Керування режимами розподільних електричних мереж міст на основі гнучких систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

національний університет “львівська політехніка”

УДК 621.314.222.6

Говоров Пилип Парамонович

Керування режимами розподільних електричних мереж міст на основі

гнучких систем

Спеціальність 05.14.02 - електричні станції, мережі та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Електропостачання міст” Харківської державної академії міського господарства Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор ЗОРІН Владлен Володимирович, професор інституту енергозбереження та менеджменту Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ЖЕЖЕЛЕНКО Ігор Володимирович, зав.кафедри електропостачання промислових підприємств Приазовського державного технічного університету; доктор технічних наук, професор ЖУРАХІВСЬКИЙ Анатолій Валентинович, професор кафедри електричних мереж та систем Національного університету “Львівська політехніка”; доктор технічних наук, доцент ТИСЛЕНКО Віктор Васильович, зав.кафедри електротехніки та автоматики Чернігівського державного технологічного університету

Провідна установа:Донецький державний технічний університет, кафедра електричних станцій Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк. Захист відбудеться “15” 06 2001 р. о 15⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.02 при Національному університеті “Львівська політехніка”, за адресою: 79013, м. Львів, вул. С.Бандери, 12, ауд. 114 г.к.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: м. Львів, вул. С.Бандери, 12.

Автореферат розісланий “12” 05 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Коруд В.І.

Загальна характеристика роботи

Вступ. Структурна перебудова енергетики, перехід промисловості та міського господарства на сучасні умови господарювання зумовили зростання уваги до проблем енергозбереження. В значній мірі це стосується міських електричних мереж, через які пропускається в теперішній час близько 60% електричної енергії (ЕЕ) і які являють собою джерело значних втрат і непродуктивних витрат електричної енергії. Тому в цілому ефективність функціонування систем електропостачання (СЕП) міст України знаходиться сьогодні на досить низькому рівні, який не відповідає сучасному стану розвитку науки, техніки та технологій і завдає значних збитків економіці, призводить до суттєвих негативних соціальних та екологічних наслідків, пов'язаних зі зниженням рівня електрифікації побуту та міського господарства, погіршенням умов проживання населення міст. В першу чергу це стосується розподільних електричних мереж (РМ), до яких безпосередньо приєднана більшість споживачів і які мають найвагоміший вплив на хід технологічного процесу. Втрати енергії в РМ міст України складають на сьогодні 10-15%, що у 2-3 разів вище, ніж у мережах розвинених країн світу, а ефективність використання її суттєво нижча. Тому основним напрямком вирішення концепції енергозбереження у СЕП міст є підвищення ефективності роботи РМ. З огляду на велику довжину РМ міст, просторовий та часовий розподіли процесів у них, а також те, що на сьогодні керування режимами мереж здійснюється лише на рівні поточного або перспективного планування, а оперативне керування режимами мереж здійснюється в основному у вигляді ручного дискретного керування, одним з найбільш ефективних шляхів вирішення проблеми є автоматизація керування режимами РМ.

Актуальність теми. Досвід вирішення проблеми оптимального електропостачання міст відомими електротехнічними концернами (ABB, GENERAL ELECTRIC, GEUMONT SCHNEIDER, MITSUBISHI, SIEMENS, TOSHIBA, WESTINGHOUSE та інші) свідчить то те, що найбільш ефективним шляхом розв'язання її є застосування гнучких систем змінного струму (FACTS). Впровадження таких систем відомими енергокомпаніями США, Англії, Японії та інших держав світу показало їх достатньо високі техніко-економічні можливості, які дозволяють суттєво зменшити витрати ЕЕ у споживачів та її втрати в енергосистемах за рахунок комплексного автоматичного керування режимами напруги та реактивної потужності. Але структури існуючих гнучких систем базуються на використанні індуктивно-ємнісних накопичувачів, що обмежує область їх використання системами електропостачання споживачів з нелінійними навантаженнями, які мають індуктивний характер і відносно високий ступінь кореляції графіків напруги та реактивної потужності. На відміну від цього СЕП міст характеризує слабка кореляція графіків напруги та реактивної потужності, що не дає змоги використовувати існуючі гнучкі системи для розв'язання проблем міських електромереж. Велика кількість та децентралізоване розміщення об'єктів електромереж на значній території у поєднанні з імовірнісним характером зміни параметрів режиму ще в більшому ступені знижує ефективність використання таких систем у міських мережах. Тому необхідність грунтовного дослідження РМ міст, розробка структур і параметрів систем керування, адаптованих до її режимів та параметрів, є актуальною науковою проблемою, яка має суттєве господарське та соціальне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи пов'язана з основним напрямком науково-дослідних робіт кафедри “Електропостачання міст” Харківської державної академії міського господарства, який відображає більше як 25-річний досвід розробки методів та технічних засобів нормалізації режимів розподільних електричних мереж міст. Матеріали, які викладені в дисертації отримані в процесі досліджень за угодами з ВЕО “Харківенерго”, “Одесаенерго”, “Донбасенерго”, “Чернігівенерго”, “Тулаобленерго”, “Орелобленерго”, Харківським, Лисичанським, Краснодонським, Ізмаільским, Сумським та іншими підприємствами міських електричних мереж, що виконувались в рамкам плану НДР Міненерго (шифр тем ВН-08304, ВН-01148), Мінлегпрому (шифр 285.1.05.85) та Мінкомгоспу України (шифри тем ОЭ-77178, ОЭ-78179), а також у відповідності з цільовою комплексною програмою робіт з проблеми “Розвиток наукових основ економії електроенергії на 1997-2000 р.р.” - Підвищення якості енергії у системах електропостачання міст (шифр 04.15). Результати робіт знайшли відображення в звітах з НДР ГР № 32063889, 38956720, 41519321, 52643481, 7890646, 8006394, 8165124 та інших, в яких автор був керівником або відповідальним виконавцем робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методології аналізу режимів РМ міст в умовах нестаціонарності, часового та просторового розподілу процесів у них, нелінійності та неврівноваженості параметрів, спрямованої на створення основ синтезу гнучких систем керування режимами мереж, що забезпечують підвищення ефективності використання ЕЕ в умовах слабкої кореляції графіків напруги та реактивної потужності.

