Рассмотрим подробно процесс оптимизации развития электрической сети, показанной на рис. 5.7. Продолжительность расчётного периода – 5 лет. Изменения нагрузок узлов 1 и 2 приведены на рис. 5.8.
В течение проектного периода возможно проведение реконструкции существующей линии Л1 путем подвески второй цепи на существующие двухцепные опоры. Новые линии Л2, Л3 для присоединения новой подстанции (узла 2) - одноцепные. Коэффициент дисконтирования Е при вычислении затрат по (5.8) принят равным 0,1. Стоимость потерь электроэнергии вычисляется при =0,7 руб./кВт·ч.
Для описания развития сети используют вектор состояния , где t – номер этапа развития (t= 1, 2,…, 5). Число компонент вектора на каждом этапе равно сумме числа новых и реконструируемых линий:
.
Здесь – i -я компонента вектора , соответствующая i -й линии.
Рис.5.7. Схема, проектируемой сети
Рис. 5.8. Нагрузки сети
В табл. 5.1 для линий Л1 – Л3 указаны по два возможных состояния (исходное - и конечное - , i =1, 2, 3), в которых может находиться каждая линия на любом этапе развития. Так как i -я линия (i= 1, 2, 3) может находиться в одном из двух состояний,
то общее число вариантов значений вектора равно
.
Таблица 5.1. – Варианты состояний линий сети
Л1
Л2
Л3
Значения компоненты вектора состояния C1 t
Характеристика состояния
Значения компоненты вектора состояния C2 t
Характеристика состояния
Значения компоненты вектора состояния C3 t
Характеристика состояния
Одна цепь АС-300
Линия отсутствует
Линия отсутствует
Две цепи АС-300
Линия АС-400
Линия АС-300
Состояния сети, описываемые векторами и , недопустимы, так как в таких схемах узел 2 не имеет связей с центром питания (узлом 0), что следует из рис. 5.9.
Параметры, необходимые для расчётов режимов сети и экономических показателей даны в табл. 5.2. Расчёт режима (фаз потенциалов узлов , ) в различных вариантах проектируемой сети (рис.5.9) осуществляется решением системы линейных уравнений (5.6). Элементы матрицы коэффициентов в (5.6) вычисляются по (5.4).
Рис. 5.9. Расчётные схемы сети
Таблица 5.2. – Параметры линий
Линии
Состояние линии
Исходное
Конечное
,
Ом
,
Ом
,
МВт
,
млн. кВт·ч
,
млн. руб
, Ом
, Ом
,
МВт
,
млн. кВт·ч
, млн. руб
Л1
19,60
85,80
2,44
-
9,80
42,90
4,72
177,00
Л2
-
-
-
-
-
11,25
63,00
1,37
281,25
Л3
-
-
-
-
-
9,80
42,90
1,22
158,00
Потери электроэнергии для каждого варианта развития электрической сети определены как сумма нагрузочных потерь и потерь на корону (рис.5.10).
Рис. 5.10. Суммарные потери электроэнергии по вариантам развития
электрической сети
Нагрузочные потери рассчитаны методом числа часов максимальных потерь, рассмотренным в § 3.4.
В качестве примера расчёта элементов матрицы коэффициентов рассмотрим схему проектируемой сети, соответствующую вектору состояния , (см. рис. 5.9). В этом состоянии линия Л1 имеет одну цепь с проводами АС-300 (исходное состояние), линия Л2 – одна цепь с проводами АС-400 (конечное состояние) и линия Л3 – одна цепь с проводами АС-300 (конечное состояние) (см. табл. 5.1).
Коэффициенты для ветвей этой схемы вычислены по (5.4) при U =230 кВ:
Диагональные элементы матрицы и матрица в целом равны
(5.14)
Решение системы линейных уравнений (5.6) для рассматриваемой задачи может быть выполнено методом обратной матрицы
(5.15)
где , – нагрузки узлов 1 и 2 в году t.
Матрица обратная по отношению к матрице (5.14) определяется следующим образом.
,
где – алгебраическое дополнение элемента в определителе .
Определитель матрицы (5.14) равен
.
Обратная матрица
.
