Підвищення ефективності СЕП з розподіленою генерацією за рахунок алгоритмічного забезпечення проектування

Цівіна, Інна Іванівна
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9131
Title:	Підвищення ефективності СЕП з розподіленою генерацією за рахунок алгоритмічного забезпечення проектування
Authors:	Самойлик, Олександр Васильович Цівіна, Інна Іванівна
Keywords:	розподілена генерація;структура електротехнічної системи;цільова функція;методи оптимізації
Issue Date:	Dec-2023
Abstract:	Метою роботи є підвищення ефективності проектування структури і складу СЕП з РГ за рахунок встановлених функціональних залежностей шляхом розробки алгоритмічного забезпечення оптимізації проектованої ЕТС. Для досягнення цієї мети поставлені і виконані наступні завдання: проведено аналіз технологій РГ як перспективи розвитку ЕТС; запропоновано методику оптимізації та підвищення ступеня узгодженості при проектуванні структури СЕП з РГ; розроблено алгоритми декомпозиції повнорозмірних універсальних математичних моделей СЕП з РГ; розроблено алгоритмічне забезпечення для проектування СЕП з РГ. Проведений аналіз технологій розподіленої генерації дозволив підтвердити її ефективність, технічну та економічну доцільність впровадження при розвитку електротехнічних систем. В магістерській роботі розроблена методика проектування і принцип організації структури СЕП з розподіленою генерацією, що відрізняються урахуванням при проектуванні технологій міні- і мікрогенераціі, а також вимог надійності, якості і втрат електроенергії до джерел РГ. У дослідженні розроблені методика і принцип побудови алгоритмічного забезпечення при проектуванні СЕП з РГ, що відрізняються способом формування підсистем аналізу, синтезу та оптимізації виконання процедур проектування структури і складу устаткування СЕП з розподіленою генерацією. Запропонована методика оптимізації та підвищення ступеня узгодженості при проектуванні структури СЕП з розподіленою генерацією за рахунок цільової функції і складу бази даних.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9131
Appears in Collections:	141 Електрична інженерія (Електротехнічні системи електроспоживання)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
МР_Цивіна.pdf Restricted Access		1.98 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТНОМЕР  
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ  
ТА МАШИНОБУДУВАННЯ 
Кафедра електротехнічних систем 
 
 «До захисту допущено» 
Зав. кафедри ЕТС 
 
__________ О.О. Ситник 
(підпис)                 (ініціали, прізвище) 
«___»___________2023 р. 
 
 
 
Кваліфікаційна робота 
на здобуття ступеня вищої освіти магістра 
 
на тему:  
 
«Підвищення ефективності СЕП з розподіленою генерацією  за 
рахунок алгоритмічного забезпечення проектування» 
 
 
Виконав: здобувач вищої освіти  2  курсу, групи ЕСЕ–022 
Спеціальності: 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» 
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності) 
 
 
 
ЦІВІНА  Інна  Іванівна ______________ 
 (прізвище, ім’я, по-батькові здобувача вищої освіти ) (підпис) 
   
Науковий к.т.н., доцент Самойлик О.В. ______________ 
керівник (підпис) 
(вчені ступінь та звання,  прізвище та ініціали) 
   
Нормоконтроль к.т.н., доцент Ключка К.М. ______________ 
(підпис) 
(вчені ступінь та звання,  прізвище та ініціали) 
 
 
 
Засвідчую, що у цій кваліфікаційній роботі немає запозичень з праць інших авторів 
без відповідних посилань. 
Здобувач вищої освіти ______________ 
(підпис) 
 
Черкаси 2023 р. 
3 
 
РЕФЕРАТ 
 
Повний обсяг магістерської роботи складає 121 сторінок, 
12 ілюстрацій, 1 таблицю, список використаних джерел, що містить 
46 найменувань на 6 сторінках. 
Метою роботи є підвищення ефективності проектування структури і 
складу СЕП з РГ за рахунок встановлених функціональних залежностей 
шляхом розробки алгоритмічного забезпечення оптимізації проектованої 
ЕТС.  
Для досягнення цієї мети поставлені і виконані наступні завдання: 
проведено аналіз технологій РГ як перспективи розвитку ЕТС; 
запропоновано методику оптимізації та підвищення ступеня узгодженості 
при проектуванні структури СЕП з РГ; розроблено алгоритми декомпозиції 
повнорозмірних універсальних математичних моделей СЕП з РГ; розроблено 
алгоритмічне забезпечення для проектування СЕП з РГ.  
Проведений аналіз технологій розподіленої генерації дозволив 
підтвердити її ефективність, технічну та економічну доцільність 
впровадження при розвитку електротехнічних систем.  
В магістерській роботі розроблена методика проектування і принцип 
організації структури СЕП з розподіленою генерацією, що відрізняються 
урахуванням при проектуванні технологій міні- і мікрогенераціі, а також 
вимог надійності, якості і втрат електроенергії до джерел РГ.  
У дослідженні розроблені методика і принцип побудови 
алгоритмічного забезпечення при проектуванні СЕП з РГ, що відрізняються 
способом формування підсистем аналізу, синтезу та оптимізації виконання 
процедур проектування структури і складу устаткування СЕП з розподіленою 
генерацією.  
Запропонована методика оптимізації та підвищення ступеня 
узгодженості при проектуванні структури СЕП з розподіленою генерацією за 
рахунок цільової функції і складу бази даних.  
4 
 
Ключові слова: розподілена генерація, цільова функція, методи 
оптимізації, структура електротехнічної системи, математична модель, 
алгоритмічне забезпечення, декомпозиція, проектування, системний аналіз, 
оптимальна структура. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 
ЗМІСТ 
 
ВСТУП…………………………………………………………………… 8 
РОЗДІЛ 1  
РОЗПОДІЛЕНА ЕНЕРГЕТИКА ЯК ПЕРСПЕКТИВА РОЗВИТКУ  
ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ……………………………………… 11 
 1.1 Принцип організації електротехнічних систем з розподіленої  
генерацією…………………………………………………………… 11 
 1.2 Технології виробництва енергії в електротехнічних системах  
з розподіленою генерацією та їх перспективи…………………… 14 
 1.3 Мережева інтеграція електротехнічних систем з  
розподіленою генерацією………………………………………… 22 
 Висновки до розділу 1……………………………………………… 25 
РОЗДІЛ 2  
РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТУВАННЯ  
СТРУКТУРИ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ З РОЗПОДІЛЕНОЮ  
ГЕНЕРАЦІЄЮ…………………………………………………………… 28 
 2.1 Аналіз стану питання автоматизації проектування і  
промислового виробництва електротехнічного обладнання…… 28 
 2.2 Постановка завдань синтезу електротехнічних систем……… 30 
 2.3 Специфіка електротехнічних систем з   
установками розподіленої генерації як об'єктів   
схемотехнічного проектування……………………………………. 33 
 2.4 Завдання синтезу електротехнічних систем…………………… 37 
 2.5 Дослідження характеру завдання оптимального синтезу  
електротехнічних систем з установками розподіленої генерації… 46 
 Висновки до розділу 2……………………………………………… 65 
  
6 
 
РОЗДІЛ 3   
ПРОЦЕДУРИ ВИБОРУ СТРУКТУРИ І СКЛАДУ ОБЛАДНАННЯ  
ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНОЇ СИСТЕМИ З РОЗПОДІЛЕНОЮ  
ГЕНЕРАЦІЮ……………………………………………………………… 67 
 3.1 Деталізація приймачів електричної енергії……………………. 67 
 3.2 Деталізація джерел електричної енергії…………………….… 71 
  3.2.1 Вибір напруги джерела енергії………………………….. 74 
  3.2.2 Вибір первинних джерел енергії………………………... 77 
  3.2.3 Вибір трансформаторів на трансформаторних  
підстанціях…………………………………………………….. 80 
  3.2.4 Визначення місця положення джерел енергії………….. 86 
  3.2.5 Вибір схем електричних з'єднань підстанцій………….. 90 
 3.3 Деталізація електричних мереж………………………………. 93 
  3.3.1 Алгоритм вибору провідників живильних мереж……. 93 
  3.3.2 Алгоритми синтезу систем розподілу електроенергії… 102 
  3.3.3 Алгоритм вибору комутаційної і захисної апаратури  
розподільних мереж………………………………………….. 105 
 Висновки до розділу 3……………………………………………… 111 
ВИСНОВКИ……………………………………………………………… 113 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………………………… 116 
 
 
  
7 
 
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,  
СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ 
 
БД – база даних 
ДЖ – джерело живлення 
ЕП – електроприймач 
ЕТС– електротехнічна система 
ККД – коефіцієнт корисної дії 
СЕП – система електропостачання 
КЛ – кабельні лінії 
ЛЕП – лінія електропередачі 
ПЛ – повітряні лінії 
ПС – підстанція 
РГ – розподілена генерація  
РП – розподільчий пункт 
РУ – розподільча установка 
РШ – розподільча шафа 
ТП – трансформаторна підстанція 
ЦЕН – центр електричних навантажень 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 
 
ВСТУП 
 
Актуальність роботи 
Сучасні інтелектуальні системи енергозабезпечення припускають 
інтеграцію різних видів енергоресурсів і об'єктів розподіленій генерації (РГ) 
з використанням інтелектуальних технологій моніторингу та управління 
режимами роботи і обладнанням складних енергосистем в режимі реального 
часу. Розподілене виробництво електроенергії є складовою частиною 
електротехнічних систем (ЕТС) майбутнього. Впровадження технологій РГ 
передбачає широкі структурні зміни, які можуть з'явитися новим етапом 
розвитку енергетики і забезпечити її сталий розвиток. Пов'язане з цим 
структурне перетворення систем вимагає багатьох нововведень в областях 
технологій, форм корпоративної організації, режимів споживання, механізмів 
управління, концепцій моделювання, проектування та вивчення проблем, а 
також засобів визначення системних експлуатаційних якостей ЕТС. 
Як об'єкт проектування і впровадження,системи електропостачання  
(СЕП) з РГ відносяться до класу складних систем з великим числом 
взаємодіючих елементів. Розробка таких СЕП може займати кілька років і 
вимагати залучення великої кількості фахівців. Тому підвищення 
продуктивності проектування і оптимізації структури та складу СЕП є 
нагальною потребою. При цьому актуальним завданням є створення методів і 
засобів системного аналізу перспективних енергетичних технологій СЕП з 
РГ, моделювання та оптимізація схем і параметрів перспективних 
енергоустановок як елементів, які забезпечують сталий розвиток і 
функціонування електричних систем. 
Рішенням цього завдання є широке застосування в проектній практиці 
методів і засобів оптимізації проектування, в тому числі її автоматизація за 
допомогою спеціалізованих програмних продуктів.  
9 
 
Як передбачуваних результатів від впровадження сучасних методів 
проектування і управління в СЕП з РГ є якісне підвищення надійності, 
керованості та ефективності цих систем. 
Якісний і оптимальний за термінами процес проектування СЕП з РГ з 
урахуванням сучасних вимог до оптимальної структури та складу 
устаткування обумовлює широке використання нових інформаційних 
технологій. 
Основними використовуваними в даний час засобами дослідження 
варіантів побудови складних ЕТС, до яких відносяться і СЕП з  РГ, є їх 
математичне моделювання з використанням універсальних і спеціалізованих 
програмних продуктів. При цьому, незважаючи на різноманітність 
програмних продуктів існуючих в даний час, всі вони не усувають головного 
протиріччя, основна суть якого в тому, що детальний опис складних структур 
і процесів в сучасних ЕТС, призводить до математичних моделей 
надзвичайно високої розмірності. Це значно ускладнює процес їх 
проектування і виробництва. Використання ж спрощених еквівалентні схеми 
не забезпечують такий рівень достовірності результатів моделювання, який 
дозволив би відмовитися від дорогих етапів макетування та натурних 
випробувань. У зв'язку з цим дослідження, спрямовані на підвищення 
ефективності обчислювальних процедур моделювання за рахунок інтеграції 
та оптимізації функцій проектувальника і ЕОМ, зберігають важливе 
теоретичне і прикладне значення.  
Метою роботи є підвищення ефективності проектування структури і 
складу СЕП з РГ за рахунок встановлених функціональних залежностей 
шляхом розробки алгоритмічного забезпечення оптимізації системи, що 
проєктується.   
Завдання дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідне 
рішення наступних завдань: 
• провести аналіз технологій РГ як перспективи розвитку СЕП; 
10 
 
• запропонувати методику оптимізації та підвищення ступеня 
узгодженості при проектуванні структури СЕП з РГ; 
• розробити алгоритми декомпозиції повнорозмірних 
універсальних математичних моделей СЕП з РГ; 
• розробити алгоритмічне забезпечення для програмно-апаратного 
комплексу проектування СЕП з РГ. 
Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом дослідження є структура 
систем електропостачання з розподіленою генерацією.  
Предметом дослідження є розробка методики вибору оптимальної 
структури і складу устаткування електротехнічних систем з розподіленою 
генерацією. 
Елементи наукової новизни роботи складаються з розробленого 
алгоритмічного забезпечення  проектування електротехнічних систем з 
розподіленою генерацією. 
Методи досліджень. При вирішенні поставлених завдань 
використовувалися методи математичного моделювання, системного аналізу, 
теорії прийняття рішень, теорії надійності, методи об'єктно-орієнтованого 
програмування. 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
  
  
11 
 
РОЗДІЛ 1 
РОЗПОДІЛЕНА ЕНЕРГЕТИКА ЯК ПЕРСПЕКТИВА РОЗВИТКУ 
ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ 
 
1.1 Принцип організації електротехнічних систем з розподіленої 
генерацією 
 
Електротехнічні системи багатьох країн в даний час піддаються 
процесу перетворення [1]. Лібералізація ринку енергії викликає зміна 
структури в електроенергетичному секторі, а також пошук нових сфер 
бізнесу енергокомпаніями.  
Міжнародні екологічні угоди (Кіотський протокол та ін.) впливають на 
розвиток паливно-енергетичного комплексу. Одночасно з цим з'являються 
нові технології - відновлювана енергетика, комбіноване виробництво 
електричної та теплової енергії (когенерація), «чисте вугілля» та інші.  
Зміна клімату і обмежені об'єми природних копалин вимагають 
скорочення використання невідновлюваних джерел енергії та об'ємів викидів 
парникових газів. Все це призводить до постановки питання заміни 
традиційної теплової і атомної енергетики на нові, перспективні джерела 
енергії в найближчому майбутньому. 
Потреба у змінах, розвитку – надзвичайно важлива рушійна сила для 
поточних перетворень в сучасній енергетиці, що викликає конкуренцію між 
традиційними і новими технологіями в постачанні енергії майбутнього.  
Пов'язане з цим структурне перетворення СЕП зажадає нововведення в 
багатьох сферах, включаючи розвиток нових технологій і пристроїв 
управління, режимів споживання, форм комунікацій, концепцій 
проектування і визначення системних експлуатаційних якостей СЕП [2-8]. 
Зміни, що відбуваються в електричних системах, можуть призвести не тільки 
до технічних перетворень, а й до множини змін в соціальних сферах. Один з 
можливих шляхів розвитку СЕП - децентралізація. 
12 
 
Децентралізація та розвиток технологій для автономного або 
індивідуального енергопостачання стали знову актуальні останнім часом [9-
10]. Очікується що розподілене виробництво електроенергії в малих, 
децентралізованих одиницях, дозволить знизити втрати в мережах, 
забезпечить можливості розвитку для відновлюваної енергетики, а також 
скоротить загальний об'єм викидів. СЕП з розподіленою генерацією можуть 
стати складовою частиною більш життєздатних енергосистем майбутнього. 
Широке впровадження РГ має на увазі ретельно продумані структурні зміни і 
може з'явитися новим стрибком в розвитку енергетики.  
В результаті досліджень було розглянуто варіант РГ з комбінованим 
виробництвом електричної і теплової енергії в малих об'ємах, інтегрований в 
підприємства і будівлі, де вони повинні використовуватися. Такі зміни мають 
назву міні- і мікрокогенераціі.  
У порівнянні з домінуючим в даний час централізованим виробництвом 
і споживанням електроенергії, з забезпеченням великого числа об'єктів 
відразу від однієї електростанції, з рідкісним використанням локальних 
систем тепло- і електропостачання, РГ дала б принципово відмінну форму 
організації енергозабезпечення з безліччю генеруючих енергоустановок 
об'єднаних в умовно єдину «віртуальну електростанцію».  
За результатами порівняльних досліджень ефективності вироблення 
електричної і теплової енергії на традиційних теплових електростанціях і 
установках, що використовують принцип когенерації, показано збільшення 
загальної ефективності СЕП з міні- і мікрокогенераціей в порівнянні з 
традиційними СЕП до 87 % [11].  
Когенерація, або об'єднана вироблення тепла і електроенергії, є 
процесом виробництва і електричної, і теплової енергії придатною до 
використання з високою продуктивністю близько пункту використання. 
Таким чином, це визначення включає три складових елементи:  
1) одночасне виробництво електрики і високої температури;  
2) критерій високої загальної ефективності;  
13 
 
3) критерій щодо близькості енергетичної частини до споживача.  
Сьогодні існує ряд технологій, що працюють на принципі когенерації, 
такі як теплові насоси, парогазові турбіни, паливні елементи і ін. Але, в 
принципі, що втрачається в димову трубу енергія з будь-якої теплової 
електростанції, може бути використана як об'єкт для когенерації.  
Розвиток технологій міні- і мікро генерації привели до значного 
інтересу до малої генерації електричної і теплової енергії з перспективою 
розвитку систем автономного енергозабезпечення окремих будівель.  
Мікрокогенерація визначається як «одночасне отримання електричної 
енергії, високої температури, або хладоагентів в окремій будівлі, що 
заснована на невеликих енергетичних перетворювальних установках нижче 
15 кВт». При потужностях установок до декількох сотень кіловат 
використовують термін мінікогенерація.  
При цьому вважається, що вироблена теплова енергія використовується 
для опалення та нагріву води безпосередньо в будівлі, де знаходиться 
когенераційна установка, а вироблена електроенергія може бути використана 
як в межах будівлі, так і видаватися в єдину мережу, утворюючи СЕП з 
розподіленою генерацією. 
Технологічним ядром міні- і мікрокогенераціі є енергетична 
перетворювальна установка, яка дозволяє одночасно виробляти електричну і 
теплову енергію в малих об'ємах.  
На додаток до цієї основної технології в систему входять компоненти 
для розвиненого доступу до мережі більш високого рівня, що дають функції 
вимірювання, контролю та управління перетворювачами. Все це дозволяє 
утворювати комплекси розподіленої генерації - «віртуальні електростанції».  
Проблема розвитку когенерації вимагає багатогранного вивчення, в 
поєднанні з різними факторами не тільки технологічного, а й економічного, 
соціального характеру.  
Очевидний аспект новизни даної роботи – введення в експлуатацію 
установок та систем з новими функціональними можливостями і 
14 
 
розвиненими зв'язками з іншими технічними компонентами системи електро- 
і теплопостачання. У цьому розділі розглянуто різні технічні компоненти РГ, 
а також технології для об'єднання таких установок в системи.  
 
1.2 Технології виробництва енергії в електротехнічних системах з 
розподіленою генерацією та їх перспективи 
 
Енергосистеми України і зарубіжних країн з другої половини XX 
століття історично розвивалися в схожій логіці. Великі електростанції 
споруджували зазвичай поблизу місць видобутку палива (в України - торфу і 
вугілля, пізніше – газу і мазуту), або недалеко від транспортних коридорів, за 
якими це паливо перевозилося, а також поблизу великих водойм або річок. 
Будівництво електростанції було тим дешевше (в розрахунку на 1 кВт 
потужності), чим вона потужніша (ефект масштабу), – тому середня 
одинична потужність станцій постійно росла, збільшившись з 1920-х до 
1980-х рр. в 500 і більше разів. 
Станції часто розташовувалися на значній відстані від великих міст, в 
тому числі з міркувань екології. У України винятком з цієї практики стали 
теплоелектроцентралі (ТЕЦ), які споруджувалися в безпосередній близькості 
від споживача теплової енергії (місто, завод тощо) і електричної енергії 
(промислові ТЕЦ). 
Передача електричної енергії від станцій споживачам здійснюється за 
рахунок спорудження магістральних (напруга 220-330 кВ і вище для 
зниження втрат при передачі) і розподільчих електричних мереж загальною 
протяжністю в сотні тисяч кілометрів. При цьому на рівні розподільчих 
мереж середньої та низької напруги (35 кВ і нижче) споживач, як правило, 
знаходився в кінці ланцюжка і, на відміну від більш великих споживачів 
магістральних мереж, не завжди мав резервне джерело живлення від 
енергосистеми. 
15 
 
Кілька десятиліть така архітектура енергосистем залишалася в цілому 
незмінною. Централізовані енергосистеми успішно, надійно, за розумною 
ціною забезпечували споживачів електроенергією. Але до кінця XX століття 
ефект масштабу перестав працювати так добре, як це було ще в 1950-х, а 
нафтова криза 1970-х різко підвищив інтерес в країнах-імпортерах 
енергоресурсів до нових енергоефективних технологій виробництва 
електроенергії. 
Каталізатором змін стала розподілена генерація - а саме, поява в 1970-
1980х в США і Європі нових технологій виробництва електроенергії, - 
газотурбінних, газопоршневих і парогазових – які дозволили створювати 
недорогі і ефективні електростанції невеликої потужності – від десятків кВт 
до десятків МВт [12] що відразу призвело до зростання вводів розподіленої 
генерації. 
У світі прогнозується введення більшого обсягу розподіленої 
генеруючої потужності, ніж централізованої генерації – а до 2026 року в світі 
очікується триразовий розрив між новими введеннями цих видів генерації 
(рис. 1.1). 
 
