Перейти к сводной странице темы "Координация потоков мощности в развитых электрических сетях"

О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ТЕХНИКИ УПРАВЛЕНИЯ МАРШРУТАМИ ПОТОКОВ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЕТЯХ 110 – 765 кВ НА ОСНОВЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ФАЗОСДВИГАЮЩИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

 

Д.т.н., академик АЭН РФ Л. А. Добрусин, к.т.н. М.В. Ольшванг (ВЭИ, Москва, Россия)

ТЕЗИСЫ ДОКЛАДА*)

Скачать текст файл в формате PDF, размер 98kb (для просмотра необходим Adobe Reader)

В последние 20 лет в единой национальной энергетической сети (ЕНЭС) наблюдается увеличение  числа нарушений бесперебойности электроснабжения и рост потерь в сети. За указанный период потери возросли с 9, 3% до 13, 1% (в рамках регламентированного мониторинга 80-х годов). 

25 мая 2005 г. произошла большая системная авария в южном секторе Москвы и Московской области. По горячим следам средствами массовой информации в июне 2005 г. зафиксированы несколько  локальных аварий в энергосистемах центра России. Здесь следует отметить и известные системные аварии 2003 г. в Северной Америке, Италии и Швеции.

Проведенные специалистами Всероссийского электротехнического института (ВЭИ) совместно с электроэнергетиками  расчеты установившихся режимов ЕНЭС, региональных сетей и эквивалентных схем транспортирования и распределения электроэнергии выявили системные причины этих явлений, к числу которых относятся рост удельного веса транспортных потоков в сетях 110-750 кВ и размыкание контуров в сетях 110 и 220 кВ.

Исследования эффективности сетей сверхвысокого напряжения (СВН) выявили возможности существенного улучшения распределения потоков активной мощности в развитых сетях 110 – 750 кВ.

Повсеместно принятое в современных сетях СВН естественное потокораспределение имеет серьезные недостатки. По мере роста и развития сетей они становятся все более существенными.

В силу физических причин при естественном потокораспределении мощные линии в большинстве случаев недогружаются даже при максимальных нагрузках сети, часть среднемощных линий работает на пределе пропускной способности, а наиболее густая часть сети, состоящая из относительно маломощных линий, используется в разомкнутой конфигурации. Размыкание контуров сети производится вынужденно, во избежание перегрузок транспортными потоками.

В результате был сделан вывод о необходимости  совершенствования техники управления маршрутами потоков активной мощности в сетях 110 – 765 кВ по слоям сети. Для этой цели разработаны специальные фазосдвигающие трансформаторы и, на их основе, новая энергосберегающая технология транспортирования электроэнергии по развитой сети СВН.

Результаты этих исследований состоят в следующем.

Современные развитые сети 110-765 кВ покрывают большие материковые территории, обеспечивая на них две функции: функцию транспортировки электроэнергии от поставщиков к потребителям и функцию ее распределение на обширных территориях по потребителям и их кабельным сетям. Для транспортировки предназначены верхние слои  сетей, образованные мощными линиями класса 400, 500 или 750 кВ (в Северной Америке 765 кВ). Распределение энергии призваны выполнять ниже расположенные слои сети, состоящие из среднемощных и маломощных линий - линий класса  330, 220 и 110 кВ.

Значительные составляющие транспортных потоков из верхних слоев через автотрансформаторы связи попадают в средние и нижние слои и загружают их неадекватно. В зависимости от концепции диспетчерского управления к неадекватным транспортным потокам можно отнести либо полные транспортные потоки средних и нижнего слоев сети, либо их часть порядка 55-80 %, наличие которых в средних и нижнем слоях сети приводит к нарушения условия оптимального потокораспределения по критерию минимума потерь.

 В настоящее время для устранения неадекватных транспортных потоков размыкают контура сетей 110 и 220 кВ, переводя  тем самым эти сети из состояния замкнутых сетей  в состояние групп взаимосвязанных тупиковых линий и выводя из работы участки многоподстанционных линий электропередачи, замыкающие "кольца" на картах-схемах сетей. При этом функция распределения энергии развитой сетью выполняется неэффективно: снижается надежность и качество электроснабжения рассредоточенных потребителей, существенно растут общие потери  в сети.

В России исследования и разработки с целью устранения неадекватных транспортных потоков проводятся с  60-х годов прошлого века. Уже в 70-е годы с этой целью была развернута широкая программа применения систем трехкаскадных автотрансформаторов с продольно-поперечным регулированием. Однако,  на сегодня таким регулированием оснащены всего лишь несколько подстанций в сетях 750 кВ. Более широкое применения систем продольно-поперечного регулирования было остановлено некоторыми принципиальными недостатками систем такого рода.