Искомые фазы потенциалов узлов для схемы, определяемой вектором , при нагрузках узлов схемы сети года t =1 вычисляются по (5.15).
.
Потоки мощности по ветвям сети (см. рис. 5.9) определяются по формуле (5.3).
МВт;
МВт;
МВт.
Расчётные потоки мощности по ветвям сравниваются с предельно допустимыми (см. в табл. 5.2). На основании чего делается вывод о допустимости рассматриваемого варианта схемы (вектора состояния) в году t.
Нагрузочные потери мощности в линиях в году t =1 вычислены по формуле
МВт,
а потери электроэнергии равны
Результаты расчётов режимов для вариантов схем рис. 5.9 для всех лет расчётного периода приведены в табл. 5.3.
В этой таблице режимы недопустимые по условиям ограничений на передаваемую мощность выделены курсивом. Для недопустимых режимов расчёты потерь мощности и энергии не выполняются.
Множество допустимых состояний в каждом году расчётного периода связаны между собой дугами графа развития сети (рис. 5.11). Допустимость переходов от одного состояния к другому проверяется по условию (5.7). Каждой дуге графа развития ставятся в соответствие капиталовложения в сеть, а каждой вершине – эксплуатационные затраты, включающие и приращение стоимости потерь электроэнергии. Из рис. 5.11 следует, что даже для простой схемы сети существует большое количество путей развития, начинающихся в исходном состоянии и заканчивающихся в одном из допустимых состояний . Целенаправленный поиск оптимального пути развития выполняется с использованием многошагового алгоритма метода динамического программирования, рассмотренного в § 5.3.
Таблица 5.3. – Параметры схем и режимов проектируемой сети
k
Параметры схемы
Параметры режима
Годы расчётного периода
t =1
t =2
t =3
t =4
t =5
(0,0,1)
Y=
Pу1, МВт
-1849,65
1233,10
Pу2, МВт
1233,10
-1233,10
δ*1, рад
-0,13
-0,20
-0,28
-0,44
-0,57
det[ Yij ]=
760268,0924
δ*2, рад
-0,15
-0,24
-0,34
-0,54
-0,69
P01, МВт
175
-
-
Y-1=
P02, МВт
0
-
-
-0,00162193
-0,00162193
P12, МВт
-
-
-0,00162193
-0,00243289
Δ Pнагр, МВт
3,966
9,769
-
-
Δ W, млн. кВт·ч
19,522
42,737
-
-
-
(0,1,0)
Y=
Pу1, МВт
-616,55
Pу2, МВт
-839,68
δ*1, рад
-0,08
-0,12
-0,16
-0,24
-0,32
det[ Yij ]=
517706,3677
δ*2, рад
-0,04
-0,06
-0,09
-0,14
-0,18
P01, МВт
200
Y-1=
P02, МВт
150
-0,00162193
P12, МВт
-0,00119093
Δ Pнагр, МВт
1,746
4,087
7,658
17,811
-
Δ W, млн. кВт·ч
10,798
20,161
34,446
75,055
-
Продолжение табл. 5.3
k
Параметры схемы
Параметры режима
Годы расчётного периода
t =1
t =2
t =3
t =4
t =5
(0,1,1)
Y=
Pу1, МВт
-1849,65
1233,10
Pу2, МВт
1233,10
-2072,78
δ*1, рад
-0,06
-0,09
-0,13
-0,20
-0,26
det[Y]=
2313387,196
δ*2, рад
-0,05
-0,08
-0,11
-0,18
-0,23
P01, МВт
37,480
57,864
79,890
122,300
159,781
Y-1=
P02, МВт
42,520
67,136
95,110
147,700
190,219
-0,00089599
-0,00053303
P12, МВт
-12,520
-17,136
-20,110
-27,700
-40,219
-0,00053303
-0,00079954
Δ Pнагр, МВт
1,459
3,521
6,818
16,130
-
Δ W, млн. кВт·ч
10,870
19,117
32,304
69,553
-
(1,0,1)
Y=
Pу1, МВт
-2466,20
1233,10
Pу2, МВт
1233,10
-1233,10
δ*1, рад
-0,06
-0,10
-0,14
-0,22
-0,28
det[Y]=
1520536,185
δ*2, рад
-0,09
-0,14
-0,20
-0,32
-0,41
P01, МВт
80,000
125,000
175,000
270,000
350,000
Y-1
P02, МВт
0
