Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький Національний технічний університEт

УДК 621.311.001.57

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВПРОВАДЖЕННЯ

ТА КЕРУВАННЯ КОНДЕНСАТОРНИМИ УСТАНОВКАМИ

В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ ПРОМИСЛОВИХ ПІДПРИЄМСТВ

Айман Тахер Алі Хінді

Вінниця - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Демов Олександр Дмитрович, Вінницький національний технічний університет, доцент кафедри електротехнічних систем електроспоживання та енергозбереження

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Зорін Владлен Володимирович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", професор кафедри електропостачання

кандидат технічних наук, доцент Свиридов Микола Павлович, Вінницький національний технічний університет, професор кафедри електричних станцій та систем

Провідна установа: Національний університет "Львівська політехніка", кафедра електропостачання промислових підприємств, міст та сільського господарства, Міністерство освіти і науки України, м. Львів

Захист відбудеться "26" червня 2004 р. о 9.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.05 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий "20" травня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Зелінський В.Ц.

Анотації

Айман Тахер Алі Хінді. Підвищення ефективності впровадження та керування конденсаторними установками в електричних мережах промислових підприємств. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - "Електротехнічні комплекси та системи". - Вінницький національний технічний університет. - Вінниця, 2004.

Робота присвячена розробці математичних моделей і методів підвищення ефективності впровадження конденсаторних установок і керування ними в електричних мережах промислових підприємств.

Розроблено метод оптимального поетапного впровадження КУ в промисловій електричній мережі. Поставлена та вирішена задача оптимального керування реактивною потужністю підприємства. Синтезовані математичні моделі керування КУ як симетричного виконання, так і в схемах СП, що дозволяють забезпечити заданий графік реактивних навантажень, зменшити втрати активної потужності в мережах підприємства, встановити допустимі рівні відхилення напруги в вузлах, а знайдені розв'язки потребують для реалізації мінімальної кількості комутацій. Розроблена математична модель і алгоритм оперативного використання резерву КУ.

Ключові слова: ефективність впровадження, графік реактивної потужності, втрати електроенергії, симетрування навантажень, керування конденсаторною установкою. реактивний конденсаторний електричний

Ayman Taher Ali Hindi. Increasing of efficiency capacitor units installations introduction and control in the electric grids of industrial enterprises. - Manuscript.

Thesis for obtaining the Ph. D. degree in engineering on specialty 05. 09. 03 - "Electro-technical complexes and system". - Vinnytsia National Technical University. - Vinnytsia, 2004

Thesis is dedicated to the development of the mathematical models and methods for the increasing of efficiency capacitor units and control in electric grids of industrial enterprises.

There has been developed the method of optimal stage by stage introduction of CU into industrial power grids. The problem of optimal control of reactive power has been set and solved. There have been synthesized the mathematical models of CU control, both as symmetrical realization and in the schemes of KE, which allows to ensure the specified diagram of reactive loads, to reduce the loss of active power in the enterprise grids to determine allowable error levels of voltage fluctuations in the nodes, and the solutions obtained result in providing minimum commutation.

The mathematical model and algorithm for operative usage of CU reserve have been developed.

Keywords: efficiency introduction,. reactive power diagram, The loss of electric energy, symmetrizition of the loads, control of capacitor units.

Айман Тахер Али Хинди. Повышение эффективности внедрения и управления конденсаторными установками в электрических сетях промышленных предприятий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03-"Электротехнические комплексы и системы". - Винницкий национальный технический университет. - Винница, 2004.

Работа посвящена разработке математических моделей и методов, повышающих эффективность внедрения конденсаторных установок и управления ими в электрических сетях промышленных предприятий. Такая возможность вскрыта в результате анализа состояния научных исследований, относящихся к разработке методов расчета компенсации реактивной мощности и способов управления КУ в системе электроснабжения.

Исследованы экономические показатели использования КУ (экономическая эффективность инвестирования, прибыль, рентабельность). Показано, что экономическая эффективность линейно зависит от мощности КУ. Результаты анализа свидетельствуют, что максимальные значения рентабельности и эффективности инвестирования КУ существенно зависят от изменения мощности КУ. Установлено, что за критерий внедрения КУ целесообразно выбрать максимум экономической эффективности.

Для поэтапного внедрения КУ, что характерно для предприятий с ограниченными финансовыми возможностями, разработана математическая модель, обеспечивающая такую последовательность установки КУ в сетях промышленного предприятия, которой отвечает максимальная эффективность инвестирования средств в компенсацию реактивной мощности.

Проведены исследования, направленные на повышение эффективности использования КУ в системах электроснабжения предприятий, которые в соответствии с договором на потребление электрической энергии вовлекаются для оптимального суточного регулирования режимов в сетях энергоснабжающей организации, обеспечивая при этом согласованный график реактивной мощности.

