Комплексный подход к обоснованию параметров оптимальных предпроектных радиусов распределительных электрических сетей объектов военной инфраструктуры Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

4. «Военный инженер» - газета Ленинградского Высшего военного инженерного строительного Краснознаменного училища имени генерала армии А. Н. Комаровского от 8 июня 1979 года. Специальный выпуск.

Энергоснабжение, водоснабжение и теплоснабжение объектов военного назначения

УДК 355.7:623.093

Сухарь Г.А., Белов О.Е., Брусакова И.В. Sukhar' G.A., Belov O.E., Brusakova I.V.

Комплексный подход к обоснованию параметров оптимальных предпроектных радиусов распределительных электрических сетей объектов военной инфраструктуры An integrated approach to the study of optimal pre-design radii parameters within power distribution networks of the military infrastructure

Аннотация:

Предлагается оригинальный научно-обоснованный алгоритм определения радиуса распределительных электрических сетей по экономическому критерию. Определены радиусы для различных территорий Российской Федерации с учётом современных экономических условий. Abstract:

An original, scientifically based algorithm for determining the radius of power distribution networks by economic criterion is proposed. The radii for different territories of the Russian Federation are determined taking into account current economic conditions.

Ключевые слова: распределительные электрические сети, система электроснабжения, минимум приведённых затрат.

Keywords: power distribution networks, power supply system, the minimum of presented costs.

В настоящее время во многих районах Российской Федерации (РФ), в том числе в районах Крайнего Севера, Дальнего Востока, в процессе длительной эксплуатации и изменений, которые связаны с перевооружением ВС РФ, возникла реальная необходимость в сооружении новых и реконструкции устаревших систем электроснабжения (СЭС) объектов Министерства обороны (МО). По данным ОАО «Россети», износ линий среднего напряжения превышает 70% [1]. В настоящее время наметился устойчивый рост электропотребления, строительства и ввода в эксплуатацию

новых объектов МО РФ [2]. Рост нагрузки электрических сетей увеличивает потери электроэнергии, требует периодического повышения пропускной способности, что вызывает необходимость дополнительных капитальных вложений. Все эти факторы необходимо учитывать при определении оптимального (экономичного) радиуса действия и других параметров электрических сетей СЭС объектов МО РФ.

По указанной причине актуальной является проблема обоснования корректного алгоритма выбора оптимального радиуса действия распределительной сети в современных экономических условиях России с учётом перспективного роста нагрузок и разновременности затрат для разных условий расположения военных объектов.

На экономичность СЭС существенно влияет радиус распределительных сетей. Его обычно определяют по условию минимума приведённых затрат [2, 3, 4, 6, 7, 8]. Но, несмотря на известную условность в определении экономичного радиуса, его величина используется для вычисления оптимальных мощностей подстанций, их количества и др. и является одним из важных параметров системы электроснабжения. Как известно, радиус распределительных сетей обычно определяется для идеализированных СЭС, причём принимается равномерное распределение нагрузки по территории.

Обращаясь к реальным СЭС МО, можно ожидать значительных отклонений величины радиуса от его оптимального значения. Факторы, определяющие при проектировании выбор того или иного радиуса, имеют случайный характер (расположение гарнизонов и пунктов базирования, рельеф местности, опыт и интуиция проектировщика и др.). Таким образом, принимаемые на практике значения радиуса действия также случайны.

Чем точнее определяется экономичный радиус действия, тем ближе СЭС к оптимальной системе. В данной статье для уточнения расчётов вычисления экономического радиуса будем учитывать количество и длительность перерывов в сети, характеризующих степень надёжности систем электроснабжения. Для этого в суммарные расчётные затраты на электроснабжение следует включить стоимость ущерба от недоотпуска электроэнергии (для объектов инфраструктуры МО РФ). Согласно [3] удельные расчётные затраты по передаче и распределению электроэнергии без учёта ущерба определяется следующим уравнением:

3 = тп ■ Р* + ¥■п ■ Р* ■р ■ Я | р ■ Ь Е | тпс ■ Р

2-Я -соьр 4-103 -и-соб^ 4-Я

(1)

С учётом ущерба от отсутствия электроэнергии затраты по её передаче и распределению можно определить следующим образом:

3 = З1 +У (2)