-0,00081096
-0,00081096
P12, МВт
30,000
50,000
75,000
120,000
150,000
-0,00081096
-0,00162193
Δ Pнагр, МВт
2,113
5,246
10,493
25,270
-
Δ W, млн. кВт·ч
14,392
26,926
47,912
107,020
-
Продолжение табл. 5.3
k
Параметры схемы
Параметры режима
Годы расчётного периода
t =1
t =2
t =3
t =4
t =5
(1,1,0)
Y=
Pу1, МВт
-1233,10
0,00
Pу2, МВт
0,00
-839,68
δ*1, рад
-0,04
-0,06
-0,08
-0,12
-0,16
det[Y]=
1035412,735
δ*2, рад
-0,04
-0,06
-0,09
-0,14
-0,18
P01, МВт
Y-1=
P02, МВт
-0,00081096
P12, МВт
-0,00119093
Δ Pнагр, МВт
1,023
2,459
4,764
11,298
19,055
Δ W, млн. кВт·ч
10,183
15,928
25,147
51,284
82,312
(1,1,1)
Y=
Pу1, МВт
-2466,20
1233,10
Pу2, МВт
1233,10
-2072,78
δ*1, рад
-0,04
-0,06
-0,08
-0,13
-0,17
det[Y]=
3591361,656
δ*2, рад
-0,04
-0,06
-0,09
-0,13
-0,17
P01, МВт
48,286
74,546
102,923
157,560
205,847
Y-1=
P02, МВт
31,714
50,454
72,077
112,440
144,153
-0,00057716
-0,00034335
P12, МВт
-1,714
-0,454
2,923
7,560
5,847
-0,00034335
-0,0006867
Δ Pнагр, МВт
1,010
2,455
4,795
11,404
19,180
Δ W, млн. кВт·ч
11,352
17,131
26,493
52,927
84,033
Рис. 5.11. Граф развития электрической сети
На первом шаге рассматриваются все возможные пути развития, от состояния до каждого допустимого состояния при t =1 (рис. 5.12). В каждое состояние на этом шаге ведёт только один путь (одна дуга графа) и проблемы выбора лучшего по затратам пути здесь не существует. Затраты на первом шаге вычисляются по (5.10). Капиталовложения первого шага и затраты на рис. 5.12 даны в млн. рублей.
На втором шаге возникает множество путей от начального состояния до каждого допустимого состояния в году t =2 (см. рис. 5.12). Например, в состояние ведут три допустимых пути: , , .
Рис. 5.12. Первый и второй шаги оптимизации развития электрической сети
Капитальные вложения на любом шаге вычисляются следующим образом. Сравниваются значения компонент векторов состояния и вычисляются капитальные вложения с использованием данных табл. 5.2.
,
где – капитальные вложения в i -ю линию.
Например, для перехода () капитальные вложения равны
млн. руб.,
для перехода ()
млн. руб.
Стоимость изменения потерь электроэнергии при переходе определяется с использованием результатов расчёта режимов, приведённых в табл. 5.3. Например, при переходе потери электроэнергии изменяются следующим образом.
млн. кВт·ч; млн. кВт·ч;
млн. кВт·ч.
Здесь видно сопутствующее снижение потерь электроэнергии при развитии электрической сети. Стоимость изменения потерь в этом случае равна
млн. руб.
Эксплуатационные расходы при переходе определяются стоимостью сети в состоянии и нормативом отчислений на обслуживание сети.
млн. руб.
Затраты при пути развития определяются по (5.11).
Затраты при пути развития определяются аналогично.
Для пути
Минимальные затраты для пути развития, заканчивающегося в состоянии , равны млн. руб.
Необходимо для каждого состояния выбрать по одному пути, которому соответствует минимум затрат (5.11). Этот путь сохраняется и называется условно-оптимальным. Остальные пути отметаются. Условно-оптимальные пути (переходы) для третьего, четвёртого и пятого шагов (рис. 5.13, 5.14, 5.15) определяются аналогично по общей формуле (5.12).
При выполнении пятого шага оптимизации выявлены два альтернативных пути развития электрической сети (см. рис. 5.15). Первый из них заканчивается в состоянии , а второй – в состоянии . Суммарные затраты за расчётный период в первом случае составляют млн. руб., а во втором – млн. руб. Сравнивая эти затраты, выбираем оптимальное решение для последнего года расчётного периода .
Рис. 5.13. Третий шаг оптимизации развития электрической сети
Рис. 5.14. Четвёртый шаг оптимизации развития электрической сети
Рис.5.15. Пятый шаг оптимизации развития электрической сети
Оптимальные состояния предыдущих лет расчётного периода определяются ходом назад, двигаясь по условно оптимальным переходам. В состояние ведёт условно оптимальный переход из состояния . Именно это состояние и рассматривается как оптимальное для года t =4, т.е. . Согласно рис. 5.14 состоянию предшествует состояние и т.д.
Оптимальное развитие сети показано на рис. 5.16, а расчёты затрат приведены в табл. 5.4.
Рис. 5.16. Оптимальное развитие электрической сети
Таблица 5.4. – Оптимизация развития электрической сети
Год
t
Коэф. прив.
(1+ Е)- t
Вектор
Вектор
Потери энергии, млн. кВт·ч
Составляющие затрат, млн. руб.
j
k
Δ W ”
Δ W ’
δ W
0,909
(0,0,0)
(0,0,1)
19,522
0,000
19,522
158,000
13,666
0,000
156,060
156,060
(0,1,0)
10,798
0,000
10,798
281,250
7,559
0,000
262,553
262,553
(0,1,1)
10,870
0,000
10,870
439,250
7,609
0,000
406,235
406,235
(1,0,0)
Состояние недопустимо по режиму
(1,0,1)
14,392
0,000
14,392
335,000
10,075
0,000
313,704
313,704
(1,1,0)
10,183
0,000
10,183
458,250
7,128
0,000
423,071
423,071
(1,1,1)
11,352
0,000
11,352
616,250
7,947
0,000
567,451
567,451
0,826
(0,0,1)
(0,0,1)
42,737
19,522
23,215
0,000
16,250
1,264
170,534
170,534
(0,1,0)
(0,1,0)
20,161
10,798
9,363
0,000
6,554
2,250
269,829
269,829
(0,0,1)
(0,1,1)
19,117
19,522
-0,406
281,250
-0,284
1,264
389,308
389,308
(0,1,0)
10,798
8,319
158,000
5,823
2,250
399,804
(0,1,1)
10,870
8,247
0,000
5,773
3,514
413,910
(0,0,1)
(1,0,1)
26,926
19,522
7,403
177,000
5,182
1,264
307,668
307,668
(1,0,1)
14,392
12,534
0,000
8,774
2,680
323,170
(0,1,0)
(1,1,0)
15,928
10,798
5,130
177,000
3,591
2,250
413,662
413,662
(1,1,0)
10,183
5,745
0,000
4,021
3,666
429,424
(0,0,1)
(1,1,1)
17,131
19,522
-2,392
458,250
-1,674
1,264
534,440
534,440
(0,1,0)
10,798
6,333
335,000
4,433
2,250
544,936
(0,1,1)
10,870
6,261
177,000
4,382
3,514
559,042
(1,0,1)
14,392
2,738
281,250
1,917
2,680
549,941
(1,1,0)
10,183
6,947
158,000
4,863
3,666
560,699
(1,1,1)
11,352
5,778
0,000
4,045
4,930
574,869
Продолжение табл. 5.4
Год
t
Коэф. прив.
