В2. Проблемы развития систем электроснабжения

Энергосбережение – это стратегическая политика выживания человечества в условиях конфликта между его стремлением к безудержному комфорту и ограниченностью ресурсов.

По прогнозам энергопотребление к 2020 году возрастет в 1,8 – 1,9 раза в связи с тем, что население Земли увеличится в 1,5 раза, а мировое производство к 2050 году – в 3,75 – 5 раз. Однако принцип социальной несправедливости будет наблюдаться в мире и в РФ в том числе: не всем людям будет доступен энергетический комфорт. Лидером по производству и потреблению электроэнергии являются США (1/4 от всей выработки).

В России кризис затянулся до 2000 г. с переходом к подъему только в 2005 г, в настоящее время РФ снова втянута в мировой кризис. Для достижения разумных потребностей России необходимо 1500 – 1600 ГВт∙ч электроэнергии в год. До 2020 г. задача развития энергетики в ней не будет решена. Поскольку инвестиций недостаточно, то говорить об энергосберегающей деятельности можно только в стратегическом плане. В тактическом же плане необходимо бороться с расточительством электроэнергии.

Спад производства в России привел к увеличению энергоёмкости российской продукции, причем, большему, чем уровень энергосбережения.

Выход из тупиковой ситуации заключается в увеличении капиталов в новые технологии энергетики и в нетрадиционные мероприятия по экономии электроэнергии, дающие быстрый экономический эффект. К ним, например, относится компенсация реактивных нагрузок с учётом многорежимности, которую возможно решить, применяя нетрадиционные источники реактивной мощности.

Существо проблемы снижения потерь электроэнергии в системах её распределения заключается в том, что с ростом объёмов потребления в значительно большей относительной степени возрастают дополнительные потери, вызванные перетоками реактивной энергии. Передача 1-го квар в сравнении с 1-м кВт от электростанций к потребителям в 20 раз дороже. Выработка реактивной мощности (РМ) в системах распределения электрической энергии России характеризуется её дефицитом: в РФ на 1 кВт приходится 0,4 квар, в то время как в ряде стран Европы, в Японии, в США на 1 кВт имеется 0,6 … 0,8 квар. Задача компенсации реактивных нагрузок (КРН) в её системной постановке с учётом интересов сетевых организаций и потребителей, а также с учётом совокупности режимов (многорежимности) на любом временном интервале не решена [61, 63].

Поэтому совершенствование расчета, а также последующего технического воплощения результатов при обеспечении высокой точности и достоверности расчётов по оптимальному выбору источников реактивной мощности (ИРМ) в системах распределения электроэнергии была и остаётся актуальной. Оно важно применительно как к проектной, так и к эксплуатационной практике. Функция приведенных затрат является целевой функцией при решении этой задачи.

Постановка задачи сводится к определению управляемых режимных параметров, обеспечивающих минимум целевой функции, представленной расчётными затратами на установку ИРМ, их эксплуатацию, а также потерями электрической энергии (ЭЭ). Определяющими в целевой функции являются потери ЭЭ.

Результаты исследований в области КРН кафедры систем и сетей МЭИ (Н.А. Мельникова [36], В.А. Веникова, Л.А. Солдаткиной) и лаборатории режимов ВНИИЭ (Ф.Ф. Карпова, Ю.С. Железко [12]), многолетние труды по этой тематике профессора Г.М. Каялова и его коллег В.П. Ильяшова [15], Б.А. Полякова остаются востребованными и в наши дни. Актуальны, как и много раньше, работы С.М. Гительсона [7], посвященные оптимальному распределению конденсаторов в системах промышленных предприятий.

