Оренбургский государственный университет

4.12. Энергосбережение и надежность систем энергоснабжения предприятий

Основатель и руководитель научного направления – Митрофанов Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электро- и теплоэнергетики, директор Института энергетики, электроники и связи.

Направления подготовки

Бакалавриат:

13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника

13.03.02 Электроэнергетика и электротехника

Магистратура:

13.04.02 Электроэнергетика и электротехника

Основные направления исследований:

• энергосбережение в промышленности и других отраслях народного хозяйства;
• повышение надежности и экономичности систем электроснабжения;
• совершенствование рабочего процесса и тепловых схем ТЭЦ и котельных;
• разработка совершенствования конструкции и способов применения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии;
• разработка и изучение особенностей эксплуатации, установки автономного гибридного энергоснабжения на территории Оренбургской области;
• разработка методов измерений и алгоритмов для автоматизированного анализа параметров электроэнергетического режима в системах режимного и противоаварийного управления;
• разработка интеллектуальных электроэнергетических систем с активно-адаптивной сетью.

Основные научные результаты за 2024 год

Выполнен анализ методов по определению зависимостей почасового, среднесуточного и среднемесячного рассеянного солнечного излучения от полного солнечного излучения, падающего на горизонтальную поверхность фотоэлектрической панели (ФЭП). Получено 210 математических моделей для нахождения почасового полного солнечного излучения, падающего на наклонную поверхность ФЭП с учетом индекса ясности неба за 2023 год. Получено 48 математических моделей для нахождения среднесуточного полного солнечного излучения, падающего на наклонную поверхность ФЭП с учетом индекса ясности неба за 2023 год. Получено 182 математические модели для нахождения среднемесячного полного солнечного излучения, падающего на наклонную поверхность ФЭП с учетом индекса ясности неба за 2023 год. Для г. Оренбурга выполнено экспериментальное исследование для проверки адекватности полученных математических моделей. В результате исследования предложено несколько математических моделей, точность которых оказалась достаточной для инженерных расчетов (не более 5 %). Результаты выполненного исследования позволили повысить точность прогнозирования выработки электроэнергии солнечными электростанциями (СЭС) более чем на 30% по сравнению с расчетами, приведенными авторами ранее.

Разработана математическая модель имитации движения штока линейного актуатора при повороте платформы с фотоэлектрическими панелями вслед за Солнцем. Цель разработки – вычисление времени работы актуатора и потребляемой им мощности в течение световых суток. Это позволит учесть энергию, затраченную на поворот платформ с ФЭП в расчетах для определения объема вырабатываемой электроэнергии СЭС, оснащенных системами слежения за Солнцем.

Разработана математическая модель для определения срока окупаемости СЭС, оснащенных системой слежения за Солнцем с учетом ежегодного роста тарифов на электроэнергию, уровня инфляции и затрат на ежегодное техническое обслуживание.

Выполнено исследование по нахождению объема вырабатываемой электроэнергии СЭС, оснащенной системой слежения за Солнцем для 22 городов Юга, Поволжья, Урала, Сибири и Дальнего Востока. Цель исследования – определить эффективность работы системы слежения за Солнцем с учетом почасового индекса ясности неба за последние 5 лет. Оказалось, что в некоторых регионах объем вырабатываемой электроэнергии СЭС с системой слежения за Солнцем больше на 39 %, чем СЭС с неподвижными платформами. Экономические расчеты показали, что использование трекера, работающего по склонению Солнца использовать не оправдано, так как его использование дает прирост всего в 7–8 %.

Продолжающиеся экспериментальные исследования, проведенные в 2024 году, позволяют утверждать, что солнечная станция с системой слежения за солнцем выработала на 42 % больше электроэнергии, чем с неподвижной платформой. Этот показатель на 1,5 % больше, чем в 2023 году.

Разработана математическая модель тепловизионной диагностики оборудования подстанций с учетом системы критериев определения дефектов электрооборудования, включающей в себя критерии по ИК-контролю с учетом замечаний представителей отечественных сетевых организаций, а также критериев, определяющих повышенные требования к максимальной температуре нагрева токоведущих частей, взятых из зарубежной практики. Выполнена программная реализация разработанной математической модели с использованием сверточной нейронной сети и модели YOLOv5. Функционал по обработке матрицы температур реализован средствами Mathcad и Excel.

Модель нейросети YOLO была протестирована с использованием ИК-снимков работающего оборудования электрических подстанций. В качестве основной метрики была использована F-мера, величина которой по итогам исследования составила 0,744, что подтверждает достоверность разработанной системы по тепловизионной диагностики электрооборудования электрических подстанций.

