Повышение надежности распределительных электрических сетей

Повышение надежности распределительных электрических сетей

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Институт электроэнергетики и информатики

Кафедра электрооборудования и автоматизации промышленных предприятий

Реферат

по дисциплине «Современные проблемы науки и производства электрической энергии и технологических комплексов и систем»

на тему «Повышение надежности распределительных электрических сетей»

Выполнил: Гуцуляк А.И. группа мЗАТК-111

Проверил: Тельманова Е. Д.

Екатеринбург 2015

Введение

Потери электроэнергии в электрических сетях - важнейший показатель экономичности их работы, наглядный индикатор состояния системы учета электроэнергии, эффективности энергосбытовой деятельности энергоснабжающих организаций. Этот индикатор все отчетливей свидетельствует о накапливающихся проблемах, которые требуют безотлагательных решений в развитии, реконструкции и техническом перевооружении электрических сетей, совершенствовании методов и средств их эксплуатации и управления, в повышении точности учета электроэнергии, эффективности сбора денежных средств за поставленную потребителям электроэнергию и т.п.

В настоящее время почти повсеместно наблюдается рост абсолютных и относительных потерь электроэнергии при одновременном уменьшении отпуска в сеть. Так, с 1994 по 1998 г.г. абсолютные потери электроэнергии в сетях АО-энерго России увеличились с 67,7 до 78,6 млрд.кВт.ч, а относительные - с 8,74 до 10,81%. В электрических сетях России в целом относительные потери выросли с 10,09 до 12,22%.

По мнению международных экспертов, относительные потери электроэнергии при ее передаче и распределении в электрических сетях большинства стран можно считать удовлетворительными, если они не превышают 4-5%. Потери электроэнергии на уровне 10% можно считать максимально допустимыми с точки зрения физики передачи электроэнергии по сетям( рис.1)

Рис.1

Анализ повышения надежности распределительных электрических сетей

Основная часть распределительных сетей (около 77 %) находится на балансе ОАО энергетики и электрификации или РСК, выделившихся в результате реформирования энергетических объединений. При этом более 40 % воздушных и кабельных линий, а также около 30 % подстанций напряжением 110 кВ и ниже находятся в эксплуатации больше нормативного срока. Естественными результатами высокого процента физического износа оборудования, конструкций и материалов в распределительных сетях явились снижение надежности электроснабжения и качества электроэнергии, растущие потери электроэнергии в сетях и низкий уровень автоматизации объектов распределительных сетей. К 2015 г. до 75 % электросетевых объектов отрабо- тают свой ресурс, восстановлению будет подлежать около 1,0 млн км воздушных и кабельных линий, около 160 тыс. трансформаторных подстанций напряжением 6-20/0,4 кВ. В период, пока производство электроэнергии в стране не достигнет уровня 1990 г. (ориентировочно 2010- 2012 гг.), основными направлениями инвестиционной политики в сетях должны быть (с учетом сбалансированного усиления электрических сетей в регионах с быстро растущим потреблением) реконструкция и техническое перевооружение действующих электросетевых объектов.

Умеренный рост спроса на электроэнергию (до 2% В год) является одним из основных трендов развития энергетической отрасли, определяющим ход развития электрических сетей в России. Такие темпы обусловлены постепенным повышением энергоэффективности: согласно прогнозам, энергоемкость российской экономики (определяемая на базе ВВП) к 2030 г. должна снизиться более чем на 30%. В течение ближайших 10-15 лет России предстоит внедрять технологии, которые уже используются в сетевых комплексах развитых стран. В частности, предстоит внедрять технологии «умных» сетей, позволяющих повысить пропускную способность и стабильность сети, сократить потери и издержки на технический и коммерческий учет у потребителя.

Спрос на электроэнергию в России значительно смещается между регионами и населенными пунктами. Наряду со снижением потребления в сельских местностях многих регионов, происходит его значительный рост в крупных городах; внутри городов снижение потребления в промышленных зонах коррелирует с его ростом в районах, где строится офисная и коммерческая недвижимость или жилье. Изменение географии спроса создает три проблемы: 1) потребность в поддержании недозагруженных сетей; 2) потребность в новых инвестициях в сети на новых площадках; 3) повышение тарифа, вызываемое необходимостью новых инвестиций в ситуации отсутствия роста спроса в целом.

