Исследование методики расчета компенсирующих устройств с помощью сертифицированного программного комплекса
Д.
В. ЛевдоБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Левдо
Д.
В. Исследование методики расчета компенсирующих устройств с помощью сертифицированного программного комплекса // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
3991–3995. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86837.htm.
Аннотация. В данной статье рассмотрена методика расчета компенсирующих устройств для различных предприятий. Описан способ реализации этой методики для программного комплекса, а также экономическое обоснование проблемы реактивной мощности и необходимость проведения расчетов и установки компенсирующих устройств. Показано, что данная методика может упростить и ускорить процесс расчета и выбора оборудования.
Ключевые слова:
потери, программный комплекс, компенсирующие устройства, реактивная мощность, батарея конденсаторов, электроэнергия.
Похожие статьи
Текст статьи
Левдо Данил Вадимович,Студент, Политехнический институт СФУ, Красноярскdlevdo@mail.ru
Исследование методики расчета компенсирующих устройств с помощью сертифицированного программного комплекса
Аннотация.В даннойстатье рассмотрена методика расчета компенсирующих устройств для различных предприятий. Описан способ реализации этой методики для программного комплекса, а также экономическое обоснование проблемы реактивной мощности и необходимость проведения расчетов иустановки компенсирующих устройств. Показано, что данная методика может упростить и ускорить процесс расчета и выбора оборудования.Ключевые слова:компенсирующие устройства, реактивная мощность, программный комплекс, батарея конденсаторов, потери, электроэнергия.
Рост производственных мощностей предприятий ведет к увеличению производства и передачи по сетям электрической энергии. Одним из способов поддержания напряжения в узлах энергосистем в пределах заданных в ГОСТ 321442013является компенсация реактивной мощности у потребителя. Существует множество программ ускорения рабочего процесса при расчетах потерь электроэнергии и напряжения, только часть из этих программ являются сертифицированными, т.е.те программы которые получили сертификат соответствия требованиям нормативных документов ГОСТ 321442013, ГОСТ 321452013)[1]. Но и в этих программах в большинстве случаев отсутствует модуль расчета и компенсации реактивной энергии. В настоящее время установка компенсирующих устройств, а соответственно и их расчет является необходимостью, в связи с работой многих систем с параметрами близкими к пределам качества электроэнергии.
Компенсация реактивной мощности применяется для следующих целей:1)Выполнение условий баланса мощности;2)Увеличение пропускной способности и снижение потерь электроэнергии в линиях электропередачи;3)Регулирование напряжения в узлах энергосистем.
Первый и второй пункты понятныи не представляют интереса прирассмотрении оптимизации предприятия, поэтому рассмотрим поподробнее третий пункт.Напряжение в конце линии отличается от напряжения в начале на величину потери напряжения, которое определяется по формуле:
�1=�2+��12;(1)
где �1напряжение в точке 1 элемента системы электроснабжения, кВ;
�2напряжение в точке 2 элемента системы электроснабжения, кВ;
��12потеря напряжения на участке 12 системы электроснабжения,кВ.
Потери напряжения в свою очередь определяются по следующей формуле:
��12=ோ12∙2+�12∙ொ22НОМ∙10−3;(2)
гдеܴ12,�12активное и реактивной сопротивление участка 12 системы электроснабжения, Ом;
ܲ2,ܳ2активная и реактивная мощность в точке 2 системы электроснабжения, кВт.
Исходя из данной формулы, можно сделать вывод, что при уменьшении реактивной мощности уменьшаются потери напряжения и можно с уверенностью сказать то же самое о потерях мощности. Эффект от установки устройств компенсации реактивной мощности можно представить следующими формулами:
�Р12=Р22+(ொ2−ொ�)222∙ܴ12;(3)
��12=2∙ோ12+(ொ2−ொ�)∙�122НОМ;(4)
где ܳ�мощность генерируемая конденсаторной установкой, квар.
