Ужесточающиеся требования к внедрению энергосберегающих технологий во всех областях производства и распределения электроэнергии, дефицит мощностей, повышение цен на услуги, связанные с транспортировкой электроэнергии, заставляют искать пути экономии электроэнергии, снижения потерь в распределительных сетях, повышения энергоэффективности производства, передачи и распределения электроэнергии.

Все меры снижения потерь и повышения эффективности электроснабжения подразделяются на три группы [1]:

• технические мероприятия, направленные на реконструкцию, модернизацию и строительство сетей;
• мероприятия по совершенствованию учета электроэнергии;
• организационные мероприятия по совершенствованию эксплуатационного обслуживания электрических сетей и оптимизация их схем и режимов.

Первое направление эффективно только при проектировании и строительстве новых сетей. Второе направление связано с внедрением АСКУЭ, которое все шире внедряется в настоящее время в электроэнергетических сетях, и связано с учетом и контролем расходования электроэнергии в текущий момент времени или за определенный промежуток времени, т.е. осуществляется фиксация потерь в линии.

Наиболее перспективным направлением является третий путь, который связан с совершенствованием системы эксплуатации и оптимизации схем распределительных сетей и их режимов на основе информационной системы мониторинга и прогнозирования параметров распределительных электроэнергетических сетей.

Основной задачей информационной системы является оптимизация потерь электрической энергии в распределительных сетях за счет перераспределения энергетических потоков по линиям электропередач.

Известно [2, 6], что перераспределение тока по параллельным ветвям с одинаковыми значениями сопротивлений линий  вдвое снижает суммарные потери электроэнергии в цепи.

Поэтому суть оптимизации потерь сводится к перераспределению потоков электроэнергии по различным линиям электропередач для электроснабжения одного потребителя в пиковые моменты нагрузки в соответствии с графиком нагрузок.

В настоящее время существуют методики расчета электрических потерь в линиях электропередач [1, 7, 5, 8], которые сводятся к расчету постоянных потерь, не зависящих от тока в линии и нагрузочных потерь в фиксированные моменты времени.

Перспективным направлением оптимизации электрических потерь является создание интеллектуальных электрических сетей Smart Grid, под которыми понимается комплекс электрооборудования, подключенных к источникам и потребителям, использующих новые принципы, технологии передачи и управления потоками электроэнергии [4, 9]. При создании таких сетей предполагается объединение на технологическом уровне электрических сетей, потребителей и производителей электроэнергии в единую автоматизированную систему, обладающую свойствами прогнозирования, самодиагностики, самовосстановления и способностью управлять перераспределением потоков электрической энергии в зависимости от графиков нагрузок потребителей.

Для создания единой интеллектуальной системы необходимо создать единое информационное пространство на отдельных территориях - так называемые энергокластеры.

С точки зрения информационной системы мониторинга и прогнозирования параметров распределительных электроэнергетических сетей энергокластер - это отдельный территориальный участок распределительной сети с элементами преобразования и передачи электроэнергии и компьютерная сеть для обработки, хранения и передачи информации о параметрах электроэнергии и их прогнозирования по соответствующим алгоритмам.

Для оценки влияния параметров сети на её энергетические показатели необходимо разработать аналитическую модель энергокластера распределительной сети. На рисунке 1 представлен пример энергокластера, состоящего из линий электропередач различного напряжения, двухобмоточных и трехобмоточных трансформаторов и пяти потребителей электроэнергии, характеризующимися соответствующими графиками нагрузки.

Для разработки аналитической модели энергокластера необходимо отдельные элементы распределительной сети представить их эквивалентными схемами.

При разработке эквивалентных схем отдельных элементов и межрегиональной распределительной сети в целом сделаем следующие допущения:

• все сети с глухозаземленной нейтралью, а, следовательно, все ветви связаны между собой нулевым проводом;
• нагрузка по всем фазам симметричная, поэтому расчет ведется для одной фазы;
• частота сети не изменяется, а, следовательно, индуктивные сопротивления постоянны;
• потери холостого хода для всех режимов работы постоянны;
• емкостная энергия, наводимая коронным разрядом, постоянная;
• потери холостого хода и емкостная энергия учитываются при анализе потерь в сети как постоянные величины на своих участках.

В межрегиональных распределительных сетях большинства районов России протяженность линий электропередач между трансформаторными подстанциями и потребителями не превышает 80 - 100 км. Поэтому при построении аналитической модели сети распределенности параметров можно не учитывать и использовать сосредоточенные параметры активного и реактивного сопротивления линии R_л и X_л [10].

Эквивалентное активное сопротивление определяется по формуле

R_л =r_oL,   (1)

где r_o - удельное сопротивление, Ом/км, при температуре провода +20^oC, определяемое по таблицам в зависимости от поперечного сечения;

L - длина линии, км.

Рисунок 1. Пример принципиальной схемы энергокластера

При температуре провода, отличной от 20 ^oC, сопротивление линии уточняется [8] в соответствии с выражением

, (2)

где R₂₀ - стандартное справочное сопротивление провода сечением F, мм² при температуре t_п = 20⁰ С;

t_B - температура окружающего воздуха, ^oC;

j - плотность тока в проводе А/мм² за расчетный период.

При отсутствии данных о средней плотности тока за расчетный период принимают расчетное значение j = 0,5A/мм² [1].

Реактивное сопротивление определяется выражением

X_л=x_oL,  (3)

где x_o - удельное реактивное сопротивление, Ом/км.