Для досягнення поставленої мети розв'язані наступні задачі:

- розвинуто теоретичні основи побудови структури гнучких систем, адаптованих до режимів РМ міст, які характеризуються комплексним характером процесів, а також низькою кореляцією графіків напруги та реактивної потужності;

- створено та обгрунтовано моделі елементів гнучких систем, які описують у цілісному вигляді взаємопов'язані процеси в мережах;

- опрацьовано на основі модельних та експериментальних досліджень методологічні основи моделювання режимів РМ міст, які враховують їх багаторівневу ієрархічну структуру та імовірнісний нестаціонарний характер процесів;

- опрацьовано рекомендації щодо вибору параметрів і режимів елементів гнучких систем, методів та способів регулювання напруги і компенсації реактивної потужності;

- сформульовано задачі керування режимами РМ міст, як задачі економічного регулювання, які враховують соціальні та екологічні наслідки;

- підтверджена ефективність теоретичних результатів і працездатність запропонованих технічних рішень випробуваннями в експлуатаційних умовах.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є процеси у розподільних мережах міст, які містять гнучкі системи керування режимами їх роботи.

Предмет дослідження. Предметом дослідження є умови оптимального керування режимами розподільних мереж за багатокритеріальності та багатопараметричності задачі.

Методи дослідження. Методологічною основою проведених досліджень є теорія подібності, фізичне та математичне моделювання які базуються на системному підході. Дослідження параметрів та режимів елементів гнучких систем виконано з використанням теорії подібності та застосуванням методів фізичного та математичного моделювання. Синтез гнучких систем з заданими властивостями здійснено на основі сучасної теорії багатокритеріальної оптимізації з урахуванням надійнісного, енергетичного та екологічного критеріїв. Дослідження режимів розподільних електричних мереж виконано з використанням системного підходу, кореляційної теорії з врахуванням стохастичності характеристик параметрів режиму та нестаціонарності процесів в мережах. Експериментальні дослідження виконані з використанням теорії ймовірності та математичної статистики. Вірогідність отриманих результатів забезпечена коректністю використання методів, збіжністю результатів фізичного та математичного моделювання, а також результатами їх дослідно-промислового використання.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Розвинуто й узагальнено теоретичні засади побудови структури гнучких систем керування режимами РМ міст на основі використання в них у якості активного елемента фазоперемикаємих вольтододавальних трансформаторів (ВДТ) з електронним керуванням. На відміну від інших цей підхід забезпечує розв'язане керування режимами напруги та реактивної потужності і відкриває можливість для комплексного вирішення проблеми регулювання та симетрування напруги, а також компенсації реактивної потужності в розподільних мережах.

2. Розроблено новий принцип побудови структури, схемних і математичних моделей ВДТ з електронним керуванням. На відміну від існуючих моделей вони враховують нелінійність і глибоке насичення магнітної системи та живлення ВДТ по двох обмотках, причому по первинній - від джерела напруги, а по вторинній - від джерела струму.

3. За даними теоретичних та експериментальних досліджень, здійснених на основі розроблених моделей, встановлено особливості статичних та квазістатичних режимів ВДТ, які визначають критичні фактори вибору їх параметрів, способів керування та регулювання напруги. Встановлена необхідність та запропоновано порядок врахування цих особливостей на проектному рівні.

4. Запропоновано методологічні основи синтезу ВДТ з заданими властивостями. Їх відмінність від існуючих полягає в одночасному врахуванні енергетичного, надійнісного та масогабаритного критеріїв.

5. Розвинуто методологію дослідження процесів у мережах з нелінійними елементами. Вперше запропоновано і розроблено методологічні принципи застосування методу степеневих рядів для розрахунку параметрів режиму розподільних мереж, які містять ВДТ з електронною системою керування, що забезпечило достатню точність та малий час розрахунку.

6. Розроблено принципи побудови та структури імовірнісних математичних моделей для дослідження режимів розподільних електричних мереж міст, які на відміну від відомих враховують багаторівневу ієрархічну структуру мереж та нестаціонарний характер процесів в них.

7. Сформульовано та обгрунтовано методи та критерії комплексної оцінки ефективності функціонування розподільних електричних мереж міст, які порівняно з відомими враховують критерії соціальної та екологічної адекватності.

Практичне значення одержаних результатів

1. Отримані в дисертаційній роботі теоретичні результати та практичні рекомендації щодо принципів побудови гнучких систем дозволили створити машинні моделі для дослідження режимів електричних мереж. На основі цих моделей створено комплекс машинних макетів, що використовуються в навчально-дослідницькому процесі.

2. Результати дослідження статичних та квазістатичних режимів у мережах, які містять ВДТ, використовуються в практиці проектування СКБ заводу “Електромашина” (м. Харків), а також інститутів “Укрважпром-електропроект”, “Укренергомережпроект”, “УкркомунНДІпроект” (м. Харків) та “Одесцивільпроект” (м. Одеса).

3. Методика багатокритеріальної оптимізації режимів роботи розподільних мереж міст використана при розробці програми комплексної оптимізації режимів мереж ДАЕК “Харківобленерго”.

4. Методика імовірнісного моделювання режимів напруги в міських електричних мережах використана при налагоджуванні регуляторів напруги трансформаторів з РПН, встановлених на підстанціях ДАЕК “Харківобленерго”.

5. Технічні рішення, отримані за результатами досліджень і захищені патентами та авторськими свідоцтвами використані при розробці та виготовленні серії ВДТ з електронним керуванням для Міненерго та Мінжилкомгоспу України.