где: т - составляющая стоимости линии, не зависящая от сечения линии;

Р* - коэффициент, учитывающий ежегодные отчисления от первоначальных вложений на передачу и распределение электроэнергии;

R - радиус распределительной сети;

^ - коэффициент, характеризующий территориальное возрастание стоимости линии в зависимости от сечения проводов; t - время эксплуатации; U - напряжение распределительной сети; cоs ф - коэффициент мощности; ]г - плотность тока в проводах в иом году;

Pt - поверхностная плотность нагрузки в момент времени t кВт/км2; тпс - постоянная часть стоимости подстанции; п - количество отключений на единицу длины в год; р - удельное сопротивление линии электропередачи; в - удельные затраты на потери электроэнергии; т - время максимальных потерь;

где: тп - составляющая стоимости линии, не зависящая от сечения линии; Р* - коэффициент, учитывающий ежегодные отчисления от первоначальных вложений на пере-дачу и распределение электроэнергии; тпс - постоянная часть стоимости подстанции R - радиус распределительной сети; -коэффициент, характеризующий территориальное возрастание стоимости линии в зависимости от сечения проводов; - количество отключений на единицу длины в год; t - время эксплуатации; и -напряжение распределительной сети; -коэффициент мощности; jt - плотность тока в проводах в ^ом году; Р0 - поверхностная плотность нагрузки в момент времени t кВт/км2; тпс - постоянная часть стоимости подстанции; - коэффициент, характеризующий динамику роста нагрузки.

Y - вероятный ведомственный ущерб за год перерывов электроснабжения потребителей объектов инфраструктуры МО РФ.

Сначала приводим приведенные затраты с учётом фактора времени к тому или иному расчётному году [3].

При изменении мощности объекта во времени, например при возрастании нагрузки линии электропередачи, сравнимые варианты затрат могут отличаться как размером и порядком осуществляемых вложений, так и величинами ежегодных издержек производства по отдельным периодам эксплуатации. В этом случае, разновременные капитальные вложения и ежегодные издержки приводятся в сопоставимый вид, при пересчёте их к моменту окончания полного развития объекта по установленному нормативу народнохозяйственной эффективности капитальных вложений Ен, исходя из формулы сложных процентов.

Вопрос о времени приведения затрат в технико-экономических расчётах принципиального значения не имеет, так как в результате расчётов на минимум затрат всегда выявится один и тот же наиболее экономичный вариант. Однако предпочтение отдаётся приведению затрат к началу

расчётного периода, так как в этом случае более реально отражаются действительные результаты. Величину приведенных затрат к началу расчётного периода можно выразить следующим образом:

тр о

З = у _3

30 ъ (1+Е)

г=о (1 + Е„ У (3)

3

где: 1 - затраты в 1-ом году.

Тр - заданный расчётный период.

Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений. С учётом фактора времени затраты в выражении (1) пропорциональны соответствующей функции /(,), а полные затраты пропорциональны площади, ограниченной кривой /(1), абсциссой 1 и

осями координат. Если предположить, что А3 - есть затраты за промежуточный период А,, то приведенные затраты к началу рассматриваемого периода можно записать как: А,

АЗ = ■

(1 + Ен)1

За весь рассматриваемый период (0...1) это выражение может быть записано таким образом:

АЗ = / (ЛТ^'

о (1 - Ен) (4)

Рассмотрим детально все члены, входящие в выражение (1). При этом будем иметь в виду, что динамика перспективного роста нагрузок задается показательной функцией, то есть:

Р = Ро(1 + и и = Л(1 + (5)

Р

где: 0 - исходная поверхностная плотность нагрузки, кВт/км2; и - начальная плотность тока в проводах;

£ - коэффициент, характеризующий динамику роста нагрузки. Из выражения (1) видно, что первое и четвёртое слагаемые не зависят от времени. Учитывая закон роста нагрузок второе слагаемое можно записать следующим образом:

щгР^рЯ щгР0Р *

- Л

ео8^ • и ео8^ • и

Л 4^зи СОЭ^- ио (6)

Используя формулу (4) находим составляющую эксплуатационных расходов N за период 1,

находим:

N = [ ^-Р-Р-Т-Р'^г ^ (7)

I 4• 103-и-соб^-(1 + Ея)

