Энергетика

Обеспечение надежности и качества электроснабжения

Практика обеспечения надежности  и качества электроснабжения  в существующих  сегодня условиях работы электроэнергетического комплекса  позволяет сделать вывод о необходимости модернизации и технического  перевооружения систем электроснабжения высокотехнологичных  потребителей, реализующих инновационный путь развития.

Освещавшиеся в СМИ нарушения  электроснабжения в мегаполисах (май 2005 г. в Москве и август 2010 г. в Санкт-Петербурге) говорят о том, что система электроснабжения не удовлетворяет следующим возросшим  потребностям инновационного потребителя:
• по количеству электроэнергии из-за ограниченной пропускной способности электрических сетей;
• по качеству электроэнергии из-за значительного количества длительных провалов питающего напряжения  при коротких замыканиях, а также продолжительных и множественных технологических отключений с возможным нарушением условий безопасности.

Выходом из подобной ситуации является включение в программу инноваций  создания собственного источника (СИ) электроэнергии, например, ГТУ—ТЭЦ или мини-ТЭЦ на базе котельной. СИ целесообразно оснастить изощренной системой противоаварийного автоматического управления  и соответствующей системой релейной защиты и автоматики. Весь комплекс автоматической системы технологического управления (АСТУ) охватывает ведение рабочих режимов  и противоаварийное управление  при различных сценариях развития  аварий. Попытка сэкономить на АСТУ приведет к неустойчивой работе СИ и потере качества и надежности электроснабжения. Современный  автомобиль всегда оснащают совершенной тормозной системой, а вот владельцы СИ не всегда уделяют внимание адекватной АСТУ.

Рассмотрим вариант СИ, заключающийся  в создании централизованной АСТУ и интеграции в единый технологический комплекс электрических  и информационных сетей района мегаполиса.

Подобная интеграция пока не распространена, однако вполне закономерна, так как на современном этапе развития цивилизации все больше расширяются высокотехнологичные методы развития науки, техники  и технологий. Создаются зоны концентрации высокотехнологичных потребителей электроэнергии и информационных услуг. Такими зонами являются университетские городки, районы свободных экономических зон, технопарки, бизнес-инкубаторы, районы мегаполисов, коттеджные поселки, территории инновационных предприятий, спортивно-зрелищных комплексов и т.д. Для России в качестве  примера можно привести г. Сочи, п. Сколково (Московская обл.) и др.

Высокотехнологичные потребители  предъявляют повышенные требования к надежности функционирования  системы электроснабжения,  а также нуждаются в удовлетворении все возрастающих потребностей в доступе к информационным ресурсам и средствам связи. Это объясняется объективным  процессом усложнения научной  и производственно-технической инфраструктуры, систем жизнеобеспечения, безопасности, связи, мониторинга, контроля, защиты и управления с ужесточением требований безопасности при нарушениях электроснабжения.

Повышение эффективности  предприятий, обеспечение  надежного и бесперебойного  снабжения потребителей — основная цель текущих реформ российской  электроэнергетики. Распределительные сети являются завершающим звеном в системе обеспечения  электрической энергией. Соответственно, на этом сегменте системы электроснабжения  возросли риски экономической ответственности  за качество работы с конкретным потребителем. При сегодняшнем состоянии энергетики требуются существенные изменения в технологической деятельности.

Предлагаемый проект включает в себя разработку АСТУ для интегрированной  электроинформационной сети района мегаполиса и состоит из двух взаимосвязанных частей, направленных на обеспечение энергоэффективности и надежности электроснабжения.


ПЕРВАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА

В первой части рассмотрены проблемы строительства СИ. Термин СИ имеет технический и юридический аспекты. Включение СИ предусматривается  в уже существующую систему электроснабжения (СЭС), и поэтому возникают следующие задачи:
• обеспечение радикального снижения  времени отключения коротких  замыканий (КЗ) по условиям динамической устойчивости агрегатов СИ;
• обеспечение селективности отключения  КЗ в элементах СЭС, перешедших в режим работы с двухсторонним питанием;
• обеспечение селективности, чувствительности  и резервирования в системах релейной защиты и автоматики (РЗиА) в различных режимах работы СЭС (параллельная  работа СИ, изолированная работа СИ и питание от энергосистемы);
• реализация принципов противоаварийного управления мощностью СИ, в том числе отключение генераторов, импульсная разгрузка турбин и т.д.;
• внедрение принципов противоаварийного ограничения мощности  нагрузки при выделении СИ на изолированную работу со сбалансированной нагрузкой.

Исследования и разработки методов моделирования и нахождения границ зон устойчивости выделения СИ на изолированную работу показали, что в зависимости от данных предаварийного режима по сочетанию значений активной мощности нагрузки Рнагр и мощности СИ, отпускаемой  в СЭС, возможны семь различных сценариев развития переходных процессов (рис. 1).

