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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Національна гірнича академія України

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси і системи

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук

НАУКОВІ ОСНОВИ ОЦІНЮВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ І СТРУКТУРНИХ СТАНІВ ДІЮЧИХ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ПРОМИСЛОВИХ ПІДПРИЄМСТВ

СКОРОБОГАТОВА Валентина Іванівна

Дніпропетровськ - 1999

Робота виконана в Національній гірничій академії України Міносвіти України (м.Дніпропетровськ) і Запорізькому державному технічному університеті Міносвіти України

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор

ШКРАБЕЦЬ Федір Павлович,

завідувач кафедри "Електричні машини"

Національної гірничої академії України

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Праховник Артур Веніамінович, директор Інституту енергозбереження і енергоменеджменту Національного технічного університету України "КПІ";

-доктор технічних наук Разумний Юрій Тимофійович, начальник технічного відділу Державного відкритого акціонерного товариства "Дніпродіпрошахт";

-доктор технічних наук, професор Родькін Дмитро Йосипович, професор кафедри систем автоматичного управління та електроприводу Кременчуцького державного політехнічного інституту.

Головне підприємство - Інститут загальної енергетики НАН України (м. Дніпропетровськ), відділ прогнозування розвитку та керування фунуціонуванням електроенергетики

Захист відбудеться "__08__"_липня__1999 р. у 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 08.080.07 при Національній гірничій академії України; адреса: 322027, м. Дніпропетровськ, проспект Карла Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної гірничої академії України;

адреса: 322027, м. Дніпропетровськ, проспект Карла Маркса, 19.

Автореферат розісланий "7" червня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

канд. техн. наук, доцент Заїка В.Т.

АНОТАЦІЯ

енергетичний ресурс промисловий

Скоробогатова В.І. Наукові основи оцінювання енергетичних і структурних станів діючих систем електропостачання промислових підприємств. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - “Електротехнічні комплекси і системи” - Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 1999.

У дисертації подано теоретичне обгрунтування концепції оцінювання тривалих енергетичних станів (ЕС) діючих систем електропостачання промислових підприємств (ДСЕПП). Вона базується на врахуванні конструктивно-експлуатаційних особливостей елементів ДСЕПП, стійких функціональних зв'язків між параметрами фактичних ЕС ДСЕПП і структурної надмірності ДСЕПП. Показано, що оцінювання втрат електроенергії (ВЕ) в ДСЕПП із структурною надмірністю вимагає оцінювання працездатності структурних станів ДСЕПП й запропоновано ефективний метод його здійснення. Встановлено, що неприпустимо оцінювати ефективність топології мережі та структури ДСЕПП за ВЕ та надійністю методами функціонального аналізу і доцільно це робити методами імітаційного моделювання раціональної мережі.

Ключові слова: діюча система електропостачання, оцінювання, енергетичний стан, структурний стан, втрати електроенергії.

АННОТАЦИЯ

Скоробогатова В.И. Научные основы оценивания энергетических и структурных состояний действующих систем электроснабжения промышленных предприятий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 1999.

В диссертации представлено теоретическое обоснование концепции оценивания продолжительных энергетических состояний (ЭС) действующих систем электроснабжения промышленных предприятий (ДСЭПП) по длительному нагреву элементов и потерям электроэнергии (ПЭ) в их сетях. Она основана на учете конструктивно-эксплуатационных особенностей элементов, устойчивых функциональных связей между исходными параметрами оцениваемых ЭС и структурной избыточности системы. Обоснована недопустимость применения для оценивания ЭС ДСЭПП принципов, используемых при синтезе систем электроснабжения.

Разработаны принципы, методология и алгоритмы оценивания фактических и прогнозируемых ЭС ДСЭПП, позволяющие осуществить практическое применение сформированной концепции. В их основу положены следующие теоретически обоснованные утверждения:

- параметрами ЭС ДСЭПП по наибольшему длительному нагреву ее элементов на интервале времени (0,Т) являются интегрированные показатели электрических нагрузок, вычисленные для каждого элемента ДСЭПП по принципу максимума среднеквадратического значения тока на интервалах времени продолжительностью от трех до шести постоянных времени нагрева элемента, при скольжении интервалов по всей оси времени (0,Т) исходных параметров ЭС;

- параметрами энергетического состояния ДСЭПП по ПЭ в ее сети на интервале времени (0,T) являются интегрированные на этом интервале показатели электрических нагрузок, вычисленные для каждого узла ДСЭПП по принципу среднеквадратического значения тока, и вероятности работоспособности структурных состояний ДСЭПП, обусловливающих эти нагрузки;

- формированию целевого регулирующего воздействия на ЭС ДСЭПП (в том числе и с целью энергосбережения в ее сети) способствует выявление и использование функционально-статистических связей между исходными и (или) зависимыми параметрами этого ЭС.

Разработан и теоретически обоснован универсальный метод оценивания структурных состояний систем электроснабжения со структурной избыточностью, основанный на принципе разложения системы на логически эквивалентную совокупность структур без резервных связей и позволяющий корректно оценить продолжительность пребывания систем в энергетических состояниях с повышенными, нормальными и сниженными в них ПЭ, а также с полными и частичными ущербами производственным процессам потребителей. Предложены принципы формирования базы данных для корректного оценивания структурных состояний ДСЭПП, основанные на применении методов математической статистики малых выборок и учете конструктивных особенностей оборудования ДСЭПП, его износа и ремонтных циклов.

Разработан и обоснован новый подход к решению топологической задачи электрической сети при синтезе системы электроснабжения, основанный на применении имитационного моделирования рациональной электрической сети (при обусловленности структуры сети, ее конструктивных параметров и критериальной функции), что позволяет: значимо повысить качество решения топологической задачи (за счет учета изменения технических параметров сети при варьировании ее топологии и большего числа влияющих факторов), обосновать недопустимость применения для ее решения методов функционального анализа и совместно с моделями дискретного программирования оценить эффективность существующих структуры и топологии сети ДСЭПП по ПЭ и надежности.

