НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ГАЙ ОЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ

УДК 621.316.11.004.15 (1-22)

ОПТИМІЗАЦІЯ КІЛЬКОСТІ ТА МІСЦЬ РОЗМІЩЕННЯ СЕКЦІОНУЮЧИХ ПРИСТРОЇВ В РОЗПОДІЛЬНИХ МЕРЕЖАХ СІЛЬСЬКИХ РЕГІОНІВ

05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Чернігівському державному технологіч-ному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Чернігів та Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України, м. Київ

Науковий керівник-– доктор технічних наук, професор Козирський Володимир Вікторович, Національний аграрний університет, директор на-уково-дослідного інституту техніки і технологій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Зорін Владлен Володимирович, Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, професор кафедри елект-ропостачання інституту енергозбереження і енергоменеджме-нту

кандидат технічних наук, доцент Зубко Володимир Михайлович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П.М. Василенка, доцент кафедри електропостачання сільського господарства

Захист відбудеться "8" квітня 2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.07 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м.Київ-41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус №3, ауд.65

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м.Київ-41, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус №4, ауд.28

Автореферат розісланий "05" лютого 2008 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради_________________________ М.Т. Лут

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності сільськогосподарського виробництва тісно пов'язане зі зменшенням збитку від недовідпуску електроенергії, що досягається регулюванням рівня надійності систем електропостачання сільських регіонів.

Аналіз виконаних раніше практичних робіт у сфері проектування і створення систем електропостачання показав, що в основному на надійність електропостачання впливають чотири взаємозв'язаних чинники: схема електричної мережі, надійність елементів електричної мережі, оснащеність засобами управління, якість організації експлуатації.

При цьому в розподільних електричних мережах сільських регіонів найбільша кількість аварійних відключень відбувається в мережах з напругою 10кВ. У зв'язку з цим, для підвищення структурної надійності розподільних електричних мереж сільських регіонів використовують: багатократне резервування, зменшення протягу розподільних ліній 10 кВ за рахунок спорудження нових підстанцій з напругою 35-110/10 кВ, спорудження кабельних ліній, застосування додаткових засобів підвищення надійності.

Одним з актуальних способів підвищення ефективності функціонування електричних розподільних мереж є оптимізація розміщення засобів підвищення надійності, що є особливо раціональним з упровадженням в експлуатаційну практику комутаційних апаратів нового покоління — вакуумних реклоузерів.

Таким чином, в практиці створення і розвитку розподільних мереж в сільських регіонах виникло гостре протиріччя між необхідністю істотного підвищення ефективності і надійності електропостачання споживачів і неможливістю реалізації цього при існуючих нормах і методах проектування.

Разом з тим, аналіз наукових робіт з дослідження і методології проектування систем електропостачання сільських регіонів показав, що і в області науки, пов'язаної з розробкою електротехнічних систем і комплексів, існує серйозне протиріччя між необхідністю наукового обґрунтовування та оптимізації структури і складу секціонуючих пристроїв та відсутністю науково-методичного апарату такої оптимізації.

Таким чином, з метою подолання цих протиріч, актуальною науковою задачею, вирішуваною в дисертаційній роботі, є підвищення ефективності і надійності електропостачання споживачів сільських регіонів за рахунок удосконалення структури і складу системи секціонування розподільних мереж на основі розробки і використання науково-методичного апарату оптимізації кількості і місць установки секціонуючих пристроїв у процесі їх вдосконалення і подальшого розвитку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, представлені в роботі, проводилися на кафедрі електричних систем і мереж Чернігівського державного технологічного університету за пріоритетним напрямом розвитку науки і техніки України згідно з цільовою програмою і координаційним планом Міністерства аграрної політики України за темою «Розробка методів і технічних засобів підвищення надійності і ефективності сільських електричних мереж» (номер державної реєстрації 0101U001711) спільно з Національним аграрним університетом. У зазначеній науково-дослідній роботі безпосередньо здобувачем розроблені моделі, методи та алгоритми оптимізації кількості та місць розміщення секціонуючих пристроїв у розподільних мережах сільських регіонів з метою підвищення надійності.

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є розробка науково-методичного апарату підвищення надійності електропостачання споживачів у сільських регіонах з використанням оптимізації кількості та місць розміщення секціонуючих пристроїв в розподільній мережі.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні часткові завдання дослідження:

1. Розробити науково-методичний апарат оптимізації кількості та місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів.

2. Провести системний аналіз та виділити чинники, які лежать в основі оптимізації кількості і місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів у розподільних мережах сільських регіонів.

3. Удосконалити математичні моделі визначення оптимальної кількості і місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів та сформулювати завдання пошуку оптимального рішення при детермінованому типі вихідних даних для проектованих та існуючих розподільних мереж.

4. Провести аналіз впливу зміни чинників, що входять у розроблені математичні моделі, на надійність електропостачання.

5. Розробити математичну модель розміщення секціонуючих комутаційних апаратів в умовах невизначеності вихідної інформації з використанням теорії нечітких множин.

6. Розробити програму автоматизованого пошуку оптимальної кількості і місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів.

Об'єктом дослідження є процеси функціонування розподільних мереж сільських регіонів з урахуванням їх секціонування.

