Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Задачи реализации проектов повышения надежности электроснабжения потребителей и повышения технико-экономической эффективности систем электроснабжения - распределительных электрических сетей за счет нормализации потоков реактивной мощности и напряжения

В.К. Паули,
директор филиала ОАО «Инженерный центр ЕЭС» — «Фирма ОРГРЭС», д.т.н., к.э.н., профессор

Переход электроэнергетики России на путь конкурентных рыночных отношений повлек за собой изменение нормативной базы в сфере энергетики. Как показало время, в некоторых случаях это оказалось не совсем оправданно. После отмены приказом Минэнерго России от 10.01.2000 г. № 2 «Правил пользования электрической и тепловой энергией» потребители электрической энергии перестали участвовать в поддержании коэффициента мощности и компенсации реактивной мощности на шинах нагрузок (из баланса ЕЭС России выпало свыше 50 тыс. Мвар устройств компенсации реактивной мощности потребителей). Поторопились и отменили важную функцию потребителей электрической энергии в обеспечении устойчивости работы энергосистем за счет поддержания напряжения в узлах и на шинах нагрузок и компенсации реактивной мощности далеко до ввода замещающего рыночного механизма.

Все вышеуказанные факты привели к аварии в энергосистемах Москвы, Московской и Калужской областей 25 мая 2005 года. Основные причины аварии:

1. Погашение ПС «Чагино» из-за повреждения 23-24.05.2005 измерительных трансформаторов тока и другого оборудования ПС, приведшее к:

• выбытию из баланса трансформаторной мощности и реактивной мощности синхронных компенсаторов ПС «Чагино»;

• выбытию из баланса 640 МВт генерации на ТЭЦ-22;

• разрыву Московского кольца 500 кВ из-за отключения трех ВЛ 500 кВ.

2. Возникший в сложившихся схемно-режимных условиях и существующем составе генерирующего оборудования ТЭС недостаток реактивной мощности, приведший к снижению напряжения в южной части московской энергосистемы.

3. Снижение напряжения на шинах ряда подстанций 110 и 220 кВ во время утреннего роста потребления и, как следствие, возрастание тока по ВЛ.

4. Многочисленные отключения ВЛ ПО и 220 кВ действием защит от коротких замыканий, в том числе на ДКР, при перекрытиях из-за нарушения габаритов ВЛ при перегрузке, вызвали значительное снижение напряжения в сети 110-220 кВ. Увеличению провеса проводов способствовала высокая температура окружающего воздуха, а замыканиям на ДКР — наличие участков трасс ВЛ 110 кВ и ВЛ 220 кВ, не соответствующих нормативным требованиям в части расчистки от древесно-кустарниковой растительности.

5. При быстром росте нагрузки во время начала рабочего дня, а затем при начавшихся отключениях ВЛ 110-220 кВ и генерирующего оборудования электростанций, возможности оперативно-диспетчерского персонала по обработке и анализу больших объемов информации, поступающей в основном по средствам телефонной связи, и принятию адекватных мер по предотвращению развития аварии были исчерпаны. Этому способствовали недостаточный

объем телеизмерений и отсутствие автоматики, прежде всего АОСН, а также попытка обойтись без радикальных мер, т.е. без отключения потребителей. При скомпенсированной реактивной мощности потребителей московской энергосистемы майскую аварию 2005 г. можно было предотвратить. Скорее всего, ее и не было бы, потому что не было бы такой загрузки реактивной мощностью и, соответственно, дополнительного провиса отключившихся линий электропередачи, напряжение в узлах нагрузок было бы выше, генераторы бы не перегрузились из-за форсировки возбуждения с целью увеличения выдачи реактивной мощности, так как она не потребовалась бы, хватило бы времени на загрузку пускаемого оборудования и т.д.

С отменой выше указанного документа промышленные потребители потеряли экономический стимул на обеспечение ими tgcp (cos q>) своей нагрузки в заданных пределах, что привело:

• к возрастанию потоков реактивной мощности в линиях электропередачи межсистемных и системообразующих электрических сетей и систем электроснабжения потребителей - распределительных электрических сетей;

• к возникновению дефицита реактивной мощности в узлах нагрузки и, как следствие, к снижению напряжения на шинах нагрузок и подстанций распределительных электрических сетей и снижению запаса статической устойчивости нагрузки по напряжению;

• к увеличению до предельно допустимых значений токов полной нагрузки линий электропередачи и трансформаторных подстанций и ограничению их пропускной способности по активной мощности из-за необоснованной их загрузки реактивной мощностью.

