Технико-экономический аспект использования интеллектуальных систем управления режимами электропотребления сельских жилых домов

Введение. Строящиеся в настоящее время сельские жилые дома (СЖД) имеют существенно большую площадь, чем построенные даже 10 лет назад (общая площадь дома сегодня составляет 100–200 м²), оснащаются современными бытовыми электроприборами, разнообразие и установленная мощность которых растет с каждым годом. При этом основными потребителями электрической энергии в СЖД являются системы пищеприготовления (электрическая плита, чайник, микроволновая печь, мультиварка, тостер, миксер, сушилка овощей и фруктов, посудомоечная машина и т. д.), горячего водоснабжения (один аккумуляционный электроводонагреватель или аккумуляционный (в ванной) и проточный (на кухне) электроводонагреватели), которые создают существенную несимметрию нагрузки на трехфазных вводах в СЖД. Расчетная мощность таких домов составляет 15 кВт и выше (при использовании электрической или комбинированной системы отопления) [1–4]. Включение возросшей нагрузки СЖД по свободному графику ведет к увеличению утреннего и вечернего максимумов в суточном графике нагрузки по сравнению с ранее принятыми расчетными мощностями СЖД в два и более раз [1].

Для повышения уровня комфорта жилища в последние годы в России и за рубежом становятся популярными системы управления электроприемниками

домов «Умный дом» [5–9]. Интеллектуальные системы управления режимами электропотребления СЖД по приоритетному принципу на основе технологий «Умный дом» предназначены для решения вопросов по симметрированию нагрузки на вводах в СЖД, снижению пиков в суточных графиках нагрузок потребителей, выравниванию графиков нагрузки на трансформаторных подстанциях (ТП) [1]. Непосредственным экономическим эффектом для потребителей будет являться переход от одноставочных электрических тарифов на электрическую энергию ко многоставочным, что в конечном итоге приведет к более быстрой окупаемости задействованных вложений и, что немаловажно, к значительному увеличению комфорта проживающих в доме жильцов [1].

По методике, изложенной в [2], произведен расчет предельно допустимого количества СЖД, подключаемых к комплектным трансформаторным подстанциям (КТП), по условию допустимой загрузки трансформаторов в нормальном режиме для вечернего максимума активных нагрузок с учетом коэффициента одновременности.

C помощью таблицы 1 возможно определить количество требуемных КТП и их необходимую мощность для покрытия нужд поселка СЖД при разных конфигурациях систем электроснабжения поселка, подробно описанных в [3].

Таблица 1

Мощность трансформаторной подстанции S, кВА Количество подключаемых домов Свободный график работы Система «Умный дом» 25 1 2 40 2 3 63 3 4 100 6 7 160 10 12 250 18 20 400 30 34 630 49 54 группа электроприемников, в которую можно отнести некоторые энергоемкие потребители, такие как обогрев и горячее водоснабжение, а также стиральные и посудомоечные машины. При этом

функционирование этих групп для увеличения экономии рекомендуется осуществлять преимущественно в ночное время.

Таблица 2

Тарифы на электрическую энергию в Красноярском крае для домов в сельских населенных пунктах, действующие с 1 января 2024 г. по настоящее время [10]

2. Технико-экономическое обоснование проекта СЖД «Умный дом».

Экономический эффект от внедрения системы «Умный дом» в СЖД достигается за счет:

– изменения схемы электроснабжения поселка СЖД со снижением величины единовременных затрат;

– экономии затрат на электроэнергию за счет использования интеллектуальных систем приоритетного управления электроприемниками «Умный дом» и дифференцированных тарифов по времени суток;

– выравнивания графика нагрузки;

– снижения ущерба от внешних факторов (кража, коммунальные аварии, пожар и др.);

– экологического эффекта за счет снижения вредных выбросов при сокращении потребления электроэнергии.

Критериями экономической эффективности проекта являются [11, 12]:

– чистый дисконтированный доход;

– дисконтированные приведенные затраты по вариантам.