Полученные результаты не имеют значимых ограничений на применение в промышленности и проектировании по отраслевому признаку. Они нашли применение при реконструкции ДСЭПП и разработке систем энергоменеджмента на промышленных предприятиях с целью энергосбережения в системах электроснабжения, подтвердив свою достоверность и действенность.

Ключевые слова: действующая система электроснабжения, оценивание, энергетическое состояние, структурное состояние, потери электроэнергии.

ANNOТATION

Skorobogatova V.I. Scientific fundamentals for evaluation of energetic and structural conditions of functioning systems up power supply of industrial enterprises . - Manuscript.

Dissertation for the degree up doctor of technical sciences on speciality 05.09.03 Electrotechnical complexes and systems. National mining academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1999.

In this dissertation scientific substation of the concept for evaluation of prolonged energetic conditions [EC] in functioning systems of power supply of industrial enterprises [FSPSIE] is presented. The concept is based on considering design-operational peculiarities of FSPSIE, stable statistical relationships among EC, FSPSIE and structural excess up FSPSIE. It is proved that evaluation of power losses [PL] in FSPSIE with structural excess requires to estimate operational reliability of structural conditions of FSPSIE. Effective technique of its realization is proposed. It was found that it is impossible to evaluate the efficiency of net-works topology and the structure of FSPSIE according to PL and reliability with the methods of functional analyses but it is reasonable to realize it with the methods of imitative simulation of a net-work.

Key words: functioning power supply system, evaluation, energetic condition, structural condition, power losses.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема раціонального використання енергетичних ресурсів набуває державного значення для України, яка знаходиться у складній ситуації щодо енергетики й економіки в цілому. Про це свідчить Закон України “Про енергозбереження”, прийнятий Верховною Радою України в липні 1994 року. У планах по реалізації політики енергозбереження пріоритет віддається організаційним і швидко реалізованим технічним заходам підвищення рівня експлуатації енергогосподарств споживачів енергоресурсів, а також розробленню науково обгрунтованих норм витрати енергоресурсів у виробничій діяльності споживачів і здійсненню якісного обліку фактичних витрат усіх видів енергоресурсів.

Оцінюючи ефективність споживання енергоресурсів промисловими підприємствами України, вітчизняні і закордонні експерти прийшли до висновку, що багато хто з них витрачає енергоресурсів на виробничі потреби не більш як 50%, а останнє втрачається. Основною енергією, що використовується підприємствами під час здійснення виробничої діяльності, є електрична енергія, яку вони споживають в обсязі 60% від виробленої в країні. Електроенергія з надлишком утрачається не тільки у виробничому процесі, але і при транспортуванні системою електропостачання підприємства.

Показниками, що характеризують функціональну ефективність діючої системи електропостачання промислового підприємства (далі діючої системи промислового електропостачання, ДСПЕП), справедливо визнають технологічну витрату електроенергії і рівень надійності при транспортуванні електроенергії. Для стислості перший показник замінений у даній роботі на більш звичний термін “втрати електроенергії” (ВЕ). Дослідження, виконані здобувачем у діючих системах електропостачання промислових підприємств із 1986 по 1997 роки, показали, що рівень ВЕ залежить від наявності структурного резерву ДСПЕП і його параметрів, від ефективності топології електричної мережі ДСПЕП, від наявності й особливостей технічних засобів регулювання параметрів енергетичних станів ДСПЕП та ін.

Щоб оцінити раціональний рівень ВЕ в мережі конкретної ДСПЕП (а значить і її потенціал енергозбереження), необхідно визначити такі параметри її топології, параметри структурних станів і параметри режимів роботи регулюючих пристроїв, що за сукупністю обумовлять перебування ДСПЕП у раціональних (за рівнем ВЕ) енергетичних станах. Пошук доцільних структурно-топологічних і режимно-регулювальних параметрів ДСПЕП не може обійтися без оцінювання енергетичних станів ДСПЕП за тривалим нагріванням їх устаткування. Принципи і методологічні підходи, відповідно до яких зараз здійснюється таке оцінювання, розроблялися для синтезу систем електропостачання промислових споживачів, а не для ДСПЕП. Основними в них є два такі принципи: принцип незалежності теплового впливу електроенергії на устаткування (далі елементи) систем від функціональних особливостей і конструктивно-експлуатаційних характеристик самого устаткування і принцип однозначності критеріїв оцінювання параметрів енергетичних станів систем за тривалим нагріванням їх елементів і за ВЕ в їх мережах.

Дослідження, що проведені здобувачем у ДСПЕП, підтверджують, що неможливо в загальному випадку досягти діючих результатів оцінювання їх енергетичних станів, базуючись на принципах, які використовуються при оцінюванні енергетичних станів синтезованих систем електропостачання. Ці принципи в якомусь ступені орієнтовані на забезпечення надійності транспортування електроенергії системою електропостачання, але не сприяють енергозбереженню. Підвищення надійності ДСПЕП і зниження ВЕ в їх мережах залежить від успішного рішення комплексу питань, серед яких важливе місце займає розробка таких принципів і методологічної основи оцінювання фактичних і прогнозованих енергетичних станів ДСПЕП, що забезпечать результатам оцінювання прийнятну достовірність і будуть сприяти підвищенню ефективності цих систем, що вирішує актуальну науково-технічну проблему надійності та енергозбереження в системах електропостачання.

Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до міжвузівської науково-технічної програми “Розробка методів і засобів економії електроенергії в електросистемах”, затвердженої наказом Мінвуза СРСР N101 від 09.02.87 (завдання 02.28, 02.29); відповідно до республіканської цільової комплексної програми “Енергокомплекс”, затвердженої постановою Ради міністрів УРСР N310 від 07.12.89 (завдання 03.07); відповідно до науково-технічної програми “Надійність”, затвердженої постановами ГКНТ і АН СРСР від 07.05.87; відповідно до проекту Всесоюзної міжвузівської цільової комплексної програми робіт з вирішення проблеми “Розвиток наукових основ економії електроенергії” на 1991-2000 р. (етапи 02.12, 05.01, 05.02); відповідно до закону України “Про енергозбереження”, прийнятого Верховною Радою України 01.07.94.