6. Машинні моделі та методику розрахунку параметрів і режимів ВДТ з електронним керуванням використано в процесі розробки серії вольтододавальних трансформаторів 40-160 кВА для ВЕО “Харківенерго”.

7. Результати дослідження процесів у розподільних електричних мережах з ВДТ, методика та програма розрахунку енергетичних характеристик ВДТ використовувалися при розробці методів та способів неспотворюючого широкодіапазонного регулювання напруги для асоціації “Союзсвітло”, яка об'єднує підприємства міських електричних мереж зовнішнього освітлення країн СНД.

Особистий внесок здобувача. У роботах, опублікованих у співавторстві автору належать: [18, 22, 29, 60] - постановка задачі досліджень, розробка алгоритму та програми досліджень, участь у дослідженнях та аналізі їх результатів; [3, 17, 25, 33] - опрацювання схемних та машинних моделей ВДТ; [1, 9, 10, 45] - теоретичне обгрунтування принципів моделювання ВДТ; [50] - теоретичне обгрунтування принципів побудови гнучких систем з ВДТ; [56] - обгрунтування застосування методу степеневих рядів для розрахунку режимів мереж з ВДТ; [59] - розробка та обгрунтування основних принципів моделювання режимів розподільних мереж; [8, 11, 16, 19, 28] - розробка критеріїв та параметрів оптимізації режимів розподільних мереж міст; [26, 27, 28, 30, 31, 39, 43, 45, 47] - розробка методів та способів керування режимами напруги у СЕП міст; [7, 23, 32] - розробка математичних моделей режимів реактивної потужності; [2, 44, 48, 49] - розробка принципів автоматизації керування режимами розподільних електричних мереж міст; [1, 9, 10, 31] - методика визначення впливу ВДТ на мережі; [52, 53] - основні положення енергозберігаючої технології передачі та розподілу електричної енергії у системах електропостачання міст.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на більш як 30-ти науково-технічних конференціях, нарадах і семінарах серед яких 12 загальносоюзних, 13 міжнародних, 5 республіканських та 3 регіональних. Зокрема це загальносоюзні та міжнародні науково-технічні конференції: “Электроснабжение, электросбережение, электрооборудование” (Москва. 1992-1999 рр.); “Повышение эффективности и качества электроснабжения промышленных предприятий” (Маріуполь, 1990-2000 рр.); “Современные технологии экономического и безопасного использования электроэнергии” (Дніпропетровськ, 1990-2000 рр.); “Повышение эффективности и качества трансформаторостроения” (Запоріжжя, 1990-1996 рр.); “Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці” (Львів, 1992-1999 рр.); “Управление эффективностью энергоиспользования” (Одеса, 1995 р.); “Организация энергоремонта в современных условиях” (Москва, 1993 р.); “Современные проблемы нетрадиционной энергетики” (Санкт-Петербург, 1994 р.); “Повышение надежности и маневренности оборудования тепловых и атомных электростанций” (Санкт-Петербург, 1994 р.); регіональні науково-технічні конференції: “Проблемы и перспективы энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве” (Харків, 1995 р.); “Технологии, методы и средства энергосбережения” (Норильськ, 1996 р.); “Энергосистемы - основа энергосбережения” (Москва, 1991 р.); “Устройства контроля и управления в энергетике” (Харків, 1992-2000 рр.); “Состояние и перспективы электромашиностроения на Украине (Харків, 1996 р.); “Кибернетика электрических систем” (Новоросійськ, 1995-1998 рр.); “Условия присоединения потребителей к сети энергосистем” (Москва, 1993 р.), а також семінарах та конференціях КПІ, ХПІ, УЗПІ, ХДАМГ з 1975 до 2000 р.р.

Публікації. Основний зміст роботи викладено у 163 публікаціях (з них 53 одноосібних), серед яких 1 монографія, 2 підручники для електроенергетичних спеціальностей вузів, 59 статей у фахових науково-технічних журналах, 90 доповідей на науково-технічних конференціях, 11 патентів та авторських свідоцтв.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шістьох розділів, висновків по роботі, списку використаних літературних джерел та додатків, що підтверджують впровадження результатів досліджень. Загальний обсяг дисертації складає 457 сторінок, у тому числі 105 ілюстрацій і 27 таблиць на 132 сторінках, додатки на 60 сторінках та список використаних літературних джерел з 218 найменуваннями на 20 сторінках.

розподільні мережі режими керування

основний зміст дисертації

У вступі розкрито суть і стан проблеми керування режимами розподільних електричних мереж міст та визначено шляхи її вирішення. Обгрунтовано актуальність теми, визначені мета та задачі досліджень.

У першому розділі виконано дослідження СЕП міст, як об'єкту керування та здійснено пошук шляхів підвищення ефективності їх роботи. Встановлено, що значна довжина розподільних електричних мереж у поєднанні з низькою кореляцією графіків навантажень споживачів, просторовим та часовим розподілом процесів у них в значній мірі знижують ефективність існуючої системи централізованого керування режимами мереж. Наслідками цього впливу є:

- значні втрати напруги та потужності в мережах;

- знижена навантажувальна спроможність обладнання;

- погіршена якість енергії у споживачів.

У роботі сформульовано вимоги до технічних засобів керування режимами розподільних мереж. Встановлено доцільність комплексного вирішення питань регулювання та симетрування напруги, а також компенсації реактивної потужності. Обгрунтовано необхідність незв'язаного керування режимами напруги та реактивної потужності. Показано, що найбільш пристосованим до умов і режимів розподільних мереж міст є гнучкі системи, побудовані на застосуванні в якості активного елементу вольтододавальних трансформаторів з електронним керуванням. З огляду на досвід експлуатації таких систем, виявлено коло проблем, які потребують вирішення. Вони можуть бути зведені до наступних:

- якою повинна бути схема ВДТ для конкретних умов експлуатації?

- Якою повинна бути схема керування ВДТ при його роботі сумісно з розподільними мережами міст?

