ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ВЕКТОРА УПРАВЛЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ЗАДАЧЕ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Ширяев А.С.¹, Калимуллин А.Т.², Мельников С.А.³, Шакенов Е.Е.⁴, Плотников Д.И.⁵

¹ORCID: 0000-0002-1633-0771 аспирант,  ²ORCID: 0000-0002-6545-5407 аспирант, ³ORCID: 0000-0001-9226-297Х студент, ⁴ORCID:0000-0001-5086-071Х студент, ⁵ORCID: 0000-0002-4566-4885 студент,

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ВЕКТОРА УПРАВЛЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ЗАДАЧЕ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Аннотация

В статье произведён расчёт технических мероприятий по снижению потерь электроэнергии на примере простой неразветвлённой сети. Определено оптимальное мероприятие по снижению потерь электроэнергии. При расчёте потерь электроэнергии на 10 кВ учитывался график электрических нагрузок. Сравнение полученных результатов в рамках данной статьи с имеющимися результатами свидетельствует о том, что выбор мероприятий должен осуществляться по специальным техническим расчётам, которые учитывают взаимное влияние мероприятий, оказываемое на потери электроэнергии в линиях электропередачи и трансформаторах.

Ключевые слова: потери электроэнергии, комбинация мероприятий, минимум целевой функции, трансформаторы, линии электропередачи.

Shiryaev A.S.¹ , Kalimullin A.T.² , Melnikov S.A.³ , Shakenov E.E.⁴, Plotnikov D.I.⁵

¹ORCID: 0000-0002-1633-0771, postgraduate student, ²ORCID: 0000-0002-6545-5407, postgraduate student, ³ORCID: 0000-0001-9226-297Х student, ⁴ORCID: 0000-0001-5086-071Х student, ⁵ORCID: 0000-0002-4566-4885student,

 Omsk State Technical University

DETERMINATION OF OPTIMUM VECTOR OF CONTROL ACTION IN PROBLEM OF ELECTRICITY LOSS REDUCTION

Abstract

The calculation of technical measures for reduction of electric power losses on the example of a simple unbranched network is carried out in the article. The optimal measure to reduce energy losses is determined. When calculating electricity losses by 10 kV, the schedule of electrical loads is taken into account. Comparison of the results obtained in this article with the available results shows that the choice of measures should be carried out according to special technical calculations that consider the mutual influence of the activities rendered on electric power losses in power transmission lines and transformers.

Keywords: power losses, combination of measures, minimum objective function, transformers, power lines.

Одним из важнейших показателей, характеризующих эффективность эксплуатации электрических сетей, является уровень потерь электроэнергии. В настоящее время существуют достаточно большое количество методов расчёта и снижения величины потерь электроэнергии [1], [2].  Также данный показатель внесён в целевую группу показателей государственных программ, направленных на развитие электросетевого комплекса и, как следствие, экономики Российской Федерации [3], [4].

Производство и передача электроэнергии является сложным технологическим процессом, каждый этап которого должен управляться в соответствии с оптимальным законом.  Как уже было отмечено, потери электроэнергии являются важным показателем, характеризующим экономическую эффективность управления электроэнергетикой. Потери электроэнергии в настоящее время подразделяются на техническую и коммерческую составляющую. Сутью политики, направленной на снижение коммерческих потерь электроэнергии является борьба с хищениями, усовершенствование приборно-измерительной базы, осуществляющей учёт электроэнергии. В действительности, задача повышения эффективности управления электрическими сетями является комплексной и требует разработки алгоритмов уменьшения коммерческой и технической составляющих.

На практике присутствует доля потерь, напрямую зависящая от режимов эксплуатации электроэнергетических объектов и не поддающаяся коммерческому учёту. Задача минимизации данного типа потерь, как правило, требует значительных капитальных затрат и, соответственно, поиска оптимальных путей их снижения. В настоящей статье, в силу названных причин, именно данная задача представляет наибольший интерес.

Наибольшая доля технических потерь сконцентрирована на этапе распределения электроэнергии, в распределительных сетях, в таких элементах, как линии и трансформаторы.

В настоящее время, подход, который используется на практике, не учитывает возможного взаимного влияния мероприятий, оказываемого на потери в элементах сети. В рамках данной статьи предложен подход, позволяющий рассмотреть все возможные случаи вводимых мероприятий.