Выразим в функции оптимального радиуса распределительной сети ущерб от недоотпуска энергии. Рассмотрим сеть, состоящую из питающей линии, питающей подстанции и распределительной линии. Предположим, что эта сеть представляет собой идеализированную

систему, расположенную на квадратичной территории со стороной, равной 2 км. При этом максимальная мощность потребителей, размещённых на этой территории составляет Р, а поверхностная плотность нагрузки постоянна и равна Ро. полный ущерб от недоотпуска электроэнергии Ч равен [3]:

V V

где: 1 и 2 - ущербы от отключений соответственно питающей и распределительной сетей. у

Величина 1 зависит от количества питающих подстанций q, которые отключаются при аварии на питающей линии. Величина q в свою очередь определяется схемой питающей сети, причём возможны следующие основные случаи.

1. Сеть не секционирована и имеет одностороннее питание.

2. Сеть секционирована и имеет одностороннее питание, причём секционирующие устройства установлены у выхода каждой подстанции.

3. Сеть секционирована и имеет двухстороннее питание. Секционирующие устройства установлены и у входа и у выхода каждой подстанции.

Величина полного ущерба, вызванного отключеньями в питающей сети, определяется формулой [3]:

= 2 уп^о ^ = Д qR (8)

где: Ч - стоимость ущерба от отсутствия электроэнергии 1 кВтч (руб);

п ~

1 - количество отключений на единицу длины в год;

^ - среднее время восстановления питания в питающей сети;

До = 2nlPоt

Ущерб от отключений в распределительной сети можно определить по формуле [6]:

4 ур о Щу/М, Ч 2 Т 2

г , руб./км2.год (9)

Введём некоторую постоянную величину равную:

_4Ур0 п2Лм

Е0 _ ' 2 Г

где: М 0- удельное количество пунктов потребления; г - количество отходящих линий;

^2 - среднее время восстановления питания в распределительной сети;

п "

2 - количество отключений на единицу длины в год.

Тогда получаем:

- Е0R 2 (10) где: Я - оптимальный радиус распределительной сети.

После преобразований в слагаемых, расчётные затраты по передаче и распределению электроэнергии за весь период равны:

г * г * г * г I /-»

„ гт-Р , г ш- п-Р -Р -Я , гт-Р , Г а/3 -ш-В-р-т- Р-], „ ,

З - I —п--Ж + I у .—-г--Ж + I -Ж + 1 — , н и-- Я - Ж +

3 9./? } Л .-П..ТТ . -! . ^ А. Г?2 } 4.1П3 V

0 2-Я I 4-л/3"и-у;-соир I 4-Я2 I 4-103-и-соир-(1 + Ен>г

г г

IД -д-Я-Ж + IЕ0-Я2 -Ж

о о

(11)

Запишем формулу для заданного расчётного периода Т после интегрирования и преобразования:

З-+_(Ш-п-Р-ро-(1 + «>Г + ^ч,-р.р-т-ро-(1+сУ-]Я + ЯТ +

2-Я 4-43-и-соир 4-103-и-(1 + Ен >т-соир

(12)

т - р

+ пс , + Еп-Я2-Т 4- Я2

где 1к - предельная плотность тока в проводах для заданного расчётного периода Т. Упростим выражение (12) введя некоторые постоянные:

а *

, т Р

А - тп—Т 2

ш-П-Р'-Ро-(1 + 8>Т 43-ш-В-р-т-Ро-(1 + 8>Т-]к

В - -Г^^ ■-+ и , ^3 тт п , г Лт____ + Д0 -д> ■ Т ;

н,

4-л/э-и-л -соБр 4-103-и-(1 + Ен>т-соир

с = тПср "Т т 4 •

Д - ДдТ,

Е - Е,Т

Наконец получаем упрощённое выражение для расчётов:

; руб./км2* год

А С

З - — + ВЯ + С + ДЯ + ЕЯ2

К К2 • /км2' 1

З - — + (В + Д )я + С + ЕЯ2

Я я ; руб./км2' год (13)

Дифференцируя уравнение (12) по я и приравнивая нулю производную /^Я, (т.е., минимизируем затраты), получаем для определения оптимальных значений радиуса уравнение четвёртой степени:

2ЕR4 +(В + Д)Я3 _ АЯ _ 2С - 0 (14)

Применив полученное уравнение для Западного Военного округа (ВО) в современных экономических условиях, получим оптимальный радиус Я = 11 км. А в условиях СФ (Северный Флот), оптимальный радиус действия составит 13 км. В условиях же Восточного ВО он будет равен 15 км (рис. 1).

