В статье рассматривается созданный алгоритм, который может быть использован для разработки программы для расчета потерь мощности с учетом несинусоидальности напряжения. Для разработки программы были использованы реальные данные полученные с помощью анализатора сети в городских сетях.
Ключевые слова: матрица инциденций, потери мощности, высшие гармоники
В настоящее время в электроэнергетике актуальными являются исследования цель которых состоит в расчете и анализе потерь мощности и энергии в электрических сетях с учетом высших гармоник [1, 2]. Поэтому целью данной статьи было создание алгоритма, который позволил бы создать программу для расчета потерь мощности на основе данных получаемых с анализаторов качества электрической сети.
При разработке программы были использованы данные с 6 трансформаторных подстанций (ТП), подключенных к одному фидеру. Программа направлена на определение мощности, рассеиваемой в линиях электропередач, при протекании по ним дополнительных токов высших гармоник. Были получены данные по потребляемым мощностям в течение суток, каждой подстанцией. Данные были проанализированы и аппроксимированы для каждого часа. Суточный график нагрузки каждой подстанции приведены на рис. 1–6.
Рис. 1. Мощность, потребляемая ТП 1
|
Рис. 2. Мощность, потребляемая ТП 2 |
|
Рис. 3. Мощность, потребляемая ТП 3 |
|
Рис. 4. Мощность, потребляемая ТП 4 |
|
Рис. 5. Мощность, потребляемая ТП 5 |
|
Рис. 6. Мощность, потребляемая ТП 6 |
Коэффициенты несинусоидальности напряжения на этих подстанциях находятся в допустимых по [3] пределах. Суммарный коэффициент несинусоидальности напряжения представлен на рис. 7.
|
Рис. 7. Суммарный коэффициент несинусоидальности напряжения трансформаторных подстанций |
Также были получены данные по коэффициентам высших гармоник тока. Спектры гармонических токов (коэффициентов n-ой гармонической составляющей тока ) приведены на рис. 8–13.
|
Рис. 8. Спектр гармонических токов ТП 1 |
|
Рис. 9. Спектр гармонических токов ТП 2 |
|
Рис. 10. Спектр гармонических токов ТП 3 |
|
Рис. 11. Спектр гармонических токов ТП 4 |
|
Рис. 12. Спектр гармонических токов ТП 5 |
|
Рис. 13. Спектр гармонических токов ТП 6 |
Электрическая сеть, на которой была апробирована программа представлена на рис. 14.
|
Рис. 14. Схема электрической сети |
За базисный узел принята шина понижающей подстанции 35/6 кВ, с учётом, что напряжение на её шинах неизменно.
При разработке программы требуется составить блок-схему алгоритма, по которому будет составлена программа. Блок-схема алгоритма программы расчета потерь мощности с учетом несинусоидальности напряжения представлена на рис. 16.
Для составления программы требуется ввести данные о конфигурации электрической сети, чтобы программа могла обрабатывать эту информацию. Данные описывающие конфигурацию сети представлены ниже, выдержкой из программы Mathcad.
|
Рис. 15. Параметры рассматриваемой электрической сети |
В данной таблице строки соответствуют линиям электропередач, связывающих трансформаторные подстанции. В первом столбце таблицы указываются длины линий. Во втором столбце указываются количество параллельно идущих линий (цепей ЛЭП). В третьем и четвертом столбце указываются удельное активное и реактивное сопротивление проводов данной линии. Пятый и шестой столбец показывают какие узлы (трансформаторные подстанции) соединяет соответствующая линия. Столбец 5 соответствует началу ЛЭП, столбец 6 концу ЛЭП.
