Изобретение относится к области электротехники, в частности к электроснабжению промышленных предприятий, и может быть использовано в силовых понижающих трансформаторных подстанциях, состоящих из двух трансформаторов.
Известен способ снижения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения, заключающийся в изменении режимов работы трансформаторов в трансформаторных подстанциях (ТП) путем периодического отключения одного из трансформаторов [К.К. Волчков, В.А. Козлов. Эксплуатация сооружений городской электрической сети. - 2-е изд. перераб. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1979. с. 265-271].
Основными недостатками известного способа являются: снижение надежности работы системы и качества поставляемой энергии при быстрых увеличениях нагрузки, невозможность его применения при случайно изменяющейся нагрузке.
Известен способ снижения потерь электроэнергии [Патент РФ №2609890, МПК H02J 3/46, опубл. 07.02.2017 Бюл. № 4], заключающийся в дискретном изменении режимов работы трансформаторов, причем сравнивают ток, потребляемый нагрузкой от источника электроэнергии, с заданным значением, режимы работы трансформаторов изменяют замыканием или размыканием их входов, выходов, в зависимости от результатов сравнения, входы трансформаторов соединяют последовательно, а напряжение на нагрузке получают сложением выходных напряжений обоих трансформаторов.
Основными недостатками прототипа является низкая реальная эффективность, определяемая объемом снижаемых потерь, а также пониженная надежность, связанная с необходимостью выполнения большого числа переключений на выходах и входах каждого из трансформаторов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ снижения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения трансформаторной подстанции [Патент РФ №2224344, МПК H02J 3/00, опубл. 20.02.2004 Бюл. № 5], заключающийся в изменении режимов работы трансформаторов посредством управления моментом включения их на нагрузку, содержащей два трансформатора разной мощности, подключенные через силовые выключатели с приводами к сети высокого напряжения и к нагрузке, датчик мощности, включенный в силовую трехфазную сеть на стороне высокого напряжения трансформаторов, а также силовой выключатель с приводом, в замкнутом состоянии подключающий всю нагрузку к одному из двух трансформаторов, а в разомкнутом состоянии позволяющий каждому трансформатору подстанции работать на свою нагрузку. Согласно способа в процессе изменения режимов работы трансформаторов управление моментом включения трансформаторов на нагрузку осуществляется нечетким логическим контроллером, на который поступают сигналы тока с датчика мощности и дифференциатора, пропорциональные мощности нагрузки и ее производной, и сигналы тока с датчиков положения контактов силовых выключателей с приводами и который формирует величины временных регулируемых задержек на срабатывание приводов силовых выключателей трансформаторов в зависимости от величины мощности нагрузки, знака ее производной и положения контактов выключателей, исходя из условия минимизации потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения.
Основными недостатками прототипа является невозможность его применения на подстанциях с трансформаторами равной мощности, а также пониженная надежность, связанная с необходимостью выполнения большого числа переключений на выходах и входах каждого из трансформаторов.
В системах промышленного электроснабжения одним из эффективных методов снижения потерь на понизительных подстанциях (ПС) является отключение трансформаторов в часы минимума нагрузки. При эксплуатации трансформаторов ПС с низким средним коэффициентом загрузки коэффициент полезного действия трансформаторов снижается. Соответственно, для снижения потерь холостого хода и повышения экономичности передачи электроэнергии необходимо повысить средний коэффициент загрузки трансформаторов за счет временного отключения части трансформаторов подстанции и перевода всей нагрузки на трансформаторы, оставшиеся в работе. В настоящее время в распределительных сетях напряжением 110 кВ и ниже такой метод снижения потерь осуществляется действиями оперативного персонала.
Для максимально эффективной реализации способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения целесообразно отслеживание тренда графика нагрузки ПС. Прогнозирование необходимо для исключения ложных и излишних переключения при изменениях нагрузки (суточных, сезонных и др.). Причем, введение процедуры прогнозирования и отслеживания графика нагрузки целесообразно для снижения потерь как на ПС с трансформаторами разной мощности, так и на ПС с трансформаторами одинаковой мощности.