Предметом дослідження є закономірності впливу зовнішніх чинників на ефективність секціонування розподільних мереж сільських регіонів в умовах їх розвитку.

Методи дослідження. Результати, висновки і рекомендації обґрунтовано з використанням системного аналізу, імітаційного моделювання та лінійного програмування. Обробку результатів теоретичних досліджень виконано на основі методів математичного моделювання з використанням теорії нечітких множин і математичної статистики. Обчислювальні експерименти та обробку експериментальних даних виконано в пакеті Maple, а розробку прикладного програмного забезпечення — в Delphi.

Наукова новизна одержаних результатів дисертаційної роботи полягає у вивченні основних закономірностей процесів розвитку розподільної мережі сільських регіонів з урахуванням її секціонування та одержанні результатів, що розширюють уявлення про надійність і ефективність електропостачання споживачів у сільських регіонах, в отриманні залежностей для визначення оптимальної кількості і місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів.

1. Вирішено завдання оптимізації розміщення секціонуючих комутаційних апаратів на основі методу лінійного програмування з булевими змінними при детермінованій вихідній інформації, що, на відміну від існуючих рішень, враховує структуру електричної мережі і характер навантаження споживачів електричної енергії.

2. Для існуючих розподільних мереж сільських регіонів обґрунтовано оптимальне місце розміщення секціонуючих комутаційних апаратів у межах ділянки магістралі, обмеженої двома відгалуженнями, та показано, що для розподільних мереж сільських регіонів доцільним є застосування не більше трьох секціонуючих комутаційних апаратів.

3. Розроблено нову математичну модель розміщення комутаційних апаратів, що базується на двох показниках — сумарному збитку від недовідпуску електричної енергії для мережі в цілому та часу перерв в електропостачанні окремих споживачів, що дає можливість враховувати ринкові відносини в енергетиці.

4. Вперше розроблено математичні моделі і метод розв’язання завдання оптимізації кількості і місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів з використанням теорії нечітких відносин (підрозділу теорії нечітких множин), що дають змогу проводити пошук рішення в умовах невизначеності вихідної інформації.

Практичне значення одержаних результатів полягає в комплексному вирішенні завдання підвищення надійності електропостачання сільських регіонів за допомогою оптимізації кількості та місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів у розподільних мережах, що базується на дослідженні ефективності установки секціонуючих комутаційних апаратів у характерних схемах розподільних мереж сільських регіонів; одержаних математичних моделях, методах, алгоритмах при різному характері й об'ємі початкової інформації та розробленому прикладному програмному забезпеченні.

Результати дисертаційної роботи впроваджені у ВАТ ЕК«Чернігівобленерго» та використовуються у навчальному процесі Чернігівського державного технологічного університету на кафедрі електричних систем і мереж та Національного аграрного університету на кафедрі електропостачання сільського господарства.

Особистий внесок здобувача. Автору належать:

- теоретичні дослідження впливу особливостей розміщення секціонуючих комутаційних апаратів на надійність електропостачання з чисельним представленням результатів у вигляді значень часу перерв в електропостачанні і збитку від недовідпуску електричної енергії;

- аналіз схемної структури розподільних мереж центральної зони України, а також оцінки характерних для них величин питомого збитку і часу перерв в електропостачанні;

- розробка алгоритмів, методів і моделей оцінки ефективності секціонування розподільних мереж сільських регіонів при детермінованому і невизначеному типі вихідної інформації;

- побудова цільової функції з обмеженнями, що накладаються для оптимізації кількості і місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів та пошук рішення на базі лінійного програмування з булевими змінними;

- побудова математичної моделі розміщення комутаційних апаратів в умовах ринкових відносин між електропостачальною організацією і споживачем;

- аналіз впливу на результуючий ефект зміни чинників, що входять у модель оптимізації кількості і місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів;

- розробка прикладного програмного забезпечення, що надає можливість автоматизувати пошук оптимального місця і схеми при різному типі вихідних даних.

Аналіз результатів досліджень та отримання науково-методичних положень дисертації здійснено при консультативній допомозі Тисленко В.В., Кузьменко Б.В.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації докладалися на міжнародних, відомчих і вузівських науково-технічних конференціях і семінарах: міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы современной электротехники ПСЭ-2002" (Київ, 2002); міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Глеваха, 2003); міжнародній науково-технічній конференції “Розробка і виробництво продуктів функціонального харчування, інноваційні технології і конструювання устаткування для переробки сільськогосподарської сировини, культура живлення населення України” (Київ, НУПТ, 2003); міжнародний науково-технічний семінар «Міжнародна інтеграція в енергетиці як чинник економічної безпеки держави» (Чернігів, 2004); науково-технічному семінарі Наукової Ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики” (Чернігів, 2006); наукових конференціях науково-педагогічних співробітників і аспірантів (Київ, НАУ, 2003-2005); розширеному засіданні кафедри електропостачання інституту енергозбереження і енергоменеджменту НТУУ „КПІ” ( Київ, НТУУ „КПІ”, 2007).

Публікації. За результатами досліджень, проведених у дисертаційній роботі, автором опубліковано 7 друкованих праць у фахових виданнях ВАК України та отримано один деклараційний патент.

