Управление режимом напряжения территориально рассредоточенных электроприемников горных предприятий

При добыче, транспортировке и переработке полезных ископаемых затраты на электроэнергию могут достигать 30% и более, что обуславливает необходимость внедрения энергосберегающих технологий на горных и нефтегазодобывающих предприятиях. Снижение потребления электроэнергии может быть достигнуто за счет регулирования режима напряжения на уровне центра питания (ЦП), позволяющего уменьшить потери электрической энергии в линиях электропередачи и электроустановках.

В результате проведенных исследований [1,4,7,10,62] выявлено, что применение мер по стабилизации напряжения обеспечивает повышение срока службы, что приводит к увеличению наработок на отказ электрооборудования нефтедобычи в среднем на 104−15%, транспорта нефти на 7-й 2%. Кроме того, с введением в систему электроснабжения трансформаторов с устройствами РПН, батарей конденсаторов, синхронных двигателей снижаются потери добычи по шахте в среднем на 3+5%.

Снижение напряжения на шинах подстанции энергосистемы уменьшает потребление электроэнергии на 0,241%. Однако это приводит к увеличению потерь электроэнергии для промышленных предприятий на 1,25% в связи с увеличением потерь в линиях и трансформаторах [2,53,71,]. Поэтому целесообразно снижать напряжение на шинах понизительной подстанции предприятия которая, как правило, оборудована устройствами регулирования коэффициента трансформации под нагрузкой. Данное мероприятие позволяет снизить потери в линиях системы внешнего электроснабжения, которые составляют 5-г10%, и эффективнее использовать регулирующие эффекты нагрузки по напряжению.

По данным испытаний, проведенных в энергосистемах России, США и др. [3,4,8,14] в среднем, при снижении напряжения на 1% средние значения снижения потребления электроэнергии составили 0,76% для промышленных предприятий.

Анализ регулирующих эффектов и технологии ведения работ горных и нефтедобывающих предприятий показали, что уменьшение напряжения на 10% приводит к снижению потребления электроэнергии на 10-г30% и практически не влияет на производительность технологической цепи предприятия, если напряжение у наиболее удаленных электроприемников в часы максимума нагрузки не ниже минимально допустимого. Аналогичные результаты для других предприятий и регионов изложены в [9, 42]. Значительные величины регулирующих эффектов на предприятиях нефтедобычи и угольных шахтах во многом обуславливаются наличием протяженных распределительных сетей и большого числа недогруженных трансформаторов 6/0,4(0,69) кВ и асинхронных двигателей [4].

В часы максимумов снижение напряжения на шинах подстанции предприятия позволяет исключить сверхнормативные выбросы нагрузки и избежать штрафных санкций со стороны энергоснабжающей организации. Это позволяет снизить потребление активной и реактивной мощности без отключения потребителей-регуляторов и свести к минимуму воздействие на технологический процесс [5].

На современных горных и нефтегазодобывающих предприятий групповое регулирование напряжения на сборных шинах главной понизительной подстанции осуществляется путем изменения коэффициента трансформации силового трансформатора под нагрузкой. Из-за наличия протяженных радиально-магистральных сетей, широко применяется встречный закон регулирования по току. Однако в настоящее время отсутствует научное обоснование выбора определяющего присоединения, по параметрам которого устанавливается рациональный уровень напряжения. Под рациональным уровнем напряжения понимают уровень, при котором суммарные потери в системе электроснабжения и отдельных электроустановках приближаются к минимально возможным. Кроме того, ограниченный объем средств измерения и передачи информации об электропотреблении отдельных электроустановок не позволяет оперативно поддерживать уровень напряжения на шинах понизительной подстанции при вариации структуры и параметров нагрузки, подключенной к определяющему присоединению.

Актуальность проблемы, связанной с созданием автоматизированной системы управления электроснабжением электротехнических комплексов, включая подсистемы управления электропотреблением и качества электрической энергии в нормальных и экстремальных режимах работы, обосновываются в работах ведущих ученых в данной области, в том числе Б. Н. Абрамовича, Идельчиком, И. В. Жежеленко, В. И. Вениковым, Орловым B.C., Мамедяровым О. С, A.M. Евсеевым, В. В. Полищуком.