В общем виде проработаны способы обеспечения устойчивости электроснабжения  потребителей при различных сценариях  цепочечного развития аварийных ситуаций во всех семи зонах исходного  режима. Устойчивость обеспечивается при скоординированном  взаимодействии  систем регулирования  активной и реактивной мощности СИ, распределенной системы автоматической частотной разгрузки с категориями (АЧР-I, АЧР-II и АЧР-III), а также централизованной системы аварийного ограничения  нагрузки (САОН) с временем действия 0,1—0,2 сек. Принципиальной особенностью  действия очередей АЧР и САОН является обеспечение безопасности потребителей за счет селективных отключений на уровне 0,4 кВ. Реализация требования действия на уровне 0,4 кВ является новым и весьма важным аспектом  решения поставленных задач в условиях высокоответственной нагрузки. Конкурирующими вариантами  передачи сигналов-команд на противоаварийное управление нагрузкой являются:
• интеграция с иерархической АИИСКУЭ с использованием концентраторов  в качестве приемников сигналов-команд нижнего уровня;
• использование силовой сети 6, 10, 20 и 0,4 кВ с передачей сигналов-команд путем быстродействующей манипуляции рабочим напряжением сети.

Наряду с быстродействующим противоаварийным управлением нагрузкой предусматривается оперативное  технологическое управление и контроль за счет интеграции АСТУ с АИИСКУЭ, в частности, отключение потребителей-неплательщиков.

Обязательным реализуемым условием  выполнения команд на отключение  потребителей является учет требований безопасности. Это условие выполняется за счет селективности  отключения с учетом приоритетности  нагрузки — ради сохранения высокоответственной ее части реализуется временное отключение менее ответственной. В жилом секторе  мегаполисов, например, сохраняется  аварийное освещение, электропитание котельных, лифтов, систем допуска, подачи воды, пожаротушение, дымоудаление, по квартирам обеспечивается лимитированное по мощности электроснабжение на уровне аварийной брони. В противном случае, как показывает опыт московской аварии 25.05.2005 г., при отключениях на уровне 10 кВ отключаются ТП 10 кВ по домам, улицам, светофорные объекты, останавливается  электрифицированный транспорт и т.п.


ВТОРАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА


Во второй части рассмотрена сеть 6—20 кВ электроснабжения с централизованной релейной защитой,  интегрированной с многофункциональной сетью связи. Интеграция силовой и информационной сетей обеспечивается путем совмещения в пространстве — на распределительных  пунктах (РП) и трансформаторных подстанциях (ТП) — узлов обеих сетей. При этом возможно совпадение  трасс прокладки силовых электрических кабелей 6—20 кВ с трассами прокладки оптических (24 жилы) кабелей волоконно-оптических линий  связи (ВОЛС), что может существенно упростить землеотвод.

На рис. 2 показано подключение информационных узлов — локальных модулей (ЛМ) к устройствам РЗиА (РЗ), измерительным трансформаторам  тока (ТА) и напряжения (ТV), а также коммутационным аппаратам (в данном случае выключателям — Q). Каждый ЛМ подключен к своему информационному кольцу (ИК) ВОЛС. Выходные команды ЛМ дублируются и подаются на входы устройств РЗиА. Каждое устройство РЗиА взаимодействует  с двумя ЛМ. Таким образом, достигается требуемый уровень надежности системы РЗиА и достоверности передаваемой информации.

При таком подходе силовая электрическая сеть теряет свойство распределенности в пространстве и все ТП и РП 6—20 кВ оказываются наблюдаемыми и управляемыми с центрального устройства управления (ЦУУ), на котором располагаются программно-технические комплексы (ПТК) централизованной системы релейной защиты и автоматики (ЦРЗА) и ПТК оперативно-диспетчерского управления и контроля, включая системы АИИСКУЭ.


ЭЛЕКТРОИНФОРМАЦИОННЫЕ СЕТИ

Технико-экономические свойства интегрированной электроинформационной сети проработаны в следующих направлениях:
• реализация потенциальной энергоэффективности собственного источника за счет оптимального ведения режима его работы;
• повышение надежности электроснабжения  за счет селективного отключения поврежденных участков сети электроснабжения с автоматическим  переносом точки секционирования (РЗ, АВР, УРОВ, АПВ);
• улучшение качества электроснабжения за счет отказа от выдержек  времени в алгоритмах работы системы РЗиА. Длительность  провала напряжения — 100—150 мс для параллельных присоединений и 300—500 мс — для потребителей поврежденного фидера;
• уменьшение габаритов и стоимости  распределительных ТП и РП (компактизация) за счет перехода на выключатели нагрузки и более  компактные силовые ячейки 6—20 кВ;
• обеспечение электродинамической  устойчивости близлежащих агрегатов электростанции за счет снижения длительности площадки ускорения до 100—150 мс;
• повышение взрыво- и пожаробезопасности за счет уменьшения длительности воздействия токов КЗ до 100—150 мс;
• снижение требований к оборудованию (кабели, конструкции ТП и РП) в части длительности воздействия  токов КЗ до 100—150 мс, сохранение ресурса электрооборудования, особенно в давно работающих сетях;
• обеспечение информационной наблюдаемости и управляемости сети электроснабжения за счет высоконадежной дублированной сети связи;
• объективный учет всех оперативных и аварийных событий и явлений в сети электроснабжения;
• непрерывное прямое измерение потерь электроэнергии, выявление хищений и уменьшение коммерческих  потерь электроэнергии в каждом узле СЭС;
• обеспечение АИИСКУЭ и отключение  потребителей-неплательщиков;
• централизованное управление источниками реактивной мощности,  оптимизация режима по качеству  напряжения в различных узлах сети электроснабжения, уменьшение технических потерь;
• обеспечение непрерывности работы многофункциональной автоматизированной  системы технологического управления (АСТУ).

