МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯФАКУЛЬТЕТ ПРИКЛАДНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТАЕЛЕКТРОІНЖЕНЕРІЇКАФЕДРА СИСТЕМ ЕЛЕКТРОСРОЖИВАННЯ ТА КОМП’ЮТЕРНИХТЕХНОЛОГІЙ В ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЦІГЕРАСИМІВ В

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

ФАКУЛЬТЕТ ПРИКЛАДНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ЕЛЕКТРОІНЖЕНЕРІЇ

КАФЕДРА СИСТЕМ ЕЛЕКТРОСРОЖИВАННЯ ТА КОМП’ЮТЕРНИХ ТЕХНОЛОГІЙ В ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЦІ

ГЕРАСИМІВ ВАСИЛЬ ЯРОСЛАВОВИЧ

УДК 621.9

ДОСЛІДЖЕННЯ ТА АНАЛІЗ СХЕМ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ СПОЖИВАЧІВ

В АВАРІЙНИХ СИТУАЦІЯХ

141 – «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»

Автореферат

дипломної роботи на здобуття освітнього ступеня «магістр»

Тернопіль

2018

2

Роботу виконано на кафедрі систем електроспоживання та комп’ютерних технологій в електроенергетиці Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України

Керівник роботи: кандидат технічних наук, доцент кафедри систем електроспоживання та комп’ютерних технологій в електроенергетиці

Оробчук Богдан Ярославович,

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя,

Рецензент: доктор технічних наук, професор кафедри світлотехніки та електротехніки

Андрійчук Володимир Андрійович,

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя,

Захист відбудеться 21 лютого 2018 р. о 14

годині на засіданні

екзаменаційної комісії № 40 у Тернопільському національному технічному

університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль,

вул. Микулинецька, 46, навчальний корпус № 7, ауд. 310

ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ РОБОТИ

Актуальність теми. Наше життя тісно пов'язана з електроенергією. Без неї перестають функціонувати системи зв'язку, транспорт, а будинки та вулиці занурюються в темряву.

Сучасні електричні мережі, що забезпечують електропостачання різних об'єктів є основою їх енергозабезпечення. Виготовлення тієї чи іншої продукції, якість і кількість її безпосередньо залежить від стабільності параметрів електроенергії. Але не тільки промислові підприємства потребують безперебійної та якісної електричної енергії. Цивільних установ, наприклад лікарні, більшість оборонних і військових об'єктів також не допускають порушень в поставках електроенергії та погіршення її якості.

Незважаючи на резервування, що є одним з основних принципів побудови електричних мереж, виникають такі ситуації, при яких воно не виявляється ефективним. І тоді за відсутності інших джерел електроенергії можливі такі наслідки:

- небезпека і реальний збиток фізичного стану великого числа людей;

- проблеми на промислових підприємствах, які можуть привести не тільки до матеріальних збитків в межах цих підприємств, але і торкнутися великої території навколо них істотним погіршенням екологічної ситуації;

- порушення обороноздатності держави.

Без безперебійного та якісного електропостачання неможлива нормальна робота комп'ютерів, більшості приладів для контролю тих чи інших параметрів і процесів, а також вимірювальної техніки, виконання більшості процесів і заходів в медичних установах, робота диспетчерських служб, нормальна робота банків, робота нафто і газопроводів.

І це лише мала частина тих споживачів електроенергії, для яких її відключення неприпустимо так само, як і погіршення її якості. Існує кілька категорій споживачів електричної енергії - перша, друга і третя, для яких перебої з її поставками і якістю або неприпустимі, або нормовані в часі. Для них передбачені спеціальні системи гарантованого постачання електроенергією. Вони починають екстрене електропостачання при перших ознаках проблеми в штатної електромережі.

В першу чергу такі системи повинні відповідати вимогам надійності, мати високу швидкодію і здійснювати безперервне контролювання за різними параметрами системи. Крім цього має забезпечуватися якість електроенергії зі збереженням допустимих параметрів основного джерела. Комбінація джерел електроенергії якраз і забезпечує максимальну надійність автономної системи енергопостачання, а комплектуючи такі системи акумуляторними батареями, можна забезпечити їх швидкодію.

Робота систем електропостачання без аварій неможлива, і їх відмови - не

така вже й рідкість. Тому забезпечення безперебійного електропостачання

споживачів - важливе завдання електроенергетики і актуальна проблема

сьогодення.

Мета і завдання дослідження.

Мета і задачі дослідження. Метою дипломної роботи є дослідження способів виявлення пошкоджень повітряних ліній при однофазному замиканні на землю та їх контроль.

Для досягнення цієї мети поставлено наступні задачі дослідження:

1. Виконати аналіз сучасних технологій в системах аварійного живлення.

