надійності.

Для електроенергетичних систем рівень ефективності їх функціонування визначається кількістю відпущеної споживачам електричної енергії, отже у якості основного показника надійності може бути використаний середній недовідпуск електричної енергії,

(1)

де – розрахункова потужність споживача; – сумарна частота відмов електропостачання споживачів; – середній час відновлення електропостачання споживачів.

За впливом відмов електропостачання на функцію корисності споживачів їх можна розділити на три види. До першого виду можна віднести тих споживачів, на функцію корисності яких впливає сам факт відмови електропостачання незалежно від її тривалості. Для таких споживачів найбільш доречним є показник частоти відмов за певний проміжок часу – . До другого виду належать споживачі, у яких наслідки від припинення електропостачання пропорційні тривалості простою. В цьому випадку як показник надійності використовують сумарну тривалість простою споживача за рік – . Третій вид споживачів характеризується такою реакцією на припинення електропостачання, при якій наслідки спочатку будуть незначні, а після деякого “критичного” моменту їх величина буде зростати. Показником надійності для таких споживачів є частота відмов з тривалістю простою більше критичної величини – .

Розподільні мережі 10кВ належать до систем електропостачання з малим ступенем резервування та автоматизації, в них майже відсутня діагностична апаратура. Тому в таких мережах будь-яке міжфазне стійке пошкодження призводить до відключення споживачів. Розрахунок частоти відмов і величини вимкненого навантаження не є складним. Тривалість простою споживачів визначається не тільки тривалістю ремонту обладнання, але й тривалістю різноманітних операцій, які пов’язані з визначенням типу пошкодження, його місця у розгалуженій розподільній мережі.

Найбільш адекватною моделлю для розрахунку показників надійності розподільних мереж є імітаційна модель відновлення працездатності лінії, що розроблена в Білоруському відділі інституту “Энергосетьпроект”. Вона передбачає поділ процесу відновлення на етапи, на кожному з яких обслуговуючий персонал має спільну мету і виконує подібні операції. Така модель є універсальним методом розрахунку показників надійності для розподільчих мереж. При оціночних розрахунках замість точного врахування кожного етапу відновлення електропостачання можна використовувати середні величини тривалості ремонту і оперативних перемикань.

Для випадку, коли необхідно враховувати показники надійності комутаційних апаратів (КА), запропоновано метод, який дозволяє використовувати імітаційну модель відновлення електропостачання без ускладнення алгоритму розрахунку. Суть цього методу полягає в логічному розподілі частот відмов ліній і КА:

(2)

Основним методом підвищення надійності електропостачання є застосування поєднань різних ЗПН. Ефективність того чи іншого засобу можна оцінити на основі техніко-економічних розрахунків, які є складовою оптимізаційних задач.

Задачі оптимізації надійності можна розподілити на три групи:

– забезпечення максимального рівня надійності в мережі вцілому або в її окремих вузлах при обмежених фінансових затратах;

– забезпечення мінімальних витрат ресурсів при заданому рівні надійності в мережі;

– забезпечення мінімуму зведених витрат при максимізації прибутку окремо у споживача і постачальника електричної енергії.

У якості цільової функції для оптимізації надійності використовується недо-від-пуск електричної енергії при наявності технічних та економічних обмежень. Зниження може бути досягнуто за рахунок застосування ЗПН, які впливають на складові рівняння (1). Найбільшого розповсюдження при оптимізації надійності розподільчих мереж 10кВ набув метод, що базується на формуванні структурно-логічної матриці. Застосування цього методу передбачає такі припущення: частота відмов мережі пропорційна її довжині; тривалість відновлення живлення і-го споживача залежить тільки від наявності або відсутності КА, який дозволяє вимикати пошкоджену ділянку мережі і подавати живлення цьому споживачу; тривалість відновлення живлення задається у вигляді середньої тривалості ремонту і середньої тривалості оперативних перемикань .

Ці припущення дозволяють сформувати структурно-логічну матрицю і на її основі отримати рівняння для визначення недовідпуску електричної енергії як для окремого споживача, так і по всій мережі. Наприклад, для схеми, зображеної на рис.1, недовідпуск електричної енергії для споживача Р3 буде визначатися рівнянням:

(3)

де – питома частота відмов лінії; – тривалість ремонту; – довжина і-ї ділянки.

