close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОПИТАЮЩИХ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Базыль Илья Михайлович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОПИТАЮЩИХ СИСТЕМ,
ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Специальность:
05.09.03. – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тула 2015
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»
(ТулГУ).
Научный
руководитель
Ядыкин Евгений Александрович, доктор технических наук,
доцент
Официальные
оппоненты:
Калинин Вячеслав Федорович, доктор технических наук,
профессор,
профессор
кафедры
«Электроэнергетика»,
проректор по кадровой и молодежной политике ФГБОУ ВПО
«ТГТУ»
Фомин Андрей Васильевич, кандидат технических наук,
технический руководитель проектов ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ»
Ведущее
предприятие:
ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический
университет»
Защита диссертации состоится 06.05.2015 в 14:00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.271.12 при Федеральном государственном
бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Тульский
государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92,
ауд.9-101.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
государственного университета и на сайте http://tsu.tula.ru/
Тульского
Автореферат разослан ________________
Ученый секретарь
диссертационного
совета
Д 212.271.12,
д.т.н., профессор
Елагин Михаил Юрьевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В условиях опережающего роста тарифов на
электрическую
энергию
возрастает
роль
энергоэффективности
электропитающих систем. Совершенствование существующих и создание
новых технических решений по технологии и устройствам, обеспечивающим
снижение потерь электрической энергии в электропитающих системах,
развивают методологию и научный аппарат рационального управления их
режимами работы.
Потери электрической энергии в электропитающих системах вызваны в
основном характеристиками гармонических составляющих электрической
энергии и провалами напряжений, которые формируют электропотребители
промышленных предприятий и городского электрохозяйства. Величина потерь
электрической энергии достигает 25-30 %, что приводит к снижению
эффективности технологического и электромагнитного характера, а
следовательно, к сокращению срока службы электрооборудования и
нарушению нормального хода технологических процессов потребителей.
Поэтому, компенсация реактивной мощности, вызванной высшими
гармониками электрической энергии, и, провалов напряжений в комплексе,
путем определения рациональных параметров электротехнических систем,
обеспечивающих требуемый уровень эффективности функционирования
электропитающих систем, на основе топологии их распределения и
закономерностей формирования управляющих воздействий, для гибкого
управления ее динамикой и режимами работы электроэнергетической системы,
является актуальной научной задачей.
Цель
работы.
Повышение
эффективности
функционирования
электропитающих систем путем обоснования рациональных параметров
электротехнических устройств, обеспечивающих требуемый уровень
компенсации реактивной мощности и провалов напряжений в комплексе,
топологии их распределения и закономерностей формирования управляющих
воздействий для гибкого управления ее динамикой и режимами работы.
Для достижения поставленной цели сформулированы и должны быть
решены следующие задачи исследования:
1. Анализ конструктивных схем, методов расчета параметров и надежности
электротехнических устройств и способов управления режимами работы
электропитающих систем и условий их эксплуатации.
2. Определение функциональных связей, учитывающих в комплексе
формирование реактивной мощности и провалы напряжения и их влияние на
потери электрической энергии в электропитающих системах.
3. Разработка математической модели формирования топологии и
управляющих воздействий в электропитающих системах, учитывающих в
комплексе характеристики реактивной мощности и провалы напряжений,
обеспечивающих
эффективное
функционирование
электротехнических
устройств и снижение потерь электрической энергии.
3
4. Обоснование рациональных режимных параметров и гибкой динамики
топологии управления электротехническими устройствами электропитающих
систем для снижения потерь электрической энергии.
5. Определение
условий
реализуемости
конструкционной
и
функциональной надежности электротехнических устройств, обеспечивающих
рациональные
режимы
работы
и
распределение
электроэнергии
электропитающих систем.
6. Разработка
методики
определения
рациональных
параметров
электротехнических устройств электропитающих систем, структуры и
топологии управления ее режимами работы.
7. Численные и экспериментальные исследования режимов работы
электротехнических устройств и электропитающих систем при применении
разработанных технических решений по управлению переходными процессами
в процессе их эксплуатации.
Идея работы заключается в достижении требуемого уровня надежности
функционирования электропитающих систем на основе эффективного закона и
структуры управления переходными процессами электротехнических
устройств.
Объектом
исследования
электротехнические
устройства
электропитающих систем, учитывающих в комплексе формирование
реактивной мощности и провалы напряжения и их влияние на потери
электрической энергии в электропитающих системах.
