Оптимальное секционирование воздушных распределительных сетей 6…10 кВ в условиях нормирования показателей надежности (стр. 1 )

Министерство образования и науки Украины

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт»

На правах рукописи

ТКАЧЕНКО ВАДИМ ВЛАДИСЛАВОВИЧ

УДК 621.316.11.004.15

ОПТИМАЛЬНОЕ СЕКЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУШНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 6…10 кВ В УСЛОВИЯХ НОРМИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ

Специальность 05.14.02 – електрические станции, сети и системы

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент

Киев – 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.. 5

ВВЕДЕНИЕ. 6

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМА НАДЕЖНОСТИ В СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.. 14

1.1 Роль систем электроснабжения в обеспечении надежности функционирования энергетического сектора экономики. 14

1.2 Воздушные распределительные сети 6...10 кВ как объект управления с точки зрения надежности. 17

1.3 Мировая практика оценки показателей надежности электроснабжения 22

1.4 Особенности информационного обеспечения задач управления надежностью распределительных сетей. 29

Выводы к главе 1. 36

ГЛАВА 2 МОДЕЛИ И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ НАДЕЖНОСТИ ВОЗДУШНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 6...10 кВ.. 38

2.1 Сравнительная оценка моделей оптимизации надежности распределительных электрических сетей. 38

2.2 Особенности постановки задачи оптимизации надежности воздушных распределительных сетей 6...10 кВ энергоснабжающих компаний Украины 44

2.3 Анализ методов решения задачи оптимизации надежности. 51

2.4 Модификация вычислительных алгоритмов метода нормированных функций применительно к задаче оптимального секционирования воздушных распределительных сетей 6...10 кВ.. 61

Выводы к главе 2. 69

ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ И ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ВОЗДУШНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 6...10 кВ.. 71

3.1 Структуризация воздушных распределительных электрических сетей для целей анализа надежности. 71

3.2 Моделирование процесса восстановления электроснабжения потребителей и оценка базовых показателей надежности при возникновении устойчивых отказов в нерезервируемых воздушных линиях 6...10 кВ.. 76

3.2.1 Реклоузеры без других секционирующих устройств. 77

3.2.2 Реклоузеры и секционалайзеры.. 79

3.2.3 Реклоузеры и разъединители. 81

3.2.4 Разъединители ручного управления. 84

3.2.5 Разъединители ручного управления и предохранители - разъединители 86

3.3 Моделирование процесса восстановления электроснабжения потребителей и оценка базовых показателей надежности при возникновении устойчивых отказов в резервируемых воздушных линиях 6...10 кВ.. 89

3.3.1 Реклоузеры без других секционирующих устройств. 90

3.3.2 Реклоузеры и секционалайзеры.. 92

3.3.3 Реклоузеры и разъединители. 95

3.3.4 Разъединители ручного управления. 97

3.3.5 Разъединители ручного управления и предохранители - разъединители 98

3.4 Особенности количественной оценки базовых показателей надежности при учете устойчивых и неустойчивых отказов. 100

3.5 Использование нечеткого логического вывода при оценке составляющих времени восстановления электроснабжения. 104

Выводы к главе 3. 111

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОПТИМАЛЬНОГО СЕКЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 6...10 кВ.. 112

4.1 Алгоритмы оптимального секционирования воздушных распределительных сетей 6...10 кВ.. 112

4.1.1 Принципы и алгоритм формирования расчетной модели задачи оптимального секционирования воздушных распределительных сетей 6...10 кВ.. 112

4.1.2 Общий алгоритм решения задачи оптимального секционирования воздушных распределительных сетей 6...10 кВ.. 114

4.1.3 Определение весовых коэффициентов интегральных показателей надежности, формирующих целевую функцию решаемой задачи. 119

4.2 Применение эвристического алгоритма оптимального размещения секционирующих устройств в воздушных распределительных сетях 6...10 кВ 121

4.2.1 Тестовая модель воздушной линии электропередачи. 121

4.2.2 Решение оптимизационной задачи относительно нагрузок узлов и количества абонентов. 123

4.2.3 Решение оптимизационной задачи при фиксированных весовых коэффициентах 129

4.2.4 Решение оптимизационной задачи при адаптивных весовых коэффициентах 133

4.3 Анализ влияния источников распределенной генерации на работу коммутационно-защитных аппаратов в плане решения задачи оптимизации надежности воздушных распределительных сетей 6...10 кВ.. 141