Задача управления графиком реактивной мощности поставлена как задача оптимального управления и для ее решения синтезированы целочисленные математические модели, которые предполагают использование мощности КУ как симметричного исполнения, так и симметрирующих устройств (СУ). Задача обеспечения заданного графика реактивной мощности рассматривается как приоритетная, а прочие характерные критерии принимаются ко вниманию на последующих этапах расчета вектора управления, обеспечивая дополнительный эффект. Разработанные математические методы, при достаточности мощностей КУ, обеспечивают заданный график реактивных нагрузок, снижение потерь активной мощности в сетях предприятия и допустимые уровни напряжения в узлах, а найденные решения для своей реализации требуют минимального количества коммутаций секций.

Для СУ, в схемах которых имеются КУ, вскрыта возможность дополнительного использования конденсаторов для компенсации реактивных нагрузок, заключающаяся в использовании их симметричных элементов, которые остаются после принятия решения по симметрированию режима. Алгоритмизирован процесс выявления имеющихся симметричных элементов СУ. Окончательное решение по использованию секций СУ принимается в два этапа: на первом определяется решение, симметрирующее режим, а на втором - касающееся симметричного элемента СУ и не влияющее на результат, полученный по симметрированию нагрузок. Для каждого этапа разработаны целочисленные математические модели для наиболее распространенных схем СУ. Предложены алгоритмы анализа целочисленных линейных и нескалярных математических моделей управления КУ в схемах компенсирующих и симметрирующих устройств с ограничениями в виде равенств и неравенств методом динамического программирования. Показана простота предложенной вычислительной процедуры.

В работе предложен алгоритм расчета вектора управления графиком реактивной мощности предприятия, который охватывает мощности КУ СУ и КУ симметричного исполнения, которые установлены в других узлах сети.

Проведены исследования по управлению КУ предприятий, к которым энергосистемой не предъявляется жестких требований по согласованию графика реактивной нагрузки, что значительно упрощает модели управления. В этом случае предусматривается первоочередное использование КУ. При наличии на предприятии СД оптимальное управление входной реактивной мощностью определяется техническими характеристиками СД и тарифами на активную и реактивную энергию. Такое управление технически легко реализуется с помощью известных локальных регуляторов возбуждения СД.

Показана возможность образования в определенные периоды суток оперативного резерва мощности КУ в некоторых узлах заводской сети и целесообразность его использования для компенсации реактивных нагрузок других узлов. Разработанный метод управления резервом реактивной мощности позволяет уменьшить плату за реактивную энергию и потери активной энергии.

Работоспособность синтезированных математических моделей и разработанных алгоритмов проверена тестовыми расчетами на числовых примерах.

Ключевые слова: эффективность внедрения, график реактивной мощности, потери электроэнергии, симметрирование нагрузок, управление конденсаторной установкой.

Автор висловлює щиру подяку доценту кафедри "Електротехнічні системи електроспоживання та енергозбереження" ВНТУ к.т.н., доценту Терешкевичу Л.Б. за консультації та допомогу у виконанні даної роботи.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Впровадження конденсаторних установок (КУ) в електричних мережах промислових підприємств дозволяє суттєво знизити втрати електричної енергії. У проектній практиці застосовується ряд методів розрахунку місць установки та потужностей КУ. Маючи ряд переваг, ці методи не визначають послідовність установки КУ та не враховують обмежені фінансові можливості підприємств. Наукові дослідження, які спрямовані на вирішення задачі оптимізації впровадження (економічно доцільної послідовності установки) КУ з врахуванням реальних економічних можливостей підприємств, є особливо актуальними для промислової електроенергетики в умовах ринкової економіки.

Ефективне використання КУ в мережах підприємств досягається лише за умови врахування всіх можливостей цих установок щодо зниження втрат електроенергії. Але засоби автоматичного керування потужностями КУ, що існують, неповною мірою враховують ці можливості, що знижує ефективність їх використання. У зв'язку з цим виникає завдання підвищення ефективності керування КУ з метою додаткового зниження втрат електричної енергії в мережах промислових підприємств.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності до держбюджетної науково-дослідної роботи №220Д-231 "Розробка засобів і технічних пристроїв оптимального керування компенсуючими пристроями в електричних мережах енергосистем і споживачів нового технічного рівня", № держреєстрації 010122004671.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є додаткове зниження втрат електричної енергії в мережах промислових підприємств за рахунок розробки та практичної реалізації методів, які підвищують ефективність впровадження і використання КУ.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено такі основні задачі:

1. Аналіз методів розрахунку компенсації реактивних навантажень, способів керування потужностями КУ в мережах промислових підприємств і на основі цього обгрунтована необхідність оптимізації процесу впровадження КУ в умовах ринкових відносин, а також можливість підвищення ефективності діючих КУ;