Нагрузки данных трансформаторных подстанций заданы в виде токов. Токи гармоник представлены частью канонического ряда (n=3, 5, 7, 11, 13). Так как вес гармоник более высокого порядка минимален по отношению к представленным, токи данных гармоник не учитываются. Высшие гармоники тока обычно представляются в виде источников тока, то они будут записаны со знаком «+». Токи, которые потребляет нагрузка представлены со знаком «-». Нагрузочные токи и токи высших гармоник представлены в таблице 1.
|
Рис. 16. Блок-схема алгоритма программы расчета потерь мощности при несинусоидальном напряжении |
Таблица 1
Токи основной ивысших гармоник
|
гармоника час |
1 |
3 |
5 |
7 |
11 |
13 |
ТП 1 |
1 |
-24.824 |
1.933 |
1.248 |
0.42 |
0.302 |
0.238 |
2 |
-19.95 |
1.58 |
1.08 |
0.321 |
0.289 |
0.224 |
|
3 |
-17.265 |
1.272 |
0.93 |
0.278 |
0.236 |
0.197 |
|
4 |
-15.669 |
1.074 |
0.907 |
0.274 |
0.197 |
0.166 |
|
5 |
-14.614 |
0.988 |
0.868 |
0.299 |
0.184 |
0.143 |
|
6 |
-14.638 |
0.911 |
0.804 |
0.265 |
0.171 |
0.141 |
|
7 |
-16.713 |
0.979 |
0.818 |
0.255 |
0.175 |
0.147 |
|
8 |
-22.856 |
1.142 |
0.848 |
0.264 |
0.167 |
0.173 |
|
9 |
-26.876 |
1.459 |
0.927 |
0.242 |
0.17 |
0.216 |
|
10 |
-24.604 |
1.362 |
0.874 |
0.141 |
0.142 |
0.191 |
|
11 |
-22.029 |
1.452 |
0.896 |
0.18 |
0.183 |
0.207 |
|
12 |
-24.196 |
1.594 |
0.843 |
0.132 |
0.191 |
0.204 |
|
13 |
-25.016 |
1.567 |
0.854 |
0.209 |
0.171 |
0.21 |
|
14 |
-26.495 |
1.758 |
0.953 |
0.233 |
0.197 |
0.241 |
|
15 |
-25.797 |
1.682 |
1.081 |
0.251 |
0.209 |
0.254 |
|
16 |
-26.087 |
1.722 |
1.103 |
0.21 |
0.22 |
0.276 |
|
17 |
-29.225 |
1.862 |
1.072 |
0.272 |
0.195 |
0.278 |
|
18 |
-34.753 |
1.817 |
0.903 |
0.275 |
0.161 |
0.279 |
|
19 |
-38.237 |
1.872 |
1.031 |
0.294 |
0.182 |
0.278 |
|
20 |
-42.956 |
1.979 |
1.132 |
0.368 |
0.203 |
0.281 |
|
21 |
-44.681 |
2.077 |
1.32 |
0.47 |
0.197 |
0.258 |
|
22 |
-41.717 |
2.105 |
1.449 |
0.582 |
0.244 |
0.26 |
|
23 |
-39.356 |
2.699 |
1.681 |
0.598 |
0.294 |
0.262 |
|
24 |
-33.253 |
2.548 |
1.581 |
0.583 |
0.283 |
0.274 |
|
ТП 2 |
1 |
-6.953 |
0.064 |
0.255 |
0.051 |
0.014 |
0.023 |
2 |
-6.723 |
0.049 |
0.247 |
0.045 |
0.013 |
0.02 |
|
3 |
-6.457 |
0.044 |
0.239 |
0.045 |
0.014 |
0.018 |
|
4 |
-7.532 |
0.05 |
0.275 |
0.045 |
0.014 |
0.02 |
|
5 |
-6.331 |
0.053 |
0.242 |
0.043 |
0.016 |
0.021 |
|
6 |
-6.875 |
0.042 |
0.244 |
0.037 |
0.011 |
0.016 |
|
7 |
-6.354 |
0.088 |
0.225 |
0.067 |
0.031 |
0.034 |
|
8 |
