Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

ФГБОУ ВПО НАЦИАНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

"МЭИ"

На правах рукописи

АБУЛЕХИА ДИАА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОЖИДАНИЯ ПОТЕРЬ НАПРЯЖЕНИЯ
В КАБЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 10/0,4 КВ 
ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.14.02  - Электрические станции и
электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012 г.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский университет "МЭИ" г. Москва

Научный руководитель:        доктор технических наук,

профессор Конюхова Елена Александровна.

Национальный исследовательский университет "МЭИ"

Официальные оппоненты:        доктор технических наук,

профессор Новиков Николай еонтьевич

академик  Электротехнической аАкадемии наук РФ,

кандидат технических наук,

доцент Белов Сергей Иванович

Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина, доцент кафедрой

Ведущая организация: Московская объединенная электросетевая компания                МОЭСК

Защита диссертации в 27 апреля 2012 г. в  13 час.30 мин. на заседании диссертационного Совета Д 212.157.03 Национального исследовательского университета "МЭИ" по адресу: ул. Красноказарменная, д. 17, ауд. Г-200.

.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке НИУ МЭИ.

Автореферат разослан ____  _________________2012 г.

председатель

диссертационного Совета Д 212а157.03                Жуков в.в.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одним из существенных показателей режима работы системы электроснабжения является качество энергии. Управление режимами представляет собой сложную задачу, которая определяется как случайным во времени характером параметров, так и их большим числом, распределенных в пространстве. Регулирование напряжения в электрических сетях среднего (10 кВ) и низкого напряжения (0,38 кВ) в целях обеспечения требуемых отклонений напряжения на зажимах электроприемников включает в себя решение следующих задач:  оценку потерь напряжения в сетях среднего и низкого напряжения; расчет допустимых диапазонов изменения отклонений напряжения в различных узлах сети;  определение и реализацию требуемых законов регулирования управляемых компенсирующих и регулирующих устройств; выбор регулировочных отпаек трансформаторов с ПБВ; оценку соответствия диапазонов изменения отклонений напряжения требуемым; коррекцию законов и разработку дополнительных мероприятий по регулированию напряжения (при необходимости).

В настоящее время в энергосистемах и предприятиях электрических сетей используются расчетные методы анализа режимов напряжения. Эти методы позволяют при наличии специализированных программ для расчета режимов оперативно оценивать потери напряжения в иниях среднего напряжения и трансформаторах 10/0,4 кВ, рассчитывать допустимые диапазоны отклонений в узлах и производить настройку регулирующих устройств. Недостатком расчетных методов является невысокая достоверность исходной информации особенно в сетях до 1 кВ, используемой в расчетах. При сложившейся ситуации оперативное управление режимом сетевого района по напряжению сосредоточивается в ЦП, на которых установлены трансформаторы, снабженные РПН и автоматами регулирования напряжения трансформатора (АРНТ). При определении желаемого диапазона напряжений на ИП учитываются потери напряжения только: в сети высокого напряжения (6-10 кВ) и трансформаторах (6-10/0,4кВ); для двух потребителей (близкого и удаленного); в режиме максимальных и минимальных нагрузок.

Целью диссертационной работы является повышение обоснованности и достоверности задания среднего уровня напряжения на источнике питания сети 10/0,4 кВ при минимальном количестве измерений.

Для достижения указанной цели поставлены следующие основные задачи:

• Разработка метода определения математического ожидания потерь напряжения в совокупностях элементов, присоединенных к данному источнику питания: кабелях напряжением до и выше 1 кВ, трансформаторах 6-10/0,4 кВ
• Исследование статистических показателей параметров, потерь напряжения и коэффициентов загрузки в  совокупностях элементов до 1 кВ.
• Выявление возможных границ применения  упрощенного метода определения математического ожидания потерь напряжения в совокупности кабелей до 1 кВ.
• Разработка и применение метода определения математического ожидания отклонения напряжения на источнике питания с учетом суммарного математического ожидания совокупностей элементов сети и желаемого уровня напряжения на электропотребителе.

Актуальность диссертационной работы подтверждается Федеральным законом Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-Фз "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации", Постановлением Правительства Российской Федерации от 27.12004 г. № 861 Правила недискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг (в редакции Постановления Правительства РФ от 21.02. 2007 г. № 168).

Методы исследования

При решении поставленных задач в работе использованы методы теории вероятностей и статистической обработки информации, структурно-балансовые методы расчета и анализа электрических сетей, классические методы теоретической электротехники.

