В статье рассматривается оптимизация числа и мощности цеховых трансформаторных подстанций за счет применения низковольтных линий и компенсирующих устройств.
Ключевые слова: оптимизация, система электроснабжения, трансформаторные подстанции, компенсирующие устройства.
Эффективность использования электроэнергии — важнейшая часть обеспечения энергетической безопасности страны. Валовой внутренний продукт и комфортность жизни определяются электропотреблением, производительность труда — электровооруженностью. Рациональное увеличение потребления электроэнергии на душу населения актуально для России, где годовое электропотребление вдвое ниже, чем в США. Уровень же удельных и общих расходов электроэнергии недопустимо высок практически на все виды выпускаемой продукции. Энергоемкость национального дохода в 2–4 раза выше, чем в развитых странах [1].
На каждом этапе проектирования и эксплуатации системы электроснабжения, так или иначе, постоянно приходится осуществлять сравнение некоторого множества вариантов допустимых решений. С этой целью производится технико-экономический расчет для выбора наиболее оптимального варианта–задача оптимизации. При расчете учитываются отчисления от капитальных затрат на электроустановки и стоимости годовых потерь электроэнергии в них.
В качестве показателя, по величине которого будет оцениваться оптимальность решения, критерием оптимальности, принимается экономический критерий, представляющий собой приведенные затраты на реализацию поставленной задачи. При заданной или ограниченной величине указанных затрат экономический критерий выражается в получении максимальной прибыли [2].
Система электроснабжения — это совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электроэнергией. Она включает сети напряжения до 1000В и выше 1000В, связанные между собой трансформаторными подстанциями (ТП). В проектах электроснабжения и электрооборудования промышленных объектов большое внимание уделяется электрическим сетям различных напряжений, с помощью которых осуществляется связь электроприемников с источниками питания (ИП). Принятая схема сети устанавливает ее параметры и конфигурацию, определяющую взаимное расположение линий и трансформаторных подстанций, и оказывает существенное влияние на основные технико-экономические показатели СЭС.
Число и мощность трансформаторов предприятия обычно определяются с учетом компенсации реактивной мощности. Поэтому технико-экономическому сравнению подлежат схемы внутризаводского электроснабжения, использующие как однотрансформаторные, так и двухтрансформаторные подстанции. Сравниваемые варианты должны быть простыми и учитывать современные тенденции и принципы построения СЭС. Кабельные линии необходимо прокладывать по кратчайшим трассам, вдоль стен зданий и инженерных коммуникаций. Расположение РП и ТП должно быть таким, чтобы исключались обратные потоки электроэнергии. Следует также выявить наиболее ответственных потребителей и обеспечить им соответствующее резервирование по сети 6–10 или до 1 кВ [3].
Учитывая, что общие затраты — это сумма затрат на ЛЭП и ТП, получаем типичную задачу оптимизации: найти такой вариант расстановки и мощности ТП, при котором общие затраты минимальны.
Упрощенная математическая формулировка этой задачи выглядит следующим образом [4]:
при соблюдении ограничений
где
Рис. 1. Генплан завода с расположением участков и ТП
Поиск оптимального варианта происходит следующим образом.
Алгоритм полного перебора начинается с максимального количества ТП. Но схема, где предусмотрена установка ТП на каждом участке, не выгодна в технико-экономическом плане, трансформаторы маломощных цехов попросту не загружены и работают практически на холостом ходу. В таком случае принимается решение запитать участок по низковольтной линии от подстанции другого участка.
Поскольку расчетные затраты состоят из приведенных затрат на ЛЭП, ТП и КУ, то они будут снижаться вследствие уменьшения приведенных затрат ТП за счет уменьшения их общего количества, но при этом и возрастать из-за возникших затрат на новые низковольтные линии. В этом и заключается задача оптимизации, найти вариант «золотой середины», перебрать все варианты и выявить, в каких цехах подвод низковольтных линий обойдется дешевле собственной КТП.
Следовательно, следующие варианты имеют меньшее количество ТП, т. е. в цехах с малой нагрузкой они исключаются и питание поступает от ТП другого цеха. Таким образом, происходит перебор сочетаний, и здесь из всех сочетаний 27 по 3 ищутся сочетания с наименьшими приведенными затратами. Маломощные ЭП подключаются поочередно к разным ТП после чего происходит сравнение затрат, к какому участку его выгоднее всего подключить. К примеру, цех под номером 14 дешевле всего присоединить к участкам 16 или 22. Или же если рассмотреть участки 1,2 и 3, то здесь явно выгоднее каких-то два из них объединить и поставить одну ТП на два цеха, нежели сооружать для каждой отдельно.
Полученный результат — оптимизированная система электроснабжения:
Рис. 2. Итоговый генплан завода
Вдобавок к этому, проанализированы варианты размещения КУ: на шинах высокого и низкого напряжения.
Рис. 3. Диаграмма приведенных затрат КУ
Несмотря на свою дороговизну, низковольтные КУ являются более оптимальным решением, в среднем общие затраты с применением низковольтных КУ меньше на 5–10 %. Снижение общих затрат получаем за счет уменьшения потока реактивной мощности на стороне высокого напряжения, что приводит к разгрузке трансформаторов и высоковольтных кабельных линий.
Весь расчет выполнен средствами программы EXCEL.
Литература:
- Кудрин Б. И. Электроснабжение промышленных предприятий: учебник для студентов высших учебных заведений. / Б. И. Кудрин. — М.: Интермет Инжиниринг, 2006. — 672 с.
- Костин В. Н. Оптимизационные задачи энергетики: Учеб. пособие. — СПб.: СЗТУ, 2003. — 120 с
- Радкевич В. Н. Проектирование систем электроснабжения: Учеб. пособие. — Мн.: НПООО «ПИОН», 2001. — 292 с
- Гордиевский И. Г. Критериальный анализ некоторых технико-экономических задач энергетики. / И. Г. Гордиевский. — М.: Высшая школа, 2002. — 352 с.