Мета дослідження. Розробити принципи і методологічну основу коректного оцінювання фактичних і прогнозованих енергетичних станів ДСПЕП, що сприяють підвищенню ефективності функціонування ДСПЕП, у тому числі енергозбереженню в їх мережах.

Для досягнення мети дослідження в дисертаційній роботі необхідно вирішити такі основні наукові задачі:

- виконати аналіз методологічних принципів, покладених в основу нормативних підходів до оцінювання енергетичних станів синтезованих систем промислового електропостачання, на доцільність їх застосування для оцінювання енергетичних станів ДСПЕП;

- виявити чинники, що впливають на розв'язувану в дисертаційній роботі наукову проблему, і сформувати концепцію оцінювання енергетичних станів ДСПЕП, що орієнтована на підвищення ефективності їх функціонування;

- розробити принципи і методологічну основу оцінювання енергетичних станів ДСПЕП за тривалим нагріванням елементів, які входять до них, і за ВЕ в їх мережах;

- розробити принципи і методологічну основу оцінювання тривалостей перебування ДСПЕП у непрацездатних (цілком або частково) і працездатних структурних станах, що обумовлюють зміну енергетичних станів ДСПЕП;

- розробити орієнтовані на енергозбереження в ДСПЕП та її надійність принципи і методологічну основу оцінювання ефективності топології і структури її електричної мережі.

Ідея роботи полягає в розробленні принципів оцінювання енергетичних станів ДСПЕП за тривалим нагріванням її елементів і за ВЕ в ній, що засновані на обліку конструктивно-експлуатаційних особливостей елементів і підвищенні рівня адекватності при математичному відображенні енергетичних станів, а також у розробленні методу оцінювання структурних станів ДСПЕП, які обумовлюють її енергетичні стани (у тому числі ВЕ), що заснований на принципі розкладання структури ДСПЕП відносно станів (за працездатністю) всіх її елементів - “містків” водночас.

Методи дослідження. У роботі використані принципи класичної теорії нагрівання однорідних тіл електричним струмом, теорія надійності електроенергетичних систем, математична логіка, методи теорії ймовірностей і математичної статистики, методи функціонального аналізу і математичного програмування, математичне моделювання. Експериментальна перевірка основних положень роботи виконана в діючих системах електропостачання промислових підприємств.

Наукові положення і результати, отримані в дисертації. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень здобувачем сформульовані такі наукові положення, що виносяться до захисту:

1. Параметрами енергетичного стану ДСПЕП за найбільшим тривалим нагріванням її елементів на інтервалі часу (0,Т) є інтегровані показники електричних навантажень, які обчислені для кожного елементу ДСПЕП за принципом максимуму середньоквадратичного значення струму на інтервалах часу тривалістю від трьох до шести постійних часу нагрівання елементу, при ковзанні інтервалів по всій осі часу (0,Т) вихідних параметрів цього стана.

2. Параметрами енергетичного стану ДСПЕП за втратами електроенергії в її мережі на інтервалі часу (0,T) є інтегровані на цьому інтервалі показники електричних навантажень, які обчислені для кожного вузла ДСПЕП за принципом середньоквадратичного значення струму, і імовірності працездатності структурних станів ДСПЕП, що обумовлюють ці навантаження.

3. Формуванню цільового регулюючого впливу на енергетичний стан ДСПЕП (у тому числі і з метою енергозбереження в її мережі) сприяє виявлення і використання функціонально-статистичних зв'язків між вихідними і (або) залежними параметрами цього стану.

4. Розклад структури ДСПЕП відносно станів за працездатністю одночасно всіх її елементів - “містків” дозволяє коректно й ефективно оцінити за імовірністю працездатність і непрацездатність ДСПЕП у цілому (якою складною вона б не була).

5. Коректність оцінювання ефективності топології і структури електричної мережі ДСПЕП за енергозбереженням і надійністю не забезпечується методами класичної теорії математичної оптимізації і досягається при імітаційному детермінованому моделюванні раціональної електричної мережі ДСПЕП.

Наукові результати і ступінь новизни їх полягають у наступному:

- вперше розроблена та теоретично обгрунтована концепція оцінювання енергетичних станів ДСПЕП за тривалим нагріванням їх елементів і втратам електроенергії в їх мережах, яка заснована на врахуванні конструктивно-експлуатаційних особливостей елементів та структурних станів ДСПЕП (що обумовлюють енергетичні стани), а також на підвищенні рівня адекватності при математичному відображенні енергетичних станів, що сприяє підвищенню надійності ДСПЕП і зниженню ВЕ в них; обгрунтована неприпустимість застосування для оцінювання енергетичних станів ДСПЕП принципів, які використовуються при синтезі систем електропостачання;

- вперше розроблені принципи, методологія й алгоритми оцінювання фактичних і прогнозованих енергетичних станів ДСПЕП за найбільшим тривалим нагріванням їх елементів і за ВЕ в їх мережах, що враховують конструктивно-експлуатаційні особливості елементів ДСПЕП, функціональний зв'язок вихідних параметрів режимів електропередачі і структурну надмірність ДСПЕП, що підвищує достовірність результатів оцінювання й тому сприяє підвищенню ефективності ДСПЕП;

- вперше розроблений універсальний метод оцінювання структурних станів систем електропостачання із структурною надмірністю, що заснований на принципі розкладання системи на логічно еквівалентну сукупність структур без резервних зв'язків і який дозволяє коректно оцінити тривалість перебування систем в енергетичних станах з підвищеними, нормальними і зниженими в них ВЕ, а також з повними і частковими збитками виробничим процесам споживачів;

