Анализ режимов работы электрических сетей ОАО "ММК им. Ильича" и разработка адаптивной системы управления режимами электропотребления (стр. 2 из 14)
Как известно, передача реактивной мощности приводит к увеличению потерь напряжения в сети. С передачей реактивной мощности непосредственно связано увеличение нагрузки в соответствующих элементах сети.
Отсюда следует также и увеличение потерь активной мощности в элементах системы электроснабжения, которое должно учитываться в балансе по системе, т. е. компенсироваться соответствующей дополнительной установленной мощностью оборудования электрических станций.
Одновременно увеличиваются потери энергии за любой промежуток времени. Дополнительный расход электроэнергии означает дополнительный расход энергоносителей, практически — топлива, что связано с дополнительными денежными и материальными расходами.
Это означает, что для выполнения поставленной вначале задачи в действительности требуется генерация соответственно большей реактивной мощности, т. е. практически установка дополнительных компенсирующих устройств.
Следует обратить внимание и на вторичное явление. Указанное выше увеличение потерь напряжения при неограниченной величине высшего допустимого напряжения приводит к снижению его низшего значения у приемного конца сети. А это приводит к увеличению значений токов при тех же значениях передаваемой мощности и к дополнительной потере активной и реактивной мощности, а также к дополнительной потере энергии.
При наличии соответствующих компенсирующих устройств целесообразно компенсировать реактивную мощность на месте, по возможности устраняя передачу ее по элементам сети на большие расстояния. Однако надо иметь в виду, что включение в работу новых устройств или увеличение нагрузки уже работающих иногда приводит к увеличению потерь активной мощности в них. Наивыгоднейшее решение заранее может быть неизвестно и получается путем расчета.
В распределительных сетях, особенно в промышленности, обычно имеет место потребление реактивной мощности в больших количествах. Основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели, только намагничивающий ток которых составляет от 40 до 60% номинального.
Компенсирующие устройства (батареи конденсаторов), устанавливаемые в распределительных сетях, могут быть использованы для регулирования напряжения. Это сокращает потребность в местных регулирующих устройствах. Поэтому экономичность работы компенсирующих устройств в распределительных сетях следует рассматривать с учетом воздействия на режим напряжений.
При этом потери энергии в сети не обязательно получаются наименьшими, так же как и в случае распределения активной мощности между электрическими станциями в энергетической системе. Наибольшим должен быть результирующий экономический эффект.
Другое положение получается при использовании реактивной мощности, генерируемой синхронными двигателями, которые могут быть установлены в промышленной распределительной сети. Генерация реактивной мощности синхронными двигателями приводит к аналогичном эффекту регулирования напряжения, но связана со значительными потерями активной мощности, а следовательно, и энергии в самих двигателях. Поэтому регулирование напряжения автоматическим изменением тока возбуждения синхронных двигателей не всегда экономически обосновано. Обычно использование для этого синхронных двигателей малой мощности экономически не оправдывается.
В питающей сети, на всех приемных подстанциях которой имеются регулирующие устройства с достаточным регулировочным диапазоном, распределение реактивной мощности можно осуществлять по условиям экономичности работы самой питающей сети. Определяющими здесь являются условия минимума потерь активной мощности в сети при заданных ограничениях по наибольшему допустимому напряжению и рабочей реактивной мощности источников питания.
В послеаварийных режимах перераспределением реактивной мощности в сети часто удается улучшить параметры режима. При этом экономичность режима приходится рассматривать как факт второстепенный.
Комплексная проблема определения оптимальных условий эксплуатации энергосистем или энергообъединений должна решаться на основе использования экономического критерия минимизации приведенных народнохозяйственных затрат на производство и распределение электрической и тепловой энергии. Решение этой проблемы в настоящее время осуществляется на основе рассмотрения ряда взаимосвязанных задач, условно представленных на рисунке ниже.
Каждая из перечисленных задач характеризуется своими частичным экономическим критерием и математической моделью поведения энергосистемы, которым отвечают определенные алгоритмы, наиболее полно учитывающие специфику задачи. В процессе решения используются различные исходные данные, в значительной мере вероятностные и неравноточные.
Под задачей оптимизации текущего режима энергосистемы или энергообъединения понимают наивыгоднейшее распределение генерируемых активных и реактивных мощностей между электростанциями, а также другими регулируемыми источниками реактивной мощности — синхронными компенсаторами, управляемыми реакторами и батареями статических конденсаторов, которому отвечает минимум эксплуатационных издержек И на производство и распределение электрической и тепловой энергии в топливном или стоимостном выражениях: И(Z)=min. Целевая функция И зависит от вектора переменных Z, включающего в себя всю совокупность параметров режима.
В зависимости от принятой математической модели оптимизации, определяемой частичной задачей оптимизации и допущениями при составлении модели, в состав Z могут входить активные и реактивные мощности электростанций
, коэффициенты трансформации (в общем случае комплексные) 
, модули напряжений 
в некоторых или во всех узлах расчетной схемы, а при необходимости и другие параметры режима и оборудования. 
Рис. Взаимосвязь различных задач оптимизации режимов
Составляющие вектора Z связаны между собой рядом конкретных условий, накладываемых свойствами электрической сети, техническими характеристиками и условиями надежной работы оборудования. Сюда относятся обеспечение баланса мощностей, ограничение напряжений в узлах, ограничение тока и передаваемой мощности по линиям электропередачи, допустимость режимов по устойчивости параллельной работы электростанций, ограничение мощности электростанций по характеристикам оборудования и т. п.
В такой общей постановке задача оптимизации текущего режима является многоэкстремальной задачей нелинейного математического программирования и для произвольного вида функции И(Z) строгие методы ее решения не разработаны.
Из изложенного следует, что определения оптимального рабочего режима электрической сети в процессе ее текущей эксплуатации нужно значительное количество информации о параметрах режима и требуется выполнение достаточно сложных расчетов по ее обработке и получению ответа. В некоторых случаях задача должна решаться одновременно для всей энергетической системы. Для этого требуется достаточно сложное программное и аппаратное обеспечение, осуществляющее получение и обработку информации, а также управление всеми автоматизированными устройствами, имеющимися в системе.
В своем дипломном проекте я оптимизирую текущий режим энергосистемы, а именно, минимизирую целевую функцию путем решения задачи нелинейного программирования на языке программирования С++.
Задача безусловной минимизации (минимизации без ограничений) состоит в поиске минимума min f(х) , где функция f: R"®R - является по крайней мере непрерывной. Процедуры безусловной минимизации подразделяются на 3 категории:
оперирующие функцией одной переменной;
работающие с функцией нескольких переменных;
использующие нелинейный метод наименьших квадратов.
В случае функции одной переменной предполагается, что на исследуемом отрезке она имеет один экстремум. В противном случае осуществляется поиск локального минимума.
Поиск минимума функции нескольких переменных можно выполнить квазиньютоновским методом, модифицированным алгоритмом Ньютона, методом сопряженных градиентов и методом деформируемого многогранника.
Перечисленные процедуры обеспечивают поиск локального минимума. Если же функция имеет несколько локальных минимумов и необходимо найти наилучший, то следует испытать разные начальные точки и интервалы поиска. С процедурами, использующими только значения функции, следует употреблять двойную точность. Также полезно использовать процедуры контроля производной, обеспечивающие проверку работы пользовательских процедур, оценивающих производные. Как уже указывалось, в настоящее время не существует единообразного подхода к задаче оптимизации мгновенного режима энергосистемы. Все многообразие практических методов использования ЦВМ можно классифицировать по некоторым главным направлениям. Основными задачами расчетов могут являться:
а) комплексная оптимизация распределения активных и реактивных генерируемых мощностей и коэффициентов трансформации по условию минимума суммарного расхода или стоимости топлива в системе;
б) оптимальное распределение активных мощностей между электростанциями с приближенным учетом потерь в сети по условию минимума суммарного расхода или стоимости топлива;
в) оптимальное распределение реактивных мощностей между электростанциями и синхронными компенсаторами и выбор оптимальных коэффициентов трансформации регулируемых трансформаторов по минимуму потерь в сети.