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 |
Рис. 1. Интегральные параметры суточных графиков электрической нагрузки, лето
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:
, (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.
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: 17.08.2024).