- вперше запропоновані принципи формування бази даних для коректного оцінювання структурних станів ДСПЕП, які засновані на застосуванні методів математичної статистики малих вибірок і врахуванні конструктивних особливостей устаткування ДСПЕП, його зносу та ремонтних циклів;

- розроблений та обгрунтований новий підхід до вирішення топологічної задачі електричної мережі при синтезі системи електропостачання, якій заснований на застосуванні імітаційного детермінованого моделювання раціональної електричної мережі (при обумовленості структури мережі, її конструктивних параметрів і критеріальної функції), що дозволяє: істотньо підвищити якість вирішення топологічної задачі (за рахунок врахування зміни технічних параметрів мережі при варіюванні її топології та більшої кількості факторів); обгрунтувати неприпустимість застосування для її вирішення методів функціонального аналізу й вкупі з моделями дискретного програмування оцінити ефективність існуючих структури та топології мережі ДСПЕП за ВЕ й надійністю.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, результатів, висновків і рекомендацій забезпечується суворим дотриманням основних принципів і положень, що випливають з фундаментальних законів природничих наук і основ теорії електричних кіл; підвищенням рівня адекватності при математичному відображенні енергетичних станів ДСПЕП за рахунок врахування конструктивно-експлуатаційних особливостей елементів ДСПЕП, фактичних функціональних зв'язків вихідних параметрів енергетичних станів і тривалості працездатності структурних станів ДСПЕП, що обумовлюють її енергетичні стани; обов'язковим аналізом на статистичну усталеність і значимість основних вихідних параметрів енергетичних станів ДСПЕП; достатнім обсягом і результатами експериментальних досліджень; результатами промислового використання; включенням розробленої методології оцінювання енергетичних станів ДСПЕП до Державного стандарту за розділом “Енергозбереження”.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробленні методів і алгоритмів коректного оцінювання енергетичних і структурних станів ДСПЕП, що дозволяє обгрунтувати і здійснити такі організаційно-технічні заходи:

- стандартизувати оцінювання фактичних і прогнозованих енергетичних станів ДСПЕП з метою підвищення ефективності останніх;

- розробити рекомендації за режимом роботи існуючих засобів штучної компенсації реактивної потужності в мережах конкретних ДСПЕП з метою енергозбереження і (або) забезпечення якості електроенергії в них;

- упорядкувати процедури проведення енергоаудіту в ДСПЕП і формування систем енергоменеджменту на промислових підприємствах (у частині транспортування електроенергії системою електропостачання);

- стандартизувати технологію корегування параметрів, топології та структури електричних мереж ДСПЕП, що реконструються, із метою підвищення їх ефективності;

- розробити енергетичний паспорт конкретної ДСПЕП з вказівкою чисельних оцінок незалежних і залежних параметрів усіх її енергетичних станів і потенціалу енергозбереження в ній;

- розробити ефективні технічні засоби для автоматизації оцінювання енергетичних і структурних станів ДСПЕП;

- сформувати базу статистичних даних для оцінювання структурних станів конкретної ДСПЕП;

- упорядкувати оцінювання структурних станів ДСПЕП, що обумовлюють ВЕ в її мережі, а також повні і (або) часткові збитки виробничому процесу споживача при аварійних або планових відключеннях устаткування ДСПЕП;

- розробити рекомендації, які спрямовані на удосконалення процесу проектування систем промислового електропостачання.

Реалізація результатів досліджень. Наукові положення, висновки та рекомендації використані:

- енергослужбою Запорізького металургійного комбінату “Запоріжсталь” положення, методологія й алгоритми з оцінювання енергетичних і структурних станів ДСПЕП стосовно до розподільних електричних мереж 6-10 кВ і живлячих мереж 150 кВ комбінату; на основі результатів оцінювання розроблені рекомендації з підвищення ефективності режимів роботи силових трансформаторів і засобів штучної компенсації реактивної потужності ГПП М1, М2, М13, рекомендації з підвищення надійності систем електропостачання технологічних виробництв із переліченими ГПП, розроблені енергетичні паспорти систем електропостачання трьох виробничих площадок комбінату ( г/д N 5320, г/д N 5332);

- ВНДПІ “Важпромелектропроект” (м. Москва) положення, методологія й алгоритми з оцінювання енергетичних станів ДСПЕП стосовно до систем внутрішньозаводського і зовнішнього електропостачання Запорізького алюмінієвого комбінату (ЗАлК); положення, методологія й алгоритми з оцінювання ефективності структури і топології електричної мережі 10 кВ комбінату; результати оцінювання стали основою для вихідних даних і рекомендацій на розробку проектної документації з реконструювання діючої системи електропостачання комбінату (г/д N 139Д(92));

- енергослужбою ЗАлКа положення, методологія й алгоритми з оцінювання прогнозованих енергетичних станів ДСПЕП стосовно до розподільної електричної мережі 10 кВ системи електропостачання комбінату з метою енергозбереження в ній (г/д N139Д(92));

- ДПІ “Укрдіпромез” (Запорізька філія) рекомендації з організації і здійснення передпроектних досліджень у ДСПЕП із метою підвищення якості проектних рішень при реконструюванні ДСПЕП; рекомендації стали основою СТП 247845-97 “Методичні вказівки до організації і проведення передпроектних досліджень у діючих системах електропостачання підприємств чорної металургії”;

- електротехнічним відділом інституту “Запоріжцівільпроект” положення і рекомендації з розв'язання топологічної задачі електричної мережі (при розміщенні вузлових розподільчих підстанцій системи електропостачання міста); положення лягли в основу програмного модуля RUNA системи автоматизованого проектування електропостачання й електроустаткування об'єктів цивільного будівництва (г/д N 5336);

- Запорізським державним технічним університетом (ЗДТУ) положення і рекомендації з оцінювання енергетичних і структурних станів ДСПЕП і формування раціональної (з ВЕ і надійності) топології електричної мережі під час виконання держбюджетної НДР N ДБ05314 “Розробка наукових основ техніко-економічної оцінки резервів з енергозбереження в електричних мережах потужних промислових споживачів” (Номер держреєстрації 0194U046162);

