Разработка системы расчета и оценки эффективности реализации мероприятий по снижению потерь и обеспечению качества электроэнергии на основе данных интеллектуального учета и мониторинга режимов работы электрических сетей 0,4–10 кВ

Несимметричная нагрузка однофазных потребителей электроэнергии 0,4 кВ существенно влияет на значение технических потерь электроэнергии. Для корректного расчета технических потерь в целях разработки мероприятий по их снижению необходимо повышать информационную обеспеченность данных расчетов. Эти же факторы влияют и на точность определения нетехнических (коммерческих) потерь. Постоянно увеличивающийся автоматизированный парк интеллектуального учета электроэнергии позволяет эту задачу решить, тем самым существенно увеличить точность результатов, а также обеспечить поиск абонентов, оказывающих влияние на рост нетехнических (коммерческих) потерь электроэнергии.

Микрюков В.В., руководитель Дирекции по инновационной деятельности и импортозамещению ПАО «Россети Центр»
Пацев А.А., главный специалист Дирекции по инновационной деятельности и импортозамещению ПАО «Россети Центр»
Соловьев М.А., начальник управления технологического развития и цифровизации филиала ПАО «Россети Центр» — «Костромаэнерго»
Калинкина М.А., к.т.н., начальник Управления снижения потерь Департамента перспективных разработок и энергоэффективности АО «Россети Научно-технический центр»
Городничева В.В., специалист Управления снижения потерь Департамента перспективных разработок и энергоэффективности АО «Россети Научно-технический центр»

В условиях увеличивающейся доли потребителей электроэнергии 0,4 кВ с нелинейной нагрузкой (энергосберегающие лампы, силовая электроника, выпрямители и преобразователи и т.п.) происходит существенное изменение режимов работы этих сетей, влияние которых на технические потери в сетях электроэнергии ранее было незначительным и не учитывалось.

Несимметрия токов в фазах линий и трансформаторах может приводить к дополнительному росту технических потерь электроэнергии в 1,3 раза по сравнению с нормальными симметричными режимами, к снижению нагрузочной способности линии и трансформаторов, перегреву оборудования сетей, снижению нормальных показателей качества электроэнергии у потребителей. Одним из решений данной проблемы является установка в электрических сетях средств снижения уровня несимметрии и искажения уровня кривой токов и напряжений. Для выбора мест их установки необходимо использовать методики расчета технических потерь электроэнергии, учитывающие фазность подключения нагрузки, активную и реактивную составляющую потребления электроэнергии.

Развивающийся парк интеллектуального учета (ИУ) позволяет использовать дополнительную информацию (кроме активной мощности нагрузки интеллектуальный учет фиксирует фазные уровни напряжений, реактивную нагрузку) не только для повышения точности расчета технических потерь, но и для определения мест с сомнительным энергопотреблением, выявления хищений электроэнергии.

С учетом вышесказанного ПАО «Россети Центр» (филиал ПАО «Россети Центр» — «Костромаэнерго») в настоящее время проводит научно-исследовательскую работу «Разработка системы расчета и оценки эффективности реализации мероприятий по снижению потерь и обеспечению качества электроэнергии на основе данных интеллектуального учета и мониторинга режимов работы электрических сетей 0,4–10 кВ».

Основными задачами работы являются:

• повышение эффективности применения систем интеллектуального учета для решения актуальных задач снижения потерь и повышения качества электроэнергии;
• стандартизация и повышение точности и оперативности расчета технических и нетехнических потерь, локализации безучетного потребления электроэнергии;
• снижение трудоемкости расчетов;
• повышение эффективности работы персонала филиалов по снижению нетехнических потерь электроэнергии;
• оценка эффективности установки устройств снижения несимметрии;
• снижение трудоемкости и стандартизация подхода к реализации мероприятий к выравниванию нагрузок между фазами;
• разработка методов и алгоритмов расчета эффективности реализации технических средств снижения несимметрии в электрических сетях 0,4 кВ, исследование их фактической эффективности на выбранных пилотных объектах.

В целом работа посвящена трем взаимосвязанным направлениям (рисунок 1). В данной статье авторами будут рассмотрены первые два направления.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕХНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ, АЛГОРИТМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ

В соответствии с поставленными задачами на базе метода оперативных расчетов и метода симметричных составляющих [1, 2] разработана методика расчета технических потерь электроэнергии (далее — Методика), учитывающая фазность подключения потребителей к электрической сети. Методика имеет ряд совершенствований и адаптаций.

В идеальном случае для расчета технических потерь нагрузка на головном участке линии 0,4 кВ должна быть распределена по каждой фазе четырехпроводного элемента электрической сети. Однако измерительный комплекс предоставляет мощностную нагрузку, суммарную по всем фазам. Разработанные алгоритмы балансирования позволяют определить фазное распределение нагрузки на головном участке электрической сети.

Расчет технических потерь электроэнергии выполняется методом оперативных расчетов по формуле:

где n — число элементов сети; Δt_ij— интервал времени, в течение которого токовую нагрузку I_ij i-го элемента сети с сопротивлением R_i принимают неизменной (в текущих расчетах — 1 час); m — число интервалов времени.

Данный метод — наиболее точный в связи с отсутствием каких-либо допущений и коэффициентов.

