Методические указания по ККР 'Оптимизация режимов и развития энергосистем'

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева
Кафедра «Электроэнергетика»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО КОНТРОЛЬНО-КУРСОВОЙ РАБОТЕ
учебной дисциплины (модуля)
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ И РАЗВИТИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМ
Уровень профессионального образования:
высшее образование –магистратура
Направление (специальность) подготовки:
13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»
Профиль (специализация) подготовки:
«Электроэнергетические системы и сети»
Квалификация выпускника: магистр
Форма обучения: (заочная)
Тула 2019 г.
2
Методические указания по ККР учебной дисциплины «Оптимизация
режимов и развития энергосистем»разработаныдоцентом Ю.И.Гореловым и
обсуждены
на
заседании
кафедры
«Электроэнергетика»института
высокоточных систем им. В.П. Грязева,
протокол заседания кафедры № 10 от "07" октября 2019 г.
Зав. кафедрой________________ В.М. Степанов
3
Общие указания к выполнению контрольно-курсовой работы
Для каждого студента варианты заданий определяются номером
варианта, определяемым преподавателем.
Перед выполнением заданий студенты изучают теоретический материал
по литературе.
При выполнении заданий необходимо:
Стремиться к наиболее рациональному порядку решения задач.
Указать применяемую систему единиц.
Схемы и векторные диаграммы выполнять по ГОСТу.
Все рисунки, схемы нумеровать согласно ГОСТа с обязательной ссылкой
на них в тексте работы.
Формулы записываются сначала в общем виде, затем подставляются
цифры и записывается результат вычислений.
Контрольно-курсовая
работа
должна
содержать
титульный
лист,
оглавление, номер варианта задания, исходную и расчетную схемы, а также:
исходные
данные,
текст
пояснительной
записки,
приложения
(если
требуется), список литературы.
Решая поставленные задачи, не следует ограничиваться написанием
формул и вычислениями, а следует кратко объяснить физическую суть
рассматриваемых процессов и по каждому пункту задания привести
основные положения и сделать выводы.
Список используемых источников приводится согласно ГОСТа: автор,
его инициалы, название, место издания, издательство, год издания.
Задание на контрольно - курсовую работу по дисциплине
Определить
экономически
целесообразные
режимы
работы
3-х
параллельно соединенных трансформаторов, типы которых для каждого
4
варианта заданы в таблице 2 (см. Приложение 1). Разработать алгоритм
оптимального управления работой этих трансформаторов, взяв параметры
силовых
трансформаторов
из:
«Справочник
по
проектированию
электроснабжения/Под ред. В.И. Круповича – М.: Энергия, 1980».
Разработать релейную схему автоматического управления экономически
целесообразным режимом работы трансформаторов в зависимости от
мощности S нагр , потребляемой нагрузкой.
Методические указания к выполнению ККР
Теоретические сведения
Экономия электроэнергии в силовых трансформаторах.
В среднем на каждом трансформаторе теряется 7% электроэнергии.
Потери активной мощности в трансформаторе:
Pт  Pх  Pк k з2
Pх
- активные потери холостого хода при номинальном напряжении
(каталожные данные);
Pк
- активные потери короткого замыкания
(каталожные данные);
kз 
Sф
S ном
;
k з - коэффициент загрузки трансформатора; S ф - фактическая нагрузка
трансформатора;
S ном - номинальная мощность трансформатора.
Потери электроэнергии в трансформаторе при его эксплуатации:
Эа.т  PхТ п  Pк k з2Т раб ;
5
Т п - годовое число часов работы трансформатора; Т раб - годовое число часов
работы трансформатора с номинальной нагрузкой: при одной смене
Т раб
=2400 часов; при двух - Т раб =5400 часов; при трех - Т раб =8400 часов.
Приведенные потери активной мощности в зависимости от
реактивной мощности, потребляемой трансформатором:

