Разработка методики расчета потерь мощности и уровня напряжения в сложных распределительных сетях

©И.М. Валеев, Х.Д. Нгуен УДК 621.311.1.004.12

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ И УРОВНЯ НАПРЯЖЕНИЯ В СЛОЖНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

И.М. Валеев1, Х.Д. Нгуен2

1Казанский государственный энергетический университет 2Казанский национальный исследовательский технологический университет

Резюме: Приведены анализ и оценка эффективности различных методов по снижению уровня потерь мощности и напряжения в распределительных электрических сетях за счет изменения и построения новой топологии сети с использованием программного обеспечения (ПО) PSS / ADEAPT.

Авторами разработан и применен алгоритм расчета измененной сложной распределительной схемы, состоящей из источников питания, и методика оценки эффективности приведенного метода.

Результаты расчетов покзали, что изменение топологии сети обладает высокой эффективностью и применима на практике для любого режима работы сети.

Ключевые слова: конфигурации, распределительная сеть, потери активной мощности, отключение напряжения, алгоритм действий.

DEVELOPMENT METHODS FOR CALCULATING POWER LOSSES AND THE VOLTAGE LEVELS IN COMPLEX DISTRIBUTION NETWORKS

Valeev I.M1, Ha Duc Nguyen2

1Doctor of technical, Professor Kazan State Power Engineering University, Professor Kazan National Research Technological University. ^Postgraduate student department of electric drive and electrical engineering KNRTU.

Abstract: The paper presents an analysis and evaluation of the effectiveness different methods for reduction the power loss and voltage in the distribution networks by changing and building a new network topology using the software PSS/ADEAPT.

We developed and applied the new algorithm for calculating distribution circuit. The calculation results by the software show that a change network topology is highly effective in practice and applicable to any mode of network operation.

Keywords: Distribution network configuration, power loss, voltage loss, software PSS/ADEPT. Введение:

Одним из основных принципов государственной политики в сфере электроэнергетики является обеспечение гарантированной надежности электроснабжения населения и промышленных предприятий страны. Ввиду характера нагрузки в электрических распределительных сетях и непрерывного роста потребления электроэнергии происходит отклонение ряда показателей качества электроэнергии от номинальных регламентируемых значений, что, в свою очередь, приводит к увеличению уровня потерь

мощности, отклонению напряжения и, соответственно, отклонению режимов работы распределительных сетей от оптимальных.

Разработке методов оптимизации режимов работы распределительных сетей посвящены многочисленные работы, причем при поиске оптимального режима используются такие математические подходы, как метод «поиска кукушки», метод «роя частиц» и т.д. Данные методы являются эффективными, но отличаются сложностью применения и трудоемкостью расчетов.

Анализ проведенных исследований показывает, что для решения задачи оптимизации могут быть использованы такие программные комплексы, как Matlab, Visualbasic и PSS / ADEPT, которые на сегодняшний день являются самыми совершенными.

Способы решения проблемы оптимизации режима работы электроснабжения городского района

Одним из возможных методов оптимизации режима работы сети является изменение ее топологии. Данный метод характеризуется наименьшими капитальными затратами и простотой применения по отношению к распределительной сети, находящейся в работе [14, 6-9].

Для решения проблемы оптимального изменения конфигурации распределительной сети необходимо определить целевую функцию. В качестве таких функций могут быть использованы, например, уровень потерь мощности, показатели качества электроэнергии и т.д.

Ввиду работы распределительной сети напряжением электроснабжения городского района в разомкнутом режиме, наименее трудозатратным мероприятием для изменения топологии распределительной сети является перенос месторасположения точки размыкания в оптимальную точку. Однако проблема заключается в поиске месторасположения данной точки.

Так как расположение точки оказывает влияние на ряд показателей и параметров режима работы сети, необходимо определить целевую функцию, минимизации которой необходимо добиться путем переноса точки.

В первую очередь режим работы распределительной сети должен обеспечивать надежность электроснабжения при одновременном обеспечении экономичности работы оборудования сети.

Таким образом, в качестве целевой функции для определения оптимальной точки размыкания используем уровень потерь мощности:

Rj_i j ^ min.

В качестве ограничений для целевой функции приняты следующие показатели:

EL Sy = Sy,

Sij — S i/мак,

j, кВА; S  - мощность узла j,

AP=e

+ Q)

Vf

Шц < Л^мак,

где п - число узлов, шт; ^ - переток мощности по ветви i кВА; Ли. - потери напряжения на участке i -], кВ.