Чистый дисконтированный доход (ЧДД) определяется как сумма текущих эффектов за весь расчетный период, приведенная к начальному шагу, или как превышение интегральных результатов

Вид тарифного плана S S В х в S з й «ВИ е ® а S Й £ й ч О л О о ч У 2 в в & Одноставочный тариф 2,47 3,98 Одноставочный тариф, дифференцированный с учетом двух зон суток: дневная зона (7:00–23:00) 2,86 4,99 ночная зона (23:00–7:00) 1,48 2,39 Одноставочный тариф, дифференцированный с учетом трех зон суток: пиковая зона (7:00–10:00; 17:00–21:00) 3,26 6,18 полупиковая зона (10:00–17:00; 21:00–23:00) 2,47 3,98 ночная зона (23:00–7:00) 1,48 2,39 над интегральными затратами. Величина вычисляется по формуле ЧДД для постоянной нормы дисконта (Е)

T

ЧД = Е( R t - 3 t )•   -       ' max,             (1)

t = 0             ⁽¹ + E )

где R t – результаты, достигаемые на t-м шаге расчета; З t – затраты, осуществляемые на том же шаге; Т – горизонт расчета (продолжительность расчетного периода); Э = (R t –З t ) – эффект, достигаемый

на t-м шаге; Е – постоянная норма дисконта, равная ставке рефинансирования Центрального банка.

Дисконтированные приведенные затраты определяются по формуле

Количество СЖД, подключаемых к типовым однотрансформаторным подстанциям [2]

При расчете экономической эффективности подлежат сравнению два варианта:

– базовый: поселок из пятидесяти СЖД со стандартным набором электрооборудования, который снабжается электроэнергией от пятидесяти СКТП-25 кВА.

– проектный: поселок из пятидесяти СЖД, со стандартным набором электрооборудования и с установленной системой «Умный дом», который снабжается электроэнергией от двадцати шести СКТП-25 кВА.

Цель исследования – выполнить технико-экономическое сравнение систем электроснабжения поселков СЖД со свободным графиком потребления электроэнергии и использованием интеллектуальных систем приоритетного управления электроприемниками «Умный дом».

Задачи: провести сравнение тарифных планов на электрическую энергию для СЖД в условиях Красноярского края; выполнить технико-экономическое обоснование проекта умного сельского жилого дома; произвести расчет экономических показателей по проектному ва-

рианту «Умный дом»; произвести расчет показателей экономического эффекта по вариантам.

Материалы и методы . В основе исследования лежит процесс моделирования технико-экономических показателей систем электроснабжения поселков СЖД со свободным графиком потребления электроэнергии и с использованием интеллектуальных систем приоритетного управления электроприемниками «Умный дом».

Результаты и их обсуждение

1. Сравнение тарифных планов

Исходными данными для выполнения экономического расчета являются тарифные планы гарантирующих поставщиков, расположенных на территории Красноярского края.

Из сравнения цен на электрическую энергию для жителей Красноярского края видно, что наиболее целесообразным практическим решением в этой связи является установка электрических счетчиков с возможностью учета электроэнергии по одноставочному тарифу, дифференцированному с учетом трех зон суток (табл. 2). Это может быть зона или

T                          1

Зі = У ( Кі + Иі )-- 7 ---" min-              (2)

i   t = 0     i      i (1 + E ) t

На практике решение о реализации проекта «Умный дом» принимает заказчик.

3. Расчет экономических показателей по проектному ва

рианту «Умный дом»

Капиталовложения в проект опре деляются по формуле

К проект = К у +К м +К проч ,

где   К у – стоимость устройства, руб.; К м      Расчет годовых расходов на эксплу-

– затраты на монтаж нового оборудова- атацию «Умного дома»:

ния, Км = 0,1∙Ку, руб.; Кпроч – прочие за траты, Кпроч = 0,15∙Ку, руб.

И ∑ = И зп + И ам + И ээа + И пр + И тр ,

где И зп – зарплата обслуживающего персонала, тыс. руб/год (в проекте не учитывается); И ам – амортизационные отчисления, тыс. руб/год; И ээа – затраты на электроэнергию, тыс. руб/год по системе автоматики, показателем можно прене-

бречь; И пр – прочие расходы, тыс. руб/год; И тр – затраты на текущий ремонт, тыс. руб/год.