- Технічним комітетом зі стандартизації N48 (“Енергозбереження”) при Інституті загальної енергетики НАН України положення і рекомендації з оцінювання фактичних енергетичних станів ДСПЕП; на їх основі розроблений Державний стандарт-Р України “Енергозбереження. Методика оцінювання енергетичних станів діючих систем електропостачання промислових підприємств для їх паспортизації”;

- ЗДТУ положення, висновки і рекомендації з оцінювання енергетичних і структурних станів ДСПЕП і підвищення ефективності їх функціонування під час читання курсів лекцій і проведення лабораторних і практичних занять з дисциплін “Електропостачання промислових підприємств і електрозбереження” і “Математичні задачі електроенергетики” для студентів, що навчаються за фахом 07.09.06. 03, а також у курсовому і дипломному проектуванні.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні матеріали і результати дисертаційної роботи доповідалися й одержали схвалення на Всесоюзній науково-технічній конференції “Розробка методів і засобів економії електроенергії в електричних системах і системах електропостачання промисловості і транспорту” (Дніпропетровськ, 1990 р.); Всесоюзній науково-технічній конференції “Проблеми енергозбереження” (Київ, 1991 р.); науково-технічному семінарі секції “Промислова енергетика” при ЦРДЗ “Умови приєднання споживачів до мережі енергосистеми” (Москва, 1992 р.); Федеративній конференції споживачів електроенергії “Проблеми і задачі споживачів електроенергії” (Санкт-Петербург, 1992 р.); III Міжнародній науковій конференції “Ефективність і якість електропостачання промислових підприємств” (Маріуполь, 1994 р.); науково-технічній конференції “Керування ефективністю енерговикористання” (Одеса, 1995 р.); науково-технічній конференції “Проблеми енергозбереження в законодавстві і стандартах” (Алушта, 1996 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Ефективність систем електроенергетики” (Київ, 1996 р.); засіданнях Міжнародного технічного комітету “Енергозбереження” (Київ, 1993-1996 рр.); науково-виробничих семінарах кафедри електропостачання промислових підприємств і електрозбереження ЗДТУ за участю служб ВЕО “Дніпроенерго” і енергослужб промислових підприємств Придніпровського регіону (Запоріжжя, 1990-1994 рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 40 наукових праць, у тому числі брошура (рекомендована координаційно-проблемною радою при правлінні товариства “Знання” України по секції енергетики й електрифікації), препринт (в Інституті загальної енергетики НАН України) і Державний Стандарт-Р України за розділом “Енергозбереження”.

Дисертаційну роботу складають вступ, шість глав і висновки, що викладені на 302 сторінках машинописного тексту і що містять 8 рисунків і 56 таблиць, а також перелік використаних джерел із 167 найменувань, викладений на 18 сторінках, три додатки, викладені на 67 сторінках. Повний об'єм дисертації складає 388 сторінок машинописного тексту.

Автор виражає глибоку вдячність професору Шкрабцу Ф.П. за наукові консультації і методичну допомогу під час роботи над дисертацією, а також дякує співробітникам кафедри електропостачання промислових підприємств ЗДТУ за допомогу в проведенні досліджень і впровадженні результатів роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

АНАЛІЗ СТАНУ ПРОБЛЕМИ ОЦІНЮВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ І СТРУКТУРНИХ СТАНІВ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМ. ЗАДАЧІ, ЯКІ ВИРІШУЮТЬСЯ У ДИСЕРТАЦІЙНІЙ РОБОТІ

У преамбулі до розділу викладене обгрунтування напрямку дослідження (оцінювання усталених режимів як найбільш імовірних енергетичних станів ДСПЕП) і перелічені імена радянських і закордонних вчених, що зробили великий внесок у рішення задач, пов'язаних з досліджуваною проблемою. У розділі поданий аналіз методологічних підходів, застосовуваних у сьогоденні під час оцінювання енергетичних і структурних станів електричної частини енергосистем і систем електропостачання. Аналіз виконаний з погляду доцільності їх застосування для ДСПЕП.

Системи електропостачання промпідприємств мають меншу в порівнянні з енергосистемами розгалуженість, що обумовлює, здавалося б, кращу збіжність ітераційних процесів рішення систем рівнянь, що описують їх енергетичні стани (ЕС). Але перенесення принципів оцінювання ЕС енергосистем на ДСПЕП у загальному випадку неможливе. Пояснюється це залежністю ЕС ДСПЕП від ЕС енергосистеми, а також від режиму роботи її власних електроприймачів, що не дозволяє ідентифікувати базисний вузол, підвищуючи ступінь непевності оцінювання ЕС ДСПЕП.

Основу оцінювання ЕС енергосистем складає визначення вузлових напруг, а не електричних навантажень (за тривалим нагріванням їх устаткування). Такий підхід виправданий у силу значного перевищення струмів аварійних над струмами усталених режимів, що обумовлює резерв теплоємності устаткування і знижує значущість оцінювання електричних навантажень. У системах промислового електропостачання різниця між параметрами усталених і аварійних режимів багато менше через більш низьку напругу, значну реактивну складову навантажень, меншого структурного резерву й ін. Тому до числа оцінюваних параметрів їх ЕС входять електричні навантаження.

Застосовувані в даний час методи оцінювання електричних навантажень у системах промислового електропостачання орієнтовані на синтез систем. Нормативного документу, що упорядковує оцінювання електричних навантажень у ДСПЕП, дотепер немає. У “Правилах технічної експлуатації електричних станцій і мереж” нормується тільки періодичність оцінювання навантажень у діючих електричних мережах без вказівок того, що варто розуміти під оцінками навантажень і як їх визначати.