- За якими критеріями необхідно здійснювати керування ВДТ у складі розподільних мереж міст?

- Як достовірно оцінити взаємний вплив ВДТ та розподільної мережі?

- Якою повинна бути структура гнучкої системи з ВДТ у разі використання її в умовах просторового та часового розподілу процесів, що характеризують режими розподільних мереж міст?

Показано, що для досягнення умов надійної та ефективної роботи ВДТ у складі розподільних електричних мереж міст необхідним є її ретельне вивчення в умовах взаємного впливу. Опрацювання методологічних основ аналізу таких мереж та синтезу на їх основі структур та параметрів гнучких систем покладено в основу наукових досліджень дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячено моделюванню параметрів і режимів ВДТ. Застосування останніх в якості активних елементів гнучких систем для розв'язання проблем експлуатації розподільних мереж міст породжує багато питань, пов'язаних з невизначеністю методологічних основ моделювання параметрів ВДТ та їх режимів у складі РМ. Схемні та математичні моделі ВДТ і методи їх дослідження в умовах глибокої насиченості та подвійної нелінійності (магнітної системи та електронних елементів) до цього часу не мають однозначного трактування. Це породжує багато не коректних, а у ряді випадків і невірних висновків, які в свою чергу зумовлюють використання практично неспроможних технічних рішень. З урахуванням цього в роботі здійснено аналіз умов роботи ВДТ у складі розподільних електричних мереж міст та визначено принципи побудови його схемних і математичних моделей. Обгрунтовано віднесення ВДТ до трансформаторів з двостороннім живленням і виявлено необхідність розгляду РМ міст в якості джерела струму. Показано, що в цих умовах, поряд з традиційними, необхідно враховувати параметри розподільної і живильної мереж, можливість суттєвого збільшення сумарної МРС трансформатора та появу значних спотворень при певному співвідношенні параметрів. З огляду на це, для відповідних умов експлуатації запропоновано типові структури розрахункових моделей, які відрізняються ступенем врахування нелінійності магнітних та електронних елементів.

З огляду на зміну коефіцієнтів моделі під впливом просторового та часового розподілу векторів електричного та магнітного полів ВДТ в роботі опрацьовані схемні та математичні моделі, що враховують параметри живильних та розподільних мереж, схему та конструкцію ВДТ.

Конструктивне виконання ВДТ враховано шляхом виділення частини потоку розсіяння, що проходить по сталі магнітопроводу.

Врахування параметрів зовнішньої мережі здійснено шляхом уведення в модель додаткових опорів та магніторушійних сил (МРС).

На основі розглянутих основних принципів розроблені схемні моделі для реальних конструкцій ВДТ, які шляхом еквівалентних перетворень зведено до звичайних Т-подібних, параметри яких залежать від параметрів зовнішньої мережі та конструктивного виконання трансформатора.

Система диференційних рівнянь трансформатора, що забезпечує розрахунки при будь-яких формах струмів та напруг, представлена у вигляді

, (1)

де ; - вектори миттєвих значень напруг та струмів на затискачах обмоток; ; - діагональні матриці активних та індуктивних опорів ланцюгів обмоток, що включають послідовно ввімкнені опори обмоток навантаження та електронних ключів; - вектор потокозчеплень обмоток; - матриця взаємних індуктивностей обмоток ВДТ.

Моделювання процесів у мережах з ВДТ здійснено з використанням методу степеневих рядів на основі заміни часових функцій u(t), i(t) поблизу розрахункової точки l степеневим рядом, члени якого є добутком постійних коефіцієнтів на степеневі функції з цілими показниками степені від різниці t-t_l у вигляді

(2)

Для створення ВДТ з заданими властивостями за умов багатопараметричності та багатокритеріальності задачі розроблені основи синтезу, які враховують крім традиційного економічного масогабаритний, енергетичний та надійнісний критерії. В цілому задача розробки ВДТ зведена до дослідження впливу структури ВДТ N_T (трифазна або однофазна), числа обмоток n₀ та ключів n_k на техніко-економічні показники ВДТ, що визначаються його масою, габаритами, надійністю та економічністю функціонування у складі РМ. Для характеристики останніх в роботі використані лінійний розмір та маса трансформатора, значення зведених витрат З_пр, значення коефіцієнтів реактивної потужності , несинусоїдності , нульової та зворотної послідовностей, значення і швидкість зміни напруги та струму на електронних елементах. В цілому задача синтезу ВДТ зведена до визначення узагальненого критерію

, (3)

де - ваговий коефіцієнт і-ої критеріальної функції;

, , , , ; .

В роботі розроблено моделі критеріальних функцій для дослідження впливу незалежних параметрів П_ТК на значення параметрів оптимізації. Аналіз моделей дозволив встановити унімодальність та опуклість функціональних залежностей часткових показників векторного критерію (4). Це свідчить про те, що вони в своїй сукупності створюють опуклі границі допустимої області у просторі параметрів. Застосуванням методу послідовної оптимізації визначено область паретооптимальних рішень.

Третій розділ присвячений розвитку теоретичних основ регулювання напруги за допомогою фазоперемикаємих ВДТ й обгрунтуванню можливості використання їх для керування режимами напруги та реактивної потужності. Для опису енергетичних процесів у ВДТ запропоновано застосування вектора Пойнтинга. З урахуванням гармонічного характеру параметрів режиму загальний вигляд аналітичного опису миттєвої потужності ВДТ представлено у вигляді

, (4)

де - максимальні значення гармонічних складових ЕРС та струмів; - фазовий зсув n-ої гармоніки ЕРС; n - номер гармоніки.

Дослідженнями роботи ВДТ у статичних режимах встановлено комплексний характер вектора Пойнтинга та можливість керування потоками його активної і реактивної потужностей. Розроблено математичні моделі напруг та струмів на елементах РМ з трифазним фазоперемикаємим ВДТ за умови живлення його по первинній стороні від джерела напруги, а по вторинній - від джерела струму.