Научная новизна

Основные научные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы: результаты статистического анализа потерь напряжения в совокупности кабелей до 1 кВ; методика определения математического ожидания потерь напряжения в совокупности кабелей до 1 кВ и трансформаторов 10/0,4 кВ; методика определения математического ожидания желаемого отклонения напряжения на источнике питания.

Практическая ценность

Разработанные методы позволяют более обосновано и достоверно при минимальном количестве измерений в сети рассчитывать:

Математические ожидания потерь напряжения в совокупностях элементов сети 10/0,4 кВ.

Математические ожидания желаемого отклонения напряжения на источнике питания  при условии обеспечения требуемых ГОСТ отклонений напряжения на электроприемниках.

Реализация результатов работы

Проведены расчеты статистических показателей совокупностей элементов электрической сети 11/0,4 кВ района г. Газа. На базе этих расчетов даны рекомендации по режиму напряжения, в результате проведенных экспериментов потребление активной мощности снижено на 6% при соблюдении допустимых отклонений напряжения на электропотребителе.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 2 работы в центральных журналах, входящих в список ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пят глав, изложенных на 103 стр. машинописного текста и содержащих 37 рисунков и 33 таблицы, а также 2 приложения на 67 стр. Список итературы содержит 43 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении проведен аналитический обзор требований к уровням напряжения в системе электроснабжения 10/0,4 кВ; систем регулирования напряжения с помощью трансформаторов; методики регулирования напряжения, действующей в настоящее время в системах электроснабжения. В результате обоснована цель работы и определены основные задачи.

Во первой главе представлены теоретические разработки методов оценки математического ожидания потерь напряжения за интервал времени  в системе электроснабжения 10/0,4 кВ. Типичная схема электроснабжения на напряжении 10/0,4 кВ: источник питания (ИП -  трансформатор со вторичным напряжением 10 кВ); питающие и распределительные кабельные инии 10 кВ; трансформаторы 10/0,4 кВ; кабельные инии 0,4 кВ.

Потери напряжения в момент времени t в полном сопротивлении R+jX элемента сети в о.е. от номинального напряжения Uном могут быть выражены  через ток нагрузки It при номинальном токе  Iном элемента сети, при коэффициенте мощности его нагрузки cosφt:

ΔUt =  [R cosφt + X sinφt]= Кз.аt [V + W tgφt]= Кз.аtH,                ( 1)

где Кз.а  -  коэффициент загрузки элемента по активной мощности:

Kз.аt =Pt /Sном.э= Kзt. cosφt,                                                        (2)

где P t - активная нагрузка, Sном.э- номинальная полная мощность элемента.

V , W , H - номинальные относительные потери (НОП) в активном, реактивном и полном сопротивлении элемента. НОП - потери напряжения в о.е. к номинальному напряжению при протекании номинального тока Iном (мощности Sном) в активном,  реактивном и полном сопротивлениях элемента:

V= R = R; W = X= X; H=V + W tgφ,        (3)

значения НОП - предельные значения потерь напряжения в о.е к номинальному напряжению в сопротивлениях элемента при номинальной нагрузке.

На рис. Ошибка! Источник ссылки не найден. и Ошибка! Источник ссылки не найден. представлены зависимости НОП в кабелях 0,38 кВ длиной 1 км с алюминиевыми жилами от сечения жилы при прокладке в земле и трансформаторах от номинальной мощности  при tgφ=0,4 и 1. НОП в кабелях напряжением 0, 38 кВ на единицу длины в 35Е40 раз больше, чем в кабелях 10 кВ.

НОП в полном сопротивлении трансформаторов 10/0,4 кВ HТ=0,033Е0,031 при tgφТ=0,4 для трансформаторов
250кВ АSном.т1600кВ А,  то есть практически не зависят от номинальной мощности трансформаторов

  Рис. 1.  Рис. 2.

Математическое ожидание потерь напряжения (о.е.) за интервал времени T, учитывая (1) и то, что НОП элемента  H Ц не случайная величина при постоянном tgφ:

MT[ΔUt] = HMT[Kз.аt.].                                                                 (4)

Математическое ожидание за период времени T потерь напряжения ΔUИ-iт-jt от ИП 10 кВ до jЦтого узла 0,38 кВ (РЩ) при отсутствии промежуточного РП:

MT[ΔUИ-jt]=MT [ΔUИ-nt + ΔUiтt+ΔUi-jt]=

=MT [ΔUИ-nt]+MT [ΔUiтt]+MT [ΔUi-jt],                                         (5)

где ΔUИ-nt,  ΔUiтt, ΔUi-jt Ц потери напряжения в кабеле от ИП до ТП  в n-ном кабеле 10 кВ от ИП до узла первого присоединения трансформатора к магистрали; в  iЦом трансформаторе; между шинами вторичного напряжения iЦтого трансформатора и узлом присоединения  j-того РЩ, то есть потери напряжения в кабеле от ТП до РЩ.