Pт  Pх  Pк k з2
где
Pх  Pх  Qк k и .п. - приведенные потери активной мощности; k и.п. -
экономический эквивалент реактивной мощности;
Q х 
S ном I х
;
100
реактивные потери мощности холостого хода; I х - ток холостого хода, %;
Pк  Рк  Qк k и.п. ;
приведенные активные потери мощности к.з.;
Qк 
S ном u к
;
100
реактивные потери мощности к.з.; u к - напряжение к.з. , %.
Полные приведенные потери активной мощности в трансформаторе
Эа .т  PхТ п  Pкk з2Т раб .
6
Таблица 1
Характеристика трансформатора и
системы электроснабжения
Трансформаторы,
питающиеся
непосредственно
от
k и.п. , кВт/квар
В часы максимума
В часы минимума
0,02
0,02
0,07
0,04
0,1
0,06
0,15
0,1
шин
электростанций
Сетевые
трансформаторы,
питающиеся от электростанций на
генераторном напряжении
Понижающие
трансформаторы
110/35/10
питающиеся
кВ,
от
районных сетей
Понижающие трансформаторы 610/0,4
кВ
,
питающиеся
от
районных сетей
Пример
Трансформатор ТМН-10000/110: S ном = 10 МВА; 121/11; S нг = 8 МВА; Рк
= 95 кВт; Р х = 38 кВт; I х = 4,5 % ; u к = 13,2% ; питается от районных сетей;
15 часов максимума в сутки; 9 часов минимума в сутки; двухсменная работа
на предприятии.
Расчеты
Рассчитываем значения
S ном I х 10 * 1000 * 4,5

 450кВт;
100
100
S u
10 * 1000 * 13.2
Qк  ном х 
 1320кВт.
100
100
Q х 
Рассчитываем значение
k и .п.  0,1 *
15
9
 0,06 *
 0,085 ;
24
24
7
тогда
Pх  Pх  Qк k и .п.  95  450 * 0,085  133,25кВт;
Pк  Рк  Qк k и .п.  38  1320 * 0,85  150,2кВт;
откуда годовые потери
8
Эа .т  PхТ п  Pкk з2Т раб  133,25 * 24 * 365  150,2 * 5400 *  
 10 
 1686361,2кВт  1,7 МВт.
Экономически
целесообразный
режим
работы
2
цеховых
трансформаторов.
Рис.1 Исходная схема электроснабжения
Потери электроэнергии в параллельно включенных n трансформаторах,
имеющих
одинаковые
характеристики,
определяются
по
следующей из ТОЭ:
P ( n)  n( Pх  k и .п. Q х ) 
1
( Pк  k и .п. Qк ) k з2 , .
n
Для (n  1) -го трансформатора справедливо
P ( n  1)  ( n  1)( Pх  k и .п. Q х ) 
1
( Pк  k и .п. Qк ) k з2 ,
n 1
формуле,
8
а для (n  1) -го
P ( n  1)  (n  1)(Pх  k и .п. Q х ) 
тогда при работающих
подключение
еще
1
( Pк  k и .п. Qк ) k з2 ,
n 1
n трансформаторов,
одного
включенных параллельно,
трансформатора
будет
экономически
целесообразно, если
P (n  1)  P (n),
или
( n  1 )( Pх  kи .п.Q х ) 
1
( Pк  kи .п .Qк )k з2 
n 1
1
 n( Pх  k и .п.Q х )  ( Pк  k и .п.Qк )k з2 ,
n
Введем обозначения
A  Pх  k и .п. Q х ; B  Pк  k и .п. Qк ,
тогда неравенство запишется в виде
(n  1) A 
B 2
B
k з  nA  k з2 ,
n 1
n
откуда
1
1
Bk з2 ( 
)  A,
n n 1
n 1 n
Bk з2
 A,
n(n  1)
Bk з2  An(n  1),
A
n(n  1),
B
A
kз 
n(n  1) ,
B
k з2 
S

S ном
A
n(n  1) ,
B
откуда с учетом выражений для A и B , окончательно получаем условие
включения нового трансформатора:
S   S ном
Pх  k и .п. Q х
n(n  1) ,
Pк  k и .п. Qк
9
Аналогично
для
нахождения
условий
отключения
трансформатора
при
работающих
n трансформаторов,
одного
включенных
параллельно,
P (n  1)  P (n),
или
( n  1 )( Pх  kи .п.Qх ) 
1
( Pк  kи .п .Qк )k з2 
n 1
1
 n( Pх  k и .п.Q х )  ( Pк  k и .п.Qк )k з2 ,
n
Введем обозначения
A  Pх  k и .п. Q х ; B  Pк  k и .п. Qк ,
тогда неравенство запишется в виде
(n  1) A 
B 2
B
k з  nA  k з2 ,
n 1
n
откуда
1
1
 )  A,
n 1 n
n  n 1
Bk з2
 A,
n(n  1)
Bk з2 (
Bk з2  An(n  1),
A
n(n  1),
B
A
kз 
n(n  1) ,
B
k з2 
S

S ном
A
n(n  1) ,
B
откуда с учетом выражений для A и B , окончательно получаем условие
выключения одного трансформатора:
S   S ном
Pх  k и .п. Q х
n(n  1) .
Pк  k и .п. Qк
При использовании в эксплуатации экономически целесообразного
режима работы трансформаторов с целью экономии электроэнергии
необходим учет следующих факторов:
10
1.
не должна
олжна снижаться надежность электроснабжения;
2.
трансформаторы должны быть снабжены устройством АВР
(автоматического включения резерва);
3.
рекомендуется переключать трансформаторы не более 22-3 раза в
сутки.
Схема устройства автоматического включения и отключен
отключения
трансформаторов.
Рис. 2. Цепи питания токовых реле КА1 и КА2.
11
Рис. 3. Схема управления.
Пусковым органом устройства служат реле тока: КА1 – минимальное,
КА2 – максимальное. Оба реле включены на сумму токов
I p  I 2 I  I 2 II ;
параллельно работающих трансформаторов.
При полной загрузке трансформаторов оба реле держат свои контакты в
следующих положениях:

КА1 – разомкнутым, замыкается при снижении нагрузки;

КА2 – разомкнутым, замыкается при увеличении тока.
При снижении нагрузки до некоторого критического уровня
I кр  (0,6  0,8) I т.ном .
12
сработает реле КА1, замкнув контакт, при этом получит питание катушка
реле KL1, которое в свою. очередь:

с помощью KL1.1 разорвет цепь питания реле KL2;

с помощью KL1.2 подаст питание на реле времени КТ;

с помощью KL1.3 подготовит цепь на отключение выключателя
одного из трансформаторов.
По истечении заданного в реле КТ времени замкнется контакт КТ.1, при
этом получит питание реле KL3, которое в свою очередь отключит один из
трансформаторов.
При росте нагрузки выше критической сработает реле КА2, которое
замкнет свои контакты, при этом получит питание катушка реле KL2,
которое в свою очередь:

с помощью KL2.1 разорвет цепь питания реле KL1;

с помощью KL2.2 подаст питание на реле времени КТ;

с помощью KL2.3 подготовит цепь на включение выключателя
одного из трансформаторов.
Реле KL1и KL2 не могут срабатывать одновременно на включение и
отключение трансформаторов.
Реле KL5 предназначено для автоматического вывода устройства
управления из работы при:

при отключении одного из трансформаторов персоналом;

при срабатывании системы защиты или средств телемеханики.
При этом цепь обмотки реле KL5, замыкается контактами KQC1-KQC4,
которые в свою очередь управляются внешними реле.
Устройство управления вводится в действие при потере питания
катушкой реле
KL5, при этом контакты KL5.1 замыкаются. Это может
произойти только в том случае, когда контакты
разомкнутыми.
Токи срабатывания пускового органа:
KQC1-KQC4 будут все
13
I c. p1  I êð /(kî ò ñ K I );
I c. p 2  I êð kî ò ñ / K I ;
kî ò ñ  1,05  1,1.
Для исключения одновременного срабатывания реле КА1 и КА2 должны
выполняться следующие условия
I с. p1  I в. р 2
I c. p 2  I в. р1 ;
I в. р1  k в1 I с. p1 ;
I в. р 2  k в 2 I с. p 2 ;
k в1  1,05  1,1;
k в 2  0,9  0,95.
В
последней
формуле
I в . р1 , k в1 , I в . р 2 , k в 2
-
токи
срабатывания
и
коэффициенты возврата реле КА1 и КА2, соответственно.
Оптимизация потерь электроэнергии в системе с параллельно
соединенными разнотипными силовыми трансформаторами.
В случае, если система электроснабжения питается от внешней сети
через
параллельно
соединенные
разнотипные
трансформаторы,
т.е.
трансформаторы с различными мощностями и/или параметрами, то формулы
требуют уточнения.
14
Рис.4 Исходная схема электроснабжения
Так как потери электроэнергии в любом трансформаторе определяются
по формуле