У розглядуваних умовах розподільна мережа представлена у вигляді трифазної системи напруг та струмів різних частот та послідовностей, для яких справедливі співвідношення

, (5)

де - матриця одиничних ортів k-ої фази р-ої послідовності; ;

. (6)

Дослідженням загальних закономірностей зміни струмів та напруги ВДТ встановлено особливості міжфазного обміну енергії в мережах з ВДТ і суттєвий вплив коефіцієнта трансформації K_T та групи з'єднання обмоток ВДТ n_Т на модуль і фазу струму, що споживається з мережі (рис. 1). Здійснено аналіз методів та способів керування режимами ВДТ. Показано, що наявність електронних елементів у колі первинної обмотки обумовлює те, що робочий процес ВДТ являє собою чергування на інтервалі півперіоду декількох режимів, склад яких залежить від способу керування ВДТ. Визначено суттєвий вплив складу режимів на рівень спотворень у мережі та ефективність роботи ВДТ. Обгрунтована необхідність урахування режимів ВДТ на інтервалі півперіоду при опрацюванні методів та способів керування. Досліджено закономірності зміни напруг та струмів на електронних елементах ВДТ, визначено необхідність вирішення задачі керування ВДТ на багатопараметричному рівні.

На основі аналізу енергетичних процесів у ВДТ запропоновано нові методи та способи регулювання напруги, які базуються на перерозподілі енергії, що споживається або віддається ВДТ у розподільну мережу на інтервалі кожного півперіоду. Встановлено доцільність застосування та розроблені принципи побудови двоканальних систем керування ВДТ (рис. 2). В якості першого (грубого) каналу запропоновано дискретне керування схемою з'єднання обмоток ВДТ, а в якості другого (точного) - канал неперервного керування параметрами електронних елементів (кутом відкриття тиристорів, струмом керування транзисторів тощо). Обгрунтовано необхідність керування режимами ВДТ по чотирьом параметрам: миттєвому значенню напруги мережі u_С, ЕРС ВДТ е_Т, напрузі на електронних елементах u_е та середньому значенню напруги навантаження _H.

У четвертому розділі розглянуто методологічні основи моделювання режимів розподільних мереж. В умовах високого рівня технічної складності СЕП міст і наявності значного числа внутрішніх та зворотних зв'язків, в якості основного методологічного принципу моделювання режимів РМ міст застосовано системний підхід. Згадані основні принципи базуються на структурному синтезі принципової схеми СЕП та моделюванні її функціонально-структурних відносин між елементами у поєднанні з застосуванням теоретично-множинного підходу. Тим самим забезпечується ієрархічна структура моделі, зв'язок функцій та параметрів елементів СЕП з режимами їх роботи.

Концептуально розрахункова модель режиму РМ виходить з того, що кожен з рівнів СЕП розглядається в якості узагальненого операнда. Компроміс між повнотою та простотою опису режимів досягнуто використанням сімейства математичних моделей, представлених у формі “вхід-вихід” у поєднанні з їх стратифікацією та агрегатуванням. У відповідності з цим, СЕП міст представлена у вигляді функціонально складної системи S, яка є відображенням абстрактної множини входів Х та виходів Y

. (7)

Кількість моделей визначається числом математичних страт, отриманих в результаті декомпозиції СЕП. При цьому кожна пара “вхід-вихід” , належить визначеній страті. Вибір моделі, що визначає ступінь математичної абстракції зв'язку між Х та Y визначається рівнем СЕП. На її нижніх рівнях - це диференційні рівняння енергетичного перетворення енергії в електроприймачах, а на верхніх - рівняння балансу. В якості вхідних параметрів на верхніх рівнях виступає паливо або ЕЕ, що подається від енергосистем. Вихідними параметрами СЕП міст є ЕЕ та її інші види, отримані в результаті енергетичного перетворення. При цьому загальне уявлення про СЕП деталізується при русі вниз по ієрархії. Опис СЕП поглиблюється при русі від однієї страти до другої. Звернення до нижньої страти дає детальну картину динаміки технологічного процесу. І навпаки, уявлення про систему в цілому дає звернення до верхньої страти.

Для скорочення інформації, що поступає зверху, застосовано принцип агрегатування. З метою усунення неявної некоректності використано теоретико-множинна інтерпретація опису, де замість невизначених елементів множин Х та Y використані значення, які характеризують параметри технологічного процесу (значення напруг, струмів та кутів зсуву між ними). Для оцінки стану схем запропоновано використання графів стану. Це дало змогу формалізувати процес моделювання структури мереж шляхом побудови таблиць автоматів, а моделювання режимів - імовірнісним моделюванням їх станів у часі.

З огляду на динамічні властивості СЕП міст, їх функціонування розглянуто як послідовність станів у часі. При цьому потоки енергії W у загальному вигляді описуються вектором

, (8)

де Р - потужність навантаження; m, f - число фаз та частота мережі; - напруга, струм та кут зсуву між ними; t - часова координата.

З метою створення умов для комплексної оптимізації застосовано ієрархічна система показників, яка на кожному з рівнів СЕП представлена багатовимірним вектором

, (9)

де - коефіцієнт потужності; - коефіцієнти несинусоїдальності, нульової та зворотної послідовностей; - відхилення та коливання напруги, відповідно.

Для порівняльної оцінки різних варіантів СЕП здійснено запис (12) у матричній формі, що дозволяє перегрупувати сукупності електричних показників відповідно до матриці витрат , вартості обладнання та втрат , збитків від зниження якості та надійності електропостачання, які створюють інформаційний базис системи

. (10)

Визначення енергетичних показників СЕП та її елементів на і-ому рівні при заданих технологічних обмеженнях здійснюється шляхом вибору з множини показників множини відповідних множинам та часу . Використання розглянутого підходу дозволяє здійснити розбиття СЕП на частини з можливістю багатошарової оптимізації її режимів.