Рис. 1.1. Прогноз введення нових потужностей централізованої і 
розподіленої генерації електроенергії в світі, МВт 
16 
 
У таблиці 1.1 наводиться короткий огляд найбільш часто 
використовуваних технологій РГ і їх типовий розмір модуля. Технології 5 - 
10, 15 і 16 можна вважати поновлюваними джерелами в РГ. Інші технології 
також можна назвати поновлюваних РГ якщо вони працюють на біопаливі. 
Паливний елемент також може вважатися поновлюваним джерелом РГ, якщо 
водень для нього отримують за допомогою поновлюваних джерел енергії, 
наприклад енергії вітру. 
Таблиця 1.1 
Технології розподіленої генерації 
Технологія Типовий розмір модуля 
1. Парогазові турбін  35 - 400 МВт 
2. Двигуни внутрішнього згоряння 5 кВт - 10 МВт 
3. Парові турбіни 1 - 250 МВт 
4. Мікротурбіни 35 кВт - 1 МВт 
5. МікроГЕС 25 кВт - 1 МВт 
6. МініГЕС 1 - 100 МВт 
7. Вітрогенератори 200 Вт - 3 МВт 
8. Фотоелектричні перетворювачі 20 Вт - 100 кВт 
9. Сонячні теплові електростанції 1 - 80 МВт 
10. Енергія біомаси 100 кВт - 20 МВт 
11. Паливні елементи, протонообмінні 1 - 250 кВт 
12. Паливні елементи, фосфорно-кислотні 200 кВт - 2 МВт 
13. Паливні елементи, на розплаві карбонату 250 кВт - 2 МВт 
14. Паливні елементи, твердооксидні 250 кВт - 5 МВт 
15. Геотермальні електростанції 5-100 МВт 
16. Енергія океану 100 кВт - 1 МВт 
17. Двигун Стірлінга 2 - 10 кВт 
18. Акумулятори 500 кВт – 5МВт 
 
17 
 
В даний час розроблено багато різних технологій локального 
комбінованого виробництва теплової та електричної енергії. Технологія 
перетворення може бути заснована як на згоранні і подальшому перетворенні 
тепла в механічну енергію, що обертає електрогенератор (поршневі двигуни, 
двигуни Стірлінга, газові турбіни, парові двигуни та ін.),  
Так і на прямому електрохімічного перетворенні хімічної енергії в 
електроенергію (наприклад, паливні елементи ). До комбінованих технологій 
також відносяться термоелектричне і фотогальванічне перетворення 
випромінювання (термофотогальваніческіе пристрої). Перелік даних 
технологій визначено у відповідності до перспектив розвитку розподіленої 
міні- і мікрогенераціі, розглянутими, наприклад в [13]. 
В принципі самі звичайні системи когенерації можуть бути використані 
в СЕП з РГ, хоча багато хто з них при малих об'ємах генерації мають досить 
низький ККД. Наприклад, газові мікротурбіни з досить високим ККД 
розроблені для потужностей вище 25 кВт. Однак деякі з технологій все ж 
можуть бути успішно використані при малих обсягів вироблення. Проведемо 
аналіз перспектив застосування даних технологій. 
Однією з найбільш перспективних технологій є використання 
поршневих двигунів (двигунів внутрішнього згоряння). У технологіях 
мікрокогенераціі, як правило, використовується двигуни з циклом Отто.  
Поршневі двигуни комерційно доступні і виробляються у великих 
кількостях безліччю компаній у всьому світі. Поршневі двигуни працюють з 
меншою кількістю надлишкового повітря в порівнянні з газовими турбінами. 
Це призводить до більш високих температур згоряння, викликаючи теплове 
виробництво NOX  через окислення азоту, що містився в повітрі.  
Є дві можливості знизити обсяг утвореного NOX . Перша – двигун 
може управлятися у збідненому режимі, тобто з надмірним повітрям, так, 
щоб температура реакції була знижена. Друга полягає в управлінні системою 
майже стохіометрічно (тобто з ставленням повітря / палива  =1) і 
використанні каталізатора. 
18 
 
Електрична ефективність поршневих двигунів, визначених як 
вироблена електроенергія, поділена на вхід природного газу, сильно 
залежить від електричної потужності системи. При значенні менше 15 кВт 
ефективність зазвичай не перевищує 26 %. Теплова ефективність залежить 
від системи і її рівня теплової інтеграції (наприклад, чи використовується 
теплоносій з підвищеним тиском). При цьому об'єднана електрична і теплова 
ефективність (загальна ефективність) варіюється від 80 % і вище. 
Значне зниження капітальних витрат (масштабний ефект) може 
спостерігатися при досягненні потужності генератора вище 10 кВт. 
На відміну від двигунів внутрішнього згоряння, двигуни Стірлінга 
виробляють тепло зовні, в окремій камері згоряння. Двигуни Стірлінга 
можуть бути розроблені в різних конфігураціях, які відрізняються 
положенням і числом поршнів і циліндрів і способами руху (кінематичний і 
вільний поршень).  
Внаслідок того, що спалювання палива відбувається в окремій 
пальнику, двигуни Стірлінга пропонують високу паливне різноманітність (в 
тому числі використання біопалива) і більш низькою емісії NOX  через 
безперервне горіння.  
У перспективі двигуни Стірлінга мають потенціал високого загального 
(електричний плюс теплової) ККД. Однак їх електричний ККД дуже 
помірний (приблизно 24 % для найбільш перспективних моделей). 
Розроблені двигуни Стірлінга мікрогенераціі хоча і мають меншу ціну, але 
при цьому мають більш низький електричний ККД (як правило, близько 10 - 
12%). 
Двигуни Стірлінга знаходяться на стадії між експериментально-
демонстраційної фазою і маркетингом. Вони ще проходять експлуатаційні 
випробування, але початкові параметри комерційних продуктів вже 
визначені і знаходяться на початку стадії серійного виробництва. Оскільки 
двигуни Стірлінга вимагають дуже точних компонентів, висновок 
виробництва з невеликого до серійного викликає значні проблеми. 
19 
 
Іншим різновидом технологій когенерації є технологія «паливного 
елемента», який перетворює хімічну енергію палива (як правило, водню) і 
кисню безпосередньо в електроенергію.  
Для досягнення високих потужностей поодинокі паливні елементи 
включаються послідовно, утворюючи стеком паливного елемента. Паливні 
елементи для мікрокогенераціі засновані на технології Полімерних 
електролітичних паливних елементів (Polymer Electrolyte Fuel Cells - PEFC, 
також Протоннообменний мембранний паливний елемент - Proton Exchange 
Membrane Fuel Cell - PEMFC), що використовують тонку мембрану в якості 
електроліту, що працює з температурою близько 80 ° C або технології 
твердооксидних паливних елементів (Solid Oxide Fuel Cells – SOFC), які є 
високотемпературними паливними елементами, які працюють з 
температурою близько 800 ° C.  
Недавні дослідження привели до розвитку високотемпературних литих 
карбонатних паливних елементів для цього сегмента генерації малих 
потужностей. Природний газ є доступним паливом для застосування в 
мікрогенераціі. Він головним чином складається з містить водень метану        
(CH4 ), який перетворюється в водень в реакції риформінгу. Це відбувається 
або в пристрої сепарації, або, як у випадку високотемпературних паливних 
елементів, в стеку (внутрішнє перетворення). 
При використанні природного газу як основного палива для паливних 
елементів: в короткостроковій перспективі, низькотемпературні паливні 
елементи в діапазоні малих потужностей можуть досягти електричного ККД 
близько 28 – 33 %; в довгостроковій перспективі можливе досягнення до 
36 % для мікросистем. Однак до сих пір не існує технологій, що дозволяють 
досягти системам з паливними елементами того ж значення теплового ККД 
що у конкуруючих технологій. Причиною цього є те, що тепло не може бути 
отримано в чітко визначених місцях, а видається в розсіяних точках, 
приводячи до великих розмірах елементів, необхідних для ізоляції і 
теплообміну. 
20 
 
В останнє десятиліття було докладено значних зусиль в розробку цієї 
технології. Однак паливні елементи досі ще комерційно не доступні для 
застосування в міні- і мікрокогенераціі. Дані технології перебувають на стадії 
початкових випробувань. В даний час розробляється множина інших 
технологій для СЕПрозподіленої міні- і мікрокогенераціі.  
Серед найбільш просунутих технологій – машини, засновані на 
парових циклах Ренкина. Цикл Ренкіна – ідеальний прототип для сучасних 
парових двигунів. Різні компанії займаються цією технологією, варіюючи 
розширювачі для пара, наприклад, двигуни з вільним поршнем, кручені 
розширювачі, або зворотно-поступальні двигуни і різні типи робочих рідин, 
такі як пар, органічні речовини або двохфазові суміші пари і води. Однак 
жоден з цих продуктів ще комерційно не доступний. Зазвичай електричний 
ККД всіх машин циклу Ренкіна досить низький – від 12 до 20 %.  
Як позитивний момент слід враховувати, що через безперервне горіння 
емісія двукісі вуглецю і чадного газу дуже мала, в той час як емісія окису 
азоту визначена максимальною температурою згоряння, якої ретельно 
керують в системі. Існують технології, які засновані не на електрохімічних 
процесах або двигунах згоряння, а, наприклад, на напівпровідниках, які 
перетворюють непотрібну енергію тепла джерела, що випромінюється, 
безпосередньо в електрику за допомогою перетворення в фотогальванічні 
елементи.  
Ця технологія, названа термофотогальваніка, застосовує 
фотогальванічні матеріали з низькою забороненою зоною. Система 
складається з пальника і керамічного емітера (опціонально з фільтром), який 
нагрівається пальником і випромінює світло, який перетворюється в 
електрику, використовуючи фотогальванічну комірку. 
Потрібно декілька умов, перш ніж термофотогальванічні системи 
будуть успішно виведені на ринок. Особливо важливим є матеріал емітера, 
щоб він відповідав діапазону довжини хвилі в осередках. 
21 
 
В даний час для цього досліджуються кілька рідкоземельних 
матеріалів. 
Крім того, потрібно більш ретельне опрацювання дизайну і 
технологічності виробництва сонячної батареї, а також системний 
інжиніринг. 
Термоелектричні пристрої також перетворять безпосередньо 
електромагнітне випромінювання в електрику. Однак вони не застосовують 
фотогальванічні матеріали, натомість вони використовують принцип 
генерації ЕРС парою різних провідників, якщо є між ними температурний 
градієнт. 
Це можуть бути по-різному леговані матеріали напівпровідників 
(наприклад, телурид вісмуту та ін.). В принципі термоелектрична технологія 
також може використовуватися в цілях мікрокогенераціі. Однак, як 
очікується, і термофотогальванічні, і термоелектричні пристрої, не вийдуть 
на ринок мікрокогенераціі в короткостроковий або середньостроковий 
період. 
Найбільш комерційно доступними є поршневі двигуни, які 
виробляються у великих кількостях і досягають великих значень 
електричного і загального ККД. Однак слід врахувати їх основний недолік – 
більш високі викиди відпрацьованих газів в порівнянні з конкуруючими 
системами когенерації.  
Оскільки спалювання палива в двигунах Стірлінга виконано в окремій 
пальнику, то у цих двигунів нижчі викиди, а також висока паливна гнучкість, 
зокрема, при використанні біопалива і сонячного випромінювання. У 
двигунів Стірлінга є потенціал для досягнення високої загального ККД, хоча 
і з меншим електричним ККД. Двигуни Стірлінга при мікрогенераціі мають 
ще нижчий електричний ККД. 
Паливні елементи знаходяться в фазі розробки, як і ряд інших пілотних 
проектів, тестованих в даний час. Вони пропонують потенційну вигоду з 
найбільшим електричним ККД і майже нульовими місцевими викидами.  
22 
 
Крім того, високе відношення електричної ефективності до теплової 
(відношення потужність / тепло) може збільшити потенціал виробництва 
електроенергії цими установками мікрокогенераціі.  
В останнє десятиліття було докладено значних зусиль для розвитку цієї 
технології. Проте залишається неясним, чи можуть системи паливних 
елементів коли-небудь досягти загальної ефективності, яка дорівнює обіцяної 
конкуруючими технологіями.  
Крім того, основною проблемою залишаються високі капітальні 
витрати на початковому етапі впровадження продукту. Малі парові машини 
розширення знаходяться все ще в фазі НДДКР. Потенційно, вони 
пропонують низькі викиди і високу паливну гнучкість, тому що в їх основі 
лежить технологія зовнішнього згоряння.  
Крім того, деякі технології парових мікротурбін припускають гнучке 
зміни об'ѐма пара, що дозволяє доводити пропорцію електрики до теплової 
енергії від 0,3 до чистого теплопостачання. Однак технічна демонстрація 
здійсненних систем мікрокогенераціі на цих установках все ще тільки 
належить, і очікуваний електричний ККД досить низький. Більш докладні 
описи розглянутих технологій РГ і їх порівняльні характеристики наведені в 
[4, 5]. 
 
1.3 Мережева інтеграція електротехнічних систем з розподіленою 
генерацією 
 
Для функціонування СЕП у вигляді системи з РГ і загальним 
управлінням режимами такої системи потрібні ефективні пристрої для зв'язку 
як між окремими пристроями генерації, так і з системним оператором. Ці 
пристрої повинні підтримувати оптимальну роботу СЕП в цілому, при 
ефективній роботі окремих систем відповідно до вимог споживачів і 
оператора мережі. Створення таких інтелектуальних електричних мереж (так 
23 
 
звані Smart Grid) відноситься до перспективних технологій розвитку 
енергетики [6,7]. 
Організація СЕП з декількох пристроїв РГ можлива на декількох 
рівнях: 
• мікромережі, які фізично з'єднують пристрої РГ з декількома клієнтами 
без подальшої інформації про передачу між установками, формуючи, 
таким чином, більш-менш незалежну мережу;  
• інформаційні технології, що з'єднують системи РГ з сервером даних; 
• «віртуальні електростанції», які об'єднують територіально розрізнені 
комплекси виробництва електроенергії за допомогою інформаційних 
технологій в системи з централізованим управлінням. Комунікаційні 
інтерфейси таких СЕП, крім контролю за об'ємом і якістю 
вироблюваної електричної енергії повинні надавати додаткові функції, 
такі як мережеве управління електростанцією, а також протиаварійні 
пристрої, автоматизований збір даних та оповіщення обслуговуючих 
компаній в разі аварій тощо. Відносно локальних установок подібні 
комунікаційні пристрої можуть бути розроблені, для формування 
системи управління енергетикою малих об'єктів. Таке локальне 
управління навантаженням може активно впливати на сумарне 
електроспоживання в залежності від зовнішніх даних (наприклад, 
тарифів на електрику з тимчасової залежністю), розташувати по 
пріоритетах і часу підключення навантаження, і, в кінцевому рахунку, 
діяти як «локальний енергетичний брокер», автоматично продаючи або 
купуючи електрику від інших клієнтів. 
Щоб отримати додаткову режимну оптимізацію управління 
пристроями РГ в складі СЕП може здійснювати центральний оператор. 
Відносно простим і дешевим методом комунікації може бути 
односпрямованим технологія контролю за зміною навантажень, яка дозволяє 
включати або вимикати електростанцію в періоди піку або низького 
споживання. Ще більш передовим системами управління є системи передачі 
24 
 
даних через Інтернет і SMS, технологія силових ліній (Powerline), а також 
інші форми двонапрямлених потоків даних, розглянуті, наприклад, в [8].  
Поняття комунікативної організації мережі в кінцевому рахунку 
призводить до віртуальної електростанції. Віртуальна електростанція 
складається з багатьох географічно розподілених одиниць виробництва 
електроенергії, зазвичай децентралізованих, з малою електричною 
потужністю, які об'єднані в одну велику експлуатаційну одиницю у вигляді 
об'єднаного інтерфейсу оператора і контролю.  
Термін «віртуальний» відноситься не до енергетичних потоків, а до 
самої станції, яка не має однозначного розташування, а розсіяна серед 
множини генеруючих установок. Пристрої когенерації можуть бути 
елементами такої віртуальної електростанції. Часто великі одиниці 
когенерації, а також поновлювані пристрої виробництва електроенергії, 
розглянуті вище, об'єднуються в віртуальні електростанції. Скоординована 
зв'язок малих електростанцій допускає балансування плаваючих тарифів 
генерації, при наявності в СЕП джерел відновлюваної енергії або зміни 
навантажень споживачів (системи великої когенерацію). 
Віртуальні електростанції ґрунтуються на вимогах в декількох 
технологічних областях: вимогах споживачів, технічних стандартів і 
стандартів безпеки, економічної ефективності та екологічної ефективності. 
Для успішної інтеграції СЕП особливо необхідні інформаційно-
комунікаційні технології і система управління.  
Система управління повинна включати інструмент прогнозування, щоб 
прогнозувати зміну навантаження і попиту, а також надавати можливість 
ефективного об'єднання окремих систем. Для більш точного, а значить і 
складнішого прогнозування та оптимізації потрібно обмін даними з 
зовнішніми постачальниками послуг, такими як прогнози погоди, ринки 
електрики тощо.  
Крім того, оптимізація та інструменти моделювання можуть з'явитися 
частиною системи управління віртуальною електростанції. Можливі 
25 
 
комунікаційні шляхи контролю за зміною навантаження включають 
телефонну комунікацію, особливо ISDN і DSL, Інтернет, UMTS і технологія 
Powerline (з використанням ЛЕП в якості комунікаційного середовища). 
Низькі комунікаційні витрати часто розцінюються як вкрай важливі для 
економічної життєздатності віртуальних електростанцій. У певних випадках 
сучасні системи комунікації можуть забезпечити до 10 % щомісячної 
додаткової вигоди від використання віртуальних електростанцій [14 - 18]. 
 
Висновки до розділу 1 
 
Поточна ситуація з використанням технологій РГ в багатьох країнах, в 
тому числі і в України, не дуже гарна в силу відставання по ряду 
технологічних і економічних показників від лідерів ринку виробництва 
електроенергії. Але дана генерація хороша тим, що дає можливість для 
вивчення та впровадження нововведень в енергетиці при потенційно 
несприятливих економічних умовах, не вимагаючи при цьому значних 
капіталовкладень, що особливо актуально в умовах економічної кризи.  
Коли ринкові та економічні фактори стануть сприятливими, у РГ 
з'явиться ще більший потенціал для того, щоб охопити значну частку ринку. 
На даний момент вже потрібна підготовка бази для просування подальших 
системних інновацій, таких як «віртуальна електростанція» або нові локальні 
системи управління енергетикою. З економічної точки зору об'єднання 
установок малої генерації в СЕП з РГ тягне за собою зменшення витрат і 
збільшення доходів. 
Зниження витрат: ефекти, пов'язані з «інтересами кластера», 
наприклад, придбання більших установок або збільшення числа одиниць 
генерації, або контрактів на їх обслуговування призводить до знижок за 
обсяги послуг, а також знижок за необхідне паливо.  
Крім того, більшим системам можуть бути запропоновані більш низькі 
процентні ставки, ніж окремим локальним установкам.  
26 
 
З іншого боку, інтеграція декількох систем в одну експлуатаційну 
одиницю може використовуватися для зниження витрат експлуатації та 
обслуговування, або до мінімізувати витрату палива (і таким чином, більш 
низьким споживанням палива витрат), через оптимізованих експлуатаційних 
стратегій (наприклад, автоматизації та оптимізації диспетчеризація, 
оптимізації замовлення послуг).  
Збільшення доходів: продукти когенерації, особливо електрику, при 
об'єднанні множини установок в СЕП можуть бути продані по-іншому, тому 
що можуть бути знижені певні операційні витрати, і можуть бути виконані 
певні нормативні вимоги. Ці варіанти включають продаж електрики на 
оптовому ринку або регулюванні енергетичних ринків. 
Поряд з цими позитивними економічними аспектами віртуальних 
електростанцій, потрібно відзначити, що кількість енергії, яке може бути 
комерціалізовані (видано в зовнішню мережу), зазвичай незначно. Це 
пов'язано з тим, що в багатьох випадках власне споживання виробником 
виробленої електроенергії більш прибутково, ніж видача його в мережу, 
навіть з урахуванням нових маркетингових можливостей.  
Крім того, виробництво електроенергії об'єднано з виділенням тепла, 
яке використовується локально. Наявні юридичні бар'єри також значно 
послаблюють реалізацію альтернативних способів комерціалізації.  
При сучасних умовах крім віртуальних електростанцій, заснованих на 
великих установках РГ з потенційно вищими доходами, установки 
мікрокогенераціі не виправдовують висока витрата для впровадження і 
управління віртуальною електростанцією.  
Однак використання установок міні- і мікрогенераціі в перспективі 
несе значний економічний ефект і може стати однією з проривних технологій 
в енергетиці України, що, зокрема підтверджується [19, 20].  
Таким чином, для стійкого економічного розвитку СЕП можливе 
використання установок з РГ. У проведених дослідженнях для оптимального 
27 
 
проектування ЕТС, що містять такі установки, необхідно вирішити ряд 
завдань:  
• розробити принцип організації алгоритмічного і програмного 
забезпечення виконує необхідні функції для проектування структури СЕП з 
РГ;  
• запропонувати форму організації баз даних (БД) елементів, 
необхідних при проектуванні СЕП з розподіленою генерацією, а також 
принципів їх розвитку та зміни;  
• розробити принцип декомпозиції повнорозмірних універсальних 
математичних моделей ЕТС, що дозволяє спростити обчислювальні 
процедури;  
• запропонувати методику підвищення ступеня узгодженості при 
проектуванні окремих елементів і СЕП за рахунок накопичення об'єктивної 
інформації про властивості об'єктів, що проектуються і прийняті рішення;  
• запропонувати метод підвищення ступеня узгодженості при 
проектуванні СЕП в цілому за рахунок багатоступінчастої ступеня 
оптимізації прийнятих рішень. 
 
  
28 
 
РОЗДІЛ 2 
РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТУВАННЯ 
СТРУКТУРИ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ  
З РОЗПОДІЛЕНОЮ ГЕНЕРАЦІЄЮ 
 
2.1 Аналіз стану питання автоматизації проектування і 
промислового виробництва електротехнічного обладнання 
 
• Якісний і оптимальний за термінами процес проектування СЕП з 
РГ з урахуванням сучасних вимог до оптимальної структури та складу 
устаткування обумовлює широке використання нових інформаційних 
технологій:  
• - систем конструкторського проектування (Computer Aided 
Design, CAD);  
• - систем проектування технологічних процесів (Computer Aided 
Manufacturing, CAM);  
• - систем розрахунків і інженерного аналізу (Computer Aided 
Engineering, CAE). 
Загальні принципи CAD / CAM / CAE систем розглянуті,  наприклад, в  
[21].  Ці системи дають можливість об'єднання всіх стадій розробки і 
виробництва СЕПв єдиний процес проектування, що оперує з загальної, 
повністю цифровою моделлю.  
Інформаційне середовище процесу прийняття рішення CAD / CAM / 
CAE систем дає можливість розробки різноманітної структури СЕП ще на 
етапі інфологічного (концептуального) проектування. Також вона дозволяє 
інтегрувати всі стадії робочого проектування, моделювати і тестувати 
основні процеси виробництва, передачі, розподілу та споживання 
електроенергії, починаючи з етапу ескізного проектування і закінчуючи 
складанням компонентів і створенням прототипу окремого підприємства.  
29 
 
У зв'язку з цим в даний час велике значення надається створенню 
інтелектуальних систем підтримки прийняття рішень на всіх етапах 
проектування ЕТС, що виконують усі необхідні функції для проектування 
структури і складу СЕП з РГ. 
У зв'язку з цим завдання розробки методики для інтелектуальної і 
програмної підтримки прийняття проектних рішень при схемотехнічному 
проектуванні структури і складу устаткування СЕП є досить актуальною. 
Дана методика повинна дозволити досягти необхідного рівня оптимальності 
при виробництві сучасних ЕТС, в тому числі з РГ.  
Основними використовуваними в даний час засобами дослідження 
варіантів побудови складних ЕТС, до яких, як це показано в розділі 1, 
відносяться і СЕП з РГ, є їх математичне моделювання з використанням 
універсальних і спеціалізованих програмних продуктів.  
При цьому, незважаючи на різноманітність програмних продуктів 
існуючих в даний час, всі вони не усувають головного протиріччя, основна 
суть якого в тому, що детальний опис складних структур і процесів в 
сучасних ЕТС, призводить до математичних моделей надзвичайно високої 
розмірності.  
Це значно ускладнює процес їх проектування і виробництва. 
Використання ж спрощених еквівалентні схеми не забезпечують такий рівень 
достовірності результатів моделювання, який дозволив би відмовитися від 
дорогих етапів макетування та натурних випробувань.  
У зв'язку з цим дослідження, спрямовані на підвищення ефективності 
обчислювальних процедур моделювання за рахунок інтеграції та оптимізації 
функцій проектувальника і ЕОМ, зберігають важливе теоретичне і прикладне 
значення. 
Поява персональних ЕОМ з застосуванням мікропроцесорних систем 
прискорило розвиток робототехніки і автоматизацію виробничих процесів. 
Ефективність використання ЕОМ в процесі проектування доведена світовою 
практикою, а також у працях вітчизняних вчених.  
30 
 
Для ефективного використання ЕОМ в процесі проектування 
промислових об'єктів в зв'язку зі збільшенням їх числа і одночасно схожістю 
окремих етапів при проектуванні і виробництві, необхідно створення 
автоматизованої системи проектування об'єктів в цілому.  
У цю систему входить складовою частиною підсистема 
автоматизованого проектування СЕП з РГ. Ефект від застосування ЕОМ в 
процесі проектування головним чином лежить в області поліпшення 
використання та скорочення капітальних вкладень в об'єкти, що будуються за 
рахунок оптимізації проектних рішень, кращого використання устаткування і 
матеріалів, а також за рахунок скорочення часу проектування і оформлення 
проектно-конструкторської документації. 
 