При реализации способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения известные методы прогнозирования нагрузки [например, Абдурахманов А.М., Володин М.В., Зыбин Е.Ю., Рябченко В.Н. Методы прогнозирования электропотребления в распределительных сетях (обзор)//, Электротехника: сетевой электронный научный журнал. 2016, Том 3, №1, С.3-23.] либо не применимы, либо излишне громоздки, поскольку необходимо прогнозировать лишь только тренд графика нагрузки – будет ли он возрастать в ближайшие часы или, наоборот, снижаться. Вместе с тем точность прогноза должна быть весьма велика на весь срок прогнозирования (от нескольких часов до десятков часов при выраженных суточных неравномерностях графика нагрузки ПС).
Метод прогнозирования должен также автоматически адаптировать правило принятия решения при качественном изменении структуры графика нагрузки, например изменении количества смен, режима работы производства, потребителей.
Целесообразно применение методов прогнозирования тренда графика нагрузки, основанных на критериях принятия решения статистической теории обнаружения [например, Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции, Т.1. Теория обнаружения, оценок и линейной модуляции. Пер. с англ., под ред. проф. В. И. Тихонова, М., «Советское радио», 1972, 744 с.].
При этом в способе снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения в любой произвольный момент наблюдения t за режимом присоединения принимаются лишь две гипотезы оценки тренда графика нагрузки:
– гипотеза H1 – событие принадлежности текущего режима к восходящему тренду в течение ближайшего заданного промежутка времени τ, а значит, график нагрузки будет повышаться в течение интервала времени τ (фиг. 1а),
– гипотеза H0 – событие принадлежности текущего режима к нисходящему тренду в течение ближайшего заданного промежутка времени τ, а значит, график нагрузки будет понижаться в течение τ (фиг. 1б).
Теоретически гипотезы должны представлять собой полную группу событий, сумма вероятностей которых равна 1. В принятых гипотезах H1, H0 это правило не соблюдается, т.к. график нагрузки может ни повышаться, ни понижаться. Однако на практике иногда допустим выбор принятых гипотез, образующих неполную группу событий, поскольку теоретически правильная совокупность гипотез в рассматриваемом случае будет ухудшать эффективность принятия решения.
В общем случае каждый параметр наблюдения ϕi (например, полная мощность фиг. 1) является случайной величиной. Величина параметра наблюдения ϕi(t) в любой момент времени t зависит от множества случайностей: режима электросети, поля температур, влажности, состояния изоляции, погрешностей измерительного тракта, помех т.д.
Предположим, что мы знаем, в какие моменты времени t существует нисходящий тренд графика нагрузки (справедлива гипотеза H0), а в какие моменты времени t – восходящий тренд графика нагрузки (справедлива гипотеза H1). Тогда мы можем отсортировать все наблюдения ϕi и отнести их либо к множеству нисходящего тренда, либо к множеству восходящего тренда. Представив эти множества в виде функций плотностей вероятности, мы получим: функцию плотности pH0(ϕi|H0), что это наблюдение ϕi соответствует гипотезе H0, и функцию плотности pH1(ϕi|H1), что это наблюдение ϕi соответствует гипотезе H1 (например, фиг. 2). Площадь под каждой функцией равна единице.
Предположим, что эти функции плотностей вероятности нам известны на всем интервале наблюдения ϕi(t). Если эти функции не пересекаются (фиг. 3), то мы можем реализовать устройство с идеальным распознаванием тренда графика нагрузки трансформаторов. Действительно, ведь в этом случае любое текущее наблюдение ϕi будет принадлежать (фиг.3):
- либо области с pH0(ϕi|H0) = 0 и pH1(ϕi|H1) ≠ 0, а это значит, что тренд, однозначно восходящий в течение ближайшего заданного промежутка времени τ;
- либо области pH0(ϕi|H0) ≠ 0 и pH1(ϕi|H1) = 0, что тренд однозначно нисходящий;
- либо pH0(Φ|H0) = 0 и pH1(Φ|H1) = 0, что тренд не определен (требуется продолжение наблюдений).
Вычисление уставок в идеальном случае (фиг.3) осуществляется достаточно просто. В качестве уставочных значений выступают граничные значения параметров, соответствующие областям pH0(ϕi|H0) и pH1(ϕi|H1).