Исходя из теории планирования эксперимента Ю.П. Адлера[2], потери мощности будем считать параметрами оптимизации, т.к. они являются признаками по которым мы хотим оптимизировать процесс работы энергосистемы и результат оптимизации можно выразить количественно в кВт, но для отдельно взятого предприятия необходимо знать потери в элементах сети, т.е. во внутренних линиях электропередачи и трансформаторах, а также в самих компенсирующих устройствах. Из этого следует, что количество параметров оптимизации будет варьироваться в зависимости от структуры объекта.
Способы воздействия на исследуемый объект будем называть факторами эксперимента, и в данном исследовании фактором будет реактивная мощность произведенная компенсирующими устройствами, а также место их установки.
Для проведения расчетов необходимо знать как факторы и параметры оптимизации описываются математически, для этого представим математические модели объектов предприятия.
Батареи конденсаторов математически задаются следующими величинами:
Где ωугловая частота переменного тока, 1/с; СФсуммарная емкость коденсаторов одной фазы батарей, мкФ; Uлинейное напряжение, кВ; XCиндуктивное сопротивлениевнешней сети по отношению к месту присоединения БК, Ом;UHноминальное напряжение сети,кВ; tgδ
тангенс угла диэлектрических потерь.
Потери активной мощности в трансформаторе математически определяются по следующей формуле:�Р்=ܵ2�2∙்ܴ
где ХТреактивное сопротивление трансформатора, Ом;
RTактивное сопротивление трансформатора, Ом.
Потериактивноймощности в линии электропередачи математически определяются по следующей формуле:�Р=3∙�2∙ܴ.
Здесь ток прямо пропорциональнозависит от протекаемой по линии мощности, следовательно потери будут уменьшаться при уменьшении потока мощности.
В данной статье рассматривается методика расчета с помощью программного комплекса РТП3. Данный комплекс имеет возможность расчета используемой в сети реактивной и активной мощности, а также потери активной мощности и другие параметры режима. Программный комплекс содержит базу данных с данными по линиям электропередачи, трансформаторам, реакторам и др..
Все эти данные дают возможность с легкостью рассчитать и выбрать компенсирующие устройства, но делать это все же нужно вручную, т.к. соответствующий модуль в программе отсутствует. Для создания методики расчета следует учесть следующее: есть два параметра оптимизации по величинам которых будет определятьсярентабельность установки КУкомпенсирующие устройства.Есть один фактор мощность КУ, которым и будут вноситься изменения в систему электроснабжения, расчеты будут выполняться в программном комплексе.
Для расчета в первую очередь необходимосоздать базу данных КУ, для их выбора по используемой на предприятии мощности, и дальнейших расчетов на всех ступенях регулирования устройства. Сам расчет будет происходить в следующей последовательности:1)Построение схемы предприятия в программе, задание нагрузок и расчет установившегося режима;2)Экспорт данных для обработки и подбора подходящего КУ из созданной ранее баз данных. В программе РТП3 предусмотрено сохранение результатов расчета в формат MSExcel, что позволяет проводить импорт и экспорт данныхне имея прав на изменение кода программы, или просто не имея навыков программирования.3)Импортировать в схему предприятия КУ из базы данных, основываясь на расчетах по использованной реактивной мощности.4)Провести необходимое количество расчетов, их число спомощью программного комплекса будет соответствоватьчислу ступеней регулирования КУ. Нет необходимости проводить расчеты в зависимости от исследуемых факторов, т.к. расчеты выполняются не вручную, а с помощью РТП3, который рассчитывает и выводит к просмотру все данные автоматически.5)При необходимости можно повторить пункты 24 для рачета с другим КУ и в конечном итоге выбрать наилучший вариант по исследуемому параметру, т.е. наименьшие суммарные потери мощности, и максимально приближенные напряжения в узлах к номинальному или же минимальные потери напряжения, т.к. существует множество способов регулирования напряжения.6)При возможности установки КУ в нескольких местах энергосистемы, необходимо выполнить пункты 25 для каждого места установки. Тогда проверка по параметрам оптимизации будет проводится для случаев число которых равно произведению количества видов КУ на число мест установки. Лучший вариант также выбирается из численных значений параметров оптимизации, а также пользователем учитывая другие параметры присущие конкретному предприятию.