Предметом исследования являются переходные процессы, протекающие
в
электротехнических
устройствах
и
электропитающих
системах,
обеспечивающих снижение потерь электрической энергии.
Методы исследования, используемые в работе, основаны на применении
теории электрических цепей, автоматического управления, теории надежности
технических систем, вероятностей и математической статистики, численных
методов и экспериментальных исследований с применением ЭВМ.
Автор защищает:
1. Математическую модель переходных процессов электротехнических
устройств электропитающих систем, учитывающих в комплексе формирование
реактивной мощности и провалы напряжения и их влияние на потери
электрической энергии в электропитающих системах
2. Методы формирования закономерностей управляющих воздействий для
управления режимами работы электротехнических устройств электропитающих
систем, обеспечивающих снижение потерь электрической энергии.
3. Условия реализуемости конструкционной и функциональной надежности
электротехнических устройств, обеспечивающих рациональные режимы
работы и распределение электроэнергии электропитающих систем.
Научная новизна заключается в определении рациональных параметров
электротехнических
устройств,
обеспечивающих
снижение
потерь
электрической энергии, закономерностей формирования управляющих
воздействий для гибкого управления ее динамикой и режимами работы.
4
Она представлена следующими результатами:
1. Определены зависимости для расчета рациональных параметров
электротехнических устройств электропитающих систем учитывающих в
комплексе формирование реактивной мощности и провалы напряжения и их
влияние на потери электрической энергии в электропитающих системах.
2. Установлены методы формирования закономерностей управляющих
воздействий для управления режимами работы электротехнических устройств
электропитающих систем, обеспечивающих снижение потерь электрической
энергии.
3. Определена
методика
расчета
рациональных
параметров
электротехнических устройств электропитающих систем, структуры и
топологии управления ее режимами работы.
4. Определены условия реализации конструкционной и функциональной
надежности электротехнических устройств, обеспечивающих рациональные
режимы работы и распределение электроэнергии электропитающих систем.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
диссертационной работы обеспечены обоснованными допущениями,
адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований,
расхождения между которыми не превышают 14%.
Практическое значение. Разработана методика расчета рациональных
параметров устройств электропитающих систем учитывающих в комплексе
формирование реактивной мощности и провалы напряжения и их влияние на
потери электрической энергии в электропитающих системах. Экономический
эффект от электротехнической системы контроля и управления
эффективностью компенсации реактивной мощности и провалов напряжения в
комплексе составляет 431245 руб. по отношению к системе контроля и
управления качеством электрической энергии
Реализация результатов работы. Основные научно-практические
результаты диссертационной работы использованы ОАО «Конструкторское
бюро приборостроения» в Программе повышения энергоэффективности.
Результаты работы использованы в учебных курсах «Электрические
аппараты», «Электрические станции и подстанции», «Электроэнергетические
системы и сети», «Средства коммутации электрической энергии»,
«Оптимизация
электроэнергетических
систем»
на
кафедре
«Электроэнергетика» Тульского государственного университета.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на ежегодных молодежных научно-технических
конференциях.
ТулГУ (г. Тула, 2009 - 2014 гг.) и V, VI научно-практических
конференциях ТулГУ «Молодежные инновации» (г. Тула, 2011 г.), Пятой
международной Школе-семинаре молодых ученых и специалистов
«Энергосбережение – теория и практика» (г. Москва, 2010 г.), Международной
научно-технической конференции «Энергосбережение - 2012» в рамках
XМосковского международного энергетического форума «ТЭК России в XXI
5
веке» (г. Москва, 2012 г.), Международной научно-технической конференции
«Энергоэффективность
2012»
в
рамках
I
Международного
электроэнергетического форума «Электросетевой комплекс. Инновации.
Развитие» (г. Москва, 2012 г.), Международной научно-технической
конференции «Энергосбережение - 2013» в рамках XIМосковского
международного энергетического форума «ТЭК России в XXIвеке» (г. Москва,
2013
г.),
Международной
научно-технической
конференции
«Энергосбережение - 2014» в рамках XIIМосковского международного
энергетического форума «ТЭК России в XXI веке».
Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы
опубликованы в 7 печатных работах, из них 7 - в периодических изданиях,
рекомендованных ВАК РФ, подана заявка на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав,
заключения, списка литературы из 111 наименований. Диссертация изложена
на 108 страницах машинописного текста, включая 2 таблицы, 53 рисунка.
