ФОРМИРОВАНИЕ УЗЛОВ НАГРУЗКИ ПРИ СИНТЕЗЕ СТРУКТУРЫ ЦЭС РАДИАЛЬНОЙ ТОПОЛОГИИ

При проектировании и модернизации систем цехового электроснабжения (ЦЭС) главная задача это формирование узлов нагрузки (УН): определение их количества, мощности, мест расположения, распределение по ним приемников электроэнергии (ЭП), а также устройство промежуточных узлов нагрузки (ПУН), которые влияют на объемы эксплуатационных и капитальных и затрат.

Решение задачи установки УН и ПУН должно осуществляться совместно с решением других задач: выбора мощности трансформаторов и группировки ЭП по УН и ПУН. Разработка процедуры формирования ПУН при синтезе структуры ЦЭС радиальной топологии является актуальной задачей. Для решения данной задачи разработан алгоритм построения структуры ЦЭС, в котором для формализации процедуры группировки ЭП по УН, ЭП условно были разделены на две группы: первую техническую группу (ПТГ) и вторую техническую группу (ВТГ).

Целесообразность формирования ПУН в ПТГ может проявиться только в случаях относительно большой удаленности и локальной скученности ЭП, когда расходы на радиальную распределительную сеть от УН до ЭП будут больше суммарных затрат на питающую сеть от УН к ПУН и на распределительную сеть от ПУН к этим ЭП.

Целесообразность установки ПУН в пределах группы ВТГ как правило обусловливается значительным уменьшением расходов на распределительную сеть, в сравнении с затратами на сеть без ПУН, так как ЭП ВТГ более удалены от УН нежели ЭП ПТГ. При этом, прокладка более длинной сети с большими затратами к другому УН может компенсироваться возможностью не увеличивать мощность силового трансформатора.

Технико-экономический расчет основан на сравнении двух вариантов исполнения локального участка ЦЭС, границами которого являются ПТГ или ВТГ. Принятие, варианта с ПУН, осуществляется при выполнении условия:

,                                   (1)

где  — капитальные вложения в первый и второй вариант в соответствии;, —годовые потери энергии первый и второй вариант соответственно; — коэффициент, учитывающий приоритет потерь электрической энергии над капитальными вложениями определяется:

                                 (2)

где  — срок окупаемости (в месяцах); — стоимость потребленной электрической энергии в месяц;  — стоимость потребленной электрической энергии в i-й месяц.

При этом капитальные вложения первого варианта зависят от четырех составляющих:

,                                           (3)

где  — капитальные вложения в распределительную сеть от ПУН к ЭП;  вложения в линию связи ПУН-УН;  — капитальные вложения в ПУН;  капитальные вложения в УН.

Капитальные вложения второго варианта зависят от двух составляющих:

,                                                        (4)

где — капитальные вложения в распределительную сеть от УН к ЭП; — капитальные вложения в УН.

Таким образом, метод сравнительной оценки предполагает анализ локального участка ЦЭС с определением ряда технически целесообразных вариантов ее выполнения и дальнейшее сравнение этих вариантов между собой по критерию удельных расходов.

Для решения данной задачи предложено ввести процедуру корректировки координат (xc;yc) центра электрических нагрузок (ЦЭН) с учетом расходов на питающую сеть, т.е. определить координаты (;) «центра затрат» (ЦЭЗ) где суммарные затраты на распределительную и питающую сети достигают наименьшего значения (рис 1).

Рисунок 1. Изменение координат промежуточных узлов нагрузки

Участок питающей сети между ЦЭН и УН описывается вектором:

где  — координаты УН.

При разбиении этого вектора на N частей, численно равным длине участка питающей сети между ЦЭН и УН в метрах, будет происходить смещение точки расположения ЦЭН, это описывается вектором:

(6)

Тогда новые по координаты точки расположения ЦЭН (;) определяются выражением:

(7)

где f=1 — первый отрезок приближения, f ϵ [1;N-1]

При изменении координат расположения ЦЭН вычисляются согласно выражению 3 новые значения капитальных затрат . Если они оказались меньше предыдущих, то осуществляется следующий шаг итерации (значение f принимается равным f+1).

Данная процедура повторяется до тех пор пока значения капитальных затрат текущей итерации не превысит значения капитальных затрат полученных на предыдущем шаге, т.е.. Таким образом, значения координат полученным на предыдущем шаге итерации (;) и определяют точку расположения ЦЭЗ (;) в которой возможно установить ПУН.

Одним из важным условий формирования ПУН является учет дискретности количества присоединений. Это обусловлено тем, что силовые пункты которые изготавливает электротехническая промышленность имеют конструктивное исполнение на 3,5,8 или 12 присоединений.

Такая особенность имеет и техническое основание: из-за большого количества присоединенных потребителей ток в питающей сети может достигать значительной величины; стандартный ряд сечений кабельной продукции может не удовлетворить такие требования, при этом стоимость автоматических выключателей для коммутации токов превышающих 250А возрастает на порядок.

Для решения задачи учета дискретизации, количества присоединений в ПУН, необходимо распределить ЭП на группы, определив координаты размещения ЦЭЗ для каждой из групп. После чего необходимо привести конструктивное исполнение ПУН к шкале стандартных размеров и осуществить ранжирование ЭП по критерию принадлежности (КП) к ПУН (КП включает в себя такие параметры как расчетная мощность ЭП, его удаленность от ЦЭЗ, а также метка принадлежности технологическому процессу).

Если число присоединений выбранного конструктивного исполнения ПУН больше количества ЭП в его группе, необходимо оценить возможность присоединения ЭП с меньшим значением КП к другим ПУН или УН. Для этого необходимо произвести ранжирование таких ПУН по числу незадействованных присоединений, после чего начиная с ПУН имеющих большее число незадействованных присоединений производится оценка возможности отключения его ЭП с целью уменьшения размера этого ПУН. Отключенные ЭП распределяются по другим ближайшим ПУН, начина с тех у которых имеется наименьшее число незадействованных присоединений.

На рисунке 2 показана возможность запитать ЭП группы ПУН-1имеющего 12 присоединений от ПУН-2 имеющего 8 присоединений. Таким образом в ПУН-2 будут задействованы все 8 присоединений, а размер ПУН-1 можно будет уменьшить с 12 до 8 присоединений. Увеличение расходов на проводниковый материал будет незначительным по сравнению с уменьшением стоимости ПУН-1.

Рисунок 2. Подключение приемников электроэнергии к различным промежуточным узлам нагрузки

В качестве оценочного критерия возможности присоединения ЭП к другим ПУН можно использовать оценку величины удельных годовых приведенных затрат (ГПЗ) в пределах участка этих ПУН при присоединении ЭП других групп.

Тогда для ПУН имеющих меньшее число незадействованных присоединений производится оценка ГПЗ участка подключения нового ЭП к ПУН до подключаемого ЭП, при этом необходимо учитывать увеличение ГЗП питающей линии.

Кроме того необходимо оценить изменение ГПЗ ПУН от которого был отключен ЭП при этом необходимо учитывать уменьшение ГЗП питающей линии, а также оценить возможность уменьшить размер этого ПУН.

В случае если величина суммарных приведенных ГПЗ этих двух ПУН после переключения ЭП окажется меньше чем до переключения, то можно считать что сформированы две новые группы для каждой из которых мне обходимо определить координаты ЦЭЗ.

Предложенная в работе процедура формирования ПУН при синтезе структуры ЦЭС радиальной топологии позволяет определить оптимальную длину питающей ПУН линии, а также учесть дискретность шкалы размеров силовых пунктов.

Полученные результаты можно использовать в составе алгоритма синтеза структуры ЦЭС. Это позволит автоматизировать систему построение оптимальной структуры распределительной сети с минимизированными коммуникационными потерями, разработать технические мероприятия по снижению капитальных вложений при построении такой сети за счет применения промежуточных узлов нагрузки, а также сократить сроки проектирования, что имеет существенное практическое значение.

Список литературы:

1. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 224 с.
2. Щербаков Е.Ф., Александров Д.С. Электроснабжение и электропотребление на предприятиях: учебное пособие. М.: Форум, Инфра-М, 2014. — 596 с.
3. Кудрин Б. И. Электроснабжение. 2-е изд., переработанное и дополненное М.: Издательский центр Академия, 2012. — 352 с.