Пункт 5 данной методики требует участия человека и не может быть полностью выполнен программно, т.к. оптимальный вариант для конкретных предприятий может отличаться от варианта с минимальными потерями в силу многих причин, таких как цена оборудования, срок окупаемости, виды нагрузки и др.. Тем не менее планируется реализовать данную методику с использованием MSExcel, и получить полуавтоматический способ расчета и выбора КУ. Полуавтоматическим он будет изза необходимости импорта и экспорта данных вручную.
Параметр напряжения в узлах необходимо контролировать полностью вручную, что является существенным минусом такой реализации этой методики.На этот параметр большое влияние оказывает место установки, этот проиллюстрировано на рис.1[3].
Рисунок 1График изменения напряжения в сети НН при использовании управляемой БК.
На рисунке 1 , линия 1 это напряжение в режиме максимальных нагрузок при отсутствии БКбатарея конденсаторов, 2то же, но при включении БК в точке А, 3 то же при включении конденсаторов в точке С, а 4 линия это режим минимальных нагрузок при включении конденсаторов в точке В. Можно сделать вывод, что включение конденсаторов дает положительный регулирующий эффект как до точки их подключения, таки после. Их этого следует, что параметр оптимизации уровень напряжения зависит от точки установки КУ намного больше чем потери мощности.
Регулирующий эффект заключается в изменении напряжения в точке присоединения конденсаторной батареи, математически это можно выразить следующей формулой,%:
��б=�∙С∙∙���∙102(8)
Где ХСиндуктивное сопротивление внешней сети по отношению к месту присоединения БК, Ом; Семкость БК, Ф;Uзначение напряжения в месту установки БК до её установки, кВ.
Можно сделать вывод, что регулирование напряжения сводится к уменьшению потерь напряжения в сети от источника напряжения до места установки БК.
Исходя из теории планирования эксперимента [3], можно подсчитать количество опытов, а в нашем случае количество расчетов при использовании методики для определенного предприятия. Число опытов согласно [3] равно ��, где рчисло уровней факторов, кчисло факторов. В нашем случае число уровней факторов это количество конденсаторов в батарее конденсаторов, а фактор один реактивная мощность вырабатываемая БК при каждом числе конденсаторовподключенных в работу.
Необходимо также описать предполагаемый метод реализации данной методики для работы с программным комплексом РТП3. Программный комплекс содержит функцию сохранения расчетов в документ MSExcel, с этим файлом будет проводится работа с помощью стандартных функций. Таким образом выведенные данные будут редактированы для дальнейшего ввода данных в программный комплекс и выполнения следующих пунктов расчета.
Ввод данных в программный комплекс РТП3 будет производиться вручную с помощью встроенной функции редактирования.
Компенсация реактивной мощности имеет важное экономическое значение, т.к. по данным на 2011 год при отпуске электроэнергии в целом по стране 868154 млн. кВт∙ч потери электроэнергии в сетях составляли 10,82 % от величины отпуска [4]. При этом цена на электроэнергию показана в таблице 1.Таблица 1. Средние цены на электроэнергию в начале 2012 года
Сектор рынкаСредняя ценаПервая ценовая зонаРегулируемые договоры578,82Рынок на сутки вперед963,75Балансирующий рынок905, 94Вторая ценовая зонаРегулируемые договоры244,62Рынок на сутки вперед679,78Балансирующий рынок522,03
Таким образом можно сделать вывод о экономичности установки и расчета компенсирующих устройств в целом для энергосистемы РФ. Для отдельных предприятий нужно проводить техникоэкономический расчет для определения выгоды от установки КУ, при их цене и сроке службы. Для этого и нужна программа автоматизированного расчета РМреактивная мощность, разработка данного продукта позволит значительно ускорить расчеты и тем самым подтолкнет предприятия к установке КУ для разгрузки энергосистемы и регулирования напряжения в узлах предприятия.
Программный комплекс РТП3 является платной программой, и вносить изменения в программный код без разрешения или участия разработчиков невозможно. Именно поэтому в данной статье и предполагается способ реализации методики с помощью стороннего ПО и не внося изменения в сами программы.