Однако, в смещении спроса заложен потенциал снижения общих издержек как на локальном, так и на межрегиональном уровне. На локальном уровне - это расшивка узких мест в регионе или городе, где сегодня вынужденно поддерживается высокозатратная генерация (закольцовывание магистральных сетей вокруг города, новые точки электроснабжения). На межрегиональном уровне - это инфраструктура, объединяющая зоны со спросом разного временного профиля или разной цены, где сальдо-переток становится экономически выгодным (например, ЛЭП по направлению Сибирь - Урал).

Отсутствие необходимых инвестиций в ЭСК в последние 20 лет привело к значительному физическому и технологическому устареванию сетей. Доля распределительных сетей, вырабатывавших свой нормативный срок, составила 50%. 7% сетей выработало два нормативных срока. Общий износ распределительных сетей достиг 70%. Ситуация с износом магистральных сетей (ОАО «ФСК ЕЭС») незначительно лучше - износ составляет 50%. В общем, состояние электросетевых активов в России значительно хуже, чем в других крупных странах, где показатель износа составляет 27-44%. К тому же, современное оборудование, обеспечивающее высокую надежность и снижение операционных затрат, пока не достаточно широко используется в российском ЭСК.

Развитие распределительных электрических сетей должно быть направлено на повышение надежности, обеспечение качества и экономичности энергоснабжения потребителей путем постоянного совершенствования сетей на базе инновационных технологий с превращением их в интеллектуальные (активно-адаптивные) сети.

Для достижения цели в рамках реализации технической политики необходимо:

Разработать и применять новые типы силового электрооборудования.

Использовать новые методы и средства релейной защиты и автоматики, диагностики оборудования и учета электроэнергии на микропроцессорной основе.

Ввести в действие системы мониторинга технического состояния электрооборудования, управления режимами сети и оборудованием.

Использовать системы сбора, передачи и обработки информации, а также программные и технические средства адаптивного управления с возможностью воздействия в реальном масштабе времени на активные элементы сети и ЭПУ потребителей.

Обеспечить условия для защиты сетей от внешних воздействий и безопасность при эксплуатации.

Реализовать мероприятия по повышению надежности электроснабжения и качества электроэнергии, а также новые принципы построения и управления электрическими сетями с использованием системы мониторинга текущих режимных параметров и текущей оценки состояния сети в нормальных, предаварийных, аварийных и послеаварийных режимах.

Скоординировать оптимальное взаимодействие сети с генерирующими установками независимых производителей электроэнергии.

Применять гибкие рыночные механизмы взаимодействия сетевых компаний и потребителей.

Достичь цели можно или через обновление сетей, вкладывая инвестиции в оборудование подстанций и линий среднего напряжения, или через развитие системы эксплуатации сетей.

Технико-экономический принцип выбора инвестиций заключается в оптимизации соответствующих показателей посредством программно-целевого планирования, включающего в себя инвестиции, потери, денежный эквивалент ущерба потребителя и другие показатели. Для оптимизации должны быть доступны средства проведения макроэкономических исследований на основе применения различных гипотез технологического и методологического развития (методов моделирования) распределительных электрических сетей, которые должны закончиться:

оценкой взаимосвязи технико-экономических факторов (между стоимостью реконструкции и качеством электроэнергии и другими факторами);

разработкой Схем перспективного развития электрических сетей и инвестиционными планами строительства (реконструкции) сетевых объектов;

инвестиционными проектами внедрения инновационных технологий и оборудования.

В связи с этим необходимо разработать единые нормативные требования к оптимизации технологических и технических условий развития распределительных электрических сетей, учитывающие:

методы оценки остаточной стоимости электросетевых объектов;

количественные критерии оценки инвестиционной привлекательности распределительных электрических сетей;

качество проектирования на базе применения САПР сетевых объектов.

