Распределительный сетевой комплекс

Распределительные электрические сети отличаются множеством схем построения, разнообразием используемого в них электрооборудования, материалов и конструкций, большим количеством взаимодей-ствующих участников рынка электрической энергии (мощности). Проходящие процессы либерализации рынка электроэнергии привносят много как положительных, так и негативных моментов, влияющих на эффективность функционирования сетей.
Геннадий Степанович Боков и Александр Николаевич Жулев считают, что создание сетей нового поколения, как записано в Технической политике Федеральной сетевой компании, требует системного подхода и оптимизации принимаемых решений на всех стадиях создания и функционирования сетей.

Александр Жулев, начальник Центра нормативно-технического обеспечения	Геннадий Боков, к.т.н., доцент, заместитель начальника Центра нормативно-технического обеспечения
ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», г. Москва

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ
Оптимизация технологических и технических условий развития

Техническое состояние сетей и желание сократить затраты на их техническое обслуживание приводят к снижению надежности электроснабжения энергопринимающих установок (ЭПУ) потребителей. Около 45% основных фондов сетей находятся в эксплуатации более установленных нормативных сроков, а степень их износа – зачастую в критической зоне. Доля изношенного оборудования, находящегося в эксплуатации 1,5–2 нормативных срока, увеличивается и составляет порядка 20% для подстанций 110–35/6–10 кВ и 35% для подстанций 6–10/0,4 кВ.

При этом существуют и иные внутренние и внешние сдерживающие факторы развития распределительных электрических сетей.

Ограниченные финансовые ресурсы
Основными источниками инвестиций для распределительных сетевых компаний являются: плата за технологическое присоединение, снижение потерь электроэнергии в сетях и амортизационный фонд. Из-за несовершенной системы оценки стоимости основных фондов и высокой степени их износа средства от амортизации незначительны.

В этой связи инвестиционная политика недостаточно оптимизирована и обоснована, нет глубокого анализа состояния технологических и технических условий функционирования распределительного электросетевого комплекса.

Повышенные требования к качеству электроэнергии
Новые и непрерывные технологии вообще не допускают перерывов в питании. Во избежание ущерба надежность электроснабжения должна составлять не менее 0,99. В то же время «умная» электроника очень чувствительна к неустойчивым режимам работы сети и нестабильности напряжения и частоты.

Увеличение площадей, занимаемых электросетями
Проблема становится критической из-за быстрого роста стоимости земли, значительных ограничений при прокладке воздушных (ВЛ) и кабельных линий (КЛ) в районах жилой застройки, заповедниках и природных парках. При этом повышаются требования к снижению наводимых электромагнитных полей от линий передачи для обеспечения безопасности людей. Строительство объектов связано с отчуждением земель и выводом их из сельскохозяйственного оборота или зон под городское строительство.

Особенно остро эта проблема стоит в крупных городах и мегаполисах. Для примера, в Москве зона отвода земель составляет около 2 тыс. га.

Анализ показывает, что реорганизация электросетевых объектов позволит вовлечь в экономический оборот до 20% существующей территории городов, что позволит значительно увеличить объемы строительства.

Разобщенность распределительного электросетевого комплекса
В противоположность ЕНЭС распределительные сети имеют множество собственников: сетевые компании (в структуре ОАО «Холдинг МРСК»), муниципальные структуры (предприятия городских электрических сетей), ведомственные структуры (газораспределительные, нефтяные и другие компании) и частные с отсутствием консолидированных интересов.

Технический уровень сетей и эффективность их функционирования резко различаются. Эксплуатация происходит в нескоординированном нормативно-техническом поле, фактически без проведения единой технической и технологической политики в сетях.

Ограничение пропускной способности сетей
В настоящее время по техническим условиям нет возможности выполнить технологическое присоединение всех ЭПУ потребителей к электрическим сетям. В результате в прошлые годы нарастал объем неудовлетворенных заявок (см. табл. 1). И эта тенденция сохраняется.

Таблица 1. Количество отказов на технологическое присоединение к электрическим сетям РСК, млн кВт

* Неудовлетворенные заявки на присоединение приведены нарастающим итогом.

Ограниченные финансовые возможности
В ряде сетевых компаний объем инвестиций на реконструкцию и техническое перевооружение сопоставим или превышает их остаточную стоимость. Фактические затраты на развитие на порядок меньше расчетных значений. Так, в Ленинградской области и в Санкт Петербурге износ линий электропередачи составляет 60%; подстанций – почти 80%. Для обеспечения надежности и развития сетевой инфраструктуры необходимы инвестиции в сумме 50 млрд руб. Из-за ограничения финансирования сети становятся ограничивающим фактором (наряду с генерированием) в процессах электрификации страны (рис. 1).

Рис. 1. Динамика изменения

В то же время распределительный комплекс является привлекательным объектом для вложения инвестиций, в т. ч. частных. Расчеты показывают, что инвестиции в развитие распредсетей окупаются за относительно короткий срок – 5–7 лет.

Перечень ограничивающих факторов (проблем) может быть продолжен. Но уже сказанное выше наводит на мысль, что выходом из создавшейся ситуации является создание единой электросетевой компании на новых инновационных принципах и критериях взаимодействия между иерархически построенными элементами сети. Поэтому сегодня необходима концепция: как активно влиять и/или реагировать на внешние и внутренние вызовы?

