Оптимальное секционирование воздушных распределительных сетей 6…10 кВ в условиях нормирования показателей надежности (стр. 2 )

4. Разработан новый метод определения и адаптивной коррекции коэффициентов относительной важности критериев, используемых в обобщенной целевой функции многокритериальной задачи оптимизации надежности воздушных распределительных сетей 6...10 кВ, что позволило получить более эффективные и обоснованные решения по сравнению с заданием фиксированных коэффициентов.

Практическая значимость полученных результатов заключается в комплексном решении задачи повышения надежности электроснабжения потребителей путем использования в воздушных распределительных сетях напряжением 6...10 кВ различных видов современных коммутационных и защитных аппаратов.

Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, имеют практическую ценность для специалистов по вопросам управления надежностью распределительных электрических сетей Украины и позволят:

- обосновывать уровни нормируемых регулирующим органом показателей надежности электроснабжения потребителей для конкретных энергосистем;

- оценивать затраты на повышение надежности при условии удовлетворения установленных ограничений на показатели надежности электроснабжения;

- энергоснабжающим предприятиям или выйти на заданные величины нормируемых показателей надежности при оптимальном расходовании ресурса, или приблизиться к заданным величинам нормируемых показателей надежности в пределах существующих ограничений на ресурс;

- оценивать эффективность использования в распределительных электрических сетях конкретных видов коммутационно-защитного оборудования.

Результаты используются в учебном процессе Института энергосбережения и энергоменеджмента НТУУ «КПИ» на кафедре электроснабжения при чтении лекций, выполнении дипломных проектов бакалавров и специалистов, магистерских диссертационных работ. Планируется также применение представленных в работе оптимизационных алгоритмов в составе разработанного при участии автора информационно-вычислительного комплекса «ИВК-СЭС» и программном обеспечении «Таврида Электрик Украина»».

Личный вклад соискателя. Основные результаты и положения диссертационной работы, которые выносятся на защиту, получены автором самостоятельно.

В научных трудах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат: [1, 2] - выполнение комплекса расчетов для подтверждения адекватности и эффективности предлагаемых моделей и методов оптимизации надежности распределительных электрических сетей; [3, 15] - тестирование вычислительных алгоритмов эвристических методов принятия решений для задач оценки показателей надежности; [4, 9, 13] - анализ влияния источников распределенной генерации на показатели режимов электрических сетей; [5, 8, 12, 16] – моделирование электрических нагрузок в современных информационно-вычислительных комплексах при различных уровнях неопределенности информации; [6] - обоснование классификации показателей, характеризующих как надежность функционирования распределительных электрических сетей, так и надежность электроснабжения потребителей; [6, 10, 14] - концепция моделирования процесса восстановления электроснабжения потребителей и оценки базовых показателей надежности в воздушных линиях напряжением 6 кВ; [7] – критический анализ особенностей функционирования и эксплуатации современных коммутационных и защитных аппаратов наружной установки, применяемых в воздушных распределительных сетях 6...10 кВ; [10, 14] - метод формирования расчетной модели и решения задачи оптимизации надежности воздушных распределительных сетей 6...10 кВ; [11] - комплексный анализ отечественного и международного опыта построения моделей оптимизации надежности распределительных электрических сетей; [14] - метод определения и адаптивной коррекции коэффициентов относительной важности критериев, используемых в обобщенной целевой функции при решении задачи оптимизации надежности воздушных распределительных сетей 6...10 кВ; [17] - модификация вычислительных алгоритмов метода нормированных функций.

