Методическое пособие 816

в зависимости от нагрузки потребителей, а также оптимизировать режимы функционирования ЭЭС по заданным критериям.

Структура объектов потребления электроэнергии

Потребители электроэнергии являются самым точным звеном ЭЭС с точки зрения вопросов управления и оптимизации. Это выражается постоянным изменением как их структуры, так и степени загрузки в зависимости от многих факторов: экономических, климатических, сезонных. Тем не менее, для адекватного функционирования и соблюдения баланса произведённой и потреблённой энергии необходим оперативный анализ складывающейся нагрузки потребителей и выработка соответствующих команд элементам генерации и транспорта. В этом и состоит основная задача СО.

Следует заметить, что потребители электроэнергии различаются по номинальной мощности, степени вырабатываемой реактивной мощности ( cosϕ ), периодичности работы, степени

распределенности.

Как свидетельствует опыт зарубежных стран [4], а также отчётная документация ОАО «Россети», в последние десятилетия наблюдается тенденция к росту потребления у группы население, что связано с увеличением числа бытовых электрических приборов. В тоже самое время, величина потребления промышленных предприятий напрямую зависит от микро- и макроэкономической конъюнктуры рынка выпускаемой продукции, а потому изменяется как в сторону возрастания, так и в сторону снижения. Данные особенности различных групп потребителей в значительной мере усложняют работу СО в части оптимизации по критериям обеспечения качества предоставляемой электрической энергии, снижения уровня потерь.

Важное место в структуре потребления занимает величина потерь электрической энергии, безвозвратно расходующиеся и не выполняющие при этом никакой полезной работы. Необходимо понимать, что в ЭЭС данная составляющая является объективно неустранимой на современном этапе развития техники. По этой причине ведутся работы по снижению уровня потерь – приведению

12

их к некоторым нормативным экономически обоснованным значениям.

Укрупнённо обобщая в группы потребителей по статическим характеристикам нагрузки, можно дать следующую ориентировочную структуру[5] – табл.1.1.

Таблица 1.1. Структура потребителей электроэнергии по статическим

характеристикам

Для достижения задачи по снижению уровня потерь в ЭЭС необходим комплексный учёт особенностей всех групп потребителей электроэнергии с целью ведения такого диспетчерского управления, которое позволяет получить оптимальный режим функционирования всех элементов системы.

Структура региональных сетей зависит в наиболее общем случае от двух факторов. Первое - от распределения полезных ископаемых и производств – с одной стороны, и от наличия источников для работы генерации – с другой. И второе, от климатогеографического и политического положения района. Первая составляющая определяет промышленную составляющую потребления / выработки электроэнергии, а вторая – фактор населения.

Так, например, Воронежская область является крупным промышленно-сельскохозяйственным экономическим районом Центрально-Черноземного региона РФ. По данным 2013 г. в общем потреблении электроэнергии (мощности) по областям доля потребления промышленностью и транспортом составляет 35 %, производственными с/х предприятиями – 5%, населением – 38 %, прочими отраслями – 22 % .

13

Основной объём промышленности сосредоточен в Воронежском энергоузле (включая город Воронеж), имеющем нагрузку с высокой долей асинхронных двигателей (до 72 %).

С точки зрения управления описанной выше региональной системы, структура диспетчерского управления этой системой электроснабжения данного энергоузла, согласно [6], входит в трёхуровневую систему СО ЕЭС России, общий вид которой представлен на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структура СО ЕЭС России

В формализованной выше ЭЭС непосредственную ответственность за принятие управляющих решений несёт Воронежское РДУ, принадлежащее к ОДУ Центра. Для данного диспетчерского уровня организованы две категории управления оборудованием и сооружениями - оперативное управление и оперативное ведение. В оперативном управлении диспетчера находится оборудование, устройства, средства диспетчерского и технологического управления, операции с которыми требуют

14

координации действий подчиненного оперативного персонала и согласованных изменений режимов на нескольких объектах. В оперативном ведении диспетчера находятся оборудование, устройства, средства диспетчерского и технологического управления, операции с которыми не требуют координации действий персонала разных энергетических объектов, но состояние и режим которых влияют на режим и надежность электрических сетей, а также на настройку устройств противоаварийной автоматики [7].

Оптимальное управление режимами работы всех элементов ЭЭС достигается оперативным управлением, которое осуществляется по двум основным направлениям: разработка диспетчерского графика и его оперативное выполнение [8]. При этом все большее значение приобретают автоматизированные системы управления.

Каждое предприятие-потребитель должно иметь систему оперативного управления объектами ЭЭС, принадлежащие ему, в задачи которого входят [9]:

-ведение требуемого режима работы, в том числе задаваемого энергосистемой;

-производство переключений в электроустановках;

-ликвидация аварийных нарушений и восстановление требуемого режима электропотребления;

-подготовка к производству ремонтных работ в электроустановках.