2.2 Постановка завдань синтезу електротехнічних систем 
 
Виконання проекту сучасної високоефективної СЕП з врахуванням всіх 
вимог, що пред'являються правил влаштування електроустановок, різними 
стандартами, нормами і керівними документами в короткий термін при 
обмеженні числа проектувальників і без їх перевантаження можливо тільки 
за рахунок використання автоматизації проектування.  
Це завдання є особливо актуальною при проектуванні СЕП з 
обмеженнями за економічними показниками (за втратами електроенергії, 
обґрунтуванню вибору виду обладнання з врахуванням його вартості, 
розташуванню, топографії схеми, значною номенклатури продукції та ін.). 
Під автоматизацією проектування СЕП будемо розуміти систематичне 
застосування ЕОМ в проектуванні на основі науково – обґрунтованих 
моделей об'єкта і процесу проектування і розподіл функцій між людиною і 
ЕОМ.  
При аналізі наявних програмних продуктів для проектування СЕП 
можна відзначити, що в України більшість проектних організацій не 
використовує в своїй діяльності комплексні багатофункціональні програми.  
31 
 
Це пов'язано з тим, що вироблені за кордоном, вони, як правило, 
перевантажені додатковими функціями, які заважають виконати 
вузькоспрямований розрахунок, вимагають встановлення більш потужних 
систем проектування. Ще одним недоліком є також фінансова сторона, так як 
ці програми мають досить високу ціну, а також вимагають установки 
додаткових ліцензійних батьківських систем проектування (AutoCAD, 
Cоmpass і ін.). Подібні системи дуже вимогливі до ресурсів ЕОМ, що також 
спричиняє додаткові витрати. 
Тому основний практичним завданням дослідження, є розробка 
принципів організації алгоритмічного і програмного забезпечення, що 
виконує функції проектування СЕП з РГ.  
При цьому передбачається, що користувач може використовувати 
розробляється забезпечення як для проектування СЕП в цілому, аж до 
отримання принципових схем і конструкторської документації на розроблену 
ЕТС, так і для окремих, більш дрібних розрахунків окремих елементів ЕТС.  
Це дозволить зробити методику проектування і ЕТС, проектовану на її 
основі, багатофункціональної, гнучкої і швидко розвивається. До 
розробляється програмного забезпечення проектування можна буде додавати 
окремі модулі і бази даних, що дозволяють розширювати спектр прикладних 
задач проектування ЕТС, не тільки з розподіленою генерацією, а й 
традиційних ЕТС.  
Основним з понять методології прийнятої при розробці є блочно-
ієрархічний підхід до процесу проектування. Його суть полягає в тому, що 
послідовність дій конструктора на будь-якому етапі проектування СЕП 
ділянки, цеху або підприємства в цілому, може бути описана в рамках 
загальної схеми (рис. 2.1).  
На першому етапі, відповідно до технічного завдання, генерується 
структура проектованої СЕП або її окремої частини, зазвичай надається у 
вигляді електричної схеми. Потім слідує етап створення математичної моделі 
– системи лінійних або нелінійних алгебраїчних рівнянь в задачах 
32 
 
розрахунку усталених режимів СЕП або системи диференціальних рівнянь в 
задачах розрахунку перехідних процесів. Вид математичної моделі залежить 
від необхідних результатів проектування, тому даний етап досить складно 
формалізуємо і зазвичай виконується людиною. 
На наступному етапі за відомою математичної моделі здійснюється 
аналіз та оптимізація – перевірка умов виконання необхідних характеристик 
СЕП заданих параметрах (вимогам на якість електричної енергії, рівню 
напруги, втрат електроенергії, рівню струмів короткого замикання та ін.). 
Якщо всі умови виконані, то відбувається передача управління блоку, в 
якому оформляється технічна документація і формулюється технічне 
завдання на проектування елементів або систем наступного рівня. В іншому 
випадку відбувається корекція внутрішніх параметрів і аналіз триває знову 
або коригується технічне завдання разом з етапом генерації структури 
об'єкта. 
Центральним завданням в запропонованою методикою проектування є 
оптимізація технічного рішення. Питанням чисельних методів і практичної 
оптимізації присвячені, наприклад, [22, 23]. Однак вони не розглядають 
питання практичного застосування методів оптимізації до ЕТС, в тому числі 
з розподіленими параметрами.  
До оптимізаційних завдань проектування СЕПвідносяться:  
• - пошук оптимальної структури схеми мережі за різними 
критеріями (надійності, мінімуму втрат енергії, мінімуму витрат на 
обладнання та ін.);  
• - пошук місця оптимального розміщення пристроїв РГ, 
вторинних джерел (перетворювачів) електричної енергії та їх параметрів;  
• - оптимізація розвитку ЕТС;  
• - оптимізація проектування і розвитку установок РГ (установка і 
заміна обладнання, укрупнення енергоустановок і ін.).  
Практично будь-яке завдання електропостачання, як при проектуванні 
нового об'єкта, так і при оперативному управлінні існуючими, може бути 
33 
 
сформульована як задача пошуку оптимального рішення. У простому 
розумінні рішення оптимізаційної задачі зводиться до використання готової 
машинної програми з числа наявних у математичному забезпеченні ЕОМ. У 
свою чергу, щоб правильно сформулювати на математичній мові умови 
задачі необхідно знати специфіку і структуру об'єкту моделювання та 
аналізу. Для вироблених досліджень в їх якості розглядаються основне 
обладнання СЕП з РГ. 
 
2.3 Специфіка електротехнічних систем з установками розподіленої 
генерації як об'єктів схемотехнічного проектування 
 
Сучасні СЕП є сукупністю високотехнологічних вузлів, блоків і 
систем, зі складною структурою взаємозв'язків між ними. Кожен з 
компонентів даної сукупності може мати значний вплив на характеристики 
всього енергокомплексу в залежності від його місця в загальній структурі. 
Після проведеного аналізу СЕП з установками РГ, були виявлені наступні їх 
особливості як об'єктів схемотехнічного проектування: 
•  - складність структури;  
• - багатоваріантність вирішення поставлених проектних завдань; 
•  - багатоетапність процесу проектування, з різним ступенем 
деталізації завдань; 
•  - присутність ряду невизначених факторів, що впливають на 
оптимальність прийнятих рішень;  
• - розподіленість термінів проектування, що робить детальне 
планування всього проекту в цілому скрутним;  
• - висока загальна вартість розробки.  
Основною специфікою сучасних енергетичних систем є їх складна 
структура. СЕП в розглянутій структурі представлена у вигляді декількох 
взаємодіючих систем.  
34 
 
В даному випадку під поняттям СЕП розуміється велика частина 
електроенергетичної системи, при цьому представляє собою самостійне 
пристрій, який може управлятися як внутрішніми, так і зовнішніми органами 
управління. Рис. 2.1 показує традиційне структурування енергетичної 
системи, але не відображає її математичний вигляд. 
 
 
Рис. 2.1. Структурна схема електротехнічної системи 
 
У математичному сенсі СЕПє багатовимірною системою, 
характеристики якої визначаються поєднанням змінних x j , об'єднаних в 
множину А: 
 x1,x2,x3, ,xn ∈A .                                           (2.1) 
 
Взаємозв'язок параметрів і характеристик системи може бути описано 
рядом нелінійних рівнянь зі змінними величинами x j : 
 
 Fi (x1,x2,x3, ,xn ) = Fi, (2.2) 
                                        
 
де i =1,2, ,m  та j=1,2, ,n . 
35 
 
Зв'язок змінних x j  з параметрами і характеристиками системи також 
може регламентуватися нерівностями зі змінними, що задовольняють 
знайденим співвідношенням 
 
 Fi (x1,x2,x3, ,xn )< > Fi, i =m+1, ,p.                            (2.3) 
 
Так як число змінних n, що входять до складу ЕТС, зазвичай перевищує 
число рівнянь m, внаслідок цього є множина поєднань змінних x j , що 
задовольняють заданим умовам. Отримання великого числа станів СЕП 
всередині множини із заданими параметрами і характеристиками дає 
можливість вибору з них найкращого стану з точки зору ще однієї, 
додаткової однієї, додаткової умови оптимізації, тобто отримання 
мінімального (максимального) значення техніко-економічного показника 
ЕТС. 
Ця умова може бути записано у вигляді функціональної залежності від 
прийнятих змінних 
 
 Ц = f (x1,x2,x3, ,xn ),                                        (2.4) 
 
де Ц  - додаткова цільова функція. 
Функції, що приведені в (2.2) і (2.3) є заданими технічними вимогами 
до ЕТС, а функція (2.4) – цільовою техніко-економічною характеристикою. 
При вирішенні задачі оптимізації СЕП функції (2.2) і (2.3) задані, а прийняті 
незалежні змінні задовольняють умові невід'ємності. В якості додаткової 
вимоги може фігурувати умова дискретності зміни частини або всіх змінних. 
У представленому вигляді маємо задачу нелінійного програмування з 
обмеженнями виду (2.2) або (2.3), при цьому частина або всі змінні повинні 
змінюватися на дискретній множині значень, обумовлених технічними 
умовами і параметрами баз даних елементів [23, 24]. 
36 
 
У загальному вигляді аналіз і рішення задачі проектування структури і 
складу СЕП є: 
1. Математичний опис об'єкта розглянутого в якості оптимізуємого.  
У розглянутих в цьому дослідженні випадках це СЕП в цілому або 
окремі її елементи. Система (її елементи) описується сукупністю рівнянь і 
нерівностей, що зв'язують характеристики, параметри, просторове 
розташування СЕП із змінними факторами розрахунку, прийнятими в якості 
варійованих змінних. У ряді випадків, наприклад через складність отримання 
кінцевих рівнянь, математичний опис може бути представлено рядом 
послідовних формул, приведених до виду розрахункового алгоритму. 
Складність отримання кінцевих рівнянь може бути пов'язана з наявністю 
нерівностей, з нелінійністю деяких характеристик і труднощами їх 
апроксимації, з необхідністю використання великої кількості табличних 
виразів, з надмірною громіздкістю кінцевих виразів. 
2. Математичнуа модель – опис прийнятого критерію оптимальності 
проектованої системи через цільову функцію (2.4). Моделювання дає 
можливість кількісно оцінити ефективність вибору варіанта. 
3. Пошук поєднань змінних, які відповідають заданим умовам на 
проектування за допомогою алгоритму оптимізації. 
Складність структури СЕП з РГ не дозволяє ставити і вирішувати 
завдання їх проектування в цілому. При таких структурах перед початком 
проектування проводиться декомпозиція СЕП на ряд підсистем, що 
призводить до більш простим підзадач проектування таких підсистем.  
При декомпозиції СЕП роцес вирішення підзадач вибудовується таким 
чином, щоб вони вирішувалися один за одним послідовно, а результати 
попередніх рішень служили вихідною інформацією для подальших рішень. В 
результаті вибудовується багатоетапний процес вирішення дозволяє 
отримати всі проектні рішення СЕП в сукупності. При такому процесі 
прийняття проектних рішень етапи проектування з'єднуються прямими 
зв'язками, що утворюють необхідну послідовність етапів, а також 
37 
 
зворотними зв'язками, ітераційним способом, що оптимізує (коректує) 
рішення і об'єднавчими, що одержані на окремих етапах.  
Таким чином завдання проектування оптимальної структури СЕП з РГ 
полягає в тому, щоб знаючи або приймаючи початкові значення x j0 , за 
допомогою декомпозиції елементів і відповідної методики оптимізації (і 
розробленого на її основі обчислювального процесу) знайти такі значення 
змінних, які задовольняють заданим умовам і надають цільової функції 
екстремальне (оптимальне) значення [40]. 
При такій постановці завдання цільова функція (2.4) може бути 
представлена у вигляді сепарабельної функції 
 
 Ц = f (x1,x2,x3, ,xn ) = f1(x1)+ f2 (x2 )+ + fn (xn ).             (2.5) 
 
що дозволяє побудувати багатоетапні процеси оптимального проектування, 
які відкривають широкі можливості вирішення завдань нелінійного 
програмування при проектуванні структури і складу ЕТС. 
Для побудови описаних багатоетапних процесів вирішення завдань 
проектування СЕП з установками РГ проведений аналіз завдань синтезу ЕТС. 
 
2.4 Завдання синтезу електротехнічних систем 
 
Структурна схема СЕП являє собою сукупність елементів і зв'язків між 
ними, що дає можливість детально уявити принципи роботи системи і 
процеси, що відбуваються в ній, а також можливість фізичної реалізації 
системи. Структурні схеми є основою для аналізу працездатності системи в 
різних режимах і розробки конструкторської документації, отже, її побудови 
слід приділяти особливу увагу. 
38 
 
Побудова схем відбувається з урахуванням вимог нормативних 
документів (стандартів, норм і правил), які обмежують і впорядковують 
процес формування змісту та форм структурних і принципових схем ЕТС. 
Специфіка проектування СЕП пред'являє ряд вимог до програмно-
апаратного комплексу проектування СЕП з РГ: 
а) автоматизований розрахунок всіх етапів проекту, які піддаються 
математичної алгоритмізації; 
б) можливість збереження результатів і необхідних проміжних значень 
в форматі файлу бази даних (БД): цей файл може бути використаний іншими 
програмами і підпрограмами; 
в) створення і можливість редагування БД обладнання (його технічних 
параметрів) і схемотехнічних рішень;  
г) організація запиту з БД обладнання за результатами розрахунків 
(програмне забезпечення має пропонувати обладнання та схемотехнічні 
рішення, які задовольняють розрахунковим умовам, а остаточний вибір 
виконує проектувальник, враховуючи умови, що важко піддаються 
алгоритмізації);  
д) візуальне (графічне) уявлення отриманої схеми СЕП і опис її в 
стандартних формах технічної документації. Приведені вимоги не повною 
мірою охоплюють ряд завдань, що стоять перед сучасними системами 
автоматизованого проектування, однак є вихідними і мінімально вичерпними 
при побудові будь-якого візуально-розрахункового середовища такого роду.  
До завдань алгоритмічного і програмного забезпечення проектування 
СЕП входять:  
а) деталізація СЕПі вибір елементів входять до принципову схему; 
 б) деталізація елементів систем і їх структурно-параметричний опис;  
в) вибір електричних зв'язків між елементами систем, конкретизація 
провідних зв'язків, трасування провідників;  
г) опис отриманих схем в стандартних формах. 
39 
 
Найбільш складним є формування графічних зображень схем з огляду 
на велику кількість нормативних обмежень. Тому разом з графічним 
використовується буквено-цифрове (табличне) зображення. При цьому 
графічне зображення є більш наочним і доступним для візуального аналізу 
системи в цілому, а табличне зображення більш зручно для аналізу 
фрагментів схеми (в тому числі машинними методами). При проектуванні 
СЕП реалізовуються обидва ці варіанти подання схем. 
Завдання синтезу ЕТС, розглянуті вище, не мають однозначних рішень 
і повинні піддаватися оптимізації з врахуванням багатокритеріального 
синтезу. Так як структура систем з розподіленою генерацією є досить 
складною, то постановку і рішення задачі їх синтезу можна сформулювати у 
формі завдання динамічного програмування. Результатом такого 
формулювання є можливість ділення загальної задачі синтезу схеми СЕП на 
ряд більш простих підзадач з їх подальшим поетапним рішенням. 
Запропонована методика дозволяє використовувати в синтезі систем 
багатоетапні алгоритми з урахуванням можливих обмежень (зворотних 
зв'язків) по надійності, рівням напруг, якості електричної енергії 
економічності тощо. Продуктивність праці проектувальника збільшує 
наявність створених користувацьких баз даних. При створенні програмних 
продуктів реалізована можливість використовувати вже напрацьовані БД, 
принцип побудови яких описана, наприклад, в [21]. Отже, одним з основних 
завдань розробляється алгоритмічного і програмного забезпечення, є 
створення БД стандартних і уніфікованих елементів і схем ЕТС, які 
безпосередньо впливають на збільшення продуктивності праці 
проектувальника. Для кожної СЕП такі БД різні, як різниться і номенклатура 
розробляється і виготовляється. Але в цілому БД повинна містити дані про 
установках генерації; приймачах і споживачах електричної енергії; 
провідникової продукції; трансформаторах; комутаційної апаратури; 
елементах шаф управління, релейного захисту, автоматики, телемеханіки і ін. 
40 
 
Процес синтезу складу СЕП є перехід від структурних схем до 
принципових з деталізацією елементного складу і зв'язків на всіх рівнях 
опису розглянутих систем. З огляду на неоднозначність деталізації (вибору) 
елементів і зв'язків практично на всіх рівнях дана задача має оптимізаційний 
характер. Слід враховувати те, що вибір елементів і зв'язків здійснюється 
серед виробів і систем, що випускаються промисловістю або знаходяться на 
стадії проектування, дослідження і впровадження. У зв'язку з цим множини, з 
яких виробляється вибір, є кінцевими [21]. 
Також необхідно врахувати дискретність цих множин. Виходячи з 
цього, відповідні завдання синтезу СЕП можна віднести до класу задач 
дискретного програмування, при вирішенні яких використовуються різні 
методи перебору варіантів. Якщо число варіантів перебору невелика, то 
можна обмежитися методом прямого перебору, легко реалізованим в режимі 
діалогу «проектувальник – машина». Якщо ж число варіантів складно для 
візуального спостереження, то в процедурі синтезу можна використовувати 
обчислювальні процедури динамічного програмування [30]. При цьому 
кожна підзадача (блок деталізації) вирішується прямим перебором варіантів, 
а стикування цих локальних рішень здійснюється за схемою динамічного 
програмування.  
З урахуванням викладеного процес синтезу структури СЕП 
розділяється на шість автономно вирішуваних завдань (рис.2.2): 
1) деталізація первинних джерел енергії; 
2) деталізація приймачів і споживачів електроенергії; 
3) деталізація системи передачі електроенергії; 
4) деталізація системи розподілу електроенергії; 
5) деталізація перетворювачів (вторинних джерел) електроенергії; 
6) зображення принципової схеми. 
41 
 
 
 
Рис. 2.2. Структурна схема загального алгоритму синтезу ЕТС 
 
42 
 
Зміст принципової схеми в цілому (структура і параметри елементів 
ЕТС) визначається при вирішенні п'яти перших завдань. Рішення останнього 
завдання дає опис схеми в графічній і (або) табличній формі. Завдяки такому 
розподілу і подальшої стикування процес проектування для окремих блоків 
деталізації проводиться в значній мірі автономно. Це дає можливість 
замінити ряд обчислювальних процедур динамічного програмування 
процедурами уточнень і коригування простіших послідовних завдань. Кожна 
наступна задача послідовності повинна вирішуватися з урахуванням 
уточнень і коригувань результатів рішень попередніх завдань. 
Структура програмного забезпечення при проектуванні компонентного 
або системотехнічного рівнів описана, наприклад, в [24]. Складові частини 
структури показані умовно, і кожна з них може бути представлена більш 
«тонкої» структурою. Вихідна інформація для деталізації первинних джерел 
енергії в великих СЕП зазвичай задається енергосистемою, вона досить 
жорстко обмежена. Ця інформація включає в себе параметри вироблюваної 
на технологічних установках електростанцій електричної енергії, кількість 
агрегатів, їх завантаженість, що забезпечується ступінь надійності, місце 
розміщення і ін. Параметри первинних джерел в процесі проектування СЕП з 
розподіленою генерацією можуть бути уточнені і доповнені.  
В процесі деталізації джерел електричної енергії повинні бути отримані 
відповіді на наступні питання:  
• кількість джерел живлення, місце розташування і елементний 
склад кожного з них окремо (включаючи схеми з'єднань, пристрої релейного 
захисту та автоматики, контрольно-вимірювальні прилади тощо);  
• параметри вироблюваної електричної енергії кожного з джерел 
(номінальну напругу, встановлена потужність, надійність, вірогідність перерв 
електропостачання і час їх усунення, якість вироблюваної електричної енергії 
та ін.);  
43 
 
• супровідна інформація до переліку джерел, яка необхідна для 
подальшого синтезу принципових схем (маркування, найменування, 
характеристики тощо). 
Вихідна інформація для деталізації приймачів і споживачів 
електроенергії включає в себе їх технологічне опис (функціональне 
призначення, параметри електроживлення, вимоги до надійності 
електропостачання та якості електричної енергії тощо).  
Споживачі електричної енергії зазвичай задаються технологічним 
процесом і зміна їх параметрів досить складно. Однак залишається відкритим 
ряд питань, пов'язаних з вибором комутаційної апаратури, а також апаратів 
керування, регулювання, захисту, без яких неможливе нормальне 
функціонування споживачів.  
При розробці принципових схем також є більш повна інформація про 
проектованої ЕТС. Це дає можливість поліпшити деякі рішення щодо вибору 
споживачів і зробити їх систематизацію за певними параметрами. Варіації 
споживачів в процесі деталізації, спрямовані на поліпшення проектованої 
ЕТС, повинні оцінюватися як за критеріями самих споживачів (надійність, 
економічність, зручність експлуатації, ремонтопридатність і ін.), так і за 
критеріями оцінки системи (енергоємність, надійність, якість електричної 
енергії тощо ).  
Таким чином, деталізація споживачів електроенергії дає наступні 
результати:  
• повний перелік споживачів, класифікований за різними ознаками 
групування (функціональним призначенням, місцем розташування, 
принципом дії, технічними характеристиками тощо); 
• перелік супутніх елементів і систем (комутаційні апарати, 
регулятори, пристрої захисту та управління, контрольно-вимірювальні 
прилади тощо); 
44 
 
• супровідна інформація до переліку споживачів, яка необхідна для 
подальшого синтезу принципових схем (маркування, найменування, 
характеристики, наявність клем і контактів тощо).  
Вихідна інформація для деталізації мереж (як передають, так і 
розподільних) включає в себе кількість розподільних установок (РУ), їх 
структурні зв'язки між собою і зі споживачами. В процесі деталізації мереж 
повинні бути отримані відповіді на наступні питання: 
• елементний склад кожного РУ окремо (схема з'єднань, шини, 
комутаційна апаратура, пристрої релейного захисту та автоматики, 
контрольно-вимірювальні прилади і т.п.);  
• сукупність електричних зв'язків між споживачами і 
розподільними пристроями з врахуванням необхідної надійності 
електропостачання окремих споживачів (число і виконання ЛЕП 
розподільної мережі);  
• сукупність електричних зв'язків між РУ і джерелами живлення з 
урахуванням необхідної надійності електропостачання окремих РУ (число і 
виконання ЛЕП межі живлення).  
Таким чином, в процесі деталізації мереж формується повний перелік 
РУ, ЛЕП, елементів з яких вони складаються, а також відбувається перехід 
від структурних зв'язків до електричних зв'язків із зазначенням їх кінцевих 
адресатів.  
Допускаються варіації елементів і зв'язків мереж які спрямовані, з 
одного боку, на поліпшення загальних інтегральних критеріїв проектованої 
системи електропостачання, а з іншого, на поліпшення часткових критеріїв 
вузлів і елементів мережі.  
Вихідна інформація для деталізації перетворювачів електроенергії 
(вторинних джерел живлення), якими є трансформаторні і (або) 
перетворюючі підстанції, включає в себе інформацію, отриману на етапі 
деталізації і синтезу електричних мереж, для зв'язку яких ці перетворювачі і 
45 
 
призначені. При цьому число точок зв'язку (перетворення) може відрізнятися 
від нуля до декількох точок.  
Відсутність точок перетворення говорить про те, що споживачі 
отримують електричну енергію на генераторному напрузі джерел живлення, 
що досить часто можливо в СЕП з розподіленою генерацією.  
Але в багатьох СЕП число таких точок перетворення кілька і залежить 
від віддаленості споживачів від джерела електричної енергії. Тому в процесі 
синтезу після уточнення і деталізації перетворювачів можливе повернення до 
етапів розробки електричних мереж або навіть споживачів або джерел 
електроенергії. 
В процесі деталізації перетворювачів електроенергії повинен бути 
зроблений однозначний вибір з наступних питань:  
• повний перелік перетворювачів з їх параметрами;  
• перелік супутніх елементів і систем (регулятори, блоки захисту і 
управління, контрольно-вимірювальні прилади і т.п.);  
• перелік додаткових регуляторів частоти і напруги енергосистеми; 
• повний перелік зв'язків між елементами систем 
електропостачання (джерелами, приймачами, відповідними РУ, можливих 
переходів на аварійне живлення) і місце їх розташування.  
Вирішення цих завдань також може зажадати зміни структур систем 
передачі і розподілу електричної енергії. Допустимі варіації елементів і 
зв'язків здійснюються за аналогією з попередніми варіантами мереж.  
Повний обсяг інформації, отриманий в результаті послідовної 
деталізації споживачів, джерел, перетворювачів і електричних мереж, 
дозволяє приступити до формування графічних або табличних описів 
принципових схем. Найбільш трудомістким при цьому є графічне 
зображення схем, особливо при великій кількості елементів і зв'язків між 
ними.  
В процесі графічного зображення принципової схеми повинні бути 
однозначно визначені:  
46 
 
• умовні графічні позначення елементів схеми;  
• розміщення всіх елементів на кресленні;  
• трасування електричних зв'язків між елементами з урахуванням 
правил їх побудови;  
• розміщення переліку елементів, написів і іншої текстової або 
таблично-цифрової інформації з урахуванням діючих стандартів і норм;  
• компоновка принципової схеми в цілому з урахуванням правил її 
побудови.  
Можливі варіації побудови принципових схем на кресленні спрямовані, 
з одного боку, на компактність зображення, а з іншого, на його наочність і 
зручність візуального спостереження. 
 