Аналогічні рівняння можна записати і для інших споживачів.

Величина недовідпуку електричної енергії залежить від наявності або відсутності ЗПН в тій чи іншій точці схеми.

Рис.1. Лінія 10кВ з позначеними місцями установки ЗПН

Аналіз методів, які дозволяють проводити мінімізацію цільової функції виду), показує, що найбільш пристосованим для цього є метод нормованих функцій. Він дозволяє отримати розв’язки, близькі до оптимальних, за малу кількість кроків оптимізації і не потребує аналітичного запису цільової функції та обмежень.

Вибір оптимального набору ЗПН і місць їх розміщення, що базується на методі нормованих функцій, має наступну послідовність:

– складається структурно-логічна матриця з урахуванням розміщення ЗПН;

– складається дискретна послідовність ЗПН і визначаються відповідні капіталовкладення;

– визначається зниження недовідпуску електричної енергії в залежності від набору і розміщення ЗПН:

(4)

– на кожному кроці оптимізації визначається величина відносного приросту витрат:

(5)

– по мінімальному значенню на кожному кроці вибирається і фіксується найбільш ефективний ЗПН;

– розрахунок закінчується у випадку, коли розглянуто всі ЗПН.

Важливою перевагою алгоритмів оптимізації, що базуються на методі нормованих функцій, є їх крокова побудова, яка дає можливість максимальної деталізації процедур визначення показників надійності.

При оптимізації показників надійності електропостачання можна виділити споживачів або сукупність споживачів, у яких рівень надійності не відповідає заданому. Для такого випадку розроблений метод цілеспрямованого перебору ЗПН, який базується на використанні функції працездатності систем електропостачання. При застосуванні цього методу припускають, що КА мають на порядок меншу частоту відмов у порівнянні з елементами розподільчої мережі. Тоді будь-яку мережу можна розподілити на зони, які обмежені КА (рис.2). Кожну таку зону можна вважати єдиним елементом зі своїми показниками надійності і еквівалентним зосередженим навантаженням (рис.3).

Рис.2. Розподіл розгалуженої мережі 10кВ на зони

Рис.3. Показники надійності i-ї зони

Недовідпуск електричної енергії для споживачів і-ї зони визначається як:

(6)

де – недовідпуск електричної енергії споживачам i-ї зони, зумовлений пошкодженнями в цій зоні, а – пошкодженнями в інших зонах.

Оптимізація цільової функції (6) також передбачає застосування методу нормованих функцій.

Метод зонних структур дозволяє проводити оптимізацію надійності, одночасно враховуючи ЗПН, які впливають не тільки на середню тривалість відновлення, а й на частоту відмов електропостачання.

Розв’язання будь-якої задачі оптимізації надійності передбачає на кожному кроці перевірку обмежень. Такими обмеженнями можуть бути капітальні вкладення і недовідпуск електричної енергії: ; .

Для врахування договірних відносин між постачальником електричної енергії та споживачами при розрахунку та оптимізації надійності існуючими методами необхідно використовувати коефіцієнт відповідальності кожного споживача, який враховує співвідношення величини штрафу за недовідпуск 1кВтгод до вартості 1кВтгод електричної енергії:

(7)

де – штраф за недоотпуск 1кВтгод електричної енергії; – вартість 1кВтгод за договором на постачання електричної енергії; – ступінь відповідальності споживача.

Величина штрафу за недовідпуск електричної енергії визначається збитком споживача, зведеним до річного споживання за минулий період часу:

(8)

де – коефіцієнт, що враховує співпадання у часі відмови електропостачання з відповідальним технологічним процесом; – максимальний збиток споживача, що припадає на одне відключення; – фактична частота відмов; – договірна величина частоти відмов; – величина споживання електричної енергії за минулий період.

