Методика оптимального распределения однофазных электроприемников в системах электроснабжения по критерию снижения дополнительных потерь, вызванных несимметрией и несинусоидальностью нагрузки

Введение. Рост количества и установленной мощности электроприемников, имеющих нелинейный и несимметричный характер нагрузки, в современных системах электроснабжения ведет к ухудшению качества электроэнергии и появлению дополнительных потерь мощности. В статье авторы решают актуальную задачу по распределению однофазных электроприемников в системе электроснабжения офисного здания для оценки суммарной доли дополнительных потерь вследствие несимметрии и несинусоидальности в общей структуре суммарных потерь в распределительной сети 0,4 кВ.
Цель. Разработать методику на основе алгоритма оптимального распределения по фазам линий L1, L2, L3 системы электроснабжения однофазных электроприемников в динамическом режиме их работы при помощи генетического алгоритма для минимизации дополнительных потерь в оборудовании систем электроснабжения, обусловленных несимметрией и несинусоидальностью.
Материалы и методы. Был разработан цифровой измеритель параметров однофазных электроприемников для сбора исходных данных с офисных электроприемников в виде массивов с мгновенными значениями напряжения питания и силы тока. В качестве целевой функции в разработанном алгоритме используются показательные величины потерь в несимметричном режиме над потерями в симметричном режиме и дополнительных потерь от высших гармонических составляющих.
Результаты и обсуждение. Представлены результаты оценки дополнительных потерь, рассчитанные с помощью предложенной методики, для оптимального распределения однофазных электроприемников офисного здания, учитывая их технологический режим работы в течение рабочего дня. Оценена эффективность применения разработанной методики на этапе проектирования систем электроснабжения по сравнению с традиционно используемым подходом путем сравнения величин дополнительных потерь электроэнергии при распределении однофазных электроприемников в статическом режиме (эффективнее на 39,9 %) и в динамическом режиме (эффективнее на 77,1 %).
Заключение. Разработанная методика позволила получить принципиально новое техническое решение, реализуемое как для действующих, так и для вновь проектируемых систем электроснабжения, позволяющее минимизировать потери в оборудовании систем электроснабжения, за счет снижения дополнительных потерь, обусловленных несимметрией и несинусоидальностью.

1. ЮндинМ. А. Исследование несинусоидальности и несимметрии в современных электросетях 0,38 кВ / М. А. Юндин, С. М. Пятикопов, Д. В. Сливин // Инновации. Наука. Образование. 2020. № 23. С. 278–286.

2. Ольховский В. Я. Исследование воздействия высших гармоник мелких нелинейных потребителей на работу сети до 1000 В / В. Я. Ольховский, Т. В. Мятеж, С. Ю. Наяксов // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2016. № 1(30). С. 84-97. https://doi.org/10.17212/1727-2769-2016-1-84-97

3. Бирюлин В. И. Исследование проблем качества электроэнергии в сетях напряжением 0,4 кВ / В. И. Бирюлин, Д. В. Куделина, И. В. Брежнев // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. № 1(53). С. 109–121.

4. Наумов И. В. Повышение эффективности электропотребления в условиях изменяющегося качества электрической энергии / И. В. Наумов // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 16. № 5. С. 559–574.

5. Сравнение показателей нормирования гармонических составляющих тока в основных ветвях нагрузки / М. Е. Биткин, Э. Е. Рогачев, И. П. Скрябин, О. В. Крюков // Автоматизация и IT в энергетике. 2021. № 9(146). С. 20–28.

6. Шидловский А. К. Повышение качества энергии в электрических сетях / А. К. Шидловский, В. Г. Кузнецов. Киев: Наукова думка, 1985. 268 с.

7. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий / И. В. Жежеленко. М.: Энергоатомиздат, 2000. 104 с.

8. Горбунов А. О. Критерий расчёта потерь от несинусоидальных токов в линии / А. О. Горбунов // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2021. № 5(199). С. 113–118.

9. Каялов Г. М., Троицкий А. И. Расчет оптимального режима группы мощных однофазных электроприемников при внутреннем симметрировании / Г. М. Каялов, А. И. Троицкий // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1982. № 5. С. 613–618.