-7.437 |
0.073 |
0.27 |
0.045 |
0.017 |
0.019 |
|
9 |
-4.395 |
0.041 |
0.15 |
0.031 |
0.01 |
0.013 |
|
10 |
-4.561 |
0.034 |
0.154 |
0.028 |
0.00674 |
0.00734 |
|
11 |
-4.086 |
0.049 |
0.137 |
0.037 |
0.00928 |
0.013 |
|
12 |
-4.358 |
0.034 |
0.155 |
0.03 |
0.011 |
0.011 |
|
13 |
-4.083 |
0.036 |
0.147 |
0.031 |
0.0085 |
0.00668 |
|
14 |
-4.475 |
0.034 |
0.164 |
0.031 |
0.00732 |
0.00612 |
|
15 |
-8.967 |
0.075 |
0.334 |
0.066 |
0.01 |
0.012 |
|
16 |
-4.356 |
0.057 |
0.153 |
0.053 |
0.015 |
0.012 |
|
17 |
-5.983 |
0.075 |
0.219 |
0.049 |
0.011 |
0.013 |
|
18 |
-4.677 |
0.111 |
0.158 |
0.092 |
0.026 |
0.031 |
|
19 |
-3.398 |
0.066 |
0.121 |
0.041 |
0.011 |
0.014 |
|
20 |
-6.975 |
0.099 |
0.223 |
0.066 |
0.017 |
0.02 |
|
21 |
-2.418 |
0.078 |
0.069 |
0.057 |
0.015 |
0.019 |
|
22 |
-7.47 |
0.093 |
0.26 |
0.046 |
0.0057 |
0.015 |
|
23 |
-6.901 |
0.098 |
0.254 |
0.055 |
0.013 |
0.024 |
|
24 |
-6.62 |
0.07 |
0.242 |
0.043 |
0.011 |
0.022 |
|
ТП 3 |
1 |
-11.03 |
0.828 |
1.089 |
0.385 |
0.185 |
0.212 |
2 |
-8.757 |
0.748 |
0.896 |
0.325 |
0.149 |
0.173 |
|
3 |
-7.489 |
0.507 |
0.726 |
0.266 |
0.119 |
0.141 |
|
4 |
-7.42 |
0.398 |
0.639 |
0.235 |
0.108 |
0.116 |
|
5 |
-6.922 |
0.369 |
0.626 |
0.247 |
0.106 |
0.105 |
|
6 |
-6.703 |
0.332 |
0.565 |
0.215 |
0.099 |
0.091 |
|
7 |
-7.14 |
0.371 |
0.55 |
0.208 |
0.088 |
0.091 |
|
8 |
-8.953 |
0.454 |
0.543 |
0.19 |
0.083 |
0.108 |
|
9 |
-11.63 |
0.473 |
0.584 |
0.244 |
0.064 |
0.154 |
|
10 |
-10.46 |
0.517 |
0.713 |
0.249 |
0.079 |
0.156 |
|
11 |
-11.73 |
0.589 |
1 |
0.334 |
0.126 |
0.151 |
|
12 |
-12.12 |
0.735 |
1.264 |
0.447 |
0.161 |
0.214 |
|
13 |
-12.44 |
0.903 |
1.409 |
0.495 |
0.212 |
0.24 |
|
14 |
-12.65 |
0.859 |
1.307 |
0.453 |
0.184 |
0.212 |
|
15 |
-11.78 |
0.927 |
1.337 |
0.413 |
0.199 |
0.241 |
|
16 |
-11.35 |
0.945 |
1.217 |
0.395 |
0.175 |
0.247 |
|
17 |
-12.87 |
0.907 |
1.264 |
0.399 |
0.189 |
0.209 |
|
18 |
-15.64 |
0.737 |
1.055 |
0.37 |
0.184 |
0.169 |
|
19 |
-18.37 |
0.69 |
0.941 |
0.305 |
0.185 |
0.129 |
|
20 |
-19.39 |
0.743 |
1.067 |
0.309 |
0.188 |
0.155 |
|
21 |
-19.3 |
0.797 |
1.086 |
0.34 |
0.212 |
0.186 |
|
22 |
-18.28 |
0.941 |
1.076 |
0.335 |
0.216 |
0.183 |
|
23 |
-16.47 |
0.796 |
0.991 |
0.32 |
0.175 |
0.212 |
|
24 |
-14.51 |
0.767 |
1.03 |
0.354 |
0.153 |
0.216 |
|
ТП 4 |
1 |
-6.711 |
0.167 |
0.254 |
0.303 |
0.149 |
0.052 |
2 |
-6.798 |
0.158 |
0.247 |
0.252 |
0.146 |
0.03 |
|
3 |
-7.001 |
0.158 |
0.257 |