В последние годы обнадеживающие результаты дало исследование сетей как многослойной структуры длинных линий с автотрансформаторными связями слоев, проведенное методом выделения и отслеживания в сети потоковых напряжений. Потоковые напряжения отдельных линий верхнего слоя сети трансформируются в значительные области сети нижележащего слоя.

Трансформируемые из верхних слоев сети в нижние потоковые напряжения  вызывают неадекватные транспортные потоки.

 Ослабить или полностью уравновесить трансформируемые потоковые напряжения можно путем включения в избранные ветви сети  специальных компенсаторов потоковых напряжений сети.  В роли компенсаторов могут успешно выступать фазосдвигающие трансформаторы (ФСТ). Это заключение подтверждено расчетами сетей без компенсаторов потоковых напряжений и с ними.

Расчеты сетей проведены по трем направлениям: расчеты эквивалентных схем, составленных по среднестатистическим данным о линиях сетей Центра России, полномасштабные расчеты установившихся режимов некоторых объединенных энергосистем и расчеты режимов сетей отдельных регионов. В ходе расчетов установлены рациональные диапазоны изменения фазовых углов ФСТ,  показано влияние конфигурации сети.

Специалистами ВЭИ разработаны специальные фазосдвигающие трансформаторы (СФСТ) для устранения указанных неадекватных транспортных потоков и предложены принципы их ввода в структуру развитых сетей.

На базе СФСТ начата практическая разработка новой технологии транспортировки электроэнергии по трехслойной сети 110-765 кВ, снижающей потери в этой сети на 40-50 % и позволяющей ввести в работу вынужденно отключенные замыкающие "кольца" участки сетей 110 и 220 кВ, а также  построить недостающие участки линий, рационально замыкающие в "кольца" многие из ныне тупиковых линий электропередачи.

На данной стадии разработки необходимо спроектировать и изготовить опытный и головные образцы СФСТ на напряжение 220 кВ с электромагнитной мощностью 60 МВА для сетей 500-220 кВ, спроектировать и построить головную компенсационную подстанцию.

Еще в феврале 1996 г. на Научно-техическом Совете РАО "ЕЭС России" был предложен объект для размещения головной компенсационной подстанции    подстанция 220 кВ Костромской станции. При разработке этого предложения были  учтены требования персонала самой станции по ограничению токов коротких замыканий на шинах 220 кВ.

Компенсационная подстанция Костромской станции перераспределит потоки между слоями сети СВН группы регионов, примыкающих к узлу Костромской ГРЭС – Костромской, Ярославской, Ивановской, Владимирской и Нижегородской областей.

 Несмотря на положительное решение Совета 1996 г. практических подвижек в реализации головной компенсационной подстанции не произошло. Причиной является то, что в сетях 110 кВ указанных регионов широко применяется диспетчерское размыкание контуров. Таким путем устраняются транспортные потоки критической величины, можно обойтись без перераспределения транспортных потоков.

Однако потери в сети, создаваемые неадекватными транспортными потоками при размыкании отдельных контуров могут не только не снижаться, но даже увеличиваться. К такому  выводу подводят результаты расчета типового участка сети. Действительно, в рекомендации по размыканию контуров  исходят из неизменного распределения нагрузок по подстанциям ЛЭП, при котором есть участок,  размыкание которого почти не влияет на токи нагрузок в остальных участках ЛЭП.

При внимательном рассмотрении проблемы размыкания на примере электропередачи с несколькими транзитными подстанциями становятся ясными  негативные следствия размыкания, а именно:

        величины нагрузок существенно меняются в течение суток, семидневной недели, от сезона к сезону и при этом слабо коррелированно между собой;

        диспетчеры размыкают менее надежные (в смысле интервала времени от последнего ремонтного  обслуживания линий и др.) участки, а не рассчитанные по указанной методике;

        суточный, недельный, т. п. график каждой из нагрузок переменный, и  моменты максимумов и минимумов нагрузок потребителей смещены во времени;

        при большой транспортной составляющей потока в "замкнутой" ЛЭП участка с близким к нулю током может и не быть; в этом случае линию надо не разомкнуть, а просто  снизить транспортную составляющую до адекватной величины;

        так называемое размыкание означает вывод из эксплуатации участка ЛЭП;

        при авариях на тупиковых линиях возможен ввод в работу резервной линии с противоположной стороны, но он занимает заметное время, поэтому при размыкании в десятки и сотни раз возрастает вероятность нарушения производства, работающего в автоматическом режиме  у потребителей на транзитных подстанциях;

        при наложении аварий на период ремонтных работ возникают длительные перебои в электроснабжении потребителей, подключенных к тупиковой линии.

