Повышение энергетической эффективности систем электроснабжения в потребительском секторе и в городских распределительных сетях (на примере г. Томска)

Актуальность темы исследования. Важнейшим показателем
энергетической эффективности передачи и распределения электроэнергии
(ЭЭ) является величина потерь ЭЭ в распределительных сетях (РС). В
результате развития рыночных отношений в России проблема экономии ЭЭ,
где потери ЭЭ выступают неотъемлемой частью, приобрела особую
значимость. До утверждения государственная программа Российской
Федерации (РФ) «Энергосбережение и повышение энергетической
эффективности на период до 2020 года» [1] потери ЭЭ в РФ в 2-2,5 раза
превышали потери ЭЭ в промышленно развитых зарубежных странах,
величина которых находится в диапазоне от 4 до 8 % от выработки ЭЭ. При
этом в распределительных сетевых организациях величина потерь достигала
20% от отпуска ЭЭ в сеть, а в ряде отдельных регионов — 30-40% [2].
Наблюдаются тенденции изменения значимости факторов, влияющих на саму
величину потерь, среди которых особенно актуальными на сегодняшний день
является качественное и количественно изменение нагрузки – рост
однофазной, управляемой нагрузки.
Сверхнормативные потери электроэнергии в городских РС – это прямые
финансовые убытки электросетевых компаний, исходя из этого проблема
снижения потерь ЭЭ должна быть не только актуальной, но и стать одной из
важных задач, решение которой обеспечит как финансовую стабильность
распределительных сетевых компаний (РСК), так и снижение затрат,
связанных с передачей ЭЭ, РСК и потребителей. Для последних актуальность
выражается в том, что на сегодняшний день политика формирования тарифа
на ЭЭ устроена таким образом, что все расходы сетевых компаний, связанные
непосредственно с передачей и распределением ЭЭ, всегда учтены в величине
тарифа по передаче ЭЭ, которая в свою очередь является слагаемым тарифа на
ЭЭ, поставляемую потребителю [3]. Рычагом давления на распределительные
компании в сложившейся ситуации выступает только законодательство РФ,
которое указом президента РФ от 4 июня 2008г. №889 «О некоторых мерах по
повышению энергетической и экологической эффективности российской
экономики» утвердило программу, согласно которой эффективность передачи
и распределения ЭЭ в РФ должна достичь уровня промышленно развитых
стран [4].
Высокий уровень потерь также является индикатором низкого качества
электроэнергии в электрических сетях (ЭС) России, свидетельствующем о
существенном превышении допустимых значений показателей качества
электроэнергии (ПКЭ) по ГОСТ 32144-2013 [6, 14]. Низкое качество ЭЭ может
быть определено как вероятность возникновения любого события, связанного
непосредственно с сетью электропитания, которое приводит к экономическим
потерям. В данном случае расходы сетевых компаний, ставшие последствием
низкого качества электроэнергии, не имеют отношения к тарифу на ЭЭ и
являются прямыми затратами РСК. В случае, когда низкое качество ЭЭ
является причиной высоких потерь на передачу и распределение ЭЭ, расходы,
вызванные этими потерями ложатся на плечи как РСК так и потребителей,
поэтому проблема качества не должна рассматриваться обособленно и
относиться к проблемам только сетевых компаний, качество ЭЭ зависит не
только от действий РСК, но и от влияния потребителей на существующую
сеть.
РС г.Томска проектировались и строились с учетом перспективы роста
нагрузки предприятий, однако на фоне высокого уровня стоимости аренды
земли в городе, произошло перемещение промышленных зоны в пригород,
либо на окраины города. Все это привело к уменьшению потребления ЭЭ (по
величине мощности), снижению загрузки оборудования РС и ПС города и как
результат большой величине потерь ЭЭ. Большая величина потерь также
характеризуется тем, что имеющаяся нагрузка существующей РС г.Томска
несимметрична, нелинейна и изменяется по стохастическому закону, форма
напряжения и тока искажены широким спектром гармоник.
Среди типовых мероприятий по снижению потерь ЭЭ в ЭС можно
выделить: технические; мероприятия по совершенствованию систем
расчетного и технического (контрольного) учета ЭЭ и организационные
мероприятия. Основной эффект в снижении величины технических потерь ЭЭ
может быть получен за счет технических мероприятий, которые включают в
себя: реконструкцию, перевооружение, повышение пропускной способности,
а также надежности работы ЭС, сбалансированности их режимов; говоря
другими словами, за счет внедрения капиталоемких мероприятий. К
приоритетным мероприятиям, направленным на снижение технических
потерь ЭЭ в городских РС относятся организационные мероприятия, среди
которых оптимизация схем и режимов ЭС, ввод в работу устройств,
позволяющих в автоматическом режиме регулировать напряжение под
нагрузкой, использование имеющихся средств регулирования напряжения с
целью повышения качества ЭЭ и снижения ее потерь, выравнивание
несимметричных нагрузок, фаз и т.п. Следует отметить, что подобного рода
мероприятия требуют малых капиталовложений и окупаются в довольно
короткие сроки, что отвечает требованиям сетевых компаний и позволят
решить задачу обеспечения финансовой стабильности сетевых организаций
[35].
