VOLTAGE REGULATION IN DISTRIBUTION NETWORKS WITH NONUNIFORM LOADS
VOLTAGE REGULATION IN DISTRIBUTION NETWORKS WITH NONUNIFORM LOADS
Abstract
The work is aimed at solving the topical problem of ensuring optimal voltage levels in the distribution networks of medium and low voltage power networks, in the nodes of which there is a joint operation of abruptly variable industrial load and utility load with relatively small and smooth fluctuations during the day. The experimental part of the paper presents the results of instrumental measurements during the day of phase-to-phase voltages on the low-voltage busbars of the substation, the load of which is a typical 'municipal-domestic load', as well as the daily schedule of changes in active and reactive power at the substation with abruptly variable industrial load (load of a powerful coal mine). The operation modes of the power supply system of the reviewed node of the power system were modelled in the RastrWin software package. Modelling has shown that in order to normalize the voltage in the load nodes of substations supplying the municipal load, automatic control of transformation ratios at these substations is mandatory, together with a decision on the use of reactive power compensation devices.
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.