CC BY
70
УДК 622.817: 621.311
В.Н. Матвеев, А.В. Элер
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КЕМЕРОВСКОГО РАЙОНА
Обеспечение надежности электроснабжения всегда будет являться приоритетной проблемой: с ростом энерговооруженности, усложнения технологий, ответственности объектов требования к системам электроснабжения (СЭС) будут лишь ужесточаться.
Как показывает статистика отключений электрических сетей, в наиболее неблагоприятном положении находятся распределительные сети районов, отдаленных от городов и крупных промышленных предприятий.
Недостаточная мощность, низкое качество электроэнергии в этих сетях сдерживают развитие появляющихся в последнее время частных сельскохозяйственных предприятий, коттеджных поселков.
Для оценки эффективности использования СЭС, отличающейся множеством элементов (десятки сотен) и многочисленных связей между ними, может быть использован системотехнический информационный метод [1], в основе которого -анализ энерго-информационной модели, приведенной на рис. 1.
Данный метод основан на гипотезе, устанавливающей связь надежности, безопасности, а значит, и эффективности эксплуатации СЭС сложной системы с её информационным ресурсом. Информационный ресурс системы определяется струк-
турной информацией, учитывающей особенности структуры, и оперативной информаций, циркулирующей по данным связям с различной скоростью в виде энергии, вещества и информации.
Измерение количества структурной информации целесообразно производить с помощью числа циклов графа исследуемой системы, обоснованием чему являются работы Р.Ф. Абдеева [2], в которых указано на особое значение контуров в системе, повышающих, в частности, надежность электроснабжения: с ростом числа контуров происходит повышение наблюдаемости и упорядоченности структур систем.
При этом следует учитывать то обстоятельство, что в большой системе со значительным количеством контуров высока величина структурной информации, а в ее подсистемах контуры «разрываются» на сквозные (проходные) пути, снижая величину структурной информации в этих подсистемах.
В качестве структурных показателей выбраны
[3]:
показатель смежности А, оценивающий наблюдаемость структуры и принимающий значения от 0 до 1 (полностью наблюдаемая структура);
энтропия структуры Н(р), характеризующая равномерность распределения связей системы
Рис. 1. Энерго-информационная модель системы
Рис. 2. Фрагмент электрической схемы Кемеровского района
между ее элементами, изменяющеяся от 0 до 8,5 (при числе элементов в системе, большем 1000);
упорядоченность структуры О, показывающая меру приближенности анализируемой структуры к сотовой, принятой за эталон упорядоченности (изменяется от 0 до 8,5);
количество циклов структуры кц, определяющее число контуров в системе и достигающее нескольких тысяч.
Величины выбранных структурных показателей свидетельствуют о следующих закономерностях структур.
1. При малой энтропии связи сконцентрированы вокруг одного элемента, при неисправности
которого система надолго может выйти из строя. В худшем случае все выходы подключены к одному элементу, при этом энтропия равна нулю.
2. Чем разветвленнее структура системы, чем больше в ней контуров, тем выше наблюдаемость структуры системы. Повышение уровня наблюдаемости структуры (А > 0,9) за счет увеличения количества циклов способствует возрастанию упорядоченности структуры, при этом возникает граф, насыщенный циклами с равномерным распределением ребер между вершинами, что подразумевает возникновение симметричных сотовых ячеек графа.
3. Максимальная упорядоченность (О > 8,5)
возникает при полной наблюдаемости графа структуры с большим количеством вершин, обеспечивая полную децентрализацию структуры.
4. При низкой энтропии структуры (H(p) < 3) и большом количестве контуров (кц > 102) все контуры сосредоточены вокруг одного или небольшого количества центров питания. Для современных СЭС необходимо рассредоточение центров питания.
В работе был произведен структурный анализ СЭС Кемеровского района, который имеет в своем составе 34 трансформаторные подстанции (ПС) 110/35 кВ и 900 ПС 10/0,4 кВ. Кемеровский район включает в себя 9 сельских поселений, объединяющих 71 населённый пункт. Численность постоянных потребителей составляет приблизительно
50 тысяч единиц.
Практически все ПС закольцованы с высокой стороны напряжения, а от каждой ПС 10/0,4 по радиальным схемам (длиной в несколько десятков километров) последовательно запитаны населенные пункты.
