Расчет электрических нагрузок на низших ступенях иерархии систем электроснабжения машиностроительных предприятий

На правах рукописи

Гудков Антон Владимирович

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА НИЗШИХ

СТУПЕНЯХ ИЕРАРХИИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара 2009

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы» в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» (г. Самара)

Научный руководитель	–	доктор технических наук, профессор СТЕПАНОВ Валентин Павлович
Официальные оппоненты	–	доктор технических наук, профессор, ЛОСКУТОВ Алексей Борисович
	–	кандидат технических наук СОЛЯКОВ Олег Вячеславович
Ведущая организация	–	ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет» (г. Новочеркасск)

Защита состоится « 29 » декабря 2009 г. в 13 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: 443100 г. Самара, ул. Первомайская д.18, корпус №1, аудитория №4 (учебный центр СамГТУ-Электрощит).

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; е-mail: aees@rambler.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (г. Самара, ул. Первомайская, 18).

Автореферат разослан « 27 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д212.217.04, кандидат

технических наук, доцент Кротков Е.А.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. Результаты расчетов электрических нагрузок лежат в основе технико-экономических решений, принимаемых при проектировании, реконструкции (или при переоснащении) и эксплуатации систем электроснабжения (СЭС), а также являются исходными данными для проектирования энергосберегающих режимов работы и оценки электромагнитной совместимости СЭС с электроприемниками (ЭП). Как свидетельствуют результаты многочисленных экспериментальных и теоретических исследований, расчетные характеристики графиков электрической нагрузки (ГЭН) завышаются. Это приводит к увеличению прямых инвестиций в СЭС и необходимости совершенствования методов оценки расчетных электрических нагрузок СЭС. Последнее обуславливает практическую актуальность диссертационной работы.

Применяемые в инженерной практике метод упорядоченных диаграмм (Каялов Г.М.), статистический (Гнеденко Б.В., Мешель Б.С.) и модифицированный статистический (Жохов Б.Д.) методы используют в качестве математической модели нормальный закон распределения вероятностей -ординат ГЭН. Предложенные к практической реализации инерционный и уточненный инерционный методы (Дмитриева Е.Н., Куренный Э.Г.) также используют нормальный закон распределения вероятностей -ординат ГЭН, а иерархически-структурный (ИС) метод (Жежеленко И.В., Степанов В.П.) использует, помимо нормального закона, закон распределения вероятностей Грама-Шарлье типа А.

Однако на низших ступенях иерархии СЭС экспериментальные законы распределения вероятностей -ординат ГЭН общепромышленных ЭП отличаются от теоретических: нормального закона и закона Грама-Шарлье типа А, конечными пределами изменения -ординат. При этом на 2, 3 и 4 ступенях иерархии СЭС (по терминологии проф. Степанова В.П.), которые характеризуются небольшим количеством подключенных ЭП, значительным разбросом номинальных мощностей pном и коэффициентов использования kи ЭП в группе, экспериментальные законы распределения вероятностей -ординат подчиняются усеченному закону Грама-Шарлье типа А. Последнее является одной из причин несоответствия расчетных характеристик ГЭН фактическим характеристикам. Уточнение здесь достигается за счет совершенствования ИС метода расчета электрических нагрузок на низших ступенях иерархии СЭС, заключающегося в использовании в качестве вероятностной модели усеченного закона Грама-Шарлье типа А, учитывающего конечные пределы изменения -ординат ГЭН. Это обуславливает научную актуальность диссертационной работы.

Связь работы с научными программами, планами, темами, грантами.

Диссертационная работа выполнялась по научно-технической программе СамГТУ «Энергосбережение и управление энергоэффективностью в образовательных учреждениях» на 2001-2005 гг. (протокол №7 от 30.03.01) в рамках основных направлений программы «Энергосбережение» Министерства образования России на 1999-2005 г.г. Работа на тему «Расчет электрической нагрузки на низших ступенях иерархии систем электроснабжения металлообрабатывающих заводов г. Самары» поддержана грантом Министерства образования и науки Самарской области (рег. № 308 Т 3.1 К от 18.05.2007 г.) и грантом Ученого совета СамГТУ (протокол №5 от 25.01.2008).