Об'єм і структура роботи. Дисертація викладена на 164 сторінках друкарського тексту, містить 32 рисунків, 36 таблиць, включає вступ, чотири розділи, висновки, список літератури, який складається з 98 найменувань, у тому числі іноземних — 8 і 4 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, розкрито стан наукового завдання та його значення, сформульовано мету і завдання дослідження, основні науково-методичні положення, що складають наукову новизну і практичне значення роботи.

У першому розділі “АНАЛІЗ СТАНУ ЗАДАЧ СЕКЦІОНУВАННЯ РОЗПОДІЛЬНИХ МЕРЕЖ СІЛЬСЬКИХ РЕГІОНІВ І ФОРМУЛЮВАННЯ ЗАВДАНЬ ДОСЛІДЖЕНЬ” виконано аналіз існуючих підходів до секціонування розподільних мереж сільських регіонів. Розглянуто особливості математичного опису об'єкту дослідження при різних типах вихідної інформації; проведено аналіз моделей розподільних електричних мереж, характерних для центральних регіонів України; проаналізовано причини аварійних відключень. Проведено оцінку можливого технічного забезпечення секціонування розподільних мереж сільських регіонів та вказано на доцільність використання в якості пункту секціонування – вакуумного реклоузера. Проведено аналіз існуючих методик техніко-економічного обґрунтування ефективності застосування секціонуючих комутаційних апаратів (КА).

Проаналізовані роботи Зоріна В.В., Овчарова В.В., Лещинської Т.Б., Пруса В.Л., Тисленко В.В., Будзко І.О., Козирського В.В, Притаки І.П., Савченко П.І., Черемісіна М.М. та інших вчених, присвячені питанням розвитку розподільних електричних мереж у сільських регіонах.

Показано, що методи та підходи до визначення місць і схеми розміщення секціонуючих апаратів у розподільних мережах сільських регіонів, як правило, базуються на спрощеній розрахунковій моделі – лінії з рівномірно розподіленим навантаженням; не дають рекомендацій використання методики при не детермінованому типі вихідної інформації про об’єкт; не враховують додаткові засоби підвищення надійності (дистанційні вимірники, покажчики пошкодженої ділянки, лінійні роз’єднувачі, засоби автоматичного введення резерву).

У результаті аналізу робіт в області розробки і експлуатації мереж виявлено гостре протиріччя між необхідністю підвищення надійності електропостачання і неможливістю досягнення цього сучасними засобами. Це протиріччя може бути подолане на основі оптимізації кількості і місць установки секціонуючих комутаційних апаратів у розподільних мережах сільських регіонів. Проте, як показав аналіз наукових робіт, не існує методики, а існуючий науково-методичний апарат не дозволяє вирішувати задачі подібного роду. Тому зроблено висновок про гостре протиріччя в науці у зв'язку з необхідністю побудови науково-методичного апарату аналізу і оптимізації розподільних мереж при проектуванні систем електропостачання сільських регіонів.

Для подолання цих протиріч актуальним є наукове завдання підвищення ефективності і надійності електропостачання споживачів сільських регіонів за рахунок удосконалення структури і складу системи секціонування розподільних мереж на основі розробки і використання науково-методичного апарату оптимізації кількості і місць установки секціонуючих пристроїв у процесі їх вдосконалення і подальшого розвитку.

У другому розділі "РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ ОПТИМАЛЬНОГО РОЗМІЩЕННЯ СЕКЦІОНУЮЧИХ КОМУТАЦІЙНИХ АПАРАТІВ У РОЗПОДІЛЬНИХ МЕРЕЖАХ СІЛЬСЬКИХ РЕГІОНІВ" на базі системного підходу до оптимізації управління розвитком розподільних мереж сільських регіонів проведено поділ системи забезпечення електричною енергією споживачів на окремі підсистеми: підсистему електропостачання, що є сукупністю електроустановок, призначених для забезпечення споживачів електричною енергією; підсистему елементів, що характеризують досліджуваний регіон, а саме – погодні умови і ландшафт території; підсистему заходів, направлених на підвищення надійності електропостачання споживачів. Ґрунтуючись на методології системного підходу, проаналізовано вплив застосування секціонуючих КА на зміну рівня надійності електропостачання споживачів (рис.1) і виділено чинники, що найістотніше впливають на ефективність секціонування – питома річна тривалість відключення розподільних мереж, питомий збиток від перерв електропостачання та економічні чинники — вартість розміщення, термін окупності і величина амортизаційних відрахувань. Обґрунтовано, що на питому річну тривалість відключення розподільних мереж впливають: характер схеми досліджуваної мережі; довжина лінії електропередачі (на цей елемент доводиться 80-85% пошкоджень розподільної мережі з напругою 10 кВ); кількість споживчих трансформаторних підстанцій; погодні умови; ступінь зношеності основних фондів; рівень оснащення засобами підвищення надійності. На величину питомого збитку від перерв електропостачання впливають характер і активна споживана потужність електроустановок споживачів.