Организационная и аппаратная структура подобных объектов определяется руководством предприятия в соответствии с требованиями нормативных актов и их формализацией, исходящей от СО ЕЭС.

Основными задачами оперативно-диспетчерского управления при ликвидации аварийных ситуаций являются:

– предотвращение развития нарушений, исключение поражения персонала электрическим током и повреждения оборудования, не затронутого аварией;

– восстановление электроснабжения потребителей и нормальных параметров электроэнергии;

– создание наиболее надежной послеаварийной схемы ЭЭС и её частей.

В настоящее время во многих зарубежных ЭЭС и в ЕЭС России наблюдается переход к свободному рынку электроэнергии и

15

мощности, на котором основными стимулами функционирования являются экономические аспекты эффективности. В связи с этим, а также с учётом специфики электроэнергии и мощности как товаров, появляются задачи оперативно-диспетчерского управления, решение которых требуется в режиме реального времени для соблюдения принципов конкурентного взаимодействия всех участников рынка и поддержания качества оказываемых услуг.

Достижения этого результата должно производится путём последовательной модернизации существующих ЭЭС. Роль оперативного персонала в новой структуре имеет решающее значение для эффективности вносимых изменений, поскольку он должен все время исполнять свои функции в условиях постоянно меняющейся ситуации, изменяющихся структур и переоценки основных ценностей. Степень участия СО в функционировании и формировании оперативного оптового рынка электроэнергии в значительной степени зависит от его структуры. Эффективное решение задач надежности, учитывая затраты на это мероприятие, усиливает роль оператора, хотя рыночные методы, используемые для этой цели, различны. Очевидно, что должны совершенствоваться методы и средства управления энергосистемой в рыночных условиях, с учетом конфиденциальности коммерческой информации.

Ведение режима энергосистемы обеспечивается с помощью средств автоматического и оперативного управления. Подготовка режима связана с большим этапом предварительных расчетов, выполняемых за различные интервалы времени. В связи с этим оперативно-диспетчерское управление ЭЭС разделяется на четыре временных уровня: долгосрочное планирование, краткосрочное планирование, оперативное и автоматическое управление [10].

Подытоживая выше сказанное, можно сформулировать основные задачи управления региональными электрическими сетями

врыночных условиях [2]:

-обеспечение технологической инфраструктурной функции электрической сети на условиях равных возможностей ее использования всеми участниками рынка электроэнергии;

-обеспечение стабильной и безопасной работы оборудования электрических сетей, надежного электроснабжения потребителей и качества электроэнергии, соответствующих требованиям, установленным нормативными актами, и принятие мер для

16

обеспечения исполнения обязательств субъектов электроэнергетики по договорам, заключенным на рынке электроэнергии;

-обеспечение договорных условий поставок электроэнергии участникам(и) рынка электроэнергии;

-обеспечение недискриминационного доступа субъектов рынка электроэнергии к электрической сети при соблюдении ими Правил рынка, технологических правил и процедур при наличии технической возможности такого присоединения;

-минимизация сетевых технических ограничений в экономически обоснованных пределах;

-снижение затрат на передачу и распределение электроэнергии за счет внедрения передовых технологий эксплуатационного обслуживания и ремонта электросетевого оборудования, новой техники и энергосберегающих мероприятий.

1.3. Общие характеристики узлов нагрузки

Выше были рассмотрены распределительные (региональные) сети электроснабжения, как составная часть ЭЭС. В свою очередь, было отмечено, что конечный объект энергопотребления, как правило, является распределенной, трудно формализуемой нагрузкой. Поэтому в самих распределительных сетях электроснабжения, целесообразно выделять отдельным уровнем этой структуры – узлы нагрузки [16-23].

Каждый узел нагрузки эквивалентен некой группе реальных электроприемников. Он включает в себя питающие и распределительные линии электропередачи, трансформаторы, компенсирующие устройства и непосредственно электроустановки потребителей электроэнергии. При анализе устойчивости потребителей можно исследовать поведение, как отдельных электроприёмников, так и узлов нагрузки, под которыми понимают группы потребителей, присоединенных к шинам подстанций, линии электропередачи и т.д.

В состав узлов нагрузки, кроме асинхронных и синхронных двигателей, статической нагрузки могут входить синхронные компенсаторы и даже небольшие электростанции. Под статической нагрузкой обычно понимают электроприёмники, в которых отсутствует вращающееся магнитное поле: электрическое освещение, выпрямители, электропечи, коммунально-бытовые

17

приборы и другие технологические установки. Состав потребителей в узле нагрузки может изменяться в широком диапазоне и в основном зависит от района электроснабжения.

В таблице 1.2 приведен наиболее типовой состав нагрузки промышленного предприятия.