Диссертация выполнена по тематике следующих НИОКР: № 1121003
ОАО «КБП» – «Оптимизация энергетических потоков (природного газа, мазута,
тепловой и электрической энергии) и разработка методов и средств повышения
энергоэффективности предприятия»; № 1121101 ООО «Энергоучет» –
«Оптимизация энергетических потоков и разработка методов и средств
повышения энергоэффективности ЗАО «Алексинская энергосетевая компания»;
№ 1121201 ОАО «Трансмаш» – «Определение рациональных параметров
систем транспортировки и распределения энергии в условиях ОАО
«Трансмаш» г. Белев и совершенствование методов повышения энергетической
эффективности предприятия, а также средств их реализации».
Автор выражает благодарность Начальнику управления подготовки
кадров высшей квалификации Тульского государственного университета,
доктору технических наук Ядыкину Евгению Александровичу и заведующему
кафедрой «Электроэнергетика» Тульского государственного университета,
доктору технических наук, профессору Степанову Владимиру Михайловичу за
научные консультации, поддержку и помощь при работе над диссертацией.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и
задачи исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость
работы.
В первой главе проводится обобщение и анализ конструктивных схем и
методов расчета параметров и надежности электротехнических устройств
электропитающих систем, обеспечивающих снижение потерь электрической
энергии.
При анализе рассмотрены схемы распределения электрической энергии
0,4кВ и 6(10)кВ, распределительные сети и узлы нагрузки, физические
процессы, их характеристики и методы моделирования переходных процессов в
электропитающих системах.
6
В результате анализа установлено, что одними из основных факторов,
снижающих эффективность функционирования электропитающих систем,
являются провалы напряжений и гармонические составляющие, которые
приводят к высокому уровню потерь электрической энергии, особенно в узлах
одновременного их формирования.
Анализ физических процессов и их характеристик проведен как на базе
существующих достижений, так и дополнительных их исследований в
электропитающих системах ОАО «Конструкторское бюро приборостроения»,
ОАО «Трансмаш», ЗАО «Алексинская энергосетевая компания» и ФГБОУ ВПО
«Тульский государственный университет». В результате анализа установлено,
что при одновременном формировании провалов напряжения и гармонических
составляющих тока увеличивается потребление реактивной мощности из сети.
Причем минимальное напряжение наблюдается при t=0,3-0,6 с. с минимально
действующим напряжением 0,682Uн, а также определены характер и диапазон
изменения действующих и мгновенных значений напряжений и токов,
активных и реактивных мощностей, коэффициентов мощности по всем фазам,
спектральный состав напряжений и токов на электрических подстанциях и
отдельных электроустановках. На частотах выше 1000 Гц в системах
электроснабжения формировались признаки резонансных явлений, которые
значительно увеличивали действующие значения напряжений гармоник
резонансных частот. Поэтому необходим комплексный учет провалов
напряжений и компенсации реактивной мощности, что позволит обеспечить
резервирование по накоплению и восстановлению напряжения.
При оценке эффективности конструктивных схем учитывалась их
разрешающая способность и возможность ограничения провалов напряжения и
гармонических составляющих в комплексе.
Одним
из
современных
методов
формирования
структуры
функциональных связей конструктивной схемы, обеспечивающего требуемый
уровень разрешающей способности и ограничения провалов напряжения и
гармонических составляющих в комплексе, является нейронная сеть в системе
рационального управления энергетическими потоками на основе реакции
энергетического
потока
на
изменение
состояния
анализируемой
электропитающей сети и базовых связей наиболее адаптируемыми являются
однолинейная схема регулируемой конденсаторной установки с блоком
управления АРБК и структурные схемы восстановления провалов напряжений
в комплексе.
Поэтому необходимо на данном этапе разработать новые технические
решения, обеспечивающие требуемый уровень разрешающей способности и
ограничения провалов напряжения и гармонических составляющих в комплексе
для эффективного снижения потерь электрической энергии в электропитающих
системах.
Во второй главе для определения рациональной структуры
функциональных связей электротехнических устройств компенсации провалов
напряжения и реактивной мощности на основе нейронных сетей, и, их
7
параметров по критерию надежности установлены зависимости для расчета
уровня показателей надежности и условий её реализуемости.