2. Визначити оптимальний варіант електропостачання при виникненні аварійної ситуації.

3. Виконати аналіз типів аварійних ситуацій та постановка задачі.

4. Виконати побудову генетичного алгоритму вибору оптимального варіанту електропостачання.

Об'єкт дослідження - джерела безперебійного живлення.

Предмет дослідження – аналіз використання та технічні характеристики систем аварійного електропостачання.

Наукова новизна роботи.

Наукова новизна роботи полягає у запропонованому алгоритмі, який дозволить підвищити якість і оперативність прийняття рішень щодо електропостачання споживачів в аварійних і передаварійних ситуаціях на мережі підприємства та забезпечить зниження збитків від відключення споживачів та їх простоїв.

Практична значущість роботи.

Практична значущість роботи полягає в створенні генетичного алгоритму, його системи керування, що дозволяє проектувати системи електропостачання споживачів в аварійних ситуаціях.

Апробація.

Основні положення роботи і її результати доповідалися на VІ Міжнародній науково-технічній конференції молодих учених та студентів «Актуальні задачі сучасних технологій» 16-17 листопада 2017 р. (Тернопіль 2017 р.)

Структура роботи.

Робота складається зі вступу, 8 розділів, висновків, переліку посилань (33 найменування).

Загальний обсяг текстової частини – 108 сторінок, 7 таблиць, 20 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи: стан розробки наукової проблеми й актуальність, мету і завдання роботи, об’єкт та предмет дослідження, описану наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів.

У першому розділі «Аналітична частина» розглянуто основні стратегії безперебійного живлення, зокрема детально проаналізовано розподілені і централізовані джерела безперебійного живлення, гібридні рішення на їх основі, виконано повний аналіз нових технологій в системах безперебійного живлення.

Багато організацій відчувають потребу в джерелах безперебійного живлення (ДБЖ) для свого обладнання. ДБЖ виступають свого роду посередниками, які забезпечують безперервний розподіл енергії між споживачами незалежно від розміру організації і коливань обсягів її енергоспоживання. Стратегії забезпечення резервного живлення традиційно реалізуються в двох формах: централізованій і розподіленій. З технічної точки зору вони служать одній меті, а саме для забезпечення безперебійного живлення, особливо в несприятливих умовах (викиди і провали напруги в мережі, коливання рівнів напруги, перерви в подачі електроенергії, нестабільність частоти мережі та інші подібні проблеми).

За матеріалами огляду літературних джерел можна зробити висновок, що вибір оптимальної архітектури аварійного живлення залежить від складного набору змінних величин, таких як здатність організації здійснювати моніторинг або управління конкретною системою, співвідношення витрат і переваг для кожного рішення, поточний обсяг використовуваного простору серверної стійки і майбутні потреби, поточні і прогнозовані споживання енергії, а також інших технічних питань.

Розглянуті новітні технології безперебійного електроживлення дозволя- ють забезпечити підвищення надійності і ККД за рахунок зменшення кількості систем додаткових сформованих напруг, виключити циркуляції потужності в виробничому контурі, зменшити кількість силових ключових елементів і спро- стити схеми управління, а також забезпечити високу якість електричної енергії.

У другому розділі «Науково-дослідна частина» проведено визначення оптимального варіанту електропостачання, типів аварійних ситуацій та здійсне- но постановку задачі, а також розроблено етапи побудови алгоритму вибору варіанту електропостачання.

Для визначення найбільш оптимального варіанту електропостачання споживачів в аварійних і передаварійних ситуаціях потрібно класифікувати ці ситуації і визначити ті параметри мережі електропостачання, на основі яких буде здійснюватися вибір. В умовах обмежень за потужністю необхідно знайти такий варіант електропостачання, щоб збитки від відключених споживачів були мінімально можливими, а резерви потужності були задіяні максимально.

Такий вибір визначатимуть такі параметри, від яких буде залежати вибір:

Y

- оцінка питомої шкоди (збитків, що припадає па одиницю часу, як правило вимірюється в хвилинах), що включає збиток від простою робочих, плату за фонди і амортизаційні відрахування на відключене обладнання, витрати на оплату за потужність і витрати від порушення технологічного процесу, від відключення (переведення на знижений режим роботи) j-го приймача-споживача

;

P

– навантаження j-го приймача-споживача

; P

– потужність j-го трансформатора

;

P

- потужність j-го ввідного фідера

На електромережі промислового підприємства виділяються наступні аварійні і аварійні ситуації:

1) Аварії, внаслідок яких відключається один або кілька вводів в підпри- ємство (аварія на комутаційній апаратурі або зовнішнє відключення), при виникненні яких можливе використання резервів потужності на іншому фідері і резервів потужності на рівні шин низької напруги.

2) Аварії, внаслідок яких у одній або декількох секціях шин на рівні низької напруги відключається електропостачання (аварії на шині, на виході фідера, на комутаційній апаратурі, на трансформаторі), при виникненні яких можливе використання резервів потужності на рівні шин низької напруги.

Для вирішення завдання вибору варіанту електропостачання споживачів нижнього рівня в аварійних і передаварійних ситуаціях електричної мережі підприємства ми пропонуємо використовувати генетичний алгоритм, що включає наступні етапи.

1. Створення початкової популяції (отримання множини вихідних рішень задачі).

2. Схрещування (отримання нових рішень).

3. Мутація (отримання модифікованого рішення).

У запропонованому алгоритмі процес розвитку поточного покоління особин організований таким чином, що при спостереженні послідовності довжиною  з поспіль невдалих схрещувань (отримань нових рішень задачі), розвиток поточного покоління припиняється і здійснюється перехід до наступного покоління. Це дозволяє отримувати якісно кращі покоління нащадків, знизити їх розмірність, досягаючи при цьому прийнятні по точності результати роботи алгоритму. При цьому зменшується час, що витрачається на вирішення поставленої задачі, що є суттєвим при великій кількості споживачів- регуляторів.

У третьому розділі «Технологічна частина» розглянуто аварійні режими роботи системи, схему заміщення прямої послідовності, виконано розрахунок струмів трифазного, двофазного і однофазного короткого замикань та однофаз- них замикань на землю.

Розрахунок аварійних режимів системи електропостачання необхідний

для з'ясування справжніх параметрів режиму при різних видах ушкоджень. Ці

розрахункові значення застосовуються при виборі параметрів

електрообладнання, пристроїв релейного захисту та автоматики електричної мережі.

Аварійні режими виникають внаслідок пошкодження елементів електрич- ної мережі. Найбільш небезпечними і частими ушкодженнями в СЕП ПП є короткі замикання (КЗ) між фазами елемента електричної мережі або електро- установки і короткі замикання фази на землю в мережах з глухозаземленою нейтраллю. Внаслідок КЗ порушується нормальна робота СЕП ПП, крім того, становить небезпеку термічне і динамічна дія струму КЗ як в місці пошкодження, так і при проходженні його по неушкоджених елементах системи електропостачання. Для запобігання розвитку аварії необхідно знати значення струмів всіх можливих видів КЗ.

В рамках дипломної роботи було проведено розрахунок початкових надперехідних струмів при аваріях в характерних точках системи електропоста- чання. В якості аварійних режимів слід прийняти: трифазні, двофазні, трифазні короткі замикання в мережі з глухозаземленою нейтраллю (0,4 кВ); трифазні, двофазні.

У четвертому розділі «Проектно-конструкторська частина» виконано розрахунок втрат при порушенні електропостачання, розроблено заходи щодо підвищення надійності електропостачання за допомогою схем АВР, виконано підбір агрегатів резервного живлення.

При відключенні підприємства завжди мають місце втрати (псується сиро- вина, псується продукція, робітники не працюють, але зарплату отримують, підприємство не отримує очікуваного прибутку).

У більшості схем пусковий орган АВР - це реле напруги. Якщо до шин підключено потужні синхронні двигуни вимикання джерела живлення не призводить до миттєвого зниження напруги на шинах. Двигуни переходять у генераторний режим і на шинах досить тривалий час підтримується напруга, близька до номінальної. А тому на підстанціях, до яких підключено синхронні двигуни, в якості пускового органу використовують реле частоти. Двигуни під- тримують напругу, але частота цієї напруги швидко падає внаслідок використання кінетичної енергії ротора двигуна.

З метою економії інвестицій рекомендується застосовувати газотурбінні установки з електромагнітними муфтами. В нормальному режимі генератор працює як джерело реактивної потужності з плавним регулюванням. При аварії запускається авіаційний двигун, а електромагнітна муфта підключає його до генератора. При цьому в період пуску первинного двигуна напруга в мережі не зникає, зменшується тільки частота.

У п’ятому розділі «Спеціальна частина» розглянуто режими роботи блоку керування АВР у схемі «Два робочі вводи з секціонуванням» та «Два робочі вводи з секціонуванням + ввід від ДЕС» при порушенні електропоста- чання.

При відновленні живлення на будь-якому робочому вводі до необхідного

значення, відбувається пуск схеми «відновлення нормального режиму» в блоці

АВР, після витримки часу t6 видається команда на відключення вимикача QF1 і зупинки ДЕС.

При відновленні живлення на обох робочих вводах, видається команда і на відключення секційного автоматичного вимикача QF10.

Якщо живлення відновилося лише на одному з робочих вводів, то команда на відключення секційного вимикача не видається. АВР видає команду на:

 включення автоматичних вимикачів QF1, QF19 за умови:

 наявність необхідного значення напруги на робочих вводах №1 і №2;

 відключені автоматичні вимикачі QF10, QS1.

На рис. 1 приведено структурна схема алгоритму роботи АВР.

.

Рисунок 1 – Структурна схема алгоритму роботи АВР

У шостому розділі «Обґрунтування економічної ефективності» розгля-

нуто методику техніко-економічних розрахунків, виконано визначення кошто-

рисної вартості реконструкції закритого розподільного пристрою 10 кВ, виконано розрахунок втарт від недопостачання електроенергії споживачам при відмові або неселективному спрацьовуванні засобів автоматики, визначені амортизаційні відрахувань елементів електричної мережі.

У сьомому розділі «Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуа- ціях» розглянуто основні вимоги безпеки в аварійних ситуаціях, розроблено заходи надання першої допомоги потерпілому при ураженні електричним струмом та підвищення стійкості роботи об’єктів енергетики під час НС воєн- ного часу, а також міроприємства по проведенню першочергових відбудовних робіт на електростанціях (підстанціях і лініях електропередач) в зоні НС.

У восьмому розділі «Екологія» виконано аналіз системи «енергетика – навколишнє середовище», запропоновано основні шляхи стабільного енергопостачання та зменшення впливу на довкілля.

ВИСНОВКИ

У дипломній роботі виконано дослідження та аналіз схем електропос- тачання споживачів в аварійних ситуаціях з метою вибору найоптимальнішої архітектури аварійного живлення.

На підставі виконаних досліджень в дипломній роботі зроблено наступні висновки:

1. За матеріалами огляду літературних джерел можна зробити висновок, що вибір оптимальної архітектури аварійного живлення залежить від складного набору змінних величин, таких як здатність організації здійснювати моніторинг або управління конкретною системою, співвідношення витрат і переваг для кожного рішення, поточний обсяг використовуваного простору серверної стійки і майбутні потреби, поточні і прогнозовані споживання енергії, а також інших технічних питань.

2. Розглянуті в якості аналогів пристрої безперебійного електроживлення дозволяють забезпечити підвищення надійності і ККД за рахунок зменшення кількості систем додаткових сформованих напруг, виключення циркуляції потужності в контурі: резервна мережа - зворотні діоди інвертора - зворотний інвертор - резервна мережа, зменшення кількості силових ключових елементів і спрощення схеми управління, а також забезпечити високу якість електричної енергії.

3. Розроблений алгоритм дозволить підвищити якість і оперативність прийняття рішень щодо електропостачання споживачів в аварійних і передаварійних ситуаціях на мережі підприємства та забезпечити зниження збитків від відключення споживачів і їх простоїв.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Герасимів В.Я. Аналіз ефективності електропостачання при використанні автономних вітродизельних установок. Актуальні задачі сучасних технологій:

зб. тез доповідей міжнар. наук.-техн. конф. молодих учених та студентів, (Тернопіль, 16–17 листоп. 2016.) // М-во освіти і науки України, Терн. націон.

техн. ун-т ім. І. Пулюя [та ін]. – Тернопіль: ТНТУ, 2017. – С. 95-96.

АНОТАЦІЯ

Герасимів В.Я. Дослідження та аналіз схем електропостачання споживачів в аварійних ситуаціях, 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка; Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2018.

У дипломній роботі виконано дослідження та аналіз схем електропоста- чання споживачів в аварійних ситуаціях.

Зокрема, було проведено аналіз вибору оптимальної архітектури аварійного живлення та пристроїв безперебійного електроживлення, які забезпечують підвищення надійності і ККД. Запропоновано алгоритм, який дозволяє підвищити якість і оперативність прийняття рішень щодо електропостачання споживачів в аварійних і передаварійних ситуаціях.

Ключові слова: електрична мережа, електропостачання, промислове підприємство, аварійні ситуації, еволюційне моделювання.

ANNOTATION

Vasyl Herasymiv. Research and analysis of the consumers electricity supply schemes at emergency situations, 141 – Electrical Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics; Ternopil Ivan Puluj National Technical University; Ternopil, 2018.

In the diploma paper the research and analysis of electricity supply schemes for consumers in emergencies.

In particular, an analysis of the choice of the optimal architecture of the emergency power supply and uninterruptible power supplies was made, which provide increased reliability and efficiency. An algorithm is proposed that allows to increase the quality and efficiency of decision-making in relation to electricity supply of consumers in emergency and transient situations.

Key words: electricity grid, electricity supply, industrial enterprise, emergency

situations, evolutionary modeling.