Основы проектирования энергосистем. В 2 ч. Ч. 1

Основные условные обозначения

W – электроэнергия

P – активная мощность Q – реактивная мощность S – полная мощность

W – потери электроэнергии I – ток

Uном – номинальное напряжение L, l – длина

U – потеря напряжения F – сечение

– время потерь

R – активное сопротивление X – реактивное сопротивление К – капитальные затраты

И – ежегодные издержки (годовые эксплуатационные расходы) З – приведенные затраты

Ен – нормативный коэффициент эффективности капитальных затрат

Е – норма дисконта

T, t – расчетный срок, время Tок – срок окупаемости

У, у – ущерб от перерывов в электроснабжении ЧДД – чистый дисконтированный доход В – расход топлива на электростанциях Е – ЭДС

Рх – потери мощности холостого хода

Рк – потери мощности короткого замыкания

S – нагрузка (полная мощность) трансформатора Sном – номинальная мощность трансформатора

Р* – суммарные потери активной мощности в относительных

единицах

k – коэффициент оптимальной загрузки

kф – коэффициент формы графика нагрузки Ст – стоимость трансформации энергии

р– суммарный коэффициент отчислений от стоимости

–стоимость 1 кВт-ч потерь электроэнергии

–удельное сопротивление материала провода

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проектирование, сооружение объектов и эксплуатация энергетических систем связаны с большими материальными затратами. Поэтому важно, чтобы эти затраты были использованы с наибольшей эффективностью и обеспечивали необходимую надежность электроснабжения потребителей. При этом следует учесть, что правильность решений по развитию энергосистем, принимаемых в какой-то момент, подтверждается через достаточно длительное время, когда возможные ошибки исправить невозможно или очень трудно.

Дополнительные трудности при принятии решений по развитию энергосистемы связаны с тем, что, как правило, присутствует неопределенность (недостаточная достоверность) исходной информации. Кроме того, в качестве показателя эффективности решений обычно выступает не один, а несколько критериев, т.е. приходится решать многокритериальную (многоцелевую) задачу.

Проблема проектирования энергосистем многогранна. Поэтому, естественно, данное учебное пособие не претендует на охват всех вопросов, встречающихся при проектировании энергосистем. В нем развиваются и углубляются отдельные направления рационализации проектирования, основы которых студенты вузов ранее изучают в таких основополагающих дисциплинах электроэнергетического образования, как «Электрические системы и сети», «Электрическая часть электростанций и подстанций», «Устойчивость электри-ческих систем», «Экономика энергетики». Особое внимание в пособии направлено на то, чтобы привить студентам навыки практической работы с методами принятия решений в условиях неопределенности и многокритериальности и со специальными математическими методами нахождения оптимальных решений. С этой целью наряду с теоретическим материалом в пособие включены решения многочисленных задач, а также варианты выполнения курсового проекта. В каждой главе приводятся вопросы для самопроверки. Авторы надеются, что такое построение учебного пособия будет способствовать приобретению знаний, умений и навыков в соответствии с образовательными стандартами, в результате чего будет формироваться

4

компетентность выпускника, как выраженная способность применять свои знания и умения.

При подготовке пособия авторы использовали свой многолетний опыт преподавания электроэнергетических дисциплин на кафедре «Электрические системы» Белорусского национального технического университета (г. Минск), а также свои ранее опубликованные работы. Естественно, были использованы работы других авторов, а также результаты, почерпнутые в диссертациях аспирантов, магистрантов и дипломных проектах студентов, выполненных под руководством авторов.

Список литературы, приведенный в книге, конечно, не претендует на полноту по данной тематике. В него включены лишь источники, на которые в тексте сделаны ссылки и по которым более углубленно можно изучить тот или иной вопрос.

Книга может быть использована в качестве основного учебного пособия студентами, избравшими в качестве специальности электроэнергетические системы и сети, а как дополнительное – студентами смежных специальностей инженерного, экономического и педагогического профилей. Авторы надеются, что она будет полезна аспирантам, магистрантам, инженерам, занимающимся исследованием, проектированием, эксплуатацией энергосистем, а также работникам в сфере управления, которым приходится принимать решения о перспективном развитии энергосистем. Кроме того, книга может быть использована в учреждениях, занимающихся повышением квалификации и переподготовкой инженеров, экономистов и управленцев энергетического профиля.

