Проблемы и особенности построения распределительных сетей крупных городов и мегаполисов

На современном этапе в городах Российской Федерации в цепочке «генерация-передача-потребитель» наименьшее внимание уделяется распределительным сетям среднего и низкого уровня напряжения. Не зависимо от того, что создаются запасы мощностей на источниках генерации и трансформаторных подстанциях высокого напряжения, тем не менее имеют место серьёзные трудности для подключения потребителей из-за отсутствия сетей для выдачи мощности, что является отражением дисбалансов в вопросах развития сетей разных классов напряжения. Во многом подобная схема планирования развития электроэнергетики связана с принципами формирования крупных федеральных компаний, образованных в результате реформирования ОАО РАО «ЕЭС России» и ориентированных на развитие сетей высокого напряжения. Немаловажным фактором стало отсутствие с 1990 г. единого центра координации и контроля в области построения сетей среднего напряжения, функции которого до момента ликвидации выполняло Министерство жилищно-коммунального хозяйства. Косвенным результатом несогласованности в сроках строительства распределительных сетей явилось большое количество введённых мощностей на питающих центрах в крупных городах, которые на протяжении нескольких лет не могут быть выданы для подключения потребителей.

Очевидным проблемным вопросом является отсутствие единой технической политики в области построения городских сетей в России. С середины 20 века в мировой энергетике происходила быстрая смена технологических платформ, связанная с переходом на цифровую технику, элегазовое оборудование и повсеместное применение кабельной продукции последнего поколения. Одновременно российская энергетика оказалась на пути, связанном с началом реформирования отрасли. Процесс замены морально и физически устаревшего энергооборудования в электрических сетях шёл медленно, износ основных средств распределительных сетей составлял от 40 до 70%.

Только в последнее десятилетие в России широко стали внедряться решения, ранее апробированные в ведущих странах. Вначале использовались хоть и современные, но зачастую не согласованные технические решения. Технические спецификации и экспертные заключения о новых образцах электротехнического оборудования в адрес сетевых компаний выдавались компаниями-производителями или их представительствами, что явилось результатом отсутствия независимой экспертной работы в области контроля соответствия технических параметров и совместимости технических решений различных производителей.

Третий проблемный вопрос, наиболее сильно проявившийся в последние годы в крупных российских городах, это быстрое увеличение потребления электроэнергии и неуклонный рост плотности нагрузок, которые далеко перешагнули существовавшие нормативы и вплотную приблизились к параметрам крупнейших мегаполисов мира. На 01.01.2009 г. плотность электрических нагрузок в среднем по городу составила 13,3 МВт/км². Ожидаемый рост нагрузок в г. Москве на период до 2020 г. составит 1,7 раза. Основные центры нагрузок будут сосредоточены в зонах перспективного развития. Средняя плотность нагрузок увеличится до 23 МВт/км², а в ряде районов города, на новых и реконструируемых территориях (Большое Сити, Молжаниновка, Щербинка, Марфино и другие), предполагается высокоплотная застройка со значительным ростом электрических нагрузок и их высокой концентрацией (например, в районе ММДЦ плотность может достигнуть значений около 400–500 МВт/км²). Обеспечить необходимую пропускную способность существующие сети не могут, поэтому очевидным фактом становится необходимость перехода на построение новых сетей с повышенным уровнем напряжения.

Отдельное значение имеет вопрос взаимодействия с органами власти на федеральном и муниципальном уровнях. Развитие городских сетей затруднено в силу ряда объективных факторов – плотность существующей застройки и продолжительные процедуры согласования проектных решений по вопросам размещения объектов распределительных сетей (РП, ТП) и прокладки кабельных трасс, насыщенность подземных коммуникаций в мегаполисах и необходимость координации вопросов прокладки инженерных сетей. Участие государства в вопросах своевременного развития инфраструктуры определяет инвестиционную привлекательность территорий и задает вектор в вопросах разработки и контроля нормативного и технического базиса, формирования единых стандартов для всех участников рынка. В свою очередь, опережающее развитие инженерной инфраструктуры обеспечивает выполнение государственных и муниципальных программ капитального строительства и адресных программ. Например, прирост прогнозного потребления электрической мощности для обеспечения объектов Адресной инвестиционной программы г. Москвы до 2015 г. составит 2200 МВА, и построение новых элементов распределительной сети для гарантированного подключения городских потребителей необходимо начинать уже сегодня.