У методах оцінювання електричних навантажень у системах електропостачання використовується максимум середніх півгодинних навантажень, що трактується як “ максимум, що гріє”. У “Правилах улаштування електроустановок” ця оцінка законодавчо закріплена для всіх провідників. Але тепловий вплив електричного навантаження однієї і тієї ж величини на провідники різних типів і з різними умовами навколишнього середовища не може бути однаковим. Так, для обмоток високої напруги трансформатора ТРДН-63000-150/6,3 технічно адекватним інтервалом усереднення навантаження є інтервал у 70 хвилин, а в цілому для трансформатора - більш восьми годин.

При синтезі енергосистем і систем електропостачання дотепер миряться з високою методичною похибкою оцінок ВЕ в їх мережах, не включаючи ВЕ в число визначальних чинників, що впливають на вибір проектних рішень. У діючих електроенергетичних системах параметри мереж відомі, а вихідні параметри ЕС можуть вимірюватися, що дозволяє точніше оцінити мережні ВЕ. Підвищення точності оцінок ВЕ особливо необхідне, якщо на їх основі планується регулювання ЕС систем із метою електрозбереження.

Методи оцінювання ВЕ в мережах ДСПЕП практично не відрізняються від методів оцінювання ВЕ в мережах енергосистем і не сприяють одержанню їх задовільних оцінок. Так, використання для оцінювання ВЕ інтегральних параметрів навантаження за потужностями, а не за діючим струмом призводить або до заниження оцінок ВЕ (до 24%), або до їх завищення (до 17%). Пояснюється це тим, що графіки навантажень (за потужностями) і напруг у вузлах ДСПЕП у загальному випадку не рівномірні, що не дозволяє скористатися характерним для енергосистем допущенням стаціонарності вузлових напруг.

Нерівномірність графіків навантажень і напруг у вузлах ДСПЕП обумовлює необхідність обгрунтування прийнятних (для діючого оцінювання ВЕ) початкових умов: рівня дискретності графіків і меж інтегрування навантажень. При збільшенні рівня дискретності оцінок мережних ВЕ можуть занижуватися до 45%. Ототожнення інтегральних втрат потужності за добу і за найбільш завантажену зміну приводить як до заниження (до 30%), так і до завищення (до 20%) оцінок мережних ВЕ.

Оцінки ВЕ в мережах ДСПЕП є стохастичними. Це обумовлено стохастичністю вузлових графіків навантажень і напруг і стохастичністю структурних станів (СС) ДСПЕП. Заниження оцінок ВЕ за останнім чинником досягає 40%. Цей значущий чинник зовсім не враховується при оцінюванні мережних ВЕ.

Енергозбереження в ДСПЕП досягається регулюванням їх ЕС безпосередньо або посередньо через зміну застосування їх структур, топології і параметрів їх мереж. Вибір виду і величини регулюючого впливу не може обійтися без коректного оцінювання енергетичних і структурних станів ДСПЕП, у яких вона виявиться в результаті впливу. Коректне оцінювання вимагає розробки відповідних принципів і методологічної основи, що є метою даної роботи. Для досягнення поставленої мети були сформульовані і вирішені задачі досліджень, приведені в загальній характеристиці роботи.

ФОРМУВАННЯ КОНЦЕПЦІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ

І СТРУКТУРНИХ СТАНІВ ДІЮЧИХ СИСТЕМ ПРОМИСЛОВОГО ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ, ОРІЄНТОВАНОЇ НА ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ІХ ФУНКЦІОНУВАННЯ

У розділі на основі семантичного аналізу сформованих нормативних понять, що є базою для вирішуваної наукової проблеми, сформульовані дев'ять методологічних принципів, які покладені в основу існуючих методів оцінювання енергетичних станів синтезованих систем електропостачання, а також концепція комплексного оцінювання енергетичних і структурних станів ДСПЕП, що сприяє підвищенню надійності ДСПЕП і зниженню в них ВЕ.

Оцінка змінного електричного навантаження елемента ДСПЕП повинна бути інтегрованою величиною, не повинна залежати від початкового значення навантаження і повинна забезпечувати адекватність за тепловим впливом на елемент відображуваного ним (постійним) і реальним (змінним) навантаженням. Нагрів залежить від ряду технічних чинників, серед яких основними є конструктивно-функціональні особливості елемента, умови навколишнього середовища, початкові умови теплового стану елемента, характер діючого на нього навантаження. Характерне для будь-якої ДСПЕП різноманітність перших двох чинників обумовлює необхідність прив'язування процедури оцінювання навантажень ДСПЕП та особливостей кожного її елемента. У іншому випадку можливо як завищення, так і заниження оцінок. У існуючих методах оцінювання навантажень ця обставина ігнорується, що підтверджується покладеними в їх основу принципами спільності постійних часу нагрівання і меж інтегрування очікуваного або діючого навантаження для всіх елементів будь-якої системи електропостачання і будь-яких умов навколишнього середовища.

Експериментально встановлено, що в ДСПЕП мають місце і позитивні, і негативні парні кореляційні зв'язки між параметрами навантажень за потужностями і між ними та параметрами напруг. У зв'язку з цим не можна в загальному випадку при оцінюванні найбільших навантажень ДСПЕП орієнтуватися тільки на навантаження за активною потужністю, апріорі вважаючи, що графіки навантажень за активною і реактивною потужностями тотожні за монотонністю, а напруги постійні або обернено залежні від навантажень. В основі існуючих методів оцінювання навантажень лежать принципи, що суперечать цьому факту, а саме: принцип збігу за монотонністю графіків навантажень за потужностями, принцип незалежності напруги від навантажень споживача і від ЕС енергосистеми та принцип обмеження параметричної області навантажень межами найбільш завантаженої (за активною потужністю) зміни.

При оцінюванні втрат потужності в мережах синтезованих систем електропостачання користуються або оцінками за потужністю складових навантажень з нагрівання, або оцінками складових за потужністю середньоквадратичних навантажень, обчисленими за найбільш завантажену зміну. Використання таких оцінок для обчислення добових втрат потужності в мережах ДСПЕП призводить до великої методичної похибки через відмінності в змінних графіках навантажень (за потужностями) і напруг та нерівномірності самих графіків. Коректне оцінювання втрат потужності в мережах ДСПЕП вимагає введення орієнтованої на це оцінки навантаження, що цілком враховує динаміку її дії і корельованість параметрів напруги і складових за потужністю навантаження.

