Поиск оптимальной конфигурации электрической сети района нефтедобычи

В статье рассматривается оптимизация конфигурации электрической сети района добычи нефти.

Ключевые слова: оптимизация, электрическая сеть, линии электропередачи, система электроснабжения, источник питания, электрические нагрузки.

При проектировании и эксплуатации технических систем постоянно приходится решать задачи поиска наилучшего решения из некоторого множества допустимых решений. Такое решение называют оптимальным, процесс поиска такого решения — оптимизацией, а задачи поиска такого решения — оптимизационными задачами [2].

Показатель, по величине которого оценивают, является ли решение оптимальным, называется критерием оптимальности [2].

В данной работе представлен алгоритм расчета электрических сетей района нефтедобычи. Целью расчета является поиск оптимальной схемы электроснабжения с точки зрения экономических затрат. В рассматриваемой оптимизационной задаче критерием оптимальности будет выступать величина суммарных затрат. Поставленная оптимизационная задача представляет собой транспортную задачу электроэнергетики.

В экономической части расчета учитывается стоимость возведения воздушных линий электропередач (ЛЭП), их установка, монтаж, ремонт и обслуживание, а также амортизационные отчисления на них. Кроме этого, учитываются потери активной мощности в воздушных ЛЭП.

Решение поставленной оптимизационной задачи осуществляется в программе Excel.

Рассматриваемая система электроснабжения района нефтедобычи включает в себя 8 нефтяных скважин и 2 источника питания. Источники питания представляют собой трансформаторные подстанции 110/10 кВ.

Исходными данными для расчета электрической сети системы электроснабжения являются следующие величины: координаты расположения (X, Y, км) электрических нагрузок и источников питания, активные мощности электрических нагрузок и источников питания (P, кВт), коэффициенты активной мощности электрических нагрузок (cosφ), напряжение электрической сети (U, кВ).

A1, A2 — источники питания; B3―B10 — электрические нагрузки.

Рис. 1. Расположение источников питания и электрических нагрузок на местности

Для технико-экономического расчёта используются следующие исходные параметры:

a, у.е./км — капитальные вложения в 1 км ЛЭП, не зависящие от сечения (экономические затраты на подготовку просеки, на дороги, осушение болот и т. д.).

b, у.е./(км мм ² ) — часть удельных капитальных вложений, пропорциональная сечению провода.

α _э , 1/год — ежегодные отчисления на амортизацию и текущий ремонт линии в относительных единицах.

β, у.е./(кВт ч) — стоимость потерь электроэнергии.

τ, ч — время наибольших потерь, т. е. время, за которое при работе с наибольшей нагрузкой потери электроэнергии за год те же, что и при работе по реальному графику нагрузок.

ρ, Ом мм ² /м — удельное сопротивление материала провода.

Расчет протяженности каждого участка ЛЭП определяется через разность координат по формуле:

Где — расстояние между i-м и j-м потребителями электроэнергии;

,

Расчет токов ЛЭП осуществляется следующим образом:

Целевой функцией являются суммарные экономические затраты на линии электропередач. Суммарные экономические затраты определяются сечением участков ЛЭП и длинами данных участков, а также стоимостью потерь электроэнергии за год.

Целевая функция имеет вид:

где

С увеличением сечения проводов участка ЛЭП возрастают затраты на сооружение, так как увеличивается количество требуемого материала провода, и отчисления на них. Но одновременно с этим уменьшаются потери электроэнергии и их стоимость за год в связи с уменьшением сопротивления линии, что влечет за собой уменьшение потерь мощности на активном сопротивлении по закону Джоуля — Ленца.

Сечение участков ЛЭП в данном расчете выбирается методом экономической плотности тока с целью определения наиболее экономически выгодного варианта, но также сечение проверяется по длительно допустимому току ЛЭП. В качестве материала проводника тока принят сталеалюминиевый провод марки АС.

Экономическое сечение вычисляется следующим образом [1]:

По экономически выгодному сечению принимается ближайшее номинальное сечение и проверяется по длительно допустимому току

Приведенные экономические затраты на ЛЭП [1]:

где составляющая экономических затрат , представляющая собой стоимость потерь электроэнергии за год, убывает при росте сечения, а составляющая экономических затрат , представляющая собой капитальные вложения с учетом ежегодных отчислений на текущий ремонт линии и амортизацию, возрастает при росте сечения [1].

Таким образом при решении поставленной оптимизационной задачи находится такая конфигурация электрической сети, при которой каждому электропотребителю будет передана соответствующая мощность и затраты на все участки ЛЭП будут минимальны.

На рис. 2 представлена транспортная матрица распределения активных мощностей по участкам ЛЭП.

Рис. 2. Распределение потоков активной мощности по участкам ЛЭП

Отрицательные значения мощностей на главной диагонали символизируют передачу мощности от одного узла электрической нагрузки к другому.

Рис. 3. Определенные сечения участков ЛЭП

Экономические затраты по результатам расчета в совокупности составили 14 231 628 389 у.е.

Рис. 4. Суммарные экономические затраты участков ЛЭП

Рис. 5. Оптимальная схема электрической сети

На рис. 5 изображен оптимальный вариант схемы электрической сети нефтегазового месторождения.

Литература:

1. Идельчик В. И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 592 с.
2. Костин, В. Н. Оптимизационные задачи энергетики: Учеб. пособие. — СПб.: СЗТУ, 2003. — 120 с.