Для оптимизации режима работы распределительной сети по выбранной целевой функции предлагается осуществить следующий алгоритм действий:

1. Вычертить схему рассматриваемой распределительной сети в ПО PSS/ADEPT.

2. Произвести расчет параметров режима работы сети в программном комплексе PSS/ADEPT для исходной топологии рассматриваемой сети.

3. Осуществить полное замыкание коммутационных аппаратов рассматриваемой сети в схеме, вычерченной в ПО PSS/ADEPT.

4. Произвести расчет перетоков мощности в ПО PSS /ADEPT.

5. Определить оптимальное распределение перетоков мощности, используя функцию TOPO (TieOpenPointOptimization) в ПО PSS/ADEPT.

6. На схеме в ПО PSS/ADEPT произвести размыкание коммутационного аппарата, по которому протекает наименьший ток.

7. Произвести анализ схемы на наличие нарушений условий эксплуатации оборудования.

8. В случае отсутствия замечаний произвести повторный расчет перетоков мощности и уровня отклонений напряжения.

9. Произвести анализ полученных результатов.

10. В случае наличия замечаний повторно произвести замыкание всех коммутационных аппаратов и выявить узлы, размыкание которых не приводит к нарушению условий эксплуатации. Блок - схема алгоритма показана на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема алгоритма изменения конфигурации сети

Практическое применение разработанного алгоритма

Для практического использования разработанного подхода предлагается осуществить его применение к существующей распределительной сети, представленной на рис. 2. Размыкание сети возможно в узлах: 21 - 8; 22 - 12; 25 - 29; 9 - 15; 33 - 18. Параметры рассматриваемой сети приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры рассматриваемой сети

Ветвь Сопротивлений Зел N Мощность

R

1 - 2 0.0922 0.0477 1 0 0

2 - 3 0.4930 0.2511 2 100 60

3 - 4 0.3660 0.1840 3 90 40

4 - 5 0.3811 0.1941 4 120 80

5 - 6 0.8190 0.0700 5 60 30

6 - 7 0.1872 0.6188 6 60 20

7 - 8 1.7114 1.2351 7 200 100

8 - 9 1.0300 0.7400 8 200 100

9 - 10 1.0400 0.7400 9 60 20

10 - 11 0.1966 0.0650 10 60 20

11 - 12 0.3744 0.1238 11 45 30

12 - 13 1.4680 1.1550 12 60 35

13 - 14 0.5416 0.7129 13 60 35

14 - 15 0.5910 0.5260 14 120 80

15 - 16 0.7463 0.5450 15 60 10

16 - 17 1.2890 1.7210 16 60 20

17 - 18 0.7320 0.5740 17 60 20

2 - 19 0.1640 0.1565 18 90 40

19 - 20 1.5042 1.3554 19 90 40

20 - 21 0.4095 0.4784 20 90 40

21 - 22 0.7089 0.9373 21 90 40

3 - 23 0.4512 0.3083 22 90 40

23 - 24 0.8980 0.7091 23 90 50

24 - 25 0.8960 0.7011 24 420 200

6 - 26 0.2030 0.1034 25 420 200

26 - 27 0.2842 0.1447 26 60 25

27 - 28 1.0590 0.9337 27 60 25

28 - 29 0.8042 0.7006 28 60 20

29 - 30 0.5075 0.2585 29 120 70

30 - 31 0.9744 0.9630 30 200 600

31 - 32 0.3105 0.3619 31 150 70

32 - 33 0.3410 0.5302 32 210 100

21 - 8 2.0000 2.0000 33 60 40

9 - 15 2.0000 2.0000 - - -

12 - 22 2.0000 2.0000 - - -

18 - 33 0.5000 0.5000 - - -

25 - 29 0.5000 0.5000 - - -

Согласно предложенному алгоритму следующим шагом является расчет показателей режима работы в ПО.

V V V V

Рис. 2. Исходная схема сети в ПО с рассчитанными параметрами режима работы

Согласно приведенному алгоритму далее проводится определение точки потокораздела выделенного участка. При этом считаем, что напряжение в узлах сети равно, тогда:

или:

I ¿V • Щ =0

., 1 =1

¿12 - Щ12 + ¿23 - Щ23 + ••• + ¿1 - Щ = 0

Запишем уравнение (6) в следующем виде:

• Щ +

Приводя формулу в сокращенный вид и используя полное значение полной мощности г,получаем

I -I

о _ 1=1 ',1=2 ¿1 = к

I

и 1=1

где п - число узлов в схеме; к- число ветвей в схеме; - столбец сопротивлений ветвей, Ом.