Математическое ожидание потерь напряжения за интервал времени T в кабеле 0,38 кВ от ТП до РЩ:

MT [ΔUi-j]= HК.Нi-j MT[KзаК.Нi-j t]= HК.Нi-j  = HТi  ,                 (6)

где ЭА.К.Нi-j Ц количество активной электроэнергии, переданное через  iЦj Цый кабель 0,38 кВ  за интервал времени T.

Математическое ожидание потерь напряжения за интервал времени T в электрической сети от источника питания (ГПП) на 10 кВ до распределительного щита (РЩ) на 0,38 кВ определяется значениями НОП кабеля 10 кВ, трансформатора 10/0,4 кВ, кабеля 0,38 кВ и количеством активной электроэнергии, отпущенной потребителям через эти элементы за время T.

Во второй главе разработана методика определения оценки математического ожидания потерь напряжения для совокупности элементов электрической сети: кабелей высокого напряжения и трансформаторов 10/0,4 кВ.

Математическое ожидание потерь напряжения для совокупности из N элементов за период времени T равно матожиданию произведения НОП и их коэффициента загрузки в момент времени t:

MN,T[ΔUt]=MN,T[HKзаt]=MN[H]MN,T[Kзаt]+KN,T[H;Kзаt]=

=MN[H]MN,T[Kзаt]+r[H;Kзаt]N[H]N,T[Kзаt],                                         ( 7)

где Ц MN[H]; MN,T[Kзаt]; N[H]; N,T[Kзаt] - математического ожидания,  стандартные отклонения НОП и коэффициента загрузки по активной мощности совокупности соответственно; KN,T[H;Kзаt] - корреляционный момент и r[H, Kзаt] - коэффициент корреляции между НОП и коэффициентом загрузки  по активной мощности.

Математическое ожидание  за интервал времени T коэффициента загрузки по активной мощности для N элементов совокупности:

MN,T[Kзаt] =  = ,                                         (8)

где ЭА.И Ц количество активной электроэнергии, полученное всеми электропотребителями ИП за интервал времени T, Uном.ф - номинальное фазное напряжение, ΣIНОМ и ΣSНОМ - сумма номинальных токов и номинальных мощностей всех элементов совокупности, MT[PИ] - математическое ожидание активной мощности нагрузки ИП за время T.

Если N[H]=0 (то есть при H=const) или N,T[Kзаt]=0, формула (7) упрощается:

MN,T[ΔUt]=MN[H]MN,T[Kзаt]                                                                 ( 9)

Отметим, что число кабелей 10 кВ, присоединенных к секции шин ИП, обычно не превышает NКВ 10 штук. Кроме того, каждый присоединение кабеля 10 кВ снабжено приборами измерения и учета, следовательно, определение параметров нагрузки каждого кабеля не затруднительно. Следовательно, расчет потерь напряжения каждого кабеля 10 кВ и числовых характеристик совокупности  также не сложен.

Порядок расчета может быть следующим:

1. Провести измерения тока нагрузки каждого кабеля в течение периода времени T, определить математическое ожидание. Рассчитать математическое ожидание полной мощности нагрузки каждого кабеля.
2. Провести измерения активной и реактивной энергии, переданной по каждому кабелю за время T.
3. Рассчитать значение математическое ожидание коэффициента реактивной мощности нагрузки кабеля за время T.
4. Рассчитать математическое ожидание потерь напряжения в каждом кабеле MT [ΔUnt].
5. Рассчитать математическое ожидание потерь напряжения за время T в совокупности кабелей 10 кВ, присоединенных к секции ИП:

MNкв,T[ΔUКвnt] =.                                                 (10)

При небольших длинах кабелей распределительной сети 10 кВ (менее 0,5 км) можно оценивать потери напряжения, ограничиваясь потерями напряжения на головном участке. Потери напряжения в питающих кабелях от ИП до РП необходимо учитывать.