В семидесятые годы прошлого века и более позднее время под руководством и с участием Г.М. Каялова были выполнены исследования оптимизации КРН его учениками В.С. Молодцовым, И.Н. Ковалевым, Г.М. Татевосяном, Г.А. Балабаняном, В.В. Теребаевым с позиций системного подхода. Работы по оптимизации КРН, перечисленные выше, и многие другие побудили ввести в восьмидесятые годы прошлого века принципиально новые положения в основу директивных документов по энергоснабжению. Непоказательная величина средневзвешенного коэффициента мощности (КМ) была заменена величинами входной реактивной мощности, а также выполнен переход от нормирования одинаковых уровней относительного потребления РМ в узлах к определению ее оптимальных значений. Основным достижением школы Г.М. Каялова при системном подходе в области КРН является определение закономерностей оптимизационных расчетов. Системный подход к решению задачи КРН, особая роль входной РМ, принцип сокращения схемы с использованием специфических свойств описания ее с помощью алгебры матриц, учет дискретности переменных, возможности упрощения структуры сложной сети, принципы локальной оптимизации и критической мощности КБ, метод групповой фиксации на нулевых значениях переменных, шаговый метод – таковы эти закономерности.

Необходимость системного подхода к решению задачи КРН очевидна: установка компенсирующих устройств (КУ) в любом месте сети сказывается на режимах работы всех ее элементов. Системой называют ту часть компонентов, для которой с точностью, удовлетворяющей требованиям практики и решению поставленной задачи, можно пренебречь ее связями с окружающим миром. При этом отыскивается такая наименьшая часть компонентов, которую можно в соответствии с приведенным выше определением назвать системой [54]. Системный подход означает учет всех факторов, влияющих на решение задачи и нахождение физических границ системы. Выделяется та часть электрической сети, которую можно рассматривать изолированно от остальных частей, получая при этом такие же результаты, как и при совместном рассмотрении всех частей системы. Системный подход предполагает также количественный анализ в целях выработки такой математической модели, которая обеспечивала бы необходимую и достаточную точность решения и простоту методик, позволяющих сократить затраты труда по сбору данных и решению задачи. Однако существенной особенностью системного подхода является многокритериальность оценки качества решения КРН. Используются следующие критерии: топливная составляющая, стоимость расширения сетей и электростанций, зависящие от потерь мощности в максимум нагрузки; мощность компенсирующих устройств; затраты труда на обслуживание и решение самой задачи. Целевая функция задачи КРН имеет векторный вид с обобщающим критерием приведенных затрат. Приведенные затраты являются универсальным критерием только при ограничении денежных средств. При остром дефиците топлива целесообразна полная КРН с помощью плавно регулируемых источников реактивной мощности, при дефиците генерирующих мощностей – полная КРН в часы максимальных нагрузок. В последнее время одним из наиболее существенных критериев являются затраты труда на обслуживание сетей и оптимизацию их режимов. Затраты на получение и обработку информации выдвигаются на первый план. К сожалению, в настоящее время с помощью однозначных количественных показателей не всегда возможно их оценить.

В городских сетях России конденсаторные установки (КУ) не получили распространения по следующим причинам [67].

1. Коммунально-бытовые нагрузки в прошлом имели, как правило, высокий КМ.

2. Потребители электрической энергии в коммунально-бытовом секторе рассредоточены.

3. Сложившаяся система учета и оплаты за электроэнергию не предусматривает контроль потребления РМ.

4. Нет стимулирования мероприятий по ее компенсации.

5. Вопрос об экономической целесообразности внедрения КУ в городские сети остается открытым.

Согласно п. 6.33 Свода правил СП 31-110-20003 «Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий» Госстроя России для потребителей жилых и общественных зданий КРН, как правило, не требуется. Для местных и центральных тепловых пунктов, насосных, котельных и др. потребителей для обслуживания жилых и общественных зданий в микрорайонах (школы, детские сады, предприятия торговли, общественного питания и др. потребители) КРН также не требуется.

Однако обследование нагрузок сетей 6 кВ муниципального предприятия «Майкопские городские электрические сети» показало, что их годовой средневзвешенный коэффициент РМ возрастает ежегодно за счет увеличения потребления РМ. Только по этой причине непроизводительные потери электроэнергии в РС увеличились [61].