2.5 Дослідження характеру завдання оптимального синтезу 
електротехнічних систем з установками розподіленої генерації 
 
При вирішенні завдань оптимізації необхідно сформулювати її в 
термінах математичного програмування, а потім відповідно до теорії оцінити 
такі аспекти:  
- особливості побудови математичної моделі;  
- природу і число регульованих параметрів;  
- вид допустимої області; 
 - характер цільової функції.  
З'ясування цих питань дає можливість спочатку встановити клас 
завдання, а потім перейти до вибору методів її рішення. При цьому кількість 
розглянутих методів пошуку оптимального рішення значно скорочується, 
тому що частина з них не забезпечують досягнення результату, а ряд інших - 
важкореалізовані при алгоритмізації та програмуванні.  
При викладі умов оптимальності будемо слідувати концепції прямої і 
прямо-двоїстої форм таких умов, прийнятої, наприклад, в [25]. Процес 
47 
 
побудови математичної моделі СЕП або її елемента (об'єкта проектування) 
містить наступні етапи:  
• формалізацію задач проектування;  
• аналіз і виявлення істотних властивостей об'єкта;  
• побудова математичного опису, що відображає взаємозв'язок між 
собою виділених властивостей об'єктів.  
Основною інформацією для формалізації задачі проектування є дані 
про призначення, умови застосування і режимах роботи проектованих 
елементів або систем, а також про характер або метою проектування. При 
цьому завдання записується у вигляді рівнянь (2.2) - (2.4). Врахування 
особливостей проектованого об'єкта вносить коректування в постановку 
задачі оптимізації. 
Математичні моделі об'єктів побудовані на базі законів, що лежать в 
принципі його функціонування. Так, наприклад, в математичної моделі ЛЕП 
основоположною є теорія ланцюгів з розподіленими параметрами, а в 
математичній моделі трансформатора – закон електромагнітної індукції. 
Математичні моделі цих та інших елементів СЕПдосить докладно 
розглянуті в [26]. Ці моделі розглянуті з метою побудови СЕПз елементами 
РГ з оптимальними параметрами. 
Оскільки будь-яка модель лише наближено відображає властивості 
модельованого об'єкта, важливим завданням є знаходження компромісу між 
складністю моделі і точністю моделювання, яка, в свою чергу, повинна 
узгоджуватися з точністю вхідної інформації про об'єкт.  
Цей компроміс досягається за рахунок виділення істотних властивостей 
об'єкта і відкидання другорядних, які не впливають на результат 
проектування. Тут під властивостями розуміються величини, що 
відображають поведінку реального об'єкта і враховують як техніко-
економічні показники, так і умови функціонування.  
48 
 
Змінні показники є незалежними властивостями. Інші властивості 
залежать від змінних параметрів і є характеристиками об'єкта, що 
позначаються вектором G = (g1,g2,g3, gn ) . 
Універсальна математична модель об'єкта проектування визначається 
змінними параметрами і характеристиками: 
 
g1 = g1(x1,x2,x3, ,xn )
. . . . . . . . . .                                        (2.6) 
gr = gr (x1,x2,x3, ,xn )
 
де r - число варійованих характеристик об'єкта. 
В (2.6) входить також і вираз для цільової функції (2.4), що 
оптимізується характеристикою об'єкта. 
Таким чином, під математичною моделлю реального об'єкта будемо 
розуміти кінцеву множину варійованих змінних {X} разом з математичними 
зв'язками (2.6) між ними і характеристиками G [26]. 
При проектуванні вручну математичною моделлю об'єкта є 
послідовність розрахункових формул, максимально спрощених для ручного 
рахунку [26], крім цього проектувальник використовує табличні і графічні 
залежності, а також різні нормативні документи.  
Завдання проектування полягає у визначенні параметрів і 
характеристик реального виконання, що має досить хороші техніко-
економічні показники. При цьому мова йде не про оптимальний варіант, тому 
що евристичні здібності навіть досвідченого фахівця в кращому випадку 
дозволяють отримати результат, що відрізняється від оптимального не менше 
ніж на 5 – 10 % [27]. При цілі отримання оптимального варіанта значно 
змінюється постановка задачі проектування.  
Результат в цьому випадку повинен відповідати таким основним 
вимогам: 
49 
 
1) відповідати нормам і правилам, мати задані технічні характеристики; 
2) бути найкращим з точки зору обраного критерію ефективності. 
Такий підхід накладає на організацію обчислювального процесу 
особливі умови: 
• послідовність обчислень повинна носити ітераційний характер і 
базуватися на основі певного методу пошуку екстремуму; 
• великий обсяг обчислювальних процедур спрощується при 
застосуванні ЕОМ, але припускає, в цьому випадку, повну формалізацію 
математичної моделі об'єкта.  
Застосування при оптимізаційному проектуванні обчислювальної 
техніки дозволяє більш повно задовольнити вимоги адекватності 
математичної моделі і реального об'єкта в основному за рахунок ускладнення 
залежностей (2.6). При цьому кількість виконуваних операцій не повинно 
перевищувати граничне значення в зв'язку з тим, що алгоритм повинен бути 
виконаємо засобами ЕОМ, а кінцевий результат повинен бути отриманий в 
прийнятний час. 
Практичні роботи по розробці і налагодженню алгоритмів оптимізації 
електротехнічних систем показують, що в цьому завданні найбільш 
визначені математичні моделі елементів. А формування методики рішення 
задачі і її реалізації, що стосуються обчислювального методу і місць 
стикування обчислювального методу з моделлю, що оптимізується, хоча і 
піддавалися аналізу, але все ще вимагають подальшого дослідження. 
Як зазначалося вище, особливу роль в математичній моделі грають 
варійовані параметри, що піддаються зміні за визначеним законом з метою 
знаходження такого їх поєднання, яке забезпечує мінімум цільової функції 
(2.4) з урахуванням заданих обмежень (2.2) і (2.3).  
Змінні параметри в математичній моделі є механізмом, за допомогою 
якого здійснюється передача інформації між цільовою функцією з заданими 
обмеженнями і характеристиками об'єкта. 
50 
 
Між вихідними параметрами і характеристиками електротехнічних 
систем, що задаються, а також змінними проектними параметрами існує 
динамічна відповідність: кожен з варійованих параметрів можна зафіксувати 
і ввести в складі вихідних даних в ЕОМ. Але, також і деякі параметри ЕТС, 
що задаються, можна піддавати варіюванню для визначення їх оптимальних 
значень. 
Відповідно до цього цільову функцію (2.4) можна представити в більш 
загальному вигляді 
 Ц = f (x1,x2,x3, ,xn; y1,y2,y3, ,yk; z1,z2,z3, ,zp;)              (2.7) 
де x j  – варійовані проектні параметри; 
yf  – параметри, що оптимізуються, але не варіюються; 
ze  – параметри, що не оптимізуються і не варіюються. 
При проектуванні СЕП кількість варійованих проектних параметрів x j  
цілком визначено за умовами задачі оптимізації і відповідає набору 
незалежних (в математичному сенсі) змінних.  
Це означає, що жодна з цих змінних не може бути виражена через інші 
при використанні будь-яких рівнянь математичних моделей елементів. Т.ч., 
число варійованих параметрів має відповідати максимальній кількості 
змінних, які можуть незалежно один від одного змінюватися при пошуку 
екстремуму цільової функції. 
У математичної моделі етапів проектування СЕП під yf , маються на 
увазі напруги, число і потужності первинних джерел енергії (установок РГ) 
тощо, а під ze  – ціни на обладнання та матеріали, властивості виробів і 
кабельно-провідникової продукції, вартість втрат електроенергії і т.д. 
Конкретні значення yf  встановлюються нормативно-технічною 
документацією і в міру поліпшення властивостей виробів, появи 
конструктивних і технологічних нововведень значення yf  вони 
переглядаються.  
51 
 
Відмінною особливістю цих параметрів є те, що їх оптимізація, як 
правило, вимагає узагальненого критерію ефективності, що дозволяє 
визначити оптимальні значення yf  в застосуванні до серії виробів і 
пристроїв, СЕП в цілому або нарешті до однієї або кількох галузей 
промисловості. При цьому не виключено, що отримані з урахуванням цих 
міркувань yf  будуть оптимальні і для конкретного елемента 
електротехнічної системи.  
Величини ze  залежать від якості матеріалів, технології виробництва, 
продуктивності праці, товарно-цінових відносин не тільки в електротехнічної 
промисловості, а й у суміжних галузях. Величини ze  разом з yf  утворюють 
групу вихідних даних і умов на проектування. 
Розглянемо докладніше кількість і природу варійованих параметрів x j . 
При проектуванні конкретної СЕП кількість цих параметрів визначено на 
підставі деталізації елементів ЕТС. При цьому можливі різні набори цих 
параметрів для одних і тих же елементів, тобто можна говорити про 
неоднозначність варійованих параметрів. При цьому різні набори параметрів 
можуть бути оптимальні при різних методах дослідження.  
При використанні методу перебору змінних зручніше використовувати 
набір з дискретними параметрами, а при градієнтному і інших методах, 
заснованих на диференціальному обчисленні, перевагу варто віддавати 
набору з безперервними за характером елементами.  
При зміні варійованих параметрів пошук оптимального варіанту 
побудови СЕП проводиться в так званій допустимої області, що формується в 
основному обмеженнями виду (2.3).  
Ці обмеження являють собою вимоги на допустимі зміни основних 
характеристик і параметрів ЕТС, приписувані нормативно-технічними 
умовами. Прикладами таких обмежень при проектуванні електричних 
мереж є: 
- заданий максимально допустимий по нагріванню струм провідників 
52 
 
 
 Iроз (x1,x2,x3, ,xn ) ≤ Iдоп ;                                    (2.8) 
 
- заданий максимально допустимий значення втрат напруги 
 
 ∆Uроз (x1,x2,x3, ,xn ) ≤ ∆Uдоп ;                                   (2.9) 
 
- задані умови механічної міцності провідників 
 
 Fроз (x1,x2,x3, ,xn ) ≤ Fдоп                                    (2.10) 
 
і так дальше. 
Ці обмеження формують деяку область B , що представляє собою в 
геометричній інтерпретації гіперпростір складної конфігурації. 
Допустима область D, всередині якої знайдеться оптимальна точка X* , 
що відповідає мінімальному значенню цільової функції 
Ц* = f (x* * *
1, x2, x3, ,x*
n ) , виникає при перетині областей A і B (D =A B) .  
Об’єм допустимої області D, як показують розрахунки, значно менше 
області A і складають не більше 0,001 обсягу останньої. 
В теорії математичного програмування особливе місце займає питання 
про конфігурацію допустимої області. Якщо вдасться встановити, що 
допустима область представляє опукле множина рішень, то за умови 
опуклості цільової функції можна стверджувати, що будь-який відносний 
мінімум є абсолютним (глобальним) мінімумом. 
Вид множини допустимих рішень практично визначається по виду 
функцій в лівих частинах обмежуючих умов (2.3). Це множина буде опуклим, 
якщо функції Fi (x1,x2,x3, ,xn )  лінійні або опуклі. 
53 
 
Для опуклості функцій Fi (x1,x2,x3, ,xn )  слід, щоб для будь-яких 
двох точок X і Y задовольнялося нерівність 
 
t
Fi (Y) = Fi (X)+∇Fi (X) (Y −X) ,                                 (2.11) 
 
де 
∂Fi (X)
 
∂x
 1 
 
 ∇Fi (X) =   .                                       (2.12) 
 
∂Fi (X)
 
 ∂xn 
 
В роботі [28] було проведено аналіз здійсненності умови (2.11) по 
всьому простору області A. Отримані результати свідчать про задоволення 
нерівності (2.11) для всіх розглянутих функцій. Таким чином, за допомогою 
машинного експерименту вдалося встановити опуклий характер функцій, що 
входять в нерівності (2.8) - (2.10). 
Щоб встановити, нарешті, вид допустимої області D, наведемо одну 
формулювання з теорії математичного програмування [28]: «множина Д всіх 
точок, які відповідають умовам 
 
 Fi (X){≤, ≥}bi, i =1,2, ,m                                      (2.13) 
 
опукло, якщо в нерівностях зі знаком ≤ опуклі функції, а зі знаком ≥  увігнуті 
функції для X ≥ 0  ». Всі наші нерівності задовольняють цим умовам. 
Для підтвердження теоретичних висновків проведено дослідження 
характеру допустимої області на прикладі СЕП з РГ. 
54 
 
Розглядаючи вид допустимої області, до уваги береться дискретність 
ряду параметрів. Тому всі розрахунки і побудови допустимої області, як і 
теоретичні висновки, здійснювалися для безперервних змінних параметрів.  
Оскільки графічна ілюстрація можлива тільки в двомірному просторі, 
то зображення допустимої області, що має кілька вимірів, здійснимо при 
фіксованих значеннях всіх регульованих параметрів, крім двох. В якості 
таких значень прийняті оптимальні величини.  
Таким чином, графічна ілюстрація області допустимих рішень - це по 
суті переріз її площиною, що проходить через оптимальну точку. Фактор 
дискретності змінних, а також врахування всіх конструкторсько-
технологічних вимог ще більше ускладнює картину, збільшуючи 
незв'язаність допустимої області, яка за своєю структурою складається з 
великого числа ізольованих точок, сукупність яких розташовується вкрай 
нерівномірно.  
Зі сказаного вище випливає, що множина допустимих рішень 
математичної моделі СЕП при вирішенні задач оптимізації має досить 
складну структуру, що ускладнює пошук глобального екстремуму. 
Конкретний вид цільової функції (2.4) в математичній моделі залежить від 
заданого критерію ефективності.  
Для оцінки ефективності обраного рішення можуть бути використані 
рекомендації, що приведені в [25], що дозволяє оцінити ефективність з точки 
зору мінімізації витрат. Спроектована з точки зору оптимальної економічної 
ефективності структура СЕП повинна відповідати обмеженням у вигляді 
безпеки і надійності, вимоги до яких пред'являє ПУЕ.  
Таким чином, основним критерієм при оптимізації використовується 
економічна ефективність з урахуванням обмежень по надійності і безпеки. 
При оптимальному проектуванні СЕП з РГ як критерій економічної 
ефективності пропонується вибрати витрати на СЕП (ВЕТС  ): 
 
55 
 
(∆PXX ⋅Tвкл + ∆РКЗ ⋅ τ) ⋅Са +Q ⋅Ср
ВЕТС =СЕТС + +Y,               (2.14) 
Pам + Ен
 
де ∆PXX  – втрати холостого ходу в елементах ЕТС; 
∆РКЗ  – втрати короткого замикання в елементах ЕТС; 
Q – реактивна потужність; 
Са  і Ср  – питомі витрати на відшкодування втрат активної та реактивної 
потужності; 
Tвкл  – період роботи ЕТС; 
τ  – час роботи з номінальним навантаженням; 
Pам  – коефіцієнт амортизаційних відрахувань; 
Ен  – нормативний коефіцієнт економічної ефективності; 
Y  – збиток, що виникає при перервах в електропостачанні, погіршенні 
якості електричної енергії та ін. 
СЕТС  – вартість ЕТС, що визначається з вираження: 
 
 Ц 
 С і
ЕТС =∑Mi ⋅  +Ві ⋅kн  +∑Mi ⋅Взп ,                       (2.15) 
  ηі 
 
де Mi  – кількість використовуваних електротехнічних об'єктів (або їх 
масогабаритні показники); 
Ц і  – ціна об'єкта; 
ηі  – коефіцієнти використання об'єкта; 
Ві  – питомі витрати по заробітній платі на виробництво / монтаж об'єкту; 
kн  – нормативний коефіцієнт; 
Взп  – питомі витрати по заробітній платі на інші види робіт. 
Використання в якості критерію оптимальності мінімального значення 
СЕТС  відповідає виконання СЕП з найменшою витратою матеріалів і 
56 
 
вартістю. Незважаючи на більш простий характер функції СЕТС  в порівнянні 
з ВЕТС , саме витрати обрані основним критерієм, так як СЕП з мінімальним 
значенням ВЕТС  є найкращою з точки зору загальних витрат на її монтаж і 
експлуатацію. СЕТС , а, отже, і ВЕТС  є нелінійними функціями з змінними 
параметрами.  
Якщо лінійна цільова функція в геометричній інтерпретації являє 
собою гіперплощину, яка зі зміною цільовою функції Ц, паралельно 
переміщається в багатовимірному просторі, то нелінійність викликає зміна 
виду геометричного аналога рівняння (2.7), що стає гіперплощиною, яка 
може бути не паралельна початкової.  
Цей факт уже сам по собі не гарантує єдність екстремуму навіть при 
опуклою допустимої області D. Ще однією з причин, що ускладнюють пошук 
глобального екстремуму, є значна різниця у впливі змінних параметрів на 
цільову функцію, що зумовлює її виражений яроподібний характер в 
багатовимірному просторі. Це ускладнює застосування при вирішенні задач 
оптимізації Ц градієнтних схем пошуку. У цьому випадку перші ж ітерації 
виводять на «схил яру», після чого рух до екстремуму йде по звивистій 
траєкторії дрібними кроками. Крім того, при переході з одного «схилу яру» 
на інший необхідно змінювати значення кроку (як правило, зменшувати), 
щоб уникнути зациклення розрахунку. При цьому потрібно дуже ретельно 
оцінювати величину похідних, що важко при відсутності їх аналітичних 
виразів. 
Розглянемо характер ряду інших складових рівняння (2.14). 
Величини втрат холостого ходу ∆PXX  і короткого замикання ∆РКЗ  
елементів визначаються за методикою, викладеною в [29]. 
Питомі витрати на відшкодування втрат активної потужності Са  
визначаються з виразу: 
 Са = δ⋅ (α⋅kм +β⋅ τ) ,                                 (2.16) 
57 
 
де α  – питомі витрати, зумовлені розширенням електростанцій системи для 
покриття втрат активної потужності; 
β  – питомі витрати на вироблення електроенергії і на розширення 
паливної бази (собівартість електроенергії на генеруючих установках); 
kм = ∆РЕ / ∆Рм  – відношення втрат активної потужності в момент 
найбільшої навантаження енергосистеми до найбільших втрат активної 
потужності; 
δ  – коефіцієнт, що враховує витрати на розширення електричних мереж, 
обумовлене передачею потужності для покриття втрат активної потужності: 
2(∆P
δ =1+ XX ⋅Tвкл + ∆РКЗ ⋅ τ)     (2.17) 
Е
де Е  – обсяг електричної енергії, вироблений генеруючими установками 
ЕТС. 
Питомі витрати на відшкодування втрат реактивної потужності Ср  
визначаються з виразу: 
 Ср =СГРП +СПРП ,                                          (2.18) 
де СГРП  – питомі витрати на генерування реактивної потужності; 
СПРП  – питомі витрати на передачу реактивної потужності. 
Питання про визначення СГРП  і СПРП  досить докладно висвітлено в 
[30] і в зв'язку з цим в цьому дослідженні для їх визначення 
використовується позначена вище методика. 
Збиток Y , що виникає при перервах в електропостачанні Yпер  і 
погіршенні якості електричної енергії YЯЕ . Yпер  визначається з виразу: 
 
 Yпер =YП +YД                                            (2.19) 
 
У вираженні (2.19) YП  є величиною прямого збитку від перерви 
електропостачання, яка визначається як 
58 
 
n
YП =∑Yпі ⋅qi                                            (2.20) 
1
де Yпі  – величина прямого збитку від перерви електропостачання тривалістю 
ti  ; 
qi  – ймовірність виникнення перерви тривалістю ti . 
У вираженні (2.19) YД  є величиною додаткового збитку від перерви 
електропостачання, яка визначається як 
 
t
 Y = Σ
Д (ЕН ⋅К +Впост + ∆β+ ∆n0 )                                  (2.21) 
Tпл
 
де tΣ  – математичне очікування часу перерв електропостачання в 
технологічній частині СЕП і зведеного часу наладки виробництва з 
урахуванням часткової вироблення продукції; 
Tпл  – планове число годин роботи в рік; 
К – вартість основних і оборотних коштів підприємств; 
Впост  – постійна частина річних витрат виробництва; 
∆β  – збільшення зарплати при понаднормових роботах всього 
персоналу, віднесене до одного року; 
∆n0  – подорожчання вартості продукції при форсованому режимі 
технологічного процесу, визначається з виразу: 
 
δ −1
 ∆n0 = υ0 ⋅n0 ⋅ ⋅Tпл ⋅ γ                                      (2.22) 
γ −1
 
де n0  – частка змінної частини витрат виробництва, змінюється при 
форсуванні, віднесена до одиниці продукції; 
υ0  – годинний випуск продукції при номінальному режимі; 
59 
 
δ  – коефіцієнт, що враховує збільшення витрат при форсуванні; 
γ  – кратність форсованого режиму. 
Аналогічні рівняння можна вивести і для шкоди, пов'язаного з 
відхиленням показників якості електричної енергії від нормованого значення. 
Практичне визначення збитку, що враховує складні коефіцієнти важко. Крім 
того, необхідно знайти статистичні залежні значення прямого збитку від часу 
перерви, для побудови яких необхідно мати велику кількість значень, 
одержуваних при обстеженні виробництв.  
Тому точне значення збитку, що враховується при оптимізації, вимагає 
подальшого аналізу.  
Але навіть з урахуванням наведених вище формул (2.19) - (2.22) видно, 
що характер функцій шкоди більш зручний для машинного, ніж для ручного 
підрахунку і тому застосування комп'ютерних моделей для його визначення є 
бажаним. 
Після завершення опису складових оптимізаційної функції вироблено 
подальше дослідження її характеру і методикою обчислення. 
Метод оптимального проектування являє собою процедуру пошуку 
оптимального рішення, яке виражається в проведенні випробувань в точках 
Xk (k =1,2, ,N) . Оптимальне рішення знаходиться за допомогою 
рекурентних (зворотних) співвідношень, що записуються для заданого 
початкового наближення X1  у вигляді 
 
