Методи та засоби оптимізації перетікань реактивної потужності в розподільних електромережах на основі принципу Гамільтона-Остроградського

Abstract

Роботу присвячено розв’язанню задачі зменшення втрат та підвищення якості напруги у електричних мережах, шляхом розроблення методів та засобів оптимізації потоків реактивної потужності на основі принципу Гамільтона- Остроградського. Розроблено математичну модель критерію оптимальності, методи оптимізації розміщення засобів компенсації реактивної потужності в електричних мережах, а також засоби оптимального керування компенсувальними установками для таких мереж. Зокрема, запропоновано новий метод оцінювання обґрунтованої ефективності компенсації реактивної потужності в електричних мережах. Розвинуто метод оптимізації перетікань електроенергії на основі принципу найменшої дії, що проявляється у врахуванні капітальних та експлуатаційних витрат на джерела реактивної потужності (ДРП) у моделі «ідеального» режиму електричної мережі. Вдосконалено метод врахування обмежень на відхилення напруги в електричних мережах під час оптимізації розміщення ДРП. Їх реалізація дозволяє підвищити ефективність сумісного використання ДРП в електричних мережах енергопостачальних компаній та активних споживачів.

Работа посвящена решению задачи уменьшения потерь и повышения качества напряжения в электрических сетях (ЭС), путем разработки методов и средств оптимизации потоков реактивной мощности на основе принципа Гамильтона-Остроградского. Исследованы особенности современных распределительных сетей с точки зрения оптимизации перетоков реактивной мощности. Предложен метод формирования комплексного показателя обоснованной эффективности внедрения источников реактивной мощности (ИРМ). Он учитывает надежность сети, качество напряжения в ее узлах, а также точность определения полезного отпуска и потерь электроэнергии. Для решения задачи оптимизации размещения ИРМ в электрических сетях по критерию максимума рентабельности инвестиций, обосновано применение модели «идеального» режима ЭС, в соответствии с принципом Гамильтона-Остроградского. Для учета экономических факторов в модель «идеального» режима введены экономические сопротивления ИРМ. Выражения для их определения получены для различных постановок задачи оптимизации, параметров и условий функционирования ИРМ. Для учета активных ограничений на отклонения напряжения в ЭС предложен метод корректировки расчетных мощностей ИРМ по результатам решения вспомогательной линеаризованной задачи оптимизации. Результаты исследований дали возможность расширить область применения моделей «идеального» режима ЭС и повысить эффективность проектных решений. На основе имитации «идеальных» режимов ЭС разработаны алгоритмы определения оптимального уровня групповой компенсации реактивных нагрузок по критерию максимальной рентабельности, а также алгоритм многокритериальной оптимизации размещения ИРМ в электрических сетях. Используя непрерывный принцип максимума Понтрягина получены условия оптимальности перетоков реактивной мощности с учетом затрат на эксплуатацию ИРМ и качества электроэнергии. Усовершенствована структурная схема автоматизированной системы оперативного управления ИРМ в распределительных сетях. Разработаны алгоритмы определения настроечных параметров системы автоматического управления (САУ), которые локально обеспечивают оптимизацию реактивных перетоков в ЭС.На примере электрических сетей 110-35-10 кВ ПАО «Винницаоблэнерго» показаны адекватность и эффективность разработанных методов оптимизации перетоков реактивной мощности. Усовершенствованный программный комплекс был использован для технико-экономического обоснования внедрения ИРМ в электросетях 110-35 кВ. По результатам исследований определена оптимальная последовательность внедрения ИРМ, которая характеризуется высокой рентабельностью. Используя анализ чувствительности определен перечень ИРМ, имеющих наибольшее влияние на потери и уровни напряжения в ЭС. Показано, что их внедрение обеспечит около 75% эффекта, а укрупненная стоимость составит не более 30% от совокупной стоимости проекта. На примере Винницких городских сетей 10 кВ показано, что прибыль от установки дополнительных ИРМ невозможно оценить адекватно без учета надежности сетей и качества информационного обеспечения. Учет указанных факторов позволил обоснованно уменьшить оптимальную установленную мощность ИРМ для отдельных фрагментов исследуемых сетей. Перенос ИРМ на подстанции с более высокими показателями надежности и качества информационного обеспечения позволил уменьшить риски, связанные с реализацией проекта, и повысить эффективность инвестиций. На примере ИРМ, эксплуатируемых в Винницких городских сетях, проведены натурные эксперименты по определению уставок для локальной компенсации реактивной мощности. Показано, что период их актуальности составляет от 1 до 3 месяцев. Если ИРМ используются для групповой компенсации, то их уставки по коэффициентам мощности необходимо многократно корректировать в течение суток. Для определения периодов актуальности уставок предложен алгоритм, который предусматривает анализ корреляции оптимальных мощностей ИРМ с локальным реактивным потреблением. Для определения уставок предложено использовать имитационную модель САУ источниками реактивной мощности. Коэффициенты мощности подбираются по методу наименьших квадратов отклонений между оптимальными и имитируемыми мощностями ИРМ. Уставки по времени для САК определяются с учетом скорости изменения усредненных оптимальных мощностей ИРМ. Таким образом, в диссертационной работе получено новое решение актуальной научно-прикладной задачи повышения эффективности управления потоками реактивной мощности в электрических сетях. Оно заключается в разработке на основе принципа Гамильтона-Остроградского математической модели критерия оптимальности, методов оптимизации размещения средств компенсации реактивной мощности в электрических сетях, а также системы оптимального управления компенсирующими устройствами. Их реализация позволяет повысить эффективность совместного использования ИРМ в электрических сетях энергоснабжающих компаний и активных потребителей.

The work is devoted to the task of reducing losses and improving the quality of voltage in electric grids, by developing methods and means for optimizing of the reactive power flows, based on the Hamilton-Ostrogradsky principle. The mathematical model of optimality criterion for the given problem, methods of optimization of the reactive power compensation facilities placement in power grids, means of optimal control of compensating installations for such networks is developed. In particular, a new method for estimating the guaranteed efficiency of reactive power compensation in electric networks is proposed. The method of optimization of electric power flows has been developed. For this purpose, the capital and operating costs of the sources of reactive power (SRP) were taken into account in the model of the electric network’s "ideal" mode. The method for taking into account the voltage constraints in electrical networks during optimization of the location of the SRP is improved. Their implementation allows to increase the efficiency of the joint use of SRP in the electric grids of the power supply companies and the active consumers.