Далее проводится расчет уровня потерь мощности. Согласно принятой методике учитываются уровни узлового напряжения сети:

П £ 2.

Ар1 = £  %

I,]=1 и1

Рассчитанные параметры сведены в табл. 2:

Таблица 2

_Рассчитанные параметры_

Ветвь ЩкВ) ди(%) Потери мощности

ДР, кВт Дб, кВАр

1 - 2 12.622 0,30 12.2 6,3

2 - 3 12.444 1,71 51.6 26,3

3 - 4 12.350 2,45 19.8 9,9

4 - 5 12.256 3,19 18.6 9,5

5 - 6 12.104 4,39 38.0 3,2

6 - 7 12.060 4,74 1.9 6,3

7 - 8 11.888 6,10 11.7 8,4

8 - 9 11.809 6,72 4.2 3,0

9 - 10 11.735 7,31 3.6 2,5

10 - 11 11.724 7,39 0.6 0,2

11 - 12 11.705 7,54 0.9 0,3

12 - 13 11.628 8,15 2.7 2,1

13 - 14 11.599 8,38 0.7 1,0

14 - 15 11.581 8,52 0.4 0,3

15 - 16 11.564 8,66 0.3 0,2

16 - 17 11.538 8,86 0.3 0,3

17 - 18 11.530 8,93 0.1 0,0

2 - 19 12.616 0,35 0.2 0,2

19 - 20 12.570 0,71 0.8 0,7

20 - 21 12.561 0,78 0.1 0,1

21 - 22 12.553 0,85 0.0 0,1

3 - 23 12.399 2,06 3.2 2,2

23 - 24 12.314 2,73 5.1 4,1

24 - 25 12.272 3,06 1.3 1,0

6 - 26 12.080 4,58 2.6 1,3

26 - 27 12.048 4,83 3.3 1,7

27 - 28 11.904 5,97 11.1 9,8

28 - 29 11.801 6,79 7.7 6,7

29 - 30 11.756 7,14 3.8 2,0

30 - 31 11.704 7,55 1.6 1,6

31 - 32 11.692 7,65 0.2 0,2

32 - 33 11.689 7,67 0.0 0,0

Е 166 208,6 111,5

Следующим шагом является перенос всех выбранных узлов согласно программного обеспечения на точки размыкания (рис. 3), где наименьшие токи (см. табл. 3).

V V V V

Рис. 3. Схема сети в ПО с замкнутыми коммутационными аппаратами Параметры режима работы сети сведены в табл. 3:

Таблица 3

Ветвь I, А и, кВ Ветвь I, А и, кВ

1 - 2 206,07 12,623 20 - 21 48,25 12,365

2 - 3 144,06 12,485 21 - 22 23,90 12,317

3 - 4 68,35 12,437 3 - 23 71,89 12,417

4 - 5 61,76 12,391 23 - 24 67,14 12,284

5 - 6 58,64 12,312 24 - 25 45,82 12,194

6 - 7 21,77 12,301 6 - 26 34,79 12,298

7 - 8 12,07 12,267 26 - 27 31,77 12,280

8 - 9 18,89 12,226 27 - 28 28,76 12,211

9 - 10 3,56 12,220 28 - 29 25,87 12,163

10 - 11 1,84 12,220 29 - 30 44,01 12,123

11 - 12 3,47 12,222 30 - 31 21,05 12,082

12 - 13 13,08 12,180 31 - 32 13,63 12,075

13 - 14 9,84 12,165 32 - 33 6,04 12,077

14 - 15 3,26 12,161 21 - 8 19,99 12,267

15 - 16 14,10 12,139 9 - 15 13,41 12,161

16 - 17 11,60 12,095 12 - 22 19,48 12,317

17 - 18 9,40 12,082 18 - 33 6,81 12,077

2 - 19 57,05 12,601 25 - 29 25,30 12,163

19 - 20 52,67 12,416 - - -

Проведя анализ полученных результатов, можно сделать вывод о том, что наименьший ток протекает по ветвям: 7 - 8; 10 - 11; 14 - 15; 25 - 29 и 32 - 33.