Математическое ожидание потерь напряжения за период времени T для совокупности из трансформаторов с одинаковыми HТi  определяется по (9) как произведение математического ожидания НОП в полном сопротивлении и математического ожидания коэффициента загрузки по активной мощности, то есть без учета корреляционного момента. При рекомендуемом Минэнерго значении коэффициента реактивной мощности нагрузки трансформаторов  tgφ=0,4 для совокупности трансформаторов с номинальными мощностями 250кВ А Sном.т 1600кВ А математическое ожидание НОП в полном сопротивлении MNт,T[HТi]=HТi0,032 и стандартное отклонение Nт,T[HТi]0.

В третьей главе проведено исследование потерь напряжения в совокупностях кабелей до 1 кВ.

Электроснабжение приемника электроэнергии 0,4 кВ от питающего трансформатора 10/0,4 кВ выполняется по двухступенчатой радиальной схеме: от ТП до распределительного щита (РЩ) и от РЩ до электроприемника ПЭ. При правильно выбранных сечениях и длинах иний второй ступени РЩЦПЭ потери напряжения в кабелях и проводах незначительны, поэтому в данной работе рассматривается только первая ступень схемы 0,4 кВ: ТПЦРЩ.

С целью анализа потерь напряжения, НОП и коэффициента загрузки были проведены статистические исследования двадцати одной совокупностей кабелей 0,38 кВ от ТП до РЩ для режима максимальных нагрузок. Число кабелей в одной совокупности NКн =20Е180.

НОП в полном сопротивлении кабелей до 1 кВ в данном разделе не рассматриваются вследствие сложности выявления коэффициентов реактивной мощности для каждого кабеля ввиду отсутствия необходимых приборов учета. Кроме того НОП в полном сопротивлении HКн при tgφ<0,5 ненамного превосходят НОП в активном  сопротивлении Vкн. Поэтому для совокупности кабелей до 1 кВ математическое ожидание потерь напряжения в активном сопротивлении для совокупности из NКн кабелей 0,4 кВ в момент времени t равно матожиданию произведения НОП в активном сопротивлении и коэффициента загрузки по активной мощности с учетом корреляционного момента:

MNкн,t[ΔUКн.аjt]= MNкн[VКнLj]MNкн,t[KзаКнjt]+K[VКнLj;KзаКнjt]=

= MNкн[VКнLj] MNкн,t[KзаКнjt]+r[VКнLj;KзаКнjt]Nкн[VКнLj]Nкн,t[KзаКнjt], (11)

где Ц MNкн[VКнLj], MNкн,t[KзаКнjt],  Nкн[VКнLj], Nкн,t[KзаКнjt] - математического ожидания, стандартные отклонения НОП в активном сопротивлении и коэффициента загрузки по активной мощности совокупности кабелей, соответственно; K[VКнLj;KзаКнjt] - корреляционный момент и r[VКнLj;KзаКнjt] - коэффициент корреляции между НОП в  активном сопротивлении и коэффициентом загрузки по активной мощности нагрузки кабеля до 1 кВ.

Оценка математического ожидания потерь напряжения в активном сопротивлении для совокупности из NКн кабелей 0,4 кВ в момент времени t без учета корреляционного момента:

MNкн,t[ΔКн.аLjt] = MNкн[VКнLj]MNкн,t[KзаКнjt].                         (12)

В Приложении 1 представлены исходные данные этих совокупностей кабелей, а именно: активная мощность, протекающая по инии PКнjt, коэффициент мощности cosКнjt, реактивная мощность, протекающая по инии QКнjt, сечения инии FКнj, номинальный ток для данного сечения IномКнj, длина инии LКнj, погонные сопротивления инии r0Кнj, x0Кнj.

Также в Приложении 1 представлены рассчитанные параметры, а именно: активное и реактивное сопротивление инии RКнj, ХКнj, ток, протекающий по инии IКнjt, коэффициент загрузки кабеля KзКнjt, коэффициент реактивной мощности нагрузки кабеля tgКнjt, потери напряжения в активном и полном сопротивлении инии UКнjt и  UКн.аjt, НОП кабеля VКнj, WКнj, коэффициент загрузки по активной KзаКнjt мощности.

Для параметров каждой совокупности были определены их статистические показатели, а именно: среднее, минимальное, максимальное значения (табл.1), среднеквадратические отклонение, дисперсия, вариация.

