РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ С НЕОДНОРОДНЫМИ НАГРУЗКАМИ
РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ С НЕОДНОРОДНЫМИ НАГРУЗКАМИ
Аннотация
Работа направлена на решение актуальной задачи обеспечения оптимальных уровней напряжения в распределительных сетях электроэнергетических сетях среднего и низкого напряжения, в узлах которых имеет место совместная работа резкопеременной промышленной нагрузки и коммунально-бытовой нагрузки с относительно небольшими и плавными колебаниями в течение суток. В экспериментальной части работы представлены результаты инструментальных измерений в течение суток междуфазных напряжений на шинах низкого напряжения подстанции, нагрузка которой является типичной «коммунально-бытовой», а также суточный график изменения активной и реактивной мощностей на подстанции с резко-переменной промышленной нагрузкой (нагрузка мощного угольного разреза). Режимы работы системы электроснабжения рассматриваемого узла энергосистемы были смоделированы в программном комплексе RastrWin. Моделирование показало, что для нормализации напряжения в узлах нагрузки подстанций, питающих коммунально-бытовую нагрузку, обязательно автоматическое управление коэффициентами трансформации на этих подстанциях совместно с решением вопроса о применении устройств компенсации реактивной мощности.
1. Введение
Регулирование напряжения в распределительных сетях является основой повышения эффективности их работы и тесно связано с управлением балансами активной и реактивной мощности, что позволяет добиваться оптимального результата с точки зрения снижения потерь электроэнергии. Вопросам регулирования напряжения и уменьшения потерь электроэнергии за счёт применения различных методов регулирования активной и реактивной мощности посвящены работы , , . Значительное количество работ посвящено развитию и применимости на практике современных активно-адаптивных устройств по регулированию параметров сети , .
Одним из подходов к управлению балансами активной и реактивной мощности является оптимальное применение компенсирующих устройств. Компенсация реактивной мощности не только нормализует уровни напряжения, но и снижает потери электроэнергии, увеличивает пропускную способность элементов сети, повышает надёжность ее функционирования, снижает затраты на строительство новых линий и подстанций при увеличении нагрузки потребителей. Эффективность воздействия компенсирующих устройств на сеть зависит от места их установки и мощности.
Другим подходом к управлению балансами активной и реактивной мощность в распределительных сетях является оптимальное регулирование напряжения, которое принято называть встречным. Встречное регулирование напряжения предполагает разработку и внедрение адаптивных алгоритмов регулирования напряжения, а также учет неопределенности, динамические изменения в распределительных сетях и другие факторы , , . В условиях цифровизации электроэнергетики особенно актуально решение задач поиска способов автоматизации выбора оптимальных коэффициентов трансформации посредством устройств регулирования под нагрузкой трансформаторов. Одним из ключевых элементов в управлении напряжением в распределительных сетях является оптимальное управление коэффициентом трансформации силовых трансформаторов. В условиях цифровизации энергетических объектов одним из научных направлений является разработка способов оптимизации и автоматизации регулирования напряжения с целью повышения энергетической эффективности работы распределительных сетей , .
Задача управления балансами активной и реактивной мощности особенно актуальна в распределительных электроэнергетических сетях среднего и низкого напряжения, в узлах которых имеет место совместная работа резкопеременной промышленной нагрузки и коммунально-бытовой нагрузки с относительно небольшими и плавными колебаниями в течение суток. Регулирование напряжения в таких узлах требует применения эффективных методов и алгоритмов, которые могли бы учитывать колебания нагрузки и поддерживать напряжение в заданных пределах. Нами был рассмотрен в качестве объекта исследования один из таких участков распределительной сети 35/10 кВ энергосистемы Республики Хакасия.
2. Методы и принципы исследования
Методика оптимального регулирования напряжения включает в себя выбор числа, мощности и мест установки компенсирующих устройств и управление коэффициентами трансформации силовых трансформаторов.
Оптимизация режима по реактивной мощности выполняется для выбора модулей напряжения () в узлах, которые могут являться источниками реактивной мощности, и коэффициентов трансформации (
) в трансформаторах, имеющих устройство регулирования под нагрузкой или вольтодобавочные трансформаторы. Обычно эти устройства используют для поддержания напряжений в заданных пределах:
и уменьшения потерь активной мощности. Решение этой задачи сводится к минимизации целевой функции:
где –– потери активной мощности в ветви ij. Потери могут быть рассчитаны через модули и углы напряжений по концам ветви:
–– число ветвей, по которым минимизируются потери. Это могут быть все или только выбранные ветви. Возможна ситуация, когда это число равно нулю, и в этом случае потери не минимизируются.
–– количество узлов
–– нарушение ограничений (2), равное:
–– штрафной коэффициент, подбирается эмпирически.
Минимизация функции потерь мощности осуществляется изменением:
• модулей напряжений и реактивной мощности в узлах-источниках реактивной мощности в заданных пределах:
• коэффициентов трансформации в трансформаторах с ВДТ или РПН в заданных пределах:
Для определения наилучших значений и
(независимые переменные) организуется итерационный процесс.
Модель рассматриваемого узла распределительной сети была реализована в программном комплексе RastrWin3.
3. Основные результаты
В качестве объекта исследования был выбран участок распределительной сети Хакасской энергосистемы, включающий в себя три понизительные подстанции 35/10кВ, связанные воздушными линиями электропередачи. Схема сети приведена на рисунке 1. От подстанции «УР Майрыхский» питается угольный разрез, мощная нагрузка которого является резкопеременной в течение суток. Суточный график активной и реактивной нагрузки этого потребителя представлен на рисунке 2. Две другие подстанции питают сельские населённые пункты с преобладанием спокойной коммунально-бытовой нагрузки.
