Владислав Дерзский, д-р техн. наук

(Институт проблем моделирования в энергетике НАМ Украины)

Общеизвестно, что проблема потерь электроэнергии при ее передаче является одной из самых острых в электроэнергетике Украины. Ежегодно фактические потери в сетях достигают 20% от поступления электроэнергии в распределительные сети, и энергоснабжающие компании прилагают немало усилий, чтобы сократить ненужные (сверхнормативные) потери. В этих условиях многое зависит от точности определения неизбежных технологических (нормативных) потерь, сопровождающих передачу электроэнергии

Постановка задачи

Нормирование технологического расхода электроэнергии (ТРЭ) в распределительных сетях 0,38-154 кВ особенно актуально для Украины в связи с величинами отчетных (фактических) и т.н. нормативных ТРЭ.

В соответствии с [1], нормирование ТРЭ — это научно-обоснованное определение плановой меры (нормы) расхода при ее передаче и распределении. Нормативы ТРЭ устанавливают предельные значения показателей экономичности передачи и распределения электроэнергии при определенных (регламентированных) условиях эксплуатации.

В качестве регламентированных условий следует назвать:

Балансы активной электроэнергии и мощности.

Полезный отпуск и транзит электроэнергии, ТРЭ на их передачу, в расчетный период (месяц, квартал, год),

расход электроэнергии на собственные нужды подстанций, прочие и коммерческие потери в сумме не должны превышать лимит электроэнергии, установленный энергорынком для данной энергопередающей компании.

Средняя за расчетный период величина активного полезного отпуска электрической мощности в линиях 0,38 кВ, присоединенных к распределительным трансформаторам РТ-10( /0,4 кВ, совместно с потерями активной мощности в линиях при ее передаче не должны превышать 1,4 суммарной установленной мощности трансформаторов.

Поузловой баланс реактивной мощности.

Качество электроэнергии.

Отклонение напряжения в контролируемых узлах сети должно находиться в нормативно-допустимых пределах.

Экономичность передачи и распределения электроэнергии.

В международной практике то считать, что если потери в магистральных и распределительных сетях в сумме превышают 8-9% от поступления электроэнергии в сети, то такая передача и распределение электроэнергии считаются нерентабельными.

Структура нормативных потерь

Норма технологического расхода активной электроэнергии содержит следующие составляющие:

• технологический расход электроэнергии в распределительной сети, включающий переменную и постоянную составляющие;

• расход электроэнергии на собственные нужды подстанций, нормируемые для подстанций 154-35 кВ;

• прочие потери электроэнергии (в батареях статических конденсаторов, шунтирующих реакторах, синхронных компенсаторах);

• •коммерческие потери. В связи с несовершенством системы учета, нeодновременностью и неточностью снятия показаний счетчиков, погрешностью используемых приборов учета, неравномерностью оплаты электропотребителей и т.д. имеет место небаланс энергии. Отнести его к потерям можно лишь условно, это — потери учета, и физически как технологический расход они не существуют.

Факторы, влияющие на норму ТРЭ

На величину нормы ТРЭ в той или иной степени воздействует множество факторов, а именно:

• конфигурация схемы распределительных сетей в расчетный период и параметры ее элементов (количество, длина, марка, сечение, погонные сопротивления линий; типоразмер и количество трансформаторов, их характеристики и т.д.);

• схема линий электропередачи (разветвленная, неразветвленная) и характер подключения нагрузки (сосредоточенная, распределенная, смешанная);

• параметры режима сети в расчетный период (графики полезного отпуска, транзита, неучтенной, неоплаченной, похищенной электроэнергии; напряжение узлов сети; продолжительность расчетного периода и др.);

• взаимодействие различных потоков электроэнергии (полезного отпуска, транзита, похищенной электроэнергии) м. собой в общих элементах сети (линиях, трансформаторах);

• неполнота, неточность, неопределенность значительной части исходной информации, особенно для сетей 0,38 кВ и 10 кВ (отсутствие графиков нагрузки потребителей 0,38 кВ, телеметрии значительной части подстанций 10 кВ и т.д.);

• степень компенсации реактивной мощности;

• качество электроэнергии (несимметрия нагрузки фаз линий, несимметрия и несинусоидальность токов и напряжений, превышение нормально-допустимого отклонения напряжения в узлах сети) и др.;

• фактическое состояние электрических систем (физическое старение изоляции кабельных линий и обмоток трансформаторов, дополнительные потери в контактных соединениях, износ линий электропередачи, работа счетчиков не в своем классе нагрузки и т.д.).

Задача нормирования — максимально возможный учет всех фак­торов, существенно влияющих на величину нормы технологического расхода электроэнергии при со­блюдении регламентированных условий эксплуатации.

Выбор методики расчета нормы ТРЭ

Методика расчета нормы технологического расхода электроэнергии в распределительных сетях должна удовлетворять следующие требования:

• учитывать в максимально возможной степени факторы, влияющие на величину нормы ТРЭ;

• допускать проверку соблюдения регламентированных условий эксплуатации;

• использовать минимальный перечень исходных данных, допустимость и периодичность получения которых регламентируется инструктивными материалами;

• соблюдать принцип баланса погрешностей: методическая погрешность, вызванная неадекватностью реальным связям и соотношениям в распределительной сети, не должна превышать погрешность исходных данных;

• дифференцировать ТРЭ по элементам распределительной сети;

• характеризоваться относительно низкими трудозатратами.

В настоящее время в Украине применяются следующие методики расчета норматива технологических потерь электроэнергии:

• методика нормативных характеристик электрических сетей по потерям электроэнергии;

• методика Института проблем моделирования в энергетике (ИПМЭ) НАН Украины;

• методика Научно-исследовательского института (НИИ) «Укрэнергосетьпроект»;

• методика Национального университета «Львовская политехника» (искусственные нейронные сети).

Методика нормативных характеристик электрических сетей по потерям электроэнергии

В основу методики «Нормирование технологических расходов электроэнергии на передачу по электрическим сетям 154-0,4 кВ. Методические указания» (ГКД 34.09.104-9 [2] положены работы института «Белэнергосетьпроект» начала 80-х годов по разработке и использованию т.н. нормативных характеристик сетей по технологическому расходу электроэнергии (НХТРЭ). Последние представляют собой аналитическую (регрессионную) зависимость технических расчетных потерь электроэнергии от режимных факторов. Коэффициенты регрессионной модели определяются на основе ретроспективных данных за последние 2-5 лет путем варьирования режимных факторов в заданных диапазонах. Нормативным значением технологического расхода электроэнергии (НЗТРЭ) принято называть значение потерь, определенное по нормативной характеристике ТРЭ электрической сети (НХТРЭ} [3]. Сами авторы оценивают результаты использования регрессионной модели следующим образом: Как показал опыт работы энергосистем за последние годы, определить заблаговременно диапазон изменения отдельных факторов практически невозможно. Характерными примерами этого является значение межсистемных перетоков. Статистическая база прошлого года, которая использовалась для расчета коэффициентов нормативной характеристики в виде регрессивной модели, не может быть надежной и, не может обеспечить адекватность регрессивной модели. В результате их использование приводит к большим погрешностям в тех случаях, когда фактор или группа факторов выходят за границы диапазонов изменения отдельных факторов, а тем более, когда возникают новые непредусмотренные факторы. Помимо того, в результате расчета исчислялось только суммарное значе­ние НЗТРЭ, вследствие чего невозможно было выполнить анализ структуры НЗТРЭ для определения мест с повышенными потерями электроэнергии» [4].

Несмотря на перечисленные самими авторами недостатки, методика института «Белэнергосетьпроект» используется Министерством топлива и энергетики Украины в качестве инструмента расчета норматива потерь электроэнергии на протяжении 7-ми лет и продолжает использоваться. И каковы результаты?

Известно, что потери электроэнергии при ее передаче в основном зависят от нагрузки сетей. В 1990г., согласно отчету Министерства энергетики и электрификации Украины, потери электроэнергии только в распределительных сетях 0,38-154 кВ составляли 5,56% от поступления электроэнергии в сети. В 2002г. нагрузка на сетях уменьшилась примерно в 1,8 раза по сравнению с 1990г., а потери не только не снизились, а наоборот, возросли абсолютно и относительно (нормативные— 12,8%, фактические — 19,87%). Притом, что схема распределительных сетей объединенной энергосистемы Украины практически не изменилась, износ сетей увеличивает потери не бо­лее чем на 10-15%. Согласно данным Минтопэнерго, в 2002г. только в распределительных сетях энергопередающих компаний нормативные потери электроэнергии составили в: ОАО «Черновцы-облэнерго» — 22,6%, (фактические -34,45%), ОАО «Закарпатьеоблэнерго» -22,52% (фактические - - 30,58%), ОАО «Тернопольоблэнерго» — 21,52% (фактические — 28,92%). Кроме того, в магистральных сетях 220-750 кВ по­тери составили 2,95% и т.д.

Таких величин потерь нет ни в од­ной стране мира. Для сравнения: фактические потери электроэнергии при ее транспортировке в магистральных и распределительных сетях Германии составляют 5%, Италии — 6,4%, Фран­ции — 7,4%, Великобритании — 8,8%, Канаде — 8,4%. США — 5,4%, Японии — 5,5% и т.д. И это — для сетей со значительно большей протяженностью, чем в Украине, и при полной их загрузке [5].

В международной практике принято считать, что если потери электроэнергии в магистральных и распределительных сетях в сумме превышают 8-9%, то такая передача и распределение электроэнергии являются нерентабельными из-за дополнительного расхода миллионов тонн условного топлива на компенсацию потерь электроэнергии, повышенных розничных тарифов, повышенных цен на промышленную и сельскохозяйственную продукцию, и из-за дополнительной нагрузки на сети, снижения качества электроэнергии по напряжению и т.д.

В конце 2003г. Минтопэнерго утвердило новый нормативный документ «Методики составления структуры баланса электроэнергии в электрических сетях 0,38-154 кВ, анализ его состав­ляющих и нормирования технологиче­ских расходов электроэнергии» [6],

В новой методике понятие норматив ТРЭ коренным образом изменилось по сравнению с методикой «Нормирование технологических расходов электроэнергии на передачу по электрическим сетям 154-0,4 кВ. Методические указания» (ГКД 34.09.104-9 : Нормативное значение технологического расхода электроэнергии на передачу по электрическим сетям — сумма значений технических расчетных потерь в элементах электрических сетей, нормативных потерь электроэнергии на собственные нужды подстанций и нормативных метрологических потерь». И далее: «Технические расчетные потери электроэнергии — потери электроэнергии, которые установлены расчетным путем при определенных условиях и допущениях». При каких именно условиях и допущениях — не сказано.

Ни по форме, ни по содержанию представленный материал не соответствует требованиям, предъявляемым к нормативным документам:

· Вместо лаконичного, по пунктам, изложения основных положений, методика состоит из фрагментов статей различных авторов (без ссылок на них), посвященных расчету потерь электроэнергии при проектировании электрических сетей. Проектные расчеты предполагают задание значи­тельно более подробной исходной информации, которой, нет в условиях эксплуатации.

· Методика перегружена математическими формулами (всего — 12 , пригодными лишь для проектных расчетов.

· Отсутствуют какие-либо примеры, иллюстрирующие излагаемые методические аспекты.

· Не учтены многие из вышеприведенных факторов, существенно влияющих на величину нормы технологического расхода электроэнергии, и не проверяется соблюдение регламентированных условий эксплуатации распределительных сетей.

По мнению автора, это — образчик того, каким не должен быть методический материал. В целом методика не может служить практическим инструментарием для нормирования технологического расхода электроэнергии. К тому же Национальная комиссия регулирования электроэнергетики Украины (НКРЭ) отказалась согласовывать данную методику.

Методика ИПМЭ НАН Украины

Определение нормы ТРЭ в данной методике [7] основано на электрическом расчете распределительных сетей 0,38-154 кВ.

Схемы линий 0,38 кВ делятся на 4 группы:

разветвленные с распределенной вдоль участков нагрузкой (электроснабжение сельского населения);

неразветвленные с равномерно распределенной вдоль линии нагрузкой (городское население);

неразветвленные с сосредоточенной в конце линии промышленной нагрузкой;

разветвленные линии со смешанной нагрузкой.

Из-за большого количества линий 0,38 кВ (только в районных электриче­ских сетях их несколько тысяч), отсутствия информации о длине участков линий 0,38 кВ, погонных активных и реактивных сопротивлений участков, активных и реактивных полезных отпусков энергии в участках характеристи­ки для каждой группы линий 0,38 кВ усредняются. Согласно закону больших чисел, ошибка при этом не превышает 5%, и весь расчет ТРЭ в линиях 0,38 кВ выполняется в течение 15 мин.

