Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

МОДЕЛЬ РЕГИОНАЛЬНО ОБОСОБЛЕННОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С УЧЕТОМ ГРАФИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Хамитов Р.Н. 1 Ковалев В.З. 1 Архипова О.В. 1 Есин С.С. 1
1 Югорский государственный университет
Рассматривается класс изолированных электроэнергетических систем, построенных на базе дизельных электростанций, возобновляемых источников энергии. Выявлен основной признак данного класса систем – наличие бизнес-связей. Показано, что требования к надежному и энергоэффективному электроснабжению приводят к формированию в населенных пунктах электротехнических комплексов, содержащих: несколько дизель-генераторных установок (ДГУ), как правило, различной мощности, системы аккумулирования электрической энергии, системы управления и возобновляемые источники энергии. Эксплуатация комплексов, построенных на ДГУ, в северных регионах имеет ряд особенностей обусловленных совокупностью причин как экономического характера, так и социотехнических. Известные пути решения, указанной проблемы, авторы предлагают дополнить системным учетом графиков электрической нагрузки потребителей. Показано, что бизнес-связи влияют как на интегральные показатели указанной совокупности (энергоэффективность, уровень экологичности производства электроэнергии, себестоимость производства электроэнергии), так и на структуру и принципы построения и функционирования каждой из изолированных систем электроснабжения данной совокупности на протяжении всего жизненного цикла. Показана необходимость оптимизации всей совокупности изолированных систем электроснабжения, входящих в «Регионально обособленный электротехнический комплекс», на протяжении всего жизненного цикла с позиций анализа и детального учета графиков электропотребления.
изолированные энергетические системы
бизнес-связи
электрическая нагрузка
энергоэффективность
1. Суржикова О.А. Региональные энергетические программы и электроснабжение удаленных, малонаселенных поселений // Вестник науки Сибири. 2012. № 3 (4). С. 109–113.
2. Елистратов В.В. Автономное энергоснабжение энергокомплексами на базе возобновляемых источников энергии // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2016. № 3 (171). С. 72–75.
3. Карамов Д.Н. Оптимизация состава оборудования автономных энергокомплексов, использующих возобновляемые источники и накопители энергии: автореф. дис. ... канд. тех. наук. Иркутск, 2016. 26 с.
4. Ковалев В.З., Архипова О.В. Энергетические аспекты регионально обособленного электротехнического комплекса // Вестник Югорского государственного университета. 2015. № 2 (37). С. 217–218.
5. Григораш О.В., Кривошей А.А., Смык В.В. Автономные гибридные электростанции // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2016. № 124 [Электронный ресурс]. URL: http://ej.kubagro.ru/2016/10/pdf/95.pdf (дата обращения: 06.12.2018).
6. Kovalev V.Z., Arkhipova O.V. Mathematical modeling of regional isolated electrotechnical complex // International Journal of Applied Engineering Research. 2017. vol. 12. no 16. P. 5481–5484.
7. Архипова О.В., Ковалев В.З., Ремизов П.Н. Моделирование автономных энергетических систем // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://science-education.ru/ru/article/vieid=16838 (дата обращения: 06.12.2018).
8. Стратегия социально-экономического развития Ханты-Мансийского автономного округа – Югры до 2020 года и на период 2030 года: Официальный сайт Департамента экономического развития Ханты-Мансийского автономного округа – Югры [Электронный ресурс]. URL: https://depeconom.admhmao.ru/upload/iblock/d92/101_rp.pdf (дата обращения:11.12.2018).
9. Воропай Н.И., Стычински З.А., Козлова Е.В., Степанов В.С., Суслов К.В. Оптимизация суточных графиков нагрузки активных потребителей // Изв. РАН. Энергетика. 2014. № 1. С. 84–90.
10. Болоев Е.В., Войтов О.Н., Голуб И.И., Семенова Л.В. Алгоритм оптимизации реконфигурации и суточных графиков нагрузки распределительной электрической сети // Изв. РАН. Энергетика. 2018. № 1. С. 25–34.
11. Ivanin O.A., Direktor L.B. Применение искусственных нейронных сетей для прогнозирования энергетических нагрузок обособленных потребителей // Теплоэнергетика. 2018. № 5. С. 17–26. DOI: 10.1134/S0040363618050041.
12. Lukutin B.V., Shandarova E.B., Matukhin D.L., Igisenov A.A., Shandarov S.M. Simulation and optimization of wind and diesel power supply systems. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. № 177 (1). 012090. DOI: 10.1088/1757-899X/177/1/012090.
13. Лукутин Б.В., Климова Г.Н., Обухов С.Г., Шутов Е.А. Исследование закономерностей формирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей Республики Саха (Якутия) // Электрические станции. 2008. № 9. С. 53–58.