 Р
2
2
РТ  Р Х  k з2 Р К  Р Х  2 К S нагр
 a  bS нагр
;
S T .ном
где
a  Р Х   Р Х  kи .п .Q Х  Р Х  kи .п.
b
SТ .ном I Х
;
100
Р К  PK  kи .п.QK


ST2 .ном
ST2 .ном
SТ .ном uK
uK
100  PK  k
;
и .п .
2
2
ST .ном
ST .ном
100 SТ .ном
PK  kи .п.

то кривая зависимости потерь электроэнергии от нагрузки является
параболической зависимостью.
Потери электроэнергии в j параллельно соединенных разнотипных
трансформаторах характеризуется так же параболической зависимостью

2
РТj  a j  bj S нагр
;
где
15
j
j
j
i 1
i 1
i 1
aj   Р Хi    Р Xi  kи .п .  QXi 
j
j
  Р Xi 
i 1
kи .п .
SТi .ном I Xi ;

100 i 1
j
j
 Р Кi
bj 
 Р  k  Q
i 1
j
j
i
K
2
и .п.
 i 1
i 1
2
j
i
K





i
i
  ST .ном 
  ST .ном 
 i 1

 i 1

j
j
k
Р Ki  и .п .  SТi .ном uKi

100 i 1
 i 1
.
2
 j i

  ST .ном 
 i 1

Графики зависимости потерь электроэнергии для системы из двух
параллельно соединенных разнотипных трансформаторов приведены еа
следующем рисунке:
Рис.5 Графики зависимости потерь
Из
графика
потерь
видно,
что
при
S нагр  S1
целесообразной является работа трансформатора Т1;при
экономически
S 2  S нагр  S1
экономически целесообразной является работа трансформатора Т2; а при
16
S нагр  S 2
экономически
целесообразной
является
работа
обоих
трансформаторов. Точки S1 и S 2 являются абсциссами точек пересечения
кривых Т1 и Т2 и Т2 и Т1+Т2, соответственно.
Таким образом для нахождения S1 нужно решить уравнение
a1  b1 S12  a 2  b2 S12 ;
откуда
S1 
a 2  a1
;
b1  b2
а для нахождения S 2
a 2  b2 S 22  a1 2  b1 2 S 22 ;
откуда
S2 
a1 2  a 2
.
b2  b1 2
17
Приложение 1
Номер
Трансформатор №1
Трансформатор №2
Трансформатор №3
1
ТМ-25/6-10
ТМ-40/6-10
ТМ-63/6-10
2
ТМ-25/6-10
ТМ-63/6-10
ТМ-100/6-10
3
ТМ-25/6-10
ТМ-100/6-10
ТМ-160/6-10
4
ТМ-25/6-10
ТМ-160/6-10
ТМ-40/6-10
5
ТМ-25/6-10
ТМ-250/6-10
ТМ-40/6-10
6
ТМ-25/6-10
ТМ-400/6-10
ТМ-63/6-10
7
ТМ-25/6-10
ТМ-100/6-10
ТМ-160/6-10
8
ТМ-25/6-10
ТМ-40/6-10
ТМ-100/6-10
9
ТМ-25/6-10
ТМ-160/6-10
ТМ-63/6-10
10
ТМ-25/6-10
ТМ-160/6-10
ТМ-250/6-10
11
ТМ-100/35
ТМ-160/35
ТМ-250/35
12
ТМ-160/35
ТМ-250/35
ТМ-400/35
13
ТМ-250/35
ТМ-400/35
ТМ-630/35
14
ТМ-400/35
ТМ-630/35
ТМ-1000/35
15
ТМ-630/35
ТМ-1000/35
ТМ-1600/35
варианта