2. Дослідження економічні показники використання КУ в електричних мережах промислових підприємств;

3. Розробка методу оптимального впровадження КУ в промисловій електричній мережі;

4. Постановка та розв'язання задачі оптимального керування реактивною потужністю підприємства як задачі математичного програмування;

5. Розробка методу оптимального керування графіком реактивної потужності підприємства відповідно до вимог енергосистеми за допомогою КУ, що використовуються як для компенсації реактивної потужності, так і для симетрування електричних навантажень;

6. Синтез математичних моделей керування КУ симетрувальних пристроїв (СП), що дозволяють забезпечити заданий графік реактивної потужності, ефективний вплив на режим зворотної послідовності і повне використання встановленої потужності КУ для компенсації реактивних навантажень;

7. Розробка методу керування вхідною реактивною потужністю підприємства за допомогою КУ і синхронних двигунів (СД) за відсутності вимог енергосистеми до графіка реактивної потужності;

8. Аналіз можливості утворення в процесі добового керування КУ резерву їх потужності і розробка математичної моделі і алгоритму оперативного використання даного резерву.

Об'єктом досліджень є процес оптимізації впровадження КУ в розподільчі мережі промислових підприємств і керування потужностями цих установок.

Предмет досліджень - математичні моделі, підвищення ефективності впровадження і керування КУ в мережах промислових підприємств.

Методи досліджень. Узагальнений опис параметрів стану, схеми та вектору керування в дисертації здійснюється методами матричної алгебри. Використано методи оптимального керування для постановки задачі керування графіком реактивних навантажень підприємства, а для її розв'язання застосовано підхід, коли задача оптимального керування розв'язується як послідовність задач математичного програмування для деяких дискретних моментів часу. Для аналізу цілочисельних оптимізаційних моделей, що розроблені у відповідності з методологією математичного програмування, використано методи лінійного і динамічного програмування. В наслідок порівняння обчислювальної процедури за вказаними методами рекомендовано найбільш раціональний алгоритм.

Наукова новизна одержаних результатів. Основні результати, що становлять наукову новизну, такі:

1) розроблено новий метод розрахунку впровадження КУ в промислові електричні мережі, який дозволяє враховувати реальні фінансові можливості підприємства;

2) вперше одержано математичні моделі підвищення ефективності використання КУ, які дозволяють:

- знаходити керуючі рішення в цілочислових змінних і забезпечувати заданий графік реактивних навантажень мінімальною встановленою потужностю КУ;

- додатково використати наявні симетричні елементи СП та оперативний резерв КУ для компенсації реактивних навантажень.

Практичне значення одержаних результатів. Впровадження розроблених математичних моделей і методів дозволяє:

Створювати сприятливі економічні умови впровадження КУ на підприємствах з обмеженими фінансовими можливостями;

Знизити експлуатаційні витрати на обслуговування КУ за рахунок зменшення кількості комутацій секцій КУ для забезпечення заданого графіка реактивного навантаження підприємства;

Підвищити точність керування (степінь наближення до оптимальних параметрів стану об'єкта керування) при забезпеченні заданого графіка реактивного навантаження шляхом врахування дискретності потужностей секцій КУ;

Спростити системи керування вхідною реактивною потужністю за допомогою КУ та СД і, відповідно, знизити витрати на їх створення та експлуатацію за умови відсутності вимог енергосистеми щодо забезпечення заданого графіка реактивного навантаження;

Додатково знизити плату за електроенергію шляхом використання КУ, розташованих в одних вузлах заводської мережі, для компенсації реактивних навантажень інших вузлів;

Створити програмне забезпечення підсистеми автоматизованого керування КУ, що дозволить додатково знизити втрати електроенергії в мережах підприємства і плату за реактивну енергію.

Отримані результати прийняті до впровадження в електричних мережах ВАТ "Маяк" м. Вінниці, що дасть змогу знизити річну плату за електроенергію, та в системі електропостачання Millennium garment factory (Йорданія), де можливе зниження втрат активної електроенергії на 7%, а також впроваджені в навчальний процес Вінницького національного технічного університету.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно.

В роботах, що опубліковані у співавторстві, автору належать: отримання залежності для розрахунку економічних характеристик впровадження і використання КУ [1]; проведення аналізу економічної ефективності КУ і розробці математичної моделі їх впровадження в електричні мережі промислових підприємств [2, 3]; розробка математичних моделей керування КУ [4, 5]; обгрунтування можливості додаткового використання конденсаторів СП для компенсації реактивної потужності [6]; розробка алгоритму керування вхідною реактивною потужністю підприємства за допомогою КУ і СД [7]; розробка математичної моделі управління СП та алгоритму її аналізу [8]; обгрунтування доцільності оперативного використання резерву потужності КУ одних вузлів для компенсації реактивних навантажень інших [9]; розробка математичних моделей керування СП різної схемної реалізації [10]; розробка алгоритму керування вхідною реактивною потужністю підприємства за допомогою КУ і СД [11]; аналіз економічної ефективності інвестицій в КУ, прибутку та рентабельності їх використання в промислових електричних мережах [12].