Нейронная сеть в системе рационального управления энергетическими
потоками на основе функции модели энергетического потока и реакции его на
изменение состояния анализируемой электропитающей сети при известной
нагрузке позволило получить цифровую модель энергетического потока:
(1)
где V –вектор-функция небалансов мощности в узлах нагрузки, X и Y
векторы столбцы зависимых и независимых параметров режимов работы рис.
(1).
Рис. 1. Структура нейронной сети для определения структуры и
функциональных связей конструктивной схемы и расчета параметров
режима работы распределительной сети
Задача формирования структуры функциональных связей конструктивной
схемы и расчета установившегося режима сводилась к минимизации суммы
квадратов невязок – небалансов узловых мощностей.
Z
( yi ( X )
yi ) 2
i
min
(2)
где Z - целевая функция, отражающая сумму невязок мощностей на j-той
итерации для системы, состоящей из j объектов.
На основании анализа использования нейронной сети с применением
соответствующего
математического
аппарата
можно
осуществлять
моделирование режимов работы схемы восстановления провалов напряжения и
компенсации реактивной мощности в комплексе с использованием приложения
MatLab SimPowerSystems.
На рис. 2 изображена структура функционирования электротехнической
системы компенсации реактивной мощности и провалов напряжения в
комплексе, с учетом резервирования. Функционирование системы основано на
восстановлении полного объема напряжения.
8
Тр1
АРБК
K1
K2
С1
K3
С2
K4
С3
K5
С4
K6
С5
K7
С6
K8
С7
С8
Uфз
Uвз
Изм.
устр. Q1
Изм.
устр. Q1
УВН
Изм.
устр. Q1
УВН
Изм.
устр. Q1
УВН
УВН
Рис. 2. Структура
электротехнической системы
контроля и управления формированием
требуемого уровня компенсации
реактивной мощности и провалов
напряжения в комплексе: С1-С8-блоки
конденсаторных батарей; К1-К4магнитные пускатели; блок АРБКавтоматическое регулирование батарей
конденсаторов; Q1-измерительное
устройство; УВН –устройство
восстановления напряжения
Рис.3. Рациональный режим работы
электротехнической системы
Рациональная структура функциональных связей конструктивной схемы
(рис. 2) обеспечивает требуемый
уровень разрешающей способности и
ограничения провалов напряжения, а
следовательно рациональный режим
работы электропитающей системы, что
также
определяется
рациональной
мощностью и местами установки
компенсирующих устройств.
Определение рациональных параметров электротехнической системы
контроля и управления формированием требуемого уровня компенсации
провалов напряжения и реактивной мощностью проводилось по критерию
надежности.
Для
установления
условий
реализуемости
функциональной
электротехнической системы определяется уровень ее надежности
qc
qн
(3)
ky
где qн и qс – вероятностные отказы системы существующего и нового
технического уровня; ky – коэффициент технического уровня системы, равный
1 Пэc Qпс
с)
kу
(
(4)
3 П эн Qпп
н
где Пэс, Пэн – отношение существующих и новых потерь электрической
энергии; Qc, Qн - потери электрической энергии при ее преобразовании в
электропитающих системах существующего и нового технического уровня; c ,
9
н -величина кпд существующего и нового технического уровня. Вероятность
отказа выражается как:
qc
1 Пэc Qпс
(
3 П эн Qпп
qн
с)
(5)
н
Вероятность безотказной работы вычисляется как:
(6)
pн
1
qc
1 Пэc Qпс
(
3 П эн Qпп
с)
(7)
н
Требуемое время безотказной работы:
(8)
где н – допустимая интенсивность отказов, которая может быть
выражена как
(9)
где Сн – затраты на надежность нового технического уровня; Сс –
затраты на надежность существующего уровня.
(10)
Коэффициент готовности, выраженный через вероятность отказа для
нового технического уровня
(11)
где tдп – допустимое время простоя
(12)
где Т вн – требуемое среднее время восстановления.