Дослідженням режимів РМ міст на фізичних та математичних моделях встановлено, що з огляду на високий рівень технічної складності СЕП, багатовимірності просторового та часового розподілу процесів у них, основою моделювання їх режимів може бути імовірнісна модель випадкових процесів, а найбільш точною інформацією про параметри режиму - багатовимірна функція розподілу густини ймовірностей. У зв'язку з неможливістю отримання повного ансамблю реалізацій випадкового процесу, обгрунтована необхідність оцінки його ерготичних властивостей на попередніх етапах, що відіграє важливу роль з організації плану досліджень та оцінки їх результатів. Розглянутий у більшості робіт критерій стаціонарності у вигляді незмінності математичного сподівання М_i(t) та дисперсії D₀(t) центрованої функції не є достатнім за цих умов у зв'язку з тим, що змінне математичне сподівання само по собі не становить перешкод для використання теорії стаціонарних процесів. Саме тому у великій кількості робіт аналіз режимів мереж зведено до дослідження стаціонарних ерготичних процесів, чим вноситься суттєва похибка в розрахунки та спотворюються принципові поняття, які відносяться до усереднення чисельних характеристик процесу, вибору законів, критеріїв і параметрів керування мережами. Дослідженням встановлено, що на добовому інтервалі циклу навантажень РМ міст не існує єдиної густини імовірності, яка б вірогідно описувала процес протягом всього часу, тому його ймовірним описом може служити лише послідовність миттєвих густин імовірностей, що побудовані для кожної миті часу. Згадане вище свідчить про потребу розробки імовірнісних моделей, які враховують клас процесу та миттєву густину ймовірностей. З огляду на вищезгадане для більш строгої оцінки випадкового процесу запропоновано кількісну оцінку змінності його чисельних характеристик з точністю до кореляційних функцій. Крім необхідних (стаціонарність в широкому сенсі) запропоновано достатні (стаціонарність у вузькому сенсі) умови стаціонарності випадкових функцій. У першому випадку це незалежність математичного сподівання від часу та можливість представлення кореляційної функції R_X у вигляді

. (11)

У другому - це незалежність від часу п-мірної густини ймовірності р_н

, (12)

де - часові моменти; - часовий інтервал.

На відміну від існуючих уявлень випадковий процес стаціонарний у широкому сенсі, представлений стаціонарним і у вузькому. Це дає можливість запобігти розбіжностям оцінок стаціонарності процесів у розподільних мережах та методів їх розрахунку, які сьогодні мають місце у технічній літературі. Дослідження випадкових функцій параметрів режиму РМ міст, що здійснені на добовому інтервалі для різних рівнів СЕП, дозволяє стверджувати з довірчою ймовірністю, яка перевищує 0,999, про те, що функції параметрів режиму можна вважати стаціонарними лише на 5 рівні, а кусково-стаціонарними на 1-4 рівнях (рис. 3). Згадані вище якісні ознаки нестаціонарності випадкових функцій підтверджені кількісними розрахунками міри змінності її чисельних характеристик по кожному з рівнів. Для побудови повної ймовірнісної моделі процесу визначені його основні параметри (клас процесу та миттєва густина ймовірностей) шляхом апроксимації визначеним законом розподілу. Для розробки математичних моделей параметрів режиму здійснено апроксимацію кореляційних функцій випадкових процесів. Їх спектральний аналіз дозволив виявити кількість та частоту періодичних складових випадкового процесу та отримати їх апроксимуючі функції, використання яких забезпечує більш повну оцінку режимів мереж, методів і засобів їх корекції.

З метою створення умов для розрахунку параметрів режиму на проектному рівні розроблено методику та програму розрахунку, які базуються на еквівалентуванні параметрів РМ. Їх використання дозволяє перейти до еквівалентних схем заміщення, які враховують нелінійність та пофазну різницю параметрів. Розроблені моделі дають можливість описувати як структуру СЕП, так і процеси в них завдяки переходу від опису структур до опису функцій. Використання евристичних методів забезпечує одночасний перехід від функцій до параметрів. Тим самим створюються умови для синтезу схем, що забезпечують потрібний режим мереж.

П'ятий розділ присвячено оптимізації режимів розподільних мереж міст. Множина аспектів діяльності СЕП міст знайшла своє відображення у складі її цілей. Принциповою основою формування критеріїв оптимізації в роботі прийнято загальні задачі розвитку глобальної системи міського господарства. Формування критеріїв СЕП здійснено у вигляді об'єднання цілей, як необхідного результату їх діяльності. Головною метою функціонування СЕП міст визначено забезпечення умов існування людини в замкнутому просторі, яке вона утворює у складі біо- та техносфери. Тому забезпечення умов надійної та економічної експлуатації СЕП міст не є єдиною, тим більше глобальною, метою їх функціонування. В цих умовах урахування замкнутості екосфери міст зведено до застосування технічних рішень, які враховують критерії соціально-технічної та екологічної адекватності. Їм відповідає пошук оптимального рішення, як комбінації часткових рішень у вигляді

, (13)

де - вектор параметрів режиму; - і-та локальна критеріальна функція; - ваговий коефіцієнт і-ої критеріальної функції.

Застосуванням методу вагових коефіцієнтів вирішено задачу оптимізації за умов, коли екстремуми цільових функцій не співпадають. У зв'язку з відсутністю єдиного виміру, в роботі розвинуто метод вагових коефіцієнтів, що забезпечує подолання чисельної неспіврозмірності часткових критеріїв. Вказане досягнуто шляхом нормалізації та зведенням їх до безрозмірного вигляду у поєднанні із зменшенням рівня невизначеності вхідних даних, завдяки застосуванню методу експертних оцінок. З метою зведення у відповідність одиниць виміру часткових критеріїв, здійснено їх нормування по Севіджу. Для розгалужених мереж значення критеріїв “зважено” за потужністю, а зміну показників у часі враховано “зваженням” за спожитою енергією.