Материал книги между авторами распределен следующим образом: В.Т. Федин написал предисловие, главу 1, параграфы 2.1– 2.7, главы 4, 5, параграфы 6.2, 7.1; М.И. Фурсанов – параграфы 2.8– 2.17, главу 3, главу 6 (кроме п. 6.2), п. 7.2; параграф 2.8 написан совместно.

Авторы благодарят сотрудников кафедры «Электрические системы» Белорусского национального технического университета Ковенскую Е.Л., Заборскую Е.А., Киселеву О.Б., Редлин Ю.Н. за помощь, оказанную при подготовке рукописи к изданию.

Все отзывы и рекомендации просьба направлять по адресу 220013, г. Минск, проспект Независимости, 65, корп. 2.

5

Авторы

Глава 1. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1. Организация и технология проектирования энергосистем

Общая задача проектирования энергосистем заключается в разработке и технико-экономическом обосновании решений по развитию электрических станций, электрических и тепловых сетей, средств их эксплуатации и управления. Предлагаемые решения должны обес-печивать оптимальную степень надежности снабжения энергией по-требителей и требуемое качество энергии.

Основой при проектировании развития энергосистем служит Энергетическая программа, разрабатываемая на 10–15 лет [37] и учитывающая требования энергетической безопасности страны [35]. В энер-гетической программе на основании выявления уровней электро- и теплопотребления намечаются оптимальные пути развития топливно-энергетического баланса, разрабатываются стратегия использования различных видов топлива и производства электроэнергии, структура и основные принципы построения системообразующей электрической сети, вопросы управления и эксплуатации энергосистемы.

Решение отдельных, относительно автономных задач подчиняется общей задаче проектирования энергосистем. Эти отдельные задачи разделяются по ряду признаков, в которых выделяются различные иерархические уровни [2].

По технологическому признаку выделяются следующие уровни:

–нахождение рациональной структуры генерирующих мощностей;

–определение рационального пути развития электростанций;

–обоснование варианта развития системообразующих и распределительных электрических сетей.

По территориальному признаку задачи обычно разделяют на уровни:

6

–Единой электроэнергетической системы (ЕЭС) (страны, межгосударственного объединения);

–объединенной электроэнергетической системы (ОЭС);

–районной электроэнергетической системы;

–отдельного узла электрической сети.

По отраслевому признаку:

–уровень задач в рамках топливно-энергетического комплекса;

–уровень задач, связанных с развитием энергосистемы как отрасли. По стадийно-временному признаку выделяются следующие

иерархические уровни:

–разработка обобщенных (глобальных) решений по развитию электростанций и сетей;

–обоснование конкретных решений, связанных с сооружением, реконструкцией и развитием отдельных объектов энергосистемы.

Проектированию какого-либо объекта предшествует разработка технических условий на проектирование, которая выполняется по запросу заказчика проекта энергоснабжающей организации. В зависимости от назначения объекта проектирования в качестве заказчика на проектирование могут выступать энергетический концерн, РУП «Энерго», промышленные и иные предприятия, управление капитального строительства городской исполнительной власти и др. Содержание технических условий зависит от вида и назначения объекта проектирования. Так, в технических условиях на внешнее электроснабжение какого-либо объекта указываются источники основного и резервного электроснабжения, величина среднего напряжения, необходимость реконструкции источника, конструктивное исполнение питающих линий (воздушные или кабельные), расчетная величина тока короткого замыкания на шинах источника. Могут быть сфор-мулированы конкретные требования по схемам подстанций, трассам линий, видам оборудования (например, требование о необходимости применения вакуумных выключателей)

ит.п. Указываются требования к надежности электроснабжения, средствам грозозащиты, автоматики, телемеханики и связи, компенсации реактивной мощности и др. Намечаются организации, с которыми должен быть согласован проект. Технические условия выдаются с конкретным сроком их действия (например, три года). Если за это время проект не выполнен, то должны быть разработаны

7

новые технические условия, т.к. в прошедший период могли произойти изменения, не позволяющие рационально реализовать выработанные ранее требования.