 Xk = Mk X1G (X1),f (X1); ;Xk−1G (Xk−1),f (Xk−1) ,k = 2,3, ,N.   (2.23) 
 
Після проведення N ітерацій (звернень до математичної моделі об'єкта, 
випробувань) процес оптимізації закінчується в зв'язку з задовільною 
заданою точністю рішень або в результаті використання виділеного ресурсу 
часу. Оптимальні значення критерію ефективності та регульованих 
параметрів визначаються з умови: 
60 
 
 
Ц* = f (X* )minf (X k )                                           (2.24) 
1≤ k ≤ N
 
Вираз (2.24) є математичним записом методу оптимального 
проектування. Спосіб визначення початкової точки і сукупності функцій 
{Mk}  характеризують відповідний алгоритм пошукової оптимізації [53]. 
Після аналізу характеру завдання оптимізації коло методів, які можна 
застосувати для її вирішення, значно звужується. Розгляд переліку методів 
потенційно можливих для оптимізації СЕП з елементами РГ представляється 
необхідним з таких причин:  
1) Один і той же метод не є оптимальним з точки зору різних критеріїв. 
Уподобання змінюються при зміні критеріїв, що призводить до доцільності 
застосування іншого методу.  
2) Визначення параметрів і характеристик найкращого варіанту об'єкта 
є приватною завданням оптимального проектування. Мінімізація цільової 
функції в умовах мінливого характеру проектування (дослідне, навчальний, 
промислове тощо.) Можлива за допомогою алгоритмів пошукової 
оптимізації.   
3) Збільшення числа і типів проектованих об'єктів призводить до 
необхідності організації бібліотеки алгоритмів оптимізації. При вирішенні 
конкретної задачі з бібліотеки вибирається найбільш ефективний алгоритм. 
Це особливо актуально для проектування СЕП з різними джерелами, як це 
можливо в СЕП з елементами РГ.  
Обчислювальні методи пошуку екстремуму функції, які 
використовуються для побудови оптимальних СЕП з багатьма змінними 
можна розділити на дві основні групи: детермінованого і 
недетермінірованого пошуку. Також існують обчислювальні процеси, які 
61 
 
синтезують різні методи, використовувані самостійно на тому чи іншому 
етапі пошуку оптимуму. 
До групи детермінованих методів відносяться так звані методи 
обчислювальної математики: ітераційний, градієнтний, релаксаційний та 
деякі інші. Крім того сюди можна віднести метод, побудований на основі 
багатокрокового процесу з використанням основної ідеї динамічного 
програмування, який визначає обчислювальний процес відповідно до 
рівнянням сепарабельної функції (2.5).  
Це дозволяє побудувати багатоетапні процеси оптимального 
проектування, які відкривають широкі можливості вирішення завдань 
нелінійного програмування при виробництві електротехнічних систем. До 
групи недетермінірованних методів відносять метод простого перебору 
незалежних змінних (метод сканування), методи організованого перебору, а 
також метод випадкового пошуку (метод Монте-Карло).  
Кожен із зазначених методів має свої особливості, свої умови, при яких 
він може ефективно працювати, свій діапазон дії, а також певний переваги і 
недоліки, які можуть посилюватися або послаблюватися в залежності від 
характеру розв'язуваної задачі, тобто конкретних умов застосування.  
Використання класичних методів математичного моделювання 
передбачає таке математичне моделювання досліджуваного об'єкта 
(електротехнічної системи з розподіленою генерацією), при якому всі 
питання взаємозв'язку параметрів і характеристик СЕП описуються 
системами нелінійних рівнянь (нерівностей)  або у вигляді розрахункового 
алгоритму [32].  
Рішення отриманої системи рівнянь або алгоритму дозволяє отримати 
варіанти електротехнічної системи, що відповідають заданим технічним 
умовам на параметри і характеристики. Технічно прийнятні варіанти 
зіставляються по заданому техніко-економічним критерієм (2.14) з метою 
вибору оптимального варіанту за допомогою спеціального минімізуємого 
функціоналу, що враховує одночасно умова (2.2) і цільову функцію (2.4). 
62 
 
Всі методи обчислювальної математики, що забезпечують рішення 
нелінійних систем і пошук екстремального значення функції, побудовані, по 
суті, на ітераційне процесі, за допомогою якого рішення цілеспрямовано 
(метод Ньютона, метод градієнта і ін.) або випадково (метод випадкового 
пошуку та ін.) просувається до оптимального.  
Слід зазначити, що застосування класичних методів обчислювальної 
математики (крім методу випадкового пошуку) доцільно лише при певних 
умовах. Зокрема, досліджувані функції повинні бути мають похідні, а 
застосовувані варійовані параметри – безперервні; повинна існувати 
можливість заміни нерівностей лімітують параметрів рівності.  
У разі заміни дискретних рядів змінних параметрів безперервними 
рядами отримані за допомогою класичних методів варіанти розглядаються 
тільки як теоретично оптимальні і вимагають подальшого уточнення з 
застосуванням заданих дискретних рядів.  
Однак заміна сукупності дискретних значень будь-яких чисел на 
безперервні функції можлива не завжди. Кількість кроків, необхідне для 
отримання оптимального рішення, залежить від виду функції, заданої 
точності рішення і, в ряді випадків, від прийнятого початкового наближення. 
Час пошуку оптимального варіанта при використанні апарату класичних 
методів математики завдяки спрямованості рішення при організації 
обчислювального процесу буває мінімальним.  
Незважаючи на досить жорсткі обмеження, застосування класичних 
методів обчислювальної математики при проектуванні СЕП з РГ виявляється 
не тільки можливим, але і необхідним. В першу чергу при широкому 
дослідженні взаємовпливу параметрів, геометрії і характеристик системи і її 
елементів з урахуванням заданих умов оптимальних зон параметрів і 
геометричних місць розміщення, при отриманні узагальнених характеристик, 
а також в ряді інших випадків. 
Детермінований пошук оптимального варіанту може бути також 
організовано на основі ідеї динамічного програмування, яка полягає в тому, 
63 
 
що одночасний (одноетапний) процес вибору багатьох параметрів 
замінюється багатоетапним процесом, при якому на кожному етапі 
здійснюється вибір одного або декількох параметрів.  
Цей метод дозволяє знайти глобальний оптимум при наявності 
локальних оптимумів, не вимагає безперервності варійованих параметрів або 
диференціюється (2.2) і (2.3), дозволяє в повній мірі врахувати дискретний 
характер змінних x j . 
Єдиною умовою методу є те, що структура завдання не повинна 
залежати від числа кроків і повинна бути можливою інтерпретація завдання 
як n-крокової процесу прийняття рішення. Обчислювальна ефективність 
такого методу полягає в тому, що з розгляду виключаються всі комбінації 
змінних параметрів, що не задовольняють заданим умовам. У зв'язку з цим 
вважаємо за доцільне використовувати в якості основної обчислювальної 
процедури ідею динамічного програмування, тобто інтерпретувати завдання 
в багатокроковий процес, зберігши ітераційну обчислювальну схему і 
перебір всіх значень x j .  
При такій побудові СЕП на кожному етапі обчислювального процесу 
необхідно запам'ятовувати тільки ті значення x j , які відповідають поточному 
оптимального значення функції вигоди.  
При багатокрокової обчислювальної процедури з метою зменшення 
часу розрахунку необхідно розробити комплекс заходів щодо скорочення 
числа розглянутих варіантів на кожному етапі.  
Іншою альтернативою використання основного принципу методу 
динамічного програмування є заміна пошуку глобального оптимуму 
пошуком на кожному етапі локальних оптимумів. В цьому випадку перебір 
всіх значень x j  стає зайвим, так як розглядаються тільки ті значення змінних, 
які на кожному етапі ведуть до поліпшення цільової функції.  
Для підвищення надійності методу пошук можна повторити кілька 
разів, починаючи з різних початкових станів x j0 . 
64 
 
Застосування для проектування СЕПз РГ недетермініноваго пошуку 
оптимального варіанта методом простого перебору всіх сполучень змінних 
x j  не може бути визнаний задовільним через великої кількості розглянутих 
варіантів.  
Обсяг обчислювальної роботи і час розрахунку при простому переборі 
експоненціально збільшуються з ростом числа варійованих змінних. Однак 
при обмеженні числа змінних в певних умовах використання методу 
простого перебору може виявитися зручним, так як метод дозволяє знайти 
глобальний оптимум і врахувати дискретність варійованих змінних.  
Даний метод, по суті, не пред'являє будь-яких вимог до математичної 
підготовки обчислювального процесу.  
Як видно з вищевикладеного, жоден з методів не забезпечує 
гарантованого вирішення оптимізаційних задач нелінійного програмування і 
не має тільки позитивними властивостями. Однак слід зазначити, що методи 
простого перебору і обчислювальні процедури з використанням прийомів 
динамічного програмування найбільше підходять до вирішення завдань з 
явно вираженими дискретними змінними, в число яких входять і завдання з 
проектування СЕП з РГ.  
Вибір методу рішення визначається характером завдання (необхідністю 
широкого дослідження і пошуку зон оптимальних рішень, знаходженням 
оптимального варіанту всередині вузької зони зміни змінних і т.д.), числом 
змінних, можливостями обчислювальної техніки та ін.  
В цьому випадку оптимальним є метод декомпозиції і подальший 
синтез проектування, в обчислювальних процедурах якого використовується 
математичний апарат різних методів, і забезпечується тим самим найбільший 
обчислювальний ефект. 
Результатом синтезованого використання методів є двоетапний процес, 
коли на першому рівні з певними припущеннями (наприклад, відмовою від 
дискретності змінних) виконується аналіз усіх взаємозв'язків в структурі 
ЕТС. Це дозволяє при незначних витратах машинного часу встановити з 
65 
 
урахуванням заданих технічних вимог вузькі оптимальні зони варійованих 
параметрів.  
На другому етапі проектування виконуються деталізація структури 
СЕП з урахуванням дискретності всіх конструктивних елементів 
(генеруючих установок, електричних мереж, приймачів і перетворювачів та 
інших елементів), а також пошук оптимального варіанту СЕП на основі 
методу перебору.  
При цьому варійовані параметри змінюються у вузьких діапазонах, 
встановлених на першому етапі проектування, що значно скорочує час 
розрахунку. В цьому випадку синтезований метод оптимального 
проектування дозволяє реалізувати на першому етапі основні переваги 
безперервних методів, тобто швидкість знаходження і можливість пошуку 
оптимального варіанта в широкому діапазоні зміни поєднання параметрів, а 
на другому етапі – переваги методу перебору, тобто врахування дискретного 
характеру всіх конструкційних елементів і гранично наближене отриманого 
варіанту до промислових умов. 
 
Висновки до розділу 2 
 
Таким чином, в цьому розділі був проведений аналіз задачі синтезу 
структури СЕП з РГ і запропонована методика оптимізації її проектування, 
побудована оптимізаційна функція. Також досліджено питання методики 
алгоритмізації синтезу структури ЕТС.  
В результаті цього було отримано принцип організації алгоритмічного 
забезпечення для програмно-апаратного комплексу проектування виконує 
необхідні функції при проектуванні СЕПз РГ.  
Це призводить до необхідності в якості основної обчислювальної 
процедури використовувати ідею динамічного програмування, зберігши 
ітераційну обчислювальну схему. 
66 
 
Для підвищення ступеня узгодженості при проектуванні окремих 
елементів і СЕП пропонується організувати накопичення об'єктивної 
інформації про властивості об'єктів, що проектуються і прийняті рішення в 
базі даних елементів. Побудова обчислювального процесу на основі методу 
раціоналізованого перебору здійснювалася відповідно до вищевикладених 
теоретичними положеннями.  
При цьому в якості завдання оптимізації розглядалася задача 
проектування СЕП з елементами РГ, яка має два різновиди: оптимізаційний 
характер типовиконань джерел розподіленої генерації і загальну задачу 
оптимального проектування.  
В якості основного завдання в подальших дослідженнях прийнята 
друга, як має велику практичну значимість. Розрахунок починається з 
введення в ЕОМ вихідних даних ЕТС, що оптимізується і визначення 
параметрів, що зберігаються протягом усього розрахунку незмінними. Потім 
організовуються концентричні цикли по перебору варійованих параметрів, 
які охоплюють основні розрахункові блоки.  
Запропонований підхід дозволяє при інженерному аналізі знаходити 
кращий варіант при сформованих локальних умовах. 
 
 
  
67 
 
РОЗДІЛ 3 
ПРОЦЕДУРИ ВИБОРУ СТРУКТУРИ І СКЛАДУ ОБЛАДНАННЯ 
ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНОЇ СИСТЕМИ З РОЗПОДІЛЕНОЮ ГЕНЕРАЦІЮ 
 
3.1 Деталізація приймачів електричної енергії 
 
Згідно [32] споживачем електричної енергії називається 
електроприймач або група електроприймачів, об'єднаних технологічним 
процесом і розміщуються на певній території. У свою чергу 
електроприймачем (ЕП) називається апарат, агрегат, механізм 
(електродвигун, перетворювач, світильник і ін.), призначений для 
перетворення електричної енергії в інший вид енергії.  
Слід відзначити й іншу позицію в поділі понять електроприймач і 
споживач електричної енергії. Приймачем електроенергії називають пристрій 
(апарат, агрегат, установку, механізм), в якому відбувається перетворення 
електричної енергії в інший вид енергії (або електричну, але з іншими 
параметрами) для її використання.  
Споживач – підприємство, організація, територіально відокремлений 
цех, будівельний майданчик, квартира, у яких приймачі електроенергії 
приєднані до електричної мережі і використовують електричну енергію [33].  
Будемо дотримуватися другого визначення, також вважаючи, що 
абонент енергопостачальної організації – споживач електроенергії, 
енергоустановки якого приєднані до мереж енергопостачальної організації і 
який на кордоні підприємство – енергосистема має інструментальний чи 
іншої облік параметрів електроспоживання. З позиції структурної ієрархії до 
споживачів також може бути віднесена сукупність електричних приймачів, 
які отримують електроживлення з шин підстанцій того чи іншого напруги. 
Приймачі (споживачі) електричної енергії розрізняються по режиму 
роботи, призначенням, принципового виконання, споживаної потужності, 
частоті споживаного струму, напрузі, умов роботи, місцем розташування, за 
68 
 
вимогами до надійності електропостачання, якості електричної енергії. 
Важливою характеристикою є електроспоживання на певних інтервалах часу 
(за добу, місяць, рік, кілька років).  
Попит споживачів характеризується потужністю навантаження і її 
зміною в часі, тобто графіками навантаження споживачів P (t). Графік 
навантаження ЕП є основним показником, за яким його слід класифікувати, і 
за формою графіків навантаження (режиму роботи) ЕП зазвичай ділять на 
три групи: 
• ЕП з незмінним (або малозмінним в часі) навантаженням 
(прикладами ЕП, що працюють в цьому режимі, є електродвигуни 
компресорів, насосів, вентиляторів і т.п.); 
• ЕП, що працюють з повторно-короткочасним (в тому числі і з 
ударної) навантаженням, в цьому режимі короткочасні робочі періоди 
машини або апарату чергуються з короткочасними періодами відключення 
(прикладами цієї групи є електродвигуни кранів, зварювальні апарати тощо); 
• ЕП, що працюють в режимі короткочасного навантаженням 
(прикладами даної групи є двигуни електроприводів допоміжних механізмів 
металорізальних верстатів, гідравлічних затворів тощо). 
Насправді графік навантаження кожного ЕП відрізняється від 
проектного, тому що на режим впливають технологічні особливості кожної 
галузі промисловості. Однак з достатньою часткою ймовірності реальний 
графік навантаження буде збігатися з проектним. 
Крім поділу ЕП по режимам роботи слід враховувати несиметричність 
навантаження або нерівномірність завантаження фаз. До симетричних 
навантажень відносяться, наприклад, трифазні електродвигуни та печі. До 
несиметричним навантаженням (одно- і двофазним) слід віднести електричне 
освітлення, однофазні і двофазні печі, однофазні зварювальні 
трансформатори і т.п. в тому випадку, коли розподілити їх симетрично по 
фазах не вдається. 
69 
 
З точки зору забезпечення надійного і безперебійного живлення ЕП 
діляться на три категорії (а також особливу групу першої категорії). 
Надійність електропостачання забезпечується створенням відповідної схеми 
(схемна надійність), застосуванням відповідних агрегатів, комутаційних 
апаратів, трансформаторів (апаратна надійність). Вона досягається при 
проектуванні обладнання та правильної його експлуатації. Також надійність 
пов'язана з режимами (режимна надійність), яка вимагає вибору 
обґрунтованих рішень по використанню обладнання, станцій і системи, 
забезпечення стійкості та ін.  
Надійність і безперебійність пов'язані з витратами. Чим вище ці 
вимоги, тим більші кошти необхідно вкласти в відповідну техніку. Є два 
принципових підходи до оцінки надійності систем електропостачання. 
Перший підхід спирається на нормативні документи, в яких всі 
електроприймачі розділяться на три категорії. Реалізація цього підходу при 
формуванні СЕПформально не становить труднощів. Однак до вузлів мережі, 
як правило, підключаються споживачі, з ЕП належать до різних категорій.  
При цьому якщо орієнтуватися на найменш відповідальних ЕП 
(вибирати найбільш просту і дешеву схему), то не будуть забезпечені 
необхідним рівнем надійності найбільш відповідальні ЕП. Якщо ж при 
виборі схеми орієнтуватися на відповідальні ЕП, то це може привести до 
невиправданого ускладнення і подорожчання схеми ЕТС. У ринкових 
економічних умовах ці вимоги необхідно оцінювати з економічної точки 
зору, але вони повинні бути збережені стосовно, по крайній мірі, до випадків 
перерви електропостачання, які призводять до небезпеки для життя людей, 
вибухів пожеж і, можливо, до інших несприятливих наслідків. 
Другий підхід передбачає економічну (кількісну) оцінку від 
недовідпуск електроенергії – економічний збиток. Його рекомендують 
використовувати перш за все в тих випадках, коли порівнювані варіанти схем 
СЕП істотно відрізняються по надійності електропостачання, а також для 
оцінки заходів, спрямованих на підвищення надійності.  
70 
 
У ринкових умовах на перший план висуваються економічні інтереси 
окремих організацій: постачальника електроенергії і споживає 
електроенергію. Стосовно до постачальника економічних збитків буде 
проявлятися через недоотримання прибутку через недовідпустк 
електроенергії внаслідок перерв електропостачання, штрафних санкцій 
споживачів за недовідпустку електроенергії, додаткових витрат на 
проведення аварійного ремонту пошкодили елементів мережі та ін. Також в 
промислово розвинених країнах з ринковою економікою вважається 
прийнятною оцінка економічного збитку від перерв електропостачання, 
нанесеного суспільству.  
Для нормальної роботи промислового підприємства, крім надійності 
живлення важливим є підтримання стабільності напруги і частоти. У 
розділі 2 була виведена оптимізаційна функція для ЕТС, що враховує 
надійність з урахуванням другого підходу до надійності, що враховує в 
своєму складі не тільки безперебійність електропостачання, але і ймовірність 
знаходження параметрів якості електричної енергії в нормованих межах.  
Таким чином, повний перелік ЕП і вимоги, що пред'являються їм, 
досить великі і тому потребують систематизації по ряду ознак, наприклад: 
функціональне призначення, приналежність до конкретної функціональної 
системі, параметри електроживлення, конструктивне виконання, тривалість 
включення тощо. Велике значення при систематизації ЕП має також 
надійність електропостачання та їх вимоги до якості електричної енергії. 
Крім цих вимог, необхідно врахувати загальні тенденції розвитку 
обладнання, що спрямовані на технологічну і конструктивну інтеграцію 
окремих споживачів в ЕТС, керовані за допомогою мікроконтролерів або 
ЕОМ. 
Проектувальнику необхідно вибрати з баз даних необхідні ЕП, 
розмістити їх піктограму на плані і, якщо їх параметри в проекті, що 
розробляється, не відповідають даним, які встановлені за замовчуванням, 
вказати їх категорійність, режим роботи та ін. Операція по деталізації ЕП є 
71 
 
найбільш трудомісткою для оператора, так як в її процесі доводиться 
здійснювати досить велике число однотипних дій по вибору ЕП і, при 
необхідності, завданням їх характеристик.  
Даний процес може бути спрощений, якщо використовувати рішення, 
що збережені в процесі виконання попередніх проектів в форматі баз даних. 
В цьому випадку, при наявності аналогічного цеху, потрібно більш проста 
операція коригування ЕП, виходячи з місцевих умов. Слід також пам'ятати, 
що всі споживачі електроенергії є елементами єдиної ЕТС. Тому вони 
повинні бути обрані так, щоб забезпечити високі показники системи в 
цілому.  
Визначальна вимога економічності полягає в тому, що наведені 
витрати на будівництво і експлуатацію елементів СЕП повинні бути 
мінімальними. З цієї точки зору доцільно керуватися оптимізаційною 
функцією (2.14).  
Тому після вибору всіх ЕП проводиться їх оптимізація, як за 
характеристиками, так і по розташуванню з метою зручності обслуговування, 
трасування ліній і підключення до розподільних пунктів. Визначаючи 
максимальне навантаження виробництва, необхідно визначити навантаження 
електроприймачів цехів, дільниць, припускаючи відсутність джерел 
реактивної потужності в системі електропостачання. Результати розрахунку 
електричних навантажень використовуються як вихідні дані для вибору 
числа і потужності джерел РГ, силових трансформаторів і інших елементів 
ЕТС. 
3.2 Деталізація джерел електричної енергії 
 
Джерела електроенергії можна розділити на первинні і вторинні. В 
якості первинних джерел електроенергії можуть виступати електромеханічні 
генератори постійного та змінного струму або акумулятори. Деякі з 
можливих варіантів первинних джерел енергії в електротехнічних системах з 
розподіленою генерацією описані в першому розділі. За аналогією з 
72 
 
централізованої генерацією, нижче перераховані три види генераторів 
зазвичай використовуваних для РГ: синхронний генератор, асинхронний 
генератор і силовий електронний перетворювач. Коротко обговоримо ці 
технології РГ.  
Основний генератор для централізованої генерації – синхронний 
генератор, він здатний виробляти як активну, так і реактивну потужності, тим 
самим він забезпечує перевагу для розподіленої генерації. Синхронні 
генератори зазвичай використовуються в РГ, якщо потужність виробництва 
перевищує кілька мегават, тобто в наступних технологіях: біомаси, 
геотермальних, сонячних теплових електростанціях, сонячних параболічних 
системах, сонячних вежах, сонячне тарілчастих двигунів, дизельних 
двигунах, газових турбінах і парогазових установках. 
На відміну від синхронних генераторів, асинхронні генератори 
використовуються тільки для розподіленої генерації. Асинхронний генератор 
виконується у вигляді індукційної машини, яка підключена до первинного 
джерела, який задає його швидкість обертання, часто відрізняється від 
синхронної швидкості. Отже, асинхронний генератор не здатний 
функціонувати незалежно в порівняно потужних ЕТС. Асинхронні 
генератори використовуються для багатьох технологій РГ, поки генеруючі 
потужності не перевищують декількох мегават завдяки 
конкурентоспроможної ціні в порівнянні з синхронними генераторами.  
В якості вторинних джерел електроенергії застосовуються 
перетворювачі енергії. Залежно від роду струму первинних джерел 
використовуються наступні перетворення: 
• перетворення змінного струму в змінний; 
• перетворення постійного струму в змінний; 
• перетворення змінного струму в постійний; 
• перетворення постійного струму в постійний. 
73 
 
Для реалізації цих перетворень використовують два основних типи 
перетворювачів: електромашинні і статичні. Електромашинні перетворювачі 
являють собою двигун-генераторні установки..  
Електромашинні і статичні перетворювачі аналогічно первинним 
джерелам можуть забезпечуватися регуляторами напруги і частоти для 
отримання необхідної якості електроенергії, а також апаратурою управління, 
захисту і комутації.  
Силові електронні перетворювачі зазвичай використовують елементи 
силової електроніки для забезпечення необхідної вихідної потужності. 
Наприклад, досить часто асинхронні вітрогенератори подвійного живлення 
використовують для регулювання швидкості перетворювачі з IGBT 
транзисторами в ланцюзі ротора. Електронні силові перетворювачі 
використовуються також в фотоелектричних системах, паливних елементах, 
мікротурбінах, двигунах Стірлінга, а також акумуляторах і магнітних 
системах зберігання. 
Елементний склад первинних і вторинних джерел енергії в СЕП досить 
складний і взаємопов'язаний. Незважаючи на це, завдання вибору елементів 
ЕТС, що мають РГ, істотно спрощується, в зв'язку з тим, що номенклатура 
регуляторів частоти і напруги, що випускаються промисловістю, а також 
блоків захисту і управління, обмежена.  
Тому основну увагу слід приділити вибору генераторів і приводу в 
первинних СЕП і перетворювачів – у вторинних ЕТС, які визначають 
подальший вибір регуляторів і інших допоміжних блоків.  
При цьому враховуються результати попереднього вибору джерела 
енергії на стадії структурно-параметричного моделювання. Уточнення і 
остаточний вибір елементного складу здійснюється при деталізації 
первинних і вторинних мереж. 
Завдання деталізації СЕП можна вирішити шляхом діалогу 
«проектувальник - машина» і перегляду довідково-нормативної документації, 
а також враховуючи результат попередніх розробок. При цьому є досить 
74 
 
велике число методик вибору вторинних джерел у вигляді трансформаторних 
підстанцій, які не мають машинної реалізації.  
 