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи і її результати доповідалися й обговорювалися на: міжнародних науково-технічних конференціях "Контроль і керування в складних системах" (Вінниця, 2001, 2003 р.); "Математичне моделювання як засіб мінімізації енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах" (Луцьк, 2001 р.); на обласних науково-технічних конференціях (Вінниця 2001, 2002, 2003 р.)

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 10 наукових робіт в провідних фахових виданнях та 2 тези доповідей у збірках матеріалів міжнародних конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел (99 найменувань), трьох додатків. Основний зміст викладений на 143 сторінках друкованого тексту, містить 28 рисунків, 5 таблиць. Загальний обсяг дисертації - 156 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовані мета, наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також наведені відомості про апробацію отриманих результатів.

У першому розділі проведено аналіз методів розрахунку компенсації реактивної потужності і способів керування КУ в мережах промислових підприємств.

Аналіз наукових праць засвідчив недостатню кількість, а в деяких випадках відсутність наукових праць, що не дозволяє промисловим підприємствам оптимізувати процес впровадження в умовах ринкових відносин. Показано доцільність розробки моделей, що забезпечують підвищення ефективності використання діючих КУ. На рис.1 зображено схему, в якій систематизовано проведені дослідження з керування КУ.

Сформульовані основні задачі досліджень.

В другому розділі проведено аналіз економічних показників використання КУ, досліджено задачу оптимізації процесу їх впровадження в електричні мережі промислових підприємств.

Економічна ефективність капітальних вкладень (далі ефективність) в КУ потужністю Qkj для j-го вузла мережі:

, (1)

де , - тарифи відповідно на активну і реактивну енергії; T - тривалість роботи КУ протягом року; cк - питома вартість КУ; Uн - номінальна напруга мережі; Qcj, Qсg - середні реактивні навантаження j-го і g-го вузлів; Rjj - вхідний опір j-го вузла; Rjg- взаємний опір j-го і g-го вузлів; j = 1, …, n; g = 1, …, n-1; n - кількість вузлів навантаження; p - частка відрахувань на амортизацію, обслуговування і ремонт КУ.

Показано, що залежність економічної ефективності від потужності КУ лінійна, а максимальна величина ефективності забезпечується мінімальною потужністю секції КУ. Аналіз максимальних значень прибутку, рентабельності використання та ефективності інвестування КУ показав, що перша величина мало залежить від зміни потужності КУ, а для другої і третьої ця залежність істотна.

Встановлення КУ в промисловій електричній мережі, з причини обмежених фінансових можливостей підприємства, доцільно проводити поетапно. Оптимальному впровадженню КУ відповідає максимальне значення ефективності:

max; (2)

(3)

де pkmс - середнє значення ефективності встановлення КУ потужністю

на m-ому етапі; Qkij, Qki - потужності КУ, встановлені на i-му етапі відповідно в j-му та всіх вузлах; pki - ефективність встановлення КУ на i-ому етапі.

Максимальне значення pkmс буде тоді, якщо забезпечити максимальне значення pki на кожному етапі впровадження:

, (4)

де - максимальне значення pkmс, максимальне значення pki.

Величина на кожному етапі визначається як

(5)

Тобто КУ потужністю Qkij на i-ому етапі встановлюємо у вузлі, де забезпечується максимальна ефективність використання коштів величиною ckQkij.

Результати розрахунків за формулами (1 - 5) дозволяють побудувати залежність

,

що відображає максимальну ефективність вкладання коштів у розмірі в КУ на кожному етапі. За допомогою цієї залежності знаходимо величину потужності КУ Qkmе, встановлення якої є доцільним для заданих економічних умов підприємства

, (6)

де - значення функції зворотної за умови = pз (pз - задана величина ефективності, що відповідає економічним можливостям підприємства).

Таким чином, запропонований метод дозволяє одержати таку послідовність кроків встановлення КУ в мережах промислового підприємства, якій відповідає максимальна економічна ефективність інвестування коштів в компенсацію реактивної потужності.

В третьому розділі проведені дослідження, спрямовані на підвищення ефективності використання КУ в системах електропостачання підприємств, які у відповідності до договору про споживання електричної енергії використовуються для оптимального добового регулювання режимів в мережі енергопостачальної організації, забезпечуючи при цьому погоджений графік реактивної потужності.