При пересечении функций плотностей вероятностей требуется:
- либо принятие компромиссного решения с помощью одного из критериев принятия решений [например, Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции, Т.1. Теория обнаружения, оценок и линейной модуляции. Пер. с англ., под ред. проф. В. И. Тихонова, М., «Советское радио», 1972, 744 с.] и расчет, соответствующих критерию принятия решений, уставок срабатывания;
- либо выбор иных параметров наблюдения ϕi для достижения идеального распознавания.
Таким образом, для эффективной реализации способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения и повышения его надежности целесообразно отслеживание тренда графика нагрузки ПС с применением статистического подхода.
Задача изобретения – разработка способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения, имеющего применение на подстанциях с трансформаторами как равной, так и различной мощности, а также повышение его надежности путем сокращения числа переключений на выходах и входах каждого из трансформаторов.
Поставленная задача реализуется способом снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения, заключающимся в изменении режимов работы трансформаторов на подстанции посредством управления моментом включения их на нагрузку, содержащей два трансформатора, подключенные через силовые выключатели с приводами к сети высокого напряжения и к нагрузке, датчик мощности, включенный в силовую трехфазную сеть на стороне высокого напряжения трансформаторов, а также силовой выключатель с приводом, в замкнутом состоянии подключающий всю нагрузку к одному из двух трансформаторов, а в разомкнутом состоянии позволяющий каждому трансформатору подстанции работать на свою нагрузку, в процессе изменения режимов работы трансформаторов управление моментом включения трансформаторов на нагрузку осуществляется контроллером, на который поступают сигналы тока с датчика мощности, пропорциональные мощности нагрузки, и сигналы тока с датчиков положения контактов силовых выключателей с приводами, и который формирует величины временных регулируемых задержек на срабатывание приводов силовых выключателей трансформаторов в зависимости от величины мощности нагрузки и положения контактов выключателей, исходя из условия минимизации потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения. Согласно предложения перед реализацией способа определяют возможные режимы функционирования системы промышленного электроснабжения, причем для выбранной подстанции применительно к каждому режиму определяют усредненный график нагрузки, для каждого из режимов на основе усредненных графиков нагрузки формируют уставочные значения для реализации процедуры анализа графика нагрузки на соответствие восходящему или нисходящему тренду графика нагрузки, сравнивают значения объемов потребленной электроэнергии, полученные по результатам измерений текущих значений мощности в различных временных интервалах, с уставочными значениями, а по результатам сравнения определяют необходимость выполнения переключений для обеспечения минимизации потерь электрической энергии, процедуру анализа графика нагрузки реализуют в контроллере, выполненном в виде промышленного компьютера, перед началом реализации способа через управляющий вход контроллера загружают информацию об уставочных значениях для каждого из режимов, а при реализации способа на управляющий вход контроллера подают сигналы, характеризующие текущий режим системы промышленного электроснабжения.
На фиг. 1 приведены примеры трендов графика нагрузки: а) восходящий, б) нисходящий.
На фиг. 2 приведен пример функций плотности распределения одного параметра наблюдения ϕi для разных гипотез.
Фиг. 3 иллюстрирует пример однозначного определения гипотез (идеальное распознавание тренда графика нагрузки для реализации процедуры отключения трансформаторов).
На фиг. 4 представлена функциональная схема устройства, реализующего способ снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения.
На фиг. 5 приведен пример усредненного односменного графика нагрузки.
Фиг. 6 иллюстрирует вариант полного распознавания тренда односменного графика нагрузки при τϕ1 = 10 часов, τϕ2 = 1,5 часа: а) функция нисходящего тренда pH0(Φ|H0), б) функция восходящего тренда pH1(Φ|H1), в) наложение функций в одной плоскости.
Фиг. 7 иллюстрирует вариант неполного распознавания тренда односменного графика нагрузки при τϕ1 = 3 часа, τϕ2 = 1,5 часа: а) функция нисходящего тренда pH0(Φ|H0),
б) функция восходящего тренда pH1(Φ|H1), в) наложение функций в одной плоскости.
На фиг. 8 изображены реальные графики нагрузки и пример усредненного трехсменного графика нагрузки.
Фиг. 9 иллюстрирует вариант полного распознавания тренда трехсменного графика нагрузки при τϕ3 = 5 часов, τϕ4 = 1,5 часа: а) функция нисходящего тренда pH0(Φ|H0), б) функция восходящего тренда pH1(Φ|H1), в) наложение функций в одной плоскости (черной штриховкой указана зона пересечения, вероятность ошибки распознавания 0,004).