Автор работы выражает глубокую благодарность д. т.н., профессору за консультативную помощь в проведении анализа и выборе метода решения оптимизационной задачи.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались на международных, ведомственных и вузовских научно-технических конференциях, конгрессах, симпозиумах и совещаниях: 3-th Symposium on Optimization of Development and Operation of Power Systems (Jassy, 1991); конференция «Методы и средства управления электропотреблением» (Киев, 1992); Fifth International Fuzzy Systems Association World Congress (Seoul, Korea, 1993); 2002 WSEAS International Conference on System Science, Applied Mathematics and Computer Science and Power Engineering Systems (Rio de Janeiro, Brazil, 2002); VIII Международная научно-техническая конференция «Приборостроение 2009: состояние и перспективы» (Киев, 2009); Первая (ESS’10), вторая (ESS’11) и третья (ESS’13) международные конференции «Интеллектуальные энергетические системы – ИЭС» (Свалява-Мукачево, Украина, 2010, 2011, 2013); экспертное совещание «Новые возможности построения распределительных электрических сетей 6-35 кВ при эффективном использовании вакуумного коммутационного оборудования» (Гаспра, Украина, 2013).

Публикации. По результатам диссертационной работы автором исследований опубликовано 27 публикаций, в том числе 17 в научных специализированных изданиях, из которых 3 в иностранных изданиях, 1 в изданиях, входящих в наукометрические базы данных.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из вступления, четырех глав, выводов, приложений, списка использованных литературных источников, состоящего из 247 наименований (в том числе 120 иностранных). Основной текст изложен на 130 страницах печатного текста, содержит 33 рисунка, 24 таблицы. Общий объем работы 224 страницы.

ГЛАВА 1

ПРОБЛЕМА НАДЕЖНОСТИ В СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Роль систем электроснабжения в обеспечении надежности функционирования энергетического сектора экономики

Обеспечение социально-экономической стабильности общества и достойного качества жизни населения в значительной степени зависит от надежности и эффективности функционирования инфраструктуры снабжения топливно-энергетическими ресурсами, в особенности электрической энергией. Электроэнергетическая отрасль Украины имеет достаточные мощности генерации и развитую сеть для снабжения электроэнергией потребителей. Однако в настоящее время эта отрасль приближается к критическому состоянию [18], что обуславливает значительные риски не только для реализации ею главной своей функции – обеспечения экономики и населения электроэнергией в требуемом объеме и адекватного качества, но и риски возникновения техногенных аварий, неконтролированного роста себестоимости электроэнергии, увеличения расхода топлива и обострения экологических проблем.

Среди основных причин сложившейся ситуации можно назвать следующие:

1. Существенный физический износ оборудования объектов электроэнергетики. Значительная часть электрических сетей построена в 60-70 годах прошлого века. На сегодняшний день изношенность основных фондов энергоснабжающих компаний достигает 60 % [19].

2. Наряду с физическим износом оборудования происходит его моральное старение. Средний технический уровень установленного подстанционного оборудования в сетях по многим позициям соответствует оборудованию, которое эксплуатировалось в ведущих странах мира 30 лет назад [20].

3. Неудовлетворительное состояние эксплуатируемого электроэнергетического оборудования – особенно распределительных сетей (РС). Так по состоянию на 01.01.2011 года подлежали реконструкции или полной замене [21]:

- более 7 % (20538 км) воздушных линий (ВЛ) напряжением 6...10 кВ;

- около 17 % (73095 км) ВЛ 0,38 кВ;

- 19 % (37679 шт.) трансформаторных подстанций (ТП) 6...10 кВ.

4. Сокращение инвестиций на ввод нового оборудования, модернизацию и продление срока службы действующего оборудования. Программа модернизации и реконструкции электросетей Украины на период 2007-2011 гг. при плане в 11,4 млрд. грн. из-за нехватки средств была профинансирована лишь на 43,7 % [19].

5. Снижение производственных мощностей энергетического и электротехнического машиностроения, энергостроительной отрасли.

6. Отсутствие эффективной кадровой политики в отрасли и подготовки кадров в высшей школе, которые не соответствуют современному уровню развития электроэнергетики [22, 23].

7. Недостаточность технических регламентов и национальных стандартов.

8. Отсутствие объективного анализа состояния надежности оборудования и аварийности в отрасли.

9. Отсутствие финансовой ответственности за обеспечение надежности электроснабжения потребителей.