0.194 |
0.138 |
0.012 |
|
4 |
-6.4 |
0.176 |
0.214 |
0.179 |
0.113 |
0.011 |
|
5 |
-6.397 |
0.216 |
0.203 |
0.196 |
0.121 |
0.011 |
|
6 |
-6.652 |
0.192 |
0.22 |
0.189 |
0.116 |
0.012 |
|
7 |
-6.775 |
0.192 |
0.195 |
0.177 |
0.117 |
0.0099 |
|
8 |
-6.399 |
0.157 |
0.197 |
0.147 |
0.102 |
0.02 |
|
9 |
-6.613 |
0.157 |
0.222 |
0.17 |
0.109 |
0.018 |
|
10 |
-7.261 |
0.222 |
0.42 |
0.298 |
0.156 |
0.02 |
|
11 |
-8.928 |
0.299 |
0.69 |
0.409 |
0.162 |
0.024 |
|
12 |
-8.524 |
0.284 |
0.685 |
0.396 |
0.133 |
0.037 |
|
13 |
-9.291 |
0.302 |
0.802 |
0.387 |
0.164 |
0.038 |
|
14 |
-9.35 |
0.342 |
0.889 |
0.453 |
0.178 |
0.044 |
|
15 |
-9.304 |
0.314 |
0.767 |
0.428 |
0.167 |
0.052 |
|
16 |
-9.574 |
0.362 |
0.961 |
0.439 |
0.22 |
0.04 |
|
17 |
-9.578 |
0.334 |
0.858 |
0.402 |
0.189 |
0.045 |
|
18 |
-8.919 |
0.297 |
0.657 |
0.309 |
0.185 |
0.041 |
|
19 |
-8.727 |
0.251 |
0.632 |
0.295 |
0.184 |
0.044 |
|
20 |
-8.686 |
0.284 |
0.605 |
0.466 |
0.191 |
0.09 |
|
21 |
-8.294 |
0.264 |
0.372 |
0.424 |
0.17 |
0.1 |
|
22 |
-7.574 |
0.185 |
0.236 |
0.281 |
0.118 |
0.071 |
|
23 |
-7.302 |
0.178 |
0.191 |
0.232 |
0.089 |
0.065 |
|
24 |
-6.618 |
0.156 |
0.22 |
0.277 |
0.111 |
0.061 |
|
ТП 5 |
1 |
-9.854 |
0.748 |
0.542 |
0.178 |
0.082 |
0.075 |
2 |
-8.561 |
0.656 |
0.526 |
0.178 |
0.089 |
0.079 |
|
3 |
-8.033 |
0.567 |
0.492 |
0.169 |
0.09 |
0.068 |
|
4 |
-7.481 |
0.531 |
0.493 |
0.177 |
0.09 |
0.065 |
|
5 |
-7.629 |
0.503 |
0.464 |
0.163 |
0.072 |
0.061 |
|
6 |
-8.155 |
0.485 |
0.431 |
0.154 |
0.061 |
0.063 |
|
7 |
-9.578 |
0.528 |
0.471 |
0.17 |
0.063 |
0.062 |
|
8 |
-10.39 |
0.504 |
0.417 |
0.122 |
0.055 |
0.051 |
|
9 |
-10.71 |
0.527 |
0.414 |
0.136 |
0.064 |
0.067 |
|
10 |
-14.36 |
0.738 |
0.567 |
0.163 |
0.063 |
0.103 |
|
11 |
-15.44 |
0.825 |
0.566 |
0.207 |
0.081 |
0.118 |
|
12 |
-16.27 |
0.848 |
0.562 |
0.204 |
0.075 |
0.102 |
|
13 |
-16.97 |
0.938 |
0.583 |
0.193 |
0.095 |
0.105 |
|
14 |
-16.56 |
0.997 |
0.715 |
0.221 |
0.092 |
0.097 |
|
15 |
-19.34 |
0.973 |
0.624 |
0.201 |
0.087 |
0.096 |
|
16 |
-19.79 |
1.005 |
0.599 |
0.218 |
0.078 |
0.104 |
|
17 |
-20.43 |
1.044 |
0.649 |
0.216 |
0.064 |
0.08 |
|
18 |
-20.58 |
1.152 |
0.674 |
0.214 |
0.055 |
0.085 |
|
19 |
-20.59 |
1.157 |
0.61 |
0.195 |
0.049 |
0.078 |
|
20 |
-19.72 |
1.098 |
0.611 |
0.163 |
0.045 |
0.063 |
|
21 |
-19.15 |
1.006 |
0.593 |
0.169 |
0.052 |
0.075 |
|
22 |
-17.99 |
1.08 |
0.638 |
0.139 |
0.077 |
0.075 |
|
23 |
-16.4 |
1.103 |