Выбор проектной организации осуществляется преимущественно на конкурсной основе, в том числе через подрядные торги (тендеры) [48]. Право на проектирование данного вида объектов имеют организации, в установленном порядке получившие лицензию. Перед началом проектирования заказчик заключает с проектной организацией договор, регулирующий правовые и финансовые отношения, взаимные обязательства и ответственность сторон. Договор включает задание на проектирование, которое не должно противо-речить техническим условиям. В договоре конкретизируются работы, которые должны быть выполнены при проектировании, указываются стадийность проектирования, требования по вариантной и конкурсной разработке, по схемам сетей и подстанций, видам оборудования; формулируются требования к режиму работы проектируемого объекта, архитектурно-строительным, объемно-планировоч-ным и конструктивным решениям, разработке природоохранных мер, режиму безопасности и гигиене труда, сметной документации и др.

Проектирование осуществляется в соответствии с действующими нормативно-техническими документами. К ним относятся действующие строительные нормы (СН) и строительные нормы и правила (СНиП), разработанные в СССР; на территории Республики Беларусь – строительные нормы Беларуси (СНБ); документы, утвержденные министерствами и ведомствами, в частности, «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ), «Нормы технологического проектирования воздушных линий электропередачи напряжением 35 кВ и выше», «Нормы технологического проектирования подстанций с высшим напряжением 35–750 кВ»; стандарты СНГ (ГОСТ) на электрооборудование (генераторы, трансформаторы, электродвигатели, коммутационные аппараты, провода, кабели, конденсаторы, реакторы и др.); руководящие указания, например, «Руководящие указания и нормативы по проектированию развития энергосистем», «Указания по ограничению токов короткого замыкания в сетях напряжением 110 кВ и выше»; методические указания, например, «Методические указания по определению

8

устойчивости энергосистем», «Методические указания для определения категорийности по надежности электроснабжения потребителей»; инструкции, например, «Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6–35 кВ»; пособия, например, «Пособие по проектированию городских и поселковых электрических сетей»; руководства, например, «Руководство по проек-тированию воздушных линий электропередачи»; рекомендации, на-пример, «Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов»; нормы и расценки, сборники цен.

Среди перечисленных документов имеются такие, положения которых подлежат неукоснительному выполнению (СНиП, СНБ, ГОСТ, ПУЭ). В других документах отражены направляющие положения, при этом во многих случаях проектировщику предоставляется определенная свобода при выборе решений. Так, например, в нормах технологического проектирования обязательность выполнения требований характеризуется словами «должен», «следует», «необходимо», а слова «как правило» означают, что это требование является преобладающим и отступление от него должно быть обосновано. Для возможности применения решения в виде исключения (как вынужденного) используется слово «допускается», а слово «рекомендуется» означает, что данное решение является одним из лучших, но не обязательным.

Действующие нормативно-технические документы предписывают проектировщику применять стандартные оборудование, материалы, унифицированные и типовые конструкции. Использование нестандартных материалов, оборудования, конструкций, технических решений, полученных в результате научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, должно быть обосновано и согласовано с соответствующими организациями. Применение новых материалов, оборудования, конструкций производится на основании испытаний и опытнопромышленной проверки.

Технология собственно проектирования обычно характеризуется следующими этапами:

1)формирование вариантов решений;

2)технологический анализ вариантов;

3)экономическая оценка и сравнение вариантов;

9

4)составление сводных показателей;

5)учет неопределенности исходной информации и на его основе выработка условно-оптимального плана.

Непосредственный разработчик проекта (группа разработчиков) выполняет работу по схеме, приведенной на рис. 1.1. Она укрупненно состоит из обработки исходной информации, разработки и согласования предлагаемых решений.

Разработанная и согласованная проектная документация передается заказчику и включается в состав тендерной документации. На основании проведения подрядных торгов (тендеров) выбирается организация для реализации проекта.

10