В текущее время компенсации реактивной мощности не уделяется должного внимания, это можно решить информируя владельцев оборудования о данной возможности.
Ссылки на источники1.ГОСТ 321442013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. 2013 г.2.Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский, Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий, «Наука», 1976 .3.
Я.Д. Баркан, Автоматическое управление режимом батарей конденсаторов.М.: Энергия, 1978 .4.В.И. Идельчик, Электрическиесистемы и сети.М.:Энергоатомиздат, 1989.
Исследование методики расчета компенсирующих устройств с помощью сертифицированного программного комплекса
Аннотация.В даннойстатье рассмотрена методика расчета компенсирующих устройств для различных предприятий. Описан способ реализации этой методики для программного комплекса, а также экономическое обоснование проблемы реактивной мощности и необходимость проведения расчетов иустановки компенсирующих устройств. Показано, что данная методика может упростить и ускорить процесс расчета и выбора оборудования.Ключевые слова:компенсирующие устройства, реактивная мощность, программный комплекс, батарея конденсаторов, потери, электроэнергия.
Рост производственных мощностей предприятий ведет к увеличению производства и передачи по сетям электрической энергии. Одним из способов поддержания напряжения в узлах энергосистем в пределах заданных в ГОСТ 321442013является компенсация реактивной мощности у потребителя. Существует множество программ ускорения рабочего процесса при расчетах потерь электроэнергии и напряжения, только часть из этих программ являются сертифицированными, т.е.те программы которые получили сертификат соответствия требованиям нормативных документов ГОСТ 321442013, ГОСТ 321452013)[1]. Но и в этих программах в большинстве случаев отсутствует модуль расчета и компенсации реактивной энергии. В настоящее время установка компенсирующих устройств, а соответственно и их расчет является необходимостью, в связи с работой многих систем с параметрами близкими к пределам качества электроэнергии.
Компенсация реактивной мощности применяется для следующих целей:1)Выполнение условий баланса мощности;2)Увеличение пропускной способности и снижение потерь электроэнергии в линиях электропередачи;3)Регулирование напряжения в узлах энергосистем.
Первый и второй пункты понятныи не представляют интереса прирассмотрении оптимизации предприятия, поэтому рассмотрим поподробнее третий пункт.Напряжение в конце линии отличается от напряжения в начале на величину потери напряжения, которое определяется по формуле:
�1=�2+��12;(1)
где �1напряжение в точке 1 элемента системы электроснабжения, кВ;
�2напряжение в точке 2 элемента системы электроснабжения, кВ;
��12потеря напряжения на участке 12 системы электроснабжения,кВ.
Потери напряжения в свою очередь определяются по следующей формуле:
��12=ோ12∙2+�12∙ொ22НОМ∙10−3;(2)
гдеܴ12,�12активное и реактивной сопротивление участка 12 системы электроснабжения, Ом;
ܲ2,ܳ2активная и реактивная мощность в точке 2 системы электроснабжения, кВт.
Исходя из данной формулы, можно сделать вывод, что при уменьшении реактивной мощности уменьшаются потери напряжения и можно с уверенностью сказать то же самое о потерях мощности. Эффект от установки устройств компенсации реактивной мощности можно представить следующими формулами:
�Р12=Р22+(ொ2−ொ�)222∙ܴ12;(3)
��12=2∙ோ12+(ொ2−ொ�)∙�122НОМ;(4)
где ܳ�мощность генерируемая конденсаторной установкой, квар.
Исходя из теории планирования эксперимента Ю.П. Адлера[2], потери мощности будем считать параметрами оптимизации, т.к. они являются признаками по которым мы хотим оптимизировать процесс работы энергосистемы и результат оптимизации можно выразить количественно в кВт, но для отдельно взятого предприятия необходимо знать потери в элементах сети, т.е. во внутренних линиях электропередачи и трансформаторах, а также в самих компенсирующих устройствах. Из этого следует, что количество параметров оптимизации будет варьироваться в зависимости от структуры объекта.
Способы воздействия на исследуемый объект будем называть факторами эксперимента, и в данном исследовании фактором будет реактивная мощность произведенная компенсирующими устройствами, а также место их установки.