Цель работы состоит в совершенствовании ИС метода расчета -пиков и -впадин ГЭН, заключающегося в учете конечных пределов изменения -орди-нат и обеспечивающего уменьшение металлоемкости электрической сети на низших ступенях СЭС машиностроительных предприятий.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие научные и практические задачи.

Научные:

• экспериментальное исследование индивидуальных и групповых ГЭН для оценки видов и параметров нормированных корреляционных функций (НКФ) и параметров усеченного закона распределения вероятностей -ординат Грама-Шарлье типа А;
• разработка вероятностных моделей оценки среднего значения Рс(ус) и среднеквадратического отклонения (ус) случайного процесса изменения -ординат ГЭН, распределенных по усеченному закону Грама-Шарлье типа А;
• совершенствование ИС метода расчета -пиков и -впадин ГЭН, путем учета ограниченности -ординат ГЭН по величине на низших ступенях иерархии СЭС машиностроительных предприятий.

Практические:

• получение информации о видах и параметрах НКФ случайного процесса изменения -ординат индивидуальных ГЭН общепромышленных ЭП, пополняющих справочно-информационную базу исходных данных;

• определение значений статистических коэффициентов 1(ус) и 2(ус) для оценки расчетных -пиков и -впадин ГЭН в зависимости от граничной вероятности Ех и коэффициентов асимметрии А и эксцесса Е, при усеченном законе распределения вероятностей -ординат Грама-Шарлье типа А;
• разработка алгоритма программы оценки -пиков и -впадин ГЭН для ПЭВМ на основе усовершенствованного ИС метода расчета.

Основные методы научных исследований. Аналитические выражения вероятностных моделей оценки среднего Рс(ус) значения и среднеквадратического отклонения (ус) с учетом конечных пределов случайного процесса изменения ГЭН получены с использованием методов теории вероятностей. Информация о видах и параметрах НКФ индивидуальных ГЭН общепромышленных ЭП получена на основе опытных данных с помощью методов корреляционной теории. Обработка экспериментальных индивидуальных и групповых ГЭН выполнена с использованием методов математической статистики.

Научная новизна:

• получены экспериментальные значения параметров усеченного закона распределения вероятностей Грама-Шарлье типа А -ординат ГЭН, наблюдаемые на нижних ступенях иерархии СЭС машиностроительных предприятий;
• разработаны вероятностные модели оценки среднего значения Рс(ус) и среднеквадратического отклонения (ус) случайного процесса изменения -ординат ГЭН, распределенных по усеченному закону Грама-Шарлье типа А;
• разработан усовершенствованый ИС метод расчета -пиков и -впадин ГЭН для нижних ступеней иерархии СЭС машиностроительных предприятий.

Практическая ценность:

• пополнена справочно-информационная база исходных данных о видах и параметрах НКФ индивидуальных ГЭН общепромышленных ЭП, обеспечивающая практическую реализацию усовершенствованного ИС метода расчета -пиков и -впадин ГЭН;
• составлены таблицы значений статистических коэффициентов 1(ус) и 2(ус) для определения расчетных значений -пиков и -впадин ГЭН, распределенных по усеченному закону Грама-Шарлье типа А, для граничной вероятности Ех=0,05 и коэффициентов А и Е, изменяющихся в диапазоне ±2.
• разработан алгоритм программы усовершенствованного ИС метода оценки -пиков и -впадин ГЭН на ПЭВМ.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений, теоретических выводов и практических рекомендаций диссертации подтверждены экспериментальным исследованием ГЭН в действующих СЭС машиностроительных заводов г. Самара: ОАО «Завод авиационных подшипников» и ОАО «Авиаагрегат», а также результатами полного и корректного теоретического анализа.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования ЗАО «Самарский электропроект» (г. Самара) и ЗАО «Самарский центр «Проект-электро» (г. Самара). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» СамГТУ при чтении спецкурса «Электроснабжение» - «Энергосберегающие технологии в проектировании систем электроснабжения», а также на кафедре «Электроснабжение» Ульяновского ГТУ и кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы» Пензенского ГУ при чтении курсов «Электроснабжение».