На фиг. 10 приведен пример суточного графика нагрузки подстанции.
Фиг. 11 иллюстрирует график активных потерь в трансформаторной группе подстанции при различных сочетаниях двух работающих трансформаторов.
Устройство для реализации способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения иллюстрируется схемой (фиг. 4), где номерами обозначены следующие позиции: 1 и 2 - трансформаторы, 3, 4, 5, 8, 9 - силовые выключатели с приводами и датчиками положения контактов силовых выключателей, 6 - датчик мощности, 7 – контроллер, выполненный в виде промышленного компьютера.
Компоненты устройства (фиг. 4) соединены следующим образом.
Силовой выключатель 4 подключает трансформатор 2 к сети высокого напряжения ПС, датчик положения контактов силового выключателя 4 подключен ко входу контроллера 7, а выход контроллера 7 соединен с управляющим входом силового выключателя 4. Силовой выключатель 8 подключает трансформатор 1 к сети высокого напряжения ПС, датчик положения контактов силового выключателя 8 подключен ко входу контроллера 7, а выход контроллера 7 соединен с управляющим входом силового выключателя 8. Силовой выключатель 9 подключает нагрузку к трансформатору 1, датчик положения контактов силового выключателя 9 подключен ко входу контроллера 7, а выход контроллера 7 соединен с управляющим входом силового выключателя 9. Силовой выключатель 5 подключает нагрузку к трансформатору 2, датчик положения контактов силового выключателя 5 подключен ко входу контроллера 7, а выход контроллера 7 соединен с управляющим входом силового выключателя 5. Силовой выключатель 3 в замкнутом состоянии подключает всю нагрузку к одному из двух трансформаторов, в разомкнутом состоянии - позволяет каждому трансформатору подстанции работать на свою нагрузку. Датчик положения контактов силового выключателя 3 подключен к входу контроллера 7, а выход контроллера 7 соединен с управляющим входом силового выключателя 3. Датчик мощности 6 включен в силовую трехфазную сеть на стороне высокого напряжения трансформаторов ПС, а его выход подключен ко входу контроллера 7. Контроллер 7 имеет управляющий и информационный входы, которые являются соответствующими входами устройства.
Способ снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения реализуется следующим образом.
Проиллюстрируем функционирование способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения с учетом статистического распознавания тренда графика нагрузки на примерах.
Пусть ПС имеет график нагрузки с периодичностью сутки, и заданы статистические данные по нагрузке за 50 прошедших суток. Усредненные значения (математические ожидания) получасовых мощностей нагрузки суточного графика показаны на фиг. 5. Предельное отклонение от математического ожидания нагрузки в каждый момент времени составляет 20% с равномерным законом распределения.
В каждый момент времени будем наблюдать за двумя параметрами Φ = {ϕ1, ϕ2}:
- ϕ1 - объемом потребления активной электроэнергии за предыдущие 10 часов (τϕ1 = 10 часов),
- ϕ2 - объемом потребления активной электроэнергии за предыдущие 1,5 часа (τϕ2 = 1,5 часа).
Эти параметры выбраны произвольно и могут корректироваться для улучшения распознавания тренда. Расчет электроэнергии производится по профилю мощности, измеряемой датчиком мощности 6 устройства (фиг. 4). Прогнозирование тренда графика нагрузки будем производить на 3 часа вперед (τ = 3 часа).
Произведем анализ графика нагрузки за 50 прошедших суток для получения функций pH0(Φ|H0) и pH1(Φ|H1) – по сути это будет являться обучением алгоритма прогнозирования. Для этого каждое наблюдение будем относить либо к гипотезе H0, либо к H1.
Примем, что наблюдение Φ относится к гипотезе H0 (нисходящий тренд), если:
- ни одна точка графика нагрузки в течение времени τ после момента наблюдения не превысит 120% активной мощности нагрузки в момент наблюдения;
- и средняя мощность нагрузки до момента наблюдения (полученная из ϕ1) больше, чем 120% средней мощности нагрузки после момента наблюдения в течение промежутка времени τ.