Таблица 1.2. Типовой состав нагрузки промышленного предприятия

Одно из важнейших характеристик узлов нагрузки является устойчивость узлов нагрузки. Оно является весьма важным с точки зрения следующих позиций:

1.Обеспечение бесперебойной работы предприятий при кратковременных нарушениях в системах электроснабжения. Так, например, короткое замыкание в питающих или распределительных сетях могут вызвать нарушение устойчивой работы двигательной нагрузки, что приведёт к нарушению технологических процессов, браку и массовому недоотпуску продукции.

2.Переходные процессы, а также большие и малые возмущения со стороны узлов нагрузки существенно влияют на устойчивость генераторов электростанций и на устойчивость электроэнергетической системы в целом.

Можно выделить три наиболее характерных воздействия нагрузки на энергосистему:

- Внезапные большие набросы и сбросы нагрузки, которые связаны с включением и отключением крупных потребителей электроэнергии. Если такие отключения происходят в избыточных энергорайонах, а включения в дефицитных, то это приводит к набросу мощности на внешние связи. При неблагоприятных

18

обстоятельствах такие воздействия могут вызвать нарушение устойчивости электроэнергетической системы и привести к тяжелой системной аварии.

-Значительное увеличение потребления реактивной мощности после нарушения устойчивости двигателей. Это может вызвать настолько глубокие снижения напряжения, что возникает лавинообразный процесс нарушения устойчивости двигателей всего узла нагрузки.

-Самозапуск группы мощных асинхронных двигателей. Исследование устойчивости узлов нагрузки представляет

собой довольно непростую задачу, так как описание потребителей для создания модели расчета устойчивости осуществляется на основании конкретных данных о составе узла нагрузки и параметрах распределительной сети, а также исходной информации, полученной в результате статического анализа.

Нагрузка – это потребители электрической энергии, преобразующие её в другие виды (механическую, световую, тепловую и т.д.). Представление нагрузки в расчётах установившихся и переходных режимов возможно различными способами. Правильность математического описания узла нагрузки может оказать существенное влияние на результаты расчётов устойчивости. При решении вопроса о том, насколько подробно должна учитываться нагрузка при выполнении расчётов, нужно, с одной стороны, учитывать, как обеспечить достаточную точность конечного результата, а с другой стороны – стремиться к сокращению затрат времени и объема исходной информации.

В распределительных сетях источниками питания являются шины низкого напряжения районных подстанций. Как правило, предполагается, что напряжение источника питания известно. При задании нагрузки в виде постоянного по модулю и фазе тока установившийся режим описывается системой алгебраических уравнений. Особенность этих уравнений в том, что, как правило, отсутствуют ЭДС в ветвях, а в нагрузочных узлах заданы источники тока.

Иногда нагрузка задаётся постоянной по величине мощностью.

Этот метод используется при расчётах установившихся режимов питающих и иногда распределительных сетей высокого напряжения.

19

В питающих сетях полная электрическая мощность S задаётся при неизвестном напряжении в узле. Это значит, что в узле задан нелинейный источник тока, мощность которого зависит от напряжения узла.

Следовательно, при задании нагрузки постоянной по величине мощностью уравнения установившегося режима питающей сети нелинейны. Этот способ задания нагрузки является достаточно точным для электроэнергетических систем, полностью обеспеченных устройствами регулирования напряжения. В этих системах на шинах нагрузки поддерживается постоянное напряжение вследствие широкого использования трансформаторов и автотрансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой, а также путём оснащения нерегулируемых трансформаторов на существующих подстанциях линейными регулировочными трансформаторами. Кроме того, широко используются средства местного регулирования напряжения (управляемые шунтирующие реакторы, управляемые батареи конденсаторов и т.д.). В этих условиях при изменениях режима напряжение на нагрузке практически не меняется, и полная мощность нагрузки остаётся постоянной.

Нагрузка может и представляется постоянной проводимостью (сопротивлением).

При расчете режимов, для которых характерны значимые изменения напряжения на выводах нагрузок сети, нагрузку комфортно представить параллельно либо поочередно соединенными постоянными активными и реактивными сопротивлениями, либо надлежащими им проводимостями.

Такой способ задания нагрузки эквивалентен заданию статических характеристик нагрузки в виде квадратичных зависимостей от напряжения.

Следовательно, уравнения установившегося режима электрической сети при таком задании нагрузки будут нелинейными. Этот способ представления нагрузки используется, как правило, при расчетах переходных процессов в ЭЭС.

Наиболее точно представление нагрузки при помощи статических характеристик нагрузки (СХН).

Мощность, потребляемая нагрузкой, в общем случае зависит от напряжения U и частоты f в электроэнергетической системе. Поэтому нагрузка может быть представлена статическими характеристиками нагрузки, а именно зависимостями S,P,Q от U и f:

20