Основные положения, выносимые на защиту:

• вероятностные модели оценки среднего значения Рс(ус) и среднеквадратического отклонения (ус) -ординат ГЭН, распределенных по усеченному закону Грама-Шарлье типа А, повышающие точность оценки -пиков и -впадин ГЭН на низших ступенях иерархии СЭС машиностроительных предприятий;
• усовершенствованный ИС метод и алгоритм оценки расчетных значений -пиков и -впадин ГЭН, обеспечивающий уменьшение металлоемкости промышленной электрической сети на низших ступенях иерархии СЭС машиностроительных предприятий.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XIV и XV Международных научно-технической конференциях студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика” (г. Москва, 2008 и 2009 гг.), на XXIX сессии Всероссийского научного семинара РАН “Кибернетика электрических систем” по тематике “Электроснабжение промышленных предприятий” (г. Новочеркасск, 2007 гг.), на Международной научно-практической интернет - конференции “Энерго- и ресурсосбережение XXI век” (г. Орел, 2006 г.), на V Всероссийской научной конференции с международным участием “Математическое моделирование и краевые задачи” (г. Самара, 2008 г.), на Всероссийской научной конференции молодых ученых “Наука. Технологии. Инновации” (г. Новосибирск, 2007 г.) - доклад удостоен Диплома I степени, на IV Всероссийской научно-практической конференции “Энергетика в современном мире” (г. Чита, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ: 3 статьи в изданиях из списка ВАК, 1 статья в другом издании, 5 докладов и 3 тезиса докладов на Международных и Всероссийских конференциях. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в монографии Жежеленко И.В., Кроткова Е.А., Степанова В.П. «Методы вероятностного моделирования в расчетах характеристик электрических нагрузок потребителей» М.: Энергоатомиздат, 2007 (§3.10 и приложения П2.1, П10, П11).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 136 наименований, 9 приложений и содержит 128 стр. основного текста.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится краткая история развития общей теории электрических нагрузок. Обосновывается научная и практическая актуальность, формулируются цель, научные и практические задачи диссертационной работы. Показаны научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Современное состояние проблемы. Цель и задачи диссертации» дан анализ современного состояния общей теории и вероятностных методов расчета электрических нагрузок, применяемых на практике и предложенных к практическому применению.

Вероятностные методы расчета базируются на стационарности случайного процесса электропотребления, независимости работы ЭП в группе, нормальном законе и законе Грама-Шарлье типа А распределения вероятности -ординат группового ГЭН. При этом использование нормального закона и закона Грама-Шарлье типа А предполагает, что пределы изменения -ординат ГЭН равны бесконечности. Однако известно, что -ординаты ГЭН не могут быть бесконечными и ограничиваются верхним пределом, равным сумме индивидуальных номинальных мощностей pном ЭП в группе, и нижним пределом, равным нулю. На практике наибольшие -ординаты ГЭН намного меньше верхнего предела нагрузки, а наименьшие -ординаты ГЭН, в ряде случаев, больше нуля. Поэтому вероятностные методы расчета по существу должны использовать усеченные нормальный закон и закон Грама-Шарлье типа А. Анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований групповых ГЭН свидетельствует, что статистические законы распределения вероятностей -ординат ГЭН подчиняются усеченному нормальному закону только на 5, 6 и 7 ступенях иерархии СЭС (рис.1), соответствующих магистральным шинопроводам (ШМ) и шинам цеховых трансформаторных подстанций (Т).

На 2, 3 и 4 ступенях иерархии СЭС, соответствующих распределительным шкафам (РШ) и шинопроводам (ШР), магистралям (М) и силовым пунктам (СП),

Рис.1 Фрагмент участка однолинейной схемы цеховой СЭС

ОАО «Завод авиационных подшипников».