Оптимизация режимов электрической сети обеспечивает минимум затрат при заданной в каждый момент времени нагрузке потребителей и достигается:

выбором конфигурации электрических сетей и выбором состава включенного в работу оборудования;

управлением параметрами режима работы сети;

созданием оптимальной системы распределительных напряжений.

Оптимизация режима электрической сети, приводящая к уменьшению суммарных потерь активной мощности в сетях, достигается в результате оптимального выбора мощности и места размещения компенсирующих устройств, выбора коэффициентов трансформации трансформаторов, учета технических ограничений и выбора оборудования в соответ-ствии со схемой построения электрической сети. Оптимизация достигается решением уравнений для установившегося режима с использованием градиентного метода.

Цель оптимизации - максимально эффективное использование и комплексное развитие территорий, направленное на обеспечение общественных интересов, социальных гарантий, повышение качества среды обитания.

Новые концепции развития сетей

Реклоузер - это надежное и довольно простое в эксплуатации устройство, позволяющее отключать токи короткого замыкания за минимальное время, при этом за такое же время восстанавливать электроснабжение на не поврежденных участках.

Перспективные сети должны обеспечивать:

доступ любых видов генерации и потребителей электроэнергии к услугам электросетевой инфраструктуры;

активность потребителей в оптимизации режимов сети через оснащение интеллектуальными системами учета с возможностью ситуационного управления составом и мощностью ЭПУ потребителей (управление спросом, многотарифные системы и т.д.);

обеспечение «цифрового» качества электроэнергии;

оптимизацию производства и потребления электроэнергии за счет регулирования нагрузки с максимальным учетом требований потребителей;

максимальную самодиагностику, предупреждение сбоев, развитие технологий с самовосстановлением схем электроснабжения;

расширение рыночных возможностей инфраструктуры путем взаимного оказания широкого спектра услуг субъектами рынка и инфраструктурой;

использование оптимальных инструментов и технологий эксплуатации и обслуживания активов;

повышение наблюдаемости за текущим состоянии сети и ее элементов (включая внешние воздействия окружающей среды), а также обработку данной информации в режиме реального времени.

Для этого необходима развитая структура сети на базе информационных технологий с географической и временной координацией контроля и управления сетью.

Иерархическая система строится от подстанций к зонам управления, регионам и сети в целом. Временная координация сочетает быстрый локальный контроль с более медленным анализом ситуации и общим управлением. Для контроля в режиме on-line и анализа в режиме off-line (в целях прогнозирования, анализа динамики развития процессов в сети, анализа возможностей электропередач) требуется разработка:

системы эффективной оценки состояния сети;

систем прогнозирования, программ предотвращения (ограничения) возникающих проблем и восстановления режима в сети;

плана форсированного оперативного управления и ввода резервов.

Разработки перспективных электрических сетей, решающих такие задачи для конкретных потребителей, активно ведутся в мире.

Российская концепция сети как структуры, обеспечивающей надежность и эффективность связи генерации и потребителя, рассматривается ОАО «ФСК ЕЭС» в виде комплекса управления энергосистемой, имеющего адаптивную реакцию на различные виды возмущений и отклонений режимов работы сети («активно-адаптивная» сеть). По экспертным оценкам, эффект от внедрения в России концепции «активно-адаптивной» сети позволит почти на четверть снизить удельные капитальные вложения в развитие сетей.

Таким образом:

В сетях распределительного комплекса повышение управляемости сети позволит противодействовать аварийным ситуациям. В сети, обладающей средствами быстрого управления режимами, поддерживается стабильность напряжения при изменениях потоков мощности, осуществляется управление потреблением электроэнергии посредством выравнивания графиков нагрузки, обеспечивается высокое качество электроснабжения.

Преодоление всех внешних вызовов возможно на основе организации инфраструктуры с системами связи и обмена информацией, внедрения новых типов сетевого оборудования, непрерывного контроля режима во многих точках сети и выявления критических режимов в «интеллектуальных» сетях.

Зарубежный опыт и его внедрение в России

Решение вопросов оптимизации доставки электроэнергии до потребителя решается весьма эффективно в технически развитых зарубежных странах.

