Неуклонный рост численности городского населения в настоящее время требует постоянного строительства новых жилых районов, в которые, несомненно, необходима поставка электроэнергии и наличие экономичной системы электроснабжения».
«Ключевой задачей оптимизации системы электроснабжения жилого района является минимизация затрат на капитальные вложения и эксплуатацию, что позволит сделать систему более экономичной и повысить ее эффективность. Система электроснабжения городов и микрорайонов включает в себя электрические сети различных классов напряжения, распределительные сети и трансформаторные подстанции».
Обзор существующих моделей нагрузки
В данном разделе будет рассматриваться несколько существующих программ и разработок по вопросу усовершенствование расчета мощности трансформаторных подстанций с учетом их расположения, ЛЭП высокого и низкого напряжения. Задача оптимизации формулируется на основе минимизации приведенных затрат.
Анализ основных существующих решений проводился по следующим источникам:
- Программу оптимизационного проектирования СЭС, разработанную преподавателем кафедры «ЭПП» СамГТУ Лыковым Ю. Ф., описанную в методическом указании «Автоматизированное проектирование электроснабжения завода».
- «Исследование и оптимизация системы электроснабжения с учетом неопределенности исходной информации (на примере района Гаш Барка Государства Эритрея)», методика разработана в соискании ученой степени, кандидатом технических наук — Шевлюгиным М. В.
- Повышение точности расчета электрических нагрузок многоквартирных домов с электроплитами // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки — Надтока И. И., Павлов А. В.
Программное обеспечение САПР СЭС, под авторством доцента кафедры «ЭПП» СамГТУ Лыкова Ю. Ф., описанное в методическом указании «Автоматизированное проектирования электроснабжения завода». Преподавателем была разработана «учебно-исследовательская программа САПР (УИ САПР), предназначенная для выбора наиболее экономичного варианта и основных параметров системы электроснабжения промышленного предприятия с помощью персонального компьютера в режиме диалога.
Исходными данными являются: основные параметры внешнего электроснабжения; перечень трансформаторных подстанций с низковольтными нагрузками или перечень цехов и корпусов с их нагрузками и расположением; нагрузки на высокой стороне, некоторые параметры синхронных электродвигателей, расположение распределительных пунктов и ГПП. На основании этих данных, последовательно в различных модулях программы САПР определяются: самый выгодный вариант количества, размещения и типоразмеров цеховых трансформаторных подстанций; оптимальный вариант схемы и конфигурации распределительной сети 6–20 кВ; самое выгодное размещение компенсирующих устройств (КУ) по узлам сети и на сторонах низкого (НН) и высокого (ВН) напряжений; экономичные сечения распределительной сети и оптимальный ограниченный набор сечений; токи КЗ в узлах сети, термически устойчивые сечения и температура кабелей; потери напряжения; расчетные затраты на спроектированную систему электроснабжения.
Концепция программы базируется на нескольких модулях, которые в совокупности позволяют спроектировать цельную систему электроснабжения конкретного предприятия или микрорайона, однако, нас интересует точечная оптимизация, а именно оптимизация числа и мощности трансформаторных подстанций. Поэтому, рассматриваться будет конкретный модуль всей программы, а также затронем технико-экономический расчет, поскольку это неотъемлемая часть любых оптимизационных решений» [1].
«Модуль отыскания оптимального варианта числа и мощности цеховых трансформаторных подстанций программы предназначен для определения расчетных затрат на ТП и на кабельные линии для различных вариантов размещения, количества и мощности трансформаторных подстанций, формируемых автоматически и «вручную», и выбора варианта с наименьшими расчетными затратами. Задача оптимизации: отыскание варианта расстановки подстанций, при котором общие затраты достигают минимума.