Амортизационные отчисления в проектируемом варианте

И ам

^Кб • ^ ам

где К б – балансовая стоимость оборудования, тыс. руб.; α ам – норма амортизации равна 20 % [11].

Прочие расходы включают затраты на вспомогательные материалы, услуги, общие расходы и другое и принимаются в размере 10 % от суммы прямых затрат

И пр =0,1( И тр + И ам ), руб/год.

В расчетах представлена смета по проекту на интеллектуальную систему управления режимами электропотребления СЖД по приоритетному принципу,

выполненная на основе платформы AR-DUINO [13], а также величина годовых затрат на его эксплуатацию системы «Умный дом» (табл. 3).

Таблица 3

Оборудование	Кол-во, шт.	и	н * • СО d	5 ІЛ	ю о & К н м
Arduino UNO	2	3600	360	540	4500
Arduino NANO	6	1500	150	225	1875
Датчик тока 100 А	3	1110	111	166,5	1387,5
Датчик температуры	5	1245	124,5	186,75	1556,25
Реле SRD-05	6 модулей	2436	243,6	365,4	3045
Блок питания SCT013 100A	1	750	75	112,5	937,5
Комплект терморезисторов из 2 шт.	4	2240	224	336	2800
Wi Fi модуль	1	1200	120	180	1500
Система видеонаблюдения	1 комплект	12900	1290	1935	16125
Приемник  и  передатчик GSM	5	3725	372,5	558,75	4656,2 5
Датчик движения	10	5700	570	855	7125
Датчик дыма	6	4020	402	603	5025
Датчик освещенности	5	3000	300	450	3750
Датчики влажности	2	1300	130	195	1625
Система защиты от протечек воды Gidrolok	1	25100	2510	3765	31375
Система безопасности «Умный дом»	1	28630	2863	4294,5	35787,5
Проводка		5000	500	750	6250
Крепежный материал		2000	200	300	2500
Светодиоды, корпуса, кнопки, резисторы		5000	500	750	6250
Электросчетчик 3 фазный многотарифный	1	6100	610	915	7625
Итого		116556	11655,6	17483,4	145695

Смета затрат на внедрение системы «Умный дом»

Затраты на текущий ремонт

И тр = 0,2 · И ам .                                        (7)

Годовые расходы на эксплуатацию «Умного дома»

И ∑ = И ам + И тр + И пр .

В данном проекте средний расход электроэнергии СЖД определен на основании перечня электроприемников, их мощности и среднего времени использования в год с учетом отопления электрокотлом (базовый вариант) и при инфракрасном отоплении (проектный вариант «Умный дом).

В проекте «Умный дом» принята установка для горячего водоснабжения, капиталовложения на тепло и горячее

водоснабжение практически одинаковы в обоих вариантах и в расчетах не учитываются.

Внедрение системы «Умный дом» позволит снизить потребление электроэнергии и расходы на 5–10 %. Средний (базовый) тариф на электроэнергию в 2024 г. составляет 3,5 руб/(кВт·ч) [10].

Затраты на электроэнергию в базовом варианте по одноставочному тарифу составят

И ээбаз = Т од ∙ ЭЭ год .

В проекте «Умный дом» установлен многотарифный счетчик.

При переходе на одноставочный тариф с учетом трех зон сутки разделяются на три зоны: пиковую – длительностью 9 ч (17–21 ч, 7–10 ч), полупиковую – длительностью 6 (11–16 ч) и ночную длительностью 9 ч (22–6 ч). Потребление по времени суток распределено в соответствии с процентными соотношениями:

пиковая зона – 37,5 %; полупиковая – 25; ночная – 37,5 %.

Числовые значения тарифов по зонам определяют сообразно тарифу (среднему), принятому для оплаты за электроэнергию, употребляемому на бытовые нужды сельскохозяйственных потребителей при многотарифном учете (табл. 1).

Т ноч = 1,48руб/(кВт ^. ч); Т пик = 3,26руб/(кВт ^. ч); Т полупик = 2,47руб/(кВт ^. ч).

При переводе СЖД на одноставочный тариф по трем зонам расход на электроэнергию определяется

И проект = Т ноч ∙ЭЭ ноч + Т п ∙ЭЭ п + Т пп ∙ЭЭ пп .