надежность электрический сеть затрата

Ключевые технологии, развиваемые в секторе магистральных сетей за рубежом

Управляемость сетей в будущем будет характеризоваться разнообразием направлений развития, таких как:

оптимизация распределения потоков мощности (снижение потерь и достижение экономической эффективности распределения электроэнергии);

осуществление противоаварийных мероприятий (выделение критических частей сети, своевременный ввод резервных мощностей);

обеспечение высокого качества электроэнергии (выравнивание графиков нагрузки, координация действий сети с объектами распределенной энергетики и источниками возобновляемой энергии).

Эти задачи решаются оптимизацией инфраструктуры с системами связи и обмена информацией, внедрением новых типов сетевого оборудования, мониторингом состояния сети во многих точках в режиме on-line, выявлением критических режимов и узлов сети для создания сетей нового поколения («интеллектуальных сетей»).

Условия для потенциально возможных решений

Либерализация дает много новых возможностей, но создает и ряд новых технологических и коммерческих рисков. К последним относятся неконтролируемые ценовые скачки, потеря поставщика (или поставщиков), падение рынка, банкротство и др.

Часто преобладает идея достижения надежности электроснабжения любой ценой и инвестирования в сети для повышения возможности их работы в критических условиях. Надежность сетевой инфраструктуры зависит от электрических режимов, и наоборот. Раздельные действия по использованию сетей и управлению режимами технологически не обоснованы и нерациональны. Инновационные, технические, инвестиционные и организационные решения соответствующих субъектов должны быть взаимосвязаны.

Для оптимизации надежности электроснабжения ЭПУ потребителей следует предусмотреть определение оптимальной надежности систем электроснабжения потребителей, оценку предельного объема капиталовложений в повышение надежности и выбор наиболее эффективной системы электроснабжения (при ограничении инвестиций).

Зачастую учитывается одномоментная стоимость того или иного вида оборудования или предлагаемого пакета услуг. Однако следует рассматривать бизнес-процесс на различные расчетные сроки развития, т.е. в какие затраты обойдется оборудование на протяжении его срока службы: первоначальная стоимость, освидетельствование, допуск в работу, ремонтные и эксплуатационные затраты, последующая утилизация и т.д. Немаловажным фактором, если говорить о цене владения, является малообслуживаемость оборудования. Малообслуживаемое оборудование с точки зрения эксплуатации является приоритетным, позволяющим снизить не только эксплуатационные затраты, но и общую цену владения.

Оптимизация надежности электроснабжения ЭПУ потребителей предусматривает проведение процедуры анализа и расчетов показателей надежности для всех основных элементов доставки электроэнергии (производство - передача по сетям напряжением 220 кВ и выше - распределение по сетям первого уровня напряжением 35-110 кВ - распределение по сетям второго уровня напряжением 0,4-20 кВ).

Надежность электроснабжения ЭПУ как вероятность бесперебойного электроснабжения определяется по формуле

 ,

где Pi - вероятность бесперебойной работы;- номер элемента электроснабжения.

Оценка надежности электрических сетей заключается в определении их оптимальной пропускной способности и надежности функционирования, включая проблемы возникновения и развития системных аварий. Оптимизация уровня надежности магистральных сетей заключается в формировании схемы, обеспечивающей передачу необходимых объемов мощности при одновременном сохранении нормативных режимных параметров, статической и динамической устойчивости. Оптимальный уровень надежности магистральных сетей, определенный по критерию минимума полной стоимости резервирования МЭС при доходности инвестиционного капитала 6%, характеризуется вероятностью ограничения нагрузок потребителей ЭЭС, равной (1-Рмс) = 0,00155 о.е., или 13,55 ч/год. Оптимальное значение инвестиций на повышение надежности магистральных сетей составляет ~ 40,0 тыс. руб./МВт.

Аналогично выполняется определение надежности распределительных электрических сетей напряжением (35-110) кВ. При этом пропускная способность сетей этого класса характеризуется предельными по нагреву потоками мощности на наиболее загруженных линиях электропередачи и минимально допустимыми уровнями напряжения на подстанциях.