Разработана математическая модель предиктивной диагностики маслонаполненного оборудования электрических станций и подстанций (ПДМО) с использованием техноценологического подхода. Разработанная математическая модель ПДМО программно реализована в среде MathCAD. Система ПДМО включает в себя 5 модулей. Модуль сбора и обработки данных представляет собой базу данных техноценологических объектов. Модуль анализа структуры позволяет получить информацию о распределениях техноценоза. Модуль интервальной оценки выявляет дефектные объекты. В модуле анализа динамики результатов ХАРГа описывается динамика изменения параметров техноценоза. Модуль вывода результатов позволяет дать оценку состояния электрооборудования и спрогнозировать дальнейшее изменение параметров.

Тестирование разработанной системы ПДМО осуществлено на примере техноценоза СМТ восточного энергорайона Оренбургской области, содержащего 11 объектов-особей. Полученные результаты не противоречат предложениям для подстанций, указанным в «Комплексной программе развития электрических сетей напряжением 35 кВ и выше на территории Оренбургской области на период 2018-2022 гг.», а также в «Схеме и программе перспективного развития электроэнергетики Оренбургской области на 2019–2023 годы».

3Разработано устройство для проверки алгоритма работы микропроцессорного терминала релейной защиты синхронного двигателя на терминале Sepam серии 80. Разработан алгоритм работы релейной защиты синхронного двигателя, включающий в себя все необходимые виды защит. Разработанный алгоритм программно реализован в программе Sepam SFT2841 и SFT2885. Тестирование алгоритма проведено на разработанном устройстве. Полученные результаты эксперимента показали работоспособность разработанного устройства и достоверность разработанного алгоритма.

Разработан программный комплекс по поиску отключившегося электрооборудования в распределительных сетях. Программный комплекс содержит 4-е модуля: «База данных»; «Анализ топологии электрической сети»; «Расчет режимов работы электрической сети»; «Определение отключившегося оборудования». Модули разработанного программного комплекса реализованы на языке программирования Python с применением библиотек «Pandapower», «Pandas», «Matplotlib» и «NetworkX».

Расчет установившихся режимов работы электрической сети осуществлен с помощью системы нелинейных уравнений, составленных по методу узловых напряжений в форме баланса мощностей, программно реализованных методом Ньютона-Рафсона. Для автоматизации процесса построения графа электрической цепи адаптирован метод полного перебора - поиск в ширину BFS, позволяющий формировать подграфы, состоящие из групп связанных объектов ЭС по отношению к исходным узлам. Анализ топологии ЭС предложено осуществлять с помощью кортежей, включающих в себя объекты ЭС, подсоединенные к каждому из узлов ЭС. Каждый кортеж формируется прямым произведением элементов множеств заданных сущностей (объектов ЭС), согласованных по атрибуту «номер узла».

Тестирование разработанного программного комплекса на примере моделирования аварийного отключения Л-10кВ ф.3-6 на участке от ТП-53 до ТП-54 и результатов акта расследования технологического нарушения нормального режима работы электрической сети показало, что по традиционной методике оперативным персоналом обнаружено отключившееся оборудование в течении одной минуты, а программный комплекс обнаружил и вывел полученные результаты на экран в течении 8,5 секунды.

Выполнена оценка номенклатуры и количественного состава трансформаторов ТП, являющихся компонентами электрической сети Дзержинского района города Оренбурга, с применением техноценологического подхода. По результатам которой сделан вывод, о неоптимальном составе техноценоза, как по номенклатуре, так и по количественному составу трансформаторов:

• количественный избыток масляных трансформаторов с мощностями 400 кВА и 630 кВА;
• дефицит иных масляных трансформаторов и герметичных масляных трансформаторов с мощностями от 25 кВА до 1000 кВА.

Даны общие рекомендации по оптимизации номенклатуры и количественного состава установленных трансформаторов.

В процесс принятия решения по развитию систем электроснабжения предложено выделить два программно связанных модуля: кластеризация и выбор наилучшей альтернативы.

Оба модуля программно реализованы в пакете MathCad на основе алгоритма k-means и метода ранжирования, соответственно.

Полученные результаты совпадают с предложениями, отражёнными в схемах и программах перспективного развития электроэнергетики Оренбургской области на 2021-2025 годы.

Разработан математический алгоритм определения оптимального положения солнечного гелиостата для получения тепловой энергии в месте концентрации солнечного излучения.

Изготовлена экспериментальная установка по основам комбинированной выработки энергии на базе микро-турбины Капстоун.

Для наглядной иллюстрации работы системы генерации тепловой и электрической энергии у удаленного потребителя изготовлена экспериментальная установка на базе двигателя АИ 24 Д.

Проведен расчет системы горячего водоснабжения 8 корпуса ОГУ с использованием солнечного гелиоколлектора располагаемого на крыше здания.

Выполнены работы по использованию элементов Пельтье для генерации воды из окружающего воздуха.

Предложен способ по использованию энергии льда для генерации электрической энергии в летний промежуток времени.

Проведены исследования по вопросам влияния вида топлива сжигаемого в печи на генерацию электрической энергии получаемой от элементов Пельтье, присоединенных к данной печи.

Для удаленного от источников традиционной энергетики потребителя произведен подбор и монтаж теплоэнергетического оборудования работающего на пеллетах полученных их шелухи семян подсолнечника.

Персональный состав коллектива:

1. Митрофанов Сергей Владимирович, канд. техн. наук., доцент кафедры ЭТЭ
2. Семенова Наталья Геннадьевна, д-р. пед. наук, канд. техн. наук, профессор кафедры АЭЭМ и ЭТ
3. Соколов Виталий Юрьевич, канд. техн. наук., доцент кафедры ЭТЭ
4. Влацкая Людмила Анатольевна, канд. техн. наук., доцент кафедры ЭТЭ
5. Валиуллин Камиль Рафкатович, канд. техн. наук., доцент кафедры ЭТЭ
6. Чернова Анастасия Дмитриевна, канд. техн. наук., старший преподаватель кафедры ЭТЭ

Основные данные о деятельности за период с 2020 по 2024 г.:

Количество публикаций участников коллектива, в том числе:

Основные научные проекты коллектива

1. Инжиниринговые услуги по расчету установок РЗА высоковольтных аппаратов защиты на ВЛ-6 (10) кВ УЭСП ООО «Газпром добыча Оренбург»» (хоздоговор с ООО «Газпром добыча Оренбург», руководитель Митрофанов С.В., 2018).
2. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов ООО „Оренбургстройжилсервис”» (хоздоговор с ООО «Оренбургстройжилсервис», руководитель Митрофанов С.В., 2018).
3. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Малая Земля», руководитель Митрофанов С.В., 2019).
4. Научно-исследовательская работа «Теплоэнергетическое обследование объекта расположенного по адресу: ул. Туркестанская, д. 9» (хоздоговор с ООО «УК Малая Земля», руководитель Соколов В.Ю., 2019).
5. Научно-производственные аспекты контроля качества электроэнергии (хоздоговор с МРСК Волги, руководитель Любимов И.И., 2019).
6. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Северная», руководитель Митрофанов С.В., 2020).
7. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Деповская», руководитель Митрофанов С.В., 2020).
8. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Южная», руководитель Митрофанов С.В., 2020).
9. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Северная», руководитель Митрофанов С.В., 2021).
10. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Деповская», руководитель Митрофанов С.В., 2021).
11. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК СССР», руководитель Митрофанов С.В., 2021).
12. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Малая Земля», руководитель Митрофанов С.В., 2021).
13. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК ЖФ Южная», руководитель Митрофанов С.В., 2021).
14. Научно-исследовательская работа «Анализ режимов работы и подбор оптимальных настроек реклоузеров ЛЭП 10 кВ» (хоздоговор с ООО «Промэлектросеть», руководитель Митрофанов С.В., 2022).
15. Научно-исследовательская работа «Анализ причин отказа защит на выключателе 35 кВ ПС 110/35/6 кВ „Разрез”» (хоздоговор с ООО «Промэлектросеть», руководитель Митрофанов С.В., 2022).
16. Научно-исследовательская работа «Расчет и настройка уставок релейной защиты и автоматики ЗРУ 6 кВ ПС 110/35/6 кВ „Разрез”» (хоздоговор с ООО «Промэлектросеть», руководитель Митрофанов С.В., 2022).
17. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Северная», руководитель Митрофанов С.В., 2022).
18. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Деповская», руководитель Митрофанов С.В., 2022).
19. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Южная», руководитель Митрофанов С.В., 2022).
20. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК ЖФ Восточная», руководитель Митрофанов С.В., 2022).
21. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК 23 микрорайон», руководитель Митрофанов С.В., 2022).
22. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК ЖФ Дельта», руководитель Митрофанов С.В., 2022).
23. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Малая Земля», руководитель Митрофанов С.В., 2022).
24. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Русь», руководитель Митрофанов С.В., 2022).
25. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК 23 микрорайон», руководитель Митрофанов С.В., 2023).
26. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Северная», руководитель Митрофанов С.В., 2023).
27. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Деповская», руководитель Митрофанов С.В., 2023).
28. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Дельта», руководитель Митрофанов С.В., 2023).
29. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Гамма», руководитель Митрофанов С.В., 2023).
30. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с «ЖСК-80», руководитель Митрофанов С.В., 2023).
31. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Северная», руководитель Митрофанов С.В., 2024).
32. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Деповская», руководитель Митрофанов С.В., 2024).
33. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Дельта», руководитель Митрофанов С.В., 2024).
34. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК Маяк», руководитель Митрофанов С.В., 2024).
35. Научно-исследовательская работа «Тепловизионное обследование объектов» (хоздоговор с ООО «УК НовостройСервис», руководитель Митрофанов С.В., 2024).
36. Научно-исследовательская работа «Оптимизация режимов работ индивидуально-теплового пункта многоквартирного жилого дома» (хоздоговор, руководитель Соколов В.Ю., 2024).

Контактная информация:

460018, г. Оренбург, ул. Шевченко, 28, учебный корпус № 8.

Тел.: (35-32) 37-28-91.

E-mail: eef@unpk.osu.ru.