Рисунок 1 - Объект исследования
Рисунок 2 - Графики активной и реактивной нагрузки подстанции «УР Майрыхский»
Результаты инструментальных измерений междуфазных напряжений, которые были выполнены на шинах 35 кВ подстанции «Кирба», представлены на рисунке 3.
Рисунок 3 - Графики отклонений междуфазных напряжений на шинах 35 кВ подстанции «Кирба»
На первом этапе оптимизационных расчетов для улучшения режима работы в рассматриваемом узле распределительной сети с целью поддержания допустимых уровней напряжения и снижения потерь с использованием модели в программном комплексе «RastrWin3» были определены оптимальные места установки и мощности компенсирующих устройств по критерию минимума целевой функции. В качестве устройств компенсации реактивной мощности можно предложить к установке батареи статических конденсаторов.
Следует отметить, на стороне 10 кВ ведомственной подстанции «УР Майрыхский» установлено четырехзвенное фильтрокомпенсирующее устройство, состоящее из двух фильтров, настроенных на 5-ю гармонику и двух фильтров, настроенных на 7-ю гармонику. Суммарная мощность фильтровых батарей составляет 0,1 МВАр. Однако, данное фильтрокомпенсирующее устройство в нормальной схеме отключено и используется только при запуске мощного оборудования потребителя. Результаты проведенных нами оптимизационных расчетов показали, что для обеспечения в режиме максимальной нагрузки номинальных уровней напряжения на шинах 35 кВ потребителей и для снижения потерь активной мощности в элементах рассматриваемого узла распределительной сети необходимо обеспечить постоянное включение по нормальной схеме фильтрокомпенсирующего устройства. При таких условиях на подстанции «Аршаново» и подстанции «Кирба» расчетное значение реактивной мощности, генерируемой предполагаемыми компенсирующими устройствами, по условиям оптимизации режима составило, соответственно, 0,8 МВАр и 2,5 МВАр. Анализ полученных результатов расчета позволил сделать следующие выводы.
• С учетом того, что нагрузка подстанции «УР Майрыхский» дает явно выраженные суточные и сезонные колебания активной и реактивной мощности, генерация реактивной мощности компенсирующими устройствами на должна уменьшаться в режимах минимальной нагрузки. Таким образом, применяемые батареи статических конденсаторов должны быть регулируемыми по мощности. Это существенно увеличивает затраты на их установку и эксплуатацию.
• Установка батарей статических конденсаторов позволит снизить потери активной мощности в сети напряжением 35 кВ режиме максимальной нагрузки на 2,17%.
• В период минимальных (летних) нагрузок компенсация реактивной мощности в рассматриваемом узле распределительной сети не требуется, так как нагрузки потребителей подстанции «УР Майрыхский» существенно ниже, чем в зимний период. При этом напряжение на шинах 35 кВ на подстанции «Аршаново» и подстанции «Кирба» недопустимо возрастает по сравнению с номинальным.
Таким образом, одна только компенсация реактивной мощности не решает полностью задачу регулирования напряжения в узлах рассматриваемого участка распределительной сети. Поэтому на втором этапе были проведены расчеты по выбору оптимальных коэффициентов трансформации силовых трансформаторов и стабилизации напряжения на фидерах 10 кВ, питающихся от подстанции «Кирба». Для выполнения расчетов на базе программного комплекса RastrWin3 была разработана комплексная модель рассматриваемого участка сети, в состав которой входят подстанции «Аршаново», «Кирба» и подстанция «УР Майрыхский», а также сети 10 кВ и 0,4 кВ, питающиеся от подстанции «Кирба».
По результатам оптимизационных расчетов получены приемлемые по условиям встречного регулирования уровни напряжения в любом из возможных режимов, имеющих место на каждой из рассматриваемых подстанций.
Совместное применение устройств компенсации реактивной мощности и устройств автоматического регулирования напряжения на трансформаторах подстанции «Аршаново» и подстанции «Кирба» позволяет поддерживать оптимальные уровни напряжения, полученные в результате проведения оптимизационных расчетов с использованием предложенной модели. Так, например, в режиме максимальной нагрузки подстанции «УР Майрыхский» оптимальное напряжение на 1-й секции шин подстанции «Кирба» составило 11,01 кВ, а на 2-й секции шин – 10,87 кВ. При минимальной нагрузке на подстанции «УР Майрыхский» оптимальное напряжение составило 10,6 кВ на 1-й секции шин подстанции «Кирба» и 10,1 кВ на 2-й секции шин этой подстанции. Компенсирующие устройства на всех рассматриваемых подстанциях в обоих режимах.
4. Заключение
В работе были рассмотрены вопросы управления качеством электроэнергии по критерию отклонения напряжения. Для конкретного узла распределительной сети с коммунально-бытовой и мощной промышленной резкопеременной нагрузкой были определены оптимальные коэффициенты трансформации силовых трансформаторов при совместной работе устройств компенсации реактивной мощности и устройств автоматического регулирования напряжения. Анализ характерных режимов рассматриваемого узла сети показал, что компенсация реактивной мощности в рассматриваемом случае является недостаточным мероприятием, поэтому целесообразно применение устройств автоматического регулирования напряжения.
Использование устройств автоматического регулирования напряжения трансформаторов позволяет поддерживать стабильное напряжение в сети, предотвращая недопустимые отклонения напряжения у потребителей и снижая риск возникновения сбоев в работе электрооборудования. Одновременно с этим управление коэффициентом трансформации силовых трансформаторов способствует минимизации потерь электроэнергии и повышению энергетической эффективности распределительных сетей.