Для проведения расчетов необходимо знать как факторы и параметры оптимизации описываются математически, для этого представим математические модели объектов предприятия.
Батареи конденсаторов математически задаются следующими величинами:
Где ωугловая частота переменного тока, 1/с; СФсуммарная емкость коденсаторов одной фазы батарей, мкФ; Uлинейное напряжение, кВ; XCиндуктивное сопротивлениевнешней сети по отношению к месту присоединения БК, Ом;UHноминальное напряжение сети,кВ; tgδ
тангенс угла диэлектрических потерь.
Потери активной мощности в трансформаторе математически определяются по следующей формуле:�Р்=ܵ2�2∙்ܴ
где ХТреактивное сопротивление трансформатора, Ом;
RTактивное сопротивление трансформатора, Ом.
Потериактивноймощности в линии электропередачи математически определяются по следующей формуле:�Р=3∙�2∙ܴ.
Здесь ток прямо пропорциональнозависит от протекаемой по линии мощности, следовательно потери будут уменьшаться при уменьшении потока мощности.
В данной статье рассматривается методика расчета с помощью программного комплекса РТП3. Данный комплекс имеет возможность расчета используемой в сети реактивной и активной мощности, а также потери активной мощности и другие параметры режима. Программный комплекс содержит базу данных с данными по линиям электропередачи, трансформаторам, реакторам и др..
Все эти данные дают возможность с легкостью рассчитать и выбрать компенсирующие устройства, но делать это все же нужно вручную, т.к. соответствующий модуль в программе отсутствует. Для создания методики расчета следует учесть следующее: есть два параметра оптимизации по величинам которых будет определятьсярентабельность установки КУкомпенсирующие устройства.Есть один фактор мощность КУ, которым и будут вноситься изменения в систему электроснабжения, расчеты будут выполняться в программном комплексе.
Для расчета в первую очередь необходимосоздать базу данных КУ, для их выбора по используемой на предприятии мощности, и дальнейших расчетов на всех ступенях регулирования устройства. Сам расчет будет происходить в следующей последовательности:1)Построение схемы предприятия в программе, задание нагрузок и расчет установившегося режима;2)Экспорт данных для обработки и подбора подходящего КУ из созданной ранее баз данных. В программе РТП3 предусмотрено сохранение результатов расчета в формат MSExcel, что позволяет проводить импорт и экспорт данныхне имея прав на изменение кода программы, или просто не имея навыков программирования.3)Импортировать в схему предприятия КУ из базы данных, основываясь на расчетах по использованной реактивной мощности.4)Провести необходимое количество расчетов, их число спомощью программного комплекса будет соответствоватьчислу ступеней регулирования КУ. Нет необходимости проводить расчеты в зависимости от исследуемых факторов, т.к. расчеты выполняются не вручную, а с помощью РТП3, который рассчитывает и выводит к просмотру все данные автоматически.5)При необходимости можно повторить пункты 24 для рачета с другим КУ и в конечном итоге выбрать наилучший вариант по исследуемому параметру, т.е. наименьшие суммарные потери мощности, и максимально приближенные напряжения в узлах к номинальному или же минимальные потери напряжения, т.к. существует множество способов регулирования напряжения.6)При возможности установки КУ в нескольких местах энергосистемы, необходимо выполнить пункты 25 для каждого места установки. Тогда проверка по параметрам оптимизации будет проводится для случаев число которых равно произведению количества видов КУ на число мест установки. Лучший вариант также выбирается из численных значений параметров оптимизации, а также пользователем учитывая другие параметры присущие конкретному предприятию.
Пункт 5 данной методики требует участия человека и не может быть полностью выполнен программно, т.к. оптимальный вариант для конкретных предприятий может отличаться от варианта с минимальными потерями в силу многих причин, таких как цена оборудования, срок окупаемости, виды нагрузки и др.. Тем не менее планируется реализовать данную методику с использованием MSExcel, и получить полуавтоматический способ расчета и выбора КУ. Полуавтоматическим он будет изза необходимости импорта и экспорта данных вручную.
