Исследование оптимизации параметров распределительных электрических сетей до 1000 В с учетом унификации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Ислама Каримова

МАГИСТРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание степени магистра по специальности 5А310201 -

“Электроснабжение (промышленных предприятий и городов)”

Исследование оптимизации параметров распределительных электрических сетей до 1000В с учетом унификации

Патидинов Зиёдин Фазлиддин угли

Научный руководитель д.т.н., проф. Таслимов А.Д.

Ташкент - 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава I. Обзор задачи оптимизации и унификации параметров распределительных электрических сетей

1.1 Оптимизация и сокращение (унификация) шкал стандартных параметров распределительных электрических сетей

1.2 Анализ оптимизации и унификации параметров электрических сетей в различных странах

1.3 Методы оптимизации и унификации параметров электрических сетей

Глава II. Технико-экономическая модель унификации сечений кабелей электрических сетей до 1000 В

2.1 Общие положения

2.2 Технико-экономическая модель стоимости кабелей до 1000 В

2.3 Технико-экономическая модель стоимости электромонтажных работ при прокладке линий до 1000 В

2.4 Технико-экономическая модель стоимости строительных работ при прокладке кабельных линий до 1000 В

2.5 Математическая модель потерь электроэнергии унификации сечений кабелей до 1000 В

2.6 Технико-экономическая модель затрат по эксплуатации кабельных линий до 1000 В

2.7 Комплексная технико-экономическая модель затрат электрических сетей до 1000 В

ВВЕДЕНИЕ

В Узбекистане на длительную перспективу предусматривает необходимость решения важных комплексных задач прогресса народного хозяйства, в том числе и тех, которые направлены на дальнейшее развитие промышленности и сельского хозяйства, преобразование городов, значительное увеличение объема жилищного, коммунального и культурно-бытового строительства и т.п. Перспектива в области электроэнергетики, в основном направлено на обеспечение экономичности передачи и распределения электроэнергии, повышение надежности электроснабжения и качества электрической энергии.

Дальнейшее преобразование населенных пунктов, значительное увеличение объемов жилищного, культурно-бытового строительства предопределяют непрерывный рост электропотребления на коммунально-бытовые нужды населения.

В настоящее время и в ближайшей перспективе прирост электропотребления в коммунально-бытовой сфере Узбекистана и иных индустриально развитых государствах высок и имеет тенденцию дальнейшего роста. Предполагается, что в перспективе больше половины всей вырабатываемой электростанциями энергии будет потребляться в комплексных районах крупных городов.

Это является следствием стремительных темпов урбанизации хозяйства, характерных для всех стран мира. По прогнозам демографов в середине века в городах будет сосредоточенно более половины населения земного шара. Урбанизация характеризуется концентрацией общественного производства и населения в городах и разрастанием крупнейших городов. Тенденции урбанизации значительно влияют на развитие электропотребления.

Электрические нагрузки крупнейших городов мира в 70-х годах прошлого века составляли 1-4 ГВт, в конце же ХХ века составила около 10-12 ГВт. В конгломерациях городов потребление мощности достигает десятков ГВт. Плотности нагрузки (отнесенная к шинам центра питания) на небольших территориях достигает 100 МВт/км ^2, а в центре такой зоны до 300 МВт/км ^2. А в странах СНГ плотность нагрузки городов в среднем составляет от 50 до 200 МВт/км ²

Развитие электропотребления в городах, в промышленных предприятиях и систем их электроснабжения объясняет необходимость повышенного внимания к принципам оптимального построения электрических сетей крупных городов, влияние этих принципов на общий подход к построению систем электроснабжения крупных городов и промышленных предприятий.

Распределительные электрические сети в городах составляют существенную часть общей системы электроснабжения городов (ЭСГ). Высокие темпы развития распределительных электрических сетей, обусловлены ростом электрических нагрузок и появлением новых потребителей электроэнергии, определяют значительные затраты финансовых и материальных ресурсов на их строительство и эксплуатацию. При этом не менее 2/3 затрат по городским распределительным сетям расходуется на распределительные сети до 1000 В и среднего класса напряжения.

Как показывают проектные разработки, эти затраты и в перспективе останутся весьма высокими и поэтому проблема экономичности целесообразного построения этих сетей представляется весьма актуальной.

В этих условиях особенно важным становится комплексный подход к планированию оптимального развития и проектированию распределительных электрических сетей, учитывающий, с одной стороны, требования комплексного и полного решения задач проектирования и выбора совокупности параметров распределительных сетей, а с другой стороны возможность типизации и унификации сооружаемых линий и подстанций для обеспечения индустриализации строительства, монтажа и эксплуатации.

Такой подход к построению указанных сетей необходим еще потому, что современная система электроснабжения (в том числе, распределительные сети до 1000 В) характеризуется разнообразными потребителями, большим числом взаимосвязанных элементов и большим количеством одновременно сооружаемых объектов.

Целью магистерской диссертационной работы является:

1. Формирование задачи технико-экономических моделей унификации электрических сетей до 1000 В.

2. На основе обзора вопроса унификации сечений электрических сетей до 1000 В и на основе технико-экономических моделей стоимости кабелей, стоимости строительно-монтажных работ, затрат на эксплуатацию и стоимость потерь электроэнергии сформировать технико-экономические модели унификации сечений кабелей электрических сетей до 1000 В.

Актуальностью магистерской диссертационной работы является анализ состояния вопроса унификации и методов унификации сечений и формирование технико-экономических моделей электрических сетей до 1000 В.

Научная новизна магистерской диссертационной работы состоит в получении комплексных технико-экономических моделей унификации электрических сетей до 1000 В, которые используются при унификации сечений электрических сетей до 1000 В.

