Predavanje 11–14

Industrijske mreže

Distributivne i industrijske mreže, TF Čačak

Konfiguracije industrijskih mreža

Postoje radijalne konfiguracije i konfiguracije sa magistralnim vodom.

Radijalne konfiguracije

Vrlo česte u praksi. Osnovna karakteristika je da od napojne tačke nema odvoda snage sve do krajnjih potrošača. Mogući oblici ovih konfiguracija prikazani su na slici:

Tri radijalne šeme na 6 (10) kV: A, jedan vod od izvora preko prekidača i rastavljača do sabirnica potrošača; B, dva voda do dve sekcije sabirnica spojene rastavljačem; C, dva voda sa prekidačima na oba kraja do dve sekcije sabirnica spojene prekidačem.

Ovakve šeme podrazumevaju veliku količinu komutacione opreme, jer obično postoji veliki broj istih napojnih vodova.

Šema A koristi se kod onih potrošača gde su dozvoljeni duži prekidi u napajanju (čak i do jednog dana).

Šema B koristi se za važnije potrošače, gde se dozvoljava prekid u snabdevanju energijom od 1 do 2 sata.

Šema C koristi se za kritične potrošače, kod kojih nisu dozvoljeni prekidi u napajanju, pošto prekid u napajanju dovodi do velikih tehnoloških poremećaja.

Konfiguracije sa magistralnim vodom

Primenjuju se u slučajevima kada postoji mnogo potrošača i kada su radijalne mreže neekonomične. Magistralni vodovi omogućavaju priključenje po nekoliko podstanica, kao što je prikazano na slici. Ovakva konfiguracija ima manju pouzdanost, ali i znatno manju količinu skupe komutacione opreme.

Magistralni vod sa sabirnica 6 (10) kV prolazi redom kroz četiri podstanice, ulazeći i izlazeći preko rastavljača na njihovim sabirnicama; svaka podstanica preko rastavljača i prekidača napaja svoj transformator i potrošače.

Kada se zahteva visoka pouzdanost i kada se teži boljem iskorišćenju magistralnih vodova primenjuje se konfiguracija sa dvostrukim magistralnim vodom. Ova konfiguracija prikazana je na slici. Pri kvaru na bilo kojoj magistrali napajanje se prebacuje na drugu magistral preko sabirnice niskog napona. Ovo traje 0,1 do 0,2 s i praktično nema negativnih tehnoloških posledica.

U praksi se često napajanje industrijskih potrošača vrši kombinacijom prethodne dve konfiguracije. Pri tome, manje važni potrošači se snabdevaju radijalnim konfiguracijama, a važniji potrošači konfiguracijama sa magistralnim vodom.

Dvostruki magistralni vod: iz prve i druge sekcije sabirnica 6 (10) kV polaze dve magistrale, a svaki transformator 6 (10)/0,4 kV vezan je na obe; njegove sabirnice 0,4 kV spojene su sa susednim preko prekidača.

Tipične šeme industrijskih postrojenja

Kada se bira šema industrijskog postrojenja, jedan od najvažnijih kriterijuma je da li industrija ima sopstvenu elektranu, ili ne.

Tipična šema industrijskog postrojenja bez sopstvene elektrane, kada u njemu postoji naponska transformacija prikazana je na slici. Transformatorska postrojenja se postavljaju na mesto prelaza od spoljnjeg elektroenergetskog sistema na unutrašnji. Ovakve šeme postrojenja karakteristične su za industrijske potrošače većih snaga i sa većom površinskom gustinom opterećenja.

Sa sabirnica spoljne mreže dva voda preko prekidača i rastavljača, svaki sa noževima za uzemljenje, napajaju dva transformatora; njihove sekcije sabirnica spojene su prekidačem, a sa svake polaze tri izvoda sa prekidačima.

Interesantna je i šema sa dva naponska nivoa kod industrijskih potrošača, što je vrlo često u praksi. Karakteristična je za velike industrijske potrošače kod kojih su veliki prijemnici električne energije prostorno znatno udaljeni.

Sa sabirnica 110–220 kV dva tronamotajna transformatora napajaju dve sekcije sabirnica 35 kV i dve sekcije 10 (20) kV; sekcije istog napona spojene su prekidačem, a sa svake polaze izvodi sa prekidačima.

U slučaju kada preduzeće poseduje sopstvenu elektranu, šema postrojenja je data na donjoj slici.