Параметр напряжения в узлах необходимо контролировать полностью вручную, что является существенным минусом такой реализации этой методики.На этот параметр большое влияние оказывает место установки, этот проиллюстрировано на рис.1[3].
Рисунок 1График изменения напряжения в сети НН при использовании управляемой БК.
На рисунке 1 , линия 1 это напряжение в режиме максимальных нагрузок при отсутствии БКбатарея конденсаторов, 2то же, но при включении БК в точке А, 3 то же при включении конденсаторов в точке С, а 4 линия это режим минимальных нагрузок при включении конденсаторов в точке В. Можно сделать вывод, что включение конденсаторов дает положительный регулирующий эффект как до точки их подключения, таки после. Их этого следует, что параметр оптимизации уровень напряжения зависит от точки установки КУ намного больше чем потери мощности.
Регулирующий эффект заключается в изменении напряжения в точке присоединения конденсаторной батареи, математически это можно выразить следующей формулой,%:
��б=�∙С∙∙���∙102(8)
Где ХСиндуктивное сопротивление внешней сети по отношению к месту присоединения БК, Ом; Семкость БК, Ф;Uзначение напряжения в месту установки БК до её установки, кВ.
Можно сделать вывод, что регулирование напряжения сводится к уменьшению потерь напряжения в сети от источника напряжения до места установки БК.
Исходя из теории планирования эксперимента [3], можно подсчитать количество опытов, а в нашем случае количество расчетов при использовании методики для определенного предприятия. Число опытов согласно [3] равно ��, где рчисло уровней факторов, кчисло факторов. В нашем случае число уровней факторов это количество конденсаторов в батарее конденсаторов, а фактор один реактивная мощность вырабатываемая БК при каждом числе конденсаторовподключенных в работу.
Необходимо также описать предполагаемый метод реализации данной методики для работы с программным комплексом РТП3. Программный комплекс содержит функцию сохранения расчетов в документ MSExcel, с этим файлом будет проводится работа с помощью стандартных функций. Таким образом выведенные данные будут редактированы для дальнейшего ввода данных в программный комплекс и выполнения следующих пунктов расчета.
Ввод данных в программный комплекс РТП3 будет производиться вручную с помощью встроенной функции редактирования.
Компенсация реактивной мощности имеет важное экономическое значение, т.к. по данным на 2011 год при отпуске электроэнергии в целом по стране 868154 млн. кВт∙ч потери электроэнергии в сетях составляли 10,82 % от величины отпуска [4]. При этом цена на электроэнергию показана в таблице 1.Таблица 1. Средние цены на электроэнергию в начале 2012 года
Сектор рынкаСредняя ценаПервая ценовая зонаРегулируемые договоры578,82Рынок на сутки вперед963,75Балансирующий рынок905, 94Вторая ценовая зонаРегулируемые договоры244,62Рынок на сутки вперед679,78Балансирующий рынок522,03
Таким образом можно сделать вывод о экономичности установки и расчета компенсирующих устройств в целом для энергосистемы РФ. Для отдельных предприятий нужно проводить техникоэкономический расчет для определения выгоды от установки КУ, при их цене и сроке службы. Для этого и нужна программа автоматизированного расчета РМреактивная мощность, разработка данного продукта позволит значительно ускорить расчеты и тем самым подтолкнет предприятия к установке КУ для разгрузки энергосистемы и регулирования напряжения в узлах предприятия.
Программный комплекс РТП3 является платной программой, и вносить изменения в программный код без разрешения или участия разработчиков невозможно. Именно поэтому в данной статье и предполагается способ реализации методики с помощью стороннего ПО и не внося изменения в сами программы.
В текущее время компенсации реактивной мощности не уделяется должного внимания, это можно решить информируя владельцев оборудования о данной возможности.
Ссылки на источники1.ГОСТ 321442013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. 2013 г.2.Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский, Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий, «Наука», 1976 .3.
Я.Д. Баркан, Автоматическое управление режимом батарей конденсаторов.М.: Энергия, 1978 .4.В.И. Идельчик, Электрическиесистемы и сети.М.:Энергоатомиздат, 1989.