(1+ Е)- t
Вектор
Вектор
Потери энергии, млн. кВт·ч
Составляющие затрат, млн. руб.
j
k
ΔW”
ΔW’
δW
0,751
(0,0,1)
(0,0,1)
Состояние недопустимо по режиму
(0,1,0)
(0,1,0)
34,446
20,161
14,285
0,000
9,999
2,250
279,033
279,033
(0,0,1)
(0,1,1)
32,304
42,737
-10,433
281,250
-7,303
1,264
377,304
377,304
(0,1,0)
20,161
12,143
158,000
8,500
2,250
396,614
(0,1,1)
19,117
13,187
0,000
9,231
3,514
398,883
(0,0,1)
(1,0,1)
47,912
42,737
5,175
177,000
3,622
1,264
307,188
307,188
(1,0,1)
26,926
20,986
0,000
14,690
2,680
320,719
(0,1,0)
(1,1,0)
25,147
20,161
4,986
177,000
3,490
2,250
407,125
407,125
(1,1,0)
15,928
9,219
0,000
6,453
3,666
421,265
(0,0,1)
(1,1,1)
26,493
42,737
-16,245
458,250
-11,371
1,264
507,231
507,231
(0,1,0)
20,161
6,332
335,000
4,432
2,250
526,540
(0,1,1)
19,117
7,376
177,000
5,163
3,514
528,810
(1,0,1)
26,926
-0,433
281,250
-0,303
2,680
520,761
(1,1,0)
15,928
10,564
158,000
7,395
3,666
540,680
(1,1,1)
17,131
9,362
0,000
6,554
4,930
543,067
Продолжение табл. 5.4
Год
t
Коэф. прив.
(1+ Е)- t
Вектор
Вектор
Потери энергии, млн. кВт·ч
Составляющие затрат, млн. руб.
j
k
ΔW”
ΔW’
δW
0,683
(0,1,0)
(0,1,0)
75,055
34,446
40,609
0,000
28,427
2,250
299,985
299,985
(0,1,0)
(0,1,1)
69,553
34,446
35,107
158,000
24,575
2,250
405,271
397,514
(0,1,1)
32,304
37,249
0,000
26,075
3,514
397,514
(1,0,1)
(1,0,1)
107,020
47,912
59,108
0,000
41,376
2,680
337,279
337,279
(0,1,0)
(1,1,0)
51,284
34,446
16,838
177,000
11,787
2,250
409,513
409,513
(1,1,0)
25,147
26,136
0,000
18,296
3,666
422,125
(0,1,0)
(1,1,1)
52,927
34,446
18,481
335,000
12,936
2,250
518,215
503,514
(0,1,1)
32,304
20,623
177,000
14,436
3,514
510,458
(1,0,1)
47,912
5,015
281,250
3,510
2,680
503,514
(1,1,0)
25,147
27,779
158,000
19,445
3,666
530,827
(1,1,1)
26,493
26,434
0,000
18,504
4,930
523,236
0,621
(0,1,0)
(0,1,0)
Состояние недопустимо по режиму
(0,1,0)
(0,1,1)
Состояние недопустимо по режиму
(0,1,1)
(1,0,1)
(1,0,1)
Состояние недопустимо по режиму
(0,1,0)
(1,1,0)
82,312
75,055
7,257
177,000
5,080
2,250
414,439
414,439
(1,1,0)
51,284
31,028
0,000
21,720
3,666
425,276
(0,1,0)
(1,1,1)
84,033
75,055
8,978
335,000
6,285
2,250
513,293
503,586
(0,1,1)
69,553
14,480
177,000
10,136
3,514
523,649
(1,0,1)
107,020
-22,986
281,250
-16,090
2,680
503,586
(1,1,0)
51,284
32,750
158,000
22,925
3,666
524,129
(1,1,1)
52,927
31,107
0,000
21,775
4,930
534,796
В табл. 5.4 полужирным шрифтом выделены векторы состояния и составляющие затрат, входящие в условно оптимальные пути. Величины Δ W ” в табл. 5.4 – это потери электроэнергии в схеме сети, определяемой вектором , а Δ W ’ – потери электроэнергии в сети, представленной вектором . Величины δ W – приращение потерь электроэнергии при переходе от состояния к состоянию .
Из рис. 5.16 и табл. 5.4 видно, что в оптимальном варианте развития сети капиталовложения сдвигаются на возможно более поздний шаг расчётного периода. Изменения в сети диктуются появлением нового узла и необходимой разгрузкой линий рассматриваемой сети.