Примем, что наблюдение Φ относится к гипотезе H1 (восходящий тренд), если:
- ни одна точка графика нагрузки в течение времени τ после момента наблюдения не будет ниже 80% активной мощности нагрузки в момент наблюдения;
- и 120% средней мощности нагрузки до момента наблюдения (полученная из ϕ1) меньше, чем средняя мощность нагрузки после момента наблюдения в течение промежутка времени τ.
Вид полученных функций pH0(Φ|H0) и pH1(Φ|H1) показан на фиг. 6. На фиг. 6.в видно, что функция плотности вероятности нисходящего тренда pH0(Φ|H0) и функция плотности вероятности восходящего тренда pH1(Φ|H1) не пересекаются друг с другом. Тем самым достигнуто однозначное определение гипотез – если график нагрузки ПС не изменит своих случайных параметров, то устройство для реализации способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения будет однозначно распознавать тренд графика нагрузки в любой момент времени с помощью сформированного правила принятия решений.
Рассмотрим пример неполного распознавания тренда графика нагрузки. Для этого в том же примере уменьшим τϕ1 с 10 часов до 3 часов. Вид полученных функций pH0(Φ|H0) и pH1(Φ|H1) показан на фиг. 7.
Из анализа фиг. 7.в видно, что функция плотности вероятности нисходящего тренда pH0(Φ|H0) и функция плотности вероятности восходящего тренда pH1(Φ|H1) сильно пересекаются друг с другом. Область пересечения является областью потенциальной ошибки распознавания тренда графика нагрузки: максимальная вероятность ошибки распознавания нисходящего тренда равна 0,14, максимальная вероятность ошибки распознавания восходящего тренда – 0,294.
Указанный эффект связан с тем, что интервал интегрирования τϕ1 сокращен до 3 часов. Поскольку длительность пиков графика нагрузки составляет около 5 часов (фиг. 5), по 3-х часовой активной энергии невозможно безошибочно определить тренд этого графика нагрузки. Необходимо увеличивать τϕ1 свыше 5 часов.
Рассмотрим еще один график нагрузки для трехсменного предприятия (фиг. 8). В каждый момент времени будем наблюдать также за двумя параметрами Φ = {ϕ1, ϕ2}:
- ϕ1 - объемом потребления активной электроэнергии за предыдущие 5 часов (τϕ1 = 5 часов),
- ϕ2 - объемом потребления активной электроэнергии за предыдущие 1,5 часа (τϕ2 = 1,5 часа).
Прогнозирование тренда графика нагрузки будем производить на 3 часа вперед (τ = 3 часа). Вид полученных функций pH0(Φ|H0) и pH1(Φ|H1) показан на фиг. 9. Анализ фиг. 9 показывает, что функция плотности вероятности нисходящего тренда pH0(Φ|H0) и функция плотности вероятности восходящего тренда pH1(Φ|H1) почти не пересекаются друг с другом: максимальная вероятность ошибки распознавания тренда составляет 0,004.
Отметим, что ошибки распознавания тренда графика нагрузки не приводят к аварийной ситуации, а лишь влияют на показатели эффективности способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения. С практической точки зрения, ошибки возникают в смежных режимах, когда выбор того или иного режима для снижения потерь электроэнергии практически равнозначен, а малая величина таких ошибок свидетельствует о высокой эффективности предлагаемого способа.
Возможные варианты дальнейшего повышения эффективности способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения могут достигаться двумя методами одновременно:
- обновлением статистических данных по актуальному графику нагрузки и последующему обновлению функций pH0(Φ|H0) и pH1(Φ|H1);
- подстройкой параметров наблюдения Φ для однозначного определения гипотез и получения идеально распознающей тренд графика нагрузки автоматики отключения трансформаторов для каждого из режимов системы промышленного электроснабжения.
Следует отметить, что уставками для реализации процедуры анализа графика нагрузки являются граничные значения областей для функций pH0(Φ|H0) и pH1(Φ|H1) (например, фиг. 6, 7, 9), а сама процедура анализа нагрузки ПС на соответствие восходящему или нисходящему тренду графика нагрузки, реализуется на основе измерения объемов потребленной электроэнергии в различных временных интервалах (ϕ1, ϕ2). Расчет объемов потребленной электроэнергии в различных временных интервалах осуществляется контроллером 7 по текущим измерениям мощности, производимых датчиком мощности 6.