Таблица 1

Параметр	Пределы значений			Число значений (в % от общего числа), меньших среднего
	максимальных	минимальных	средних
Коэффициент загрузки КзаКн	0,5Е0,85	0,006Е0,27	0,15Е0,56	43Е73%
НОП в активном сопротивлении VКн,%	0,6Е3,1	0,1Е3	0,2Е9	62Е76%
Потери напряжения в активном сопротивлении UКн.а,%	0,16Е6,8	0,009Е0,13	0,06Е3	67Е93%

Некоторые из 21 рассмотренной совокупности имеют относительно небольшое число кабелей, не позволяющих делать достоверные выводы. Для повышения достоверности результатов были проведены  статистические исследования тринадцати совокупностей кабелей до 1 кВ при числе кабелей в одной совокупности  NКн >60 шт.

Для этих совокупностей были рассчитаны коэффициенты корреляции r[VКнLj;KзаКнjt] между НОП в  активном сопротивлении и коэффициентом загрузки по активной мощности нагрузки кабеля до 1 кВ.

На рис. 3  показана зависимость коэффициента корреляции от математического ожидания коэффициента загрузки кабелей. С достаточно высокой степенью достоверности (0,78) эта зависимость аппроксимируется как:

r[VКн; КзаКн] = M[КзаКн].                                                ( 13)

То есть можно сделать вывод, что коэффициент корреляции равен по абсолютной величине матожиданию коэффициента загрузки.

Поскольку коэффициент корреляции имеет отрицательные значения, то произведение матожиданий НОП и коэффициента загрузки больше математического ожидания потерь напряжения в активном сопротивлении совокупности кабелей до 1 кВ.

Рис. 3.

В Приложении 2 приведены статистические распределения значений потерь напряжения, коэффициента загрузки и НОП в активном сопротивлении кабелей 0,38 кВ от ТП до РЩ для разных совокупностей.

По проведенным исследованиям статистических гистограмм распределений параметров в совокупностях кабелей 0,38 кВ от ТП до РЩ при разных значениях математического ожидания параметра можно сделать выводы:

1. Вид гистограммы распределения НОП VКн практически не меняется при изменении математического ожидания ΜΝ[VКн].
2. Вид гистограммы распределения коэффициента загрузки по активной мощности нагрузки кабелей до 1 кВ КзаКн существенно  меняется при изменении математического ожидания ΜΝ[КзаКн]: вид гистограмм соответствует закону распределения треугольник или равномерному закону распределения.
3. Вид гистограммы распределения потерь напряжения в кабелях до 1 кВ UКн.а меняется при изменении математического ожидания. Математическое ожидание ΜΝ[UКн.а] имеет наибольшую вероятность. При увеличении ΜΝ[UКн.а] уменьшается вероятность ΜΝ[UКн.а] и  увеличиваются вероятности других значений UКн.а.

При упрощенных расчетах можно воспользоваться формулами, определяющими СКО для этих законов.  СКО случайной величины распределенной по равномерному и закону треугольника:

[X] =  = ; [X] =  = ,                                (14)

где a, b - граничные значения интервала, которые может принять случайная величина.

Для случайной величины коэффициента загрузки при ещё большем упрощении

[KзаКн] =..        .                                         (15)

Четвертая глава посвящена выявлению границ использования упрощенных методов определения потерь напряжения в кабелях до 1 кВ.

Было проведено исследование влияния реактивной составляющей на потери напряжения кабелях до 1 кВ. На рис. 4 показаны зависимости предельного значения коэффициента реактивной мощности tg от сечения алюминиевой жилы кабеля до 1 кВ, при котором доля потерь напряжения в реактивном сопротивлении не превышает 10%.

Рис. 4.

Анализ соотношений статистических значений математического ожидания потерь напряжения в полном M[ΔUКн] и активном M[ΔUКн.а] сопротивлении показал, что M[ΔUКн]M[ΔUКн.а] в среднем на 6%.

Было проведено исследование зависимости коэффициента корреляции от числа кабелей в совокупности. На рис. 5 показаны результаты расчетов зависимостей максимальных max(r[VКнLj;KзаКнjt]), минимальных min(r[VКнLj;KзаКнjt]) и средних M(r[VКнLj;KзаКнjt]) значений коэффициента корреляции от числа кабелей NКн в совокупности.

       M(r[VКнLj;KзаКнjt]) < max(r[VКнLj;KзаКнjt]) < 0,5Е0,8.                (16)

       -1 < minКн(r[VКнLj;KзаКнjt]) < M(r[VКнLj;KзаКнjt]).                        (17)

Очевидно, что при увеличении NКн разброс max(r[VКнLj;KзаКнjt]) и minКн(r[