Суть предлагаемой методики заключается в определении общего числа возможных мероприятий на основании наиболее распространённых технических мероприятий в настоящее время (компенсация реактивной мощности на примере БСК, замены недогруженных трансформаторов и замены проводов меньшего сечения на провод большего сечения), сроков окупаемости, потерь электроэнергии и минимума приведённых затрат для каждого мероприятия. Наиболее подробное описание методики изложено в [5, С. 188-190], [6, С. 95-99].

Расчёт потерь электроэнергии в линиях, трансформаторах, сроков окупаемости и приведённых затрат находятся по следующим формулам соответственно:

    (1)

    (2)

     (3)

Где  - потери электроэнергии в линии [кВт],  - потери электроэнергии в трансформаторе [кВт], Т_ок - сроки окупаемости [руб.], З - приведённые затраты [руб.], И_а - амортизационные отчисления на ремонт оборудования до и после ввода мероприятия соответственно [руб.], С_ээ - стоимость электроэнергии равная 3,2 [руб/кВт∙ч].  - потери электроэнергии в исходном режиме и после ввода мероприятий соответственно [кВт ч].

Для поиска оптимального мероприятия или комбинации мероприятий рассмотрена простая неразветвлённая сеть, представленная на рисунке 1.

Рис. 1 – Расчётная схема

Таблица 1 – Исходные данные для потребителя

I2	cos
90	0,85

 

Таблица 2 – Исходные данные для линии электропередачи

 

Таблица 3 – Исходные данные для трансформатора

Марка трансформатора	DPКЗ, кВт	DPХХ, кВт	Цена, руб.
ТМ-2500/10	23,50	3,85	1200000

 

Для потребителя  10 кВ задан годовой график электрических  нагрузок, представленный на рисунке 2. В таблицу 4 сведены результаты расчёта потерь электроэнергии, рассчитанные с учётом годового графика электрических нагрузок.

Рис. 2 – Годовой график электрических нагрузок для потребителя 10 кВ

Таблица 4 – Результаты расчёта потерь электроэнергии для потребителя S₁ 10 кВ

Произведём расчёт потерь электроэнергии на 0,4 кВ и определим необходимое оборудование для снижения потерь электроэнергии.

Для достижения максимального эффекта при компенсации реактивной мощности в задаче снижения потерь электроэнергии целесообразно выбрать следующее компенсирующее устройство БСК УКМ58-0,4-700-50У3. Тогда полная мощность будет равна:

Поскольку трансформатор ТМ-2500/10 загружен на 50% от номинальной мощности, то целесообразно проанализировать возможность ввода мероприятия по замене недогруженных трансформаторов. Соответственно, выбираем трансформатор меньшей номинальной мощности ТМ-1600/10. А также произведём замену провода АС-35 на СИП-3 1х50.

 

Таблица 5 – Параметры провода СИП-3 1х50 [7]

Таблица 6 – Данные для трансформатора ТМ-1600/10 [8]

Марка трансформатора	PКЗ, кВт	PХХ, кВт	Цена, руб.
ТМ-1600/10	18	2,35	830000

 

Таблица 7 – Перечень возможных вводимых мероприятий

Обозначение	Намечаемые мероприятия	Капиталовложения, руб.
М1	Установка БСК УКМ58-0,4-700-50У3 на S2	274400
М2	Замена провода АС-35 на СИП-3 1x50	61560
М3	Замена трансформатора ТМ-2500/10 на ТМ-1600/10	830000
М4	Замена провода АС-35 на СИП-3 1x50 и установка БСК УКМ58-0,4-700-50У3 на S2	335960
М5	Замена трансформатора ТМ-2500/10 на ТМ-1600/10 и установка БСК УКМ58-0,4-700-50У3 на S2	1104400
М6	Замена трансформатора ТМ-2500/10 на ТМ-1600/10, замена провода АС-35 на СИП-3 1x50, установка БСК УКМ58-0,4-700-50У3 на S2	1165960

 

По формулам (1)-(4) для каждого мероприятия и их комбинаций мероприятий произведём расчёт потерь активной мощности, электроэнергии, сроков окупаемости и приведённых затрат. При расчёте потерь энергии продолжительность использования максимума нагрузки для бытовых потребителей равна  [9, с. 714]. Результаты расчётов приведены в таблице 8.