Оптимизация уровня надежности распределительных сетей (35-110) кВ первого уровня заключается в формировании схемы, обеспечивающей передачу необходимой мощности от Центров питания к региональным подстанциям при сохранении нормативных режимных параметров.

Проведенные расчеты для распределительных электрических сетей 1-го уровня (расчеты выполнены профессором В.А. Непомнящим) показывают, что оптимальный уровень надежности распределительных электрических сетей 1-го уровня, определенный по критерию минимума полной стоимости резервирования сетей при доходности инвестиций 6%, характеризуется вероятностью ограничения нагрузок потребителей PРС-1 = 0,99969 о. е., или 2,74 ч/год.

Оптимальное значение удельных капитальных вложений в повышение надежности распределительных сетей 1-го уровня составляет 61,14 тыс. руб./МВт, а их предельное значение равно ~ 74 тыс. руб./МВт нагрузки этих сетей.

Аналогичный анализ выполнен для сетей 2-го уровня. Результаты расчетов в виде вероятностных зависимостей представлены на рис 2.

Рис. 2. Зависимость вероятностных и экономических показателей распределительных сетей 2-го уровня от инвестиций в повышение их надежности

 <http://www.news.elteh.ru/pics/76/Julev_pics_76-02.jpg>

Выводы и предложения

Необходимые первоочередные задачи:

разработка концепции и перспективной программы развития, модернизации, технического перевооружения и реконструкции распределительных электрических сетей 0,38-110 кВ, средств и систем управления их режимами, ремонтным и эксплуатационным обслуживанием;

переход от остаточного к приоритетному принципу выделения финансовых и материальных ресурсов по поэтапной практической реализации этой концепции и программы с пониманием решающей важности опережающего развития распределительных сетей и систем их управления для эффективного функционирования не только розничного, но и оптового рынков электроэнергии;

разработка современной, ориентированной на рыночные условия хозяйствования и управления, нормативно-методической базы развития распределительных электрических сетей и систем управления ими;

разработка экономически обоснованных требований к отечественной промышленности по производству современного оборудования электрических сетей и систем управления ими;

организация системы сертификации и допуска в эксплуатацию отечественного и импортного оборудования для распределительных сетей и систем управления ими;

реализация и анализ результатов внедрения пилотных проектов по отработке новых перспективных технологий и систем автоматизированного управления распределительными электрическими сетями.

Разработка и внедрение эффективных автоматизированных систем управления распределительными электрическими сетями - комплексная задача, требующая значительных капиталовложений.

Каждая распределительная компания и АО-энерго прежде чем начинать модернизацию и техническое перевооружение действующей системы управления электрическими сетями или создавать новую, должны ясно понимать набор решаемых задач, предполагаемый эффект от внедрения АСУ.

Необходимо разработать современные методики расчета экономической эффективности АСУ ПЭС и РЭС (распределительная сетевая компания), этапности их создания и развития.

Главный вопрос, который всегда возникает при разработке и внедрении новых технологий управления электрическими сетями - где взять деньги на все это?

Источников финансовых средств на самом деле может быть несколько:

централизованное финансирование пилотных проектов и нормативно-методических документов;

тарифы на электроэнергию;

В российских условиях, как показала практика передовых энергосистем, должен работать принцип «Кто хочет решить задачу, ищет и находит способы ее решения, кто не хочет - ищет причины, почему решение невозможно, либо ждет, когда за него решат другие».

Литература

1.http://www.news.elteh.ru/arh/2012/76/03.php- Журнал новости ЭлектроТехники №4 (76) 2012 год

.http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/pa2004_01/pdf/040nadejnost_rabot_electr_setei.pdf-Ползуновски альмонах № 1 2004г

.http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2588

.http://www.elektro-journal.ru/sites/default/files/pdf_files/arts/2006_05_01.PDF-Журнал Электро 5/2006

.Бохмат И.С, Воротницкий В.Э., Татаринов Е.П. Снижение коммерческих потерь в электроэнергетических системах. Электрические станции, 1998, №9.