Практическая ценность магистерской диссертационной работы заключается в применении полученных технико-экономических моделей для унификации сечений кабелей до 1000 В при проектировании и планировании перспективного развития электрических сетей до 1000 В.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ И УНИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

I.I Оптимизация и сокращение (унификация) шкал стандартных параметров распределительных электрических сетей

В настоящее время для распределительных электрических сетей 0,4-10 кВ в Узбекистане ГОСТом установлен ряд стандартных сечений жил кабелей с большим диапазоном стандартных сечений, содержащих по десять стандартных сечений жил кабелей для каждого класса номинальных напряжений:

-для сетей 0,4 кВ - от 10 до 185 мм ²

-для сетей 10 кВ - от 16 до 240 мм ²

Вместе с тем, анализ практики проектирования и осуществления электрических сетей Узбекистана, так и других государств показывает, что из существующего ряда стандартных сечений применение находят лишь ограниченное количество сечений.

Так, например, разработки некоторых проектных организаций показали, что в городских распределительных сетях 0,4-10 кВ применяются от двух до четырех стандартных сечений жил кабелей. При этом наибольшее применение находят в РС 0,4 кВ стандартные сечения 150, 95, 70 и 35 мм ², а в РС 10 кВ - 185, 150, 120, 95 мм². Распределительные сети города Ташкента в основном сооружаются кабелями двух, трех стандартных сечений. При этом применяются стандартные сечения 240, 150 и 120 мм². Анализ практики осуществления РС г. Ташкента (данные ТашГорЭСа) показал, что в этих сечениях эксплуатируются два или три стандартные сечения жил кабелей, а питающие линии 10 кВ выполняются кабелями с сечением жил только 240 мм ², в то время как распределительные линии только 150-120 мм ².

Аналогичен принцип проектирования и выполнения городских РС ряда иных крупных городов стран СНГ.

Такая же картина наблюдается и в городских РС ряда других стран. Например в ФРГ в сетях 1000 В наибольшее распространение нашли кабели с сечениями 240, 185, 120, 70 мм ², то есть четыре стандартных сечения жил кабелей. По данным в ФРГ эти кабели выпускаются с алюминиевыми жилами.

За рубежом наметилась тенденция к установлению большого единообразия оборудования и материалов, используемых в электрических сетях.

Так, в Великобритании последовательно проводится работа по уменьшению количества применяемых сечений проводов и жил кабелей. Если в начале прошлого века в сетях среднего напряжения (11, 33 кВ) применялось 60 марок проводов и кабелей, то в настоящее время их количество сократилось до 11. К концу ХХ века в США количество типоразмеров силовых кабелей на напряжение 25 кВ увеличилось до 40. Это в свою очередь вызвало неудобство в обслуживании распределительных сетей, снижение надежности их работы, необходимость большого ассортимента арматуры для кабелей в РС и запаса кабелей для ремонтных работ. Проведена работа по сокращению количества типоразмеров кабелей. В настоящее время количество переходных и соединительных муфт для кабелей уменьшено до 3-х при общем количестве типоразмеров кабеля равном 4. В результате мероприятий запасы кабелей на складе для ремонтных работ снизилась на 37%, сократились расходы на обслуживание распределительных сетей, которые раньше возрастали на 4,5%.

В странах СНГ сокращение номенклатуры стандартных сечений проводов и жил кабелей обслуживается уже несколько лет.

В связи с разработкой новой серии унифицированных опор воздушных ЛЭП 35-500 кВ проведена унификация сечений проводов. Оказывается, что для каждого класса номинальных напряжений экономичными оказываются два-три сечения. Другие сечения не имеют экономических интервалов.

Исследования, проведенные несколько лет назад, показали, что целесообразность столь плотной шкалы номинальных сечений является то, что отдельные сечения не различаются по приведенным затратам. Хотя, может быть, существуют экономические интервалы, но приведенные затраты при применении одного из смежных сечений различаются меньше, чем на 5% от затрат при применении данного сечения внутри экономического интервала.

Рассмотрен вопрос о целесообразности существующей шкалы сечений жил кабелей для городских распределительных сетей 6-10 кВ. Анализ существующей шкалы стандартных сечений методом экономических интервалов показал значительную их неравномерность; причем все сечения шкалы имеют экономически выгодные области их применения по приведенным затратам. С целью проверки целесообразности унификации сечений жил кабелей, в этой работе проводится расчет также натуральных показателей (потерь электроэнергии и расход проводникового металла) до и после унификации. Полученные результаты подтверждают целесообразность сокращения существующей шкалы стандартных сечений жил кабелей при небольшом увеличении приведенных затрат (не более 5%). При этом рекомендуется в РС 6-10 кВ применять следующую шкалу стандартных сечений: 240-150-95-50 мм².

На основе изучения большего количества работ и анализа практики крупных электрических сетей разных стран, ставится под сомнение экономическая обоснованность существующих шкал сечений проводников. Учитывая это ставится задача разработки общей методики установления шкал сечений проводников и применения ее к конкретному виду кабелей. Для этого разрабатывается методика определения экономически целесообразного шага нарастания шкалы, а также принцип определения граничных (наибольшего и наименьшего) сечений шкалы методом экономических интервалов.

Продолжением указанной работы является исследование по унификации сечений проводов воздушных линий. Здесь для исследования применяется критериальный анализ плотности шкалы сечений проводников. Применение метода критериального анализа позволило авторам решить задачу унификации шкал стандартных сечений как при заданной, так и при отсутствии исходной информации. В результате исследования авторы пришли к выводу о целесообразности увеличения шага нарастания шкалы стандартных сечений. При этом рекомендуют принимать шаг нарастания шкалы близким к двум.

Наиболее плотный и научно обоснованный подход к унификации шкал сечений кабелей произведен в сельских электрических сетях. Здесь проводится унификация сечений жил кабелей на основании анализа не только затрат на сооружения и эксплуатации кабельных линий, но и с учетом затрат на производство кабелей.