Для проверки выдвинутой гипотезы зависимости уровня потерь мощности в системе от места расположения точки размыкания сети, было произведено размыкание коммутационных аппаратов (см. рис. 4) между: 7 - 8; 10 - 11; 14 - 15; 25 - 29 и 32 - 33.

Параметры режима работы сети при повторном расчете сведены в табл. 4:

Таблица 4

Ветвь и, кВ ли, % Потери мощности

ЛР, кВт лд, кВАр

1 - 2 12,623 0,3 11,8 6,1

2 - 3 12,495 1,3 26,7 3,6

3 - 4 12,439 1,7 7,5 3,8

4 - 5 12,384 2,2 6,6 3,4

5 - 6 12,302 2,8 13,1 1,1

5 - 26 12,279 3,0 2,2 1,1

26 - 27 12,250 3,2 2,8 1,4

27 - 28 12,117 4,3 9,5 8,4

28 - 29 12,022 5,0 6,6 5,7

29 - 30 11,982 5,4 3,2 1,6

30 - 31 11,939 5,7 1,1 1,1

31 - 32 11,930 5,8 0,1 0,1

2 - 19 12,598 0,5 2,3 2,2

19 - 20 12,384 2,2 18,1 16,3

20 - 21 12,326 2,6 4,2 4,9

21 - 22 12,287 2,9 0,9 1,2

22 - 12 12,211 3,5 1,5 1,5

12 - 11 12,209 3,6 0,0 0,0

12 - 13 12,178 3,8 0,5 0,4

13 - 14 12,168 3,9 0,1 0,1

21 - 8 12,173 3,8 6,8 6,8

8 - 9 12,124 4,2 1,6 1,2

9 - 10 12,118 4,3 0,0 0,0

9 - 15 12,047 4,8 1,7 1,7

15 - 16 12,025 5,0 0,5 0,3

16 - 17 11,988 5,3 0,5 0,6

17 - 18 11,975 5,4 0,1 0,1

18 - 33 11,971 5,4 0,0 0,0

3 - 23 12,450 1,7 3,2 2,2

23 - 24 12,336 2,6 5,1 4,0

24 - 25 12,324 2,7 1,3 1,0

Е 108,9 139,6 81,9

Рис. 4. Схема сети с разомкнутыми коммутационными аппаратами

Суммарные потери:

- активной мощности: ЕДР =139,6 кВт;

- реактивной мощности ЕДр = 81,9 кВар;

- напряжения: ЕДи = 108,9%.

В табл. 5 приведены сравнительные результаты методов расчета потерь активной мощности (см. формулу (9)), показывающие преимущества методики режимов работы при изменении топологии сложной распределительной сети.

Таким образом, нахождение минимума выбранной целевой функции с использованием алгоритма изменения конфигурации распределительной сети позволили выявить наилучшие точки размыкания. Исходя из результатов, приведенных в табл. 5, видно, что оптимальными точками размыкания являются: 7 - 8; 10 - 11; 14 - 15; 25 - 29 и 32 -33, при этом снижение уровня потерь мощности составляет 33,07%.

Таблица 5

Метод Коммутационных аппаратных Потери акт. мощности, кВт Снижение потерь мощности, %

Исходная конфигурация 21-8, 22-12, 25-29, 9-15, 33-18 208,6

ПО Р88/ЛБЕРТ 7-8, 10-11, 25-29, 14-15, 32-33 139,6 33,07

вЛ[4] 21-8, 9-10, 9-15, 28-29, 33-18 140,6 32,59

ЛВСЛ[1] 21-8, 14-15, 8-9, 32-33, 28-29 139,5 33,12

Вывод

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о том, что изменение топологии распределительной сети путем размыкания ветвей, по которым протекает наименьший ток, приводит к снижению уровня потерь активной и реактивной мощности, а также улучшает условия работы потребителей электроэнергии за счет уменьшения уровня отклонения напряжения.

Литература

1. R. Srinivasa Rao, S.V.L. Narasimham, M. Ramalingaraju. "Optimization of distribution network configuration for loss reduction using artificial bee colony algorithm". World Academy of Science, Engineering and Technology 45 2008.

2. Civanlar S, Grainger JJ, Le SSH. "Distribution feeder reconfiguration for loss reduction". IEEE Trans, Power Deliv 1988;3: 17-23.

3. S. Civanlar. J. J. Grainger. H. Yin, and S. S. H. Lee, "Distribution feeder reconfiguration for loss reduction," IEEE Trans. Power Del., vol. 3, no.3, pp. 1217-1223, Jul. 1988.