Для обеспечения эффективной реализации способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения осуществляется предварительный анализ всех возможных режимов функционирования системы промышленного электроснабжения, целями которого являются:
- определение режимов функционирования системы промышленного электроснабжения, с учетом особенностей подключенных потребителей, а также возможностей проведения работ по ремонтно-эксплуатационному обслуживанию;
- выбор параметров (объемов потребленной электроэнергии в различных временных интервалах) для обеспечения максимальной распознающей способности процедуры анализа тренда графика нагрузки ПС для каждого из возможных режимов;
- формирование усредненных графиков нагрузки ПС для каждого из возможных режимов;
- на основе усредненных графиков определение уставочных значений для реализации процедуры анализа нагрузки ПС на соответствие восходящему или нисходящему тренду графика нагрузки.
По результатам предварительного анализа формируется база данных уставочных значений для реализации способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения устройством (фиг. 4) во всех возможных режимах функционирования ПС. Уставочные значения для реализации процедуры анализа нагрузки ПС на соответствие восходящему или нисходящему тренду вносятся через информационный вход в память контроллера 7 устройства (фиг. 4).
При реализации способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения на управляющий вход контроллера 7 устройства (фиг. 4) поступает информация о текущем режиме, выраженная, например, в виде номера режима. Такая информация может поступать, например, из SCADA-системы или из систем диспетчерско-технологического управления системы промышленного электроснабжения (оперативно-информационного комплекса – ОИК). Номер режима определяет уставочные значения, обеспечивающие функционирование устройства (фиг. 4) в текущем режиме, а программное обеспечение контроллера 7 обеспечивает реализацию автоматических переключений, исходя из тренда (восходящий или нисходящий) графика нагрузки.
Управление выключателями при реализации предлагаемого способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения на ПС с равными мощностями трансформаторов осуществляется значительно проще, чем в ситуации, когда на ПС установлены трансформаторы разной мощности. В частности, возможности параллельной работы трансформаторов равной мощности (одинаковых) не ограничены по времени, существенно меньше уравнительные токи при включении на параллельную работу и др. С другой стороны, выбор первого или второго трансформатора на ПС в режиме наименьшей потребляемой мощности не имеет принципиального значения, а при недостаточности мощности одного трансформатора (его существенной и длительной перегрузке) должен дополнительно включаться второй трансформатор.
Поэтому, более подробно рассмотрим принципы управления выключателями на ПС с трансформаторами разной мощности. В таком случае управление переключением в устройстве (фиг.4) производится аналогично способу-прототипу и требует следующей последовательности переключения силовых выключателей (считаем, что в текущий момент времени к нагрузке подключен трансформатор меньшей мощности Т1, выключатель 3 замкнут):
- если мощность нагрузки ПС близка к мощности нагрузки, при которой коэффициенты полезного действия обоих трансформаторов равны, а по результатам анализа в контроллере 7 определяется восходящий тренд графика нагрузки, то вначале замыкается силовой выключатель 4, затем силовой выключатель 5, а по истечении выдержки времени размыкается силовой выключатель 9, а потом силовой выключатель 8;
- если мощность нагрузки близка к мощности, при которой коэффициент полезного действия большего трансформатора равен коэффициенту полезного действия трансформаторной подстанции с двумя включенными трансформаторами , работающими каждый на свою нагрузку, и по результатам анализа в контроллере 7 определяется восходящий тренд графика нагрузки, то вначале замыкается силовой выключатель 8, а затем замыкается силовой выключатель 9 и после выдержки времени размыкается силовой выключатель 3;
- если мощность нагрузки больше или близка к мощности, при которой коэффициент полезного действия большего трансформатора равен коэффициенту полезного действия трансформаторной подстанции с двумя включенными трансформаторами , работающими каждый на свою нагрузку, и по результатам анализа в контроллере 7 определяется нисходящий тренд графика нагрузки, то вначале замыкается выключатель 3 и после выдержки времени размыкается выключатель 9, а затем размыкается выключатель 8;
- если мощность нагрузки больше или близка к мощности нагрузки, при которой коэффициенты полезного действия трансформаторов равны и по результатам анализа в контроллере 7 определяется нисходящий тренд графика нагрузки, то вначале замыкается силовой выключатель 8, затем силовой выключатель 9, а по истечении выдержки времени размыкается силовой выключатель 5, а потом силовой выключатель 4;
Анализ вышеприведенной последовательности управления переключением трансформаторов показывает, что недетерминированность времени срабатывания силовых выключателей может привести к появлению конфликтных ситуаций в системе энергопотребления. Допустим, мощность нагрузки близка к мощности, при которой коэффициенты полезного действия трансформаторов равны, и по результатам анализа в контроллере 7 определяется восходящий тренд графика нагрузки. В этом случае силовой выключатель 9 должен разомкнуться с выдержкой времени после замыкания силового выключателя 5. В результате трансформаторы включаются на параллельную работу и в схеме возникают уравнительные токи.