Рис. 1. Схема оцінки ефективності секціонування розподільних мереж

Застосування секціонуючих КА у схемі розподільної мережі змінює її структуру та підвищує надійність електропостачання і, відповідно, зменшує недовідпуску електричної енергії споживачам. При цьому межа доцільності розміщення секціонуючого КА визначається співвідношенням ефекту від секціонування (, грн/рік) та приведених затрат на секціонування , грн/рік:

(1)

Визначення величини ефекту здійснено на основі різниці збитків від недовідпуску електричної енергії в мережі без встановлених засобів підвищення надійності і в мережі з -ою кількістю секціонуючих КА.

(2)

Збиток () від недовідпуску електричної енергії для мережі без встановлених засобів підвищення надійності визначений за виразом:

(3)

де – активна споживана потужність електроустановок споживачів, кВт;
– питомий збиток від перерв електропостачання, грн/(кВт•год); – питома річна тривалість відключення розподільних мереж, год/(рік•км); – довжина лінії, що відключається, км.

Збиток від недовідпуску електричної енергії у разі розміщення -ої кількості КА за послідовною схемою (розміщення секціонуючих КА на ділянках магістралі – місця 1 та 2 на рис. 2) у розподільній мережі визначений за виразом:

(4)

де – сумарна активна споживана потужність електроустановок споживачів зони, обмеженої з двох сторін КА, що встановлені за послідовною схемою, кВт;
– сумарна довжина зони, обмеженої КА, км; – кількість встановлюваних КА.

Рис. 2. Ділянка схеми розподільної мережі

При цьому обґрунтовано, що оптимальним для розміщення КА в розімкненій схемі розподільної мережі є місце, що знаходиться в безпосередній близькості праворуч від відгалуження.

Збиток від недовідпуску електричної енергії споживачам при розміщенні -ої кількості КА за паралельною схемою (розміщення секціонуючих КА на відгалуженнях – місця 3 та 4 на рис. 2) визначений за виразом:

. (5)

Збиток від недовідпуску при розміщенні -ої кількості КА за змішаною схемою (розміщення секціонуючих КА як на відгалуженнях, так і на магістралі – місця 1, 2, 3 та 4 на рис. 2) визначений за виразом:

(6)

де – довжина зони, відповідно, паралельного і послідовного секціонування, км; – активна споживана потужність електроустановок споживачів у зоні паралельного і послідовного секціонування, кВт; – кількість апаратів, включених за паралельною і послідовною схемами секціонування (); – кількість апаратів паралельного секціонування, що входять до зони дії КА, включеного за послідовною схемою.

Для визначення оптимальної кількості і місць розміщення секціонуючих КА побудовано цільову функцію з обмеженнями та здійснено пошук рішення, що базується на методі математичного програмування з булевими змінними:

(7)

де – показник, що визначає місце розміщення секціонуючого КА (булева змінна); – коефіцієнт, що визначає ефект від розміщення КА, з урахуванням раніше встановлених КА, грн/рік; – число можливих місць розміщення секціонуючих КА;

з наступними обмеженнями:

а) обмеження діапазону можливих рішень – – цілі, булеві змінні;

б) обмеження за економічною доцільністю — секціонування ефективне, якщо сумарний ефект секціонування є більшим за сумарні річні наведених затрат:

в) обмеження за кількістю встановлюваних КА (необхідно для усунення взаємозалежності коефіцієнтів ). Згідно з дослідженнями, можлива кількість встановлюваних КА лежить у межах від нуля до трьох, тому –.

Згідно з цими обмеженнями, задача визначення оптимальної кількості та місць розміщення КА розбивається на чотири підзадачі, для яких кількість КА може приймати значення – 0, 1, 2 або 3. Серед розглянутих варіантів вибирається той, який характеризується максимальним ефектом, але при цьому входить у рамки обмежень.

Таким чином, приходимо до наступної задачі:

максимізувати ,

при обмеженнях

Побудовані математичні моделі розміщення комутаційних апаратів для магістральної резервованої і магістральної з місцевим резервом схем розподільної мережі.

Збиток від недовідпуску електричної енергії у разі розміщення -ої кількості КА за послідовною схемою в магістральній резервованій розподільній мережі визначений за виразом:

(9)

Обґрунтовано, що оптимальними місцями при послідовній схемі розміщення секціонуючих КА в магістральній резервованій схемі розподільної мережі, можуть бути місця в кінці і на початку магістральної ділянки.

Збиток від недовідпуску при розміщенні -ої кількості КА за паралельною схемою для магістральної резервованої схеми розподільної мережі визначений за виразом:

. (10)

Збиток від недовідпуску за наявності місцевого резерву при розміщенні -ої кількості КА за паралельною схемою визначений за виразом:

. (11)

Збиток від недовідпуску за наявності місцевого резерву та магістральній резервованій схемі розподільної мережі при розміщенні -ої кількості КА за паралельною схемою визначений за виразом:

(12)

Збиток від недовідпуску при розміщенні -ої кількості КА за змішаною схемою для магістральної резервованої розподільної мережі:

. (13)

Збиток від недовідпуску за наявності місцевого резерву при розміщенні -ої кількості КА за змішаною схемою визначений за виразом:

(14)

Збиток від недовідпуску за наявності місцевого резерву і магістральній резервованій схемі розподільної мережі при розміщенні -ої кількості КА за змішаною схемою їх розміщення визначений за виразом:

(15)

У роботі запропоновано математичну модель розміщення комутаційних апаратів в умовах енергетичного ринку. Підхід базується на імітаційній моделі відновлення електропостачання споживачів, який полягає у визначенні часу перерв в електропостачанні споживача з розрахунку на одне стійке пошкодження (щодо розподільних мереж сільських регіонів).