Задачу керування графіком реактивної потужності підприємства Q(t) поставлено як задачу оптимального керування, яка полягає в тому, що для процесу Q(t) необхідно визначити такий вектор керування x(t), який би забезпечив мінімум цільового функціоналу:

, (7)

де Q - реактивна потужність підприємства (з врахуванням ефекту керування засобами компенсації реактивної потужності); Q' - природнє споживання реактивної потужністі підприємства; х - вектор керування; t - час; t1-tN - проміжок часу, для якого виконується пошук вектора керування.

В задачі оптимального керування Q(t), критерій, що забезпечує заданий хід , обраний як основний. Інші критерії, характерні для даної задачі, приймаються до уваги на подальших етапах розрахунку керуючого впливу, що забезпечує додатковий ефект прийнятим рішенням. Виділення даного критерію як пріоритетного в даному випадку обгрунтовано жорсткими вимогами енергосистеми до графіка реактивного навантаження підприємства.

Розв'язання задачі оптимального керування графіком реактивної потужності виконано методами математичного програмування, коли для дискретних моментів часу tі, і = 1, 2, ..., N на основі прогнозованої інформації про стан системи, звернувшись до відповідної математичної моделі (або моделей), знаходиться послідовність векторів керування. Передбачається, що для проміжку часу tі ч tі+1 реактивна потужність Q' залишається незмінною. Відповідно компоненти знайдених векторів керування також залишаються незмінними.

Процес пошуку оптимального вектора керування здійснюється за алгоритмом, основні ідеї якого полягають у наступному.

Крок 1. Визначається множина потужностей секцій КУ - М, які повинні бути включені з міркувань забезпечення погодженого графіка реактивних навантажень із тих, які є в системі електропостачання. Наступними кроками забезпечується оптимальна реалізація цієї множини.

Крок 2. Розраховується множина секцій КУ М 1, М 1 М, які необхідно включити на ТП, де в даний момент часу КУ доцільно використовувати для місцевого регулювання напруги (якщо така необхідність є), інакше множина М 1 - порожня.

Крок 3. За результатами розрахунків формується множина М 2, М 2 М, М 2 = М/ М 1 і знаходиться оптимальна її реалізація на інших ТП із міркувань зниження втрат активної потужності в мережах підприємства.

Перетинання множин М 1 М 2 - порожня множина, а їх об'єднання М 1 М 2 = М, що забезпечує основну мету керування, виходячи з якої визначена множина М. Формування масивів М 1, М 2 здійснюється на підставі відповідних векторів керування х 1, х 2, а конкретні дії по вмиканню тих або інших секцій КУ - на підставі вектора хT = (хT1 х 2T), де Т - індекс транспонування.

Вектори керувань, що обчислюються для моменту часу прийняття рішення, дають інформацію про те, в якому стані ("включено" або "відключено") повинна знаходитись кожна секція КУ, встановлена в системі електропостачання. Тому розроблені математичні моделі керування цілочислові, а керовані змінні приймають значення 1 або 0. Якщо в результаті розв'язання змінна одержала значення 1, то це реалізується вмиканням відповідної секції КУ, а якщо 0 - то навпаки.

Компоненти векторів х 1, x2 можуть бути визначені шляхом аналізу наступних математичних моделей:

(8)

(9)

(10)

де - вектор, кожний компонент якого зв'язаний із відповідним компонентом вектора х як хі + = 1; х - загальне позначення вектора керування; у залежності від того, завдання якого кроку вирішується, це може бути х 1, х 2 або їхні блоки; Q - матриця потужностей секцій КУ розмірністю 1m; n - одинична матриця розмірністю m1; Qdop - допустима величина реактивної потужності споживання (генерації); U' - напруга у вузлі в припущенні, що всі КУ відключені; Umin dop, Umax dop - мінімально і максимально допустимі рівні напруги; U - матриця добавок напруги, що мають місце при включенні відповідних секцій КУ; - зона нечутливості КУ по напрузі.

Виконуючи вимогу кроку 1, варто звернутися до математичної моделі (8). Рішення про вмикання секцій КУ з тих, що є в наявності, знайдене за допомогою цієї моделі, забезпечить величину Qdop на вводі підприємства. В даному випадку за Qdop приймається величина реактивної потужності споживання (генерації), що відповідає погодженому графіку навантажень.

На другому кроці алгоритму передбачається звернення до математичної моделі (9), якщо рівень напруги недопустимо низький, або до моделі (10), якщо напруга близька до максимально допустимих значень.

На третьому кроці формується множина М 2 і знаходиться її оптимальна реалізація. Рішення кроку 3 знаходиться за допомогою математичної моделі (8). При цьому Qdop - це частка вхідної реактивної потужності, яка припадає на даний вузол, що знайдена з умови мінімуму втрат активної потужності в мережах підприємства.

В четвертому розділі проведені дослідження, спрямовані на вивчення можливості використання КУ керованих СП для регулювання графіка реактивної потужності підприємства з потужними несиметричними навантаженнями. При цьому виявлені додаткові можливості для підвищення ефективності використання КУ СП.