Критеріальна функція економічної ефективності представлена витратами на виробництво З_В, передачу і розподіл З_ПР електроенергії, які мають місце в енергосистемах, та втратами від зниження надійності З_Н і якості З_ЯК електропостачання, які мають місце у споживачів

, (14)

де - критеріальні функції економічності виробництва, передачі та розподілу ЕЕ, надійності та якості електропостачання, відповідно;

(15)

, (16)

де - номінальні значення витрат на виробництво, передачу та розподіл ЕЕ; В_П- витрати палива на електричних станціях; а, b, с - постійні коефіцієнти, значення яких залежить від розташування станцій та палива, що використовується на них; - електрична потужність генераторів; П_пр- показники ефективності передачі та розподілу ЕЕ; - відхилення напруги, коефіцієнти потужності, несинусоїдності, нульової та зворотної послідовностей.

Показники надійності та якості у своїй сукупності визначені як ступінь відповідності властивостей електричної енергії вимогам її споживачів. З огляду на те, що втрати від зниження надійності З_Н та якості З_ЯК електропостачання споживачів являють собою результат сумісної дії числа N_П та тривалості Т_п перерв електропостачання, кількості недовідпущеної енергії W_H, коефіцієнтів потужності , несиметрії (K_0U, K_2U) несинусоїдальності, K_U та відхилень напруги U_у, критеріальні функції надійності та якості представлені у вигляді

(17)

(18)

де - витрати у споживачів при номінальному значенні показників надійності та якості; - показники надійності та якості.

Чисельні значення витрат З_i від зниження показників надійності та якості представлено в інтегральному вигляді як другий початковий момент розподілу відповідних показників надійності П_нi та якості П_ЯКi у часі

. (19)

Визначення впливу окремих показників на значення критеріїв надійності та якості здійснено на основі методу експертних оцінок. У якості експертів використовувалось населення та фахівці енергосистем. Імовірнісна обробка результатів опитування дозволила з'ясувати основні характеристики процесу: математичне сподівання, варіації та вагові коефіцієнти кількості недовідпущеної енергії W_HB, тривалість перерв електропостачання N_П, відхилення напруги U_y, коефіцієнтів несинусоїдності K_U, нульової K_0U та зворотної K_2U послідовностей. З урахуванням багатомірності показників надійності та якості здійснено їх “зваження” за ступенем важливості використанням відповідних вагових коефіцієнтів .

В основу екологічного критерію покладено залежність маси М шкідливих викидів в атмосферу від кількості витраченого палива. Формалізоване врахування екологічного критерію здійснено у вигляді

, (20)

де М_со2, М_з, М_? - маса окису вуглеводів, пилу та сумісної маси двоокису сірки і азоту, відповідно.

Встановлено, що визначальний вплив на значення соціального фактору має об'єм та якість спожитої населенням електроенергії W_C, на які впливають число N_П та тривалість Т_П перерв електропостачання, тарифу на ЕЕ С_е та відхилення напруги U_y. Вони мають суттєвий вплив на рівень життя населення, механізацію та автоматизацію його ручної праці, ступеня задоволення матеріальних та духовних потреб. В якості оптимізуємих параметрів розглянуто рівень питомої ваги споживання ЕЕ населенням W_П, кількість дорожньо-транспортних пригод (ДТП) D та правопорушень у нічний час П. Дослідженнями, які здійснені сумісно з Східним фондом соціальних досліджень України на кількісному рівні, пов'язано значення оптимізуємих параметрів з критеріями та параметрами оптимізації. Статистична обробка результатів досліджень дозволила представити критеріальну функцію соціальної адекватності у вигляді

, (21)

де - часткові критеріальні функції електроспоживання, ДТП та правопорушень.

В роботі визначено паретооптимальні області функції F(z), розроблено алгоритм та програма керування режимами СЕП міст, які захищені патентами України та Росії.

Шостий розділ присвячено основам побудови гнучких систем керування режимами розподільних мереж. У зв'язку з просторовим та часовим розподілом процесів у мережах, обгрунтовано необхідність застосування багаторівневих багатоканальних ієрархічних структур. Функції вищої координації покладено на корегуючу ЕОМ (КОМ), яка входить до складу автоматизованих систем диспетчерського керування (АСДК) - підприємств електричних мереж (ПЕМ). Відповідно функції керування параметрами режиму РМ покладено на керуючу ЕОМ (КЕОМ), яка входить до складу АСДК району електричних мереж (РЕМ). У зв'язку з різницею тривалості циклів, критеріїв та параметрів керування на різних територіальних та часових рівнях запропоновано використання двоканальної системи, побудованої за ієрархічним принципом. З огляду на значний територіальний розподіл об'єктів розподільних мереж, широкий діапазон зміни об'єму та інтенсивності інформації система керування організована у: УКВ-середовищі, середовищі провідної мережі та середовищі розподільних електричних мереж. З урахуванням вищезгаданого застосовано інтегровану чотирирівневу структуру системи керування (рис.4). В якості об'єктів керування використані локальні системи (ЛСК) трьох рівнів, які встановлені безпосередньо на технологічних об'єктах і здійснюють функції стабілізації параметрів режиму на заданому рівні. ЛСК виконані у вигляді функціонально-завершених територіально-розподілених систем. В їх функції входить збір, обробка та зберігання інформації про режимні параметри РМ, а також керування ними відповідно з повідомленнями, що надходять від КОМ або РМ. Основу розроблених ЛСК складають активні елементи, побудовані на основі фазоперемикаючих ВДТ з електронним керуванням. Головною метою функціонування системи є реалізація задачі “керування”, що визначає її належність до системи S, яка представлена парою Х, Y.