Недовідпуск електричної енергії для i-го споживача буде визначатися таким чином:

(9)

Неодмінною умовою при розв’язанні задачі підвищення рівня надійності є встановлення функціональних зв’язків між показниками надійності і економічної ефективності систем електропостачання. Розглянуті методи визначення економічної ефективності ЗПН показують, що при договірних відносинах бажано використовувати критерій мінімуму дисконтованих витрат. У зв’язку з тим, що повітряні розподільні мережі низьких класів напруг будуються, як правило, протягом одного року, а річні витрати на їх експлуатацію майже незмінні, то допускається застосовувати критерій мінімуму зведених витрат. Область застосування цього критерію повинна обмежуватися техніко-економічним обґрунтуванням:

(10)

де – капітальні вкладення, спрямовані на підвищення надійності; – річні витрати на експлуатацію;  – нормативний коефіцієнт ефективності капітальних вкладень.

Для забезпечення економічної основи правових відносин між постачальником електричної енергії та споживачем запропонована система договірної економічної відповідальності:

– за забезпечення договірного рівня надійності споживач виплачує певну надбавку до тарифу (споживач інвестує гроші у підвищення надійності мережі постачальника, якщо це економічно обґрунтовано);

– при невиконанні договірних зобов’язань постачальник виплачує штраф за недовідпуск електричної енергії споживачу у розмірі нанесеного збитку;

– електропостачальна організація інвестує свої кошти на підвищення надійності електропостачання з метою отримання прибутку за рахунок додаткового відпуску електричної енергії.

Розглянуті моделі і методи розрахунку та оптимізації надійності дозволяють вибирати необхідні ЗПН з урахуванням договірних відносин між постачальником електричної енергії і споживачами.

У третьому розділі розглядається методологія пошуку міжфазних коротких замикань та економічна доцільність підвищення надійності за рахунок застосування дистанційних вимірювачів в розподільних мережах 10кВ.

Показано, що опір до місця к.з. при будь-яких міжфазних пошкодженнях залежить від параметрів аварійного режиму:

(11)

де – коефіцієнт, який характеризує вид короткого замикання (для міжфазних к.з. , для трифазних – ); – лінійна напруга; – струм у лінії при короткому замиканні.

У склад будь-якої розподільної мережі входять проводи різних перерізів, що мають різні питомі активні та індуктивні опори. При зміні перерізу від 35 до 70мм2 активний опір 1 км проводу змінюється в межах 0,49...0,83 Ом/км, а індуктивний – у незначних межах 0,34...0,36 Ом/км (для марки проводу АС). Тому доцільно визначати місця пошкодження по індуктивному опору, використовуючи його середнє значення 0,35 Ом/км (для ліній 10кВ):

(12)

де – відстань до місця пошкодження; – індуктивний опір 1км лінії; – кут зсуву між струмом та напругою при к.з.

Струм аварійного режиму необхідно визначати з урахуванням того, що дистанційний вимірювач встановлюється на вводі 10кВ і фіксує сумарний струм усіх ліній:

(13)

де – сумарний струм на шинах 10кВ підстанції в аварійному режимі; – сумарний струм на шинах 10кВ в нормальному режимі.

Для ліній з невеликими струмами к.з. у віддалених точках доцільним є використання дистанційних вимірювачів на кожному фідері, оскільки при віддалених к.з. струм майже не відрізняється від номінального струму фідера, що може призвести до суттєвої похибки.

Для визначення точного місця пошкодження необхідно знати усталене значення струму к.з., яке можна фіксувати після повного затухання аперіодичної складової. Однак це
неможливо, бо для зменшення впливу струму к.з. на електричне обладнання необхідно якомога швидше відключати пошкоджену лінію. З урахуванням цього отримано формулу, що дозволяє визначати усталене значення струму к.з. в залежності від діючого значення струму у довільний момент часу після початку аварійної ситуації: . На точність визначення усталеного значення струму впливає не тільки точність вимірювання параметрів аварійного режиму, але і точність фіксації моменту початку к.з.

Аналіз впливу температури навколишнього середовища на активний опір проводу показав, що при зміні температури від –30 до +40С протягом року (для території України) опір проводу змінюється на 27%. Тому для точного визначення місця пошкодження необхідно, крім параметрів аварійного режиму, фіксувати і температуру навколишнього середовища. Вплив стріли провисання проводу на величину його активного та індуктивного опорів незначний. Він складає 0,6% при зміні стріли від 0 до 1,2м. Отже, температурною залежністю стріли провисання проводу можна знехтувати.