0.706 |
0.139 |
0.09 |
0.076 |
|
24 |
-12.64 |
0.827 |
0.626 |
0.15 |
0.094 |
0.075 |
|
ТП 6 |
1 |
-1.161 |
0.177 |
0.208 |
0.189 |
0.07 |
0.096 |
2 |
-1.157 |
0.178 |
0.214 |
0.192 |
0.073 |
0.103 |
|
3 |
-1.164 |
0.181 |
0.212 |
0.192 |
0.076 |
0.105 |
|
4 |
-1.164 |
0.182 |
0.212 |
0.196 |
0.078 |
0.108 |
|
5 |
-1.161 |
0.154 |
0.203 |
0.194 |
0.075 |
0.108 |
|
6 |
-1.16 |
0.125 |
0.193 |
0.19 |
0.07 |
0.106 |
|
7 |
-1.128 |
0.126 |
0.198 |
0.196 |
0.068 |
0.113 |
|
8 |
-1.133 |
0.124 |
0.194 |
0.188 |
0.065 |
0.105 |
|
9 |
-1.444 |
0.162 |
0.237 |
0.199 |
0.08 |
0.119 |
|
10 |
-3.72 |
0.454 |
0.453 |
0.183 |
0.111 |
0.123 |
|
11 |
-4.617 |
0.628 |
0.536 |
0.158 |
0.128 |
0.094 |
|
12 |
-4.734 |
0.622 |
0.537 |
0.165 |
0.134 |
0.101 |
|
13 |
-4.731 |
0.63 |
0.553 |
0.165 |
0.138 |
0.105 |
|
14 |
-4.754 |
0.632 |
0.545 |
0.169 |
0.135 |
0.103 |
|
15 |
-4.791 |
0.625 |
0.552 |
0.173 |
0.136 |
0.107 |
|
16 |
-4.794 |
0.625 |
0.562 |
0.172 |
0.134 |
0.107 |
|
17 |
-4.8 |
0.631 |
0.563 |
0.173 |
0.136 |
0.1 |
|
18 |
-4.842 |
0.63 |
0.557 |
0.171 |
0.137 |
0.101 |
|
19 |
-4.813 |
0.633 |
0.552 |
0.172 |
0.138 |
0.097 |
|
20 |
-4.774 |
0.637 |
0.564 |
0.167 |
0.141 |
0.1 |
|
21 |
-4.828 |
0.641 |
0.561 |
0.183 |
0.14 |
0.097 |
|
22 |
-4.843 |
0.605 |
0.539 |
0.179 |
0.141 |
0.089 |
|
23 |
-2.012 |
0.254 |
0.295 |
0.21 |
0.103 |
0.101 |
|
24 |
-1.182 |
0.165 |
0.219 |
0.187 |
0.086 |
0.091 |
В соответствии с блок-схемой алгоритма (часть I, обозначена на рис. 16) в программе Mathcad была получена первая матрица инциденций. Её определение и результат показаны ниже.
|
|
Рис. 17. Листинг с программы Mathcad (определение первой матрицы инциденций) |
Алгоритмы, представленные частями II и III в соответствии с блок-схемой, представленной на рис. 16, позволяют определить потери мощности в данной электрической сети, представленной на рис. 14. Часть алгоритма под номером II позволяет сформировать матрицу токов на каждой подстанции за i-ый час по всему ряду гармоник. Часть алгоритма под номером III формирует на своем выходе матрицу (таблица 2) потерь мощностей в данной электрической сети за 24 часа, по всем гармоникам. Формирование таблицы и получившиеся значения представлены ниже. В таблице, получившихся значений, столбцы соответствуют потерям мощности, приходящимся на каждую гармонику за один час. В строках обозначено количество часов в сутках. Полученная мощность представлена в ваттах.