. (22)

Зважаючи на цільовий функціональний характер дії системи, вона представлена відображенням

. (23)

З урахуванням внутрішнього стану системи , сформованого передісторією процесу, остання розглядається як відображення декартової множини вхідних сигналів Х та множини внутрішніх станів Z у множину вихідних сигналів Y

. (24)

У відповідності з цим, у системі виділено чотири рівні прийняття рішень, на кожному з котрих обробляється інформація, що поступає з нижнього рівня, виробляється керуюча дія на активні елементи цього рівня та координуюча - на елементи нижнього рівня.

Для реалізації задачі на кожному з виділених рівнів запропоновано підмножину наступних алгоритмічних функцій:

- контроль (збір, зберігання та обробка даних про технологічні пара- метри, їх відхилення від заданих з метою оцінки, діагностики та програмування ходу технологічного процесу, стану обладнання та експлуатаційних показників мережі);

- регулювання (збір, обробка даних, формування та видача керуючих дій з метою стабілізації окремих параметрів технологічного процесу або їх зміни за заданим законом);

передача інформації (підготовка даних та реалізація протоколів обміну між сумісними та вищого рівня системами);

- логічне керування (керування дискретними або неперервними виконавчими органами за заданою чи перебудованою програмами в залежності від стану технологічного процесу);

- відображення технологічної інформації (індикація, реєстрація, ручне введення даних).

У зв'язку з часовим розподілом процесів у системі керування виділено дві моделі: повна розрахункова модель розподільної мережі та модель прийняття рішень. Їх взаємодія організована таким чином, що відпрацювання керуючих дій виконується у два етапи, розподілених у часі. Керування режимами в темпі процесу виконується у внутрішньому контурі (канал “точно”). У зовнішньому контурі виробляються уставки активних елементів (канал “грубо”). У рамках розробленого підходу має місце просторова та часова децентралізація процесу керування за рахунок передачі частки функцій керування елементом нижнього рівня без втрати централізованого принципу. Досягається це за рахунок того, що на визначеному інтервалі зміни параметрів, регулювання виконується за місцевими параметрами. У випадку виходу параметрів режиму з заданого інтервалу, КОМ автоматично коригує закон регулювання. При цьому корекція виконується за результатами оптимізаційних розрахунків СЕП в цілому, тому має місце мінімізація загальносистемного критерію.

Застосування розглянутої системи керування забезпечує оперативне керування режимами розподільних електричних мереж, як елемента СЕП міст, за комплексним векторним критерієм. В якості змінних стану системи застосовано модулі, фази та гармонічний склад напруг і струмів кожної з фаз і-ої підсистеми, а також змінні, що характеризують стан активних елементів: їх номінальні потужності, діапазон зміни параметрів режиму та їх енергетичні показники: множини коефіцієнтів потужності, коефіцієнтів гармонік та послідовностей. В якості активних елементів гнучких систем використано розроблені у дисертації багатофункціональні пристрої на основі ВДТ, існуючі трансформатори з РПН, генератори з АРВ, синхронні двигуни, статичні тиристорні компенсатори та батареї статичних конденсаторів. На відміну від класичних систем стохастичного керування розроблену систему характеризує наявність двох груп вирішуючих елементів. Перша з них здійснює максимізацію функції якості в цілому (глобальна оптимізація), а друга - функцію оптимізації режимів мереж (локальна оптимізація).

висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове розв'язання наукової проблеми, що виявилось в опрацюванні методології, аналізу режимів розподільних мереж міст, яка має важливе значення для електроенергетики і спрямована на створення структур та параметрів гнучких систем керування режимами розподільних мереж, які забезпечують умови їх ефективного функціонування в сучасних соціальних та економічних умовах. Вона охоплює принципи побудови гнучких систем, методи вибору обладнання та оцінки ефективності їх застосування в розподільних мережах міст за умов нестаціонарності процесів та багатокритеріальності задачі. Основні результати досліджень та рекомендації щодо їх використання можна узагальнити наступними положеннями:

1. На основі аналізу світового досвіду, який підтверджує широке застосування гнучких систем в електричних мережах живлення неконвекційних та нелінійних навантажень, показано економічні переваги гнучких систем перед іншими засобами нормалізації режимів мереж. Встановлено, що використання таких систем в міських електричних мережах потребує удосконалення їх структур та параметрів, методів аналізу та оцінки експлуатаційних режимів мереж з ними.

2. Розвинуто і узагальнено теоретичні засади побудови систем керування режимами розподільних електричних мереж міст в умовах нестаціонарності, часового та просторового розподілу процесів у них, нелінійності та неврівноваженості їх параметрів. Встановлено доцільність застосування багаторівневих, багатоканальних розподільних структур, які працюють в умовах неповноти інформації.

3. Обгрунтовано необхідність застосування системного підходу при дослідженні режимів розподільних мереж міст, розроблено склад та зміст його основних положень стосовно задач керування режимами мереж, здійснено функціонально-орієнтовану декомпозицію СЕП міст, яка дає змогу суттєво зменшити рівень складності задачі та забезпечити комплексний характер її вирішення.

4. Сформульовано методологічні принципи побудови структури гнучких систем керування режимами розподільних мереж. Встановлено доцільність використання в умовах міст гнучких систем, побудованих на основі фазоперемикаємих вольтододавальних трансформаторів з електронним керуванням, які забезпечують можливість розв'язаного двоканального керування режимами напруги та реактивної потужності.

5. Досліджено енергетичні процеси в розподільних мережах з ВДТ. Встановлено особливості руху енергії в різних режимах. Запропоновано енергоощадні способи керування режимами ВДТ, які засновані на перерозподілі енергії на інтервалі півперіоду.

6. Розвинуто методологію дослідження режимів розподільних мереж з ВДТ. Обгрунтовано необхідність врахування їх взаємного впливу, показано доцільність представлення розподільних мереж в якості джерел струму, встановлено можливість глибокого насичення магнітної систем ВДТ та зниження енергетичних показників мереж за цих умов. Запропоновано принципи побудови, структури та параметри систем керування, які забезпечують умови надійної та економічної роботи ВДТ у складі розподільної мережі.

...