Возрастание потоков реактивной мощности в системообразующих и распределительных сетях происходит также из-за несоответствия схемно-режимных решений изменениям структуры потребления и стихийно складывающемуся распределению прирастающей нагрузки по системе электроснабжения - распределительной электрической сети без учета потребления реактивной мощности присоединяемыми или наращивающими мощности потребителями электрической энергии, структура которой за последнее десятилетие сильно изменилась: так, возросла доля индуктивной нагрузки, что особенно заметно в городских сетях.

Несмотря на то, что на выработку реактивной мощности

активная мощность, а, следовательно, и топливо непосредственно не расходуется, ее передача по сети вызывает затраты активной энергии, которые покрываются активной энергией генераторов (за счет дополнительного расхода топлива). Кроме того, передача реактивной мощности загружает электрические сети и установленное в ней оборудование, отнимая некоторую часть их пропускной способности. Негативный результат от вышеуказанных недостатков проявляется также в том, что:

• нарастает число случаев отключения потребителей и увеличиваются размеры отключаемых нагрузок защитами при снижении напряжения во время коротких замыканий в электрических сетях и циклов (режимов) АПВ или АВР в электрических сетях, что говорит о недостаточной устойчивости нагрузки к внешним возмущениям в связи с отсутствием запаса по напряжению на шинах присоединения;

• в шестнадцати регионах страны энергосистемы имеют ряд своих энергорайонов с весьма высокой вероятностью введения в действие в максимумы нагрузок графиков аварийного отключения потребителей из-за перегрузки линий электропередачи и трансформаторного оборудования подстанций как распределительных электросетевых компаний, так и подстанций единой национальной электрической сети (ЕНЭС), в том числе и необоснованными потоками реактивной мощности;

• преждевременный дефицит активной мощности в ряде узлов и в целых регионах из-за существенного роста потерь активной мощности в электрических сетях и предельной загрузки линий электропередачи избыточными потоками реактивной мощности не только ухудшили технико-экономической эффективности электросетевого бизнеса, но и привели к сдерживанию присоединения новых потребителей или увеличения мощности присоединенных.

Рис. 1 демонстрирует эффект компенсации реактивной мощности, осуществленной непосредственно у нагрузки - в первом случае величина полной подводимой (поставляемой из сети) мощности и величина потребляемой энергоприемником мощности равны, во втором случае требуется меньшая величина подводимой мощности, так как реактивная составляющая скомпенсирована местной установкой.

Указанные обстоятельства также являются одной из причин сдерживания присоединения к действующим системам электроснабжения новых потребителей или препятствуют увеличению присоединенной мощности потребителей, расширяющих производство и наращивающих производственные мощности, из-за неоправданной (технически и экономически) дополнительной загруженности линий электропередачи и трансформаторных подстанций и распределительных пунктов потоками реактивной мощности, поставляемой потребителям от генераторов электростанций. Как и почему это происходит, наглядно демонстрируют формулы, приведенные на рис. 2.

По указанным причинам увеличивать реактивную мощность, выдаваемую генераторами (с целью доставки к потребителю), нецелесообразно, а производить и выдавать реактивную мощность необходимо именно там, где она больше всего нужна. Практика такого производства широко распространена во всем мире и известна под термином «компенсация реактивной мощности». Компенсация реактивной мощности — одно из наиболее эффективных средств рационального использования электроэнергии.

В большинстве практических случаев просматривается техническая и экономическая целесообразность полной или близкой к ней компенсации реактивной мощности с регулированием по основному параметру — реактивной мощности. Такое регулирование, как правило, совпадает с регулированием по напряжению. Возможные источники компенсации реактивной мощности:

• синхронные компенсаторы;

• синхронные двигатели, работающие в режиме перевозбуждения;

• косинусные конденсаторы (конденсаторные установки);

• статические тиристорные компенсаторы и др.

Выбор и размещение устройств компенсации реактивной мощности в электрических сетях производится, исходя из необходимости обеспечения требуемой пропускной способности сети в нормальных и послеаварийных режимах при поддержании необходимых уровней напряжения и запасов устойчивости. При этом необходимо исходить из того, что не существует задачи поставки реактивной мощности потребителю (за исключением бытовых потребителей, т.е. населения), что демонстрирует схема, приведенная на рис. 3.