При этом результаты расчетов показали, что затраты на производство кабелей не оказывают существенное влияние на выбор оптимального количества сечений жил кабелей в сельских электрических сетях. Тем не менее, результаты окончательного анализа показали, что унифицированный ряд сечений жил кабелей, предназначенных для применения в сельских электрических сетях, должен состоять из трех сечений 120, 50, 25 мм ².

Таким образом, анализ существующих работ по унификации шкал сечений проводов и жил кабелей показывает, что в основном эти работы посвящены к упорядочению или выбору экономически целесообразного шага нарастания шкалы стандартных сечений, но не проблеме унификации параметров электрических сетей.

1.2 Анализ оптимизации и унификации параметров электрических сетей в различных странах

Ранее дан обзор состояния задач унификации параметров линий, основывающейся на упорядочении шкал параметров (в частности, сечений проводов и жил кабелей): применение минимум трех-четырех стандартных параметров.

Вместе с тем, имеются возможности дальнейшей унификации параметров линий и подстанции, выражающейся в применении одного или двух стандартных значений параметров (например, сечений проводов и жил кабелей, мощности трансформаторов и т.д.). Разработки некоторых проектных организаций, привели к выводам об экономически целесообразного применения весьма ограниченного набора номинальных мощностей трансформаторов 10-6/0,4 кВ. Известна практика Московской кабельной сети Мосэнерго, где на протяжении длительного периода в сооружаемых ТП 10-6/0,4 кВ устанавливались трансформаторы 400 кВ*А, а в настоящее время 630 кВ*А. Питающие кабельные линии 10-6 кВ Московской кабельной сети выполняются кабелями с сечением жил 240 мм², распределительные линии этого напряжения - с сечением жил 95 мм² и основные распределительные линии 0,4 кВ-150, 185 мм².

Аналогичная практика выполнения электрических сетей ряда крупных городов Стран СНГ.

В осуществляемом проекте энергоснабжения г. Парижа на 2000г в основных распределительных сетях 0,4-20 кВ применяются кабели с сечением жил только 146 мм² (медь); в этой же системе унифицированы мощности ОПСГ 225/20кВ, ПГВ 225/20 кВ (1*100 МВА) ТП 20/0,4 кВ (1*630 кВА). Городские распределительные сети в Польше выполняются в основном с кабелями сечением жил 150 мм^2.. А специалисты Германии считают, что для практических целей достаточно двух-трех стандартных сечений жил кабелей для каждого класса напряжений. Разработана и осуществляется глубокая унификация мощностей трансформаторов подстанций 400/110/10 и 110/10 кВ и применяемых сечений проводов линий 400 и 110 кВ в Болгарии.

Известна также аналогичная практика унификации параметров систем электроснабжения крупнейших промышленных предприятий России (ВАЗ, КАМАЗ, и т.д), когда унифицируются мощности всех силовых ТП 10/0,4 кВ (трансформаторы 1600 кВА или 2500 кВА), сечений токопроводов, мощностей подстанций ГВ 110/10 кВ и др.

На основании вышеизложенного, в таблице 1 приведены значения сечений и их количества, находящие наибольшее применение в РС некоторых стран и городов.

распределительный электрический сеть унификация

Табл.1

Страна или город	РС до 1000 В	РС 10 (20) кВ
	FH, mm2	Числа сечений	FС, mm2	Числа сечений
Польша	150	1	150	1
США	185, 95,50	3	150	1
Финляндия	185,120, 70,35	4	150	1
Германия	240,185, 120,70	4	150	1
Париж	150	1	150	1
Москва	185,150	2	240,95	2
Ташкент	185,150	2	240, 150,120	3
Курск	185,150	2	240, 150,120	3
Смоленск	150,95, 70,50	4	185,150, 120,95	4

Наряду с указанными практическими преимуществами унификации параметров линий и подстанций, в настоящее время отсутствуют публикации по тематике, унификации сечений проводов и жил кабелей.

Вопрос унификации сечений жил кабелей непосредственно не рассматривается. Однако, принимая, что все участки распределительной линии выполнены с одним сечением жил кабелей и комплексно оптимизируя параметры распределительных сетей 0,4-10 кВ, автор приходит к выводу, что построение указанных сетей при вариации плотности электрической нагрузки в весьма широком диапазоне экономически возможно с единым сечением жил кабелей. К аналогичному выводу приходит также автор, исследовавший вопрос оптимального построения городских распределительных сетей. На основе вариантного сравнения, показывается целесообразность выполнения распределительной линии 6 кВ весьма ограниченным числом сечений жил кабелей. При этом автор рекомендует применять два сечения жил кабелей (150 и 70 mm²). Там же, с учетом технических и эксплуатационных соображений рекомендуется ограничить количество применяемых сечений жил кабелей двумя-тремя сечениями.

На основе исследования технико-экономической устойчивости модели подсистем среднего и низшего напряжений к параметрам подсистем показывается возможность глубокой унификации основных параметров РС-0,4-10 кВ, в первую очередь, сечений жил кабелей линий, при достаточно широких диапазонах изменений плотности электрической нагрузки (5-30 МВт/км²) и возможности ИП (до 100 МВА). При этом рекомендуется применять в РС 0,4-10 кВ следующие ориентировочные значения унифицированных параметров:

- мощности ТП 1*630 или 2*630 кВА (в зависимости от схемы распределительных электрических сетей);

-сечения жил кабелей распределительных линий 0,4 кВ-120-150 mm^2;

-сечения жил кабелей 10 кВ питающих линий 240 mm², распределительных линий -150 mm².

Для оценки масштабов изменения затрат при глубокой унификации сечений жил кабелей, на примере РС-0,4-10 кВ реальных застроек города, нами проведены технико-экономические сравнения различных вариантов унификации сечений.

Показатели застройки районов города приведены в табл.2. Результаты технико-экономических расчетов приведены в табл.3.