10. Несовершенство государственного регулирования, надзора и контроля в электроэнергетике, ценовые диспропорции на рынке электроэнергии [18].

Сложившаяся ситуация приводит к обострению угроз энергетической безопасности государства и может не только затормозить развитие прогнозированного роста, но и привести в итоге к кризису экономики Украины. Таким образом, возникла острая необходимость реформирования электроэнергетического комплекса на основе [18]:

- использования передовых энергетически эффективных и экологически безопасных технологий;

- обеспечения маневренности генерирующих мощностей;

- уменьшения потерь электроэнергии в сетях, стимулирования внедрения энергосберегающих мероприятий;

- обеспечения рыночных условий функционирования всех субъектов электроэнергетики на принципах конкуренции, открытости и прозрачности отношений;

- внедрения системы контроля надежности электроснабжения и качества потребляемой электроэнергии.

Изменение существующей ситуации в электроэнергетической отрасли возможно при условии проведения реформ как в сфере производства и транспортирования, так и в сфере распределения электроэнергии.

В Украине распределение и поставку электроэнергии непосредственно потребителям через распределительные линии электропередач и подстанции осуществляют региональные энергоснабжающие компании (ЭСК) – акционерные товарищества с государственной и частной собственностью.

Надежность электроснабжения потребителей рассматривается в качестве одного из основных показателей, характеризующих эффективность работы ЭСК. При этом надежность является комплексным свойством и может быть определена [24] как способность электроэнергетической системы (ЭЭС) выполнять функции по производству, передаче, распределению и снабжению потребителей электрической энергией в требуемом количестве и нормированного качества путем технологического взаимодействия генерирующих установок, электрических сетей и электроустановок потребителей, в том числе:

- удовлетворять в любой момент времени (как текущий, так и на перспективу) общий спрос на электроэнергию;

- противостоять возмущениям, вызванным отказами элементов энергосистемы, включая опасность каскадного развития аварий и наступления форс-мажорных условий;

- восстанавливать свои функции после их нарушения.

В свою очередь, одним из основных как по размерам, так и по влиянию на надежность электроснабжения объектов, находящихся на балансе ЭСК, являются воздушные распределительные сети напряжением 6...10 кВ (ВРС 6...10 кВ), имеющие по состоянию на 01.01.2011 года общую протяженность км [21]. В связи с этим ниже рассматриваются ВРС 6...10 кВ как объект управления с точки зрения надежности.

1.2 Воздушные распределительные сети 6...10 кВ как объект управления с точки зрения надежности

Под термином «управление» понимается [25] сознательное воздействие на систему для обеспечения поставленной цели – достижения наилучшего (за данный отрезок времени) значения принятого критерия (критериев) эффективности в пределах заданных ограничений.

ВРС 6...10 кВ обладают рядом особенностей, которые следует учитывать при их проектировании и эксплуатации. К таким особенностям, прежде всего, следует отнести [26, 27]:

- большая протяженность и разветвленность сетей, обусловленная радиальной схемой их построения и необходимостью электроснабжения значительного числа территориально рассредоточенных объектов; в 2010 году в эксплуатации ЭСК Украины находились 26059 ВЛ 6...10 кВ, из них [28]:

а) 16 %) линий протяженностью до 15 км;

б) 9 ,4 %) линий протяженностью от 15 км до 50 км;

в) 143 (0,6 %) линии протяженностью свыше 50 км;

- подача электроэнергии преимущественно сельскохозяйственным потребителям, для которых характерны: быстрый рост энерго - и, особенно, электровооруженности производства (и как следствие этого - значительные ущербы от перерывов электроснабжения); суточная и сезонная нерав­номерность (нестационарность) электропотребления; высокий удельный вес реактивных нагрузок;

- недостаточная оснащенность средствами автоматизации, повышения надежности и компенсации реактивной мощности, низкая эффективность использования установленного в сетях оборудования; в 2010 году из 26059 ВЛ 6...10 кВ Украины [28] только:

а) 15 ,4 %) линий были оборудованы устройствами АПВ;

б) 787 (3,2 %) линий имели в своем составе автоматические защитно-коммутационные аппараты;

- слабая информированность персонала о техническом состоянии сетей, электрических нагрузках, показателях надежности и качества электроснабжения потребителей;

- ограниченность материальных и трудовых ресурсов в районах электрических сетей (РЭС) и на предприятиях электрических сетей (ПЭС);

- недостаточная квалификация и трудовая дисциплина обслуживающего персонала.