Часто ЛЭП, идущие навстречу с противоположных концов, проектировщики и строители вообще не замыкают, имея введу проблему размыкания контуров. Тогда и резервного ввода не может быть.

  Из изложенного следует, что при реальном размыкании величины нагрузок на транзитных подстанциях далеки от расчетного случая. Но если до размыкания к каждой из них энергия поступала с двух сторон, то теперь – только с одной. Потоки мощности к каждой из нагрузок слабо коррелированны относительно друг друга. Поэтому размыкание ведет к значительному росту фактических потерь.

Из изложенного также вытекают показатели ухудшения электроснабжения потребителей при размыкании, представленные в таблице 1.

Таблица 1

Показатели ухудшения электроснабжения потребителей при размыкании линии электропередачи с несколькими транзитными подстанциями

 

Характеристика особенностей сети в месте размыкания контура

Показатель ухудшения качества напряжения у более пострадавшего потребителя

Показатель увеличения потерь в связях с  сетью у более пострадавшего потребителя

Кратность увеличения вероятности нарушения производства

с автоматическими системами управления

1. Сосредоточение нагрузки с преобладающей реактивной или полной мощностью с одной стороны  от точки размыкания и при этом симметричной сети относительно места размыкания

2

или

 более при не симметрии основной сети

более двух, так как примыкающий к точке размыкания участок линии выпадает из работы

10  100

2. Сосредоточение нагрузки с преобладающей реактивной мощностью по одну сторону точки размыкания, а нагрузки с преобладающей активной мощностью – по другую.

4

или

более при не симметрии основной сети

Больше единицы

10  100

3. Слабость основной сети со стороны расчетной точки размыкания

2  4

   3 и более

10  100

 

Уместно говорить о "ползучем" разрушении нижних слоев сети вследствие постепенного нарастании год от года числа разомкнутых ЛЭП. Этот процесс на практике происходит  следующим образом.

После ввода в эксплуатацию каждая ЛЭП отключается многократно, исходя из диспетчерских, ремонтных и других соображений. Плановый ремонт относительно скоротечен, и через несколько дней ЛЭП можно вводить в  рабочий режим. Но вариант работы "с разомкнутым контуром", то есть  без данного или смежного участка ЛЭП, более "удобен" для служб, ответственных за размыкание. Поэтому он сохраняется даже  в режимах, когда  тепловых перегрузок проводов "замкнутой" ЛЭП уже не возникает.

В настоящее время две трети населения России проживает в небольших городах и поселках городского типа. Их электроснабжение обеспечивается от многоподстанционных ЛЭП 110 и реже 220 кВ.  Размыкание этих ЛЭП ведет к существенному ухудшению показателей бесперебойности и качества электроэнергии для этих потребителей и росту потерь в сети. К тому же,  как показано в  таблице 1, размыкание ведет к резкому увеличению вероятности кратковременной потери питания, и вызванному этим негативному воздействию на работу предприятий и на комфортность жизни населения. 

 Таким образом, борьба с размыкание контуров в сетях 110 и 220 кВ следует рассматривать как одну из стратегических задач отечественной электротехники  сетей сверхвысокого напряжения (СВН). А менеджеры электроэнергетики должны создать благоприятные условия  для решения этой задачи: мониторинг размыканий, полноценные базы расчетных данных, отработанные программы расчета установившихся режимов и их оптимизации, и, наконец, реализацию в сети головных проектов оборудования, создающего условия для предотвращения вынужденного  размыкания.

Необходима комплексная работа исследователей, проектировщиков и эксплуатации по оценке степени повышения бесперебойности электроснабжения и снижению потерь в сетях указанной группы регионов в случае применения новой технологии. Централизованное руководство изысканиями  должно взять на себя РАО  "ЕЭС России".

В заключении следует отметить, что достигаемое при новой технологии существенное энергосбережение при передаче электроэнергии на значительные расстояния и становится все более актуальным в связи с Киотским Протоколом, и что обеспечиваемое при широком применении технологии полноценное использование техногенной среды, формируемой отчужденными трассами линий 110-765 кВ, является одной из важных экологических задач общества в XXI веке.



*) Доклад на Всероссийском электротехническом конгрессе РАН и РАЭН "ВЭЛК 2005". Тезисы доклада опубликованы  в материалах конгресса.

Перейти к сводной странице темы "Координация потоков мощности в развитых электрических сетях"