Из таблицы №3 следует, что сокращение количества используемых сечений до одного вместо применяемых шести для РС 0,4-10 кВ может привести к увеличению суммарных приведенных затрат З_? лишь на 4% - при многоэтажной застройке и на 2,5% -при малоэтажной застройке. Вместе с тем, применение весьма ограниченного числа сечений жил кабелей приводит, с одной стороны - к значительному снижению потерь электроэнергии ?Э_? (до 16-17%), с другой стороны - к увеличению расхода проводникового металла G_? (до 20%).

Полученные предварительные технико-экономические расчеты показывают:

-возможность применения в РС 0,4-10 кВ глубоко-ограниченного числа сечений жил кабелей;

-многокритериальность задачи глубокой унификации сечений, так как по критерию приведенных затрат все варианты унификации значений являются равноэкономичными.

Таким образом, проведенный выше анализ показывает отсутствие в литературе достаточно общей методики унификации сечений жил кабелей городских РС 0,4-10 кВ.

Табл.2

ПОКАЗАТЕЛЬ	РАЙОН
	Многоэтажной застройки	Малоэтажной застройки
Этажность застройки	9,12,16	4,5,7,8
Коэффициент застройки	0,17-0,13	0,22-0,18
Плотность нагрузки МВт/км2	15,7	9,2
Применяемые схемы	двухлучевые	петлевые
Количество ТП	22	20
Мощность транс-ов, кВА	2*630	1*630
Суммарная длина КЛ электрической сети (км)
10 кВ	63,0	34,2
0,4 кВ	8,0	4,94

Табл.3

Предварительные технико-экономические сравнения различных вариантов унификации сечений жил кабелей РС-0,4-10 кВ

Застройка	N F,H	FH,mm2	N F,C	F C,mm2	З? %	?Э? %	G?%
Многоэтажная	6	240,150, 95,70, 50,25	5	150,120, 95,70, 50	100	100	100
	4	240,150 95,50	4	240,150 95,50	100,5	96,3	101,2
	2	150, 95	2	150, 95	102,3	89,5	110,2
	1	150	2	150, 70	102,3	85	115,2
	1	150	1	150	103,9	83,7	119,2

N F,H	FH,mm2	N F,C	F C,mm2	З? %	?Э? %	G?%
6	150,120 95,70, 50,35	4	150,120, 95,70,	100	100	100
3	150 95,50	3	150 95,50	100,5	96,5	103,4
2	150, 95	2	150, 95	100,4	95	106,4
1	120	2	150, 70	102,1	89,5	111,4
1	150	1	150	102,5	86,4	121,1

1.3 Методы унификации параметров электрических сетей

Для определения оптимальных параметрических рядов типоразмеров электрооборудования электрических сетей разработаны различные упрощенные методы. Эти методы можно разделить условно на две группы.

Первая группа основывается на анализе только приведенных затрат, связанных с сооружением и эксплуатацией электрооборудования и других показателей, как например, стоимости производства кабелей, потерь электроэнергии, расходы проводникового металла и т.д.

К первой группе методов можно отнести предложение основанное на экономических интервалах нагрузки использовать как принцип ограничения допустимого увеличения затрат от минимальных.

К этой же группе можно отнести метод, где используется критериальный анализ плотности шкалы стандартных сечений, основанный на теории подобия.

Принцип ограничения допустимого отклонения затрат от минимальных используется во многих работах, однако здесь применяется известное минимальное решение.

В работах используют критериальный анализ для выбора экономически целесообразного шага нарастания шкалы электрооборудования.

Ко второй группе можно отнести метод предложения базирующийся на методе экономических интервалов. Но они, кроме затрат связанных с эксплуатацией оборудования делают попытку учета затрат, характеризующих потребность в продукции с различными значениями параметров.

Один из методов выбора оптимальных шкал типоразмеров оборудования, который можно отнести ко второй группе, предложен многими авторами. Здесь в качестве критерия оптимальности используются не только значения приведенных затрат, но и, значения натуральных показателей (например, расход проводникового металла, потерь электроэнергии и т.д.). При этом методе оцениваются изменения значений критерия оптимальности и других натуральных показателей при сокращении шкалы типоразмеров оборудования.

Разработана обобщенная методика выбора комплекса унифицированных оптимальных стандартных параметров подсистем ЭСГ (с учетом ограничений). Разработка метода основывается на анализе устойчивости технико-экономических моделей этих подсистем и выявлении областей, в которых оптимизируемые параметры оказываются равнооптимальными. Анализ областей устойчивости оптимальных параметров осуществляется с помощью программ границ областей экономической устойчивости методом критериального программирования.

Анализируя вышеизложенные методы унификации шкал типоразмеров электрооборудования можно сделать следующие выводы.

В основном все методы посвящены к упорядочению или выбору экономически целесообразного шага нарастания шкалы параметров электрооборудования. При этом используется метод экономических интервалов и метод критериального анализа (программирования).

Некоторые методы основываются на анализе только приведенных затрат. Последнее устанавливает связь между параметрами оборудования с выбранными параметрами. А некоторые методы учитывают и другие показатели, например, натуральных показателей и затрат, устанавливающей связь между стандартной шкалой параметров оборудования и затратами на разработку и изготовление этих оборудований. При этом определение последнего затрудняется вследствие отсутствия необходимой исходной информации.

Определение экономических по приведенным затратам или по другим показателям сечений при каждом из рассматриваемых значений количества применяемых сечений по вышеуказанным методам, приводит к громоздкой системе уравнений, решения которых очень сложно. Поэтому приходится воспользоваться менее строгими путями решения поставленной задачи глубокой унификации сечений жил кабелей. Например, полагая, что ряд построен по геометрической прогрессии при заданных F_min или F_max, изменяя шаг геометрической прогрессии мы будем получать ряды с различным количеством членов. Далее задаваясь различными рядами прямым счетом можно получить зависимости критериев оптимизации от количества применяемых сечений жил кабелей и на основе анализа этих зависимостей с соответствующими методами. Можно сделать вывод об оптимальном количестве сечений жил кабелей.