Sa sabirnica 6–20 kV dva voda preko prekidača napajaju dve sekcije sabirnica spojene prekidačem; na svaku sekciju vezani su generator sopstvene elektrane, izvod potrošača i transformator.

Izbor lokacija glavnih transformatorskih stanica u industrijskim mrežama

Na njihov izbor utiče jako puno različitih informacija o:

Broju, rasporedu i veličini pojedinih potrošača.
Dijagramima opterećenja potrošača.
Karakteristikama opreme u industrijskoj mreži i drugi.

Ovaj problem matematički se specificira kao:

Za poznatu grupu potrošača $i = 1, 2, \cdots, n$ (sa poznatim opterećenjem $P_i$ i lokacijama $x_i$ i $y_i$ ) treba naći lokaciju jedne ili više glavnih transformatorskih stanica (TS) u cilju minimizacije ukupnih godišnjih troškova, što znači da je ovo tehničko-ekonomski problem.

Kod kvalitativnih metoda uvode se pokazatelji rasipanja opterećenja date lokacije u odnosu na lokaciju glavne TS sa koordinatom (X, Y).

U ravni x-y tačke 1, 2, 3, …, i, …, n su lokacije potrošača, a zvezdica (X, Y) lokacija glavne TS.

Rasipanja snage po x i y osi su (postoje i drugi pokazatelji):

R_x = \sum_{i=1}^{n}P_i(x_i - X)^2;

R_y = \sum_{i=1}^{n}P_i(y_i - Y)^2.

Pošto je u prethodnim izrazima uvedena razlika dve dužine, onda je ukupno rasipanje $R_x$ i $R_y$ ne zavise od koordinatnog početka.

Ukupno rasipanje je:

R = R_x + R_y.

Ukupno rasipanje zavisi od sastava i lokacije potrošača u grupi i od lokacije glavne TS, zadate sa koordinatama (X, Y).

Centar opterećenja, odnosno lokacija glavne TS, predstavlja minimum prethodne funkcije R.

Potrebni uslovi minimuma su:

\frac{\partial R_x}{\partial X} = 0;\quad \frac{\partial R_y}{\partial Y} = 0,

dok su dovoljni uslovi minimuma:

\frac{\partial^2 R_x}{\partial X^2} > 0;\quad \frac{\partial^2 R_y}{\partial Y^2} > 0.

Rešavanjem prethodnog uslova potrebnih uslova minimuma dobija se:

\boxed{X_0 = \frac{\sum\limits_{i=1}^{n}P_ix_i}{\sum\limits_{i=1}^{n}P_i};\quad Y_0 = \frac{\sum\limits_{i=1}^{n}P_iy_i}{\sum\limits_{i=1}^{n}P_i}}.

Ove formule su analogne proračunima težišta u mehanici.

Dakle, u tački $(X_0, Y_0)$ je rasipanje opterećenja minimalno, pa je to optimalna lokacija glavne TS.

Drugi problem koji se može rešavati jeste da se za poznate lokacije glavnih TS odredi optimalna raspodela opterećenja na njima, tako da troškovi budu minimalni.

Funkcija cilja u tom slučaju je:

F = \sum_{j=1}^{N_s}\sum_{i=1}^{n}P_i\left[(x_i - X_j)^2 + (y_i - Y_j)^2\right],

gde su:

$N_s$ – broj glavnih TS (podstanica);
$n$ – broj potrošača na jednom (j-tom) izvodu;
$X_j$ , $Y_j$ – koordinate glavnih TS;
$x_i$ , $y_i$ – koordinate potrošača.

U svim prethodnim izrazima figuriše opterećenje $P_i$ . Pošto je ono promenljivo, onda se uzima maksimalno opterećenje koje se u datom trenutku može javiti.

Međutim, u rešavanju ovih problema mora se voditi računa i o rastu industrijske mreže (po dužini vodova, i po opterećenju). Dakle, mora se uvažiti efekat prognoze porasta konzuma.

Drugi problem (ograničenje) je što je nehomogenost potrošača vrlo velika. Ne bi se smeli zajedno vezivati veliki jednofazni potrošači (na primer, elektrolučne peći) i elektronska oprema koja zahteva stalan napon.

Treći problem je nesimetrija opterećenja.

Izbor optimalnog naponskog nivoa industrijske mreže

Ovaj problem se postavlja kao optimizacioni. Potrebno je naći optimalnu vrednost za prenos zadate snage na zadato rastojanje, u cilju minimizacije stalnih godišnjih troškova (tehničko-ekonomska analiza). Zbog toga se često na malom prostoru sreće više naponskih nivoa (na primer, 1, 3 i 6 kV).