Степень разработанности темы исследования. Различным аспектам
проблемы оптимизации режимов работы городских РС посвящено большое
количество работ отечественных и зарубежных ученых: Ю.С. Железко [42],
В.Э. Воротницкий [5, 6, 35], Ф.Д. Косоухов [7], А.В. Дед [8], М.И. Фурсанов
[9], Т.Е. Тюдина и Д.Е. Дулепов [10], Ю.В. Мясоедов и Н.В. Савина [11], Г.Е.
Поспелов [45], П.В. Терентьев [12], М.С. Левин [13], И.В. Наумов [7, 15, 16],
Е.А. Каминский [62], В.А. Скороходов [65], О.Б. Кисель [17, 18], В.Я. Майер
[19], А.И. Вольдек [57], S. Perera и V.J. Gosbell [55], R.F. Woll [53], Dr. J. Driesen
и Dr. T. Van Craenenbroeck [56], A.A. Ansari и D.M. Deshpande [20], G.K. Singh,
A.K. Singh и R. Mitra [22], A. von Jouanne [21], A.C. Williamson и E.B. Urquhart
[23], D. Reimert [24], Jeng-Tyan Cherng и Tsai-Hsiang Chen [25], M.E. Baran и
F.F. Wu [26], E.S. Ibrahim [27], Dong-Li Duan [28], E. Ralph. [29], Osmo Siirto
[30], Jianhui Wang [31], M. Abdelaziz [32], H. Dezani [33], M. Guerrero, Francisco
G. Montoya [34] и др. Описанные в данных работах подходы и другие
подобные мероприятия помогут усовершенствовать режимы работы сети,
улучшить пропускную способность линий и значения показателей качества
электрической энергии, снизить потери мощности и привести к увеличению
надежности энергоснабжения.
Однако применительно к городским сетям 0,4 кВ имеются лишь узкие
исследования, посвященные повышению энергоэффективности передачи и
распределения ЭЭ [80, 81, 82, 83, 84]. Помимо прочего на сегодняшний день
существенно изменились условия эксплуатации оборудования: нагрузка
нелинейна и несимметрична, что противоречит условиям проектирования
существующей сети электроснабжения. Следовательно, существует ряд
нерешенных вопросов, связанных с повышением энергетической
эффективности в условиях изменяющейся нагрузки и условий эксплуатации.
Цель работы – разработка рекомендаций по применению
организационных и технических мероприятий для распределительной
электрической сети г. Томска, эксплуатируемой в условиях нелинейной,
несимметричной и изменяющейся по стохастическому закону нагрузки.
Критериальной оценкой эффективности подобных мероприятий в данном
исследовании выступает окупаемость последних на фоне снижения уровня
потерь ЭЭ.
Для достижения обозначенной цели к решению поставлены следующие
задачи:
– определение параметров исследуемого участка сети, исходя из
реальных данных, полученных согласно показаниям приборов учета,
установленных в точка приема в сеть/отпуска из сети, а также согласно
замерам на трансформаторах, установленных на данном участке с
дальнейшим программным моделированием этого участка;
– исследование влияния уровня несимметрии токов и напряжений на
величину потерь ЭЭ и оценка экономической эффективности мероприятий,
направленных на симметрирование нагрузки;
– определение оптимальных мест размыкания высоковольтной линии
напряжением 10 кВ с двусторонним питанием и рациональной загрузки
электрооборудования;
– анализ влияния коэффициента нелинейных искажений на величину
коэффициента мощности в условиях эксплуатации РС и оценка
эффективности установки фильтрокомпенсирующих устройств.
Научная новизна работы:
1. Разработан алгоритм автоматического переключения
однофазной нагрузки с целью ее симметрирования;
2. В условиях подключения «современного» потребителя, нагрузка
которого нелинейна и несимметрична, произведена оценка значимости
решения оптимизационных сетевых задач при изменении условий
эксплуатации электрооборудования конкретного участка городской РС;
3. Предложена оценка влияния мощности искажений на
коэффициент мощности для исследуемого участка сети, эксплуатируемой в
условиях качественно измененной нагрузки.
