К.т.н. Тимчук С.А., к.т.н. Деренько Н.С.

Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства, Украина

Оптимальная реконструкция системы электроснабжения промышленного предприятия

Реструктуризация, перепрофилирование, обновление технологического оборудования предприятий влечет за собой необходимость реконструкции их систем электроснабжения (СЭС). Необходимость реконструкции рассматриваемой СЭС возникла в связи с тем, что в результате изменения экономической ситуации электропотребление предприятия снизилось в 3 раза, соответственно эксплуатационные потери в СЭС стали относительно высокими.

Целью данного исследования является выработка рекомендаций по реконструкции конкретной СЭС крупного предприятия.

Топологическая схема СЭС приведена на рис. 1, а ее характеристики – в табл. 1.

Рис. 1. Расположение трансформаторных подстанций на местности

Для формирования отношения предпочтения между альтернативными решениями используются основные технико-экономические показатели эффективности СЭС: W – интегральный годовой недоотпуск электроэнергии вследствие выхода из строя оборудования СЭС; Z – приведенные затраты на реконструкцию СЭС; N – технологические потери электроэнергии в СЭС.

Таблица 1

Исходные данные для расчета

№ п/п	Устройство	Нач. КЛ	Кон. КЛ	LКЛ, км	FКЛ, мм^2	PКЛ, кВт	Ртр, кВт
0	ТП35/6 кВ	-	-	-	-	-	-
1	ЦРП	0	1	1	95	3800	0
2	ТП6/0,4 кВ	1	2	0,15	120	250	1000
3	ТП6/0,4 кВ	1	3	0,3	95	500	2х1000
4	ТП6/0,4 кВ	1	4	0,15	180	250	1000
5	РП	1	5	0,15	150	500	0
6	ТП6/0,4 кВ	5	6	0,4	180	250	1000
7	ТП6/0,4 кВ	5	7	0,2	120	250	1000
8	РП	1	8	0,5	180	2300	0
9	ТП6/0,4 кВ	8	9	0,1	120	500	2х1000
10	РП	8	10	0,2	180	800	0
11	ТП6/0,4 кВ	10	11	0,1	180	300	2х630
12	ТП6/0,4 кВ	10	12	0,4	150	500	1000
13	ТП6/0,4 кВ	12	13	0,1	150	250	1000
14	ТП6/0,4 кВ	8	14	0,1	150	250	1000
15	ТП6/0,4 кВ	8	15	0,2	150	250	1000
16	ТП6/0,4 кВ	8	16	0,35	150	500	2х1000

Расчет указанных показателей связан с учетом неопределенности исходной информации. Согласно методике [1] исходными являются известные детерминированные зависимости, используемые при проектирования СЭС:

(1)

где; Т_i, Р_і – суммарное время отключения потребителей вследствие выхода из строя i – й подсистемы СЭС и суммарная отключаемая нагрузка вследствие выхода из строя i – й подсистемы СЭС; ns – число подсистем; К_i, I_i – капитальные вложения и эксплуатационные расходы i – й подсистемы; -время электроснабжения; b - цена 1 кВт часа электроэнергии; P_p- среднегодовая мощность потерь.

Параметры, являющийся исходным данным для математической модели (1), как правило, представлены множествами значений, которые можно корректно привести к виду треугольных нечетких чисел [1]. Соответственно, математическая модель (1) становится нечеткой.

Задача поиска множества недоминируемых альтернатив Х формулируется следующим образом:

(2)

где - функциональные ограничения, G – множество альтернатив, F – множество целевых функций F=[W, Z, N].

Принцип Парето в случае нечетко заданных целевых функций однозначно реализуется только в случае, если сравниваемые нечеткие значения целевых функций не пересекаются. В противном случае он по сути является нечетким. Для раскрытия данной нечеткости предлагается применить минимаксный критерий принятия решений. Получим соотношения, устанавливающие отношение порядка для треугольных нечетких чисел:

(3)

содержит следующие ограничения: рассматриваются варианты только кабельных линий электропередач (КЛ); сечения проводов берутся из номенклатурного ряда (25, 35, 50, 70, 95, 120, 150, 180) мм²; сечение проводов последующего по ходу подачи электроэнергии участка не выше сечения проводов предыдущего участка; в качестве коммутирующего аппарата на входе в ТП6/0,4 кВ рассматриваются разъединители и масляные выключатели; ТП6/0,4 кВ могут иметь один или два трансформатора, в последнем случае по нижнему напряжению возможно резервирование, выполняемое дежурным энергетиком.