Коэффициент технического использования рассчитывается через
коэффициент готовности, который устанавливает прямую взаимосвязь между
функциональными возможностями электроприемников на основе амплитудновременных параметров потоков электрической энергии, который имеет вид
10
(13)
Исходя из структуры взаимосвязанных элементов и устройств
электротехнической системы контроля и управления формированием
требуемого уровня компенсации реактивной мощности и провалов напряжения
в комплексе и равной вероятности отказов по общеизвестным и установленным
зависимостям структурной надежности определяется требуемая их вероятность
qнм qн (Фi ) и уровень показателей
Таблица 1
qНМ
PНМ
0,007
0,992
НМ,
1/ч
0,0024
tНМ, ч
T0НМ, ч
15,355
458,62
tДП,
ч
1,53
kгн
kТИнм
Py(t)
kП
KН
km
k0
0,994
0,951
0,01
1,52 1,53 0,995 0,636
где qнм – вероятность отказа; Pнм - вероятность безотказной работы; tнм требуемое время безотказной работы; н - допустимая интенсивность отказов;
Tонм – требуемое среднее время наработки на отказ; tдп – допустимое время
простоя; kгн – коэффициент готовности; kтинм – требуемое значение
коэффициента технического использования; kn – коэффициент перегрузки,
учитывающий изменение нагрузки от номинальной; kн – коэффициент
надежности (запаса) по конструкционному материалу; kм – коэффициент
условий работы, учитывающий изменение нагрузки; ko– коэффициент
однородности конструкционных материалов изоляции обмотки, учитывающий
изменение ее механических свойств.
Условия реализуемости конструкционной и функциональной надёжности
системы
(14)
(15)
где F - действующее усилие на элементы системы; F н нормативное
значение усилия; Tос - среднее время наработки на отказ существующих
систем.
Исходя из неравенств, функциональные параметры устройств
коммутации и контроля качества электрической энергии определяется на
основе их соответствия условиям эксплуатации и обеспечения требуемой
величины Тон.
(16)
11
где Сс – затраты на обеспечение надежности устройств коммутации и контроля
качества электрической энергии; Суд – допустимые затраты (потери - ущерб) от
отказа устройств коммутации и контроля качества электрической энергии;
C y дн Сc nнtдп
(17)
где Сдп – допустимые затраты в единицу времени от отказа устройств
коммутации и контроля качества электрической энергии;
(18)
На основе анализа результатов исследования моделирования переходных
процессов и их обобщения были определены исходные данные для расчета
показателей надежности. С учетом закона распределения случайных величин
нагрузок и общеизвестных формул теории вероятности и математической
статистики установлен диапазон изменения kп и kн. На основе анализа
результатов исследования моделирования переходных процессов и их
обобщения определялись исходные данные для расчета показателей
надежности.
Из законов распределения случайных величин и общеизвестных формул
теории вероятности и математической статистики установлен диапазон
измерений kп и kн. На основании норм трудоемкости и стоимостных
показателей по зависимостям соответственно определялись значения нм и tдп, в
данном случае TВнм = tдп, устанавливались значения Tенм, kГн и kТинм, Py(t) с
учетом tpi.
С учетом условия
(19)
где Том – максимальное время до проведения ремонтных работ; определялось
значение tмп.
В третьей главе разработано новое техническое решение для
обеспечения требуемого уровня компенсации провалов напряжения и
реактивной мощности в комплексе, рассмотрены функциональные связи
электротехнической системы и математическое описание их взаимодействия,
электроприемников электропитающих сетей.
Новое техническое решение обеспечивает функциональную связь
электротехнических устройств, контролирующих провалы напряжения и
гармонические составляющие в комплексе, управление режимами их работы
для обеспечения требуемого уровня формирования их компенсации.
На рис. 2 изображена функциональная схема системы контроля и
управления требуемым
уровнем компенсации реактивной мощности и
провалов напряжений в электрических сетях.
Информацию с блока базы данных – 1 счетчиков, т.е. внешней базы
данных передают на блок архива данных учета – 2. С блока архива данных
учета – 2, который содержит результаты учета параметров электропотребления
12
с интервалом осреднения 30 мин., это расчетная нагрузка по группам точек
поставки электроэнергии в формате промышленной ЭВМ, информацию
передают на блок системы учета – 3, где формируют исходные данные для
расчета параметров режима, технических потерь. Затем информация поступает
на первый блок контроля провалов напряжения и гармонических составляющих
– 4, на котором показатели качества электрической энергии сопоставляются с
заданными значениями качества электрической энергии.