|
Рис. 18. Листинг с программы Mathcad (Алгоритм расчета потерь мощности с учетом высших гармоник) |
Таблица 2
Потери мощности вэлектрической сети за 24 часа, по всем гармоникам
гармоника час |
1 |
3 |
5 |
7 |
11 |
13 |
1 |
11010.754 |
83.097 |
77.914 |
12.574 |
5.242 |
4.185 |
2 |
7786.433 |
58.737 |
59.949 |
8.654 |
4.585 |
3.389 |
3 |
6254.566 |
37.269 |
45.826 |
6.414 |
3.319 |
2.464 |
4 |
5808.782 |
27.602 |
42.806 |
5.908 |
2.519 |
1.855 |
5 |
5005.961 |
24.302 |
38.707 |
6.507 |
2.276 |
1.503 |
6 |
5226.745 |
20.477 |
34.043 |
5.287 |
1.933 |
1.336 |
7 |
6141.078 |
24.833 |
33.887 |
5.515 |
2.103 |
1.563 |
8 |
9670.277 |
30.863 |
35.572 |
4.569 |
1.713 |
1.839 |
9 |
11377.034 |
43.353 |
36.486 |
4.889 |
1.666 |
2.872 |
10 |
10951.621 |
46.188 |
45.813 |
4.501 |
1.693 |
2.677 |
11 |
10489.677 |
56.843 |
62.110 |
7.543 |
2.762 |
2.994 |
12 |
11907.181 |
67.776 |
69.888 |
8.033 |
3.038 |
3.551 |
13 |
12638.175 |
74.256 |
79.678 |
10.081 |
3.575 |
3.938 |
14 |
13592.510 |
85.581 |
88.220 |
10.950 |
3.728 |
4.135 |
15 |
15655.950 |
84.163 |
100.897 |
10.840 |
3.996 |
4.869 |
16 |
13725.182 |
88.164 |
91.659 |
9.734 |
4.290 |
5.360 |
17 |
17018.386 |
96.534 |
93.913 |
10.658 |
3.658 |
4.765 |
18 |
20933.234 |
91.222 |
67.713 |
10.056 |
3.195 |
4.596 |
19 |
23836.045 |
89.909 |
66.447 |
8.211 |
3.306 |
3.847 |
20 |
29994.343 |
99.203 |
81.743 |
11.797 |
3.755 |
4.470 |
21 |
28130.182 |
103.674 |
80.184 |
14.544 |
3.787 |
4.531 |
22 |
27883.533 |
111.704 |
96.191 |
15.437 |
4.321 |
4.258 |
23 |
24004.112 |
146.641 |
107.233 |
15.497 |
4.665 |
4.776 |
24 |
17521.221 |
123.490 |
98.574 |
15.899 |
4.314 |
4.987 |
Для нахождения удельного веса потерь мощности, приходящихся на высшие гармоники, в суммарных потерях, в соответствии с частью IV алгоритма, получился следующий результат.
|
|
|
Рис. 19. Потери мощности в электрической сети. Удельный вес высших гармоник в суммарных потерях |
В результате получается, что суммарные потери мощности в данной электрической сети составляют 350,302 кВт. Среди них потери, приходящиеся на высшие гармоники, составляют 3,739 кВт. Следовательно, потери на высшие гармоники составляют 1,068 % от суммарных потерь мощности.
Отсюда можно сделать вывод о том, что потери, возникающие при протекании высших гармоник тока в данной электрической сети, не вносят большой вклад. Однако, при увеличении потребляемой мощности возможно увеличение данного показателя в большую сторону. При росте нелинейных нагрузок потери на высшие гармоники могут оказаться значительными, что может привести к последствиям вызванными некачественной электроэнергией.
Литература:
- Осипов, Д. С. Расчет потерь энергии в кабельной линии электропередачи при наличии нелинейной нагрузки методом пакетного вейвлет-преобразования / Д. С. Осипов, Д. В. Коваленко, Б. Ю. Киселёв // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2016. — № 4 (148). — С. 84–89.
- Горюнов, В. Н. Расчет потерь мощности от влияния высших гармоник / В. Н. Горюнов, Д. С. Осипов, А. Г. Лютаревич // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. — 2009. — № 2. — С. 268–273.
- ГОСТ 32144–2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — М.: Стандартинформ, 2014. — 19 с.