Выводы к главе 4. 148

ВЫВОДЫ.. 150

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 153

Приложение А Информационно-вычислительный комплекс «ИВК-СЭС». 183

Приложение Б Обзор моделей оптимизации надежности распределительных электрических сетей. 189

Приложение В Особенности функционирования и эксплуатации современных коммутационных и защитных аппаратов наружной установки, применяемых в воздушных распределительных сетях 6...10 кВ.. 207

Приложение Г Пример получения альтернативных вариантов размещения в линии секционирующих устройств при выполнении итераций оптимизационного процесса 219

Приложение Д Акты внедрения результатов диссертационной работы.. 222

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АВР – автоматический ввод резерва;

АПВ – автоматическое повторное включение;

ВЛ – воздушная линия;

ВРС – воздушная распределительная электрическая сеть;

ДП – дискретная последовательность;

ИРГ – источник распределенной генерации;

ЛПР – лицо принимающее решение;

ЛЭП – линия электропередачи;

ОВБ – оперативно-выездная бригада;

ПЭС – предприятие электрических сетей;

РЗ – релейная защита;

РС – распределительная электрическая сеть;

РЭС – район электрических сетей;

ТП – трансформаторная подстанция;

ТПРП – точка подключения резервного питания;

ТПЭ – точка продажи электроэнергии;

СДО – средняя длительность отключений;

СЛ – секция линии;

СМ – секция магистрали;

СО – секция ответвления;

СПН – средство повышения надежности;

СЧО – средняя частота отключений;

СУ – секционирующее устройство;

СЭС – система электроснабжения;

ЦП – центр питания;

ЦФ – целевая функция;

ЭСК – энергоснабжающая компания;

ЭЭС – электроэнергетическая система.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Обеспечение надежности электроснабжения потребителей всегда позиционировалось, как приоритетная задача электроэнергетики. Важная роль при достижении данной цели отводилась системам электроснабжения (СЭС). Не ставя под сомнение тяжесть глобальных последствий, которые могут быть вызваны повреждениями в системообразующих сетях объединенной энергосистемы, практика все же демонстрирует, что наибольшее число перерывов в электроснабжении связана с отказами, возникающими на уровне распределения электрической энергии. Помимо этого, повышенное внимание к СЭС в плане обеспечения высокой надежности объясняется не только более низким уровнем их автоматизации, но и теми структурными изменениями (активное развитие распределенной генерации, создание предпосылок для внедрения Smart Grid технологий), которые неизбежно затронут электроэнергетическую отрасль в ближайшей перспективе и коснутся, прежде всего, сферы распределения электрической энергии. Учитывая приведенные факты, экономически развитые страны достигли существенного прогресса в направлении повышения надежности функционирования данного сектора электроэнергетики, и по сравнению с ними Украина находится лишь на начальном этапе данного процесса. С одной стороны, такая ситуация имеет определенные преимущества, связанные с возможностью использовать опыт индустриально развитых стран. Однако, с другой стороны, учитывая техническое состояние отечественных энергосистем, их ограниченные материальные возможности, Украина не сможет в полной мере копировать зарубежный опыт, выдерживать тот же темп и объем реформирования электроэнергетической отрасли, что и экономически развитые страны. В наших условиях целесообразно использовать относительно самостоятельный путь решения данной задачи, при этом уделив особое внимание наиболее слабому звену современных СЭС – воздушным распределительным сетям напряжением 6...10 кВ.

Вопросы повышения надежности распределительных электрических сетей стали предметом исследований с 70-х годов ХХ века. Большой вклад в теоретические основы и развитие методов повышения надежности распределительных сетей внесли отечественные ученые , , . Хорошо известны труды таких зарубежных авторов, как Р. Биллинтон, Р. Аллан, Дж. Эндрени и др. Следует отметить, что большое количество исследований как отечественных, так и зарубежных ученых связано с применением одного из наиболее распространенных способов повышения надежности электроснабжения потребителей – определении оптимального вида, количества и мест размещения в воздушных распределительных сетях напряжением 6...10 кВ коммутационных и защитных аппаратов. Однако появившиеся в последнее время виды современного коммутационно-защитного оборудования, использование в распределительных сетях источников распределенной генерации, совершенствование связанной с вопросами надежности электроснабжения потребителей нормативно-правовой базы Украины переводят указанную проблему на принципиально новый уровень.

