Материал: Оптимизационные методы компенсации реактивной мощности системы электроснабжения железной дороги

Вычислительно-измерительный блок 12 по информации, полученной с датчиков тока 6 и напряжения 5. задатчик режима работы (КМ) 11 выполняет измерение фактической реактивной мощности на токоприемнике электровоза, определение реактивной мощности, генерируемой КРМ. формирует сигнал на включение необходимой ступени КРМ, а также выполняет отключение КРМ или его модулей путем снятия управляющих импульсов при нарушениях заданных (нормальных) режимов работы. БВИ 12 осуществляет также и защиту от коммутационных перенапряжений на тиристорах ключевых элементов, от перегрузок по току, от внешних и внутренних коротки: замыканий, от замыканий на землю, а также от повышения напряжения на конденсаторах LC-контуров свыше номинального напряжения.

Рис. 1.15

БВИ 12 состоит из микропроцессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянно запоминающего устройства (ПУ), аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и таймеров-счетчиков. Микропроцессор. ОЗУ, ПЗУ, АЦП, и таймеры-счетчики могут быть выполнены на базе промышленного контроллера М167-1х (каталог продукции АО "КАСКОД" “Бортовая и промышленная электроника”, 189625, С-Петербург, Павловск, Фильтровское шоссе. 3 (тел. (812)466-5784, (812)476-0795). с.66).

Устройство, реализующее предлагаемый способ управления компенсатором реактивной мощности, работает следующим образом. При включении питания начинается работа вычислительно-измерительного блока 12. и определяют величину реактивной мощности нагрузки на основании информации с датчиков по формуле Q_d=Р_dt_gj где Р_d=I_dU_d - I_d - ток нагрузки. U_d - напряжение на нагрузке, определяемой в зависимости от I_d по внешним характеристикам преобразователя, записанным в ПЗУ БВИ 12, j - сдвиг фаз между током и напряжением источника питания. При работе электровоза с реактивной мощностью Q_d выше минимально допустимого значения подключают одну секцию КРМ к источнику энергии с наименьшим значением (U_ист1), после чего снова определяют реактивную мощность цепи Q_d и сравнивают ее значение со значением реактивной мощности работающей секции Q_ку1-. При превышении реактивной мощности нагрузки Над величиной мощности компенсатора переключают секцию компенсатора к источник) с большим напряжением (U_ист2), после чего сравнивают значение реактивной мощности цепи с величиной мощности компенсатора Q_ку2- и если оно ниже, то выполняют переключение компенсатора на источник напряжения с меньшим значением (U_ист1). причем в моменты переключения замыкают ее на активное сопротивление 15 (разрядный резистор) с тем. чтобы при необходимости ее повторного подключения на источник питания избежать броска тока в цепи. Процесс повторяется циклически.

Таким образом, предлагаемый способ управления компенсатором реактивной мощности и устройство, его реализующее, обеспечивают повышение коэффициента мощности и снижение расхода электроэнергии э.п.с.

В работах А.А. Германа [20] рассмотрены эффективность применения регулируемых и нерегулируемых батарей поперечно - емкостной компенсации для определенного симметрирования напряжения в месте их установки уменьшением тока обратной последовательности и потерь энергии на ЛЭП и элементах подстанция оборудования. Показано также, что при большой несимметрии тока (напряжения) преимущество имеют регулируемые двухфазные и трехфазные емкостные батареи перед нерегулируемыми.

Экспериментальные исследования физической модели электрифицированного участка переменного тока с пофазнорегулируемыми вентильными компенсаторами, выполненные Е.Г. Бобровым [30] позволили определить закон пофазного регулирования в зависимости от величины и характера нагрузки плеч питания. Здесь выявлено также, что лучшим гармоническим составом характеризуется управляемый реактивный блок с фильтром 150 Гц, приведенный на рис. 1.16.

Рис.1.16. Варианты включения компенсатора с фильтром

Использование реактивных блоков в пофазнорегулируемом источники реактивной мощности незначительно повышает уровень гармоник в токе контактной сети, но в тоже время улучшает гармонический состав напряжения на шинах подстанции и тока в ЛЭП.

В работе [Тр. ЦНИН Вып. 492] А.Г. Пятковой на основе сравнительной оценки по отношению  (где и  соответственно средние потери мощности при компенсации и мощности без компенсации) в зависимости  среднестатистического отношения токов плеч питания рис. 1.17, сделан ценный по нашему мнению вывод, что экономическую эффективность регулируемых источников реактивной мощности, их оптимальную мощности и место установки следует определять в каждом конкретном случае учетом характера нагрузки, влияния уравнительных токов, качества напряжения у районных потребителей, устанавливать их в первую очередь в участках с большой неравномерностью и значительной величиной нагрузки.