ГЛАВА II. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УНИФИКАЦИИ СЕЧЕНИЙ КАБЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ДО 1000 В

2.1 Общие положения

Исследование унификации основных параметров кабелей подразумевает оптимизацию на основе комплексной технико-экономической модели участков распределительных электрических сетей до 1000 В.

Применение, существующих во многих литературах, технико-экономических моделей участков указанных сетей для унификации сечений жил кабелей недостаточно, так как данные модели не отражают зависимость критерия оптимизации от количества применяемых сечений жил кабелей. Кроме того, при унификации сечений жил кабелей существенен более детальный учет структуры капитальных затрат на кабельную линию (КЛ), с учетом стоимости самих кабелей и стоимость их производства, электромонтажных и строительных работ, выполняемых при прокладке кабелей, и получение их зависимости в функции от количества используемых сечений жил кабелей.

Следует отметить, что математическая (технико-экономическая) модель унификации должна отражать как положительные, так и отрицательные последствия унификации сечений. Основными из них являются уменьшение стоимости производства кабелей, строительно-монтажных работ, потерь электроэнергии, расходов при эксплуатации и, вместе с тем, повышение расходов проводникового металла.

Технико-экономические модели будут формироваться на основе оптовых цен на силовые кабели до 1000 В, удельных расходов на электромонтажные и строительные работы. Также используются топологические модели участков сетей до 1000 В, питающихся от ТП /см.рис.3.1./, и ряды сечений жил кабелей, построенные с постоянным шагом по принципу геометрической прогрессии. При формировании моделей принимались традиционные допущения о неизменной плотности электрической нагрузки по площади жилого района, одинаковых сечений головных участков линий до 1000 В, отходящих от ТП.

Задача унификации параметров линий и подстанций систем электроснабжения является много территориальной. Это означает, что унификация сечений жил кабелей длина осуществляется на основе конкретных математических моделей на критериям приведенных затрат, потерь электроэнергии и расхода проводникового металла, записанных в функции от количества применяемых сечений жил кабелей. В связи с этим, в этой главе формируются указанные выше обобщенные математические модели, которые в дальнейшем применяются для многокритериальной унификации сечений жил кабелей до 1000 В.

2.2 Технико-экономическая модель стоимости кабелей до 1000 В

В общем случае стоимость кабеля () может быть определена следующим образом:

(3.1)

где К _пр - стоимость производства кабелей, то есть затраты на разработку, изготовление и т.д.;

К_мат - стоимость материалов, используемых для изготовления кабелей.

Очевидно, что обе составляющие выражения (3.1) зависят от количества сечений жил кабелей. Унификация сечений жил кабелей, с одной стороны, приводит к удешевлению стоимости производства кабелей, с другой стороны, к увеличению стоимости материалов, за счет применения при этом более крупных сечений жил кабелей.

Ввиду отсутствия, в настоящее время, данных о зависимости стоимости производства кабелей от количества выпускаемых сечений жил кабелей, для определения стоимости кабелей используются оптовые цены силовых кабелей до 1000 В.

Примерно 80-90 % стоимости кабелей составляет стоимость материалов и 10-20 % - стоимость их производства. Следовательно, можно предположить, что стоимость производства кабелей не оказывает существенное влияние на стоимость кабелей.

Попытка учета стоимости производства кабелей в технико-экономической модели КЛ сделана многих работах. Результаты исследования показали, что стоимость производства кабелей не оказывает существенного влияния на выбор количества применяемых сечений жил кабелей.

Следовательно, не учет зависимости стоимости производства кабелей от количества выпускаемых сечений не внесет существенной погрешности в технико-экономической модели кабелей до 1000 В.

Применительно к участкам распределительной сети до 1000 В, находящихся то одной ТП (см. рис. 3.1), стоимость кабелей составляет:

(3.2)

где Н_н - индекс РС низшего (до 1000 В) напряжения;

- удельная цена к -го участка линии до 1000 В, тыс. у.е./км;

?_(к) - длина к -го участка КЛ до 1000 В, км;

М_н - число линий до 1000 В, отходящих от ТП;

N_y - число участков одной линии до 1000 В, равное числу присоединений к ней (потребителей);

К - номера участков.

При допущении об одинаковой длине всех участков каждой распределительной линии до 1000 В (?₁ = ?₂ = …=?_Ny = ?) и с учетом, выражение (3.2) принимает вид:

(3.3)

где - соответственно, независящая и зависящая от

сечения часть удельной стоимости кабеля до 1000 В;

F_н(к) - сечение к -го участка КЛ до 1000 В, мм².

При принятых выше допущениях, об идеализированном построении распределительных сетей (РС), средняя длина линий до 1000 В одной (см. рис. 3.1) составляет:

(3.4)

с другой стороны, эта длина определяется как

(3.5)

где л_н - коэффициент конфигурации сети до 1000 В;

S_тп(у) - установленная мощность трансформаторов ТП, кВ·А;

у - плотность электрической нагрузки, отнесенная к шинам

ТП, МВт/км².

Число присоединений на одной линии до 1000 В () может быть предоставлено как

(3.6)

где

здесь в_т, cosц_тп - соответственно, коэффициенты загрузки трансформаторов и мощности на шинах ТП;

К_з - коэффициент застройки площади участка, зависящий от этажности застройки, средней площади занимаемой зданием и пр.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.1. - Топологическая модель участков распределительных электросетей в пределах одной ТП

С учетом (3.4) - (3.6) после некоторых преобразований, выражение (3.3) принимает общий вид:

(3.7)

где N_f,н - количество применяемых сечений жил кабелей до 1000 В;

F_2,H - сечение жил кабелей до 1000 В головных участков линий, мм²;

(3.8)

здесь: - коэффициенты, характеризующие зависимость стоимости кабелей от количества сечений жил кабелей.