Схема фидеров 10( кВ -- разветвленная с нагрузкой, приложенной в конце участков. Учитывается, что часть фидеров используются как для полезного отпуска электроэнергии, так и для транзита. Расчет ТРЭ производится пофидерно.

И только в случае отсутствия информации о длине участков фидеров 10( кВ, марке проводов участков, величине загрузки подключенных к уча­сткам распределительных трансформаторов 10( /0,4 кВ допускается усреднение характеристик фидеров.

Предусмотрен расчет потерь на­пряжения в сетях 0,38-10 кВ.

ТРЭ в сетях 35 кВ и 154 (11 кВ рассчитывается поэлементно.

Производится расчет объемов нео­плаченной, неучтенной, похищенной электроэнергии и оценивается ее вли­яние на величину ТРЭ.

Определяются потери при транзите электроэнергии.

Расчет ТРЭ производится в 2-х вариантах:

с использованием методики максимальных потерь;

с использованием методики средних нагрузок.

Недостатки методики максимальных потерь:

• Время максимальных потерь зависит от продолжительности расчетного периода и величины коэффициента мощности.

• В случае отсутствия графика нагрузки необходима дополнительная информация для вычисления числа часов максимума нагрузки.

Недостатки методики средних нагрузок:

• При расчете потерь электроэнергии холостого хода трансформаторов не учитывается их режим напряжения.

• Напряжение линий электропередачи принимается равным номинальному,

• Не учитывается влияние качества электроэнергии на величину ТРЭ.

Методика НИИ «Укрсельэнергопроект»

В данной методике [8] вычисление ТРЭ базируется на расчете режимов работы сети последовательно для каждого часа с использованием модели электрической сети, информационно-справочной базы и программного обеспечения.

Модель электрической сети содержит узлы (с правилами определения графиков нагрузки и их покрытия), графы схем отдельных подсистем (с правилами вычисления токов в элементах сети и напряжений в узлах), элементы сети (с правилами расчета ТРЭ).

Информационно-справочная база включает:

• типовые (характерные) суточные графики нагрузки потребителей и трансформаторных подстанций для всех сезонов года. При этом типовые графики задаются математическими ожиданиями активной и реактивной мощностей нагрузки и их среднеквадратическими отклонениями;

• технические характеристики проводов, кабелей и силовых трансформаторов.

Расчеты выполняются с помощью программного комплекса Прапор» и программы «Потери-ЭС» за каждый час типового суточного графика нагрузки.

Нагрузочные потери активной и реактивной мощностей линии и трансформатора вычисляются с учетом математического ожидания тока линии (трансформатора) и дисперсии тока линии (трансформатора).

Ток и его дисперсия в элементах се­ти вычисляются для сетей 10-110 кВ.

В программе предусмотрен расчет потерь мощности при несимметричной нагрузке фаз линии.

Условно-постоянные потери актив­ной и реактивной мощностей в трансформаторах определяются с учетом напряжения.

Недостатки методики НИИ «Укрсельэнергопроект»:

• Типовые (характерные) суточные графики электрических нагрузок предприятий различных отраслей промышленности [9] в значительной степени устарели.

• Для определения дисперсии графиков нагрузки необходима представительная информация, которая может быть получена в результате статистической обработки большого количества суточных графиков нагрузки, что в условиях эксплуатации является невозможным.

• Построить графы схем для нескольких тысяч разветвленных линий 0,38 кВ распределительных сетей облэнерго практически нереально.

• В условиях эксплуатации часто отсутствуют суточные графики напряжения в контролируемых узлах.

Следовательно, методика НИИ «Укрсельэнергопроект» пригодна в основном для проектных расчетов, требующих большого количества режимной с сетевой исходной информации, которая в условиях эксплуатации распределительных сетей облэнерго отсутствует.

Методика Национального университета «Львовская политехника» (искусственные нейронные сети)

Данная методика [10] основана на методе искусственных нейронных се­тей (ИНС). Нейрон — нервная клетка, структурная единица нервной системы. Нейронные сети — схемы соединения нейронов.

Искусственный нейрон (нейронный элемент) - математическая модель нейрона, состоящая из умножителей (синапсов), сумматора и нелинейного преобразователя.

ИНС - математическая модель схемы соединения нейронных элементов, представляющих собой мно­гослойные пространственные структуры (пирамидальные, воронкооб­разные, древовидные). ИНС могут иметь положительные и отрицательные обратные связи. Основная цель ИНС - преобразование входного вектора сигналов в выходной. ИНС относятся к классу статистических методов моделирования, таких как идентификация, статистическая ап­проксимация, многофакторный регрессионный анализ.

Применение технологий ИНС как метода статистического моделирования не требует создания точной математической модели объекта (формирования уравнений связи м. переменными); обеспечивает практически полный режимный диапазон работы электрической сети, учет неограничен­ного количества влияющих факторов, устойчивость к неточности исходной информации; снимает необходимость в эквивалентировании; обеспечивает высокое быстродействие — на уровне обработки данных телеизмерений существующими способами, высокую степень адекватности режимов сети; путем самообучения происходит автоматическое усовершенствование модели.

В качестве входных данных в ИНС используются как фактические величины (данные телеметрии), так и результаты расчетов, полученные с помощью математических моделей (нейроматематическое моделирование).

Круг задач, которые имеет смысл решать с помощью статистических методов, в частности ИНС, ограничен и включает статические задачи с малым количеством выходных данных. Связи м. нейронами не адекватны схеме электрических сетей энергосистемы, поэтому ИНС анализируется как «черный ящик». м. тем, расчет потокораспределения и ТРЭ требуют знания схемы электрической сети, в противном случае ошибка может быть весьма большой.
Выводы

Норматив технологического расхода электроэнергии представляет собой предельную меру экономичности передачи и распределения электроэнергии в распределительных сетях.

2 Задача нормирования - макси­мально возможный учет всех факторов, существенно влияющих на величину нормы ТРЭ при соблюдении регламентированных условий эксплуатации.

При нормативной величине ТРЭ показатели надежности, качества и экономичности электроснабжения потребителей не должны выходить за нормативно-допустимые пределы.

Методику, удовлетворяющую вы­шеперечисленные требования, можно назвать эталонной и использовать для нормирования ТРЭ в распределительных сетях.

Литература:

Основные положения по нормирование расхода топлива, тепловой и электрической энергии в народной хозяйстве. - М. Атомиздат, 198 - 15 с.

Нормирование технологических электроэнергии на передачу по электрическим сетям 154-0,4 кВ. Методические указания (ГКД 34.09.104-9 . Документ утвержден заместителем министра энергетики и электрификации Украины Ю А. Наседкиным, согласо­ван Национальным диспетчерским центром электроэнергетики Украины.

Железко Ю.С Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях. — М.: Энергоатомиздат, 198 - 176с,

Коваль В.М., Наумчик B.C. Нормування технологічних витрат електроенергії на передачу по електричних мережах: методичні аспекти, програмне забезпечення та аналіз практики розроблення нормативних характеристик// Новини енергетики.-К.-200 - №7.

Фактичні технологічні втрати електричної енергії на її транспортування в електричних мережах України, Японії, США, Канади, Великої Британії, Франції, Німеччини, Італії//Новини енергетики. - К. - 200 - №7.

Методика составления структуры баланса электроэнергии в электрических сетях 0,38-154 кВ, анализ его составляющих и нормирования технологических расходов электроэнергии. Документ утвержден Министерством топлива и энергетики Украины 24 декабря 2003г., согласован Государственным комитетом Украины по энергосбережению.

7.Методика розрахунку i аналізу втрат електроенергії в електричних мережах обленерго.- К.-2001.-53 с. (проект).

8.Методика розрахунку технологічних втрат електроенергії в мережах електропостачання напругою від 0,38 кВ до 110 кВ включно - К.: Держстандарт УкраТни, 199 - 66 с.

9.Справочник по проектированию электроэнергетических систем.// Под редакцией С.С. Рокотяна и И.М. Шапиро. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

1 Данилюк О.В., Батюк Н.Б., Андрощук О.В. Моделювання технологічних витрат електричної енергії в енергопостачальних компаніях на основі штучної нейтронної мережі з синтезом додаткових входів// Вісник Державного Університету Львівська політехніка: Електроенергетичні та електромеханічні системи. -2001.- N41 -С. 43-49.