Визначення оптимальної кількості і місць розміщення КА здійснено таким чином: спочатку обчислена величина збитку від недовідпуску електричної енергії споживачам і тривалість перерв в електропостачанні кожного із споживачів при функціонуванні розподільної мережі сільських регіонів в номінальному режимі; потім величина збитку від недовідпуску електричної енергії споживачам і тривалість перерв в електропостачанні кожного із споживачів за умови розміщення додаткових засобів підвищення надійності — пунктів секціонування повітряної лінії. Різниця цих величин визначає ефект від секціонування.

Збиток від недовідпуску електричної енергії для схеми розподільної мережі без введення резерву (ВР):

(16)

де – частота аварійних та планових відключень, відповідно, 1/(рік.км); – тривалість аварійного і планового відключень, відповідно, год; – коефіцієнт, враховуючи меншу тяжкість планових вимикань; , ; – час етапу від моменту відключення лінії до початку пошуку пошкодженої дільниці лінії, з урахуванням переїздів і пробного включення головного вимикача, год; – час етапу пошуку пошкодженої дільниці, з врахуванням можливого аналізу диспетчерською службою інформації від споживачів електричної енергії, год; – час етапу локалізації пошкодженої дільниці, год; – час етапу включення електроустановок споживачів, які можуть отримувати електричну енергію при відключенні пошкодженої дільниці, год; – час етапу обходу пошкодженої дільниці для визначення місця пошкодження, год; – час етапу ремонту і включення лінії в нормальний режим, год; – сума активних споживаних потужностей електроустановок споживачів зон, виділених лінійними роз’єднувачами, розміщених за паралельною схемою, кВт.

Час недовідпуску електричної енергії без встановленого ВР для абонентів, що знаходяться в різних зонах, визначено за:

(17)

де – кількість зон, виділених лінійними роз’єднувачами, розміщеними за послідовною схемою, розташованими до -ої зони, включаючи і ту, в яку входить -та зона.

Збиток від недовідпуску електричної енергії при використовуванні ручного і автоматичного ВР:

(18)

Час недовідпуску електричної енергії для схеми розподільної мережі з автоматичним і ручним ВР для абонентів, що знаходяться в різних зонах, визначено за:

де – номер зони, що виділяється ЛР, розміщеними за послідовною схемою, в яку входить -та зона, одержувана за допомогою ЛР, розміщеними за паралельною схемою.

Збиток від недовідпуску електричної енергії для схеми мережі з КА, але без резерву: |

(20)

Час недовідпуску електричної енергії для схеми розподільної мережі без резерву для абонентів, що знаходяться в різних зонах, визначено за:

(21)

(22)

де – кількість зон, виділених лінійними роз’єднувачами, розміщеними за послідовною схемою, розташованими до -ої зони, включаючи ту, в яку входить -та зона.

Збиток від недовідпуску електричної енергії для схеми мережі з ручним і автоматичним ВР:

(23)

де – кількість зон, виділені ЛР, у зонах, створених секціонуючими КА; – кількість зон, утворених секціонуючими КА.

Час недовідпуску електричної енергії для схеми розподільної мережі з автоматичним і ручним ВР для абонентів, що знаходяться в різних зонах, визначено за:

(24)

де – номер зони, що виділяється ЛР, розміщеними за послідовною схемою, в яку входить -та зона, одержувана за допомогою ЛР, розміщеними за паралельною схемою; – номер зони, виділеної КА, куди входить -та досліджувана зона, виділена ЛР.

Для знаходження ефекту від розміщення додаткового секціонуючого КА в мережі зі встановленими засобами підвищення надійності проведено пошук різниці величини збитку, одержаної за допомогою математичного моделювання роботи мережі, для випадків без і з секціонуючим КА:

(25)

Таким чином, одержані математичні моделі дають можливість визначати оптимальні місця та схему розміщення секціонуючих КА для магістральної нерезервованої, магістральної резервованої і магістральної з місцевим резервом схем розподільних мереж зі встановленими засобами підвищення надійності та з урахуванням обмежень, що накладаються ринковими відносинами.

У третьому розділі “ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ЗМІНИ ПАРАМЕТРІВ МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ НА КІЛЬКІСТЬ І МІСЦЯ РОЗМІЩЕННЯ СЕКЦІОНУЮЧИХ КОМУТАЦІЙНИХ АПАРАТІВ В РОЗПОДІЛЬНИХ МЕРЕЖАХ СІЛЬСЬКИХ РЕГІОНІВ” за допомогою визначення еластичності проведено оцінку впливу зміни параметрів ( – активна споживана потужність електроустановок -го споживача, який відключається, кВт; – питомий збиток від перерв електропостачання, грн/(кВт•год); – питома річна тривалість відключення розподільних мереж, год/(рік•км)) математичної моделі оптимальної кількості і місць розміщення секціонуючих КА на результуючу ефективність. При цьому під еластичністю мається на увазі величина, що дає змогу проводити кількісну оцінку впливу меж зміни закладених в модель параметрів на результат математичного моделювання. Вивчаючи еластичність параметрів, виділено і проведено коректування впливу на кінцевий результат тільки тих чинників, еластичність яких істотна.