4. Y. Y. Hong and S. Y. Ho, "Determination of network configuration considering multi-objective in distribution systems using genetic algorithms," IEEE Trans. PowerSyst., vol. 20, no. 2, pp. 1062-1069, May 2005.

5. Ананичева С.С. Методы анализа и расчета замкнутых электрических сетей / С.С. Ананничева, А.Л. Мызин. Екатеринбург: УрФУ, 2012. 94 с.

6. Мусаев Т.А. Алгоритм оптимизации режима работы городской распределительной сети напряжением 6(10) кВ / Т.А. Мусаев, И.М. Валеев // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2012 №7 -8. С. 128 - 132.

7. Мусаев Т.А. Моделирование режима работы распределительных сетей напряжением 6(10) кВ / Т.А. Мусаев, И.М. Валеев // Энергетика Татарстана. 2012. №2(26). С. 53 - 56.

8. Jiang Yi. "Study on the effect of distributed generation on distribution network voltage and optimal allocation [D] ".Chengdu: Southwest Jiao Tong University, IEEE Trans,2012.

9. VahidFarahani, BehroozVahidi, "Reconfiguration and Capacitor Placement Simultaneously for Energy Loss Reduction Based on an Improved Reconfiguration Method" IEEE Transactions on power systems, vol. 27, no. 2, may 2012.

10. Соснина Е.Н., Лоскутов А.Б., Лоскутов А.А. Топология городских распределительных интеллектуальных электрических сетей 20 кВ // Промышленная энергетика. 2012. № 5. С. 11-17.

Авторы публикации

Валеев Ильгиз Миргалимович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ), профессор кафедры ЭиЭ Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). E-mail: ilgizvaleev@mail.yandex.ru.

Ха Дык Нгуен - аспирант Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). E-mail: nguyenlong1252@gmail.com.

References

1. R. Srinivasa Rao, S.V.L. Narasimham, M. Ramalingaraju. "Optimization of distribution network configuration for loss reduction using artificial bee colony algorithm". World Academy of Science, Engineering and Technology 45 2008.

2. Civanlar S, Grainger JJ, Le SSH. "Distribution feeder reconfiguration for loss reduction". IEEE Trans, Power Deliv 1988;3, pp 17-23.

3. S. Civanlar. J. J. Grainger. H. Yin, and S. S. H. Lee, "Distribution feeder reconfiguration for loss reduction," IEEE Trans. Power Del., vol. 3, no.3, pp. 1217-1223, Jul. 1988.

4. Y. Y. Hong and S. Y. Ho, "Determination of network configuration considering multi-objective in distribution systems using genetic algorithms," IEEE Trans. PowerSyst., vol. 20, no. 2, pp. 1062-1069, May 2005.

5. Ananicheva, SS Methods of analysis and calculation of closed electrical networks / SS. Anannicheva, A.L. Myczin. - Ekaterinburg, UrFU, 2012. -pp 94.

6. Musaev, TA An algorithm for optimizing the operating mode of a city distribution network with a voltage of 6 (10) kV / T.A. Musayev, I.M. Valeev // Problems of power engineering. - № 7 - 8. - 2012. - pp. 128 - 132.

7. Musaev, TA Modeling the operating mode of distribution networks with a voltage of 6 (10) kV / T.A. Musayev, I.M. Valeev // Power engineering of Tatarstan. - 2012. - №2 (26). - pp. 53 - 56.

8. Jiang Yi. "Study on the effect of distributed generation on distribution network voltage and optimal allocation [D] ".Chengdu: Southwest Jiao Tong University, IEEE Trans,2012.

9. VahidFarahani, BehroozVahidi, "Reconfiguration and Capacitor Placement Simultaneously for Energy Loss Reduction Based on an Improved Reconfiguration Method," IEEE Transactions on power systems, vol. 27, no. 2, may 2012.

10. Sosnina EN, Loskutov AB, Loskutov AA Topology of urban distributive intelligent power networks 20 kV // Industrial energy. 2012. № 5. pp. 11-17.

Authors of the publication

Valeev I.M.- Doctor of technical, Professor Kazan State Power Engineering University, Professor Kazan National Research Technological University.

Ha Duc Nguyen- Postgraduate student department of electric drive and electrical engineering KNRTU. Поступила в редакцию 15 декабря 2016 г.