Теоретичними дослідженнями, що знайшли експериментальне підтвердження на фізичній моделі системи електропостачання електродного заводу, встановлено, що можливі режими, симетрування яких потребує малих потужностей СП. В таких випадках частину секцій СП з позицій симетрування режиму включати не потрібно. Може скластися ситуація, коли схема СП дозволяє включити ці секції за симетричною схемою (у схемі СП є нереалізований керований симетричний елемент) і таким чином, якщо необхідно, здійснити додаткову компенсацію реактивної потужності, не впливаючи на отриманий симетруючий ефект.

У роботі пропонується алгоритм розрахунку вектора керування графіком реактивної потужності підприємства, що охоплює потужності КУ СП і КУ симетричного виконання, які встановлені в інших вузлах мережі.

Крок 1. Розраховується вектор керування СП для симетрування режиму, що встановився (необхідні математичні моделі для цього наведені нижче).

Крок 2. Визначається величина реактивної потужності, що генерується СП.

Крок 3. Розраховується множина М, але в математичній моделі (8) під Q' необхідно розуміти реактивне навантаження по підприємству із врахуванням реактивної потужності СП, що відповідає рішенню, визначенному на кроці 1.

Крок 4. Проводяться розрахунки вектора керування секціями КУ відповідно до алгоритму, наведеного вище, де вузол із несиметричним навантаженням розглядається серед всіх інших вузлів, а симетричний елемент СП - як компенсуючий пристрій, встановлений в цьому вузлі.

Розрахунок вектора керування СП в цілому виконується в такий спосіб:

1. Визначається вектор керування несиметрією режиму із врахуванням впливу на величину реактивної потужності - .

2. Якщо необхідно одержати додатковий ефект від конденсаторних батарей СП, визначаються параметри симетричного елемента, що залишився після прийняття рішення щодо симетрування режиму.

3. Знаходиться рішення, що стосується симетричного елемента СП - .

4. Вектор керування СП - визначається як такий, що складається з двох складових:

. (11)

Для розрахунку векторів та в процесі керування синтезовано математичні моделі для найбільш поширених схем СП: із мінімальною кількістю вимикачів; із мінімальною кількістю симетруючих елементів, рис. 2; із двома конденсаторами під один вимикач та ін.

Для схеми СП, рис. 2, вектор керування може бути знайдений за допомогою математичної моделі (12), а вектор - за допомогою моделі (13)

(12)

(13)

де хi - змінна, що описує стан i-го вимикача; якщо в результаті розрахунку xi = 1, то i-ий вимикач включається, а якщо хi = 0, то навпаки; - описує стан ступені i в цілому; аi, bi - дійсна і уявна частини вектора струму зворотної послідовності, що створюється вмиканням i-го вимикача СП; Qi - реактивна потужність, що генерується за умови вмикання i-го вимикача; Qd - допустима величина реактивної потужності СП, що встановлена по вузлу несиметричного навантаження на етапі визначення . - вектор струму зворотної послідовності вводу, що відповідає природному режиму; - компенсований струм зворотної послідовності; QН - реактивна потужність, що споживається вузлом групового несиметричного навантаження з врахуванням компенсуючого ефекту вектора, х 1СП; qi - потужність і-тої секції симетричного елемента; Qdop - допустима величина реактивної потужності у вузлі підключення СП, що встановлена відповідно до алгоритму керування графіком Q(t) підприємства; yi - змінна, що описує стан і-ої секції симетричного елемента СП, якщо yi =1, то і-у секцію симетричного елемента необхідно включити, а якщо yi =0, то навпаки; - змінна, зв'язана з yi так, що якщо yi =1, то = 0 і навпаки; m - загальна кількість секцій симетричного елемента СП.

Результати рішень, що отримані відповідно до моделей (12) і (13), дозволяють забезпечити реактивну потужність Qdop, мінімум модуля струму зворотної послідовності і повне використання симетричних елементів СП (за умови їх наявності) для компенсації реактивних навантажень. Кожному yi знаходяться у відповідності певні елементи вектора , що дозволяє алгоритмізувати процес його формування.

Аналіз моделей (8 - 10; 13), які відносяться до класу лінійних, виконаний симплекс-методом. Однак простішою обчислювальною процедурою, як показали дослідження, характеризується метод динамічного програмування, що модифікований для розроблених цілочислових задач з обмеженнями у вигляді рівностей і нерівностей. Принципова його відмінність від класичного алгоритму полягає в тому, що на кожному етапі вибір здійснюється з множини допустимих рішень (для даної задачі за етап приймається визначення рішення про вмикання чергової секції КУ). Ця множина на кожному етапі формується заново з врахуванням раніше прийнятих рішень. Алгоритм аналізу цих моделей на перших кроках, як найбільш ефективне, передбачає вмикання самих потужних секцій. Практично це означає, що такі секції будуть залишатися включеними більшу частину часу, а також кількість комутацій, що необхідна для реалізації рішення, буде мінімальною.