На современном этапе наиболее актуальными организационными вопросами являются следующие:
1. Необходима актуализация нормативной базы с разработкой новых национальных стандартов и технических регламентов.
2. Следует своевременно предусматривать на базе программ развития территорий (муниципальных образований) разработку комплексных схем развития инженерной инфраструктуры, в том числе электросетевого строительства, в привязке к общегородским планам.
3. Необходимо ввести механизмы опережающего строительства электрических сетей на развивающихся территориях на основании комплексных схем.
4. Выработать решения, которые позволят заметно уменьшить сроки и упростить процедуры согласования с местными органами власти по вопросам проектирования и строительства сетевой инфраструктуры.

Одним из главных целевых критериев является сохранение гарантий надёжности и категорийности электроснабжения потребителей с учётом повышенных требований в крупных городах, обусловленных высотной застройкой, наличием развитой транспортной инфраструктуры, большим кругом важных объектов, в том числе относящихся к общественной безопасности и иных категорированных потребителей. Эти требования должны достигаться за счёт применения высоконадёжного малообслуживаемого оборудования и качественной кабельной продукции с высокотехнологичными методами сооружения городской сети, что позволит исключить излишнее количество резервных линий среднего напряжения. При этом необходимо рассмотрение различных вариантов организации необходимого резервирования локально у потребителя (с применением современных технологических разработок). Однако для каждого конкретного случая определение достаточных объёмов сетевого строительства и средств обеспечения категорийности и надёжности электроснабжения должно прорабатываться профильными проектными организациями.

Таким образом, одними из основных путей для сокращения сроков сетевого строительства предлагаются следующие:
• осуществить переход стандарта распределительных сетей среднего напряжения на уровень 20 кВ;
• сделать ставку на параллельное развитие альтернативных источников электроснабжения, что приведёт к уменьшению необходимых объёмов сети;
• обеспечить необходимую надёжность за счёт широкого применения батарей и иных накопительных источников электроснабжения, что позволит отказаться от строительства резервирующих кабельных линий;
• обеспечить применение инновационных технологий в сетях (таких как композитные, сверхпроводящие линии и другие);
• перейти к применению малообслуживаемого компактного типового оборудования с максимально унифицированной элементной базой и большими сроками безаварийной наработки (с одновременным уменьшением количества обслуживающего персонала в сетевых предприятиях);
• изначально внедрить практику построения сетей с высоким уровнем автоматизации, обеспеченных необходимыми скоростными каналами связи и с возможностью саморегулирования;
• внедрить единую модель управления распределительным комплексом, играющую роль инструмента, позволяющего балансировать системой управления сетями большого количества собственников, уменьшить количество границ, на которых осуществляется управление процессами, по модели управления сетями высокого напряжения.

Переход в городских распределительных сетях на класс среднего напряжения 20 кВ

Наиболее развитые страны выполнили переход на класс напряжения 20 кВ во второй половине 20 века. Страны СНГ продолжают развивать городские распределительные сети на класс напряжения 10 кВ, для которых основные технологические и схемные решения были сформированы в середине прошлого века. К началу 21 века они стали неэффективны и неконкурентноспособны.

Для выполнения перехода на построение городских сетей классом напряжения 20 кВ необходимо выполнение ряда обязательных условий.
1. Разработка нормативно-технической базы.
2. Наличие на питающих центрах 220–110 кВ резервов мощности на уровне напряжения 20 кВ.
3. Разработка концепции развития сетей 20 кВ на территории конкретного города. Выполнение технико-экономического обоснования построения сетей.
4. Наличие на рынке оборудования и кабельной продукции 20 кВ.

Исходя из приведенных требований на сегодняшний день только г. Москва может реализовать масштабный проект перехода на построение сетей 20 кВ, получая шанс ликвидировать нарастающее отставание уровня и качества развития городских сетей.

Разработка нормативно-технической базы

В соответствии с Энергетической стратегией города Москвы на период до 2025 года, утверждённой постановлением Правительства Москвы от 2 декабря 2008 г. № 1075-ПП, переход на класс напряжения 20 кВ принят как перспективное направление развития топливно-энергетического комплекса города.