Управляющее воздействие с первого блока
контроля качества – 4, затем передается на первый
блок электротехнических устройств управления
формированием требуемого уровня качества
электрической энергии – 5, регулирующих
показатели требуемого уровня компенсации
провалов напряжения и реактивной мощности в
электропитающей сети – 6. Информация о
результатах коррекции показателей качества
электрической энергии затем передается с первого
выхода блока электропитающей сети – 6 при
помощи обратной связи на вход блока базы данных
счетчиков – 1. С блока объекта потребления
электрической энергии – 7, питающегося от
Рис. 2. Функциональная электропитающей сети – 6, информация о влиянии
нагрузки на показатели качества электрической
схема системы
контроля и управления энергии передается на второй блок контроля
качества электрической энергии – 8, на котором
качеством
качества
электрической
энергии
электрической энергии показатели
в электрических сетях сопоставляются с заданными значениями качества
электрической энергии. Управляющее воздействие
со второго блока контроля качества – 8, затем передается на второй блок
электротехнических устройств управления качеством электрической энергии –
9, регулирующих показатели качества электрической энергии с целью
коррекции влияния нагрузки на ее показатели.
Предлагаемое
техническое
решение
позволяет
обеспечивать
функциональную связь электротехнических устройств, контролирующих
требуемый уровень компенсации провалов напряжения и реактивной
мощности, распределение и снижение потерь электроэнергии в
электропитающих системах, тем самым снизив потери электрической энергии
за счет уменьшения провалов напряжения, реактивной составляющей
мощности, эффективно использовать и распределять электроэнергию в рамках
электропитающей системы (блоки 1-6) и системы электроснабжения
предприятия (7-9). Кроме этого, данное техническое решение обеспечивает
высокий
уровень
масштабируемости
для
использования
как
в
электропитающих системах, так и электроснабжении промышленных
предприятиях любого размера.
13
Рис. 3. Структурная схема электротехнической системы контроля и
управления режимами работы ее элементов на основе закономерностей
формирования требуемого уровня компенсации реактивной мощности и
провалов напряжения в комплексе
На основе функциональной схемы системы контроля и управления
требуемым уровнем компенсации провалов напряжения и реактивной
мощности в комплексе составлена структурная схема электротехнической
системы контроля и управления режимами работы ее элементов и
формирования их закономерностей в комплексе (рис. 3).
Определена общая передаточная функция структурной схемы
электротехнической системы контроля и управления режимами работы ее
элементов и закономерностей формирования требуемого уровня компенсации
реактивной мощности и провалов напряжения в комплексе
Схема электротехнической системы контроля и управления режимами
работы ее элементов на основе закономерностей формирования требуемого
уровня компенсации реактивной мощности и провалов напряжения в комплексе
является замкнутой автоматической системой, динамические качества и
устойчивость должны быть определены исходя из условий её эксплуатации,
учитывающих схемы электроснабжения промышленных приемников от двух и
более независимых источников с использованием средств автоматики (АПВ,
14
АВР) и имеют двустороннее действие на секционном шиносоединительном
выключателе в распределительных устройствах 0,4, 6, 10, 35кВ с минимальным
временем работы 0,4 – 0,5с. С целью упрощения нелинейно системы
учитываются только области малых отклонений – линеаризация.
Решение методом Рунге-Кутта – конечно-разностная аппроксимирующая
производных, используется для определения рациональных параметров новых
технических решений для снижения потерь электрической энергии,
устанавливая порядком их точности, которая прямо пропорционально числу ее
элементов. Формула Рунге получена из метода Рунге-Ромберга
f ( x, h)
F ( x)
f ( x , kh)
f ( x, h)
p qн 1
k
m
O(h
p kу 1
),
(20)
позволяющая по результатам двух расчетов значений производной f(x,h) и f(x,
kh) (шаг h и kh) с порядком точности p рассчитать рациональные параметры
системы контроля и управления требуемым уровнем компенсации реактивной
мощности и провалов напряжения в комплексе, где f(x, h) – конечно-разностная
аппроксимация уравнений движения – производной с шагом h; k –
коэффициент, и, с порядком точности их значения с точностью p+1.
m
O(h p 1 ) – разности нуля, являющиеся коечными разностями при xk, x=0,
m≤h.
Поскольку расчет рациональных параметров системы контроля и
управления режимами ее элементов на основе закономерностей формирования
требуемого уровня компенсации реактивной мощности и провалов напряжения
в комплексе функционально связан с ее коэффициентом технического уровня
kу и требуемым уровнем надежности qн, то порядок точности p позволит
определить их уточненное значение с точностью порядка
k
p kу 1
(21)
Причем для kp+1 должен учитываться требуемый уровень надежности kp-qн1
.