 

Таблица 8 – Результаты расчета

№	Кап.влож, руб.	SDPЛ, кВт	SDPтранс., кВт	SDP, кВт	Tок, год	SDW, кВтч	З, руб
0	-	59,09	12,98	72,07	-	216368	692378
М1	274400	47,46	10,45	57,91	2,29	173884	572620
М2	61560	26,24	12,98	39,23	0,2	117827	385889
М3	830000	59,09	19,43	78,52	20,71	235715	971260
М4	335960	43,98	10,45	54,43	2,21	163438	548034
М5	1104400	47,46	14,69	62,16	10,95	186618	830339
М6	1165960	43,98	15,19	59,17	9,12	177673	810553

 

Если соотноситься с результатами расчётов, полученных в [10, С. 220-221], [11, С. 50-54], то можно сделать вывод, что невозможно однозначно определить оптимальную комбинацию мероприятий. Поскольку для данной схемы оптимальным мероприятием является одиночное мероприятие М2 – «замена провода АС-35 на СИП 3 1х50». В данном случае, такое мероприятие, как замена недогруженного трансформатора ТМ-2500/10 на ТМ-1600/10 проводить нецелесообразно при загрузке трансформатора на 50%, поскольку сроки окупаемости не удовлетворяют нормативному значению 20,7> 8,3 года.

Из полученных результатов расчёта видно, что определение мероприятия, соответствующего минимуму приведённых затрат из общего числа возможных мероприятий является важной задачей и требует поиска оптимальных алгоритмов их определения с последующей разработкой рекомендаций к практическому применению.