Цільова функція математичної моделі (12) - нескалярна функція дійсних змінних. В роботі проводиться аналіз моделі методом динамічного програмування, який модифіковано порівняно з його відомим варіантом. Для задачі симетрування режиму за допомогою СП за етап процесу оптимізації приймається вмикання чергової секції СП. На кожному етапі рішення вибирається з множини допустимих, які відповідають вимогам технічних обмежень. З цією метою для k-го етапу процесу оптимізації попередньо формується множина Dk, куди записуються величини аі і bі тільки тих секцій СП, включення яких допустимо. Процес пошуку оптимального вектора здійснюється відповідно до рекурентних співвідношень Р. Беллмана, які для даної задачі мають вигляд:

(14)

де fk - оцінка стану системи за результатами k-го етапу процесу оптимізації, k = 1, 2, …, ; аki, bki - елементи множини Dk; а(k), b(k) - дійсна і уявна частини вектора струму зворотної послідовності з тих, що можуть генеруватися секціями СП, і реалізація якої найбільш ефективна на k-ому етапі розв'язання задачі, а(k), b(k) Dk.

Оптимальне рішення досягається на етапі , коли поліпшити досягнутий стан системи наявними елементами множини D неможливо.

В п'ятому розділі проведені дослідження з керування компенсуючими установками підприємств, для яких енергосистемою не встановлено жорстких вимог до графіка реактивного навантаження, що значно спрощує моделі керування КУ.

В цьому випадку передбачається першочергове використання КУ. При наявності на підприємстві СД оптимальне керування їх реактивними потужностями протягом розрахункового проміжку часу Дt (проміжок між дискретними моментами часу керуючих впливів) визначається, беручи до уваги техніко-економічні характеристики двигунів та енергосистеми, на основі математичної моделі:

(15)

де б, в - тарифи відповідно на активну і реактивну енергію; Qв, Qдk -середні величини вхідної реактивної потужності і реактивної потужності СД протягом проміжку часу Дt; D1k, D2k і Qнk - технічні характеристики і номінальна реактивна потужність k-го СД;

,

QНКУi, QВКУ - величини потужностей відповідно низьковольтних і високовольтних КУ; p - кількість СД; n - кількість ТП, на яких встановлені низьковольтні КУ.

Оптимальна сумарна величина реактивної потужності СД визначається як:

(16)

де Qнэ D1э, D2э - відповідні характеристики еквівалентного СД .

Таким чином, при наявності на підприємстві нескомпенсованої реактивної потужності за допомогою КУ оптимальне завантаження цією потужністю СД визначається технічними характеристиками СД і тарифами на активну і реактивну енергію. Таке керування легко технічно реалізується за допомогою існуючих локальних регуляторів збудження СД.

Відомі способи керування потужностями КУ передбачають комутацію секцій КУ і орієнтовані на реактивне навантаження того вузла, де вони встановлені. В роботі показана доцільність використання у певні періоди доби КУ одних вузлів для компенсації реактивної потужності інших вузлів мережі промислового підприємства.

Якщо в деяких вузлах мережі протягом проміжку часу Дt є резерв реактивної потужності КУ, , а в інших - її дефіцит, , то оптимальне використання КУ i-тих вузлів для компенсації реактивних навантажень j-тих вузлів визначається за математичною моделлю:

(17)

де Qэ - сумарна реактивна потужність, передється від і-их вузлів у j-і;

еквівалентний опір мережі, що живить і-ті вузли; Rж - активний опір живлячої мережі;

сумарний резерв реактивної потужності в і-их вузлах протягом часу Дt;

сумарна величина дефіциту реактивної потужності в j-их вузлах за час Дt.

Оптимальна потужність КУ, яку доцільно включити в i-их вузлах, визначається таким чином:

(18)

Керування резервом реактивної потужності в i-их вузлах відповідно до співвідношення (18) дозволяє зменшити плату за реактивну енергію і втрати активної енергії.

Основні результати та висновки

У дисертації розроблені нові теоретичні і практичні положення підвищення ефективності впровадження і керування КУ в електричних мережах промислових підприємств, що створює сприятливі умови впровадження цих установок та дозволяє знизити втрати електроенергії. Основні результати дисертаційної роботи полягають у наступному.

1. В результаті аналізу існуючих методів розрахунку компенсації реактивної потужності в електричних мережах промислових підприємств і способів керування КУ показана можливість підвищення ефективності їх впровадження і використання.