Теоретическая значимость работы заключается в оценке
эффективности организационных и технических мероприятий,
направленных на снижение величины потерь ЭЭ и оптимизацию режимов
работы участка городской электрической сети на основе современных
программных комплексов.
Практическая значимость работы:
1. Снижение технических потерь в городских распределительных
сетях, возникающих при несимметрии токов и напряжений на 12,59%;
2. Повышение эффективности передачи и распределения
электроэнергии при изменении условий эксплуатации оборудования
участка городской электрической сети (потери снизились на 19%) а также
отсутствуют шины с отклонением напряжения, превышающим
регламентированные ГОСТом 10%);
3. Установка фильтров позволяет уменьшить количество потерь
мощности, генерируемое гармоническими искажениями по току и по
напряжению со стороны питающих шин и нагрузки на 19,5%.
Практическая ценность также подтверждается актом об использовании
результатов научно-исследовательской работы на предприятии ООО
«Горсети» г. Томск (Приложение И).
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы
применялись метод узловых потенциалов, метод Ньютона-Рафсона, метод
градиентного спуска по оптимизации потерь, генетические алгоритмы,
эконометрические методы. Для обработки исходных и полученных в ходе
исследования данных использовались такие программные продукты как MS
Excel, Mathcad 14.0, Matlab 2013а, Statistica 6.0, TRACE MODE.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Алгоритм для устройства симметрирования нагрузки, посредством
автоматического переключения однофазных нагрузок, с внедренным в него
прогнозным аппаратом;
2) Комбинированный алгоритм по определению оптимальных мест
размыкания линии параллельно с отключением/включением оборудования;
3) Анализ значимости применения фильтрокомпенсирующих
устройств в условиях прогрессирующей нелинейности нагрузки РС.
Степень достоверности и апробация результатов исследования.
Моделирование исследуемого участка сети произведено на основании
реальных данных, полученных в результате снятия показаний с приборов
учета, установленных на границах балансовой принадлежности и
эксплуатационной ответственности между сетевыми организациями и
сетевой организацией и гарантирующим поставщиком, в результате замеров
на трансформаторах, установленных на данном участке. Сечения и длины
питающих и распределительных линий соответствует реальной
эксплуатируемой сети и являются компонентами построенной
математической модели. Кроме этого, достоверность полученных в ходе
исследования результатов подтверждается использованием классических
законов теоретической электротехники, электрических машин,
математического анализа, эконометрики, а также корректным
использованием методов оптимизации. Адекватность результатов
определяется большим объемом экспериментальных данных и строгими
аналитическими выводами. Экономическая оценка соответствует
действующим ценам на розничном рынке ЭЭ и мощности, а также ценам на
оптовом рынке, установленные в результате торгов, на определенные
месяца. Достоверность компьютерного моделирования обеспечивается
использованием апробированных и широко применяемых в научной и
инженерной практике программного обеспечения.
Основные положения диссертационной работы были доложены на
международных и всероссийских научно-технических конференциях и
семинарах: Всероссийская научная конференция молодых ученых “Наука.
Технологии. Инновации” (г.Новосибирск: НГТУ, 2016г.); 11th International
Forum on Strategic Technology (IFOST – 2016) (г.Новосибирск: НГТУ,
2016г.); IV Международный молодежный форум «Интеллектуальные
энергосистемы» (г.Томск: ТПУ, 2016г.); Всероссийская молодежная
конференция «Современные аспекты энергоэффективности и
энергосбережения» (г.Казань: КНИТУ, 2013г.).
Личный вклад автора заключается в анализе существующего уровня
потерь и перспективе его снижения, в постановке задач и разработке
мероприятий по оптимизации режимов работы городских
распределительных сетей, обработке и обобщении данных, полученных в
ходе реализации алгоритмов и проведения расчетов, обобщении
установленных закономерностей, формулировании выводов
диссертационной работы, написании статей и докладов. В каждой статье
или работе, опубликованной в соавторстве, личный вклад составляет не
менее 60%.
Публикации. По результатам выполненных исследований, связанных
с темой диссертационной работы, опубликовано 8 научных работ, в том
числе 4 статьи в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень
изданий, рекомендованных ВАК РФ, одна из которых входит в перечень
реферативной базы SCOPUS, 1 статья в зарубежном научном издании, 3
публикации в материалах всероссийских и международных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
списка сокращений и терминов, введения, четырех глав, списка литературы
из 105 наименования и 9 приложений. Общий объем работы составляет 229
страниц, из них 165 страниц основного текста, включая 40 таблиц, 94
рисунка.
ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