Для визначення еластичності ефекту секціонування (Eff) по параметру N скористаємося виразом:

(26)

де – інтегральний коефіцієнт еластичності; – середня величина ефекту від установки КА, грн/рік; – підсумковий ефект від установки КА, при
-му значенні досліджуваного параметра, грн/рік; – середнє значення параметра, еластичність якого оцінюється; – можливе значення оцінюваного параметра; – кількість оцінюваних параметрів.

Залежно від величини коефіцієнта еластичності розрізняють: =0 — абсолютно нееластичний параметр; 0<<1 — нееластичний параметр; =1 — параметр з одиничною еластичністю; >1 — еластичний параметр; = — абсолютно еластичний параметр.

Аналіз показав, що діапазон зміни величини активної споживаної потужності електроустановок споживачів, що аварійно відключаються, змінюється в широких межах залежно від пори року і періоду доби та визначається характером навантаження підключеного до даного відгалуження. Базуючись на математичній моделі і аналізуючи залежність зміни активної споживаної потужності електроустановок споживачів протягом доби для найхарактерніших схем розподільних мереж центрального регіону України, одержано значення еластичності впливу коливань навантаження на ефективність секціонування, що складає . Таким чином, зміна навантаження істотно впливає на ефективність секціонування.

Даний висновок підтверджується аналізом впливу на оптимальне місце і схему резервування зміни активної споживаної потужності електроустановок споживачів, підключених до розподільних мереж сільських регіонів (рис.3). В основу аналізу покладений пошук оптимального місця і схеми розміщення одного секціонуючого КА з розрахунком ефективності його розміщення, використовуючи метод статистичних випробувань при рівномірному розподілі величини навантаження якого-небудь одного відгалуження. Ґрунтуючись на математичних моделях розміщення КА, проведено імітаційне моделювання в пакеті «Maple».

Рис. 3. Графіки залежностей розподілу місць розміщення КА залежно від номера відгалуження, потужність якого змінюється (а) та гістограма розподілу місць установки КА (б)

На рис. 3, а) приведені графічні залежності, у яких осі: – номер відгалуження, на якому змінюємо потужність навантаження; – відносне значення потужності навантаження на відгалуженні (змінюється від нуля до максимального значення); - економічна ефективність від установки відповідного КА.

Базуючись на обробці інформації статистичними методами, одержано величини питомих збитків у грошовому еквіваленті, які характерні для центральних регіонів України. Показано, що величина середнього питомого збитку становить у=3,67 грн/(кВт.год). Проте при оцінці ефективності впровадження додаткових засобів підвищення надійності слід враховувати діапазон зміни величини збитку за різними галузями народногосподарської діяльності в сільській місцевості, що становить від 1,04 до 25,67 грн/(кВт.год). Зазначено, що дана величина питомого збитку є граничною оцінкою економічної ефективності нововведень в енергетику і не призначена для врегулювання взаємостосунків між суб'єктами енергетичного ринку, зокрема стягування штрафів з енергосистеми.

Проведено обґрунтування необхідності індивідуального завдання питомого збитку для кожного відгалуження на основі аналізу впливу зміни збитків від перерв електропостачання на ефективність секціонування (рис. 4). Теоретично отримано значення еластичності питомого збитку — , що підтверджує необхідність індивідуального врахування збитків для кожного споживача.

На рис. 4 цифри 1, 2 та 3 позначають аналогічні місця встановлення секціонуючих КА для ділянки схеми розподільної мережі на рис. 2.

Рис. 4. Графік залежності зміни ефективності секціонування від питомого збитку споживачів в залежності від місця установки секціонуючих КА

Проведено аналіз впливу зміни питомої річної тривалості відключення розподільних ліній на ефективність секціонування. Показано, що еластичність становить , що дає можливість дійти висновку про прямопропор-ційність залежності ефективність секціонування від питомої річної тривалості відключень () розподільної лінії. Обґрунтовано, що потік відмов знаходиться в межах від 15 до 32 відмов за рік на 100 км ПЛ 10кВ, якщо допустити можливість розподілу даного параметра за нормальним законом, то 1/(100.рік.км), а час перерв в електропостачанні —, год.

Тому аналіз впливу параметрів моделі оптимізації розміщення секціонуючих КА в умовах невизначеності вихідних даних показав, що визначальним чинником є характер і зміна активної споживаної потужності електроустановок споживачів протягом року.

У четвертому розділі "ПОШУК ОПТИМАЛЬНОЇ КІЛЬКОСТІ І МІСЦЬ РОЗМІЩЕННЯ СЕКЦІОНУЮЧИХ КОМУТАЦІЙНИХ АПАРАТІВ В УМОВАХ НЕВИЗНАЧЕНОСТІ ВИХІДНОЇ ІНФОРМАЦІЇ" проведено аналіз існуючих підходів до вирішення задачі оптимізації місць і кількості розміщення секціонуючих КА в умовах невизначеності вихідної інформації та вибраний метод пошуку рішення на базі теорії нечітких множин. Показано переваги побудови математичної моделі на базі підрозділу теорії нечітких множин — теорії нечітких відносин.