Postoji više empirijskih formula za proračun optimalnih napona, kao što su na primer:

Vejkertova formula

U = 3\sqrt{S} + 0{,}5L,

gde su:

$U$ – linijski napon u [kV];
$S$ – snaga koja se prenosi u [MVA];
$L$ – udaljenost prenosa u [km].

Stilov obrazac (koristi se u SAD)

U = 4{,}34\sqrt{L + 16P},

gde je P aktivna snaga koja se prenosi u [kW].

Nikogosov obrazac (koristi se u Rusiji)

U = 16\sqrt[4]{LP}.

Švedski obrazac

U = 17\sqrt{\frac{L}{16} + P}.

Na ovaj način se grubo odredi nestandardni napon koji se posle zaokružuje na standardnu vrednost.

Upravljanje vršnim opterećenjem u industrijskim mrežama

Većina industrijskih potrošača ima neravan dnevni dijagram opterećenja. Isto tako imaju neravan sedmični, mesečni i godišnji dijagram.

Posledica takvih dijagrama opterećenja je pojava vršnih opterećenja koja su znatno veća od prosečnih (pod vršnim opterećenjem se podrazumeva maksimalno 15-minutno opterećenje tokom obračunskog perioda (meseca)).

Da bi se ovo popravilo postoje direktne i indirektne mere. Najlakši način je tarifnim sistemom.

Tarifni sistem u Srbiji ima tri elementa:

C = aW_a + bP_{max} + cW_r,

gde su:

$W_a$ – utrošena aktivna energija u [kWh];
$a$ – cena utrošene aktivne energije u [din/kWh];
$P_{max}$ – maksimalno registrovano vršno opterećenje u [kW] tokom meseca;
$b$ – cena jednog [kW] vršnog opterećenja;
$W_r$ – prekomerno preuzeta reaktivna energija (pozitivna razlika utrošene reaktivne energije i onog dela koji odgovara nekom fiksnom besplatnom faktoru snage (na primer, $\cos\varphi = 0{,}95$ )).

Vršna snaga se novčano vrednuje zato što zahteva dodatno angažovanje proizvodnih i prenosnih kapaciteta.

Ako se za trenutak pretpostavi da industrijsko preduzeće nema prekomerno preuzete energije, onda se 100 % mesečna rata industrijskog konzuma deli otprilike kao: 50 % utrošena aktivna energija i 50 % izdatak za vršnu snagu.

Dobrim korišćenjem mehanizma pomeranja vršnog opterećenja ukupni troškovi za angažovanu vršnu snagu mogu se smanjiti za nekoliko desetina %.

Pored tarifnog sistema (indirektna metoda upravljanja opterećenjem) postoje i druge, direktne metode:

Programiranje rada proizvodnih postrojenja i većih potrošača električne energije u vreme niže tarife (ne zahteva dodatnu kupovinu opreme).
Korišćenje uređaja za nadzor i signalizaciju prekomernih vršnih opterećenja. Ovaj uređaj permanentno prati vršno opterećenje preduzeća i deluje na isključenje nekih unapred definisanih potrošača. Ovako se vrh opterećenja može smanjiti za reda 10 %.
Automatsko upravljanje vršnim opterećenjem industrijske mreže. Računar uz programsku podršku nekog softverskog paketa vrši po unapred definisanom prioritetu i vremenskom trajanju isključivanje potrošača, tako da se u doba više tarife ne prekorači unapred propisano vršno opterećenje za dati nivo proizvodnje.

Postavlja se pitanje čime se može upravljati, odnosno šta se sme isključivati. To su najčešće: klimatizaciona i rashladna postrojenja, ventilaciona i kompresorska postrojenja, električno grejanje, mašinske radionice sa većim brojem istih alatnih mašina.

Nasuprot ovih postoje i potrošači koji zahtevaju kontinualno snabdevanje, pošto bi kod njih prekid značio havariju proizvodne opreme, škart proizvoda, smanjenje obima proizvodnje u odnosu na plan i slično.

Rešavanje ovog problema je složen optimizacioni zadatak.

Teme

Distributivne mreže · Potrošnja

Predavanje u PDF-u, na Drive-u

Folder predmeta Distributivne i industrijske mrežeNa Drive-u: Predavanja