Постановление Правительства Москвы № 1067-ПП от 14 декабря 2010 г. «О схеме электроснабжения города Москвы на период до 2020 года» закрепило основные положения развития распределительных сетей напряжением 6–10–20 кВ. Пункт 2 гласит: «Считать стратегическим направлением развития электрических сетей среднего напряжения на период до 2020 года переход к массовому применению напряжения 20 кВ и постепенной ликвидации напряжения 6 кВ». В п.3 указаны схемные и технические решения, применяемые при строительстве распределительных сетей.

Наличие на питающих центрах 220–110 кВ резервов мощности на уровне напряжения 20 кВ

Рост нагрузок в г. Москве к 2020 г. в 1,7 раза предполагает увеличение мощности, отбираемой с ПС 220 кВ, и, соответственно, реконструкцию ПС с увеличением трансформаторной мощности и строительством новых центров питания. Во исполнение Закона № 33 г. Москвы от 05 июля 2006 г. «О программе комплексного развития системы электроснабжения города Москвы на 2006–2010 годы и инвестиционных программах развития и модернизации инфраструктуры электроснабжения города» и ряда Постановлений Правительства Москвы за последние годы в городе создан беспрецедентный задел по установленным трансформаторным мощностям на центрах питания. Городскими электросетевыми компаниями уже введено 1720 МВА новых трансформаторных мощностей, до 2015 года будет введено 5720 МВА, что соответствует примерно половине среднего текущего потребления г. Москвы. Важно отметить, что все новые центры питания уже имеют или проектируются и строятся с заложенными техническими решениями по выдаче мощности в распределительную сеть напряжением 20 кВ. Территориальное расположение новых объектов позволит обеспечить технологическое присоединение потребителей на 90% территории города, включая все зоны перспективного развития, определённые Генеральным планом развития г. Москвы на период до 2025 г.

Разработка концепции развития сетей 20 кВ на территории города Москвы

Согласно выполненной на основе генерального плана развития Москвы и данных ОАО «Городской кадастр» Схеме электроснабжения г. Москвы на период до 2020 года величина покрытия нагрузок на напряжении 20 кВ (на шинах РП и СП) составит 3156 МВт (в том числе на уровне 2015 г. – 2239 МВт). Для пропуска указанных мощностей намечено построить 2621 км питающих КЛ-20 кВ.

Основная концепция построения сети 20 кВ в г. Москве базируется на следующих принципах.
1. Созданные и строящиеся ПС 220/20 кВ за счёт построения опорной питающей сети 20 кВ, взаимоувязывающей все центры питания, создавая, таким образом, новую взаиморезервированную надёжную городскую систему транспорта электроэнергии к потребителям.
2. Разработанная концепция построения опорной сети 20 кВ базируется на унификации применяемых проектных и схемных решений на перспективу.
3. Построение современных РП и СП мощностью до 20 МВА каждый даст возможность транспорта необходимой мощности непосредственно к потребителю, являясь, таким образом, аналогом подстанций глубокого ввода. Это не только снижает потери при транспорте электроэнергии, но и позволяет более оперативно и гибко развивать новые ПС 220 кВ большой мощности на существующих участках землеотвода в городе.

Одним из условий построения новой сети 20 кВ является обеспечение требуемой категорийности электроснабжения потребителей, для осуществления которой необходимо выполнить устройство «связей» питающей сети на уровне 20 кВ между вновь построенными подстанциями.

Основные решения построения сети 20 кВ в городе Москве

На базе разработанной Схемы электроснабжения г. Москвы была проведена предпроектная разработка схемы питающей сети 20 кВ, в которой рассмотрены основные вопросы построения опорной магистральной сети 20 кВ от новых ПС 220/110/20 кВ, построенных электросетевыми компаниями, и развития необходимых объёмов распределительной сети 20 кВ для транспорта мощностей от центров питания к районам перспективного развития.