Список литературы / References

1. Железко Ю. С.Потери электроэнергии, реактивная мощность, качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С Железко. – М.: ЭНАС, 2009. – 456 с.
2. Железко Ю. С.Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях: Руководство для практических расчётов / Ю.С. Железко. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 176 с.
3. Правительствороссийской федерации. Стратегия развития электросетевого комплекса Российской Федерации. / Москва. 2013 г. № 511–р  – 43 c.
4. Министерство энергетики Российской Федерации. Энергетическая стратегия России на период до 2035года. / Москва – 2014. – 237 с.
5. Ширяев А.С., Гиршин С.С. Особенности комплексного подхода к внедрению мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях / А.С. Ширяев, С.С. Гиршин // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность!. – 2017. –№  – С. 188–192.
6. Ширяев А.С. Принципы отсеивания мероприятий по снижению потерь энергии в электрических сетях при поиске их оптимальной комбинации / А.С. Ширяев, С.С. Гиршин, Е.П. Жиленко // В сборнике:Учёные Омска – Региону. – 2017. – С. 95–99.
7. Изолированный провод СИП-3 1х50. [Электронный ресурс]. – URL: http://ingenerelectric.ru/cabel/sip/sip/sip3_20_1xhtml (дата обращения 16.11.2017).
8. Трансформатор ТМ-1600/10-0,4 – технические характеристики. [Электронный ресурс]. – URL: http://sil-transform.ru/tm_1600/10-04 (дата обращения 16.11.2017)
9. Герасименко А.А. Передача и распределение электрической энергии: Учебное пособие / А.А. Герасименко, В.Т. Федин. – Ростов-н/Д.: Феникс; Красноярск: Издательские проекты, 2006. – 720 с.
10. Ширяев А.С. Анализ эффективности комплексного ввода мероприятий по снижению потерь энергии на критерии приведённых затрат без учёта температуры элементов сети / А.С. Ширяев, А.Т. Калимуллин, В.А. Ткаченко // Международный научно-исследовательский журнал. – 2016. – № 12-3 (54) . – С. 218–221.
11. Гиршин С.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в неразветвленной сети с учетом температуры токоведущих частей / С.С. Гиршин, А.С. Ширяев, А.А. Ляшков и др. // Омский научный вестник. – 2017. –№ 2 (152) . – С. 50–54.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Zhelezko Y. S. Poteri ehlektroehnergii, reaktivnaya moshchnost', kachestvo ehlektroehnergii: Rukovodstvo dlya prakticheskih raschetov. [Energy losses, reactive power, power quality: Guide for practical calculations] / Y.S. Zhelesko. – M.: EHNAS. 2009. – 456 p. [in Russian]
2. Zhelezko Y. S. Vybor meropriyatij po snizheniyu poter' ehlektroehnergii v ehlektricheskih setyah: Rukovodstvo dlya prakticheskih raschyotov [Choice of measures in reduce of energy losses tasks in the electrical grids] / Y.S. Zhelezko. – Energy atom. publishing house, 1989. – 176 p.
3. Pravitel'stvo rossijskoj federacii. Strategiya razvitiya ehlektrosetevogo kompleksa Rossijskoj Federacii [The government of the Russian Federation. Strategy of development of the power grid complex of the Russian Federation] : official text. – Moscow. 2013 g. № 511-r – 43 p. [in Russian]
4. Ministerstvo ehnergetiki Rossijskoj Federacii. EHnergeticheskaya strategiya Rossii na period do 2035 goda [Ministry of Energy of the Russian Federation. Energy Strategy of Russia for the period up to 2035] : official text. – Moscow – 2014. – 237 p. [in Russian]
5. Shiryaev A.S., Girshin S.S. Osobennosti kompleksnogo podhoda k vnedreniyu meropriyatij po snizheniyu poter' ehlektroehnergii v ehlektricheskih setyah [Features of an integrated approach to the introduction of measures to reduce energy losses in electrical networks] / A.S. Shiryaev, S.S. Girshin // Rossiya molodaya: peredovye tekhnologii – v promyshlennost'! [Russia is young: Advanced technologies in the industry!]. – 2017. – № 1. P. 188–192. [in Russian]
6. Shiryaev A.S. Principy otseivaniya meropriyatij po snizheniyu poter' ehnergii v ehlektricheskih setyah pri poiske ih optimal'noj kombinacii [Principles of screening out measures to reduce energy losses in electrical networks in the searching for optimal combination tasks] / A.S. Shiryaev, S.S. Girshin, E.P. Zhilenko // V sbornike: Uchyonye Omska – Regionu Materialy II Regional'noj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. Pod obshchej redakciej L. O. Shtriplinga [Scientists of Omsk region. Regional scientific and technical conference. Edited by Shtripliig.]. – 2017. pp. 95-99. [in Russian]
7. Izolirovanniy provod SIP-3 1x50 [Insulated wire SIP-3 1x50] [Electronic resource]. – URL: http://ingenerelectric.ru/cabel/sip/sip/sip3_20_1x50.html (accessed 16.11.2017). [in Russian]
8. Transformator TM-1600/10/0,4 – technicheskie charakteristiki [Transformer OT-1600/10/0.4] [Electronic resource]. – URL: http://sil-trans-form.ru/tm_1600/10-04 (accessed 16.11.2017). [in Russian]
9. Gerasimenko A.A. Peredacha i raspredelenie ehlektricheskoj ehnergii:  Uchebnoe  posobie [Transmission and distribution of electrical energy: A manual.] / A.A. Gerasimenko,  V.T.  Fedin. – Rostov-n/D.: Feniks; Krasnoyarsk. publishing projects. 2006. – 720 p. [in Russian]
10. Shiryaev A.S. Analiz ehffektivnosti kompleksnogo vvoda meropriyatij po snizheniyu poter' ehnergii na kriterii privedyonnyh zatrat bez uchyota temperatury ehlementov seti [The efficiency analysis of complex measures in the reduction of the power losses value tasks without temperature depends] / A.S. Shiryaev, A.T. Kalimullin, V.A. Tkachenko // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International scientific research journal]. – 2016. – № 12-3 (54). P. 218-221. [in Russian]
11. Girshin S.S. Vybor meropriyatij po snizheniyu poter' ehlektroehnergii v nerazvetvlennoj seti s uchetom temperatury tokovedushchih chastej [The choice of measures to reduce electricity losses in an unbranched network taking into account the temperature of current-carrying parts] / S.S. Girshin, A.S. Shiryaev, A.A. Lyashkov, A.T. Kalimullin // Omskij nauchnyj vestnik [Omsk scientific journal]. – 2017. – № 2 (152) . – P. 50–54. [in Russian]