Резервування устаткування системи електропостачання обумовлює структурну надмірність, підвищуючи надійність електропостачання споживача. Але кожному СС системи відповідає визначене ЕС зі своїми параметрами, а виходить, ще зі своїми навантаженнями за нагріванням елементів і втратами потужності в мережі. У одних СС втрати потужності знаходяться в межах деякої технічної норми, в інших - нижче або вище її. Перехід системи з одного СС в інший стохастичний і обумовлений аварійним або запланованим відключенням устаткування, що входить до системи. Оцінюючи тривалості перебування системи у всіх СС і відповідні цим станам мережні втрати потужності, можна знизити методичну похибку оцінок ВЕ. Спостерігаючи за працездатністю конкретної ДСПЕП, можна сформувати характерну тільки для неї базу статистичних даних за працездатністю її устаткування. Це дозволить коректно прогнозувати і регулювати не тільки її надійність, але і ВЕ в її мережі.

Кореляційні зв'язки між параметрами фактичних ЕС ДСПЕП, що значимо проявляються, дозволяють сформувати раціональні регулюючі впливи на них для досягнення тієї або іншої мети (наприклад, зниження ВЕ в ДСПЕП). Для цього необхідно спрогнозувати очікувані ЕС ДСПЕП і параметрично їх оцінити. Методична похибка таких оцінок вище в порівнянні з оцінками параметрів фактичних ЕС, що обумовлює доцільність введення додаткових оцінок параметрів ЕС ДСПЕП для регулювання ЕС.

Таким чином, до оцінювання ЕС ДСПЕП варто підходити з позицій багатоцільової обчислювальної процедури, у якій кожна мета досягається на основі застосування орієнтованих на неї методологічних принципів. Коректне оцінювання фактичних і прогнозованих ВЕ в мережах ДСПЕП, що є однієї з цих цілей, неможливо без врахування і коректного оцінювання СС ДСПЕП, що обумовлюють ЕС.

Тому оцінювання ЕС ДСПЕП повинне здійснюватися разом з оцінюванням їх СС.

РОЗРОБКА І АПРОБАЦІЯ ПРИНЦИПІВ І МЕТОДОЛОГІЧНОЇ ОСНОВИ ОЦІНЮВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ СТАНІВ ДІЮЧИХ СИСТЕМ ПРОМИСЛОВОГО ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ

Принципи оцінювання енергетичних станів ДСПЕП за найбільшим тривалим нагріванням устаткування розроблені на основі аналізу моделей, що відображають процес перегрівання (відносно температури навколишнього середовища) провідника під дією електричного навантаження I(t), що змінюється за законом:

. (1)

За такі моделі використані рішення класичного диференційного рівняння теплового балансу в однорідному провіднику, що перегрівається незмінним струмом I(t) протягом часу dt .

Припускаючи, що перегрів провідника в момент t_o дорівнює нулю, а постійна часу нагріву провідника (T₀) незмінна під час дії на нього навантаження, що відображається залежністю виду (1), розв'язання цього рівняння на інтервалі (t₁,t₂) являє собою таку залежність:

,(2)

де ₁ - стале значення перегріву провідника від дії навантаження I₁ (t);

R₁, R₂ - опір провідника при проходженні по ньому струмів I₁(t) і I₂(t) відповідно.

З виразу (2) випливає, що результуюче перегрівання провідника за час (t₁,t₂) залежить від початкового перегріву і відношення втрат активних потужностей, що супроводжують проходження струмів I₂(t) і I₁(t). Він може бути будь-яким відносно початкового перегріву: залишатися рівним йому, збільшуватися або зменшуватися. При множині навантажень I₂(t) найбільший перегрів провідника існуватиме на інтервалі (t₁,t₂), де втрати активної потужності будуть максимальні. При цьому тривалість кожного інтервалу повинна бути достатньою для найбільшого перегріву провідника від дії I₂ (t). Цій умові задовольняє відрізок часу в 6Т₀ , після закінчення якого навантаження I₁(t) практично припиняє свою дію на провідник.

У ДСПЕП I₂(t) в загальному випадку змінюється випадково. Тому адекватність реальних та оціночних втрат активної потужності у провіднику від їхньої дії досягається при квадратичних осереднених оцінках I₂(t). Оцінювані втрати активної потужності (P) у провіднику опором R₂, від дії дискретного навантаження I₂(t) протягом (t₁,t₂) відображаються такою моделлю:

,(3)

де I₂(t_i) - значення I₂(t) на i-ому дискретному інтервалі (t_i , t_i+1) тривалістю t_i=const , i=1,n ;

n - кількість інтервалів (t_i,t_i+1), які знаходяться в інтервалі (t₁,t₂).

Щоб не упустити (t₁,t₂), на якому Р у провіднику будуть максимальні від дії I(t) за час Т (Т багато більше тривалості (t₁,t₂)), (t₁,t₂) повинний ковзати в інтервалі (0,Т). Алгоритмічно така процедура зводиться до пошуку глобального на інтервалі (0,Т) максимуму (I_p) середньоквадратичного на всіляких інтервалах (t₁,t₂) навантаження I(t) і відображається залежністю такого вигляду:

,(4)

де j - початковий номер дискретного інтервалу t_i , який належить ковзному інтервалові (t₁,t₂) тривалістю n ti ; j=1,T/t .