Розподільні мережі 10кВ мають розгалужену деревоподібну структуру. Тому визначеній довжині за параметрами аварійного режиму відповідає кілька можливих місць пошкодження. Для уникнення пошуку точного місця пошкодження за допомогою обходу траси розроблено алгоритм, який враховує параметри аварійного режиму і топографічні параметри лінії. Сутність алгоритму полягає у визначенні місця пошкодження не тільки за індуктивним опором, який майже постійний уздовж усієї мережі, а й за активним опором ділянок, який суттєво змінюється в залежності від перерізу проводу. У випадку однорідної мережі визначити точне місце пошкодження неможливо.

На основі методу зонних структур отримано рівняння, яке дозволяє визначити, як зміниться недовідпуск електричної енергії споживачам при застосуванні дистанційного вимірювача:

(14)

де , – коефіцієнти, які залежать від кількості секціонуючих пристроїв у мережі і ймовірності пошкодження лінії на межі двох зон; – сумарна потужність і_ї зони, зведена до відповідного ступеня відповідальності споживача по надійності; – сумарна довжина лінії в і-й зоні.

Економічна доцільність застосування дистанційного вимірювача буде визначатися нижньою межею економічного ефекту, тобто ефектом від застосування при відсутності на лінії комутаційних апаратів. Будь-який ЗПН доцільно застосовувати, коли величина очікуваного прибутку більше витрат на його встановлення:

(15)

де – витрати на засіб підвищення надійності.

Для лінії без комутаційних апаратів економічна доцільність застосування дистанційних вимірювачів визначається залежністю:

(16)

З кривих (рис.4) видно, що використання дистанційних вимірювачів виправдовується тільки на лініях, виконаних неізольованими проводами.

Рис.4. Доцільність застосування дистанційних вимірювачів на лінії

У четвертому розділі розглядається вплив різноманітних засобів підвищення надійності на частоту відмов і на середній час відновлення працездатності розподільних мереж з урахуванням договірних відносин.

Розглянуто доцільність застосування основних засобів для підвищення надійності на прикладі дев'яти типових моделей розподільних мереж. Показано, що доцільність використання на лінії ізольованих проводів залежить від витрат на 1км проводу та ступеня відповідальності споживачів:

(17)

де – сумарне навантаження лінії; – витрати на 1км лінії, виконаної ізольованим проводом; , , , – питома частота відмов та навмисних відключень лінії до та після застосування ізольованих проводів; , , , – середній час відновлення працездатності лінії та середній час обслуговування при навмисних відключеннях до та після застосування ізольованих проводів.

Для кожної з типових моделей розподільних мереж отримано граничну величину ступеня відповідальності споживачів, при якій економічно виправдано використання ізольованих проводів.

Іншим засобом, що зменшує частоту відмов, є використання дворазового автоматичного повторного ввімкнення (2АПВ). Статистичні дані показують, що використання 2АПВ зменшує число нестійких коротких замикань на 8%.

Зона доцільного застосування 2АПВ визначається наступною залежністю:

(18)

де – сумарна довжина лінії; – тривалість ремонту мережі.

За даними проведеного аналізу 2АПВ доцільно застосовувати для всіх типових моделей ліній, які використовуються при проектуванні розподільних мереж 10кВ.

Також було отримано формулу для визначення доцільності застосування на лінії секціонуючих КА:

(19)

де – кількість секціонуючих апаратів; – зведена сумарна потужність першої зони, яка прилягає до головного джерела живлення, що відсікається секціонуючим апаратом; – сумарна довжина першої зони.

За результатами розрахунків у якості секціонуючих пристроїв доцільно застосовувати тільки лінійні роз’єднувачі.

При відсутності спеціальних вимог до рівня надійності у окремих споживачів сумарний недовідпуск електричної енергії по всій мережі повинен бути мінімальним:

(20)

Для виконання цієї умови необхідно наблизити точку встановлення роз’єднувача до головного джерела живлення, намагаючись при цьому охопити зоною максимально можливу потужність споживачів.