Изложенные выше обстоятельства и критический анализ международного опыта решения проблемы определили направления научных исследований, результаты которых изложены в данной работе.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Выполненные в работе исследования отвечают направлению «Современные технологии и ресурсосберегающие технологии в энергетике, промышленности и агропромышленном» Закона Украины № 000-VI от 01.01.2001 г. «Про приоритетные направления развития науки и техники», Комплексной программе НТУУ «КПИ» «Енергетика сталого розвитку» и направленности тематики НИР кафедры электроснабжения НТУУ «КПИ».

Материалы диссертационной работы использовано во время выполнения госбюджетных НИР: «Розробка сучасної концепції, методологічних засад та заходів забезпечення сталого розвитку енергетики України» (номер государственной регистрации - 0109U002587), «Технологія інтегрованих енергоефективних енергостанцій з комплексним застосуванням засобів розосередженої генерації та smart-технологій» (номер государственной регистрации – 0112U002685).

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является усовершенствование моделей, методов и алгоритмов определения оптимальных вида, количества и мест установки в воздушных распределительных сетях напряжением 6...10 кВ современных защитных и коммутационных аппаратов с целью повышения надежности электроснабжения потребителей, учитывая при этом актуальное состояние нормативно-правовой и технической базы электроэнергетики Украины и тенденции их развития.

Для достижения указанной цели исследования в работе требовалось решить следующие задачи:

- осуществить сравнительный анализ имеющегося опыта формирования и использования математических моделей задачи оптимизации надежности распределительных электрических сетей;

- разработать концепцию оценки показателей надежности воздушных распределительных сетей напряжением 6...10 кВ с учетом как устойчивых, так и неустойчивых отказов;

- разработать комплекс моделей для решения задачи оптимизации надежности воздушных распределительных сетей 6...10 кВ;

- усовершенствовать метод определения оптимальных мест установки, вида и количества коммутационных и защитных аппаратов в воздушных распределительных сетях 6...10 кВ;

- обосновать использование метода формирования весовых коэффициентов критериев в целевых функциях задачи оптимального секционирования воздушных распределительных сетей 6...10 кВ.

Объектом исследования являются процессы функционирования воздушных распределительных сетей напряжением 6...10 кВ с учетом размещения в них коммутационно-защитного оборудования.

Предметом исследования являются особенности и закономерности влияния на надежность электроснабжения потребителей современного коммутационно-защитного оборудования.

Методы исследования. Научно-методическую основу выполненных исследований составили следующие методы:

- системного анализа – при формировании совокупности показателей, характеризующих надежность, и в процессе анализа моделей оптимизации надежности распределительных электрических сетей;

- математического моделирования – при количественной оценке показателей надежности воздушных распределительных сетей напряжением 6...10 кВ;

- эвристические методы дискретного математического программирования – при решении задачи оптимального секционирования воздушных распределительных сетей напряжением 6...10 кВ.

Научная новизна полученных результатов.

1. Создана принципиально новая концепция моделирования процесса восстановления электроснабжения потребителей и оценки показателей надежности (в соответствии с номенклатурой МЭК, IEEE, НКРЭ), которая учитывает характер отказов в нерезервируемых и резервируемых воздушных линиях напряжением 6...10 кВ при различных вариантах использования коммутационных и защитных аппаратов, что позволило разработать для задач оптимизации надежности более адекватные и простые в плане формализации модели по сравнению с существующими.

2. Впервые разработан комплекс математических моделей для задачи оптимизации надежности воздушных распределительных сетей 6...10 кВ в многокритериальной постановке, основанный на формировании и использовании предложенного обобщенного показателя «Затраты/Выгода», реализация которого дает возможность повысить надежность электроснабжения потребителей, руководствуясь техническими возможностями и экономическими интересами энергоснабжающих компаний с учетом существующей нормативно-правовой базы Украины в области электроэнергетики.

3. Предложен усовершенствованный метод определения оптимальных мест установки, вида и количества коммутационных и защитных аппаратов в воздушных распределительных сетях 6...10 кВ, базирующийся на модифицированном методе нормированных функций и использующий разработанные модели, который в отличие от существующих не требует аналитического задания целевой функции и ограничений, и позволяет получить квазиоптимальное решение при эффективном преодолении характерных для рассматриваемой задачи проблем размерности, нелинейности, дискретности, а также учете наличия тесной взаимосвязи между управляющими воздействиями.