Рис. 1.17

Расчетные соотношения и характеристики плавно регулируемых вентильных компенсаторов реактивной мощности (ВКРМ) в первые были выполнении Е.Г. Бобровым [20]: по кретерию эффективности использования коммутирующего конденсатора

где Q_r, Q_c, - соответственно реактивная мощность генерируемая преобразователем в сеть и отдаваемая конденсаторами в сеть.

Расчет произведен для ВКРМ по рис 1.18.

Рис. 1.18

Интересным с точки дрения поставленных в данной диссертации задач, является работа Р.Р. Мамошина по исследованию возможности оптимизации качества энергии на шинах тяговых подстанций переменного тока с помощью однофазных регулируемых батарей включаемых ко вторичной обмотке тягового трансформатора параллельно тяговой нагрузке.

Здесь можно регулировать токи прямой и обратной последовательности фазы А, создаваемые батареей

 (1.20)

 (1.21)

где  соответственно токи прямой и обратной последовательности фазы А, формируемые батареей;

 - промежуточный коэффициент трансформации обмоток А и С, лежащие в пределах 0 до 1;

 трехфазный оператор, равной .

Эта схема приводит к исключению или ограничению в допустимых пределах несимметрии токов, напряжений во всем диапазоне изменения тяговой нагрузки, и к стабилизации напряжения на шинах тяговых подстанций ниже 27 кВ а также к увеличению расстояния между тяговыми подстанциями на вновь электрифицируемых линиях.

. Сравнительная простота и надежность схемы тиристорных регулируемых компенсаторов реактивной мощности с отсекающими диодами в пусковых и стационарных режимах, устойчивость регулирования, а также высокий коэффициент эффективности К_эфф. позволит считать эту схему перспективной для использования в КРМ.

2. Для использования вентильных компенсаторов в устройствах электротяги переменного тока с целью симметрирования системы и стабилизации напряжения необходимо наряду с поисками новых эффективных схем выполнить исследования существующих методов и технических средств мероприятий по снижению уровня высших гармоник.

Глава 2. Математические модели оптимизационных задач электроснабжения

.1 Методы решения оптимизационных задач

Развитие рыночных отношений в электроэнергетике, высокие требования к надежности и качеству электрической энергии, интенсификация технологических процессов, влияющих на режимы работы электроустановок неизбежно ведет к необходимости оценки их влияния и на проблему оптимизации схем и параметров электроснабжения.

Математические модели оптимизации электроснабжения основаны на их экономико-математическом описании с учетом теории надежности, на решении дифференциальных уравнений аналитическими и численными методами, теории экспертных оценок, теории вероятностей, случайных процессов и математической статистики а также транспортных задач электроэнергетики.

На основании анализа ряда фундаментальных работ, посвященных проблеме оптимизации [1,…5,6,7,8,9,10], задачи оптимизации электроснабжения в частности компенсации реактивной мощности также подразделяется на две основные группы:

К первой группе относятся выбор оптимальных схемных решений, как отдельных схем, так и электроаппаратуры в целом. Ко второй группе относятся задачи оптимального выбора номинальных величин и режимов работы. Выбор схемных решений электроснабжения, характеристик её электроустановок, а также их режимов осуществляется как в процессе электрического расчета схем для обеспечения технических характеристик установок, так и в процессе определения эксплуатационно-технических характеристик. Ко второй группе относятся также задачи прогнозирования надежности и стратегии оптимальной периодичности профилактического обслуживания установок компенсации реактивной мощности.

Сущность задач электроснабжения второй группы заключается в поиске и учете всех определяющих свойств системы, выраженных математическими моделями, с помощью которых можно составить достаточно полную получить картину поведения системы с экстремальными значениями параметров установок и методы определения оптимальной рабочей области параметров.

В настоящее время методы поиска оптимума можно разделить на две группы: классические и алгоритмические [13].

К классическим методам относятся: дифференциальное исчисление [17], вариационное исчисление [18], динамического программирования максимума Понтрягина.

Алгоритмические методы в свою очередь подразделяются на детерминированные и случайные. К детерминированным методам поиска относятся.

итерационные [17];

градиентные [20];

направленного перебора [21];

линейного программирования [5,10];

нелинейного программирования [22];

к случайным методам поиска относятся;

методы Монте-Карло [17];

методы случайного перебора [7, 23].

Особенностью оптимизационных задач электроснабжения является необходимость применения как классических так и алгоритмических методов, так как в них необходимо комплексное определение требуемых характеристик электроустановок и режимов работы систем, обеспечивающих оптимальный уровень безотказности заданной структуры с учетом ограничений технических характеристик, определяющих качество функционирования.

При использовании комплексного метода нахождения оптимума целевой функции необходимо вводить в качестве ограничений формализованные требования:

) по обеспечении физической реализуемости схемных решений, а также допустимых технических характеристик электроустановок;

2) по обеспечению требуемых уровней выходных параметров (тока, напряжения, мощности, качество электроэнергии, ).

) в том числе ограничения, учитывающие статическую информацию, полученной при длительной эксплуатации и испытаниях аналогичных схем и их элементов;

) часть ограничений могут иметь неполную или неопределенную информацию о законах изменения их параметров надежности, сложность учета и невозможность строгой формализации цепи и несовпадение целей системы и подсистем которые ограничивают использование оптимизационных моделей и чаще всего приводит к применению оценочных моделей со всеми их достоинствами и недостатками.

Второй особенностью оптимизационных моделей задач электроснабжения являются: необходимость системного подхода, наличие особенностей больших систем, системного анализа т.е. рассмотрение её как единое целое и учет необходимости её развития, т.е. рассмотрение её как динамической системы, приводящие в конечном виде к нелинейной многоэкстремальной целевой функции. Это проявляется, например, на простом примере связи надежности и экономичности электроснабжения, являющиеся противоречивыми факторами. Это противоречие нужно решать математически компромиссно, путем взаимных уступок.

Генеральным направлением сохранения надлежащей надежности электроснабжения является математическая формализация нормированных допустимых и необходимых значений, коэффициентов статической устойчивости с сохранением динамической устойчивости [4, 5, 6]. Следовательно при экономической оптимизации электроснабжения критерий надежности выступает в виде системы ограничения. Это является третьей особенностью оптимизационных задач электроснабжения.

Сложность учета этих особенностей заключается в том,что при этом ограничивается использование упомянутых выше оптимизирующих моделей, имеющие с точки зрения общности решения задач, но с определенными недостатками, заключающиеся в обязательном применении итерационных методов оптимизации, т.к. надежностные показатели имеют в большинстве случаев нелинейный характер. Например, вероятность безотказной работы однотрансформаторной подстанции, с последовательным соединением ЛЭП, разъединителя, выключателя, силового трансформатора проводов кабелей и пр. через интенсивность отказов определяется как вероятность безотказной работы всех элементов в течении времени t [11]:

где  - интенсивность отказов А. вероятность безотказной работы систем электроснабжении с резервированием замещением, т.е. параллельном соединении определяется надежностью не только основных электроустановок но и устройств АВР, которые также выражаются через экспоненциальные законы.

.2 Анализ решения оптимизационных задач

Использование для определения экстремума целевой функции аналитических методов в электроснабжении связано со значительными трудностями. Для их преодоления вводится значительное количество допущений и упрощений, приводящих к тому, что результаты аналитической оптимизации даже для простых схем практически трудно реализуемы. От этого недостатка свободны алгоритмические методы, учитывающие только способ отыскания экстремума [9].

Во всех методах оптимизации как и в классической постановке имеются этапы: разработки модели системы, выбор критерия оптимальности, выбор целевой функции и ограничений, поиск оптимального решения и анализ полученных погрешностей.

Модель системы строится исходя из задачи оптимизации с учетом ограничений, требуемой точности и объема имеющейся реальной исходной аналитической информации о системе электроснабжения и функциально-количественной связи электроустановок.

В этом смысле модели электроснабжения, описываемые математически, устанавливающими количественные связи между элементами модели будут экономичными т.к. электроснабжение относится к числу систем, структуры которых считаются достаточно хорошо известными. К ним, например, можно отнести вероятностные модели надежности системы электроснабжения и их электроустановок с восстановлением и профилактикой [11], логико-вероятностные методы расчета надежности с помощью дерева отказа, периодичность профилактического обслуживания основного силового оборудования на основе параметра потока отказов, [16] выбор места установки батарей компенсирующих реактивную мощность, описываемые в интервале времени  нормальной системой независимых дифференцируемых уравнений, связывающих k выходных параметров системы с параметрами состояния (Е) и управляемыми параметрами (П) (например профилактических работ и пр.), т.е.