В недавнем историческом прошлом при проектировании электроэнергетических систем брались реальные значения tgcp, которые принимались: для шин напряжением 6-10 кВ понижающих подстанций tgcp=0,4 (coscp=0,93), для шин 35,110 и 220 кВ — соответственно 0,5; 0,55 и 0,6 (cosy = 0,9; 0,88; 0,86), что действительно так и было, потому что промышленные потребители в то время были обязаны выдерживать нормативные значения устанавливаемых сos ср. До 2000 г. действовала система скидок/надбавок к плате за электроэнергию в зависимости от фактического cosf, что стимулировало потребителей снижать потребление реактивной мощности из энергосистемы, поэтому необходимая по техническим соображениям реактивная мощность составляла в то время 0,4-0,6 квар на 1 кВт суммарной активной нагрузки.

В современных условиях для сетей с номинальным напряжением 35 кВ и выше общее потребление реактивной мощности Qп приближенно оценивается в размере 1 кВар на 1 кВт суммарной активной нагрузки Рн∑. При этом доля потерь реактивной мощности составляет 30-50% в зависимости от характеристик потребителей, числа ступеней трансформации и протяженности сетей.

В связи с этим возникает необходимость установки в энергосистемах дополнительных источников реактивной мощности в узлах нагрузок или непосредственно у промышленных потребителей, которые обеспечили бы компенсацию избыточной реактивной нагрузки энергосистем. Вместе с тем, удовлетворение баланса реактивной мощности лишь по условиям надежности не отвечает критерию максимальной экономической эффективности функционирования электроэнергетических систем. Экономически целесообразная мощность компенсирующих устройств, как правило, превышает их мощность, необходимую по техническим ограничениям.

Передача электрической энергии от генераторов к потребителям является сложным физическим процессом многократного преобразования энергии и требует наличия в процессе этого преобразования различных форм поддержания электрических и магнитных полей, а следовательно, наличия как активной, так и реактивной составляющих мощности передачи (преобразования). Выработка реактивной мощности не требует непосредственного расхода топлива, но ее передача по сети вызывает затраты активной энергии в виде потерь электрической энергии и дополнительно загружает элементы электрической сети, снижая их общую пропускную способность. В связи с этим увеличение выдачи реактивной мощности генераторами (с целью доставки ее потребителю) нецелесообразно. Наиболее целесообразна система распределенной компенсации реактивной мощности в точках преобразования энергии, включая объекты потребления электроэнергии. Компенсация реактивной мощности — одно из наиболее простых средств рационального использования электроэнергии. Уменьшение потерь активной электроэнергии, обусловленных перетоками реактивных мощностей, является реальной эксплуатационной технологией энергосбережения в электрических сетях и технологией повышения эффективности использования электроэнергии (мощности) у потребителей.

При этом установка устройств компенсации реактивной мощности непосредственно у потребителя улучшает технико-экономические показатели системы электроснабжения, так как при этом уменьшаются потоки реактивной мощности во всех элементах сети от источников питания до потребителей, что приводит в свою очередь к снижению потерь электроэнергии и, следовательно, к уменьшению затрат на их возмещение в структуре баланса, что наглядно демонстрирует приведенный на рис. 4 пример расчета компенсации реактивной мощности.

Эффективное экономическое регулирование реактивной мощности направлено также на обеспечение качества электрической энергии (уровня напряжения) на границе: электрическая сеть общего пользования — электрическая сеть (электроустановки) потребителей. Данный параметр является одним из главных показателей качества электрической энергии, установленных ГОСТ 13109 -97 («Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах энергоснабжения общего назначения»). В соответствии с данным стандартом отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения со следующими нормами:

а) нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ±5 и ±10% от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721-77 и ГОСТ 21128-83 (номинальное напряжение);

б) нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения в точках общего присоединения потребителей электрической энергии к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ и более должны быть установлены в договорах на пользование электрической энергией между энергоснабжающей организацией и потребителем с учетом необходимости выполнения норм настоящего стандарта на выводах приемников электрической энергии.

Экономические интересы как сетевых предприятий, так предприятий потребителей в настоящее время требуют особого внимания к компенсации реактивной мощности посредством компенсирующих устройств. Это и надежность электроснабжения потребителей, и

надежность электрических сетей и энергосистем. Компенсация реактивной мощности является одним из наиболее доступных, эффективных и простых способов энергосбережения как для потребителя, так и для электросетевой компании, а также снижения себестоимости выпускаемой потребителями продукции, но в настоящее время это или не понимается, или игнорируется менеджментом энергокомпаний и потребителей со ссылкой на отсутствие нормативных определенностей.

Существует перечень действующих документов, так или иначе регламентирующих соотношения активной и реактивной мощностей (коэффициент мощности) в различных сетях: «Инструкция по проектированию городских электрических сетей» (РД 34.20.185-94 или СО 153-34.20.185-94), «Методические указания по проектированию развития энергосистем» (СО 153-34.20.118-2003), «Указания по выбору средств регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности при проектировании электроснабжения сельскохозяйственных объектов и электрических сетей сельскохозяйственного назначения» (РД 34.20.112 или СО 153-34.20.112). Согласно этим документам реактивная составляющая нагрузки на напряжении 10(6) кВ должна быть не выше tgсp=0,4 - 0,43. Мы же сегодня наблюдаем массово от tg(p=0,8/\o tgq>, намного превышающего tgq>=l,0.

Уже давно назрела задача по нормализации потоков реактивной мощности и напряжения, в которую должны быть вовлечены все субъекты баланса реактивной мощности, но первые шаги в данном направлении начинают происходить только в настоящий момент: в соответствии с Постановлением Правительства РФ «Об утверждении правил розничного рынка электроэнергии и мощности и порядка ограничения потребителей» от 31 августа 2006 г. № 530 (пункт 4) в течение 3 месяцев должен быть разработан, утверждаемый Минпромэнерго России «Порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергоприемников (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах оказания услуг по передаче электрической энергии (договорах электроснабжения)». Среди прочего в Постановлении регламентируется и ответственность потребителя за несоблюдение требований (условий технического присоединения), установленных в договоре электроснабжения. На данный момент перед руководством энергокомпаний поставлена задача запустить механизм по широкому вовлечению (точнее, возвращению) потребителей в процесс компенсации реактивной мощности, для чего проводится разработка программ «Реактивная мощность», целью которых является выявление и ликвидация мест дефицита реактивной мощности по фактическим уровням напряжения и соотношениям активной и реактивной мощности линий электропередачи, достигших по фактической токовой загрузке в часы максимумов и в послеаварийных установившихся режимах, а также по фактам предельной загрузки трансформаторов и автотрансформаторов, что является зоной рисков. На подготовительном этапе заявлен ряд организационных мероприятий:

• Создание и организация деятельности специальной рабочей группы для осуществления управления процессом планирования и реализации мероприятий по улучшению показателей технико-экономической эффективности распределительных сетей и систем электроснабжения потребителей на основе компенсации реактивной мощности и нормализации уровней напряжения с участием в ней всех субъектов параллельной работы в энергосистеме, включая наиболее значимых потребителей.

• Составление реестра находящихся на балансе (установленных) средств учета и контроля реактивной энергии/мощности;

• Оценка фактического физического и морального износа имеющихся средств учета и контроля реактивной энергии/мощности;

• Составление реестра средств учета и контроля реактивной энергии/мощности, которые соответствуют требованиям, предъявляемым к средствам учета в рамках АИИС КУЭ и ОИК.

• Осуществление ревизии и метрологической поверки установленных приборов учета и контроля реактивной энергии/мощности с присоединенной мощностью 50 кВт и более.

• Составление реестра действующих приборов учета и контроля реактивной энергии/мощности, установленных у потребителей с присоединенной мощностью 50 кВт и более.

• Разработка графика дооснащения приборами учета реактивной энергии/мощности подстанций 110, 35, 10, 6 кВ и фидеров потребителей с присоединенной мощностью 50 кВт и более.

• Проведение инвентаризации устройств компенсации реактивной мощности (синхронных компенсаторов, батарей статических конденсаторов), установленных на подстанциях РСК, с указанием типа, мощности, срока эксплуатации, технического состояния, включая системы охлаждения синхронных компенсаторов.

• Составление реестра работоспособных устройств компенсации реактивной мощности (синхронных компенсаторов, батарей статических конденсаторов), установленных на подстанциях распределительных электрических сетей.

• Составление графиков ревизии неработоспособных устройств компенсации реактивной мощности, установленных на подстанциях распределительных электрических сетей, с минимальным сроком исполнения.

• Проверка технических условий на присоединение потребителей с присоединенной мощностью 50 кВт и более и напряжением 1 кВ и более на предмет наличия к нему требований по поддержанию cosf (tg(p) на заданном уровне с составлением соответствующих раздельных реестров:

1) потребителей, присоединенных в период до 2000 года;

2) потребителей, присоединенных в период 2000-2006 гг.