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАЗВИТИЯ

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:

1. Разработать и применять новые типы силового электрооборудования.
2. Использовать новые методы и средства релейной защиты и автоматики, диагностики оборудования и учета электроэнергии на микропроцессорной основе.
3. Ввести в действие системы мониторинга технического состояния электрооборудования, управления режимами сети и оборудованием.
4. 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.
5. Обеспечить условия для защиты сетей от внешних воздействий и безопасность при эксплуатации.
6. 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.
7. Скоординировать оптимальное взаимодействие сети с генерирующими установками независимых производителей электроэнергии.
8. 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

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.);
• широкое применение децентрализованных источников энергии у потребителей (собственных генераторов, топливных элементов и пр.), обеспечивающих передачу электроэнергии и информации по сетям;
• 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.

К примеру, для оптимизации режимов сети применяют на проводах ВЛ высокотемпературный тепловой режим. Провода из высокотеплопроводного алюминия (циркониевого сплава с сердечником из инвара) при температуре 230 °С повышают пропускную способность линии в три раза, допускают перевод ВЛ на более высокое напряжение.

Повышение пропускной способности сети достигается также оптимальным распределением потоков мощности. Эта задача решается совместно с повышением устойчивости сети к аварийным ситуациям. Регуляторы потоков мощности с использованием электроники (устройства гибкого управления линиями FACTS типа UPFC) позволяют вести управление режимом сети.

Эффективное решение для защиты от аварийного повреждения оборудования – ограничение токов КЗ без повышения сопротивления системы во время нормального режима работы, но с введением высокого сопротивления при КЗ. Это достигается быстрой коммутацией тиристорными устройствами в цепи. Полупроводниковые ограничители токов КЗ представляют собой звено встречно-параллельных тиристоров, шунтирующих в рабочем режиме сопротивление – поглотитель энергии (варистор). Они были созданы в 2004 году в США и Германии на рабочие напряжения 6,9 и 8 кВ, ведутся разработки на напряжения 69 и 138 кВ.

Стабильность напряжения в сети с ограниченной пропускной способностью поддерживается введением дополнительных резервов мощности, управлением потребления и выравниванием графиков нагрузок. Управление нагрузкой непосред-ственно у потребителя с использованием централизованного управления ЭПУ потребителей, а также методов стимуляции работы ЭПУ в периоды минимальных нагрузок в сети требует разработки системы учета. Для управления нагрузкой с использованием оптимальных тарифов и возможностью передачи сигналов на отключение нагрузки необходима развитая двусторонняя связь с ЭПУ.

Проблемы колебаний напряжения при изменениях нагрузки целесообразно решать не столько расширением возможности работы агрегатов с переменной нагрузкой, сколько выравниванием графиков нагрузки. Последнее осуществляется эффективно при наличии мощных накопителей электроэнергии. Данный вопрос особенно актуален при широком использовании генерирующих мощностей со случайным графиком выдачи электроэнергии, например, при массовом внедрении ветроэнергетических, солнечных, фотоэлектрических и других установок.

Применение вычислительной техники в управлении производством приведет к необходимости исполнения чрезвычайно жестких требований ко всем показателям качества электроэнергии, в т. ч. критичных потребителей. Для этого потребуется установка стабилизаторов напряжения высокого класса, таких как устройство DVR (Dynamic Voltage Restorer). Специальный аппарат, питающий устройство от емкостного накопителя, обеспечивает запас энергии в несколько мегаджоулей (типичные схемы характеризуются мощностью 1–5 МВт и запасаемой энергией 10–50 МДж). Обычные установки бесперебойного питания стоят дороже, чем устройство DVR, поскольку они должны рассчитываться на 100% мощности нагрузки. В случае компенсации напряжения на 50% требуется мощность вдвое меньше. При мощности резервной установки 20 МВт стоимость аккумуляторной батареи уже выше, чем емкостного накопителя. Стабилизаторы DVR производства корпорации AMSC (США) регулируют напряжение в сети посредством добавления реактивной мощности порядка (4–8)10⁶ ВАр и допускают возможность 2–3-кратной перегрузки.

Для поддержания современного уровня надежности электроснабжения и качества электроэнергии требуется высокая управляемость сети. Широкие масштабы развития сетей обусловливают новые задачи для обеспечения их управления, в том числе управление сетью с распределенными источниками генерирования, которые могут работать автономно или параллельно с подключаемыми сетями.

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 P_i – вероятность бесперебойной работы;
i – 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–Р_мс) = 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 P_РС-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

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Развитие распределительного электросетевого комплекса связано с реализацией множества различных задач, решение которых требует оптимизации технологических и технических условий. В связи с этим следует разработать нормативно-правовую базу для проведения оптимизационных исследований в электросетевом комплексе.
2. Реализации оптимизационных условий в сетях должна предшествовать разработка Схем перспективного развития распределительных электрических сетей:
   • Схем развития электрических сетей 110 кВ в рамках разработки и оптимизации Схем развития ЕНЭС;
   • Схем развития сетей 35 кВ и ниже для электросетевого комплекса субъектов Российской Федерации.
3. Инвестиционные программы, программы повышения надежности и энергосбережения и другие, разработка проектной документации для строительства или реконструкции (в том числе модернизации) электросетевых объектов в распределительных электрических сетях могут выполняться только при наличии Схем перспективного развития сетей.