По предварительной оценке размер множества G составил 7,9×10²⁸ элементов. Поэтому, согласно рекомендациям, приведенным в [2] для решения данной задачи применен генетический алгоритм [3].

В результате оптимизационных расчетов получены три варианта реконструкции СЭС (табл. 2).

Таблица 2

Численные значения технико-экономических показателей СЭС

Wcp, кВт ч/год	Wmin, кВт ч/год	Wmax, кВт ч/год	Zcp, тыс. у.е.	Zmin, тыс. у.е.	Zmax, тыс. у.е.	Ncp, тыс. у.е./ год	Nmin, тыс. у.е./ год	Nmax, тыс. у.е./ год
Исходный вариант структуры СЭС
672415,1	194045,1	1546343	0	0	0	32,1	14,7	56,2
Оптимальный вариант СЭС (вариант 1)
134068,9	31138,7	312147,6	60,3	-14,7	341,9	6,6	2,4	14,5
Оптимизация трансформаторов (вариант 2)
295804,2	91490,7	678340,9	-17,1	-95,9	68,2	5,5	1,8	12,4
Перераспределение существующих трансформаторов (вариант 3)
295804,2	91490,7	678340,9	-51,0	-79,5	-33,3	7,8	2,1	18,6

Первый вариант подразумевает реконструкцию всех элементов СЭС. Оптимальное паритетное решение позволяет снизить недоотпуск электроэнергии вследствие выхода из строя оборудования и технологические потери в среднем в 5 раз. При этом приведенные затраты с учетом продажи заменяемого оборудования сведены к минимуму и даже могут быть отрицательными (доход) при удачной реализации старого оборудования.

Второй вариант подразумевает реконструкцию только трансформаторов поскольку предварительный анализ показал, что рассматриваемая СЭС (табл. 1) характеризуется относительно короткими участками КЛ относительно большого сечения и поэтому основные потери электроэнергии происходят в трансформаторах. Получен вариант реконструкции СЭС, который позволяет снизить потери в трансформаторах в среднем в 5,8 раз, а годовой интегральный недоотпуск электроэнергии – в 2,3 раза. Реализация старых трансформаторов позволит покрыть затраты на реконструкцию и даже получить некоторый доход.

Третий вариант рассматривает возможность реконструкции СЭС без дополнительных капитальных затрат, за счет оптимальной перестановки существующих трансформаторов. В этом случае можно снизить потери в трансформаторах в 4,1 раза, а годовой интегральный недоотпуск электроэнергии – в 2,3 раза. Освобождающиеся трансформаторы можно реализовать или использовать в качестве резервных.

Окончательный выбор варианта реконструкции определяется экономическим состоянием предприятия. В данном случае предпочтителен третий вариант.

Следует также отметить, что нечеткие значения технико-экономических показателей для оптимальных решений, приведенные в табл. 2, позволяют оценить возможные диапазоны значений данных параметров, соответственно и оценить риски принимаемых решений.

Литература:

1. Тимчук С. А. Методика принятия решения при выборе и анализе структуры распределительных сетей при нечетко заданной цели [Текст] / С. А. Тимчук, Н. М. Черемисин, М. С. Грабовская // Енергетика та електрифікація. – 2007. - №8. – С. 45 – 51.

2. Тимчук С. А. Выбор методов и алгоритмов структурной оптимизации систем электроснабжения [Текст]: Materiály IX mezinárodni vědecko-prakticka konference./ С. А. Тимчук // Aktuálni vymoženosti vědy-2013: Technické vědy Zemědělstvi. – Praha: Publishing House «Education and Science», 2013. - Dil. 18. – С. 33 – 36.

3. Тимчук С. А. Совершенствование методологии поиска рациональных решений в условиях многокритериальности и неопределенности исходной информации на примере системы электроснабжения [Текст] / С. А. Тимчук, Н. М. Черемисин // Енергетика та електрифікація. – 2013. - №4. – С. 53 – 60.