При расчетах симметричных режимов (принятые допущения) используют средние значения x_o [8]

 Ом/км, (4)

где r_пр - радиус провода, см;

 - среднегеометрическое расстояние между фазами, см;

D_AB, D_BC, D_CA - расстояния между проводами фаз А, В и С соответственно.

Емкостная проводимость линии B_л, обусловленная емкостями между проводами разных фаз и емкостью провод-земля для сетей 110-220 кВ, учитывается как реактивная мощность, генерируемая емкостью линий [1]. Половина емкостной (зарядной) мощности линии в  Мвар определяется выражением

 ,  (5)

где U_Ф фазное напряжение, кВ;

I_b - емкостной ток на землю.

С учетом вышеизложенного схема замещения линий электропередач представляется схемой, представленной на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема замещения линии электропередач

Для воздушных линий напряжением 35 кВ и ниже емкостную мощность можно не учитывать [1].

Потери активной мощности в ЛЭП делятся на потери холостого хода ?Р_ХХ (потери на корону) и нагрузочные потери (на нагрев проводов)  ?Р_Н [1]

. (6)

Потери реактивной мощности тратятся на создание магнитного потока внутри и вокруг провода

   .  (7)

Одним из основных элементов любой распределительной сети являются трансформаторные подстанции, включающие двухобмоточные, трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы. В аналитических моделях используются приведенные трансформаторы [3], у которых обе обмотки приводятся к одному числу витков.

Используя уравнения для приведенного трансформатора [3], реальный трансформатор можно заменить эквивалентной схемой. Наиболее распространенной схемой замещения трансформатора является Т-образная схема замещения. Потери в цепи намагничивания  относятся к потерям холостого хода и не зависят от тока нагрузки.  

К потерям холостого хода также относятся потери на активном и индуктивном сопротивлениях первичной обмотки ?S_М1

 (8)

К потерям холостого хода относятся добавочные потери, которые обусловлены конструкционными и технологическими особенностями сердечника трансформатора и составляют 15-20 % от потерь в стали [3].

С учетом вышеизложенного потери холостого хода будут определяться выражением

. (9)

Исходя из вышеизложенного, двухобмоточный трансформатор можно представить упрощенной схемой замещения, представленной на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема замещения одной фазы двухобмоточного трехфазного трансформатора

На рисунке 3 обозначено: S₁ - полная входная мощность фазы, S₂ - полная выходная мощность фазы,  - активное эквивалентное сопротивление одной фазы трансформатора,  - реактивное эквивалентное сопротивление одной фазы трансформатора, ?S_ХХ  - потери холостого хода трехфазного трансформатора.

Потери холостого хода для каждого трансформатора можно взять из паспортных данных или рассчитать из опыта холостого хода [3].

Применяя к трехфазному трехобмоточному трансформатору допущения и методику получения эквивалентной схемы замещения двухобмоточного трехфазного трансформатора,  их  эквивалентная схема замещения будет иметь вид, представленный на рисунке 4.

На рисунке обозначены: S_o, S_c, S_H - полные мощности обмоток высшего, среднего и низшего напряжения, R_TB, R_TC, R_TH, X_TB, X_TC, X_TH - активные и реактивные сопротивления обмоток высшего, среднего и низшего напряжения, U_B, U_C, U_H - напряжения обмоток высшего, среднего и низшего напряжения.

Рисунок 4. Эквивалентная схема замещения трехфазного трехобмоточного трансформатора (для одной фазы)

На рисунке обозначены: S_o, S_c, S_H - полные мощности обмоток высшего, среднего и низшего напряжения, R_TB, R_TC, R_TH, X_TB, X_TC, X_TH - активные и реактивные сопротивления обмоток высшего, среднего и низшего напряжения, U_B, U_C, U_H - напряжения обмоток высшего, среднего и низшего напряжения.

Для энергокластера,  представленного на рисунке 1, эквивалентная схема замещения с учетом эквивалентных схем элементов сети, полученных выше, будет иметь вид, представленный на рисунке 5.

 

Рисунок 5. Эквивалентная схема энергокластера

Вся эквивалентная схема разбита на ряд последовательных цепей, в каждой из которых протекает характерный ток. Это позволяет упростить расчеты параметров цепи и потери на отдельных участках цепи.

Все электроэнергетические процессы, проходящие в эквивалентной схеме, а также баланс мощностей идентично отражают электроэнергетические процессы и передачу мощностей реальной распределительной сети энергокластера.

В результате исследования предметной области построения аналитической модели межрегиональной распределительной сети для построения информационной системы мониторинга параметров и оптимизации потерь при передаче электроэнергии можно сделать следующие выводы:

1. Аналитическую модель межрегиональной распределительной сети целесообразно строить по кластерам, ограниченным территориально, количеством элементов сети  и подчиненных определенному административному делению.
2. Для построения аналитической модели использовать эквивалентные схемы замещения участков линий электропередач с различными номинальными напряжениями, трехфазными двухобмоточными и трехобмоточными трансофрматорами при равенстве соотношений баланса мощностей в эквивалентной и реальной схемах.
3. Передачу электроэнергии к конкретным электроприемникам осуществлять путем перераспределения потоков электроэнергии по различным ветвям сети путем оптимизации потерь в линиях электропередач и элементах сети на основе исследования и анализа аналитической модели межрегиональной распределительной сети.

Рецензенты:

• Шевцов Ю. Д., доктор технических наук, профессор кафедры информатики, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар.
• Сингаевский Н. А., доктор технических наук, профессор кафедры информатики, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар.