КРИТЕРИИ ОПТИМАЛЬНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ ГПП

Лагуткин О.Е., канд. техн. наук

Новомосковский институт Российского химико-технологического университета им. Менделеева

(Промышленная энергетика. №3, 1997 г.)

 

Электрическое хозяйство десятков крупных предприятий различных отраслей промышленности России представляет собой сложную систему ценологического типа [1, 2]. Электроснабжение таких предприятий осуществляется, как правило, от нескольких ГПП 110 — 330/6 — 10 кВ (шестой уровень). Например, Новомосковская акционерная компания (НАК) "Азот" — предприятие химической промышленности — питается от 8 ГПП, Западно-Сибирский металлургический комбинат (ЗСМК) — предприятие черной металлургии — от 10 ГПП и сотни ТП 6 — 10/0,4 кв. Шестой уровень системы электроснабжения является границей раздела предприятие — энергосистема, на которой устанавливаются приборы измерения и коммерческого учета потребления электроэнергии.

Проявляющиеся на высших уровнях системы электроснабжения свойства не вытекают из свойств отдельных электроприемников. Для их описания применяются понятия, не относящиеся к классической электротехнике. Например, максимальная мощность завода используется как показатель, характеризующий электрическое хо­зяйство в целом. Им оперируют при решении вопросов взаимоотношений с энергосистемой, он содержится в годовой отчетности предприятия и определяется на перспективу.

При проектировании предприятий по существующим методикам фактическая среднегодовая загрузка трансформаторов ГПП принимается на уровне 25 % номинальной [З], что является следствием неучета некоторых закономерностей функционирования систем ценологического типа. При проектировании сверху вниз сначала принимаются решения по ГПП, РУ, ТП, а затем по электроприемникам первого уровня. В этом случае ценологические свойства проявляются в неопределенности (неполнота или отсутствие) исходной информации по отдельным электроприемникам; кроме того, затраты времени на принятие решения при детерминистском подходе оказываются больше, чем промежуток времени, за который ситуация меняется. Поэтому определяющие решения на уровне тендерного проекта и технико-экономического обоснования часто принимаются интуитивно. Даже при соблюдении всех норм и требований и одинаковых технических заданиях проектируемые схемы ГПП могут отличаться не только в разных организациях (например, в Тяжпромэлектропроекте и Гипромезе), но и внутри подразделений одной организации (в Сибгипромезе и Укргипромезе).

Таким образом, при проектировании ГПП и схем электроснабжения предприятий необходимо описать разнообразие проектных решений, выделив элементарные структурные единицы схем, с целью выявления нерациональных и оптимальных решений, а также предложить механизм синтеза схем с заданными параметрами надежности из выделенных элементарных единиц. Решение этой задачи позволит создать информационную базу для систем автоматизированного проектирования.

Отдельно взятый элемент схемы электроснабжения (например, выключатель, разъединитель, реактор) обладает количественными и качественными признаками вида. Данные о нем берутся или из паспорта, или из справочника, где имеются параметры (номинальный ток, токи термической и динамической стойкости и т.д.) аппаратов данного типа. Отличить, например, два выключателя одного типа, установленные в соседних ячейках подстанции, не представляется возможным, так как они не обладают индивидуальными характеристиками. Возникает вопрос: что, говоря о схеме подстанции, можно считать структурной единицей, выделяющейся как целостность и обладающей индивидуальными признаками? Такими свойствами в данном случае обладает присоединение от ячейки одной подстанции (ГПП) до ячейки другой (ТП), при этом не следует путать его с фидером. Всем элементам, составляющим присоединение, свойственны в отдельности признаки вида, в то же время в совокупности они представляют элемент (особь) с присущей ему индивидуальностью в количественных (число коммутационной аппаратуры, кабелей) и качественных (различные типы кабелей) характеристиках. При составлении схем электроснабжения, диспетчеризации, разработке релейной защиты, систем измерения на предпроектных и проектных стадиях необходимо опираться на понятие "присоединение".

С развитием вычислительной техники проектирование выполняется с использованием программных средств (например, АВТОКАД), во многих институтах разрабатываются специальные редакторы для схем электроснабжения (например, RESOGRAF — в Санкт-Петербургском техническом университете, СХЕМА — в МЭИ, Электрон — в НИ РХТУ). Они содержат набор графических символов схем элементов с базой данных, из которых набирается схема любой сложности. Использование редакторов значительно ускоряет процесс изображения схем, однако не позволяет работать в автоматизированном режиме (САПР). Всеобъемлющую САПР создать практически невозможно, поэтому необходимы локальные САПР, например САПР-ГПП. Для ее разработки нужно иметь базы данных по присоединениям. Это позволит проектировать конкретный состав и тип 60—80% ячеек подстанции в автоматизированном режиме при недостатке исходной информации о потребителях электроэнергии, т.е. на предпроектных стадиях, когда известна лишь мощность проектируемого предприятия.