Затраты на электроэнергию с учетом системы «Умный дом составят

∆И ээ = 0,9∙ И проект .

Экономия затрат на оплату электроэнергии по вариантам

ΔИ оплээ

= И ээбаз - И ээпроект .

Результаты расчетов сведены в таблицу 4.

Таблица 4

Показатель	Вариант
	проектируемый	базовый
Капиталовложения, К проект , руб.	145695	–
В т. ч.: стоимость устройства, К у	116556	–
затраты на монтаж, К м	11655	–
прочие затраты, К проч	17483	–
Годовые эксплуатационные расходы, И ∑ , руб/год	38464	–
В т. ч.: амортизационные отчисления, И ам	29139	–
затраты на текущий ремонт, И тр	5828	–
прочие затраты, И пр	3497	–
Затраты на электроэнергию, руб/год:
одноставочный тариф, И ээбаз	–	124600
одноставочный тариф,  дифференциро ванный по трем зонам, И проект	76736	–
Экономия затрат на оплату электроэнергии, ΔИ оплээ , руб/год	–	47864

Основные технико-экономические показатели проекта

• 4.    Расчет экономических по- Капитальные вложения на соору- казателей по вариантам схем жение проектируемой сети определяются подключения источников пита- как

ния к СЖД поселка

К лэп

= К вл + К п/ст ,

где Квл – капитальные вложения в строи-      Капитальные вложения в ВЛ 10 кВ тельство ВЛ, тыс. руб.; Кп/ст – капиталь- определяются как ные вложения в строительство подстан ции, тыс. руб.

К вл = l · R уд ,                                         (11)

где l – длина линии, км; К уд – удельная стоимость линии, тыс. руб.

К годовым эксплуатационным издержкам относятся все расходы, связанные с поддержанием электрических сетей в нормальном техническом состоя-

нии, а также годовая стоимость износа и затраты на компенсацию потерь электрической энергии в элементах сети.

Годовые эксплуатационные расходы определяются как

И лэп = И^вл ам + И^п/ст ам + И^вл т.р.об + И^п/ст т.р.об + И пот ,     (12)

где И^вл ам , И^п/ст ам – годовые амортизационные отчисления по ВЛ и подстанции, руб/год; И^вл т.р.об , И^п/ст т.р.об – затраты на текущий ремонт и обслуживание ВЛ и подстанции, руб/год; И пот – затраты на

компенсацию потерь электроэнергии, руб/год.

Величина амортизационных отчислений по элементам сети ВЛ и подстанции определяется как

вл вл           ам ам      вл

п / ст

И ам = К

п / ст

•    аам п / ст           ,

где К вл , К п/ст – капиталовложения в ВЛ и подстанцию, руб.; а влам , О п/там - нормы амортизационных отчислений по ВЛ и подстанции, % [12].

Издержки на обслуживание электрических сетей включают в себя стои-

мость израсходованного сырья и других материальных средств, заработную плату обслуживающего персонала, расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание, общепроизводственные расходы.

авл вл                   т.р.об т.р.об вл вл юQ ;(1

а п / ^cn п / ст                 т . р . об

Ит. р. об Кп / ст  |0 Q  , где авлт.р.об, ап/тт.р.об - нормы на теку-      Затраты на компенсацию потерь щий ремонт и обслуживание ВЛ и под- электроэнергии станции, %.

Ипот = а Эпот,(17)

где а – удельные затраты на компенса-      Смета затрат на сооружение ВЛ и цию потерь электроэнергии, руб/(кВт·ч); КТП приведена в таблице 5.

Эпот – суммарные потери электроэнер-      Годовые эксплуатационные расходы гии в сети, кВт·ч.                       на сооружение ВЛ и КТП по вариантам

При расчетах затраты на компенса- приведены в таблице 6.

цию потерь электроэнергии в коротких линиях не учитывались.

Смета затрат на сооружение ВЛ и КТП

Таблица 5

Показатель	Вариант
	базовый	проектный
Количество подстанций, шт.	50	26
Длина воздушных линий 0,4 кВ, км	1,250	1,400
Стоимость подстанции СКТП-25, тыс руб.	200	200
Уд. стоимость 1 км линии 0,4 кВ, тыс руб.	250	250
Стоимость подстанций СКТП-25 кВА, тыс. руб.	10000	5200
Общая стоимость подстанций с учетом монтажа, тыс. руб.	12500	6500
Общая стоимость воздушных линий 0,4 кВ, тыс. руб.	312	350
Итого общие капиталовложения, тыс. руб.	12812	6850

Таблица 6

Показатель	Вариант
	Базовый	Проектный
Годовые амортизационные отчисления по ВЛ	11,23	12,6
Годовые затраты на текущий ремонт по ВЛ	0,936	1,05
Годовые амортизационные отчисления по КТП	440	288
Годовые затраты на текущий ремонт по КТП	400	208
Суммарные затраты по ВЛ и КТП	852,166	509,65

Величина годовых эксплуатационных расходов на сооружение ВЛ и КТП по вариантам, тыс. руб/год

• 5.    Расчет показателей эконо-     Суммарный годовой экономический

мического эффекта по вариантам эффект по проекту «Умный дом», тыс. руб.

ЭФ уд = ЭФ ∆ээ + ЭФ пот = 39,4 + 100;                   (18)

ЭФуд = 47,864 + 100 = 147,864, где ЭФпот – снижение потерь от внешних     Чистый дисконтированный доход факторов (кражи, затопление, пожар ЧДД за три года, тыс. руб.: и т. д. значение принято по оценке правоохранительных органов), руб/год.

ЧДД = [(147,864) – (145,695 + 38,464)]·0,833 + (147,864 – 38,464)·0,694 + +(147,864 – 38,464)·0,579 = 109 тыс. руб.

Чистый дисконтированный доход за     Дисконтированные приведенные три года составит 109 тыс. руб.            затраты по базовому и проектному вари антам определяются по формуле (2):

З баз =(12812 + 852) ‧ 0,833 + 852 ‧ 0,694 + 852 ‧ 0,579 = 11382,1 +591,3 + 493,3 = =12466,7 тыс. руб.

З проект =(6995 + 547) ‧ 0,833 + 547 ‧ 0,694 + 547 ‧ 0,579 = 6282 +380 + 317 =6979 тыс. руб.

Приведенные дисконтированные затраты в проектном варианте меньше практически на 50 % (табл. 7). Проектный вариант абсолютно эффективен.

При расчетах не учитывались затраты на компенсацию потерь электроэнер-

гии в ВЛ, так как они практически одинаковы, а потери в трансформаторах в первом варианте практически выше в два раза, чем во втором.

Таблица 7

Основные технико-экономические показатели по вариантам

Заключение. Расчеты показали, что ЧДД за три года составит 109 тыс. руб., что говорит об экономической эффективности проекта «Умный дом». Экономический эффект обеспечивает экономия затрат на электроэнергию при использовании системы автоматики и дифференцированных тарифов по времени суток.

По критерию приведенных дисконтированных затрат их значение составляет соответственно по вариантам 12 466,7 тыс. и 6 979 тыс. руб., в проектном варианте они ниже на 50 %, вариант

экономически эффективен и может быть реализован.

Реализация проекта также обеспечивает:

– уменьшение уровня потерь электроэнергии за счет выравнивания графика нагрузки и ее симметрирования;

– экологический эффект за счет снижения вредных выбросов в атмосферу при уменьшении потребления электроэнергии;

– повышение уровня комфортности проживающих и соответственно востребованности проекта на рынке недвижимости.

Показатель	Вариант
	базовый	проектный
Капиталовложения, тыс. руб.	12812	6995
В т. ч.: «Умный дом»;	–	145,7
схема электроснабжения	12812	6850
Годовые эксплуатационные расходы, тыс. руб/год В т.ч.:	852	547
«Умный дом»;	–	38,5
схема электроснабжения	852	509
Годовой экономический эффект, тыс. руб/год В т. ч.:	–	147,9
за счет экономии электроэнергии;	–	47,9
за счет охранной системы	–	100
Дисконтированные приведенные затраты, тыс. руб. за три года	124666	697
Чистый дисконтированный доход по проекту «Умный дом» за три года, тыс. руб.	–	91,8