Для того чтобы минимизировать время параллельной работы трансформаторов, необходимо обеспечить одновременное срабатывание силовых выключателей. Форсировать процесс замыкания силового выключателя 5 не представляется возможным, так как оно обусловлено конструкцией силового выключателя, поэтому для уменьшения временного рассогласования между замыканием силового выключателя 5 и размыканием силового выключателя 9 необходимо задержать процесс выключения силового выключателя 9 на требуемую величину.
Таким образом, с целью уменьшения времени параллельной работы трансформаторов при управлении режимами подключения трансформаторов должно осуществляться формирование регулируемых временных задержек на срабатывание силовых выключателей. Ситуации, при которых возможна параллельная работа трансформаторов, определяются в основном состоянием силовых выключателей 3, 5, 9, поэтому для исключения данной ситуации достаточно формировать временные задержки на срабатывание этих силовых выключателей.
Задача управления режимами переключения трансформаторов в соответствии с предлагаемым способом снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения осуществляется с использованием котроллера 7.
В качестве входных для функционирования контроллера 7 используются сигналы о положении контактов силовых выключателей 3, 5, 9; сигналы о включении или выключении контактов силовых выключателей 4 и 8; сигнал, пропорциональный величине суммарной мощности нагрузки ПС; сигнал, характеризующий текущий режим системы промышленного электроснабжения; уставочные значения для реализации процедуры анализа графика нагрузки на соответствие восходящему или нисходящему тренду графика нагрузки.
В качестве выходных для функционирования контроллера 7 используются сигналы о направлении переключения силовых выключателей 3, 4, 5, 8, 9 (включить, отключить) и величины временных задержек на переключение силовых выключателей 3, 5, 9.
Анализ технической реализации способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения (фиг. 4) показывает, что процедура распознавания тренда графика нагрузки применима на подстанциях с трансформаторами как равной, так и различной мощности и отличается лишь выбором уставочных значений для конкретного режима в контроллере 7 устройства (фиг. 4).
Для обоснования экономических преимуществ предлагаемого способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения произведем экономический расчет двух вариантов:
- без отключения недогруженных трансформаторов ПС, т.е. оба трансформатора все время находятся в работе и устройство (фиг. 4), производящее отключения трансформаторов не действует;
- с прогнозированием тренда графика нагрузки и отключением недогруженных трансформаторов, т.е. устройство (фиг.4), производящее отключения трансформаторов действует.
Для схемы ПС (фиг. 4) приняты следующие параметры трансформаторов:
- Т1: ТДН-10000/110-У1, ΔPx=0,0162 Мвт, ΔPк=0,065 Мвт;
- Т2: ТДН-16000/110-У1, ΔPx=0,021 Мвт, ΔPк=0,09087 Мвт.
Суточный график нагрузки ПС показан на фиг. 10. По нему рассчитаны потери активной мощности для каждого трансформатора ПС в отдельности и для двух трансформаторов вместе (фиг. 11), при условии, что нагрузка распределена поровну между секциями шин.
Из графика (фиг. 11) видно, что минимизация активных потерь мощности в трансформаторной группе ПС будет достигнута при: отключении трансформатора №2 в период с 1 до 8 часов, переключении на трансформатор №2 в период с 8 до 17 часов, включении обоих трансформаторов в период с 17 до 24 часов.