С учетом вышеуказанного проведен анализ однолинейных схем ГПП ЗСМК и НАК "Азот". Схему ГПП можно разделить на четыре участка:

РУ ВН (указываются способ питания, число и мощности трансформаторов, число и нумерация систем шин);

трансформатор (подробно описывается вся установленная коммутационная аппаратура на ВН, СН, НН до системы шин, указывается номер ячейки на СН, НН, к которой присоединен трансформатор);

РУ НН (СН) — приводятся число ячеек и виды присоединений;

ячейки РУ НН (указываются типы коммутационной аппаратуры, вид присоединения, токи нормального и аварийного режимов).

Для упрощения не будем рассматривать способ присоединения к потребителю. Введем коэффициент использования ячеек

k_и=N_п/N_яч,                                    (1)

где N_п — общее число кабельных присоединений, от которых питается потребитель; N_яч — последний номер в нумерации ячеек на схеме.

Возникают некоторые сложности при опре­делении ячейки как физического объекта. На этапе проектирования подстанции проектировщик по разным причинам может применять различные способы нумерации ячеек: а) начиная с 1; б) начиная с некоторого числа (например, с 11 — на ОП-5 ЗСМК); в) используя совместно буквенные и цифровые обозначения (11а, 116, 11в — на ОП-10); г) вводя пробел в счете (с 25 по 32 — на ОП-3). Так, в варианте "в" подразумевается, что некоторое число ячеек (с 1 по 10 — на ОП-10) считается резервным. Их физически нет, хотя, в принципе, при необходимости они могут быть установлены. Последовательность нумерации ячеек на системах шин (СШ) также различна на некоторых подстанциях. Существуют варианты: по порядку (1, 2, 3,...); четные и нечетные. Нумерация необязательно начинается с 1 СШ, она может идти в обратном порядке (от секционного выключателя — на ОП-3) и с противоположной стороны (ОП-4).

Таблица 1

Коэффициент использования	Значение коэффициента использования ячеек опорной подстанции ЗСМК
	ОП-1	ОП-2	ОП-3	ОП-4	ОП-5	ОП-6	ОП-10	ОП-11	ОП-19	ОП-20
kи	1,02	0,74	0,58	1,15	0,71	0,58	1,03	0,69	0,77	0,82
kи.ф	0,92	0,91	0,86	0,77	1,00	0,81	0,90	0,96	0,78	1,00
kcp	0,92	0,43	0,39	0,64	0,31	0,39	0,86	0,46	0,44	0,36

 

Таблица 2

Коэффи­циент ис­пользова­ния	Значение коэффициента использования ячеек ГПП НАК "Азот"
	"Аммиач­ная"	"Хлор­ная"	"Кисло­родная"	"Азот­ная"	"Метано­ловская"	"Ацети­леновая"	"Органи­ческая"	"Карба­мидная"
kи	0,61	0,54	0,48	0,65	0,36	0,66	0,65	0,58
kи.ф	0,31	0,51	0,44	0,45	0,37	0,44	0,55	0,37
kcp	0,31	0,31	0,24	0,28	0,36	0,33	0,28	0,25

 

Рис.1

 

Коэффициент использования характеризует степень разветвленности схемы электроснабжения, а также степень заполненности ячеек ГПП. Его расчетные значения, отн. ед., по исследуемым  предприятиям представлены в табл. 1 и 2.

Расположим k_и в порядке убывания (рис. 1). Из анализа графика следует, что ГПП можно разбить на три кластера:

уникальные:

k_и  > 0,9 — число возможных присоединений примерно равно или больше числа ячеек на подстанции (ОП-1, ОП-4, ОП-10 ЗСМК);

k_и  < 0,4 — большое число внутренних присое­динений (ГПП "Метаноловская" НАК "Азот"); эти ГПП составляют около 10 — 20 % их общего числа;

массовые (0,4 < k_и  ^< 0,9) с числом присое­динений, примерно равным числу ячеек ГПП; доля этих ГПП равна примерно 80 — 90 %.

Следует отметить, что существуют границы в диапазоне изменения значения k_и  для каждого предприятия. Степень сложности подстанций исследуемых предприятий изменяется в противоположные стороны: на ЗСМК — в сторону увеличения k_и (верхней границей, по-видимому, может быть k_иmax = 1,15), на НАК "Азот" — в сторону уменьшения (k_иmin ⁼ 0,36).