Однако, к настоящему времени не решен комплекс вопросов, связанных с решением задачи поддержания уровня напряжения в системе электроснабжения горных и нефтегазодобывающих предприятий на рациональном уровне с помощью средств группового регулирования режима напряжения в реальном режиме времени в условиях ограниченного объема средств измерения и передачи информации об электропотреблении.

В диссертации дано решение научной задачи приближения уровня напряжения на сборных шинах подстанции горных предприятий к рациональному путем группового автоматического регулирования коэффициента трансформации силового трансформатора на основе данных о параметрах и электропотреблении определяющего присоединения, при котором потери электроэнергии в распределительной сети и отдельных электроустановках приближаются к минимально возможным.

Для достижения поставленной задачи в работе необходимо решить следующие задачи:

• выявить зависимость изменения потерь активной и реактивной мощности от изменения уровня напряжения, параметров и конфигурации радиально-магистральных линий, вариации нагрузки и регулирующих эффектов по напряжению;

• разработать математическую модель, позволяющую определить основные параметры режима напряжения в ЦП с учетом параметров отдельных электроприемников и элементов системы электроснабжения;

• разработать теоретические и методические положения выбора определяющего присоединения и уставки по напряжению на шинах понизительной подстанции;

• разработать алгоритм и структуру комплекса технических средств управления коэффициентом трансформации силового трансформатора посредством устройства регулирования под нагрузкой (РПН) при групповом управлении напряжением в ЦП с учетом вариации параметров электроприемников и распределительных линий, который позволяет осуществить минимизацию потерь активной мощности в электроустановках и реактивной мощности на передачу электрической энергии в элементах системы электроснабжения (СЭС) в реальном режиме времени.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием известных положений теории электрических цепей, теории электромагнитных процессов в системах электроснабжения и электрических машинах, методов математического моделирования и теории оптимизации, а также достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований (расхождение не более 10%).

В работе определены статические характеристики и регулирующие эффекты по напряжению узлов нагрузки при вариации долевого участия асинхронной, синхронной и осветительной нагрузки. Установлены зависимости изменения потерь активной и реактивной мощности СЭС от изменения уровня напряжения, параметров и конфигурации радиально-магистральных линий, вариации нагрузки и регулирующих эффектов по напряжению. Обоснована возможность группового регулирования режима напряжения в центре электрических нагрузок на основании данных об электропотреблении и параметрах определяющего присоединения, при выборе которого учитываются конфигурация и параметры системы электроснабжения, характеристики отдельных присоединений, данные о величине регулирующих эффектов отдельных электрических нагрузок и ущерб при отклонениях напряжения от рационального уровня.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• разработана методика выбора определяющего присоединения, по параметрам которого производится выбор рационального уровня напряжения на шинах главной понизительной подстанции (11 111) при групповом регулировании режима напряжения;

• разработан алгоритм группового регулирования режима напряжения, позволяющий решить задачу минимизации потерь электроэнергии в элементах системы электроснабжения и отдельных электроустановках горных и нефтегазодобывающих предприятий;

• разработан комплекс технических средств, позволяющий осуществлять автоматический выбор определяющего присоединения и управление коэффициентом трансформации силового трансформатора в ЦП, который обеспечивает рациональный режим напряжения в электротехническом комплексе.

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» в 1999;2002 гг. в СПГГИ (ТУ) — пятой международной конференции «Новые идеи в науках о земле», 2001 г., Москвапятой, шестой и седьмой Санкт-Петербургских ассамблеях молодых ученых и специалистов, Политехнических симпозиумах «Молодые ученые промышленности Северо-западного региона», 2001 и 2002 гг., Санкт-Петербургнаучно-технической конференции «Человек Севера в XXI веке», Воркута, 2001 г.- Всероссийском совещании энергетиков нефтяной и газовой отраслей «Разработка, внедрение и опыт применения нового электрооборудования для нефтегазовых предприятий», 2002 г,.

Санкт-Петербургнаучных семинарах кафедры «Электротехники и электромеханики» СПГТИ (ТУ).

Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Результаты диссертации используются при проведении. научно-технических работ на предприятиях ОАО «Татнефть». Суммарный годовой экономический эффект от внедрения установок группового регулирования составил 573 360 руб.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обоснована необходимость для обеспечения рационального режима напряжения в сетях горных предприятий при групповом (на шинах понизительной подстанции) регулировании напряжения выбор определяющего напряжения. Разработан комплекс технических средств группового регулирования режима напряжения в сетях горных предприятий, обеспечивающий снижение потерь электроэнергии в электротехническом комплексе.

2. Составлена целевая функция оптимального режима напряжения, позволяющая минимизировать потери активной мощности в электроприемниках и дополнительные потери, возникающие при передаче реактивной мощности в системе электроснабжения горнодобывающих и нефтегазовых предприятий. Целевая функция учитывает статические характеристики нагрузки по активной и реактивной мощности, распределение электроприемников вдоль радиально-магистральной линии и вектор управления.

3. Определены аналитические зависимости статических коэффициентов и регулирующих эффектов узлов нагрузки при вариации долевого участия различных видов электроприемников в суммарной мощности узла и рассчитаны коэффициенты статических характеристик активной мощности для узла нагрузки при варьировании соотношения долевого участия АД и СД от 10% до 80%, и 10% осветительной нагрузки. Активная мощность узла нагрузки изменяется в большей степени при преобладании электроустановок с асинхронным приводом. При изменении уровня напряжения от 0,8 до 1,2 активная мощность в узле изменяется на 5,5% при наличии 80% АД в узле нагрузки.

4. Разработана математическая модель режима напряжения на уровне электроподстанции, включающая совокупность моделей участка линии, питающей линии, которая позволяет определить основные параметры режима напряжения с учетом статических характеристик узлов нагрузки, параметров питающих линий и распределения вдоль них электроприемников. Показано, что основными факторами, влияющие на величину целевой функции оказывают следующие параметры: длина линии, мощность нагрузки отдельных узлов и их распределение вдоль линии, регулирующие эффекты узлов нагрузки, а также величина ущерба, обусловленная ростом потерь активной мощности при отклонении напряжения от рационального уровня.

5. Сформулирована концепция рационального управления режимом напряжения предприятий по добыче, транспортировке и переработке полезных ископаемых, основанная на приближении режима к рациональному уровню всей совокупности ЭП, с учетом категорийности энергообъектов по надежности и бесперебойности, разнородности и разновременности нагрузки и конфигурации системы электроснабжения при минимально возможных потерях электрической энергии в электротехническом комплексе.

6. Разработана методика выбора определяющего режим напряжения присоединения с применением с применением методов нечеткой логики, с применением выявленных параметров, влияющих на величину целевой функции и позволяющих описать режим напряжения в питающей линии. Режим линии, учитывающий совокупность пяти параметров характеризуется пятью термами: режим очень тяжелый (ОТ), режим тяжелый (Т), режим средний (CP), режим легкий (JI), режим очень легкий (OJI). Составлены функции принадлежности для каждого из параметров: для мощности нагрузки и длины линии интервалы возможного изменения могут быть разбиты на пять термов, для степени распределения нагрузки вдоль линии, регулирующих эффектов узлов нагрузки, величины ущерба — на три терма. Составлены уравнения, позволяющие произвести фаззифицирования, сформулированы правила для выполнения фаззи-логических преобразований.

7. Разработано алгоритмическое обеспечение работы блока автоматического регулирования РПН. Алгоритм обеспечивает автоматический выбор определяющего присоединения на основе параметров, позволяющих описать состояние питающей линии, с учетом вариации нагрузки в реальном режиме времени. На основании данных о выбранной линии производится определение рационального режима напряжения с учетом работы средств местного регулирования напряжения и в случае необходимости рассчитывается уставка для автоматического устройства регулирования под нагрузкой силовых трансформаторов и производится коррекция напряжения, обеспечивающая приближение фактического режима к экономически рациональному.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано решение научной задачи, заключающейся в разработке комплекса технических средств регулирования режима напряжения в распределительных сетях 6(10) кВ горных предприятий, обеспечивающих рациональный уровень напряжения в электротехническом комплексе.