• Проведение совместно с потребителями присоединенной мощностью 50 кВт и более инвентаризации имеющихся у них работоспособных источников компенсации реактивной мощности и составление перечня (ведомости).

• Составление по результатам инвентаризации перечня потребителей, которые эксплуатируют имеющиеся источники компенсации реактивной мощности.

• Введение в систему статистического контроля надежности распределительной электросетевой компании показателя tg(p шин, определяемого соотношением суммарно потребляемых реактивной и активной мощностей отходящих фидеров потребителей, присоединенных к подстанциям 110, 35, 10, 6 кВ их уровней напряжения на шинах подстанций.

• Составление перечня линий электропередачи с tg (соотношением реактивной и активной мощностей)

равным 0,6 и более раздельно для уровней напряжения 110,35,10 и 6 кВ.

• Составление поузловых балансов реактивной мощности на сезонные и суточные периоды времени раздельно для каждой из подстанций 110 кВ, с указанием величины и направления реактивной мощности и соотношения реактивной и активной мощностей (tg(p) по каждой ВЛ 110 кВ.

• Ревизия и, в случае необходимости, пересмотр договоров с потребителями электроэнергии.

• Проведение семинаров с участием руководителей и специалистов РСК и потребителей на тему «Реактивная мощность и ее значение в надежности и экономике электроснабжения» с целью повышения заинтересованности потребителей во внедрении систем компенсации реактивной мощности» и обеспечение их готовности к началу действия новых нормативных требований по поддержанию соотношения реактивной и активной мощностей.

• Проведение наглядных демонстраций изменения ситуации в системах электроснабжения при включении в работу источников компенсации реактивной мощности потребителей.

На основании вышеперечисленных организационных мероприятий планируется разработать конкретные решения по повышению надежности электроснабжения с привязкой к местным условиям и особенностям и «подготовить почву» к появлению новой нормативной документации, регулирующей отношения в вопросе реактивной мощности.

Нормализация напряжения в распределительных сетях — это не только взаимосвязь процессов повышения надежности и социального имиджа электросетевых компаний, но и повышение технико-экономической эффективности бизнеса. Из-за массовости распределительных сетей потери в них составляют большую долю суммарных потерь в энергосистемах России в целом, поэтому даже небольшое снижение потерь дает ощутимый экономический эффект.

В условиях непрерывного существенного роста потребления начнут появляться сначала локальные проблемы с электроснабжением потребителей, затем в условиях отставания инвестиционных программ проблемы нехватки мощности и пропускной способности электрических сетей заставят нас заниматься повышением энергоэффективности экономики страны.

В краткосрочном плане самым эффективным направлением явится очистка сетей от балластирующих потоков реактивной мощности. Уменьшение потерь активной электроэнергии, обусловленных потоками реактивных мощностей, является реальной эксплуатационной технологией энергосбережения в электрических сетях.

Выводы:

1. Уменьшение в распределительных сетях балластных потоков реактивной мощности за счет ее компенсации у потребителя или, если необходимо, в ряде случаев, на наших конечных подстанциях:

а) позволит (при наличии в энергоузлах тех же объемов активной мощности и той же пропускной способности сетей) снабжать дополнительных потребителей, то есть позволит обеспечить в определенной степени прирост потребления активной мощности без увеличения ее вырабатывания в узле (регионе) или без увеличения ее перетока из других энергосистем;

б) позволит самому потребителю прирастить свои производственные мощности без увеличения потребления из сети;

в) позволит присоединить потребителя там, где ранее было отказано, или присоединить новых потребителей там, где компенсация реактивной мощности позволит это сделать;

г) улучшит технико-экономическую эффективность систем электроснабжения как электросетевых компаний, так и самих потребителей;

д) повысит устойчивость электроэнергетических систем, систем электроснабжения и нагрузки потребителей при снижении и провалах напряжения в сети.

2. Снижение потерь активной мощности, разгрузка линий электропередачи и трансформаторного оборудования существенно отодвинут момент наступления дефицита электрической энергии, а, возможно, и не допустят его благодаря тому, что поддержат ресурс мощности ЕЭС России до момента ввода новых генерирующих мощностей, которые уже начали широкомасштабно разворачиваться благодаря завершению структурной фазы реформирования, и до момента расширения и модернизации электрических сетей, что также широкомасштабно разворачивается благодаря новым подходам в оплате за присоединение.