Основное принципиальное отличие  рассматриваемого предложения  по созданию интегрированных электроинформационных сетей — реализация принципа двойного назначения  за счет диверсификации бизнеса. Кроме электроснабжения обеспечивается информационное обеспечение. Современное общество  проявляет свою информационную  сущность в форме быстро растущих потребностей в информационном обеспечении и взаимодействии.

В рассматриваемом предложении  предусматривается выделение для потребителей в каждом из узлов связи (ТР, РП) до 36 жил ВОЛС во всех направлениях кольцевой сети связи. Подобный ресурс позволит не только удовлетворить типовых информационных  потребителей (Интернет, цифровое телевидение, видеонаблюдение, пожарная и охранная сигнализации,  системы безопасности и т.д.), но и развернуть различные корпоративные сети связи высокотехнологических установок и производств. Кроме этого, будет предоставлена основа для конкуренции поставщиков информационных услуг, что снизит цены для потребителей при одновременном  повышении качества оказания услуг.

Для обеспечения надежности централизованной РЗиА требуется два двунаправленных кольца связи — всего четыре жилы в каждом направлении. Для обеспечения надежности АСТУ, включая АИИСКУЭ, — столько же. Еще четыре жилы ВОЛС — резерв.

Как показывают предварительные  расчеты, достигаемое снижение стоимости электрооборудования рассматриваемой «умной сети» позволяет покрыть значительную часть расходов на создание информационной  части интегрированной энергоинформационной  сети. А доходы за информационное обеспечение соизмеримы с доходами за электроснабжение.


ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ
ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ЭЛЕКТРОСЕТИ


Оценка эффективности применения  централизованной электрической  сети проводилась для секционированной  электрической сети 6—20 кВ, приведенной на рис. 3.

В нормальном режиме потребители  подстанций 1—3 получают электроэнергию от С1, однако в случае необходимости сеть может быть реконфигурирована и переведена на раздельное или полное питание от С2, при этом под определение данной модели попадает также и кольцевая схема электроснабжения с питанием от одного источника (С1 и С2 совпадают).

Параметры исследуемой сети, а также вероятностные и временные характеристики работы отдельных ее элементов приведены в табл. 1 и 2 соответственно.

Примечание. tмтз — время срабатывания  максимальной токовой защиты (МТЗ), lзащ1 — защищаемая первой ступенью зона в долях длины соответствующей линии.

Примечание. Данные, приведенные в табл. 2, основаны на многолетней статистике работы систем РЗиА в РЭС и МЭС Центрального и Южного федеральных округов. Временные характеристики работы устройств РЗиА основаны на данных ведущих мировых производителей.


Эффективность работы классической  и централизованной систем РЗиА оценивалась в соответствии с международными показателями:
SAIFI (System Average Interruption Frequency Index — средняя частота  появления повреждений в системе) — характеризует среднее число отключений потребителей от сети в год;
SAIDI (System Average Interruption Duration Index — средняя продолжительность  отключения) — характеризует  в среднем продолжительность одного отключения в системе в год;
CAIFI (Customer Average Interruption Frequency Index — средняя частота отключения одного потребителя) — характеризует среднее количество отключений одного потребителя;
CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index — средняя продолжительность отключения одного потребителя) — характеризует  среднее время восстановления питания одного потребителя.

В течение одного месяца исследовалось поведение системы РЗиА, причем моделирование проводилось из расчета 5 лет работы систем РЗиА (300 случаев КЗ). Результаты сравнения приведены в табл. 3 и на рис. 4.

Примечание. При расчете итоговых значений SAIFI и SAIDI для сравнения двух систем РЗиА за единицу приняты соответствующие показатели для децентрализованной РзиА.

Сплошными линиями отмечено накопление продолжительности отключения  для децентрализованной РЗиА, пунктирными — для централизованной РЗиА.


Применение интегрированной электроинформационной сети соответствует  требованиям инновационного  развития электроэнергетики и информационного общества, позволяет  создавать «умные электрические  сети», интеллектуальную систему РЗиА, существенно уменьшать стоимость реконструкции существующих,  а также разрабатываемых систем электроснабжения и выполнять требования надежности обеспечения потребителей различных категорий.


Статья подготовлена по материалам темы Гранта Президента России, НШ-8043.2010.08.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно