2. Вибір оптимального місця встановлення трансформаторних підстанцій

Важливою задачею під час проектування електропостачальних систем промислових підприємств є визначення їхньої оптимальної структури та конфігурації. Розташування підстанцій у центрі чи в області розсіяння центру електричних навантажень, при нерівномірному розташуванні навантажень на території підприємств, не завжди дозволяє побудувати оптимальну електропостачальну систему.

Однією з основних задач проектування ЕПС промислових підприємств є раціональне розташування головної знижувальної підстанції (ГЗП), чи підстанції глибокого вводу (ПГВ), розподільних пунктів (РП), цехових трансформаторних підстанцій (ТП), силових пунктів (СП) на території підприємства. Бо від розташування підстанцій і РП на території підприємства залежать техніко-економічні показники ЕПС у цілому, тому що воно визначає структурну конфігурацію ЕПС. Зокрема, довжини розподільних мереж (витрати кольорового металу), втрати електроенергії, витрати на спорудження й експлуатацію мереж.

Досі використовується методика визначення координат місця встановлення підстанцій ЕПС як центра активних потужностей електроприймачів за такими формулами

(5.39)

де P_рi– розрахункова активна потужністьі– го електроприймача;

x_i,y_i – координати місця встановленняі– го електроприймача;

n– кількість електроприймачів (розподільної шафи, щитів тощо);

З урахуванням графіка споживання електроенергії і–го електроприймача формули (5.39) наберуть вигляду:

(5.40)

де Т_і– тривалість роботиі– го електроприймача.

Таким чином, у випадку визначення координат ЦЕН за активними потужностями наносяться суттєві збитки за рахунок збільшення витрат на ЕПС через нераціональну побудову схем внутрішнього та цехового електропостачання внаслідок нераціонального місця встановлення ТП, РП і шаф у центрах активних потужностей.

Вибір перерізу проводів, кабелів і шин, що визначають витрати на ЕПС, здійснюється за струмами, що розраховані за повною розрахунковою потужністю. Це дозволить наблизити вищу напругу до центра споживання електричної енергії та скоротити довжину ліній. Отже, місце розташування ТП, РП, силових пунктів і шаф необхідно визначати як центр повних потужностей споживачів електроенергії:

(5.41)

Необхідно зазначити, що під час визначення місця встановлення РП і ТП за (5.41) необхідно враховувати повну розрахункову потужність не як векторну, а як скалярну величину, яка дорівнює її модулю.

Якщо кількість годин використання максимуму навантаження Т_іокремих дільниць, їхніх груп чи цехів значно відрізняється й така відмінність є стійкою, то це доцільно враховувати під час визначення координат ЦЕН таким чином:

(5.42)

Оптимальним уважається таке розташування підстанції, коли забезпечується мінімум дисконтованих витрат на ЕПС, а саме

,

(5.43)

де К – капітальні вкладення варіанту;

В_е – вартість щорічних експлуатаційних витрат;

В_втр – вартість щорічних втрат електроенергії;

З_пе – ймовірні збитки від перерв електропостачання протягом року.

Для рівнозначних за надійністю варіантів виконання ЕПС, імовірні збитки від перерв електропостачання можна не враховувати.

Установленню підстанцій у ЦЕН не завжди відповідає мінімум дисконтованих витрат на ЕПС. Пояснюється це в першу чергу нелінійною залежністю витрат на спорудження мереж ЕПС від величини навантажень. Крім того, у випадку визначення місця встановлення підстанцій за повними потужностями неможливо врахувати:

а) капітальні витрати на лінії, тобто конструкційне виконання ліній – кабельна, повітряна, шинопровід; тип опор; спосіб прокладання – на естакадах, у галереях, траншеях, блоках, кабельних тунелях, а також експлуатаційні витрати, що складаються з втрат потужності, витрат на ремонт й обслуговування;

б) зміни витрат на ЕПС у випадку живлення приймачів електроенергії різних категорій (кількість кабельних ліній у траншеї, тунелі, естакаді, шинопроводів і повітряних ліній тощо);

в) витрати на електричні лінії, що прокладаються на території підприємства.