В соответствии с предлагаемой концепцией построения сети 20 кВ и утверждёнными положениями Схемы электроснабжения г. Москвы при построении сети от вновь создаваемых центров питания 220/110/20 кВ в предпроектной разработке схемы питающей сети 20 кВ предлагаются следующие основные схемные, технические и компоновочные решения.
1. Сеть 20 кВ строится по двухзвеньевой схеме, то есть с РП и СП.
2. Схема питающих сетей 20 кВ выполняется на двухсекционных РП с АВР на секционном выключателе 20 кВ и питанием РП, как правило, от двух независимых территориально разнесённых ЦП по двум независимым (взаиморезервируемым) кабельным линиям.
3. Между СП питающая электрическая сеть 20 кВ выполняется по принципу магистрали (из двух кабельных линий); СП секционируется на две секции шин 20 кВ с установкой секционных и линейных выключателей нагрузки.
4. Новые распределительные и соединительные пункты 20 кВ желательно исполнять малогабаритными блочного типа; в ячейках РУ 20 кВ РП приоритетно должны применяться элегазовые силовые выключатели.
5. Распределительная сеть 20 кВ строится по двухлучевой встречной схеме, при которой питание каждой ТП осуществляется по двум взаиморезервируемым кабелям.
6. Для прокладки кабельных линий 20 кВ должны применяться кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Технико-экономическое обоснование

В рамках предпроектной разработки схемы питающей сети 20 кВ было проведено технико-экономическое обоснование и выработаны рекомендации по построению сетей 20 кВ в г. Москве. На первом этапе (в ближайшие 3-4 года) предлагается создать питающую сеть 20 кВ от существующих, строящихся и намеченных к вводу до 2013–2014 гг. центров питания со строительством около 90–100 РП и СП и охватом практически всей территории города. Это позволит обеспечить покрытие прироста нагрузок объектов первоочередного строительства и создать предпосылки для возможного дальнейшего подключения нагрузок новых зданий и сооружений с последующим развитием сети 20 кВ.

На II этапе предполагается построить сеть, связывающую все центры питания, с возможной нагрузкой к 2020 году 6400 МВА (данные генерального плана развития города). В случае ускорения строительства ряда планируемых к вводу в эксплуатацию в данный период времени новых подстанций 220/20 кВ (Берсеневская, Ваганьковская, Золотарёвская, Котловка) возможно сокращение протяжённости участков питающей сети 20 кВ и, соответственно, уменьшение сроков и стоимости их строительства. Ещё одним механизмом, позволяющим сократить сроки и стоимость строительства сетей, является обоснованный выбор мощности трансформаторов на вновь строящихся и проектируемых центрах питания. Выбор номиналов мощности трансформаторов рекомендуется производить исходя из допустимой их загрузки в послеаварийных режимах до 130% (согласно Правилам технической эксплуатации), что позволит существенно сократить капитальные затраты на развитие ЦП в целом по Москве.

Реконструкция существующих сетей 6–10 кВ

Отдельно стоит остановиться на оценке целесообразности реконструкции существующих сетей 6–10 кВ. Проведение комплексной реконструкции существующих сетей не позволит повысить их пропускную способность, что не даст объективного экономического эффекта, кроме восстановления работоспособности. Задачи на перспективу решены не будут. Поэтому представляется оптимальным вариантом замещение отработавших свой нормативный (и более) срок распределительных сетей 6–10 кВ вновь вводимыми сетями 20 кВ. Однако принятие конкретного решения о замещении старых сетей на новые необходимо оставить прерогативой сетевых компаний, особенно в небольших городах, где плотности электрических нагрузок невелики.

Наиболее оптимальным способом поэтапного замещения выработавших свой ресурс сетей 6–10 кВ в крупных городах является перевод существующих нагрузок на новые сети 20 кВ, при необходимости – с использованием электросетевого оборудования с возможностью трансформации напряжения 20/10 кВ (с использованием трансформаторных переходных пунктов – ТПП – 20/10 кВ).

Возможность подключения объектов сети 10 кВ к новым сетям 20 кВ даёт два очевидных преимущества.
1. Перевод существующих нагрузок сети 10 кВ на сети 20 кВ даёт возможность устранить дефицит мощности на центрах питания, разгрузив перегруженные РУ-10 кВ существующих ПС, и создать резервы для гарантированного надёжного электроснабжения потребителей в периоды пиковых нагрузок или неблагоприятных погодных явлений.
2. Применение ТПП 20/10 кВ позволяет осуществлять присоединение к новым сетям 20 кВ городских потребителей, традиционно имеющих сложившиеся схемы электроснабжения на уровне напряжения 10 кВ, таких как, например, Московский метрополитен.