Проведений аналіз показав, що для типових моделей ліній при відсутності обмежень на капітальні вкладення слід обмежуватися застосуванням 2-3-х лінійних роз’єднувачів. Найбільший ефект щодо зниження недовідпуску електричної енергії вносить перший роз’єднувач (20-28%), а установка останнього зменшує його тільки на 0,6-6,3% при значному рості сумарних витрат.

Згідно порівняльного аналізу ефективності застосування різних ЗПН найбільш ефективним заходом є використання секціонуючих лінійних роз’єднувачів (рис.5).

Другим за ефективністю є використання дистанційного вимірювача. Враховуючи той факт, що використання на лінії 2-3-х роз’єднувачів збільшує відносний приріст витрат в 2-3 рази, у якості основного засобу підвищення надійності повинен застосовуватися дистанційний вимірювач. Використання 2АПВ також має високу ефективність. Застосування ізольованих проводів ефективне тільки при великих сумарних довжинах ліній та значних сумарних навантаженнях.

Рис.5. Порівняльна оцінка різних засобів підвищення надійності

Для вибору складу, об’єму та черговості введення засобів підвищення надійності розроблена програма, яка дозволяє проводити оптимізацію набору засобів при різних умовах.

В основу програми покладено метод формування структурно-логічної матриці і метод нормованих функцій. Схема розподільної мережі рисується за допомогою набору елементів, а розстановка засобів підвищення надійності проводиться автоматично в усіх можливих місцях. Результати розрахунків виводяться у вікні результатів для кожного кроку оптимізації, що дозволяє аналізувати ефективність використання ЗПН на кожному кроці не тільки по сумарному недовідпуску електроенергії, але й по недовідпуску для певних споживачів з урахуванням капітальних вкладень в мережу та ступеня відповідальності споживачів.

Аналіз вибору засобів підвищення надійності за допомогою даного методу показав, що доцільно встановлювати лише лінійні роз’єднувачі. Найбільше зниження середнього часу відновлення або ж недовідпуску електричної енергії досягається на першому кроці оптимізації (19-31%). На другому кроці зниження складає 6-15%, на третьому – 4-10%, а на четвертому – 1-8%. Техніко-економічні розрахунки показують, що при відсутності спеціальних вимог щодо забезпечення певного рівня надійності споживачів слід обмежуватися 2-3 кроками оптимізації.

За результатами аналізу впливу тривалості ремонту та оперативних перемикань при зміні тривалості ремонту на 1год недовідпуск електричної енергії змінюється на 19,3-30%, при зміні тривалості перемикань секціонуючих апаратів на 0,1год – на 0,74-2,8%, а при зміні тривалості вводу резервного живлення на 0,1год – на 3,2-6,8%. Тому підвищення надійності електропостачання можна досягнути за рахунок ремонту частини пошкоджень без зняття напруги і правильної організації цього процесу.

У додатках до дисертації наведено статистичні дані про аварійні відключення ліній 10кВ на прикладі Городнянського району електричних мереж; типові моделі ліній без ЗПН та з місцями розстановки секціонуючих комутаційних апаратів; виведення деяких залежностей, що описують доцільність застосування ЗПН; приклад вибору оптимальної кількості та місць установки лінійних роз’єднувачів для типової моделі лінії 10кВ та акти впровадження результатів досліджень.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв’язана актуальна задача розробки та удосконалення методів розрахунку і оптимізації надійності розподільних мереж 10кВ. Наведено ряд рекомендацій по вибору ЗПН при договірних відносинах між постачальником електричної енергії та споживачами. Теоретичні результати розробки нових універсальних методів розрахунку та оптимізації показників надійності являють собою подальший розвиток теорії надійності розподільних мереж 10кВ.

Загальним практичним результатом дисертації є створення інформаційно-розрахункового комплексу, орієнтованого на роботу у складі систем автоматизованого проектування і систем управління повітряними розподільчими електричними мережами 10кВ.

Аналіз статистичних даних про відмови в системі електропостачання показує необхідність підвищення її надійності.

Основними науковими та практичними результатами є наступні.

1. Обґрунтовано підхід, що дозволяє вибрати необхідні показники надійності при ринкових відносинах. Він базується на оцінці впливу відмов електропостачання на збиток у споживачів.

2. Запропонована система договірної економічної відповідальності між споживачами та постачальниками електричної енергії.