Полученные технико-экономические модели РС до 1000 В косвенно включают в себя стоимость производства кабелей.

Таким образом, получены технико-экономические модели стоимости кабелей до 1000 В, питающихся от одного ТП, в зависимости от первичных технико-экономических показателей элементов сети до 1000 В. В дальнейшем они могут быть использованы в задаче анализа унификации сечений жил кабелей до 1000 В.

2.3 Технико-экономическая модель стоимости электромонтажных работ при прокладке кабельных линий до 1000 В

При унификации сечений жил кабелей возникает необходимость изучения зависимости стоимости электромонтажных работ кабельных линий от количества сечений, принимаемых вдоль линий. Это объясняется следующими факторами:

1. Применение широкой номенклатуры стандартных сечений приводит к усложнению электромонтажных работ и соответствующих им вспомогательного оборудования.

2. Применение ограниченного количества укрупненных сечений приводит к росту стоимости электромонтажных работ за счет увеличения веса кабелей, стоимости оборудования для монтажа и т.п.

Указанные положительные и отрицательные последствия унификации сечений при монтаже кабельных линий должны быть отражены в технико-экономической модели стоимости электромонтажных работ.

Для математического описания стоимости электромонтажных работ используются удельные стоимости электромонтажных работ в зависимости от сечения жил кабелей.

При указанных выше допущениях идеализированного построения распределительных сетей, стоимость электромонтажных работ КЛ до 1000 В в пределах одной ТП (см. рис. 3.1) составляет:

(3.11)

где - удельная стоимость электромонтажных работ при прокладке к -го участка КЛ до 1000 В, тыс. у.е./км.

Предполагая все участки распределительной линии до 1000 В с одинаковой длины (?₁ = ?₂ =..= ?_Ny = ?), выражение (3.11) принимает вид:

(3.12)

где - соответственно, независящая и зависящая от сечения часть удельной стоимости электромонтажных работ кабельной линии до 1000 В.

Подставляя (3.4) - (3.4), после некоторых преобразований, получим технико-экономическую модель стоимости электромонтажных работ КЛ до 1000 В в функции от числа применяемых сечений в следующем виде:

(3.13)

где

(3.14)

Как видно из (3.13) полученная технико-экономическая модель электромонтажных работ отражают только отрицательную сторону унификации сечений; при этом положительная сторона унификации в моделях не фигурирует. Это объясняется тем, что положительные последствия унификации сечений жил кабелей при монтаже КЛ оказалось невозможным выразить в стоимостных показателях, так как в литературе не существуют таких данных. Поэтому в дальнейшем оговаривается, что в технико-экономических моделях электромонтажных работ (3.13) математически не отражены положительные эффекты унификации сечений при монтаже кабелей.

2.4 Технико-экономическая модель стоимости строительных работ при прокладке кабельных линий до 1000В

Стоимость строительных работ является одной из составляющих капитальных затрат на КЛ до 1000 В. Она определяется в основном затратами на сооружение строительной части кабельных линий (траншея, канал и т.п.). Так как городские кабельные линии до 1000 В в пределах жилых районов в основном сооружаются в траншеях, то ограничимся только рассмотрением строительных работ при указанной прокладке.

Удельная стоимость строительных работ при прокладке кабелей зависит от количества кабелей в траншеях, от качества и состояния грунта и т.п. Данная стоимость не зависит от сечений жил кабелей, следовательно, и от количества сечений жил кабелей.

При идеализированном построении РС, и в предположении, что участки кабельных линий до 1000 В, отходящие от ТП имеют равную длину, стоимость строительных работ при сооружении КЛ до 1000 В в пределах одной ТП (см. рис. 3.1) составляет:

(3.17)

где - удельная стоимость строительных работ при

прокладке кабелей до 1000 В, тыс.у.е./км.

С учетом (3.4) и (3.5), выражение (3.17) принимает вид:

 (3.18)

где (3.19)

Значение можно найти по справочным данным. При этом предполагается, что при петлевых схемах сетей до 1000 В кабели прокладываются по одному в траншее, а при магистральных резервированных - по два в одной траншее.

Таким образом, получены технико-экономические модели строительных работ при прокладке кабелей до 1000 В в пределах одного ТП, в зависимости от основных показателей указанных сетей. Как следует из (3.18), стоимость строительных работ не зависит от количества применяемых сечений жил кабелей и от их номенклатуры; следовательно, при унификации сечений жил кабелей не меняется. Стоимость строительных работ в дальнейшем используется для получения полной стоимости КЛ до 1000 В.

2.5 Математическая модель потерь электроэнергии при унификации сечений кабелей до 1000 В

Потери электрической энергии рассматриваются как один из критериев выбора оптимального количества применяемых сечений жил кабелей. Кроме того, они являются одной из основных составляющих приведенных затрат на электрические сети до 1000 В.

При произвольном распределении нагрузки вдоль линии и при применении кабелей различных сечений, число которых определяется числом участков по длине распределительной линии до 1000 В. (см.рис. 3.2а), потери электрической энергии определяются:



, (3.22)

где I_(k) -расчетный (максимальный) ток участка «К» линии до 1000В;

- удельное электрическое сопротивление токоведущей жилы, Ом* мм²/км;

-время максимальных потерь, час/год.

а)

б)

Рис.3.2 Расчетные схемы магистральной распределительной линии:

а) произвольное распределение нагрузки;

б) равномерное распределение нагрузки.

/ i₁ = i₂ =…….. = i_Ny = i /

При тех же допущениях, об идеализированном построении распределительных сетей и равномерном распределении нагрузки вдоль линии (см.рис.3.2б), потери электроэнергии в пределах одной ТП составляют:

 (3.23)

где I_r,H - ток головного участка линии до 1000 В, А.