Проведено чисельне моделювання вирішення задачі оптимізації кількості і місць розміщення КА в умовах невизначеності вихідної інформації. Вказано, що основною причиною невизначеності вихідних даних, є нестаціонарність процесів, що відбуваються в розподільних мережах. Внаслідок цього параметри оптимізаційної моделі в різні часові проміжки приймають значення, що змінюються в широкому діапазоні.

У результаті досліджень встановлено, що основними параметрами, які задають невизначеність процесів в розподільних мережах, є — активна споживана потужність електроустановок -го споживача, що відключається, кВт та — величина питомого збитку від перерв електропостачання залежно від типу навантаження, грн/(кВт•год).

Вираз для визначення ефекту від секціонування розподільної мережі сільських регіонів в умовах невизначеності вихідної інформації:

, (27)

де – величина ефекту від секціонування, залежно від періоду часу перерв електропостачання, грн/рік; – питома річна тривалість відключення розподільних мереж залежно від періоду часу перерв електропостачання, год/(рік•км); – активна споживана потужність електроустановок -го споживача, що змінюється в часі, кВт; – питомий збиток від перерв електропостачання -го споживача, грн/(кВт•год); – кількість споживачів, підключених до розподільної мережі; – величина, що визначає добуток активної споживаної потужності електроустановок споживачів на питомий збиток від перерв електропостачання -го споживача та визначається схемою секціонування, грн/год.

Для пошуку рішення в умовах невизначеності вихідної інформації було отримано значення кількості відключень у розподільній мережі і ефективності секціонування від величини активної споживаної потужності електроустановок для споживачів різного характеру залежно від інтервалу часу. Далі проведено нормування залежностей з метою отримання функцій належності нечітким множинам, елементами яких є чисельні значення кількостей відключень у розподільній мережі залежно від інтервалу часу і значень ефективності секціонування.

З метою знаходження оптимального варіанту секціонування розподільних мереж сільських регіонів складена композиція бінарних нечітких відносин:

(28)

де – функція належності нечіткій множині, елементами якої є чисельні значення кількостей відключень у розподільній мережі залежно від часу; – функція належності нечіткій множині, елементами якої є чисельні значення ефектів секціонування залежно від часу.

Вказано, що за наявності однозначних рішень для вибору оптимального варіанту слід враховувати допоміжні критерії, наприклад сумарну ефективність, значущість певних споживачів, простоту експлуатації або спільно з максимінною композицією бінарних нечітких відносин, використовувати альтернативну операцію композиції у вигляді -композиції.

Таким чином показано, що підхід на основі теорії нечітких множин дає можливість проводити пошук оптимального способу секціонування при невизначеному типі вихідних даних.

Згідно з технічним завданням на розробку програми автоматизованого пошуку оптимальної кількості та місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів, було написано в середовищі Delphi програму «ОптиумПСЛ.exe», що за своєю структурою відповідає спеціалізованим САПР програмам. Інтерфейс розробленої програми представлений на рис 5.

Рис. 5. Інтерфейс програми автоматизованого пошуку оптимальної кількості та міст розміщення секціонуючих комутаційних апаратів: 1 - меню; 2 - панель інструментів; 3 - робоче поле

У програмі є можливість задавати параметри наступних блоків: блоку „головного вимикача”, за допомогою якого задаються узагальнюючі параметри, потрібні для розрахунку (наявність резерву в мережі; вибір методики розрахунку ефективності секціонування або при детермінованому типі вихідної інформації про параметри мережі (за питомими параметрами), або при невизначеному типі вихідної інформації про параметри мережі (за керівними матеріалами); вартість пункту секціонування і параметри, що визначають питому річну тривалість відключення розподільних мереж); параметри лінії електропередачі (параметри розрізняються залежно від належності лінії до магістралі або відгалуження та при цьому задається номер ділянки і довжина); параметри приєднаного навантаження.

Після створення схеми здійснюється моделювання її роботи та отримання результатів розрахунку.

З метою оцінки зміни рівня надійності електропостачання проведено розрахунок показників надійності – питомої річної тривалості відключення розподільних мереж та частоти відключення. Аналіз результатів математичного моделювання засвідчив, що при розміщенні в мережі секціонуючих КА, рівень надійності підвищується на: в схемах з АВР – питома річна тривалість відключення розподільних мереж зменшується при розміщенні одного КА на 50%; двох КА – 60-70%; трьох КА – 75-85%; у схемах без АВР – питома річна тривалість відключення розподільних мереж зменшується при розміщенні одного КА на 20%; двох КА – 23-27%; трьох КА – 30-35%.

Розроблений прикладний програмний продукт «ОптиумПСЛ.exe» надає можливості проводити оцінку кількості і місць установки секціонуючих КА для двох випадків: для існуючих електричних мереж з наявністю детермінованої інформації про величину приєднаної споживаної потужності навантаження споживачів і значень питомих параметрів, що характерні для досліджуваного регіону; для проектованих і існуючих електричних мереж в умовах невизначеності вихідної інформації.

Використовуючи розроблену програму автоматизованого пошуку оптимальної кількості та місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів, було проведено обчислювальний експеримент для двох наведених вище випадків та встановлено, що ці підходи дають схожі рекомендації з кількості і місць розміщення секціонуючих КА у випадку аналогічного опису об’єкта дослідження.