Структурное моделирование переходных процессов проводилось на
основе уравнений движения элементов системы контроля и управления
формированием провалов напряжений и реактивной мощности в комплексе в
электрических сетях в "Matlab", наиболее распространенном и удобном языком
для технических вычислений, который реализован методом Дорманда-Принса.
Определив общую передаточную функцию структурной схемы
функциональных связей электротехнической системы контроля и управления
режимами работы электрических сетей составлено её характеристическое
уравнение и подставляя в него p j получаем характеристическое уравнение
в частотной области в виде
X A,
Y A, j 0
(22)
s
s
Решаем совместно систему
15
X As ,
0;
Y As ,
0;
(23)
рассчитываем график областей устойчивости системы, который представлен на
рис. 4 в виде границы устойчивости как функции двух параметров: амплитуды
автоколебаний As и коэффициента добротности KD.
Рис. 4. Области устойчивости структурной схемы функциональных связей
электротехнических устройств контроля и управления режимами работы
ее элементов на основе закономерностей формирования требуемого уровня
компенсации реактивной мощности и провалов напряжения в комплексе
Для
данных
условий
определены
рациональные
параметры
электротехнических устройств контроля качества и эффективности
использования электрической энергии и условий их устойчивости рис. 5.
Рис. 5. Показатели качества электрической энергии, форма токов и
напряжений при работе системы контроля и управления качеством
электрической энергии (ЗАО «Алексинская электросетевая компания»)
Также определены рациональные параметры электротехнических
устройств контроля и управления режимами работы ее элементов на основе
закономерностей формирования требуемого уровня компенсации реактивной
мощности и провалов напряжения в комплексе и условий их устойчивости.
16
Рис. 6. Показатели качества электрической энергии, форма токов при
работе электротехнической системы контроля и управления режимами
работы ее элементов на основе закономерностей формирования требуемого
уровня компенсации реактивной мощности и провалов напряжения в
комплексе. (ЗАО «Алексинская электросетевая компания»)
Из рис. 6 установлено, что эффективность, достигнутая за счет
рациональных, конструктивных и режимных параметров новых технических
решений при работе электротехнической системы контроля и управления
режимами работы ее элементов на основе закономерностей формирования
требуемого уровня компенсации реактивной мощности и провалов напряжения
в комплексе составила 15-20 % по отношению работы системы контроля и
управления качеством электрической энергии, что соответствует требуемому
уровню надежности.
В четвертой главе проведено планирование эксперимента, выбор
методики и аппаратуры исследования.
Для проведения экспериментальных исследований за базовый вариант
использована аппаратура АСКУ ЭР APLM, которая была использована на
трансформаторной подстанции №113 ЗАО «Алексинская электросетевая
компания».
Рис. 7. Блок схема АСКУ ЭР APLM
В качестве устройств, обеспечивающих требуемый уровень компенсации
провалов напряжения и реактивной мощности в электропитающих системах
применены технические решения: устройство управления перераспределением
17
электрической энергии, устройство восстановления напряжения, схематическая
модель функционально-измерительной части комплекса УВН для
восстановления провалов. Параметры устройств и моделей выбирались в
соответствии с условиями эксплуатации и конкретными токоприемниками ТП113. Результаты экспериментальных исследований приведены на рисунках 8(а,
б), 9.
Рис. 8. А - Графики параметров качества напряжения ТП-113 (Алексин);
Б - Установившиеся отклонения напряжения ТП-113 (Алексин)
Рис. 9. Количество провалов и коэффициент искажения
синусоидальности кривой напряжения ТП-113 (Алексин)
Из рис. 8 (а, б), 9 видно, что расхождение значений теоретических и
экспериментальных исследований не превышают 14% по отношению к системе
контроля и управления качеством электрической энергии, что допустимо в
инженерных расчетах.
Достигнутый
эффект
повышения
эффективности
потребления
электрической энергии составляет 15-20%, по отношению системе контроля и
управления
качеством
электрической
энергии,
что
подтверждает
эффективность применения системы контроля и управления режимами работы
ее элементов на основе закономерностей формирования требуемого уровня
компенсации реактивной мощности и провалов напряжения в комплексе в
электрических сетях.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность
теоретических и экспериментальных исследований, и, разработанных
технических решений по повышению качества электрической энергии за счет
снижения ее потерь в электропитающих сетях, связанных с эффективностью
работы электротехнической системы, обеспечивающей требуемый уровень
компенсации провалов напряжения и реактивной мощности..