Расчетный алгоритм и решение оптимизационной задачи возможно отыскать при помощи двух автоматических программных алгоритмов, позволяющие рассмотреть все варианты количества, числа и мощности ТП: исключения или полного перебора всех существующих. Первый формируется следующим образом: все намеченные подстанции установлены на своих местах. Последующие варианты получаются путем поочередного исключения одной, наименее полезной трансформаторной подстанции. За наименее полезную принимается та подстанция, исключение которой приводит к наименьшему увеличению затрат. Крайний вариант имеет всего лишь одну ТП. Алгоритм полного перебора абсолютно также — начинается с максимального количества подстанций.
Последующий вариант имеет количество подстанций на позицию меньше, и здесь из всех сочетаний ищется сочетание с минимальными приведенными затратами. Все расчеты повторяются несколько раз ТП, которые принимают значения от максимального количества до единицы. Алгоритм полного перебора работает значительно медленнее, чем алгоритм исключения, что увеличивает затраченное время на проектирование, однако гарантировано обеспечивает определение оптимального варианта электроснабжения для конкретного проекта. Время обработки компьютером массива данных может достигать суток, а в редких случаях даже больше.
При использовании обоих алгоритмов, предусмотрена возможность размещения конкретных ТП ручным способом, в обход стандартным алгоритмам, что на каком-то конкретном проектировании дает возможность отказаться от застройки лишней подстанции/протяженной кабельной линии, и, само собой, приведет к снижению затрат. Заключительным этапом является расчет затрат, необходимый для математического подтверждения или опровержения эффективности конкретного проектирования».
Для оптимизации современной СЭС в данном направлении, необходимо более совершенное решение, которое будет рассмотрено в следующем пункте данной работы. И, подводя итоги, следует сказать, что данная методика оптимизации числа и мощности цеховых подстанций была взята на вооружение при создании современного и более продуктивного метода, данная программа подтолкнула на создание более совершенного и гибкого решения вопроса оптимизации, она внесла свой вклад в углубленное представление и понимание этого серьезнейшего направления развития современных оптимизационных решений.
Методика исследования и оптимизация системы электроснабжения с учетом неопределенности исходной информации (на примере района Гаш Барка Государства Эритрея), разработанная в соискании ученой степени, кандидатом технических наук — Шевлюгиным М. В. Разработка автора была основана на существующей системе электроснабжения «района Гаш Барка, включающей в себя совокупность генерирующих мощностей, ЛЭП и энергопотребители жилищно-коммунального, сельскохозяйственного и промышленного характера» [2].
Исследование готовой проектной документации, подтолкнули на изучение методов, моделей и оценке показателей работы ЭЭС данного района. «Целью работы является анализ, и модернизация системы электроснабжения с учетом неопределенности части исходной информации, т. е. величин мощности потребителей и временных периодов их потребления, на примере района Гаш Барка государства Эритрея».
Автор работы провел углубленное изучение исходного материала по территории рассматриваемого государства, были достигнуты определенные достижения и проведены: «анализ электрических нагрузок системы электроснабжения Эритреи и района Гаш Барка с расчетом электрических нагрузок; разработка вариантов развития систем электроснабжения сельских районов Гаш Барка; выбор и обоснование частных критериев оценки стратегий развития систем электроснабжения сельских районов Гаш Барка; расчет электрических нагрузок с учетом перспективы развития районов Гаш Барка; имитационное моделирование систем электроснабжения сельских районов Гаш Барка; выбор лучшего варианта развития системы электроснабжения сельских районов Гаш Барка по многокритериальной модели с помощью критерия Байеса».
Также была «сформирована топологическая модель новых городов и сел района Гаш Барка, и системы их электроснабжения с применением схемы радиального глубокого ввода; определены рациональные параметры системы электроснабжения городов и сел района Гаш Барка с применением схемы глубокого ввода высокого напряжения в зависимости от геометрических размеров района и поверхностной плотности нагрузки; проведен анализ современного состояния энергетики и электрификации сельского хозяйства государства Эритрея и района Гащ Барка с перспективой ее развития, изучены энергетические ресурсы страны и на основании сопоставления объектов генерации и потребления электроэнергии предложны карты районирования территории Эритреи по среднегодовому числу часов солнечного сияния, распределению энергии ветра и других источников энергии».