Таким чином, створення програми автоматизованого пошуку оптимальної кількості та місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів дає змогу знаходити вирішення задачі підвищення надійності розподільної мережі сільських регіонів як при детермінованому типі вихідних параметрів мережі, так і для випадку невизначеності вихідних даних.

ВИСНОВКИ

У дисертації здійснено теоретичне обґрунтування і вирішення наукової задачі – підвищення ефективності і надійності електропостачання споживачів сільських регіонів за рахунок удосконалення структури і складу системи секціонування розподільних мереж на основі розробки і використання науково-методичного апарату оптимізації кількості і місць установки секціонуючих пристроїв у процесі їх вдосконалення і подальшого розвитку.

1. Огляд існуючих теоретичних підходів та певних технічних рішень до визначення місць і схеми розміщення секціонуючих апаратів в розподільних мережах сільських регіонів показав відсутність рекомендацій із застосування методів при недетермінованому типі вихідних даних; завданню питомих параметрів для всієї мережі в цілому; відсутність врахування додаткових засобів підвищення надійності (дистанційних вимірників, покажчиків пошкодженої ділянки, лінійних роз’єднувачів, засобів автоматичного введення резерву).

2. Ґрунтуючись на статистичних методах обробки інформації, побудовано найхарактерніші схеми розподільних мереж для центральних регіонів України. Базуючись на системному аналізі, виділено чинники (питома річна тривалість відключень розподільних мереж (), питомий збиток від перерв електропостачання (), активна споживана потужність електроустановок споживачів ()), що впливають на надійність електропостачання, та показано, що основною причиною аварійних відключень у розподільних мережах сільських регіонів є пошкодження елементів повітряних ліній електропередачі.

3. Показана техніко-економічна доцільність застосування в якості секціонуючих комутаційних апаратів вакуумних реклоузерів.

4. Розкрито підхід і отримано математичні моделі для визначення оптимальної кількості і місць розміщення секціонуючих КА в розподільних мережах сільських регіонів. Вирішення задачі оптимізації кількості та місць розміщення секціонуючих КА запропоновано з використанням лінійного програмування з булевими змінними. Проведено математичне обґрунтування оптимальних місць розміщення секціонуючих комутаційних апаратів в межах ділянки магістралі мережі, обмеженої двома відгалуженнями залежно від наявності раніше встановлених засобів підвищення надійності. Обґрунтована доцільність розміщення не більше трьох секціонуючих КА в схемі розподільної мережі.

5. Запропоновано математичну модель і показано приклад визначення техніко-економічної ефективності розміщення секціонуючих КА для мереж зі встановленими засобами підвищення надійності. Вказано на можливість оптимізації за двома критеріями – сумарному збитку від недовідпуску електричної енергії для мережі в цілому та часу тривалості перерв в електропостачанні конкретного споживача, що має вищий рівень значущості, який зумовлюється договором між постачальником електричної енергії та споживачем.

6. Проведена оцінка ступеня впливу різних чинників на ефективність секціонування показала, що основним параметром, який задає невизначеність, є активна споживана потужність електроустановок споживачів. Математично обґрунтовано величину середнього питомого збитку для споживачів сільських регіонів центральної зони України, яка становить y=3,67 грн/(кВт.год), і показано необхідність індивідуального завдання питомого збитку для різних споживачів у сільському господарстві, який становить від 1,04 до 25,67 грн/(кВт.год). На базі методів статистичної обробки інформації, характерної для центральних регіонів України, встановлено, що питома тривалість аварійних відключень становить год та кількість відмов – 1/(100.рік.км).

7. Обґрунтовано доцільність використання теорії нечітких множин при оптимізації кількості і місць розміщення секціонуючих КА в разі відсутності детермінованої інформації щодо параметрів розподільних мереж. Побудовано математичну модель пошуку рішення при невизначеному типі вихідної інформації, що базується на теорії нечітких відносин.

8. Обчислювальними експериментами встановлено, що результати моделювання при різних типах вихідної інформації однакові.

9. Показано, що завдяки зменшенню питомої річної тривалості відключень розподільних мереж, рівень надійності електропостачання підвищується при установці секціонуючого КА. Залежно від присутності АВР в схемі розподільної мережі розрізняють два можливих варіанти: за наявності АВР – питома річна тривалість відключення розподільних мереж зменшується при розміщенні одного КА на 50%; двох КА – 60-70%; трьох КА – 75-85%; в схемах без АВР – питома річна тривалість відключення розподільних мереж зменшується при розміщенні одного КА на 20%; двох КА – 23-27%; трьох КА – 30-35%.

10. Розроблена автоматизована система пошуку оптимальної кількості і місць розміщення секціонуючих КА дає можливість вирішувати задачу підвищення надійності розподільних мереж сільських регіонів при детермінованому і невизначеному типі вихідної інформації.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

За результатами проведених у дисертаційній роботі досліджень автором опубліковано 7 друкованих праць у фахових виданнях ВАК України та отримано один деклараційний патент:

1. 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.

Здобувач приймав участь у модифікації імітаційної моделі відновлення працездатності лінії 10 кВ.

2. Козирський В.В., Гай О.В. Аналіз впливу відхилень вихідних даних на вибір