Система электроснабжения Кемеровского района отличается большой протяженностью линий 6 - 10 кВ с недостаточным резервированием питания некоторых поселений. В отдельных случаях элементы этой системы находятся в ненадлежащем техническом состоянии, а руководители энергопредприятий лишь примерно представляют себе прохождение линий электропередачи, так как отсутствует план линий электропередачи на карте района.
Рис. 4. Алгоритм исследования структуры электрической схемы
Установленные закономерности в построении и развитии сложных систем, к которым относится и система электроснабжения Кемеровского района, позволяют сделать вывод о недостаточной эффективности исследуемой системы. В то же время они позволяют предпринять необходимые действия по оптимизации структуры.
В настоящее время проведена работа по воссозданию электрической схемы 6 - 10 кВ на географической местности. Современные компьютерные технологии, в частности среда Maplnfo в сочетании со снимками со спутников, позволяют достаточно просто изобразить распределительную сеть на карте местности. На рис. 2 показан фрагмент созданного плана линий электропередачи 6 -10 кВ Кемеровского района.
По электрической схеме построен ориентированный граф, фрагмент которого показан на рис. 3. Ветви графа указывают направление движения потоков электрической энергии.
Далее по графу строится матрица смежности вершин, и вычисляются численные значения структурных показателей. На рис. 4 изображен алгоритм исследования графа электрической схемы.
Структурный анализ СЭС позволил оценить внутреннюю информацию структуры схемы и предложить поэтапные шаги по ее повышению, которое заключается в увеличении количества контуров структуры, причем первоначально в тех местах, которые требуют минимальных экономических затрат.
Для исследования графов в среде VBA был написан макрос для табличного процессора Microsoft Excel, позволивший определять ранги матриц большой размерности и подсчитывать в структуре количество контуров, что существенно упростило процедуру определения структурных показателей систем с большим числом элементов и связей между ними.
Рассчитанные значения структурных показателей, приведенные в таблице, невелики, что обосновывает необходимость увеличения количества контурных связей в СЭС, например, за счет применения перемычек между фидерами, проходящими на близком расстояние друг от друга, которые запитанных от подстанций. В качестве перемычек могут быть использованы как кабельные, так и воздушные линии.
Таблица. Значения структурных показателей СЭС Кемеровского района
Н(р) А G К
3,80 0,30 1,14 9
Критериями оптимизации СЭС являются ее максимальный информационный ресурс и минимальные затраты на эксплуатацию электрооборудования, поиск которых требует определения насыщенности связей структуры СЭС оперативной информацией.
При этом для информационных каналов модели определяющими параметрами являются: количество оперативной информации, скорость ее циркуляции, достоверность и стоимость; для энергетических каналов, под которыми подразумеваются линии перемещения электрической энергии, должны учитываться: количество и мощность возможных источников, количество и мощность используемых приемников, количество уровней трансформации напряжения в исследуемой сети, ее протяженность, режим работы приемников, характер электрической нагрузки.
Результаты исследования позволят:
- оптимизировать структуру СЭС;
- выявить целесообразные (первоочередные) точки установки компенсирующих устройств, под которыми понимаются устройства, непрерывно отслеживающие текущий характер электрической нагрузки и устраняющие циркуляцию в системе реактивной мощности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матвеев В.Н. Структурный и параметрический синтез компонентов шахтной системы электроснабжения нового уровня безопасности / В.Н. Матвеев // Изв. вузов. Горн. журн., 2003. - № 3. - С.117-120.
2. АбдеевР.Ф. Философия информационной цивилизации. - М.: ВЛАДОС, 1994. - 336 с.
3. Матвеев В.Н. Анализ структур сложных электросистем с позиций безопасности и энергосбережения/ В.Н. Матвеев, А.М. Микрюков, В.Е. Беков// Вестник КузГТУ, 2010. - № 1. - С. 87-90.
□ Авторы статьи:
Матвеев
Виктор Николаевич,
докт. техн. наук, профессор і , Элер
каф. электроснабжения горных и , ^
Александр
промышленн^1х Владимирович,
предприятий КузГТу, студент гр. ЭП-072 КузГТУ,
Email: [email protected] Email: [email protected]