3. Встановлено, що одним з найбільш ефективних ЗПН є прилад для дистанційного пошуку місць пошкодження при міжфазних коротких замиканнях.

4. Виявлено вплив аперіодичної складової струму короткого замикання на точність визначення відстані до місця пошкодження лінії. Встановлено, що на точність визначення відстані впливає температурна залежність опору проводу при протіканні струму короткого замикання. Це зумовлює необхідність фіксації моменту часу після початку короткого замикання, у який вимірюється величина струму аварійного режиму. Температурна залежність стріли провисання проводу суттєво не впливає на точність.

5. Обґрунтовано, що використання дистанційних вимірювачів виправдано тільки на лініях, виконаних неізольованими проводами.

6. У якості ЗПН, які зменшують частоту відмов, доцільно застосовувати ізольовані проводи і 2АПВ. Для кожної з типових моделей розподільних мереж використання ізольованих проводів економічно виправдано, якщо ступінь відповідальності споживачів перевищує граничну величину, що складає для типової моделі №1 – 6,7; №2 – 2,1; №3, №6, №9 – 0,8; №4 – 5,2;
№5 – 1,9; №7 – 5,0; №8 – 1,8. При відсутності вимог до рівня надійності використання ізольованих проводів є недоцільним.

7. Доведено ефективність використання методів зонних структур та структурно-логічної матриці для оптимізації надійності. Встановлено, що для усіх типових моделей ліній достатньо 2-3-х кроків оптимізації. Розрахунки показують, що у якості секціонуючих комутаційних апаратів доцільно застосовувати тільки лінійні роз’єднувачі.

8. Методи оптимізації надійності з врахуванням договірної економічної відповідальності та розроблена програма передані для використання в проектах перспективного розвитку електричних мереж і при розробці нормативно-технічної документації по проектуванню та експлуатації електричних мереж України проектним інститутом “Укрсільенергопроект” (м. Київ). Результати дисертаційної роботи знайшли застосування в учбовому процесі Чернігівського державного технологічного університету.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Тисленко В.В., Буйний Р.О. Визначення відстані до місця пошкодження в розподільчих мережах змінного струму // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. – 2001. – №13. – С.102-106.

2. Буйный Р.А., Гай А.В., Сорокин А.Ю., Тисленко В.В. Новые подходы к учету надежности электроснабжения потребителей в рыночных условиях // Техническая электродинамика. Тематический выпуск “Проблемы современной электротехники”. – 2002. – №5. – С.85-88.

3. Буйный Р.А. Повышение точности определения расстояния до места междуфазных коротких замыканий в сетях 10кВ // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – 2002. – №1(12). – С.318-320.

4. Буйный Р.А. Определение места повреждения при междуфазных коротких замыканиях на основе топологических параметров линии // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – 2003. – №2(19). – Том . – С.211-213.

5. Буйный Р.А., Зорин В.В., Тисленко В.В. Метод зонных структур в оптимизации надежности распределительных сетей 10кВ // Електрифікація та автоматизація сільського господарства. – 2004. – №2(7). – С.30-35.

6. Буйний Р.О., Подольний С.В., Зорін В.В. Модифікований метод оптимізації надійності розподільчих мереж 10кВ // Энергетика и электрификация. – 2004. – №9. – С.43-46.

7. Буйный Р.А., Зорин В.В. Выбор средств повышения надежности в условиях рыночных отношений // Светотехника и электроэнергетика. – 2004. –№3. – С.61-67.