3.2.1 Вибір напруги джерела енергії 
Однією з найважливіших характеристик електроустановок є їх напруга. 
Номінальні напруги встановлені для узгодження режимів роботи всіх 
елементів ЕТС, починаючи від генераторів електричних станцій і закінчуючи 
самими віддаленими ЕП. На ці ж напруги виготовляють електричне 
обладнання. Номінальні напруги електричних мереж понад 1000 В 
встановлені з техніко-економічних міркувань, їх шкала наведена в [34]. 
Номінальні напруги на виході ЕТС, джерел і перетворювачів електричної 
енергії, номінальні напруги мереж і на виводах ЕП, що безпосередньо 
приєднуються до них до 1000 В наведені в [35]. 
Для вирішення завдання вибору напруг ЕТС, вона ділиться на дві 
частини: зовнішню (що живить) і внутрішню (розподільну). До складу 
зовнішньої частини СЕП входять живильні лінії, що зв'язують між собою 
установки РГ в ЕТС. У внутрішню – розподільні мережі на території 
підприємства.  
При проектуванні СЕП важливим питанням є вибір раціональних 
напруг для системи живлення і розподілу електроенергії, оскільки їх 
значення визначають параметри ЛЕП та електрообладнання підстанцій та 
мереж: обрана напруга впливає на розміри капіталовкладень, експлуатаційні 
витрати, втрати енергії. Питання про вибір напруги не може бути вирішене 
відірвано від вирішення інших питань проектування ЕТС.  
Вибір напруги визначається економічними факторами: при збільшенні 
номінальної напруги зростають капіталовкладення в будівництво об'єктів 
енергосистеми, але при цьому за рахунок зниження втрат електроенергії 
зменшуються експлуатаційні витрати. Що ще раз підтверджує необхідність 
використання в якості критерію оптимізації економічного – витрат на 
створення ЕТС.  
75 
 
Під раціональною (економічно доцільною) напругою розуміється таке 
значення стандартної напруги, при якому спорудження та експлуатація СЕП 
мають мінімальне значення наведених витрат [35, 36].  
Напруга мереж зовнішнього електропостачання визначається 
технічними умовами енергосистеми на підключення і залежить від 
потужності підприємства, його віддаленості від джерела живлення, 
номінальної напруги і вільних потужностей джерела живлення, перспектив 
розвитку мереж енергосистеми і підприємств в даному районі.  
Аналіз цього питання має сенс при наявності декількох джерел 
живлення або різних напруг на одному джерелі, що потенційно можливо при 
проектуванні СЕП з РГ. Напруга кожної ланки СЕП вибирається з 
урахуванням напруги суміжних ланок. При виборі напруги враховується 
наявність на підприємстві потужного високовольтного електроустаткування. 
Також необхідно прагнути до мінімуму ступенів проміжної трансформації 
енергії. 
При вирішенні завдань про раціональну напругу в загальному випадку 
попередньо визначається нестандартна напруга, при якій мали б місце 
мінімальні витрати. Знаючи таку напругу, здійснюється вибір доцільної 
стандартної напруги. 
Раціональне нестандартне напруга можна визначити по емпіричними 
формулами, наприклад за формулою Стілла [35 - 38]: 
 
 Uрац = 4,34 16Р+L ,                                           (3.1) 
 
де P – передана розрахункова активна потужність на один ланцюг, МВт; 
L – довжина лінії, км. 
Ця формула дає прийнятні результати при L ≤ 250 км і P ≤ 60 МВт. 
При L ≤ 1000 км і Pр ≥ 60 МВт в розрахунках раціональної напруги 
можна використовувати формулу А.М. Залеського: 
76 
 
 
 Uрац = P(0,1+ 0,15L)                                           (3.2) 
 
Також для розрахунків досить часто застосовують формулу 
Г.А. Ілларіонова, що дає задовільні результати для шкали напруг від 35 до 
1150 кВ при великому протязі лінії і значних потужностях, особливо при                    
P ≥ 1000 МВт: 
1000
Uрац =                                         (3.3) 
500 / L + 2500 / P
 
Зазвичай раціональна напруга мережі визначається для найбільш 
протяжної ділянки і (або) ділянки найбільшої потужності. 
Результатом розрахунку за формулами (3.2), (3.3) є нестандартна 
раціональна напруга, тому після розрахунку зазвичай намічають дві 
найближчих стандартних напруги (одна більше і одна менше раціональної). 
Необхідно відзначити, що чим більше передана потужність і 
протяжність лінії, тим вище за технічними та економічними причинами має 
бути номінальна напруга електропередачі. 
Наведені вище формули і методи не завжди дають задовільний 
результат, тому що не враховують інші фактори, що впливають на 
раціональну напругу, крім P і L.  
Оптимізаційний розрахунок при виборі раціональної напруги 
необхідний для наступних випадків:  
• можливість отримання електроенергії від двох і більше джерел, з 
різними напругами;  
• при розвитку підприємства має власну електростанцію, а також 
отримує електроенергію від енергосистеми;  
• при будівництві нових або реконструкції діючих станцій і 
підстанцій енергосистеми або підприємства.  
77 
 
У всіх інших випадках для системи живлення техніко-економічний 
розрахунок, як правило, не проводиться, а керуються технічними умовами 
енергосистеми на підключення споживачів. Як випливає з наведеного 
переліку, проектування СЕП з РГ потрапляє в область оптимізаційного 
проектування при виборі напруги. Слід зазначити, що просте техніко-
економічне зіставлення варіантів СЕПз різними напругами може не з'ясувати 
оптимального варіанту, і буде потрібен більш ретельний аналіз з 
урахуванням великого числа складових. 
 
3.2.2 Вибір первинних джерел енергії 
Варіанти первинних джерел енергії в СЕПз розподіленою генерацією 
описані в розділі 1. Правильний вибір потужності і кількості генеруючих 
установок СЕП дозволяє забезпечити безперебійне і економічне постачання 
електроенергією заданого обсягу. 
Навантаження СЕП в будь-який момент часу визначається кількістю і 
потужністю включених ЕП і не є постійним. Навантаження СЕПзалежить від 
режиму роботи системи, а також від кліматичних умов, пори року, характеру 
виконуваних технологічних процесів тощо. Таким чином, зміна 
навантаження СЕП відноситься до випадкових процесів, які описуються з 
використанням математичного апарату теорії ймовірностей.  
При виборі враховуються вимоги [35]. Крім того, при виборі джерел 
необхідно керуватися наступними положеннями: 
• навантаження джерел при роботі в тривалих режимах повинна 
становити не менше 70 – 90 % від номінального, а при роботі в 
короткочасних режимах (вимушений, аварійний, післяаварійний) 
навантаження може бути знижено до 50 – 60 %; 
• кількість генеруючих установок СЕПчасто не перевищує 2 - 4, 
при цьому частина установок (2 або 3) тривало підключені на паралельну 
роботу, а частина (мінімум 1) знаходиться в резерві;  
78 
 
• доцільно вибирати однотипні джерела, з метою забезпечення 
взаємозамінності їх деталей і вузлів, а також полегшення технічного 
обслуговування;  
• установка генератора, що працює в період зниження 
електричного навантаження, з номінальною потужністю менше, ніж у 
основних (що працюють в номінальному або піковому режимах), в більшості 
випадків недоцільна;  
• збільшення числа джерел за допомогою зменшення одиничної 
номінальної потужності підвищує їх завантаження, але, при цьому, 
ускладнює структуру і ускладнює обслуговування ЕТС.  
Потужність резервних джерел живлення визначається числом і 
потужністю ЕП, що відносяться до особливо відповідальних за надійністю, 
обумовленими в [35, 32]. Економічну ефективність джерел СЕПна стадії 
проектування структури можна визначити порівнянням варіантів 
комплектації генеруючих потужностей за значенням наведених витрат, т як 
це вже було розглянуто в розділі 2. 
Первинні джерела у всіх режимах повинні працювати надійно і 
економічно, причому пріоритет віддається надійності. Це веде до 
перевитрати палива, так як на практиці це означає, що в більшості режимів 
роботи генеруючі установки СЕП недовантажені по потужності.  
Варто врахувати, що при зниженні потужності газопоршневої 
установки до 75 і 50 % від номінальної потужності питома витрата палива 
зростає до 105 % і 115 % від номінальної витрати відповідно.  
Для газотурбінної установки при аналогічних умовах витрата складає 
115 % і 125 % від номінального. Шляхи підвищення економічності СЕП в 
процесі експлуатації також закладаються при їх структурно-параметричної 
синтезі, в якому можна врахувати наступне рекомендації: 
• своєчасне відключення одного або декількох первинних джерел з 
метою зниження надлишкового запасу потужності ЕТС, тому що 
79 
 
завантаження генераторів в кожному режимі бажана по верхніх межах 
(номінальної потужності);  
• зменшення часу знаходження установок в стані готовності 
(режимі холостого ходу) до підвищення навантаження ЕП, для чого їх 
своєчасно відключати;  
• запобігати короткочасному збільшенню навантаження, 
пов'язаним з автоматичним пуском резервних джерел, для чого при 
об'єднанні електроприймачів в групи, що живляться від одного джерела, 
враховувати поєднання їх графіків навантаження. 
При створенні «віртуальних електростанцій», можливо 
електропостачання декількох споживачів від однієї генеруючої установки. 
Однак при цьому слід враховувати, що при побудові СЕПна принципах 
когенерації, необхідно вирішити питання з виробництвом не тільки 
електричної, а й теплової енергії.  
Можливість живлення СЕПз РГ при знижених навантаженнях від 
зовнішньої енергосистеми вирішується в кожному випадку окремо, так як 
вартість електроенергії при зовнішньому енергопостачанні зазвичай вище, 
ніж виробленої в ЕТС. Оптимальний вибір складу первинних джерел РГ 
дозволяє забезпечити надійну і економічну роботу ЕТС, для чого 
використовуються результати розрахунку навантаження ЕП СЕП у всіх 
режимах роботи.  
Сумарна встановлена потужність генераторів знаходиться по режиму з 
найбільшим енергоспоживанням, мінімальна встановлена потужність дає 
дискретність вибору (мінімальну встановлену потужність одного джерела) 
після чого проводиться вибір числа і потужності джерел в кожному режимі. 
Для цього намічаються варіанти складу джерел СЕП і порівнюються по 
функції оптимізації (2.14), внаслідок чого вибирається оптимальний варіант.  
Встановлена потужність СЕП визначається як сума номінальних 
потужностей окремих первинних джерел енергії. Коефіцієнти завантаження 
джерел визначаються окремо для кожного, в залежності від підключених до 
80 
 
них навантажень. При цьому оптимальним коефіцієнтом завантаження 
вважається kз =1, значення окремих коефіцієнти можуть відрізнятися від 
одиниці в меншу сторону до значень при якому ККД джерел не суттєво 
відрізняється від ККД при номінальному режимі. Значення коефіцієнта 
завантаження всієї СЕП не може перевищувати 1, перевищення означає що 
вона енергодефіцитна і вимагає підживлення ззовні. 
При розгляді питання режимів джерел проводиться аналіз сталих і 
перехідних процесів, статичної та динамічної стійкості джерел, 
оптимізаційне коригування режимів, розподіл активних і реактивних 
навантажень, визначення вартості електроенергії. Питання режимів джерел 
РГ в плані їх впливу на втрати, якість електричної енергії, надійність і 
стійкість СЕП висвітлені, наприклад в [8 - 10]. 
 
3.2.3 Вибір трансформаторів на трансформаторних підстанціях 
В якості вторинних джерел енергії СЕПвикористовуються 
трансформатори. Математична модель трансформатора досить докладно 
описана, наприклад, в [39]. 
При досить вивченому питанні моделювання та оптимізації 
проектування силових трансформаторів недостатньо проробленим є завдання 
оптимального вибору і розміщення вже спроектованих трансформаторів в 
ЕТС.  
Одним з найважливіших етапів проектування СЕПє раціональний вибір 
числа, розміщення і потужності цехових трансформаторних підстанцій (ТП). 
Тільки після завершення цього етапу стає можливим детальне проектування 
розподільних мереж підприємства і цехових мереж.  
У загальному випадку (нерівномірному розподілі навантажень по 
площі) вибір перерахованих вище параметрів здійснюється строго 
послідовно. Оскільки місце розташування ТП повинно вибиратися тільки 
після встановлення їх числа; визначення їх потужності, близької до 
оптимальної, можливе лише після їх розміщення на основі властивостей 
81 
 
центру і мультицентру навантажень, одночасно з відповідним оптимальним 
розбивкою площі на ділянки живлення від окремих підстанцій. 
Потужність трансформатора необхідно вибирати з таким розрахунком, 
щоб його завантаження відповідала найбільш економічному режиму, який в 
значній мірі залежить від вартості втрат електроенергії.  
Найбільш природно визначати раціональну кількість підстанцій для 
цеху на основі їх економічної середньої потужності Sек . Внаслідок наявності 
в вартості кожної ТП постійної складової, збільшення їх числа викличе 
зростання вартості СЕПСЕТС , навіть при збереженні їх сумарної потужності.  
Навпаки, сумарні витрати по мережах ВЕТС , що живиться від ТП 
будуть при цьому знижуватися внаслідок скорочення їх протяжності. 
Відповідно при деякому оптимальному числі і розміщенні підстанцій в 
залежності від характеру розподілу навантажень по площі цеху сумарні 
витрати ВЕТС  по підстанціях і цеховим мереж досягнуть свого найменшого 
значення. Цьому буде відповідати деяка екстремальна середня потужність 
Sек  однієї підстанції.  
В існуючій літературі, наприклад в [40], величина економічної 
потужності ТП виражається за допомогою кілька ідеалізованих і усереднених 
розрахунків у функції від основного параметра – середньої щільності 
навантаження p від всієї площі електропостачання ділянки (наприклад, цехи). 
Цей параметр дає оптимальні значення в разі рівномірно розподіленим 
навантаження. В цьому випадку підстанції розташовуються симетрично і 
мають однакову потужність Sт =Sек , а число їх визначається формулою 
 
nт =Sц / Sек ,                                                (3.5) 
 
де Sц  – сумарне навантаження цеху. 
При нерівномірному розподілі навантажень по площі цеху економічно 
оптимальні потужності підстанцій можуть виявитися різними.  
82 
 
Проте економічне число підстанцій n т  досить точно визначається по 
(3.5), де Sек  визначається за середнім для цеху значенням р . 
Це пояснюється тим, що при заданому числі підстанцій з відомою їх 
сумарною потужністю повні наведені витрати по ним практично не залежать 
від розподілу по цій потужності між іншими підстанціями, оскільки сумарна 
вартість всіх підстанцій, а також вартість втрат електроенергії в 
трансформаторах залишатиметься в межах точності всього розрахунку 
незмінною.  
Також на прийняття значення p рівномірним впливає те, що коефіцієнт 
кроку потужності трансформаторів приблизно дорівнює 1,6, тобто має місце 
досить велика різниця між потужностями трансформаторів КТП, щоб 
враховувати зазвичай відносно невелику різницю в зміні p по території цеху. 
Більш точним розрахунок вийде, якщо ввести в формулу усереднене 
значення коефіцієнта завантаження kз  цехових трансформаторів, обраного 
на основі врахування перспективного розвитку, резервування живлення 
сусідніх одиночних приймачів 1 категорії та інших факторів. 
Зазвичай kз  приймається рівним 0,7. При такому виборі в аварійному 
режимі залишився в роботі один трансформатор повинен забезпечити 
нормальне електропостачання всіх споживачів I і II категорій надійності, 
перевантажуючись при цьому не більше ніж на 40 %.  
Таке перевантаження допустиме для трансформаторів протягом 6 
годин на добу терміном не більше, ніж на 5 діб, якщо коефіцієнт початкового 
завантаження не більше 0,93 [41, 42]. Це час вважається достатнім для 
усунення аварії, ремонту або заміни пошкодженого елемента. 
Однак при цьому не враховується категорія ЕП по надійності 
електропостачання. Тому замість традиційного рівняння, що випливає з (3.5) 
при врахуванні kз  
S
Sт =
ц        (3.6) 
0,7 ⋅nт
83 
 
 
і співвідношення, яке випливає з нього 
 
S
n ц
т =       (3.7) 
0,7 ⋅Sек
 
при врахуванні варіювання kз при різних категоріях ЕП по надійності 
електропостачання формула (3.5) перетворюється в 
 
S
  n = ц
т .                                             (3.8) 
Sек ⋅kз
 
Отриманий результат розрахунку округляється до найближчого 
більшого числа. Вибір певного числа підстанцій дозволяє розбити площа 
цеху на дільниці, що живляться кожен від окремої підстанції. У першому 
наближенні це можна зробити виходячи з рівності навантажень всіх ділянок. 
Існує багато методик вибору цехових трансформаторів. У цьому 
дослідженні розглянуто і поглиблена методика, наведена в [41, 42]. 
За кількістю встановлених трансформаторів підстанції діляться на 
одно-, дво-, трехтрансформаторні і більш. Однотрансформаторні підстанції 
застосовують для живлення ЕП 3 категорії по надійності, а також частини ЕП 
2 категорії, що допускають перерву живлення на час заміни трансформатора. 
Як правило, для ЕП 1 і 2 категорії по надійності електропостачання, що 
вимагають резервування живлення, встановлюються ТП з двома 
трансформаторами. ТП з трьома і більше трансформаторами можуть бути 
прийняті як виняток. 
В основному число і потужність трансформаторів на ТП залежить від 
величини електричного навантаження і графіка її зміни, при врахуванні 
компенсації реактивної потужності, щільності навантаження і категорії 
84 
 
надійності ЕП. В [35] рекомендуються наступні ступені завантаження 
трансформаторів на ТП: 
• при питомій густині навантаження до 0,2 кВА/м2  – 1000, 
1600 кВА; 
• при питомій густині навантаження 0,2–0,5 кВА/м2  – 1600 кВА; 
2
• при питомій густині навантаження більше 0,5 кВА/м  – 2500, 
1600 кВА, (питома густина навантаження визначається за формулою  
 
S 2
σ = max
S , кВА/м , 
Fцех
 
де Smax  – максимальне навантаження цеху, кВА;  
Fцех  – площа цеху, м2). 
При організації вибору типу трансформаторів для користувача бази 
даних БД заповнена номінальними параметрами трансформаторів, що 
випускаються (їх типу, номінальними потужностям і напругами, величинами 
втрат в режимі короткого замикання і холостого ходу). При цьому базу 
можна доповнювати і коригувати при вдосконаленні наявних типовиконань, 
а також появі на ринку нових силових трансформаторів. 
З огляду на розглянуте вище був розроблений алгоритм вибору числа і 
потужності трансформаторів цехових КТП (Рис. 3.1). 
85 
 
 
 
Рис. 3.1. Блок-схема вибору трансформаторів 
86 
 
3.2.4 Визначення місця положення джерел енергії 
Виходячи з даних про розрахункові навантаженнях ЕП, число і 
потужності первинних і вторинних джерел енергії, здійснюється процедура 
визначення їх місця розташування. При одному джерелі його розміщують, 
при наявності можливості, в центрі електричних навантажень (ЦЕН).  
При відносно рівномірному розподілі навантажень, ЦЕН визначається 
за правилами знаходження центру ваги плоского тіла. Координати ЦЕН 
визначаються за формулами, наведеними, наприклад, в [38, 43]. При цьому 
приведені витрати по цехової мережі будуть найменшими, а також 
наближено мінімізуються витрати провідникових матеріалів.  
При числі джерел більш одного, а також при проектуванні джерел з 
різними ієрархічними рівнями, можливе ділення площі, на якій розташована 
ЕТС, на окремі зони, ЕП кожної з яких живляться від свого джерела. 
Підстанції розглядаються як споживачі для первинних джерел енергії. 
Завдяки такій декомпозиції вибір місця розташування джерел енергії досить 
просто алгоритмізується, проте в подальшому, після структурного синтезу 
ЕТС, потрібно провести оптимізацію місця розташування джерел, згідно з 
принципами, запропонованими в розділі 2.  
Кожному варіанту розподілу відповідають по кожній зоні: певна 
потужність підстанції (генераторів первинного джерела) оптимально 
розміщеної в ЦЕН цієї зони, і деяка величина приведених витрат по мережі. 
Для різних варіантів розподілу через незмінності числа і сумарної потужності 
підстанцій будуть відрізнятися лише сумарні наведені витрати по цеховим 
мереж всіх зон. Ці витрати досягають найменшого значення для деякого 
розбиття (і близьких до нього), яке називається Z-розбиттям.  
Сукупність центрів навантаження всіх зон Z-розбиття називається 
мультицентр.  
Окремі центри оптимального розбиття називаються пунктами 
мультицентра. 
87 
 
Геометрична характеристика кожного мультицентру розпадається на 
дві:  
1. Кожен його пункт повинен бути центром навантаження своєї зони.  
2. Спільний кордон між двома зонами повинна бути геометричним 
місцем точок, відстані яких від центрів цих зон однаково.  
При цьому відстань вважається по довжині траси мережі, тобто по 
ламаній, сторони якої складаються з відрізків, паралельних одній з осей 
будівлі цеху. Тому Z-розбиття також представляють собою зазвичай ламані.  
Слід зазначити, що при розбитті площі СЕПна ділянки і при його 
коригуванні слід враховувати найвигідніше співвідношення сторін ділянки 
навантажень однієї станції / підстанції. Z-розбиття здійснюються 
проектувальником, а розрахунки по визначенню пунктів і самого 
мультицентру - ЕОМ.  
В подальшому в цих точках встановлюються первинні і вторинні 
джерела енергії. На практиці вибір місця розташування джерел обмежується 
місцевими умовами.  
Тоді запропоновані ЕОМ місця установки уточнюються 
проектувальником якомога ближче до мультицентра. Разом з тим потрібно 
дотримуватися зазначену вище другу геометричну характеристику 
мультицентра, що реалізує принцип живлення кожного електроприймача від 
найближчого до нього джерела. У цьому проектувальнику надає допомогу 
програмне забезпечення.  
Якщо зміщення підстанцій від мультицентру досить великі, може 
виникнути потреба в регулюванні меж ділянок та потужностей джерел. З 
огляду на те що мультицентр і Z-розбиття визначаються в кілька етапів, 
відповідно коригуються і потужності джерел.  
При цьому в алгоритм закладена можливість зниження сумарної 
потужності, а, отже, і вартості генераторів і трансформаторів шляхом зміни 
площ і навантажень окремих ділянок. 
88 
 
Якщо стандартні потужності трансформаторів вимушено вибиралися з 
завищенням необхідних їх значень, то для підстанцій необхідно перевірити 
доцільність перекидання частини розподільних шаф, найближчих до меж 
ділянок, на живлення від сусідніх підстанцій. Може виявитися, що в цьому 
випадку зниження сумарної потужності трансформаторів підстанцій знизить 
капітальні витрати, незважаючи на деяке подорожчання мережі. Для 
наочного зображення навантажень, на плані території наноситься картограма 
навантажень.  
Картограма представляє собою розташовані на генплані підприємства 
площі, обмежені колами, які в певному масштабі відповідають 
розрахунковим навантаженням споживачів (цехів).  
Це також допомагає проектувальнику в виборі місця розташування 
живильних підстанцій. Однією з умов розрахунків, що застосовуються в 
стандартному визначенні ЦЕН, є незмінність електричних навантажень 
споживача протягом доби.  
Однак в реальних об'єктах графіки електричних навантажень досить 
сильно змінюються як протягом доби, так і тижні, місяці і роки. У цьому 
випадку пропонується використовувати методику визначення ЦЕН, 
запропоновану у вигляді алгоритму на рисунку 3.2.  
 