В случае реализации способа-прототипа и отказа от прогнозирования тренда графика нагрузки, возникло бы два дополнительных переключения выключателей. Это связано с тем, что в период с 6 до 7 часов (фиг. 10) способ-прототип зафиксировал бы снижение графика нагрузки и реализовал бы переключения. В предлагаемом способе кратковременное и небольшое по значению снижение мощности в графике нагрузки не будет относится к нисходящему тренду графика нагрузки, и отключения производится не будут. Таким образом, снижение числа коммутаций с предлагаемом способе приведет к экономии коммутационного ресурса выключателей и повышению уровня надежности схемы (фиг. 4).
В таблице 1 приведена ежегодная экономия при осуществлении требуемых переключений при реализации способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения, по сравнению с постоянной работой двух трансформаторов.
Таблица 1. Экономия от реализации переключений трансформаторов на ПС
Таким образом, совокупность предложенных технических решений позволяет обеспечить решение задачи изобретения – разработку способа снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения, имеющего применение на подстанциях с трансформаторами как равной, так и различной мощности, а также повышение его надежности путем сокращения числа переключений на выходах и входах каждого из трансформаторов. Высокая эффективность способа достигается за счет введения процедуры прогнозирования тренда графика нагрузки и выбора соответствующих уставочных значений для каждого из режимов функционирования системы промышленного электроснабжения.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к электроснабжению промышленных предприятий, и может быть использовано в силовых понижающих трансформаторных подстанциях, состоящих из двух трансформаторов. Технический результат – снижение потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения, а также повышение его надежности путем сокращения числа переключений на выходах и входах каждого из трансформаторов. Технический результат достигается за счет того, что предварительно определяют возможные режимы функционирования системы промышленного электроснабжения, причем для выбранной подстанции применительно к каждому режиму формируют уставочные значения. Через управляющий вход контроллера загружают информацию об уставочных значениях для каждого из режимов, а при реализации способа на управляющий вход контроллера подают сигналы, характеризующие текущий режим системы промышленного электроснабжения. 11 ил., 1 табл.
Способ снижения потерь электроэнергии в системе промышленного электроснабжения, заключающийся в изменении режимов работы трансформаторов на подстанции посредством управления моментом включения их на нагрузку, содержащей два трансформатора, подключенные через силовые выключатели с приводами к сети высокого напряжения и к нагрузке, датчик мощности, включенный в силовую трехфазную сеть на стороне высокого напряжения трансформаторов, а также силовой выключатель с приводом, в замкнутом состоянии подключающий всю нагрузку к одному из двух трансформаторов, а в разомкнутом состоянии позволяющий каждому трансформатору подстанции работать на свою нагрузку, в процессе изменения режимов работы трансформаторов управление моментом включения трансформаторов на нагрузку осуществляется контроллером, на который поступают сигналы тока с датчика мощности, пропорциональные мощности нагрузки, и сигналы тока с датчиков положения контактов силовых выключателей с приводами и который формирует величины временных регулируемых задержек на срабатывание приводов силовых выключателей трансформаторов в зависимости от величины мощности нагрузки и положения контактов выключателей исходя из условия минимизации потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения, отличающийся тем, что перед реализацией способа определяют возможные режимы функционирования системы промышленного электроснабжения, причем для выбранной подстанции применительно к каждому режиму определяют усредненный график нагрузки, для каждого из режимов на основе усредненных графиков нагрузки формируют уставочные значения для реализации процедуры анализа графика нагрузки на соответствие восходящему или нисходящему тренду графика нагрузки, сравнивают значения объемов потребленной электроэнергии, полученные по результатам измерений текущих значений мощности в различных временных интервалах, с уставочными значениями, а по результатам сравнения определяют необходимость выполнения переключений для обеспечения минимизации потерь электрической энергии, процедуру анализа графика нагрузки реализуют в контроллере, выполненном в виде промышленного компьютера, перед началом реализации способа через управляющий вход контроллера загружают информацию об уставочных значениях для каждого из режимов, а при реализации способа на управляющий вход контроллера подают сигналы, характеризующие текущий режим системы промышленного электроснабжения.
| СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СЕТЯХ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2002 |
|
RU2224344C2 |
| Способ и устройство снижения потерь электроэнергии | 2015 |
|
RU2609890C2 |
| СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕТЯХ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ | 2000 |
|
RU2179776C2 |
| US 5696695 A1, 09.12.1997 | |||
| WO 1992004757 A1, 19.03.1992. | |||