Расчет потерь мощности в каждом элементе сети выполняется по формулам:

где ΔP_ki, ΔPNi — потери активной мощности в фазе k и в нулевом проводе на i-м элементе, рассчитывающиеся по формулам:

Комплексные токи участков сети рассчитываются по скорректированным активным и реактивным мощностям нагрузок в узлах сети:

где U_k — фазное напряжение в узле конца участка сети; P_ki, Q_ki — активные и реактивные фазные мощности скорректированных нагрузок узлов сети; k = A, B, C.

Ток в нулевом проводе определяется в виде векторной суммы токов трех фаз:

Для анализа уровня несимметрии на каждом участке сети используется коэффициент:

где IA, IB, IC — токовые нагрузки фаз;  — отношение сопротивлений нулевого и фазного проводов.

При формировании базы данных результатов измерений бывают случаи с пропусками данных. В случае если такие пропуски принимаются незначительными, разработан алгоритм замещения, представленный на рисунке 2.

Разработанные алгоритмы и Методика реализованы в Модуле определения небалансов по данным интеллектуального учета.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И ПРИМЕРЫ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ

Задача повышения точности расчета обусловлена наличием такой возможности. Инструкция по расчету технических потерь электроэнергии [1] в сетях 0,4 кВ регламентирует метод обобщенных параметров, с укрупненной оценкой уровня технических потерь. Такие методы нельзя использовать для разработки мероприятий по снижению технических потерь и поиску безучетного потребления. Однако максимально точные методы, как правило, являются и более трудоемкими. Для их использования необходимы программные комплексы.

Разработанный модуль определения небалансов по данным интеллектуального учета предназначен для выполнения следующих функций:

• расчет уровня небаланса по часовым потреблениям;
• расчет уровня технических потерь;
• расчет уровня падения напряжения;
• сравнение уровней падения напряжения расчетного и фактического;
• поиск мест возможного подключения неучтенной приборами учета нагрузки (по отклонению расчетного и фактического падения напряжения между точками присоединения потребителей);
• поиск некорректно работающих приборов систем учета либо некорректной привязки потребителей (значительные отклонения напряжения от зафиксированных соседними ПУ).

Архитектурное решение Модуля представлено на рисунке 3.

В соответствии с разработанным алгоритмом для опробования выбраны два трансформаторных пункта 10 кВ с отходящими линиями 0,4 кВ.

С использованием функции загрузки данных (таблица замеров) результаты измерения с приборов интеллектуального учета (часовые значения нагрузок потребителей и уровни напряжения в узлах с нагрузкой) и исходные данные внесены в базу данных Модуля и выполнены расчеты. Результаты расчетов в виде информационных графиков для одних суток представлены на рисунке 4.

Примеры экранных форм приведены на рисунке 5.

Одним из основных функционалов Модуля является выявление мест с несоответствием измеренного значения уровня напряжения с его рассчитанным значением. Разница напряжений определяется по формуле:

где ΔU_{допустимое} — заданное граничное значение разницы напряжений, вводится пользователем, %; U_{изм i}, U_{расч i} — измеренное ИУ и рассчитанное Модулем значение напряжения в узле за i-й час.

Этот функционал реализован в графическом и табличном видах. Предварительно выставлены допустимые значения отклонений по умолчанию, которые пользователь самостоятельно может изменить или на графике, или в таблице.

По результатам проведенных расчетов на тестовом примере и схеме электрической сети, приведенной на рисунке 4, получено существенное (более чем в два раза) увеличение значения потерь электроэнергии по разработанной Методике, учитывающей несимметричную загрузку фаз (оценка погрешности расчета выполнена по сравнению с методом оперативных расчетов без учета потерь электроэнергии в нулевом проводе). На рисунке 6 выполнена диаграмма зависимости потерь электроэнергии от уровня несимметрии.

В настоящее время разработанный Модуль определения небалансов по данным интеллектуального учета электроэнергии проходит этап опытно-промышленной эксплуатации.

ВЫВОДЫ

1. Разработанные методика и алгоритмы расчета существенно позволяют повысить точность результатов расчета от 20% до 70% (оценка погрешности расчета выполнена по сравнению с методом оперативных расчетов без учета потерь электроэнергии в нулевом проводе). Наибольшие значения относительных погрешностей обусловлены большим уровнем несимметрии.

2. Реализованный Модуль определения небалансов по данным интеллектуального учета электроэнергии позволяет:

• выполнить расчет технических потерь электроэнергии с максимальной точностью;
• определить узлы с нагрузкой электроэнергии, вызывающие сомнения в достоверности расхода потребленной электроэнергии;
• осуществлять расчеты и анализ при наличии допустимой неопределенности в исходных данных. 

ЛИТЕРАТУРА

1. Инструкция по организации в Министерстве энергетики РФ работы по расчету и обоснованию нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям (утверждена приказом Минэнерго России от «30» декабря 2008 г. № 326, зарегистрирована в Минюсте России от «12» февраля 2009 г. № 13314).
   URL: https://docs.cntd.ru/document/902143004.
2. Фурсанов М.И., Золотой А.А., Макаревич В.В. Расчет режимов и потерь мощности в электрических сетях 0,38 кВ с учетом повторного заземления нулевого провода // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ, 2007, № 5. С. 5–18.