Подамо цільову функцію дисконтованих витрат на ЕПС у такому вигляді:

(5.44)

де В_дод – додаткові дисконтовані витрати, які не залежать від довжини лінії;

l_i – довжина лінії живлення і – ої ділянки.

Проектування оптимальних цехових ЕПС пов’язана головно з визначенням кількості, потужності та місць установлення цехових ТП і РП, оскільки від них залежить довжина ліній і переріз проводів, що живлять окремі електроприймачі та їхня питома вартість.

Для цехів підприємства з відомими розмірами та технологічними особливостями, параметрами й розміщенням електроприймачів слід визначити спосіб конструкційного виконання електроустаткування (спосіб прокладання електричних ліній) та розміщення цехових РП, ураховуючи екологічні та локалізаційні обмеження.

Відомі три основних методи визначення місць установлення ТП і РП, у яких використовується поняття центру електричних навантажень.

Перший метод грунтується на використанні формул теоретичної механіки для знаходження центру мас. Другий метод ураховує імовірнісний характер графіка навантаження промислового об'єкту. Третій метод грунтується на мінімізації цільової функції дисконтованих витрат для ЕПС, які виконані за радіальною схемою.

Основний недолік перших двох методів – неможливість урахування техніко-економічних чинників. Третій метод хоч і немає недоліків перших двох, але не дозволяє враховувати обмеження, що накладаються технологічними, архітектурно-будівельними чинниками й умовами довкілля. Отримані в результаті розрахунку за третім методом оптимальні координати місць установлення ТП і РП можуть бути неприпустимими за наведеними вище умовами. Наприклад, ТП і РП можуть потрапити на шляхи, сховища, технологічні потоки, адміністративні приміщення, в пожежо – та вибухо­небезпечні зони.

В умовах традиційного проектування місця встановлення ТП і РП визначається проектувальниками-архітекторами без урахування техніко-економічних вирішень з електричної частини проекту ЕПС. Координати оптимального місця встановлення ТП і РП необхідно визначати з урахуванням обмежень, тобто в допустимих зонах. Під час проектування таких зон може бути декілька. У такому випадку місце встановлення ТП і РП слід приймати на підставі варіантних розрахунків для всіх можливих зон. За критерій вибору доцільно прийняти мінімум дисконтованих витрат, які близькі до витрат, отриманих під час розрахунків з урахуванням оптимального центру, який знайдено шляхом мінімізації цільової функції без обмежень.

Процедура вибору оптимальних місць установлення РП і ТП пов’язана з попереднім визначенням електричних навантажень, потужності й кількості трансформаторів і компенсувальних устав і перерізу проводів. Тому вона повинна бути багатоваріантною й виконуватись за ітераційним принципом із використанням ЕОМ в умовах локальної обчислювальної мережі, що забезпечує комплексне проектування.

Метод визначення оптимальних місць розташування ТП і РП грунтується на мінімізації нелінійної цільової функції дисконтованих витрат такого вигляду

,

(5.45)

з обмеженнями типу нерівностей вигляду

(5.46)

де x_о, y_о – шукані оптимальні координати місця встановлення ТП чи РП;

n– кількість ліній, які підходять до ТП чи РП і відходять від них;

В_оді – питомі дисконтовані витрати наі–ту лінію, тис.грн./км;

l_i – довжинаі – ої лінії, км;

a₁, a₂ – обмеження, що накладаються на координатуx_о, км;

b₁, b₂– обмеження, що накладаються на координатуy_о, км.

Припустивши, що траси прокладання ліній є прямолінійними, знаходимо

(5.47)

де x_i , y_i – координати місця знаходження і – го електроприймача, шафи, щитка, ТП.

Питомі дисконтовані витрати для і-тої лінії визначаються за формулою:

,

(5.48)

де S_pi – розрахункова потужність навантаження і - тої лінії, МВА;

U_ні – номінальна напруга лінії, кВ;

_mi – тривалість максимальних втрат, год.;

С_о – тариф за спожиту активну електроенергію, грн/).

Мінімум цільової функції (5.64) з урахуванням обмежень (5.62) знаходиться одним із числових методів нелінійного програмування, а саме – SUMT Фіакко-Маккорміка.