При оговоренных выше условиях ток головного участка линии до 1000 В определяется следующим образом:

(3.24)

где U_H - номинальное напряжение сети, кВ.

Учитывая (3.24), выражение (3.23) можно записать:

(3.25)

С учетом (3.4) и (3.6), математическая модель потерь электроэнергии в линиях до 1000 В одной ТП (см.рис.3.1) после некоторых преобразований, принимает вид:

(3.26)

где

(3.27)

здесь - коэффициент аппроксимации, характеризующий зависимость потерь электроэнергии от количества применяемых сечений жил кабелей.

Как следует из исходных положений унификации сечений (3.26) унификация сечений жил кабелей приводит к снижению потерь электроэнергии в КЛ до 1000 В, причем наибольшее снижение потерь электроэнергии можно достичь при глубокой унификации сечений (один или два), что является одним из основных преимуществ данного принципа формирования линий.

Таким образом, получены математические модели потерь электроэнергии в сетях до 1000 В одного ТП, непосредственно связывающие их с количеством применяемых сечений жил кабелей. Полученные модели, в дальнейшем, могут быть использованы для составления комплексной технико-экономической модели РС до 1000 В и при многокритериальной унификации сечений жил кабелей.

2.6 Технико-экономическая модель затрат по эксплуатации кабельных линий до 1000 В

Затраты на эксплуатацию КЛ являются экономическим показателем эксплуатации городских электрических сетей. В связи с этим необходимо рассмотрение стоимости эксплуатационных работ на КЛ в зависимости от количества применяемых сечений жил кабелей. Объясняется это тем, что применение большого количества сечений жил кабелей приводит к определенному усложнению и удорожанию эксплуатации из-за повышенных объемов складских резервов кабелей, то же при проведении ремонтных работ и т.д.

Вышеуказанные факторы правильно отражаются в технико-экономической модели эксплуатационных работ в том случае, если стоимость эксплуатации определить по формуле:

И_(К) = И_3П(К) + И_М(К) + И_Т(К), (3.30)

где И_3П(К) - расходы на заработную плату персонала для проведения К-й работы;

И_М(К) ^- стоимость материалов и инструментов для проведения К-й работы;

И_Т(К) - транспортные расходы на проведение К-й работы.

Очевидно, что при унификации сечений жил кабелей снижаются расходы И_М(К) и И_Т(К). При этом И_3П(К) практически не изменяются, так как данная составляющая определяется в основном объемом эксплуатационных работ, что не зависит от количества применяемых сечений жил кабелей. Таким образом, стоимость эксплуатационных работ в основном снижается при унификации сечений жил кабелей.

Однако, в настоящее время, не существуют данные, связывающие составляющие (3.30) с количеством сечений жил кабелей. Поэтому затраты по эксплуатации КЛ (без учета стоимости потерь электроэнергии) для каждого расчетного периода будем определять по обычной методике:

И = И_р +И_к.р. + И_э (3.31)

где И_р - амортизационные отчисления на реставрацию;

И_к.р. - то же, на капитальный ремонт;

И_э -расходы по текущей эксплуатации КЛ.

Эти три составляющие затрат по эксплуатации КЛ определяются с учетом соответствующих коэффициентов отчисления от капитальных затрат на КЛ:

И = а_рК_? + а_кр К_{? +} а_э К_? (3.32)

где а_р, а_кр, а_э -соответственно, коэффициенты отчисления на реновацию, капитальный ремонт и текущую эксплуатацию, %;

К_? - суммарные капитальные затраты на КЛ, тыс.сум.

По справочным данным могут быть найдены значения коэффициентов отчисления для КЛ до 1000 В.

Представляется, что вышеуказанные преимущества унификации сечений при эксплуатации КЛ могут быть, отражены в модели с изменением составляющих И_к.р и И_э, то есть коэффициентов а_к.р и а_э. Однако, значения коэффициентов отчислений а_к.р и а_э. примерно составляют 0,3% и 1,5% от капитальных затрат на КЛ до 1000 В, соответственно. Это означает, что при изменении количества сечений жил кабелей значения И_к.р и И_э изменяются незначительно, поэтому их изменения не оказывают существенное влияние на стоимость эксплуатационных работ.

Для получения суммарных капитальных затрат (т.е. полная стоимость) к стоимости электромонтажных работ и кабелей необходимо прибавить затраты на сооружение строительной части, то есть

К_? =К_каб + К_м +К_стр (3.33)

Подставляя (3.7), (3.13), (3.18) и (3.33), после некоторых преобразований, получим суммарные капитальные затраты на КЛ до 1000 В в виде:

(3.34)

(3.35)

С учетом (3.34) технико-экономическая модель стоимости эксплуатационных работ по КЛ до 1000 В в пределах одной ТП принимает вид:

(3.36)

где

(3.37)

Полученные модели эксплуатационных расходов КЛ до 1000 В используются для составления комплексной технико-экономической модели РС до 1000 В при изучении унификации сечений жил кабелей.

2.7 Комплексная технико-экономическая модель затрат распределительных сетей до 1000 В

Суммарные затраты на РС до 1000 В состоят из суммарных годовых отчислений от капитальных затрат (в том числе стоимость эксплуатации) на эту сеть и стоимость потерь электроэнергии:

 (3.40)

где а_н -нормативный коэффициент эффективности использования капитальных затрат (0,12);

С_уд - удельные затраты на потери электроэнергии, тыс.у.е/кВт.час.

С учетом (3.7), (3.13), (3.17), (3.26) и (3.36) на основе (3.40) получена комплексная технико-экономическая модель приведенных затрат на РС до 1000 В в пределах одного ТП:

(3.41)

где

(3.42)

В комплексно-оптимизируемыми параметрами являются количества применяемых сечений жил кабелей до 1000 В, сечения головных участков линий до 1000 В и числа отходящих от ТП линий до 1000 В, по которым имеются конкурирующие эффекты.