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.

Таблица 1

Суточная электрическая нагрузка. Лето

Населенный пункт

W, кВт*ч

Pср, кВт

Рск, кВт

Pm, кВт

Км

Кз.г.

Кф.г.

Саранпауль

16635

693,1

720,0

1182

1,71

0,586

1,04

Кедровый

6936

289,0

301,6

375

1,30

0,771

1,04

Сосьва

6293

262,2

272,9

418

1,59

0,627

1,04

Урманный

3658

152,4

157,0

190

1,25

0,802

1,03

Шугур

3618

150,8

155,4

194

1,28

0,779

1,03

Няксимволь

2724

113,5

117,4

162

1,43

0,701

1,03

Кирпичный

2617

109,0

113,2

150

1,38

0,727

1,04

Корлики

2440

101,7

108,0

154

1,51

0,660

1,06

Елизарово

2300

95,9

104,2

172

1,79

0,557

1,09

Ванзеват

1852

77,2

79,5

100

1,30

0,772

1,03

Б. Атлым

1832

76,3

79,6

108

1,41

0,707

1,04

Согом

1801

75,0

88,5

101

1,35

0,743

1,18

Горнореченск

1340

55,8

58,5

86

1,54

0,649

1,05

Ломбовож

1270

52,9

56,3

90

1,70

0,588

1,06

Кимкъясуй

506

21,1

21,9

30

1,42

0,702

1,04

Анеева

388

16,2

16,7

21

1,30

0,770

1,03

Сартынья

309

12,9

13,3

16

1,24

0,805

1,03

Тугияны

214

8,9

11,4

21

2,36

0,424

1,28

Нумто

146

6,1

9,3

17

2,79

0,358

1,53

Пашторы

125

5,2

6,6

10

1,92

0,521

1,27

Карым

106

4,4

4,6

5,6

1,27

0,789

1,03

Таблица 2

Суточная электрическая нагрузка. Зима

Населенный пункт

W, кВт*ч

Pср, кВт

Рск, кВт

Pm, кВт

Км

Кз.г.

Кф.г.

Саранпауль

37853

1577,2

1619,0

1817

1,15

0,868

1,03

Кедровый

17268

719,5

736,8

809

1,12

0,889

1,02

Сосьва

14640

610,0

625,3

732

1,20

0,833

1,03

Согом

10319

430,0

440,2

490

1,14

0,877

1,02

Урманный

10267

427,8

440,3

539

1,26

0,794

1,03

Корлики

8395

349,8

359,0

394

1,13

0,888

1,03

Елизарово

7221

300,9

312,5

401

1,33

0,750

1,04

Няксимволь

6660

277,5

285,3

346

1,25

0,802

1,03

Шугур

6470

269,6

277,4

327

1,21

0,824

1,03

Кирпичный

6459

269,1

277,4

324

1,20

0,831

1,03

Б. Атлым

4718

196,6

201,9

247

1,26

0,796

1,03

Ванзеват

3684

153,5

157,4

178

1,16

0,862

1,03

Горнореченск

2661

110,9

113,9

135

1,22

0,821

1,03

Ломбовож

1893

78,9

82,9

121

1,53

0,652

1,05

Анеева

1427

59,5

60,9

69

1,16

0,862

1,03

Кимкъясуй

1019

42,5

43,9

58

1,37

0,732

1,03

Карым

673

28,0

29,0

40

1,43

0,701

1,04

Сартынья

358

14,9

15,4

18

1,21

0,829

1,03

Тугияны

285

11,9

15,3

33,6

2,83

0,354

1,29

Нумто

168

7,0

10,8

20

2,86

0,350

1,54

Пашторы

149

6,2

7,9

12

1,93

0,517

1,27

hamit1a.wmf

Рис. 1. Интегральные параметры суточных графиков электрической нагрузки, лето

hamit1b.wmf

Рис. 2. Интегральные параметры суточных графиков электрической нагрузки, зима

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:

hamit01.wmf, (1)

hamit02.wmf, (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.


Библиографическая ссылка

Хамитов Р.Н., Ковалев В.З., Архипова О.В., Есин С.С. МОДЕЛЬ РЕГИОНАЛЬНО ОБОСОБЛЕННОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С УЧЕТОМ ГРАФИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2018. – № 12-2. – С. 200-204;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12545 (дата обращения: 11.07.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074