экспериментальные законы распределения вероятностей -ординат подчиняются усеченному закону Грама-Шарлье типа А. Несоответствие фактических пределов изменения -ординат ГЭН теоретическим приводит к погрешностям в оценке расчетных значений -пиков Ррп и -впадин Ррв нагрузки, определяемых по известным выражениям:

(1)

(2)

В (1) и (2) погрешности возникают в оценке средней нагрузки Рс, среднеквадратического отклонения нагрузки и статистических коэффициентов 1 и 2. При этом диапазон случайного процесса изменения -ординат ГЭН на 2, 3 и 4 ступенях иерархии СЭС настолько уменьшается, что приводит к погрешности в оценке расчетных значений Ррп и Ррв нагрузки, превышающей предельно допустимую погрешность ±10%.

На основе новых результатов и выводов, полученных автором диссертации, предложен и практически реализован усовершенствованный ИС метод расчета, обеспечивающий уменьшение погрешности в оценке расчетных значений -пиков и -впадин ГЭН на низших ступенях СЭС.

Во второй главе «Статистический анализ графиков электрической нагрузки на низших ступенях иерархии систем электроснабжения» приведены результаты экспериментальных исследований индивидуальных и груп-повых ГЭН общепромышленных ЭП, которые проводились в период с 2004 по 2007 гг. на двух машиностроительных заводах: ЗАО «Завод авиационных подшипников» (г. Самара) и ОАО «Авиаагрегат» (г. Самара).

Исследования индивидуальных ГЭН общепромышленных ЭП проводились с целью построения и описания экспериментальных НКФ ГЭН ЭП известными параметрическими функциями заданного вида. Вид и параметры НКФ являются показателями индивидуальных ГЭН ЭП, дополняющими справочно-информационную базу исходных данных и практически реализующими усовершенствованный ИС метод расчета -пиков и -впадин групповых ГЭН.

Групповые ГЭН исследовались для подтверждения описания экспериментальных законов распределения вероятностей -ординат ГЭН, наблюдаемых на низших ступенях иерархии СЭС, усеченным законом Грама-Шарлье типа А и для оценки конечных пределов изменения -ординат ГЭН на различных ступенях иерархии СЭС.

Экспериментальные исследования проводились в два этапа. На первом этапе выбирались места подключения измерительного комплекса С.А 8334 в характерных точках СЭС, обозначенных на рис.1 точками т.1, 2, 3, 4; производился выбор регистрируемых параметров; назначался интервал дискретизации tа и длительность реализации Тр. На втором этапе при помощи программного обеспечения QualiStar View V2.4, Microsoft Office Excel и Statistica 6.0 производилась оценка экспериментальных и теоретических видов и параметров НКФ и построение гистограмм статистической плотности и функции распределения вероятностей ординат групповых ГЭН.

Оценка закона распределения вероятностей ординат групповых ГЭН общепромышленных ЭП машиностроительных заводов проводилась по реализациям длительностью Тр=8 ч. с интервалом дискретизации tа=1 мин.

На рис. 2 в качестве примера представлены экспериментальная и теоретические плотности распределения вероятностей -ординат ГЭН 4 шлифовальных станков, записанного в электрической сети ОАО «Завод авиационных подшипников» (г. Самара) в т.2 (рис. 1).

В результате расчета и анализа характеристик групповых ГЭН, полученных на 2, 3 и 4 ступенях иерархии СЭС машиностроительных заводов, установлено, что:

• статистические законы распределения вероятностей -ординат ГЭН сходятся с доверительной вероятностью 0.7, полученной по критерию согласия 2 К. Пирсона, к усеченному закону Грама-Шарлье типа А:

; (3)

• значения коэффициентов А и Е статистических законов распределения вероятностей -ординат ГЭН находятся в диапазоне ±2.

Рис.2. Экспериментальная и теоретические плотности распределения вероятностей -ординат ГЭН 4 шлифовальных станков: 1, 2, 3, 4 и 5 – соответственно кривые нормального закона, усеченного нормального закона, закона Грама-Шарлье типа А, усеченного закона Грама-Шарлье типа А и гистограмма с параметрами Рс = 8,97 кВт,  = 1,85 кВт, A = -0,39, E = -1,19, Сус=1,17.

• верхние Пп и нижние Пв нормированные пределы изменения значений -ординат ГЭН находятся в диапазонах от ±3 до ±1 и определяются по выражениям:

, (4)

, (5)