Одним из наиболее важных технико-экономических показателей, характеризующих функционирование ВРС 6...10 кВ, является надежность электроснабжения. Это обусловлено рядом причин:

1. Продолжающийся процесс увеличения электрических нагрузок, рост единичных мощностей оборудования предприятий, расширение и углубление электрификации технологических процессов предъявляют повышенные требования к надежности электроснабжения, т. к. существенно возрастают ущербы от перерывов или ограничения электроснабжения.

2. Анализ статистики о перерывах электроснабжения показывает [29-31], что РС среднего напряжения вносят наибольший «вклад» в показатели надежности электроснабжения отдельных потребителей. Например [28], общий недоотпуск электроэнергии потребителям из-за повреждений в сетях 0,38-150 кВ распределен следующим образом:

- 5,5 % сети 35-150 кВ;

- 76 % сети 6...10 кВ;

- 18,5 % сети 0,38 кВ.

Такое распределение объясняется тем, что надежность отечественных ВЛ 6...10 кВ, составляющих основу ВРС 6...10 кВ, (по совокупности таких показателей надежности, как параметр потока отказов и время восстановления электроснабжения) значительно ниже, чем надежность кабельных линий (КЛ) 6...10 кВ, ВЛ других номинальных напряжений (35 кВ и выше) [21, 32-35], а также ВЛ аналогичных классов напряжений таких стран, как США, ФРГ, Франция, Великобритания [36, 37].

3. Аварии в ВРС не только приводят к ущербам потребителей и неблагоприятным социальным последствиям, но и в ряде случаев вызывают опасность для жизни людей (являясь источником пожаров [38, 39] и поражения людей электрическим током [39, 40]).

4. Проблема повышения надежности ВРС 6...10 кВ - это в первую очередь проблема экономическая, т. к. ее решение связано с большими затратами материальных, финансовых и трудовых ресурсов в условиях их острого дефицита [41-43].

Значительная часть ВЛ 6...10 кВ, находящихся в эксплуатации, не соответствуют современным требованиям по надежности [20, 21, 36, 44]. Эти линии строились в период ускоренного охвата обширных территорий Украины сплошной электрификацией. При этом заведомо допускались снижения требований по надежности (например, до 1971 г. проектирование ВЛ велось по условиям 5-летней повторяемости гололедно-ветровых нагрузок), часть ВЛ строилась с отступлением от проектов. Построенные ВЛ не реконструировались, т. к. требуемые объемы реконструкции в условиях ограниченных материально-технических возможностей отставали от темпов роста протяженности непригодных к эксплуатации ВЛ. Восстановление поврежденных ВЛ, как правило, осуществлялось без учета изменившихся расчетных условий. Выполненные объемы капремонтов значительно ниже от необходимых и не отвечают требованиям ПТЭ п 5.7.20 (ежегодный ремонт 10 % линий на ж/б опорах и 20 % на деревяных опорах) [20]. В большинстве случав нарушается периодичность капитальных ремонтов и реконструкция ВЛ. Так, капремонт на металических и железобетонных опорах проводится раз в 20-25 лет (по нормативам не реже одного раза в 10 лет) [20]. При выполнении капремонта работы сводятся к замене изоляторов и вырубке деревьев под ВЛ. Техническое обслуживание не проводится в установленных объемах. Сохраняется низкий уровень оснащенности ПЭС и РЭС специальными механизмами (автогидроподъемниками, телескопическими вышками и передвижными электромеханическими мастерскими).