В качестве возможных мест установки конденсаторов следует указать на шины 6 – 10 кВ ЦП, РП, шины 0,4 кВ и вводы в здания. Внедрение конденсаторов в городских сетях возможно не только при их проектировании и реконструкции, но и в условиях эксплуатации. Номенклатура выпускаемых конденсаторов в настоящее время такова, что их можно устанавливать на опорах линий городских сетей, не только на вводах зданий многоэтажной застройки, но и на вводах коттеджей, отдельных домов для одной семьи. При этом не требуется дополнительных строительных затрат.

Выработка РМ генераторами на электростанциях практически не требует вложения капиталов. Однако ее передача по сети на большие расстояния экономически не выгодна. От генераторов электрических станций до потребителей приходится передавать электрическую энергию и сопровождающую ее РМ на значительные расстояния. Это связано с рядом негативных последствий, ухудшающих технико-экономические показатели работы сетей вследствие роста потерь мощности и энергии. Если потери мощности от передачи только активной нагрузки при напряжении на 5 % выше номинального принять за единицу, то при передаче этой же активной нагрузки и дополнительно РМ с tgφ = 0,8, напряжением на 5 % ниже номинального, они увеличатся вдвое.

Передача по сети РМ вызывает большие потери, чем передача активной мощности, так как реактивные сопротивления сетей высокого напряжения значительно превышают активные. Стоимость производства РМ с помощью КБ в 10 – 20 раз дешевле, чем ее производство на электростанциях с учетом транспортировки к местам потребления. Часто оказывается невыгодным передавать РМ от мощных генераторов по сети. Поэтому на электростанциях вырабатывают только часть РМ. Основными источниками реактивной мощности (ИРМ) являются КБ, которые можно располагать в любом месте сети. Чем ближе расположены КБ к приёмникам электроэнергии (ПЭ), тем меньше затраты на ее передачу. Однако стоимость низковольтных конденсаторов выше, чем конденсаторов среднего и высшего напряжений. В целях оптимизации решения задачи КРМ приходится использовать системный подход, выполняя технико-экономические расчёты (ТЭР). Расчеты ВНИИЭ для всей отрасли показывают, что 80 % конденсаторов необходимо использовать на напряжении до 1 кВ [42].

Препятствиями на пути системного подхода к использованию ИРМ является наличие большого числа собственников и незавершенность реструктуризации в энергетической отрасли, в то время как сама энергетика в части технологического процесса выработки, передачи и потребления электроэнергии – едина. За последние 20 лет вложение капиталов в энергетику снизилось в 7 раз, и наметилась устойчивая тенденция увеличения непроизводительных потерь электроэнергии, увеличения ее тарифов. Основные факторы увеличения потерь: недостаточная степень компенсации РМ, низкое качество электроэнергии, нерациональное ведение режимов потребления РМ.

Поскольку оснащенность зарубежных энергетических компаний КУ превышает оснащенность ими компаний РФ, массовое применение КУ позволяет им иметь силовые трансформаторы с меньшим диапазоном регулирования, использовать повышенную частоту (США, Япония). При частоте 60 Гц реактивное сопротивление на 20 % больше, чем при частоте 50 Гц, в то же время на 20 % больше РМ от конденсаторных батарей (КБ).

При значительном дефиците источников РМ и, прежде всего, конденсаторов в энергетике РФ особую остроту имеет вопрос оптимального использования имеющихся в распоряжении сетей и потребителей ИРМ, а также многофункционального использования КБ. На первый план выступает проблема рационального использования КУ в автоматическом режиме.

Задача КРН с учётом многорежимности на различных временных интервалах сложна и до настоящего времени не решена. Все существующие методики оптимизации потребления РМ имеют ограничения.

Наряду с традиционными ИРМ (конденсаторы, синхронные двигатели – СД, синхронные компенсаторы, статические ИРМ), появились новые устройства [21]:

- пассивные, активные и гибридные фильтры;

- статические тиристорные компенсаторы – СТК;

- быстродействующие СТК типа СТАТКОМ.