89 
 
 
 
Рис. 3.2. Блок-схема побудови картограм електричних навантажень і 
визначення ЦЕН 
 
90 
 
3.2.5 Вибір схем електричних з'єднань підстанцій 
Підстанції є одними з найбільш складних елементів ЕТС, що 
вимагають при проектуванні та спорудженні значних трудовитрат. У 
загальному випадку вибір схеми електричних з'єднань підстанції впливає на 
вибір стратегії розвитку ЕТС. Останнім часом рекомендовані до застосування 
схеми істотно змінилися. Основні тенденції, наведені в [44, 45] наступні:  
• скорочено кількість типових схем; 
• практично виключена область застосування схем з віддільниками 
і короткозамикачами, експлуатація яких показала їх низьку надійність;  
• з числа типових схем зі збірними шинами і одним вимикачем на 
приєднання виключені схеми з суміщенням обхідного і секційного 
вимикачів.  
Ці та ряд інших змін дозволяють алгоритмізувати вибір схем для 
розподільних пристроїв підстанцій – джерел живлення в залежності від їх 
типу (призначення в енергосистемі), числа встановлених на них 
трансформаторів і підключених до них ЛЕП. Варіанти таких алгоритмів для 
напруг 35 і 110 кВ запропоновані на рис. 3.3 і 3.4.  
Програмний продукт повинен дозволяти користувачеві виконати 
синтез принципової електричної схеми розподільного пристрою підстанції 
залежно від напруги і типу підстанції, числа, потужності і особливостей 
роботи її трансформаторів і приєднань. Запропонований алгоритм забезпечує 
можливість перебирати варіанти побудови розподільних пристроїв 6 – 
220 кВ, що дозволяє підвищити швидкість і економічність проектування 
електротехнічних систем. 
91 
 
 
 
Рис. 3.3. Алгоритм вибору схем для РУ 35 кВ: 
35-3Н - «Блок (лінія - трансформатор) з вимикачем»;  
35-4Н - «Два блоки з вимикачем і неавтоматичною перемичкою з боку ліній »;  
35-4АН - «Два блоки з вимикачем і автоматичної перемичкою з боку ліній »;  
35-5Н - «Місток з вимикачем в колі ліній »;  
35-5АН - «Місток з вимикачами в ланцюзі трансформаторів»;  
35-9 - «Одна робоча, секціонована вимикачем система шин ». 
92 
 
 
 
Рис. 3.4 Алгоритм вибору схем для РУ 110 кВ: 
110-3Н - «Блок (лінія - трансформатор) з вимикачем»;  
110-4Н - «Два блоки з вимикачем і неавтоматичною перемичкою з боку ліній »;  
110-5Н - «Місток з вимикачами в ланцюгах ліній і ремонтною перемичкою з боку ліній »; 
110-5АН - «Місток з вимикачем в колі трансформаторів і ремонтною перемичкою з боку 
ліній »;  
110-6 «Захід-вихід»;  
110-7 - «Чотирикутник»;  
110-12 - «Одна робоча, секціонована вимикачем і обхідна система шин »;  
110-13 - «Дві робочі і обхідна система шин »;  
110-14 - «Дві робочі, секціоновані вимикачами і обхідна система шин з двома обхідними і 
двома шинними секційними вимикачами ». 
93 
 
Вибір схем розподільних пристроїв підстанцій сильно впливає на їх 
компонування, проектування якої, з урахуванням типізації схем підстанцій, 
можна також автоматизувати. 
 
3.3 Деталізація електричних мереж 
 
Як вже зазначалося в пп. 3.2.1, електричні мережі, що входять до 
складу СЕПСЕПможна розділити на дві частини: живильні і розподільні. 
Живильні мережі передають електричну енергію від первинних джерел 
до вторинних (знижувальних підстанцій). Розподільні мережі передають 
енергію далі до споживачів і ЕП, при необхідності через ТП, розподільні 
пункти (РП) і шафи (РШ). 
 
3.3.1 Алгоритм вибору провідників живильних мереж 
Вибір способу каналізації електроенергії залежить від: 
• величини електричних навантажень і їх розміщення на 
підприємстві; 
• щільності забудови і конфігурації електричних комунікацій; 
• параметрів і місця розташування ДЖ; 
При високих питомих щільностях навантаження з великим числом 
годин використання максимального навантаження, а також доцільності 
застосування магістральних схем розподілу електроенергії, найкращим є 
використання струмопроводів, що економить кольорові метали, збільшує 
надійність, зручність експлуатації.  
При цьому іу них велика допустима перевантажувальна здатність в 
післяаварійних режимах. Однак можливі варіанти каналізації електроенергії і 
по ПЛ або КЛ. Ці варіанти виникають у випадках, коли сумарне 
навантаження споживачів електроенергії відносно невелика.  
94 
 
Різної площі перерізу провідників ЛЕП відповідає різний витрата 
провідникового матеріалу. Отже, при зміні площі перерізу провідників 
будуть змінюватися капітальні витрати в лінію.  
З іншого боку, від площі перерізу провідника залежить його діаметр і 
його активний опір, які, в свою чергу, впливають відповідно на втрати 
холостого ходу і навантажувальні втрати електроенергії і, як наслідок, на 
вартість цих втрат. Причому ці зазначені два чинника виступають як 
конкуруючі. Дійсно, наприклад, при збільшенні площі перерізу провідників 
капітальні витрати на них будуть зростати, а вартість втрат електроенергії в 
них - зменшуватися.  
Таким чином, проблема вибору площі перерізу провідників по суті 
пов'язана з визначенням оптимального співвідношення між капітальними 
витратами на спорудження лінії і витратами, пов'язаними з втратами енергії в 
ній, що в підсумку призводить до витрат на СЕПяк основного критерію 
оптимізації.  
Таким чином процес вибору провідників можна здійснювати, 
керуючись основними положеннями методики, представленими у 2 розділі. 
Один з традиційних підходів при вирішенні даного завдання ґрунтується на 
введенні поняття економічної густині струму jек  (переріз, який буде 
відповідати мінімуму приведених витрат). Вибір економічно доцільного 
перерізу Fек  провідників по jек  проводиться відповідно до формули [32]: 
 
Iроз
Fек = ,      (3.9) 
jек
 
де Iроз  – розрахунковий струм лінії в нормальному режимі. 
Переріз, отриманий в результаті зазначеного розрахунку, округляється 
до найближчого стандартного перерізу. 
95 
 
Якщо економічно доцільний переріз перевищить верхню межу 
діапазону перерізів, що застосовуються для даного класу напруги, то або 
підвищується номінальна напруга мережі, або збільшується число ланцюгів 
лінії понад рівень необхідного по надійності. Обидва цих кроку вимагають 
техніко-економічного обґрунтування і доцільним може виявитися вибір лінії 
з перерізом менше економічного (на рівні верхньої межі діапазону перерізів, 
що застосовується для даного класу напруги). 
Також слід враховувати розвиток кабельно-провідникової 
промисловості та появи нових типів провідників (самоутримних ізольованих 
проводів, кабелів з ізоляцією із зшитого поліетилену та інших). Тому для 
проектування оптимальних параметрів СЕПпотрібно враховувати значення 
jек  з урахуванням територіального розміщення системи і типу провідників.  
Однак повністю виключити з процесу проектування вибір за умовою 
jек  представляється недоцільним, зважаючи на зручності отримання 
початкового значення перерізу провідника, яке згодом піддається перевірці 
по іншим експлуатаційних умовам. Також засоби проектування повинні 
давати можливість коригування та доповнення баз даних з метою врахування 
місцевих умов при проектуванні ЕТС. 
Всі провідники ЛЕП повинні вибиратися за умовою нагріву. Це 
пов'язано з тим, що для провідників встановлюються тривало допустимі 
температури, у разі перевищення яких він може втратити свої механічні 
властивості. Струм, перебіг якого протягом тривалого часу призводить до 
нагрівання проводу до гранично допустимої температури, зветься тривало 
припустимим ( Ідоп ). 
Допустимі струми для провідників ЛЕП наводяться в довідковій 
літературі  при розрахунковій температурі навколишнього середовища для 
провідників, що прокладаються в повітрі – 25 º С, а в землі або у воді – 15 º С. 
Якщо фактична температура відрізняється від розрахункової, то вводиться 
поправочний коефіцієнт k t , а допустимий струм визначається за формулою 
96 
 
 
Іt доп = Ідоп ⋅k t                                            (3.10) 
 
Для КЛ крім температурного коефіцієнта навколишнього середовища 
застосовують також поправочні Коефіцієнти, що враховують: 
•  прокладку декількох поруч розташованих кабелів; 
•  фактичний тепловий опір ґрунту; 
•  попередню завантаження КЛ в нормальному режимі і еѐ 
перевантаження в післяаварійний режимі. 
Процес вибору коефіцієнтів також можна автоматизувати шляхом 
введення в програмному забезпеченні опитування проектувальника на умови 
прокладки. 
При виборі провідників за умовою нагріву слід застосовувати таку 
найменшу площу перерізу, при якій найбільший робочий струм Іроз.max  не 
більше допустимого 
Іроз.max ≤ Ідоп .                                            (3.11) 
 
Вибір перерізу по нагріванню для окремих елементів СЕП здійснюють 
за розрахунковим струмом. За розрахунковий струм споживачів приймемо їх 
номінальні значення, він у загальному випадку визначаються за формулою: 
 
S
І ном
роз.max = Іном = ,                          (3.12) 
3 ⋅Uном
 
де Sном  – номінальна потужність ЕП; 
Uном  – номінальна напруга. 
При виборі слід врахувати можливість існування варіантів з декількома 
паралельно прокладеними провідниками.  
97 
 
Вони дають не тільки можливість збільшення пропускної здатності 
лінії, а й більшої надійності, як в нормальному, так і в післяаварійний 
режимах. 
Вибір провідників повинен відбуватися не тільки із умов нормального, 
але і післяаварійного режимів. Для паралельно працюють ліній, що живлять 
ТП, РП або РШ, як розрахунковий струму приймають струм після аварійного 
режиму, коли одна живильна лінія вийшла з ладу. 
Вибрані перерізу провідників необхідно в обов'язковому порядку 
перевірити на допустиме падіння напруги. 
Оскільки відхилення напруги у ЕП при заданій напрузі в центрі 
живлення безпосередньо пов'язані з втратою напруги в мережі, то остання 
може бути прийнята в якості вихідного параметра. Допустимі втрати напруги 
∆Uдоп  рівні 10 % у всіх режимах. 
Завдання полягає у виборі площі перерізу провідників на ділянках 
мережі, при яких фактична найбільша втрата напруги від джерела живлення 
до найбільш віддаленого вузла мережі була не більша допустимої 
 
 ∆Uнб ≤∆Uдоп                                               (3.13) 
 
Втрати напруги (у відсотках) можна провести за формулою: 
 
3 ⋅100%
 ∆U = ⋅∑І (R 2 
нб.і роз.і i ⋅cosϕi +Xi ⋅ 1− cosϕi ) ,               (3.14) 
U  
ном  
 
де Іроз.і  – розрахунковий струм протікає по i-й ділянці; 
R i  і X i  – відповідно активний і реактивний опори i-ої ділянки мережі 
(обирається автоматично ЕОМ з БД провідників, отриманих за підсумками 
попередніх розрахунків); 
cosϕi  – коефіцієнт потужності. 
98 
 
При невиконанні умови даної перевірки потрібно підвищити переріз 
проводів або число ланцюгів, що можливо реалізувати в автоматичному або 
діалоговому режимах. 
Кабельні лінії, ізольовані проводи та струмопроводи ( шинопроводи)  
також підлягають перевірці на термічну стійкість при протіканні по ним 
струмів короткого замикання. Провідник повинен задовольняти умові: 
 
F≥ Fmin т.с.                                        (3.15) 
 
де Fmin т.с.  – найменша допустима площа перерізу за умовою термічної 
стійкості, яка визначається за формулою: 
 
В
F К
min т.с. =                                        (3.16) 
С
 
де ВК  – тепловий імпульс струму короткого замикання (інтеграл Джоуля); 
С – термічний коефіцієнт, що залежить від матеріалу жили і типу ізоляції 
(береться з БД для конкретних типів провідників). 
Тепловий імпульс короткого замикання можна визначити за формулою 
 
В = І2
К п0 ⋅ ( tвідкл +Ta ) ,     (3.17) 
 
де Іп0  – діюче значення періодичної складової початкового струму короткого 
замикання; 
tвідкл  – час відключення короткого замикання; 
Ta  – постійна часу загасання аперіодичної складової струму короткого 
замикання. 
99 
 
Якщо умова не виконується, то це означає, що при короткому 
замиканні провідник нагрівається вище допустимого рівня. В цьому випадку 
необхідно збільшити переріз. 
Провідники повинні бути перевірені за умовами виникнення корони. 
При цьому найбільша напруженість поля у поверхні будь-якого з 
провідників, певна при середньому експлуатаційному напрузі, повинна бути 
не більше 0,9 початкової напруженості електричного поля, що відповідає 
появі загальної корони. 
Значення напруженості електричного поля біля поверхні проводу 
залежить від діаметра проводу і напруги, що підводиться до нього. 
Отже, різним номінальним напругам будуть відповідати цілком певні 
мінімальні перерізи провідників, при яких корона з'являтися не буде [32]: 
- 35 мм2 , при Uном  = 35 кВ; 
- 70 мм2 , при Uном  = 110 кВ; 
- 120 мм2 , при Uном  = 150 кВ; 
- 240 мм2 , при Uном  = 220 кВ. 
Відповідно умовою перевірки на відсутність корони буде умова 
 
F ≥ Fmin кор                                      (3.18) 
 
де Fmin кор  – найменша допустима площа перерізу за умови корони. 
Також при виборі провідників слід провести перевірку за умовами 
мінімізації радіоперешкод від корони (неперевищення значення допустимого 
рівня згідно [32]). 
З урахуванням механічних властивостей провідників їх площі перерізу 
повинні задовольняти умові: 
F ≥ Fmin мех                                                 (3.19) 
де Fmin мех  – найменша площа перерізу за умовою механічної міцності. 
100 
 
Відповідно до [32] на ЛЕП до 1 кВ алюмінієві проводи можуть 
застосовуватися з площею перерізу не менше 16 мм2 , а сталеалюмінієві – не 
менше 10 мм2 . На ЛЕП більше 1 кВ найменші площі перерізу встановлені в 
залежності від товщини стінок ожеледиці. На переходах лінії через 
судноплавні ріки, в прольотах перетину з інженерними спорудами Fmin мех  
збільшені. 
Загальний алгоритм вибору провідників живильних електричних мереж 
представлений на рисунку 3.5. 
Численні різноманітні місцеві фактори практично однозначно 
визначають вибір провідників для мережі, при цьому істотно впливаючи на її 
конфігурацію і схему. Проте, зазвичай залишається значна свобода вибору 
проектних рішень, яка повинна бути використана для досягнення більш 
сприятливих техніко-економічних показників СЕП(оптимізації).  
Сумарні капіталовкладення і витрати матеріалів в розподільних 
мережах низької напруги навіть без урахування ТП досягають тієї ж 
величини, що і в мережах 6 - 10 кВ. Але теорії і проектування оптимальних 
схем і конфігурацій мереж низької напруги приділяється значно менша увага. 
В основному це пояснюється тим, що сам процес проектування СЕП не є ще 
повністю автоматизованим. При існуючих методиках проектування 
досягнення теоретично обґрунтованих раціональних проектних рішень 
зустрічає значні оперативні труднощі. У світлі викладеного в даний час 
назріла необхідність впровадження автоматизації процесів проектування 
розподільних мереж низької напруги підприємств. 
При виникаючих нових умовах і методах проектування пошук 
теоретичних, по можливості однозначних проектних рішень, стає 
обов'язковим. Зокрема цим визначаються обмеження в числі намічених 
варіантів, в число яких може і не потрапити шуканий оптимальний варіант. 
 
101 
 
 
 
Рис. 3.5. Функціональна схема алгоритму вибору провідників 
 
 
 
102 
 
Слід зазначити, що місцеві умови та обмеження ускладнюють 
прийняття вигідних теоретичних рішень. Однак при застосуванні 
алгоритмічних засобів проектування ці умови, що закладені в систему при її 
створенні, лише трохи ускладнюють процес первинного опитування 
проектувальника, а потім враховуються системою автоматично. При цьому 
проектувальник може контролювати варіанти, що видаються програмним 
забезпеченням і надалі коригувати їх, якщо вони не відповідають 
неврахованих обмеженням, якщо оптимальний варіант неможливий. 
 
3.3.2 Алгоритми синтезу систем розподілу електроенергії 
Об'єктами проектування СЕП на даному етапі є РУ, РП і РШ, а також 
захисна і пускорегулююча апаратура, що входить до їх складу. У елементний 
склад РП і РШ входять збірні шини, захисно-комутаційна апаратура та 
контрольно-вимірювальні прилади. Збірні шини можуть секціонуватися на 
конструктивно не пов'язані частини (секції) в залежності від категорії 
питомих споживачів.  
Кожна шина (секція) отримує живлення за основним та резервним 
вводом залежно від необхідної кратності резервування, заданого [32] і від 
прийнятої структури мережі. Таким чином, процес деталізації електричних 
мереж при розробці принципових схем РУ, РП і РШ зводиться до наступних 
процедур: 
• уточнення кількості і елементного складу РУ, П і РШ; 
• побудова розподільних електричних мереж з урахуванням 
категорій споживачів і дублювання вводів окремих споживачів; 
• вибір захисно-комутаційної апаратури. 
На даному етапі проводиться перелік дій, наведених в алгоритмі, 
представленому на рисунку 3.6. Правильний вибір числа, розміщення і 
ділянок навантажень окремих цехових підстанцій в значній мірі визначає 
раціональну схему електропостачання цеху на вторинному напрузі ТП. 
Проте, проектні рішення по самій мережі також можуть і повинні 
103 
 
забезпечувати певний техніко-економічний ефект. Тому після завершення 
деталізації ТП зазвичай потрібно оптимізувати цехову розподільну мережу. 
Дана оптимізація не входить в деталізацію саме ТП, однак багато в чому 
залежить від неї і проводиться за схожим принципам. При живленні 
електроприймачів від РШ не радіально, а попарно магістралями, можна 
наближено вважати два приймача за один. 
 
 
Рис. 3.6. Блок-схема алгоритму вибору СЕП цеху 
 
104 
 
За допомогою відомих потужностей електроприймачів та баз даних на 
РШ визначається число електроприймачів nо.e  на один РШ, а потім і 
загальне їх число nш . При цьому враховуються розташування 
електроприймачів, їх зв'язок з технологічним процесом та інші місцеві 
умови. В цілому це процес може вестися як вручну проектувальником, так, і 
автоматизовано. 
При автоматизованому виборі числа РШ слід виключати відносно 
великі ділянки цеху, на яких немає електроприймачів, а для решти визначати 
nш  (або nо.e ). Після визначення числа РШ електроприймачі, що живляться 
від однієї підстанції, розбиваються з урахуванням їх технологічних зв'язків і 
взаємної близькості розміщення на число груп, приблизно однакових за 
кількістю електроприймачів (і сумарним навантаженням ).  
Далі визначаються розрахункові навантаження по кожному РШ. Потім 
вибираються місця установки РШ, причому враховується доцільність деякого 
зміщення РШ щодо центрів їх навантажень в сторону підстанції для 
вирівнювання і скорочення траси магістральних ліній, що живлять кілька 
РШ. Після завершення вибору числа РШ проводиться вибір їх ввідної 
захисної і комутаційної апаратури і живлячих ліній, згідно з алгоритмом, 
наведеним на рисунку 3.6.  
При цьому необхідно враховувати принципи об'єднання РШ в групи, 
що живляться загальної магістраллю, на основі положення про зниження 
протяжності мережі. Тому дані розрахунки бажано проводити в режимі 
діалогу проектувальник - ЕОМ. 
Категорії ЕП і кількість необхідних для них вводів визначається на 
етапі деталізації споживачів. Тому процедури уточнення і побудови 
розподільних мереж досить легко реалізуються перебором невеликого числа 
можливих варіантів для послідовних і паралельних фрагментів мереж: 
фідерна група, РШ, РП. Ці процедури реалізуються в режимі діалогу 
«проектувальник-машина» з використанням необхідних БД. Вибір 
105 
 
провідників розподільчих мереж проводиться за алгоритмом, аналогічним 
рисунку 3.5. Однак при виборі захисно-комутаційної апаратури потрібні 
спеціальні розрахункові методи, які викладаються нижче. 
 
3.3.3 Алгоритм вибору комутаційної і захисної апаратури 
розподільних мереж 
Комутаційні апарати розподільних мереж, як правило, 
використовуються у вигляді контакторів і магнітних пускачів, що серійно 
випускаються. З цієї номенклатури вибір комутаційного апарату 
здійснюється за рівнем напруги, комутаційного струму і ресурсу роботи. При 
цьому повинні враховуватися бази даних попередніх розробок, а також 
вимоги і рекомендація (наприклад по вибухо-і пожежонебезпекі приміщень і 
ін.).  
Вимоги та рекомендації щодо вибору комутаційної апаратури, 
наприклад, рекомендація про комутації кожного паралельно включеного 
навантаження окремої контактною групою, істотно полегшують отримання 
однозначних рішень і легко реалізуються в режимі діалогу шляхом перегляду 
відповідної інформації з БД (рис. 3.7).  
У якості захисної апаратури в РШ зазвичай використовують 
запобіжники з плавкими вставками, автоматичні повітряні вимикачі. Такий 
захист реагує на рівень струму і відключає пошкоджену ділянку мережі з 
певною витримкою часу. Вибір струмового захисту спирається на ампер-
секундну характеристику захисної апаратури (рис. 3.8). Вибір захисної 
апаратури здійснюється з урахуванням характеристик роботи споживачів, 
характеристик провідників і ряду інших чинників. При її виборі 
враховуються такі обмеження:  
• надійність спрацьовування;  
• захист повинен селективно відключати ділянки з короткими 
замиканнями або неприпустимими перевантаженнями за струмом і не 
викликати помилкових відключень;  
106 
 
• чутливість захисту повинна забезпечувати спрацьовування при 
найменших значеннях струмів КЗ і неприпустимих перевантаженнях; 
• захист повинен мати достатню стійкість до термічних і 
електродинамічних впливів на апарати. 
 