Наличие на рынке оборудования и кабельной продукции 20 кВ

Результатом перехода ряда стран на класс напряжения 20 кВ в распределительных сетях также явился переход всех основных заводов-изготовителей электротехнического оборудования для европейского рынка на оборудование, работающее на уровне напряжения 20 кВ с постепенным выводом из производственных линеек оборудования предыдущего поколения.

В последнее десятилетие в Российской Федерации в результате реформирования электроэнергетики широко привлекался и использовался опыт крупных зарубежных производителей современного электротехнического оборудования. Во многих случаях были образованы совместные предприятия и сборочные производства по лицензиям ряда фирм, таких как Siemens, ABB, Schneider Electric и ряда других. Зарубежные партнёры представили свои современные разработки, в том числе для объектов распределительных сетей, которые уже были сконструированы с расчётом на работу в сетях 20 кВ. Аналогичная ситуация имеет место при рассмотрении производителей кабельной продукции. Следует отметить, что основная номенклатура электротехнической продукции на напряжение 20 кВ производится в Российской Федерации на совместных предприятиях.

Применение инновационных технологий и материалов в сетях

Возможность использования достижений науки и промышленности в области нанотехнологий, очевидно, даст возможность в ближайшей перспективе приступить к разработке и широкому внедрению проводников из композиционных материалов. В более отдалённой перспективе представляется привлекательным применение перспективных линий и оборудования с использованием высокотемпературных сверхпроводников, которые позволят существенно увеличить пропускную способность сетей в городах, что наиболее актуально для мегаполисов. В случае их широкого внедрения удастся снизить остроту вопросов, связанных с недостаточной пропускной способностью существующей сети и необходимостью прокладки большого количества кабельных трасс для покрытия возрастающих нагрузок в мегаполисах.

Автоматизация сети

Применение передовых инновационных разработок даёт экономический эффект на больших интервалах времени после практического внедрения, тем не менее уже сегодня объективно выявилась необходимость построения современных цифровых сетей с возможностью дистанционного регулирования (по каналам телеуправления и телемеханизации) и самоуправления за счёт введения обратной связи. Результатом данной работы станет снижение аварийности в сетях и бесперебойность в электроснабжении потребителей, что является наиболее приоритетной задачей на ближайшую перспективу. Эти задачи решаются параллельно с построением развёрнутой системы коммерческого учёта для всех потребителей, взаимоувязанной с задачами оперативного управления сетью и повышением её наблюдаемости по всем каналам связи.

Внедрение единой модели управления распределительным комплексом на уровне среднего напряжения

Остро выявившейся проблемой на сегодняшнем этапе эксплуатации городских распределительных сетей в условиях образования многочисленных собственников электросетевых объектов является отсутствие централизованной системы управления сетями, которая могла бы обеспечить их надёжную и устойчивую работу в оптимальных режимах, исключающую ведомственные интересы.

Важным условием обеспечения бесперебойного электроснабжения в мегаполисах является централизация управления сетями по аналогии с организацией управления СО ЕЭС, доказавшей свою эффективность на продолжительном этапе функционирования. Централизованное управление распределительными сетями различных собственников позволит проводить скоординированные мероприятия в комплексе, обеспечивая контроль и резервирование электроустановок потребителей.

Заключение

Применение напряжения 20 кВ в распределительных сетях позволит перейти на более высокий уровень электроснабжения городских потребителей в России, увеличить пропускную способность как минимум в 2–2,5 раза по сравнению с сетями 6–10 кВ в пределах той же территории, сократить количество трансформаторных мощностей, повысить качество электроэнергии и надёжность функционирования систем электроснабжения. Перечисленные мероприятия по применению сетей с использованием инновационных технологий (композитные и ВТСП-материалы) позволят заметно уменьшить объёмы прокладки кабельных линий. Использование малогабаритных типовых РП и ТП высокой заводской готовности приведёт к уменьшению их стоимости. Все вышеприведённые мероприятия одновременно сокращают сроки построения распределительных сетей. Внесение необходимых корректив в нормативную базу, устранение противоречий и неурегулированных вопросов в законодательстве, а также внедрение новых национальных стандартов и технических регламентов в части сетей среднего и низкого напряжения будут способствовать более динамичному развитию распределительных сетей. С точки зрения авторов, предлагаемые шаги позволят осуществить быстрое восполнение стареющего электросетевого хозяйства и обеспечить электроснабжение новых территорий в городах Российской Федерации в соответствии с планами развития городов на базе новых технологических платформ.