В статье автор исследует системы рекомендаций по оптимизации потерь активной мощности в сложных электрических сетях с использованием оперативных методов.
Ключевые слова: активная мощность, электрические сети, цифровой двойник.
Современная электрическая сеть представляет собой совокупность большого количества оборудования, включая трансформаторы и линии электропередач (ЛЭП), которые объединены в единую энергосистему. В процессах развития энергосистемы, а также при резервировании некоторых участков может использоваться один или комбинация из нескольких вариантов.
При анализе потерь активной мощности подстанции следует обращать внимание на недогруженность силовых трансформаторов, когда потери на холостой ход превышают нагрузочные. В таком случае оптимальным решением является отключение одного из трансформаторов на подстанции [2, с. 6], если это возможно по критерию обеспечения надежности энергопотребления [3, с. 23].
При эксплуатации электрических сетей актуальной задачей является снижение потерь активной мощности. Потери активной мощности сети могут возникать из-за перетоков реактивной мощности по ЛЭП [4, с. 45]. Существует несколько способов их уменьшения и одним из них является отключение одного из элементов сети [2, с. 87]. Однако в сложной схеме трудно предсказать ожидаемый эффект отключения одной или нескольких линий из-за сложности уравнений, используемых для расчета потерь в сети.
Развитие цифровых устройств и компьютерных технологий позволяет автоматизировать процесс оптимизации сложных электрических сетей. В настоящее время наблюдается явная тенденция к использованию цифровых двойников объектов электроэнергетики для проведения анализов и испытаний конфигурации и режимов работы перед вводом в эксплуатацию новых методов или устройств. Этот метод позволяет оценить вероятные последствия введения новых элементов или режимов работы и сделать вывод о возможности их внедрения.
Объектом исследования является кольцевая сеть 110 кВ «Талашкино — Рославль-330», расположенная в Смоленской области. Она состоит из 9 распределительных понижающих подстанций (ПС). Параметры оборудования в данной статье не приводятся в виду их большого объема.
Отпайки к подстанциям «Карьерная», «Промышленная», «Поселки» и «Пригорье» выполнены проводами АС-120. Подстанции «Поселки» и «Пригорье» не участвуют в процессе оптимизации, поэтому данные об их трансформаторах не представлены.
Рис. 1. Структурная схема исследуемой электрической сети
Для изучения участка электрической сети, показанного на рис. 1, был создан его цифровой двойник в библиотеке Simulink программного пакета Matlab.
В номинальном режиме включены все ЛЭП и трансформаторы, включая секционные выключатели на стороне высокого напряжения подстанций, секционные выключатели на стороне среднего (СН) и низкого (НН) напряжения отключены. Выбор трансформатора, подлежащего отключению на подстанции (если этот режим является оптимальным), осуществляется после оценки работы ЛЭП. Если один из них выключен, смежный трансформатор должен быть включен, чтобы обеспечить электроснабжение всех подключенных к секциям подстанции СН и НН.
Таблица 1
Нагрузка трансформаторов, используемых в модели
|
Подстанция |
Реальные значения |
Модель |
||||
|
Р нн , Мвт |
Q нн , МВар |
Р нн , Мвт |
|
Q нн , МВар |
|
|
|
Карьерная |
5.120 |
3.690 |
4.949 |
3.34 |
3.765 |
2.03 |
|
Починок |
6.110 |
3.270 |
6.073 |
0.61 |
3.345 |
2.29 |
|
Васьково |
1.480 |
0.930 |
1.400 |
5.41 |
0.988 |
6.24 |
|
Стодолище |
0.900 |
0.580 |
0.877 |
2.56 |
0.633 |
9.14 |
|
Монастырщина |
5.740 |
2.860 |
5.704 |
0.63 |
2.964 |
3.64 |
|
Хиславичи |
4.920 |
2.350 |
4.893 |
0.55 |
2.413 |
2.68 |
|
Шумячи |
1.960 |
1.110 |
1.887 |
3.72 |
1.125 |
1.35 |
|
Ершичи |
1.560 |
0.850 |
1.513 |
3.01 |
0.890 |
4.71 |
|
Индустриальная |
4.770 |
3.120 |
4.725 |
0.94 |
3.191 |
2.28 |
|
Поселки |
0.960 |
0.440 |
0.970 |
1.04 |
0.420 |
4.55 |
|
Пригорье |
1.290 |
0.960 |
1.310 |
1.55 |
0.953 |
0.73 |
Максимальная погрешность воспроизведения характеристики внешней мощности не превышает 5 %. Результаты работы цифрового двойника используются для расчета потерь активной мощности в сети, в соответствии с которыми оценивается режим работы оборудования.
Система рекомендаций по оптимизации конфигурации сети работает по следующему принципу.
Во-первых, контрольное измерение потерь активной мощности выполняется в номинальном режиме. Результаты расчета потерь в трансформаторах и линиях записываются в специальный массив. Затем моделируется модель с одним отключенным трансформатором на каждой подстанции (возможность отключения трансформатора предварительно оценивается при реализации модели). Сравниваются результаты этих двух режимов. Если потери активной мощности на одной или нескольких подстанциях уменьшились, система изменяет номер их трансформаторов в массиве рабочих процессов SS, который отвечает за режим работы всей модели SS. Дальнейшее моделирование будет проведено с оптимальными настройками трансформаторов на подстанциях. Рабочий процесс подстанции для исследуемого объекта с потерями в номинальном режиме и режиме отключения одного трансформатора показан в таблице 2.
Таблица 2
Рабочий процесс подстанций для исследуемых сети
|
Подстанции |
Номинальные потери, кВт |
Потери при отключенном ТР, кВт |
Номер отключенного ТР |
|
|
1 |
Карьерная |
47.31 |
83.98 |
2 |
|
2 |
Починок |
268.26 |
506.52 |
1 |
|
3 |
Васьково |
80.15 |
30.34 |
2 |
|
4 |
Стодолище |
77.08 |
35.84 |
1 |
|
5 |
Монастырщина |
71.24 |
102.75 |
2 |
|
6 |
Хиславичи |
38.81 |
55.10 |
1 |
|
7 |
Шумячи |
77.42 |
102.02 |
2 |
|
8 |
Ершичи |
19.34 |
16.43 |
2 |
|
9 |
Индустриальная |
48.50 |
60.96 |
2 |
Результаты показывают, что общие потери активной мощности на подстанциях после оптимизации (728,11 кВт) снизились на 26,7 % по сравнению с номинальным режимом (993,94 кВт), что указывает на целесообразность использования данного метода в конкретном случае.
После оптимизации режима работы трансформаторов на подстанциях система моделирует модель с последовательным отключением каждой линии электропередачи. Если некоторые из учтенных в модели нагрузок после отключения одной из линий не под напряжением, такая конфигурация схемы считается невозможной (impossible configuration) и расчет потерь для нее не выполняется. Решение о выборе конкретной конфигурации принимается с использованием ранее скомпилированной матрицы инцидентов сети посредством поиска в глубину [5, с. 77]. Если невозможно попасть хотя бы в один из узлов нагрузки после отключения одного из элементов системы, конфигурация с отключенной линией не допускается для расчета потерь. Исследуемая системная матрица инцидентности содержит 25 (включая 6 отпаек к тупиковым подстанциям) элементов и 71 узел (25x71). В данном случае рассчитанные активные потери в моделируемом оборудовании записываются в массив результатов. Данные о допустимых и неприемлемых конфигурациях, названия отключенных линий и потери активной мощности в «Вт» отображаются в режиме реального времени на экране консоли программного пакета Matlab.
Рис. 3. Алгоритм работы программы
Для изученного распределения нагрузки результат работы программы представлен в таблице 3.
Таблица 3
Результат работы программы
|
Отключенные ЛЭП |
Потери, МВт |
Снижение потерь, % |
|
|
1 |
ВЛ-111 |
1.0186 |
18.5 |
|
2 |
ВЛ-110 |
1.0202 |
18.3 |
|
3 |
ВЛ-111, ВЛ-156 |
1.0502 |
15.9 |
|
4 |
ВЛ-110, ВЛ-156 |
1.0617 |
15.0 |
|
5 |
ВЛ-194 |
1.0640 |
14.8 |
Таким образом, оптимальная конфигурация схемы по критерию минимизации потерь активной мощности достигается при отключении линии ВЛ-111 и одного трансформатора на подстанциях «Васьково», «Стодолище» и «Ершичи».
Анализ схемы показывает, что исследованные конфигурации электрической сети, указанные в таблице 2, могут быть реализованы на практике после расчета надежности, допустимости и эффективности.
В результате проведенной работы были получены результаты, и сделаны следующие выводы:
Представлена система рекомендаций, основанная на программном пакете Matlab, которая позволяет определить оптимальную конфигурацию сложной электрической сети по критерию минимизации потерь активной мощности. Система предлагает несколько вариантов, которые могут быть приняты к эксплуатации обслуживающим персоналом при текущих нагрузках системы после предварительного расчета надежности. Система рекомендаций позволяет генерировать сигналы, указывающие оптимальные точки отключения элементов сети по критерию минимизации потерь активной мощности, в режиме реального времени без предварительного переключения реального оборудования. Такой подход может быть использован в работе сетевой компании для оптимизации режимов работы электрических сетей во взаимодействии с другими цифровыми системами.
Результат может быть получен в режиме реального времени и во время действий по прогнозированию электрических нагрузок. Это позволяет заранее составить план переключения элементов системы и предварительно оценить наиболее перспективный из предложенных режимов работы.
К недостаткам системы относится усложнение настройки оборудования релейной защиты и автоматики, а также повышение технических требований к вычислительному оборудованию, которое вычисляет режим в режиме реального времени.
Цифровой двойник реальной кольцевой сети был разработан в среде Matlab с точностью до 95 %. Полученная модель используется для расчета потерь активной мощности в виде цифровой копии при различных режимах работы коммутационного оборудования.
Ожидаемый эффект от эксплуатации системы заключается в снижении потерь активной мощности в электросети до 20 % в зависимости от распределения нагрузки и конфигурации схемы.
Литература:
- Рожкова Л. Д., Козулин В. С. Электрооборудование станций и подстанций. Учебник для колледжей. — 3d-издание. — М.: Энергоатомиздат, 1987
- Шелезко У. С., Электрические потери. Реактивная мощность. Качество электрооборудования, ENAS, Москва (2009), 456 страниц
- ГОСТ 32144–2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств является электромагнитной. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. 2013 (Москва). Стандартинформ
- Идельчик В. И., Электрические системы и сети, 1-е изд., Электроатомиздат, Москва (1989), 592 страницы.
- Харари Ф. Теория графов. — Издательство «Мир», 1973.