18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация
представляет
собой
законченную
научноквалификационную работу, в которой поставлена и решена задача обоснования
рациональной структуры и параметров электротехнической системы контроля и
управления режимами работы ее элементов, обеспечивающих формирование
требуемого уровня компенсации реактивной мощности и провалов напряжения
в
комплексе
для
повышения
эффективности
функционирования
электропитающих систем.
Основные научные и практические результаты работы заключаются в
следующем:
1. Определена рациональная структура электротехнической системы
контроля и управления режимами работы ее элементов на основе нейронных
сетей и закономерностей формирования требуемого уровня компенсации
реактивной мощности и провалов напряжения в комплексе.
2. Установлены зависимости для расчета уровня показателей надежности
электротехнических устройств контроля и коммутации для управления
режимами работы ее элементов, обеспечивающих требуемый уровень
компенсации реактивной мощности и провалов напряжения в комплексе.
3. Моделированием переходных процессов в электротехнической системе
контроля и управления обеспечением требуемого уровня компенсации
реактивной мощности и провалов напряжения в комплексе, установлены
закономерности формирования управляющих воздействий в электропитающих
системах для управления качеством электрической энергии.
4. Установлены условия реализуемости результатов моделирования
переходных процессов в электротехнической системе контроля и управления
качеством электрической энергии на основе компенсации реактивной
мощности и провалов напряжения в комплексе, и, надежности, определяемой
свойствами и условиями работы конструкционных материалов и
эффективностью функционирования ее элементов и электропитающих систем
для расчета их рациональных параметров.
5. Определены рациональные параметры электротехнической системы
контроля и управления эффективностью компенсации реактивной мощности и
провалов напряжения в комплексе, обеспечивающие требуемый уровень ее
работоспособности на основе исследования устойчивости ее работы в
конкретных условиях эксплуатации.
6. Проведены
численные
и
экспериментальные
исследования
электротехнической системы контроля и управления эффективностью
компенсации реактивной мощности и провалов напряжения в комплексе для
повышения качества электрической энергии в электропитающих системах,
которые показали, что расхождение между результатами теоретических и
экспериментальных исследований составило 14 %, что допустимо в
инженерных расчетах, а эффективность их работы повысилась на 15-20 % по
отношению раздельного использования ее элементов.
19
Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:
1. Базыль
И.М.
Прогнозирование
технического
состояния
электрооборудования систем электроснабжения. // Известия Тульского
государственного университета. Технические науки. Вып. 6: в 2-х ч.Тула:
Изд-во ТулГУ, 2011.ч.1.299 с., С. 89-93.
2. Базыль И.М. Анализ режимов работы устройств компенсации
реактивной мощности в системах электроснабжения предприятий.
Известия Тульского государственного университета. Технические науки.
Вып. 6: в 2-х ч.Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.ч.1.299 с., С. 281-285.
3. Базыль И.М. Параметры устройств компенсации реактивной
мощности в системах электроснабжения // Известия Тульского
государственного университета. Технические науки. Изд-во ТулГУ, 2012.
Вып. 12-3. С. 3-7.
4. Базыль И.М. Режимы работы устройств по ограничению провалов
напряжения // Известия Тульского государственного университета.
Технические науки. Изд-во ТулГУ, 2012. Вып. 12-3. С. 7-11.
5. Степанов В.М., Базыль И.М. Влияние высших гармоник в системах
электроснабжения предприятия на потери электрической энергии //
Известия Тульского государственного университета. Технические науки.
Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 12-2. . С. 27-32.
6. Степанов В.М., Косырихин В.С., Каратеев П.Ю., Базыль И.М.
Контроль и управление качество электрической энергии систем
электроснабжения предприятий // Известия Тульского государственного
университета. Технические науки. — Тула: Издательство ТулГУ, 2013. —
Т. 12-2. — C. 106-110.
7. Ядыкин Е.А., Базыль И.М., Определение работоспособности
устройств электротехнического комплекса для снижения потерь
электрической энергии // Известия Тульского государственного
университета. Технические науки. Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 12-2. С. 37-43.
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа