Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Большая часть территории Российской Федерации характеризуется отсутствием значительных концентраций населения. Как правило, это небольшие населенные пункты с числом жителей от 50 до 200 чел. Причем указанные поселения расположены на значительном удалении друг от друга и вне зоны централизованного электроснабжения. По данным [1, 2] таких поселений более 31000, расположенных на более 2/3 всей площади страны, где проживает более 11 млн населения. Характерной в этом плане является Республика Саха – более 130 поселений с общей установленной мощностью 210 МВТ, Якутия, Бурятия, Ханты-Мансийский автономный округ – Югра и другие северные территории. Типовое решение задачи электроснабжения в данном случае строится на применении дизель-генераторных установок (ДГУ). Требования надежности электроснабжения, требования энергоэффективности приводят к формированию в населенных пунктах электротехнических комплексов содержащих: несколько ДГУ, как правило различной мощности [3], системы аккумулирования электрической энергии, системы управления и потребителя.

Эксплуатация комплексов, построенных на ДГУ в северных регионах, имеет ряд особенностей, обусловленных совокупностью причин как экономического характера, так и социотехнических:

– высокая стоимость дизельного топлива в месте потребления, вызванная сложной транспортной логистикой (вплоть до использования вертолетного транспорта);

– отсутствие электрической связи с центральной энергетической системой или с крупными региональными сетями;

– кадровый «голод» в местах производства электрической энергии;

– агрессивные природно-климатические условия эксплуатации;

– высокие требования к экологичности процесса производства электрической энергии, особенно в местностях приравненных к районам Крайнего Севера;

– социальная защищенность коренных и малочисленных народов, проживающих на удаленных территориях;

– высокая себестоимость электроэнергии, произведенной ДЭУ.

Один из путей решения выявленных выше противоречий – включение в комплексы производства электрической энергии возобновляемых источников энергии (ВИЭ): ветро-генераторных установок (ВЭУ), фотоэлектрических панелей (ФП), микрогидроэлектростанции (МГЭС), и других [4]. Для таких комплексов, содержащих кроме ДГУ еще и ВИЭ, принято наименование – гибридные источники электрической энергии (ГИЭЭ) [5].

На процесс энергопреобразования, при работе ГИЭЭ, оказывает существенное влияние характер нагрузки потребителя. Соответственно, возникает необходимость оптимизировать, по некоторому критерию (например, энергоэффективность) состав всех элементов, входящих в ГИЭЭ и участвующих в процессе энергопреобразования.

В настоящее время все более активно применяются методики управления ГИЭЭ, базирующиеся на краткосрочных прогнозах, в том числе и с применением наукастинга (сверхкраткосрочный прогноз метео- условий).

Совокупность указанных выше обстоятельств делает актуальным построение модели ГИИЭ с учетом графиков электрической нагрузки потребителей.

Еще одной характерной особенностью рассматриваемого класса ГИЭЭ является сочетание «физической» изолированности отдельных источников (отсутствие электрической связи) с административной или корпоративной принадлежностью отдельных комплексов одному «владельцу».

Введем в рассмотрение понятие «Регионально обособленный электротехнический комплекс (РОЭТК)» – обособленная совокупность изолированных систем электроснабжения, характеризующаяся отсутствием электрической связи между отдельными изолированными системами электроснабжения, при одновременном наличии «слабых связей» и «слабых взаимодействий» между всеми изолированными системами электроснабжения, входящими в данную совокупность, и значительными отклонениями характеристик потребления электрической энергии от «типовой».

Отметим, что данное определение является развитием подходов, сформулированных в работах [6, 7].

Цель данной работы – построение модели регионально обособленного электротехнического комплекса с учетом графиков электрической нагрузки потребителей.

Задачи:

1. Выявить особенности характеристик потребления электрической энергии ГИЭЭ, входящих в РОЭТК.

2. Выявить возможность «типизации» характеристик потребления электрической энергии ГИЭЭ, входящих в РОЭТК.

3. Выявить структуру модели регионально обособленного электротехнического комплекса с учетом графиков электрической нагрузки потребителей.

Материалы и методы исследования

Исходными данными являются данные об электрических нагрузках децентрализованной зоны электроснабжения Ханты-Мансийского автономного округа – Югры за 2017–2018 гг.

В период проведения исследования в децентрализованную зону входило 24 населенных пункта в семи районах округа. Электроснабжение осуществлялось от дизельных электростанций (ДЭС). Установленная мощность ДЭС от 5000 кВт (с. Саранпауль) до 36 кВт (д. Таурова). В 2018 г. в д. Никулкина установлена солнечно-дизельная электростанция. Средняя установленная мощность ДЭС порядка 300 кВт [8].

Дальнейшему исследованию подлежит 21 населенный пункт с непрерывным характером электроснабжения. Населенные пункты с прерывистым электроснабжением остаются за рамками настоящего исследования.

Первый этап – изучение характеристик электропотребления. Применим для этого аппарат суточных графиков электрической нагрузки (СГЭН) [9, 10]. Ряд исследователей вводят в рассмотрение типовые суточные графики электрической нагрузки. Это справедливо при анализе единичных поселений или поселений близких по укладу хозяйствования и соответственно структуре электропотребления. При этом вне рассмотрения остается эффект «бизнес-связей» или «слабых связей», что значительно влияет на формирование критериев оптимального состава оборудования ГИЭЭ.

Следующий фактор, требующий детального исследования СГЭН, прогнозирование потребления электрической нагрузки, в целях оптимального управления ГИЭЭ. При этом появляется возможность существенно повысить как ресурс ДЭУ, входящих в состав ГИЭЭ, так и снизить общее (для всего РОЭТК) потребление дизельного топлива [11, 12].

Основные закономерности графиков суточных нагрузок для РОЭТК ХМАО – Югра отражены в табл. 1 и 2, соответственно суточный график электрических нагрузок летний и суточный график электрических нагрузок зимний.

Динамика интегральных параметров отражена на рис. 1 и 2:

Км – коэффициент максимума, устанавливает связь между средней и максимальной нагрузкой;

Кз.г. – коэффициент заполнения графика, коэффициент обратный коэффициенту максимума;

Кф.г. – коэффициент формы графика, характеризует степень неравномерности графика нагрузки;

W, кВт*ч – суточная энергия потребленная поселением;

Pср, кВт – средняя суточная мощность электростанции поселения;

Pср, кВт – среднеквадратичная мощность;

Pm, кВт – максимальная мощность.

Энергетический подход к математическому моделированию электротехнических комплексов и систем, развиваемый в работе [6] и базирующийся на формализме Лагранжа, с неукоснительностью приводит к построению исходных математических моделей основных взаимодействующих физически разнородных энергопреобразующих элементов РОЭТК, структурно состоящих из системы дифференциальных и системы алгебраических уравнений в следующем виде:

, (1)

, (2)

где QS и Qb – векторы обобщенных координат и обобщенных скоростей, содержат (например, в виде ряда Фурье) информацию о графике нагрузки каждого ГИЭЭ, входящего в РОЭТК.

Результаты исследования и их обсуждение

Все интегральные коэффициенты (табл. 1, 2) характеризуются значительными разбросами: Км – от 1,02 до 1,54 – зимой, и 1,03–1,53 летом; Кз.г – от 0,35 до 0,889 зимой и 0,358 – 0,805 летом; Кф.г. – от 1,13 до 2,86 – имой, и 1,24–2,79 летом. Особенно значительны отличия в зимнем коэффициенте заполнения графика Кз.г – порядка 254 %!

Выявленное обстоятельство не позволяет применять для моделирования РОЭТК в форме уравнений (1)–(2) «типовые» графики суточной нагрузки, поскольку достоверность прогноза графика нагрузки здесь существенно меньше рекомендованной в [13] достоверности в 80 %.

Выводы

1. Выявлен значительный (до 254 %) разброс интегральных характеристик суточных графиков потребления электрической энергии ГИЭЭ, входящих в РОЭТК.

2. Выявлена, для анализируемого РОЭТК, невозможность построения «типовой» характеристики потребления электрической энергии ГИЭЭ, входящих в РОЭТК. Как следствие, для достоверного краткосрочного прогноза электропотребления электрической нагрузки отдельным поселением, необходимо в модель регионально обособленного электротехнического комплекса включать «персонифицированные» графики, например в виде ряда Фурье, поскольку «типовые» будут содержать в себе кратные разбросы по отдельным показателям, что приведет к малодостоверным прогнозам.

3. Выявлена структура и построена модель регионально обособленного электротехнического комплекса с учетом, например, в форме ряда Фурье индивидуальных графиков электрической нагрузки потребителей.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства ХМАО – Югры в рамках научного проекта № 18-47-860017.