2. Показано, що економічна ефективність установки КУ в мережах промислових підприємств значною мірою залежить від ступені компенсації реактивної потужності. Оцінку доцільності й обсягів інвестування впровадження КУ доцільно проводити за допомогою величини економічної ефективності капітальних вкладень.

3. Розрахунок впровадження КУ доцільно проводити поетапно, що дає можливість забезпечити максимальну ефективність впровадження на кожному з етапів. Ефективність можна значно змінювати за рахунок зміни потужностей КУ і місць їх встановлення, що дозволяє створювати сприятливі умови впровадження КУ для підприємств із обмеженими фінансовими можливостями.

4. Синтезовано цілочислові моделі керування графіком реактивної потужності, що дозволяють раціонально використовувати потужності КУ, знизити кількість комутацій вимикачів КУ і підвищити точність керування.

5. Розроблено математичні моделі, що дозволяють використовувати СП для регулювання графіка реактивної потужності і підвищити ефективність використання цих пристроїв для компенсації реактивних навантажень промислового підприємства.

6. Запропоновано алгоритми аналізу цілочислових лінійних і нескалярних математичних моделей керування з обмеженнями у вигляді рівностей і нерівностей для КУ в схемах компенсуючих і симетруючих пристроїв методом динамічного програмування. Проведеними дослідженнями доведена їх обчислювальна ефективність.

7. Розроблено математичну модель керування вхідною реактивною потужністю підприємства при наявності КУ і СД, впровадження якої знижує витрати на створення й експлуатацію відповідних систем керування.

8. Показано можливість утворення в процесі добового керування КУ резерву їх потужності в деяких вузлах і розроблена математична модель використання цього резерву для компенсації реактивних навантажень інших вузлів, що дозволяє знизити плату за електроенергію.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Демов О.Д., Хінді Айман Тахер. Аналіз економічних показників установлення конденсаторних батарей в промислових електричних мережах з урахуванням ринкових умов // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2000. - №2. - C. 79 - 82.

Хінді Айман Тахер, Демов О.Д. Математична модель та алгоритм впровадження конденсаторних установок в електричні мережі промислових підприємств // Вісник Національного університету "Львівська політехніка". - 2001. - №421. - С. 225 - 228.

Демов О.Д., Хінді Айман Тахер. Поетапне впровадження конденсаторних установок в електричні мережі промислових підприємств // Технічна електродинаміка. (Інститут електродинаміки НАН України) - 2002. - № 2. - C. 55 - 58.

Терешкевич Л.Б., Хінді Айман Тахер. Математична модель оптимального управління конденсаторними пристроями в системі електропостачання // Вісник Вінницького політехн. ін-ту. - 2001. - №3. - C. 59 - 62.

Терешкевич Л.Б., Хінді Айман. Математичні моделі та алгоритми оптимального управління графіком реактивної потужності промислового підприємства // Проблемы создания новых машин и технологий. (Кременчугский государственный политехнический университет). - 2001. - №1 - C. 308 - 311.

Терешкевич Л.Б., Хінді Айман Тахер. Алгоритм управління конденсаторними батареями симетруючого пристрою // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2000. - №4. - C. 70 - 72.

Демов О.Д., Хінді Айман Тахер, Мельничук С.М. Управління потужністю компенсуючих установок в електричних мережах промислових підприємств з урахуванням нових економічних умов // Вісник Вінницького політехн. ін-ту. - 2001. - № 6. - C. 98 - 101.

Терешкевич Л.Б., Хінді Айман Тахер. Математичні моделі оптимального управління конденсаторними батареями симетруючих пристроїв з мінімальною встановленою потужністю // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2001. - №2. - C. 66 - 69.

Демов О.Д., Хінді Айман Тахер, Мельничук С.М. Підвищення економічної ефективності управління батареями конденсаторів в мережах промислових підприємств протягом доби // Вісник Вінницького політехн. ін-ту. - 2001, - №4. - C. 57 - 61.

Терешкевич Л.Б., Хінді Айман. Математичні моделі управління графіком реактивних навантажень підприємств з потужними несиметричними споживачами // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. - 2003. - №2 (5). - С. 94 - 101.

Демов О.Д., Хінді Айман Тахер, Мельничук С.М. Управління потужністю компенсуючих установок в електричних мережах промислових підприємств з урахуванням нових економічних умов // Тези доповідей шостої наук.-техн. конф. "Контроль і управління в складних системах" (КУСС-2001). - Вінниця: "УНІВЕРСУМ-Вінниця", 2001. - С. 169.

О. Демов, Хінді Айман Тахер, В. Борис. Аналіз економічних характеристик впровадження та використання конденсаторних установок в мережах промислових підприємств // Тези доповідей сьомої наук.-техн. конф. "Контроль і управління в складних системах" (КУСС-2003). - Вінниця: "УНІВЕРСУМ-Вінниця", 2003. - С. 174.

Размещено на Allbest.ru

...