 
Рис. 3.7. Блок-схема вибору комутаційних апаратів в цеху 
107 
 
 
Рис. 3.8. Типові ампер-секундні характеристики максимальних захистів: 
а) залежна (запобіжник, теплове реле, автоматичний вимикач з розчіплювачем );  
б) залежна з відсіченням по струму (автоматичний вимикач з тепловим і 
електромагнітним розчіплювачами) 
 
Для фідерів ЕП зі стабільним характером навантаження (освітлювальні 
та нагрівальні пристрої тощо.) номінальний струм апарату захисту ( Іном.а ) 
повинен задовольняти умові: 
0,9 ⋅ Іном.а ≥ Іном.еп ,                                            (3.20) 
 
де Іном.еп  – номінальний струм електроприймача (споживача).  
Для захисту ЕП, включення яких супроводжується перехідними 
процесами (електричні машини, електромагніти тощо), має задовольнятися 
більш складна умова: 
Іном.а ≥ Іном.еп ,                                           (3.21) 
 
tс.з. ≥ tп.п. ,                                                (3.22) 
 
108 
 
де tс.з.  – час спрацьовування апарату захисту, який визначається по ампер-
секундної характеристиці для середньоквадратичного значення струму 
перехідного процесу; 
tп.п. – час перехідного процесу. 
Після вибору апарату захисту за номінальним струмом проводиться 
перевірка на відповідність ампер-секундних характеристик апарату 
перевантажним характеристикам проводів в допустимому діапазоні зміни 
температур навколишнього середовища. Провід повинен бути захищений від 
струмових перевантажень у всьому діапазоні.  
Селективність захисту забезпечується послідовним з'єднанням 
декількох апаратів захисту з підбором їх ампер-секундних характеристик. 
При цьому, чим ближче апарат захисту до джерела, тим більше його 
час спрацьовування. 
Чутливість апаратів захисту перевіряється за формулою 
 
І
 КЗ ≥ 2,5 ,                                             (3.23) 
Іном.а
 
де ІКЗ  – діюче значення струму короткого замикання. 
Комутаційна здатність апарату характеризується допустимим струмом 
відключення 
Івідкл.ном ≥ ІКЗ ,      (3.24) 
 
де Івідкл.ном  – номінальний струм відключення апарату. 
Термічна стійкість апаратів перевіряється за формулою 
 
І2
терм ⋅ tт ≥ Вк       (3.25) 
109 
 
де Ітерм  – граничний струм термічної стійкості, який даний комутаційний 
апарат витримає без пошкодження протягом часу термічної стійкості t т ; 
Вк  – розрахунковий тепловий імпульс струму КЗ. 
Електродинамічна стійкість апаратів перевіряється за формулою 
 
ідин ≥ іуд ,                          (3.26) 
 
де іуд  – ударне значення струму короткого замикання; 
ідин  – струм електродинамічної стійкості апарату. 
Використовуючи наведені умови, для побудови захисту на базі апаратів 
теплової дії, в програмному комплексі створюються розрахункові алгоритми, 
що дозволяють здійснювати вибір апаратів захисту (Рис. 3.9). 
При цьому для захисту споживачів зі стабільним навантаженням 
вибираються малоінерційні апарати захисту типу запобіжників із плавкими 
вставками. Щоб виключити спрацьовування запобіжників в момент 
включення навантаження, зазвичай задаються дворазовим запасом ампер-
секундної характеристики по відношенню до пускової характеристиці, що 
забезпечується за умови неприпустимості перевищення пускового струму 
над Іном.а  більш, ніж в 10 разів.  
Тим самим виключається експлуатаційне старіння запобіжника і зміна 
його ампер-секундних характеристик, що призводять до помилкового 
спрацьовування.  
Для захисту споживачів зі змінним навантаженням вибираються 
інерційні автоматичні вимикачі за умовами, які використовують ампер-
секундні характеристики автоматичних вимикачів і перехідні характеристики 
споживачів.  
 
110 
 
 
 
Рис. 3.9. Блок-схема алгоритму вибору захисних апаратів 
 
111 
 
Після вибору апарату захисту і перевірки його властивостей переходять 
до побудови системи струмового захисту в окремих ділянках мережі. При 
цьому слід враховувати додаткові обмеження, що випливають з умов 
надійності. Наприклад, до одного апарату захисту може підключатися тільки 
один споживач першої або другої категорії, або група споживачів, що 
входять в одну функціональну систему, або не більше трьох споживачів 
третьої категорії.  
Силові кола споживачів і кола управління ними повинні мати роздільні 
апарати захисту. Дублюючі один одного провідники і кола повинні мати 
роздільні апарати захисту. Процедури вибору апаратів і побудови схем 
захисту реалізуються в режимах автоматичного розрахунку і діалогу. 
 
Висновки до розділу 3 
 
В цьому розділі здійснено рішення задач синтезу структури і складу 
СЕП за допомогою розробленої методики. При вирішенні завдань 
використано принципи оптимізації результатів синтезу, що запропоновані в 
розділі 2.  
Запропонований принцип декомпозиції повнорозмірних універсальних 
математичних моделей СЕП з РГ, дозволив спростити алгоритмізацію. 
Використовуючи алгоритмічне забезпечення для розрахунків ЕТС, 
проектувальник отримує не тільки звіти з технічними даними, а й 
інформацію про ціну обладнання та можливості його закупівлі в заявлених 
постачальників.  
Для цього необхідно постійно оновлювати базу даних інформацією про 
нове обладнання, його ціни і можливих постачальників. Кращий варіант 
такої реалізації - розробка Інтернет - підтримки проектування.  
Оновлена БД може зберігатися на сервері, а програмне забезпечення 
буде періодично оновлювати свою БД через мережу.  
112 
 
Інший перспективною технологією може стати впровадження об'єктів 
графічних середовищ за рахунок OLE-технологій по системі клієнт-сервер. 
Це дозволить застосовувати креслення, спроектовані, наприклад, в AutoCAD, 
і видавати таблиці і принципові схеми в готовому вигляді для роздруківки. 
Слід зазначити, що розроблені методика і алгоритми потенційно 
можуть бути реалізовані і в інших засобах програмування.  
Таким чином, була отримана алгоритмічна реалізація методики 
оптимізації структури та складу СЕП з РГ [46]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
  
113 
 
ВИСНОВКИ 
 
Існує три основні області застосування РГ, а саме, забезпечення 
резервного живлення, для покриття пікових навантажень і дозування обсягу 
електроенергії, що постачається. Можна стверджувати, що вплив РГ на 
загальну надійність СЕП залежить від застосування.  
Наприклад, РГ, що встановлена з метою забезпечення резервного 
живлення, безумовно, підвищить надійність електропостачання та захистить 
відповідальне навантаження. Однак її позитивний вплив на надійність 
електропостачання інших споживачів буде мінімальним. Більш виражений 
позитивний вплив РГ на мережу може бути, якщо основним завданням 
генерації є зниження пікового попиту на електроенергію.  
Позитивний вплив пояснюється тим, що електроенергія виробляється і 
споживається на місці, тим самим розвантажуючи основний фідер, що може 
збільшити загальну надійність системи за рахунок зниження числа відмов в 
розподільній мережі. Вплив дозування обсягу на загальну надійність системи 
може бути двояким.  
З одного боку, дозування обсягу може сприяти покриттю пікових 
навантажень і тим самим підвищити надійність електропостачання. З іншого 
боку, ця функція, викликає двонаправлені потоки потужності, які, за певних 
обставин, можуть привести до зниження надійності енергосистеми.  
Крім того, наявність такої РГ може маскувати зростання навантаження 
і, отже, збільшити число споживачів, які можуть бути відключені 
припиненням енергопостачання через поломки РГ.  
Наприклад, якщо РГ встановлено в середині лінії, то з боку підстанції 
може бути важко розпізнати збільшення навантаження фідера за РГ. Це може 
привести до збільшення числа споживачів, які постраждали при відключенні 
самого фідера або РГ. 
Найбільш значний вплив РГ на експлуатацію СЕП сильно залежить від 
характеристик РГ, характеристик електричної мережі, а також області 
114 
 
застосування РГ. Одна і та ж технологія РГ, що використана для різних 
областей, по-різному вплине на надійність системи, якість електричної 
енергії у споживачів, а також значення струмів КЗ і роботу релейного захисту 
починаючи від досить позитивного впливу (обрізання пікового 
навантаження, стабілізації напруги), до зовсім негативних (маскування 
зростання навантаження, зміна структури потоку навантаження, збільшення 
струмів КЗ).  
Незважаючи на ці проблеми, майже завжди може бути успішно 
розроблені способи використання РГ в СЕП для оптимізації її характеристик. 
Слід підкреслити, що при реконструкції і модернізації СЕП практично є 
лише деякі технічні обмеження на ступінь проникнення РГ. Зі збільшенням 
проникнення РГ мережі реконструюються і модернізуються, тим самим 
стаючи більш гнучкими, і еволюціонують.  
Проведений аналіз дозволяє зробити висновок, що вплив РГ в значній 
мірі залежить від ступеня проникнення РГ в розподільну мережу і режиму 
роботи джерел РГ 
В роботі поставлена і вирішена актуальна задача проектування 
структури і складу СЕП з розподіленою генерацією, шляхом розробки 
алгоритмічного забезпечення з модулем оптимізації ЕТС, що проектується.  
Основні результати проведених досліджень полягають у наступному:  
1. Проведений аналіз технологій РГ дозволив підтвердити її 
ефективність, технічну та економічну доцільність впровадження при 
розвитку ЕТС, а також перспективи їх об'єднання в інтелектуальні електричні 
мережі, і, зокрема - віртуальні (розподілені) електростанції. 
2. Розроблена методика проектування і принцип організації структури 
СЕП з розподіленою генерацією, що відрізняються урахуванням при 
проектуванні технологій міні- і мікрогенераціі, а також вимог надійності, 
якості і втрат електроенергії до джерел РГ, що дозволяє забезпечувати сталий 
розвиток та функціонування таких систем. 
115 
 
3. Розроблені методика і принцип побудови алгоритмічного 
забезпечення при проектуванні СЕП з РГ, що відрізняються способом 
формування підсистем аналізу, синтезу та оптимізації виконання процедур 
проектування структури і складу устаткування СЕП з розподіленою 
генерацією. 
4. Запропонована методика оптимізації та підвищення ступеня 
узгодженості при проектуванні структури СЕП з розподіленою генерацією за 
рахунок цільової функції і складу бази даних, що дозволяє досягти 
необхідний рівень оптимальності. Результати роботи опубліковано у доповіді 
«Підвищення ефективності системи електропостачання з розподіленою 
генерацією за рахунок алгоритмічного забезпечення проектування».  
(Матеріали II Міжнародної наукової конференції, «Наукові орієнтири: теорія 
та практика досліджень» м. Суми, 3 листопада, 2023 р. Секція ХI. Енергетика 
та енергетичне машинобудування.). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
116 
 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 
 
1. Стогній Б.С. Сталий розвиток енергетики та інтелектуальні 
енергетичні системи. Праці Інституту електродинаміки НАН України. 2010. 
Спец. випуск. С. 6-9. 
2. Базюк Т.М., Блінов І.В., Буткевич О.Ф., Гончаренко І.С., 
Денисюк С.П. та ін. Інтелектуальні електричні мережі: елементи та режими. 
Київ: Інститут електродинаміки НАН України, 2016. 400 с. 
3. Кириленко А.В. Интеллектуальные электроэнергетические 
системы: элементы и режимы. Київ: Інститут електродинаміки НАН України, 
2014. 408 с. 
4. Grid 2030: A National Version for Electricity's Second 100 Years. – 
Office of Electric Transmission and Distribution United State Department 
of Energy, July 2003. DOE USA. Smart Grid: an introduction. URL: 
www.oe.energy.gov/DOE_SG_Book_Single_Pages.pdf. 
5.  European Technology Platform SmartGrids. Strategic Deployment 
Document for Europe’s Electricity Networks of the Future. April, 2010. 
6.  Shahidehpour M. Smart Grid: A New Paradigm for Power Delivery. 
IEEE Bucharest Power Tech, Bucharest, Romania, June 28–July 2, 2009. 
7.  Праховник А.В. Від керування електроспоживання до 
енергетики сталого розвитку. Вісник НТУУ «КПІ». Серія «Гірництво». 2010. 
№ 19. С. 100–121. 
8.  Стогній Б.С., Кириленко О.В., Праховник А.В., Денисюк С.П. 
Еволюція інтелектуальних електричних мереж та їхні перспективи в Україні. 
Технічна електродинаміка. 2012. № 5. С. 52–67. 
9. Праховник А.В. Мала енергетика: розподілена генерація у 
системах електропостачання. Київ: Освіта України, 2007. 464 с. 
10. Когенераційні технології в малій енергетиці : монографія / В. А. 
Маляренко, О. Л. Шубенко, С. Ю. Андрєєв, М. Ю. Бабак, О. В. Сенецький / 
117 
 
Харків. нац. ун-т міськ. госп-ва ім. О. М. Бекетова, Ін-т проблем машинобуд. 
ім. А. М. Підгорного. – Харків : ХНУМГ ім. О. М. Бекетова, 2018. – 454 с. 
11. Rhodium Group. The State of the Art in Valuing Distributed Energy 
Resources. January 2017. 
12. Pehnt, M. Micro Cogeneration: Towards Decentralized Energy 
Systems / M. Pehnt, M. Cames, C. Fischer, B. Praetorius, L. Schneider, K. 
Schumacher, J.-P. Voß. – Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2006. – 356 p. 
13. Distributed Energy Resources: Operational Benefits Yuriy Bilan  , 
Marcin Rabe  and Katarzyna Widera. Energies 2022, 15(23), 8864; 
https://doi.org/10.3390/en15238864. 
14. Smith, Jeff and D.Tom Rizy: Power quality and the control of DG on 
distribution System, Electrotek Concept, Inc Knoxville – OAK Ridge National 
Laboratory, TN USA. 
https://technicalreports.ornl.gov/cppr/y2001/pres/113428.pdf 
15. IEA,Distributed Generation in Liberalized Electricity Markets. 
Paris,France: OECD, 2002. Available: 
http://iea.org/textbase/nppdf/free/2000/distributed2002.pdf 
16. T. Ackermann, G. Andersson, and L. Soder, “Distributed generation: 
Adefinition,” Electr. Power Syst. Res., vol. 57, no. 3, pp. 195–204, 2001. 
17. Giuntoli M, Poli D (2013) Optimized Thermal and Electrical 
Scheduling of a Large Scale Virtual Power Plant in the Presence of Energy 
Storages. Smart Grid, IEEE Transactions 4: 942-955. 
DOI:10.1109/TSG.2012.2227513. 
18.  Денисюк С. П. Оцінка ефективності сумісної роботи 
розосереджених джерел генерації електроенергії, включаючи 
відновлювальні, в електроенергетичних системах. С. П. Денисюк, Т. М. 
Базюк, Д. Г. Дерев’янкою Енерго– та ресурсозберігаючі технології. Вісник 
КрНУ імені Михайла Остроградського. Випуск 3/2013 (80).с. 54–59. 
118 
 
19.  Лежнюк П. Д., Рубаненко О. Є., Малогулко Ю. В. Оптимізація 
функціонування розосереджених джерел енергії в локальних електричних 
системах // Вісник НТУ «ХПІ». – 2014. – № 60 (1102). 
20.  Системи автоматизованого проєктування: конспект лекцій 
[Електронний ресурс]: навч. посіб. для студ. спеціальності 151 
«Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології», спеціалізації 
«Комп’ютерноінтегровані системи та технології в приладобудуванні» / КПІ 
ім. Ігоря Сікорського; автори: К.С. Барандич, О.О. Подолян, М.М. Гладський. 
– Електронні текстові дані (1 файл 3,05 Мбайт). – Київ: КПІ ім. Ігоря 
Сікорського, 2021. – 97 с. 
21. Нефьодов Ю.М. Методи оптимізації в прикладах і задачах: 
навчальний посібник / Нефьодов Ю.М., Балицька Т.Ю. – К.: Кондор, 2011. – 
324 с. 
22.  Методи оптимізації без використання похідних: практикум з 
дисципліни «Дослідження операцій»[Електронний ресурс]: навч. посіб. для 
студ. спеціальності 113 «Прикладна математика», спеціалізації «Наука про 
дані та математичне моделювання» / Т. С. Ладогубець, О. Д. Фіногенов; КПІ 
ім. Ігоря Сікорського. – Електронні текстові дані (1 файл: 493 Кбайт). – Київ: 
КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. – 45 с. 
23. Саєнко С. Ю. Основи САПР / С. Ю. Саєнко, І. В. Нечипоренко – 
Х.: ХДУХТ, 2017. – 119 с. 
24.  Математичні моделі електричних систем. [Електронний ресурс] : 
навч. посіб. для для здобувачів ступеня бакалавра за освітньою програмою 
«Електричні системи і мережі» спеціальності 141 Електроенергетика, 
електротехніка та електромеханіка / КПІ ім. Ігоря Сікорського ; уклад.: Т. Л. 
Кацадзе, О. М. Панєнко. — Електронні текстові дані (1 файл: 951 кБ). — Київ 
: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. — 63 с. 
25.  Кириленко, O.B. Математичне моделювання в електроенергетиці 
/ O.B. Кириленко, М.С. Сегеда, О.Ф. Буткевич, Т.А. Мазур. – Львів: : 
Видавництво Львівської політехніки, 2013. – 608 с. 
119 
 
26. Карпалюк І. Т. Конспект лекцій з курсу «Математичні методи і 
моделі в електроенергетиці» (для студентів 4 курсу денної та заочної форми 
навчання за напрямом 6.050701 – Електротехніка та електротехнології для 
слухачів другої вищої освіти зі спеціальності 7.05070103 – Електротехнічні 
системи електроспоживання) / І. Т. Карпалюк; Харків. нац. ун-т міськ. госп-
ва ім. О. М. Бекетова. – Харків : ХНУМГ ім. О. М. Бекетова, 2015. – 182 с. 
27.  Бартіш М. Я. Дослідження операцій. Частина 4 : Нелінійне 
програмування: підручник / М. Я. Бартіш, І. М. Дудзяний. – Львів : ЛНУ ім. 
Івана Франка, 2011. - 208 с. 
28.  Бурбело М. Й., Бірюков О. О., Мельничук Л. М. Системи 
електропостачання. Елементи теорії та приклади розрахунків: навч. посіб. 
Вінниця: ВНТУ, 2011. 204 с. 
29. Рудницький В.Г. Внутрішньоцехове електропостачання. Курсове 
проектування: Навчальний посібник. – Суми: ВТД «Університетська книга», 
2007. – 280 с. 
30.  Методичні вказівки до виконання практичних занять з 
дисципліни «Математичні задачі енергетики. Частина 1» [Електронне 
видання] для студентів освітнього ступеню «бакалавр» спеціальності 141 
«Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» спеціалізація 
«Системи управління виробництвом і розподілом електроенергії» / Укл.: О.В. 
Хоменко, В.С. Гулий. - К.: НТУУ «КПІ», 2017.- 88 c. 
31.  Правила улаштування електроустановок. Міненерговугілля 
УКРАЇНИ. Видання офіційне. Київ 2017. 617 с. 
32.  Василега П. О. Електропостачання : підручник / П. О. Василега. 
– Суми : Сумський державний університет, 2019. – 521 с. 
33.  ДСТУ EN 50160:2014   (EN 50160:2010, IDT) Характеристики 
напруги електропостачання в електричних мережах загальної призначеності. 
Київ МІНЕКОНОМРОЗВИТКУ УКРАЇНИ.  2014. 
34. ДСТУ-Н Б В.2.5-80:2015.  Настанова з проектування  систем 
електропостачання  промислових підприємств.   Київ. Мінрегіон. 2016. 
120 
 
35.  Харченко В. Ф. Електропостачання міст та промислових 
підприємств : конспект лекцій (для студентів усіх форм навчання галузі знань 
14 – Електрична інженерія, спеціальності 141 – Електроенергетика, 
електротехніка та електромеханіка, професійне спрямування 
«Електротехнічні системи електроспоживання») / В. Ф. Харченко, О. А. 
Якунін, В. Г. Воропай ; Харків. нац. ун-т міськ. госп-ва ім. О. М. Бекетова. – 
Харків : ХНУМГ ім. О. М. Бекетова, 2019. – 238 с. 
36.  Бурбело М. Й., Бірюков О. О., Мельничук Л. М. Системи 
електропостачання. Елементи теорії та приклади розрахунків: навч. посіб. 
Вінниця: ВНТУ, 2011. 204 с. 
37. Мілих В.І. Електропостачання промислових підприємств: 
Підручник для студентів електромеханічних спеціальностей / В.І. Мілих, Т.П. 
Павленко. – Харків : ФОП Панов А. М., 2016. – 272 с. 
38.  О. Л. Шпак. Математична модель трифазного трансформатора як 
елемента електроенергетичної системи. Вісник Вінницького політехнічного 
інституту. 2016. № 3. С. 73 – 77. 
39.  Суходоля О. М. Питання енергозбереження в трансформаторах 
[Текст] / О. М. Суходоля // Электропанорама. – 2002. – №12. – С. 43-45. 
40. Електричне обладнання підстанцій систем електропостачання 
/[Орлович А.Ю, Плєшков П.Г., Козловський О.А., Співак О.В., Величко Т.В., 
Котиш А.І.]- М-во освіти і науки України, Центральноукр. нац. техн. ун-т. – 
Кропивницький: ЦНТУ, 2020. – 272 с. 
41.  Бахор З. М., Журахівський А. В. Проектування підстанцій 
електричних мереж : навч. посіб. – Львів: Видавництво Львівської 
політехніки, 2017. – 308 с. 
42. Маліновський А.А., Хохулін Б.К. Основи електроенергетики та 
електропостачання: Підручник. - Львів: Видавництво Національного 
університету «Львівська політехніка», 2007. – 380 с. 
43.  СОУ-Н ЕЕ 20.178:2008. Схеми принципові електричні 
розподільчих установок напругою від 6 кВ до 750 кВ електричних 
121 
 
підстанцій. Настанова. 
44.  Шкрабець Ф.П.  Електропостачання: навч. посіб. / 
Ф.П.Шкрабець; М-во освіти і науки України, Нац. гірн. ун-т. – Д.: НГУ, 2015. 
– 540 с. 
45.  Цівіна І.І. «Підвищення ефективності системи лектропостачання 
з розподіленою генерацією за рахунок алгоритмічного забезпечення 
проектування».  Матеріали II Міжнародної наукової конференції, «Наукові 
орієнтири: теорія та практика досліджень» м. Суми, 3 листопада, 2023 р. 
Секція ХI. Енергетика та енергетичне машинобудування. / Міжнародний 
центр наукових досліджень. — Вінниця: ТОВ «УКРЛОГОС Груп, 2023. — 
196 с. ISBN 978-617-8126-86-5.  DOI 10.36074/mcnd-03.11.202. с.106 – 109.
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