10. Терешкевич Л. Б. Об одном алгоритме внутреннего симметрирования при управлении несимметричным режимом электрической сети / Л. Б. Терешкевич // Известия высших учебных заведений. Энергетика. 1980. № 12. С. 73–75.

11. Надтока И. И. Теоретико-групповой подход к решению задачи симметрирования нагрузок однофазных электроприемников / И. И. Надтока // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1987. № 3. С. 97–100.

12. JeonY. J., Kim J. C., Kim J. O., Lee K. Y. An Efficient Simulated Annealing Algorithm for Network Reconfiguration in Large-Scale Distribution Systems // IEEE Transactions on Power Delivery. 2002. No. 17(4). P. 1070–1078. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2002.803823

13. Vulasala G., Sirigiri S., Thriruveedula R. Feeder Reconfiguration for Loss Reduction in Unbalanced Distribution System Using Genetic Algorithm // International Journal of Electrical and Electronics Engineering. 2009. No. 3(12). P. 754–762. URL: https://www.idc-online.com/technical_references/pdfs/electrical_ engineering/Feeder%20Reconfiguration.pdf [Accessed 10 February 2025].

14. Lafortune M., Bouchard D., Morelli J. Phase Swapping for Distribution System Using Tabu Search // WSEAS International Conference on Energy Planning. Energy Saving. Environmental Education. Arcachon, France, 2007. P. 67–71. URL: http://www.wseas.us/e-library/conferences/2007franceenv/papers/571-188.pdf [Accessed 10 February 2025].

15. Navarro B. B., Cruz I. B. N. C., Malquisto B. M. Radial network reconfiguration and load balancing for loss minimization using genetic algorithms // TENCON 2012 IEEE Region 10 Conference. 2012. https://doi.org/10.1109/tencon.2012. 6412219

16. Homaee O., Najafi A., Dehghanian M., Attar M., Falaghi H. A practical approach for distribution network load balancing by optimal re-phasing of single phase customers using discrete genetic algorithm // Int Trans Electr Energ Syst. 2019. No. 29:e2834. https://doi.org/10.1002/2050-7038.2834

17. Ivanov O., Neagu B. C., Gavrilas M., Grigoras G., Sfintes C. V. Phase Load Balancing in Low Voltage Distribution Networks Using Metaheuristic // Algorithms International Conference on Electromechanical and Energy Systems (SIELMEN). Craiova, Romania, 2019. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/SIELMEN.2019.8905900

18. Holland J. H. Adaptation in Natural and Artificial Systems // University of Michigan Press, 1975.

19. Soltani S. H., Rashidinejad M., Abdollahi A. Dynamic phase balancing in the smart distribution networks // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2017. No. 93. P. 374–383. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2017.06.016

20. Петров А. В., Костюков Д. А. Способ цифровой обработки трехфазного сигнала для выделения симметричных составляющих // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2022. № 3(90). С. 7–15. https://doi.org /10.37493/2307-907X.2022.3.1

21. Пестерев А. А., Костинский С. С., Наракидзе Н. Д. Эмпирическое обоснование преимущества применения модифицированного метода симметричных составляющих для оценки величины силы тока нулевой последовательности в распределительных электрических сетях // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2024. № 4. С. 28–38. https://doi.org/10.37493/2307-907X.2024.4.3

22. Pesterev A. A., Kostinskiy S. S. Plug-In Software for the Phase Distribution of Single-Phase Consumers in Electric Grids Used in Digital Twin Design and Development Based on the BIM Technology // 2023 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). 2023. P. 255–260. https://doi.org/10.1109/ICIEAM57311.2023.10138972

23. Дед А. В., Сикорский С. П., Смирнов П. С. Результаты измерений показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения предприятий и организаций // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С. 60–64. https://doi.org/10.25206/1813-8225-2018-158-60-64

24. Кобелев А. В., Зыбин А. А. Современные проблемы высших гармоник в городских системах электроснабжения // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2011. Т. 17. № 1. С. 187–191.