АНОТАЦІЇ

Буйний Р.О. Моделі і методи оптимізації надійності повітряних розподільних електричних мереж. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 – електричні станції, мережі і системи. – Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена удосконаленню та розробці методів розрахунку та оптимізації надійності, дослідженню впливу засобів підвищення надійності на кількісні показники надійності розподільних мереж 10кВ при договірних відносинах. В роботі узагальнено існуючі моделі і методи розрахунку та оптимізації надійності і проведена їх адаптація до договірних відносин між постачальником електричної енергії та споживачами. Обґрунтовано підхід до вибору показників надійності при ринкових відносинах, який базується на оцінці впливу відмов електропостачання на функцію корисності споживачів. Розроблено методологію підвищення надійності за рахунок застосування дистанційних вимірювачів відстані до місць міжфазних коротких замикань. Встановлено, що використання вимірювача виправдано тільки на лініях з неізольованими проводами. Обґрунтовано застосування ізольованих проводів і подвійного автоматичного повторного ввімкнення на всіх типових моделях ліній. Проведено порівняльний аналіз вирішення задачі по вибору складу, обсягу та черговості застосування засобів підвищення надійності двома методами. Для вирішення подібних задач розроблено програму, яка дозволяє проводити оптимізацію набору засобів при різних постановках задачі з урахуванням договірних відносин. Розрахунки показують, що для усіх типових моделей ліній достатньо 2-3-х кроків оптимізації. У розподільних мережах доцільним є встановлення тільки секціонуючих лінійних роз’єднувачів.

Ключові слова: засіб підвищення надійності, показник надійності, договірні відносини, доцільність застосування.

Буйный Р.А. Модели и методы оптимизации надежности воздушных распределительных электрических сетей. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 – электрические станции, сети и системы. – Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена совершенствованию методов расчета и оптимизации надежности и исследованию влияния средств повышения надежности на количественные показатели надежности распределительных сетей 10кВ в условиях рыночных отношений. В работе осуществлено теоретическое обобщение существующих моделей и методов расчета и оптимизации надежности, произведена их адаптация к договорным отношениям между поставщиком электрической энергии и потребителями. Обоснован подход к выбору показателей надежности при рыночных отношениях, который основан на оценке влияния отказов в электроснабжении на функцию полезности потребителей.

Для оптимизации надежности предложен метод, базирующийся на разбиении распределительной сети на зоны, ограниченные КА. Он позволяет одновременно оперировать с СПН, влияющими как на частоту отказов, так и на среднее время восстановления. На основании этого метода получены зоны экономически эффективного использования различных СПН.

Предложен подход, позволяющий учитывать важность (степень ответственности) потребителей при оптимизации надежности. Сущность подхода заключается в введении поправочного множителя в величину недоотпуска электрической энергии, который учитывает отношение величины штрафа за недоотпуск единицы электроэнергии к ее стоимости.

Разработано методологию повышения надежности за счет применения дистанционных измерителей расстояния до мест междуфазных коротких замыканий. Анализ аварийного режима показал, что существенное влияние на точность определения расстояния до места повреждения оказывает апериодическая составляющая тока короткого замыкания. Получено выражение, которое позволяет определить установившееся значение тока короткого замыкания в зависимости от действующего значения этого тока в произвольный момент времени. При этом точность определения зависит также и от точности фиксации момента начала аварийного режима. Показано, что на точность определения расстояния до места повреждения существенно влияет температурная зависимость активного сопротивления провода, а влияние температурной зависимости стрелы провеса провода незначительно.

Установлено, что использование дистанционного измерителя оправдано только на линиях, выполненных неизолированными проводами. В качестве СПН, уменьшающих частоту отказов, целесообразно применять изолированные провода и 2АПВ. Применение изолированных проводов при отсутствии требований к уровню надежности нецелесообразно для всех типовых моделей линий.

Показано, что в качестве секционирующих устройств экономически целесообразно применять только линейные разъединители. Причем для минимизации недоотпуска электрической энергии необходимо приближать место его установки к источнику питания, стараясь при этом захватить максимально большую мощность в это зону.

Сравнительный анализ использования различных СПН показал, что наиболее эффективным является использование секционирующих разъединителей. Вторым по эффективности является дистанционный измеритель. С учетом того, что установка 2-3-х разъединителей увеличивает приращение затрат в 2-3 раза, в качестве основного СПН должен выступать дистанционный измеритель. Также высокую эффективность имеет двукратное АПВ. Использование изолированных проводов эффективно только при больших суммарных длинах линий и значительных суммарных нагрузках.

Проведен сравнительный анализ решения задачи по выбору состава, объема и очередности ввода средств повышения надежности двумя методами. Анализ показал правомерность использования обоих подходов для оптимизации надежности. Для решения подобных задач разработана программа, позволяющая оптимизировать набор средств повышения надежности при различных постановках задачи с учетом договорных отношений. Расчеты показывают, что для всех типовых моделей линий достаточно