Коэффициент k_и  может применяться на предпроектных и проектных стадиях. Предположительно ГПП, относящиеся к первому кластеру, характерны именно для данного предприятия, а относящиеся к второму — типичны и могут встречаться на большинстве крупных предприятий. Используемый при проектировании схем ГПП рассматриваемый коэффициент характеризует степень сложности объекта. При превышении k_и значения 1,0 желательно перегруппировать присоединения, унифицируя их. Коэффициент учитывает также количество ячеек, не находящихся под нагрузкой, следовательно, применим только на проектных и предпроектных стадиях. Поэтому необходимо ввести фактический коэффициент использования

k_и.ф = N_яч.н / N_яч,                                      (2)

где N_яч.н^— число ячеек,  находящихся под       нагрузкой (без учета ячеек без нагрузки).

Например, для ГПП "Аммиачная" НАК "Азот" k_и.ф = 19/61 = 0,31 (см. табл. 2). Коэффициент k_и.ф может быть меньше или равен единице из-за того, что при строительстве крупного цеха или завода не все ячейки ГПП оказываются задействованными. По мере усложнения схемы электроснабжения к ГПП подключается все большее число приемников, k_и.ф  постепенно возрастает до 1. При достижении этого значения необходимо анализировать заполненность ячеек, и в худшем случае (при максимальном k_и.ф) рассматривать вопрос о строительстве новой ГПП. Результаты анализа показали следующее: на предприятии химической промышленности коэффициенты k_и.ф в среднем ниже, чем на предприятии черной металлургии, что может служить дополнительной характеристикой использования электротехнического оборудования на предприятиях различных отраслей промышленности.

Интересно выявить взаимосвязь между изменениями коэффициента загрузки трансформаторов ГПП и k_и. По-видимому, между ними должна быть корреляционная связь. В зависимости от их значений может происходить распределение рабочих мест электриков на данной подстанции: наиболее профессионально подготовленные должны работать на ГПП с максимальным значением коэффициентов. Значение k_и  определяет также требуемую квалификацию диспетчерского персонала, унификацию телемеханизации и релейной защиты присоединений.

Дальнейший анализ схем ГПП состоял в исследовании их по видам присоединений. Для этого одинаковые присоединения объединялись в группы (виды) и велся подсчет числа присоединений в каждом виде по отдельным подстанциям и числа видов присоединений на ГПП по заводу в целом. На рис. 2 представлены ГПП в порядке убывания числа видов присоединений n_b. Например, на ГПП "Хлорная" НАК "Азот" имеется 8 видов присоединений, на ОП-5 ЗСМК — 4. Самыми сложными (уникальными) с этой точки зрения являются ГПП "Метаноловская" и ОП-1 (14 и 9 видов присоединений). Число видов присоединений основной части ГПП находится в пределах 4 — 8. Количество однотипных присоединений по предприятиям в целом представлено на рис. 3. Наиболее часто встречается присоединение "один выключатель — один кабель в одной ячейке" (268 шт. на НАК "Азот").

 

Рис. 2

Рис.3

 

С учетом вышеуказанного необходимо уточнить значение k_и. Для сравнения степеней сложности подстанций введем понятие коэффициента сравнения

k_cp = k_и  * r",                               (3)

где r" — относительное число видов присоединений (относительно, например, их максимального числа на ГПП).

Как видно из анализа значений k_cp , при веденных в табл. 1 и 2, наиболее сложными, учитывая количественный и качественный состав заполнения ячеек, являются подстанции "Метаноловская" и ОП-1, причем по значению k_cp можно судить, во сколько раз одна подстанция сложнее другой. Например, ОП-1 примерно в 2 раза сложнее ОП-19. Диапазон изменения k_cp различный у разных предприятий, но основное число подстанций имеют k_cp  = 0,2 - 0,5. Подстанции с  k_cp  > 0,5 являются уникальными.

 

Список литературы

1. Кудрин Б.И. Введение в технетику. 2-е изд., nepеpaбi. и доп. — Томск: Изд-во Томского ун-та, 1993.

2. Ценологическое определение параметров электропотребления многономенклатурных производств/ Б.И. Кудрип. Б.В. Жилин, О.Е. Лагуткиц, М.Г. Ошурков. — Тула: Приокское кн. изд-во, 1994.

3. Гамазин С.И., Ошурков M.I'. Об использовании трансформаторов в отрасли. — В кн.: Электрификация металлургических предприятий Сибири. Томск: Изд-во Томского гос. ун-та, 1984.