Полученная комплексная технико-экономическая модель затрат на РС до 1000 В может быть использована при определении экономически целесообразного количества применяемых сечений жил кабелей до 1000 В. Кроме того, она применяется в качестве основного критерия, при многокритериальном решении задач глубокой унификации сечений жил кабелей и при учете неопределенности исходной информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обзор научной литературы и анализ практики осуществления и проектирования электрических сетей показали необходимость (возможность) и целесообразность оптимизации (унификации) параметров распределительных сетей до 1000 В.

2. Анализ методов оптимизации и унификации параметров электрических сетей показал необходимость разработки математических (технико-экономических) моделей распределительных сетей до 1000 В.

3. В качестве критерия оптимизации и унификации может быть использован показатель затраты, но в отдельных случаях используются показатели-потери электроэнергии.

4. На основе математических описаний стоимостных показателей сетей до 1000 В для одного источника питания составлены математические (технико-экономические) модели, предназначенные для оптимизации (унификации) сечений сетей до 1000 В.

5. Формированы комплексные математические (технико-экономические) модели суммарных затрат, потерь электроэнергии и расхода проводникового материала, которые могут быть использованы для оптимизации и унификации сечений сетей до 1000 В.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Постановление Президента Республики Узбекистан от 23 ноября 2016 года ПП-2661 «О программе по дальнейшей модернизации и обновлению низковольтных электрических сетей на период 2017-2021 г. г.»

2. Проблемы электроснабжения крупных городов и мегаполисов: ruscable.ru/article/Problemy_.... Прогноз потребления электроэнергии до 2030 года. coolreferat.com/Прогноз_...

3. Аллаев К.Р. Энергетика мира и Узбекистана. Аналитический обзор.-Т.: Издательство: «Молия», Банковско-финансовой академии. - 2007.- 388 с.

4. Шведов Г.В., Городские распределительные электрические сети: схемы и режимы нейтралы [Электронный ресурс]: учебное пособие / Г.В. Шведов - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - 108 с.

5. Козлов В.А. Городские распределительные сети.- Л.: Энергия. 2001. - 274 с.

6. Г.А. Фадеева, В.Т. Федин. Проектирование распределительных электрических сетей. - М.: Высшая школа, 2009. - 368 с.

7. Шведов Г.В. Электроснабжение городов: электропотребление, расчетные нагрузки, распределительные сети: учебное пособие / Г.В. Шведов - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - 268 с.

8. Инструкция по проектированию городских электрических сетей. РД 34.20.185-94. Министерство топлива и энергетики РФ. Энергоатомиздат, 1995. - 48с.

9. Ананичева С.С. Проектирование электрических сетей: учеб. пособие / С.С. Ананичева, Е.Н. Котова.- Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2017. - 164с.

10. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) /Кадыров Т.М., Каримов Х.Г., Саидходжаев А.Г., Гойибов Т.Ш., Сиддиков И.Х., УсмановЭ.Г. Бурханходжаев О.М., Камалов Т.С., Халиков С.С., Сайфуллаева Л.И., Таслимов А.Д., Рисмухамедов Д.А., Саидахмедов С.С. /Под общей ред. А.Д.Ниматуллаева, Б.Т.Ташпулатова, А.И.Усманова., Ташкент.: ГИ «Узгосэнергонадзор», «Fan - Poligraf». 2011. - 757 с.

11. Правила устройства электроустановок. Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. М.: Норматика, 2016. - 464с.

12. Еще раз об экономической плотности тока и унификации сечений кабельных линий 20кВ в мегаполисе [Электронный ресурс] / Васин В.П., Майоров А.В, Шунтов А.В. // Энергобезопасность и энергосбережение. - 2016. -№ 6(72). - С. 25-29.

13. Гринкруг М, Гордин С. Оптимизация параметров городских электрических сетей. «LAP Lambert Academie Publishing”. 2012.- 112 с.

14. Лещинская Т.Б. Оптимизация систем электроснабжения (в примерах и иллюстрациях).- М.: Издательство МЭИ, 2002. - 52 с.

15. Березнев Ю. И. Выбор сечений проводов линий 0,38 и 10кВ в условиях неопределённости и проблема унификации их шкалы // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики: научно-технический и производственный журнал. - 2009. - № 9/10. С. 38-40.

16. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д. Л. Файбисовича. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: ЭНАС, 2012. - 376 с.

17. Козлов В.А., Билик Н.И. Справочник по проектированию систем энергоснабжения городов.- Л.: Энергия, 2004.- 275с.

18. Справочник по электрическим сетям 0,4-35кВ и 110-1150кВ.Т. 2 / под ред. Е.Ф. Макарова. - М.: Папирус ПРО, 2003. - 622с.

19. А.Д. Таслимов. Унификация параметров городских распределительных электрических сетей в условиях неопределенности: Монография. - Т.: ТашГТУ, 2019. - 148 с.

20. Катренко Г.Н. Новые подходы к построению распределительных электрических сетей 0,4-35кВ. - Журнал «Электрические сети и системы», 2013, № 5, С. 25-29.

21. Ларина Э.Т. Силовые кабели высоковольтных кабельных линий: Учебник для вузов. Изд. 2-е переработанное и дополненное. -М.: «Энергоатомиздат», 1996.- 463с.

22. Таслимов А.Д. Математические модели в задачах оптимизации параметров и структур систем электроснабжения городов //«Проблемы энерго- и ресурсосбрежения».Ташкент. 2017, -№ 3-4. С.62-66.

23. Таслимов А.Д.,Товбаев А.Н., Хужанов Б.К. Комплексная технико-экономическая модель унификации сечений кабелей электрических сетей. //«Горный вестник Узбекистана». № 53. Навои, 2013г., С.122-124.

24. ГОСТ 8032-93. предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел. М.: Изд-стандартов, 1993. - 10с.

Размещено на Allbest.ru

...