Задачей же рассматриваемой магистерской диссертации, было разработать уникальное, и, самое главное, универсальное решение, которое позволит автоматизировать и оптимизировать расчет электроснабжения любой микрорайонной сети, а внедрение территориальной особенности конкретной застройки будет второстепенным фактором, который не составит труда внедрить проектировщику для полной достоверности оптимизационного проектирования. Ко всему прочему, следует отметить, что намечена разработка компьютерной программы, которая будет на основании исходных данных, выдавать сразу же правильное и оптимизационное решение, позволяющее сократить капиталовложения и привести их к минимуму, а не исследовать большой объем информации вручную, приводя несколько вариантов рукописных расчетных данных, как выполнено автором рассматриваемой методики.
Примеры расчетов
Решение поставленной задачи достигается на любой микрорайонной застройке, и не зависит от топографических, климатических и географических особенностей. Реализация предусматривается в компьютерных программных обеспечениях, а именно на современных языках программирования. Следует отметить, «что за основу математического моделирования был взят минимум приведенных затрат, что и будет являться целевой функцией, математическая модель выглядит следующим образом:
где:
-
-
-
-
-
При решении оптимизационных задач, как известно, целевая функция должна дополняться ограничениями, которые возникают при практическом формировании рассматриваемого объекта. Модель оптимизированного расчета и выбора трансформаторов в ТП имеет следующие граничные условия и ограничения, которые также заносятся в программу:
Ограничения несут в себе следующую информацию: количество трансформаторных подстанций напрямую зависит от номинальной мощности силовых трансформаторов, номинальная мощность ТП должна быть больше ее расчетной величины. Граничными же условиями выступают: количество подстанций, должно быть отлично от нуля и положительным, также числовые значения являются целыми; задается предельно-допустимое количество подстанций в районной сети; указываются границы принятия мощности ТП из ряда каталожных стандартных мощностей.
Выводы
Выбранное направление усовершенствование расчетов в системе электроснабжения микрорайона необходимо для получения оптимального варианта расположения трансформаторных подстанций, мощности и их количества, что повлечет за собой получение минимальных приведенных затрат».
Определение поставленной задачи осуществляется в зависимости от выбранной программы и заключается в подготовительных расчетах и перебором возможных вариантов решения, среди которых выбирается вариант с минимальными затратами, чему и была посвящен данный раздел с ее подразделами, все расчетные и оптимизационные этапы были последовательно рассмотрены и обоснованы.
Применение рассматриваемого метода в описанном программном инструменте можно смело отнести к уникально-оптимизационным, т. к. такое решение подразумевает полностью автоматизированный расчет, что можно считать по-настоящему отличным показателем для каждого этапа проектирования конкретного оптимизационного проекта. Также требуется отметить, что в следующий раздел вынесен конкретный пример расчет микрорайонной сети, который будет успешно оптимизирован при помощи данной программы, а благодаря ее рабочему функционалу, проведется наглядная демонстрация её эффективности и работоспособности.
Литература:
- Учебная САПР внутризаводского электроснабжения: метод. указ. / Ю. Ф. Лыков, Е. Н. Федотов, Самара: СамГТУ,1999.-36 с.
- Исследовательская работа по разработке методики исследования и оптимизации системы электроснабжения с учетом неопределенности исходной информации (на примере района Гаш Барка Государства Эритрея), разработанная в соискании ученой степени, кандидатом технических наук — Шевлюгиным М. В. https://miit.ru/content/ %D0 %94 %D0 %B8 %D1 %81 %D0 %B5 %D1 %80 %D1 %82 %D0 %B0 %D1 %86 %D0 %B8 %D1 %8F.pdf?id_wm=750237.
- Статья автора данной магистерской диссертации: Будко С. И., и научного руководителя — Клочкова Н. Н. (Журнал «Вестник науки») https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46298926