Таким образом, представленный научно обоснованный математический расчётный алгоритм позволяет определить оптимальный радиус действия «охвата» сетями любых напряжений. При этом мы принимаем сети высшего напряжения «питающими», а низшего - «распределительными», с учётом перспективного роста нагрузок.

к 2 руб х10°/км

5,28 3,96 2,6 1,3

5 10 15 20' 1 км

Рис. Оптимальные радиусы действия распределительных сетей 6-10 кВ для:

1- Западного ВО; 2-СФ; 3-Восточный ВО

Рис.1

На рисунке построены оптимальные радиусы действия распределительных сетей

напряжением 10 кВ в реальных экономических условиях Западного ВО, Восточного ВО и условий СФ. Для расчётов были использованы ценовые соотношения 2000 года с последующим переводом их в цены, соответствующие I кварталу 2018 года согласно индексу цен по капитальным вложениям в электроэнергетику с учётом НДС (письмо Минстроя России от 25.12.2017 N 58300-ОГ/09).

Наряду с применением других алгоритмов, таких как: алгоритм оценки эффективности применения ветроэнергетических установок для объектов ограниченной мощности [9], с учётом выбора показателей энергоэффективности объектов военной инфраструктуры [10], предложенный авторами алгоритм допустимо рассматривать в рамках комплексного подхода к обоснованию государственных инвестиций в строительство новых и реконструкцию существующих СЭС военных объектов.

Следует особо подчеркнуть, что полученные оптимальные радиусы не могут считаться

окончательно обоснованными. Их необходимо рассматривать как численные показатели для

20

расчётов на предпроектном этапе подготовки инвестиционных обоснований при перспективном проектировании СЭС объектов МО РФ. Построенные оптимальные радиусы будут служить базовыми показателями при дальнейшем проектировании на стадиях «проектная документация» и «рабочая документация», и будут способствовать устранению субъективизма проектировщика на предварительных этапах проектирования для обоснования объёма необходимых инвестиций.

Список литературы:

1. Положение ОАО «Россети» о единой экономической политике в электросетевом комплексе. Москва. 2013г., 196 с.

2. Болотов В.В. Выбор экономического критерия при сопоставлении вариантов перспективного развития электроэнергетической системы. - В книге: Вопросы технико-экономического проектирования электростанции в энергосистеме. Л., 1964г., 211 с.

3. Исаев В.В. Методы оптимизации систем электроснабжения промышленных предприятий органов капитального строительства МО. Методическое пособие. Л: ЛВВИСКУ. 1975г., 208 с.

4. Абаров И.А. К вопросу о передаче электроэнергии на дальние расстояния. Журнал «Электричество», М.,, 1982. №11, с. 13-20.

5. Гончаров И.В., Субочев Г.В., Фальковский Я.Н. Техника высоких напряжений и электрические сети. 4.2. Электрические сети. - ЛВВИСКУ, 1972г., 387с.

6. Сухарь Г.А. Решение задач по определению границы технико-экономической эффективности применения местного электроснабжения и резервирования. Сборник докладов научно-технической конференции «Оптимизация сложных радиотехнических систем» Пушкин. ФВКА. 2003 г. - с. 153.

7. Энергетическая безопасность и малая энергетика. XXI век. Сборник докладов ВНТК, под ред. Михайлова А.К., Аверьянова В.К., и др., СПб., 2002 г., 432 с.

8. Михайлов А. К. Специальные вопросы электроснабжения объектов Министерства обороны. ЛВВИСКУ, 1987г., 453 с.

9. Белов О. Е., Сухарь Г.А., Саенко С.С. Оценка эффективности применения ветроэнергетических установок для объектов ограниченной мощности. Журнал «Военный инженер» №4(6), 2017г., с. 28-35.

10. Сухарь Г.А., Бондарев А.В. К вопросу выбора показателей энергоэффективности объектов военной инфраструктуры. Журнал «Военный инженер» №2, 2016 г., с. 27-30.