Розрахункове значення, що задовольняє умові (4), є оцінкою навантаження I(t) провідника за найбільшим тривалим нагріванням. Якщо діюче на провідник навантаження подане дискретними потужностями P(t), Q(t) і модулем лінійної напруги U(t), то алгоритм оцінювання її відображається залежністю такого вигляду:

. (5)

Процедура оцінювання T₀ провідника опором R (при температурі _R) і теплоємністю С (при температурі _С) під час дії на нього навантаження I(t) відображає така залежність, яка відома з фізики:

,(6)

де , - температурні коефіцієнти опору і теплоємності провідника відповідно;

- температура нагріву провідника під час проходження по ньому навантаження I(t);

_SR - температура навколишнього середовища, при якій визначена .

З формул (2) - (6) випливає, що коректність оцінки I_р обумовлюється коректністю оцінки Т₀ , коректністю математичного відображення характеру та дії I(t) на кожному інтервалі осереднення (t₁,t₂), тривалостями інтервалів (t_i,t_i+1),(t₁,t₂) і (0,Т). Наявність функціональної залежності між Т₀ і I(t) вносить невизначеність до оцінки Т₀ (а разом з нею й в тривалість інтервалів (t₁,t₂)), що обумовлює необхідність застосування ітераційного підходу під час пошуку I_р. Зворотньоквадратичний характер цієї залежності та характерна для ДСПЕП відсутність усталених режимів на інтервалах (t₁ ,t₂) обумовлюють доцільність введення при пошуку І_р динамічного підходу до осереднення І(t) варіюванням тривалостей (t₁,t₂).

З виразу (2) видно, що для практичної реалізації динамічного підходу до осереднення I(t) треба використовуватися значеннями тривалостей (t₁,t₂), які належать ряду чисел від 3Т₀ до 6Т₀ з кроком t_i. При цьому залежності (4) і (5), які відображають алгоритм пошуку І_р , повністю зберігаються, але розширюється область значень параметру n .

Експериментально встановлене існування різних за знаком попарних кореляційних зв'язків між вихідними параметрами оцінюваного ЕС ДСПЕП P(t), Q(t), U(t) обумовлює неприпустимість розриву тріад P(t_i), Q(t_i), U(t_i) у формулі (5) і доцільність врахування граничної тривалості інтервалу (0,Т), під час якого змінюється оцінюваний стан.

Наявність кореляційних зв'язків між параметрами P(t), Q(t), U(t) фактичного ЕС ДСПЕП вносить непевність в аналогічні параметри енергетичних станів, прогнозованих на основі фактичного. Чисельні оцінки цих зв'язків дозволяють побудувати модельні рівняння регресії одних параметрів стану на інші. За допомогою рівнянь регресії з'являється можливість спрогнозувати очікувані вихідні параметри нових станів з використанням передбачуваних регулюючих впливів на фактичне та потім оцінити їх. Прийнятний для практичних цілей результат прогнозування можна одержати за допомогою лінійних регресивних залежностей, що і показано в дисертаційній роботі.

У загальному випадку осереднені на інтервалах (t₁,t₂) втрати активної потужності в провіднику не еквівалентні осередненим втратам на інтервалі (0,Т) . Тому перші не можуть застосовуватися для оцінювання ВЕ в ДСПЕП. Коректне оцінювання ВЕ вимагає граничної інтеграції навантажень в інтервалі (0,Т). Для цього у формулах (3) - (5) параметр n повинен дорівнювати відношенню тривалостей інтервалів (0,Т) і (t_i ,t_i+1) .

Похибка оцінювання ВЕ в ДСПЕП залежить від тривалостей інтервалів (t_i,t_i+1), (0,Т) і врахування характерних для ній стійких функціональних зв'язків між параметрами навантажень і напруг. Вона залежить також від достовірності оцінок опорів провідників і повноти врахування структурних станів ДСПЕП. Опори змінюються зі зміною температури нагріву провідників. А в силовому трансформаторі з РПН опір змінюється ще і зі зміною його технічних характеристик, коли змінюються параметри P(t), Q(t), U(t) енергетичного стану ДСПЕП. У роботі викладена методика формування емпіричної залежності величини опору такого трансформатора від його змінного коефіцієнту трансформації.

Звичайно ДСПЕП характеризується множиною структурних станів об'ємом m (m не дорівнює одиниці). Кожному j-му структурному стану ДСПЕП відповідає енергетичний стан з параметрами P_j (t), Q_j (t), U_j (t) . Перехід ДСПЕП з одного структурного стана в інші в загальному випадку не детермінований, що обумовлює стохастичність тривалості кожного з них. Оцінюючи імовірність (q_j) працездатності кожного j-го структурного стану на інтервалі (0,Т), можна оцінити сумарні ВЕ під час (0,Т) з урахуванням усіх m енергетичних станів ДСПЕП. Наприклад, втрати активної електроенергії (W_a) у провіднику опором R на інтервалі (0,Т) відображає модель вигляду:

.(7)

У розділі сформульовані вимоги, що пред'являються до вихідних параметрів енергетичних станів ДСПЕП, запропоновані алгоритми їх коректування. Сформульовано принципи і викладені методологічні основи оцінювання енергетичних станів ДСПЕП за найбільшим тривалим нагріванням устаткування та ВЕ в її мережі. Подано результати їх застосування для оцінювання енергетичних станів декількох ДСПЕП з використанням розроблених здобувачем шести формалізованих обчислювальних процедур для ЕОМ.

Виконані дослідження дозволили сформулювати такі основні висновки з розділу:

1. В застосовуваних для синтезу систем електропостачання нормативних методах оцінювання навантажень за найбільшим тривалим нагріванням устаткування область визначення навантажень обумовлюється середніми півгодинними активними потужностями найбільш завантаженої (за активною потужністю) технологічної зміни. Закономірності зміни реактивної потужності і напруги не враховуються. Півгодинне осереднення навантажень приймається незмінним для всіх елементів системи, що рівносильне припущенню про відсутність відмінностей у їх конструкціях й охолодженні. Для оцінювання ВЕ в мережі системи, що має структурний резерв, використовуються оцінки навантажень за найбільшим тривалим нагріванням, відповідні одному з багатьох структурних станів системи. При цьому тривалість врахованого структурного стану передбачається детермінованою.

...