Электроснабжения
Структура задач
Надежность систем электроснабжения имеет весьма существенное значение с точки зрения надежности электроснабжения потребителей. Известен так называемый "эффект последней мили" (последнего километра в метрической системе мер), заключающийся в том, что превалирующее влияние на надежность электроснабжения конечного потребителя оказывает распределительная сеть, а не электроэнергетическая система.
Как следует из п. 7.3, потребителю может поставляться электроэнергия с двух уровней: с оптового рынка электроэнергии, особенно крупным потребителям, и от сбытовых компаний. В обоих случаях надежность электроснабжения потребителя определяется не только надежностью системы электроснабжения (распределительной сети), но и системной надежностью (надежностью электроэнергетической системы).
Закон "Об электроэнергетике" устанавливает два вида ответственности за надежность. Ответственность за системную надежность несет системный оператор, за надежность электроснабжения потребителя – сбытовая компания. При этом сбытовая компания, по сути являясь торговым оператором, сама не производит, не транспортирует и не распределяет электроэнергию. Следовательно, у нее должны быть договорные отношения с электросетевыми предприятиями и с генерирующими компаниями. Каждая из них должна экономически отвечать за надежность выполнения своих функций: генерирующая компания – за надежность генерации электроэнергии, системообразующая электрическая сеть – за надежность передачи электроэнергии от генерирующих компаний к распределительным электрическим сетям, распределительная электрическая сеть – за надежность передачи электроэнергии от узла системообразующей сети к потребителю. В плане надежности закон "Об электроэнергетике" требует установления между всеми субъектами электроэнергетических рынков экономически сбалансированных отношений на основе платы за надежность и полного восстановления убытков из-за ненадежного электроснабжения.
С учетом изложенного структурируем общую проблему надежности электроснабжения потребителей на три группы задач, как показано на рис. 7.5. Первая группа задач связана с надежностью, обеспечиваемой в питающих узлах электроэнергетической системы. Это системная надежность, и хотя она является внешним, заданным атрибутом для системы электроснабжения и потребителя, последние все же могут повлиять на уровень надежности в питающих узлах через соответствующую оплату за надежность через договор с системным оператором. Вторая группа задач относится к схемам внешнего электроснабжения потребителя, а третья – к схемам их внутреннего электроснабжения. Схема внешнего электроснабжения обычно ассоциируется с электроснабжающей организацией, схема внутреннего электроснабжения – с потребителем, поэтому задачи надежности в этих двух случаях имеют определенную специфику.
 |
Рис. 7.5.
Следует отметить, что деление системы электроснабжения на внешнюю и внутреннюю схемы достаточно условно и отражает обобщенную ситуацию. В реальных условиях могут быть отклонения от этого общего случая.
Характеристика задач
7.4.2.1. Задачи развития. Исходным субъектом при характеристике задач надежности при развитии систем электроснабжения является потребитель. На основе требований технологий производства, особенностей электроприемников потребитель определяет, какие параметры надежности ему необходимы (допустимы) для различных участков технологического процесса по частоте, длительности и глубине аварийного ограничения электроснабжения. Как правило, потребитель имеет электроприемники различных категорий – от третьей до особой группы. Даже бытовые потребители имеют сейчас различные электроприемники по требованиям к надежности электроснабжения, в том числе электроприемники особой группы первой категории, к которым можно отнести персональные компьютеры, имеющие встроенные батареи автономного электропитания, необходимые при потере питания от сети для продолжения работы или по крайней мере для выключения компьютера без потери информации и нежелательных режимов общего программного обеспечения.
В результате разделения электроприемников на группы по уровню требований к параметрам надежности формируется информация, необходимая для проектирования внутренней и внешней схем электроснабжения. Каждая группа электроприемников характеризуется мощностью в различных режимах работы, в том числе, максимально необходимой (например, суточный максимум нагрузки), особенностями режимов функционирования, требуемыми параметрами надежности электроснабжения (частота и длительность перерывов электроснабжения), оценками возможных последствий от перерывов электроснабжения (удельные ущербы, опасности для людей и окружающей среды, поломки оборудования и др.).
С другой стороны, электроснабжающая организация (электросбытовая компания) или оператор оптового рынка электроэнергии – АТС) предлагает потребителю электроэнергию в узлах питания схемы внутреннего электроснабжения по определенной цене и с определенным уровнем надежности. Этот уровень надежности определяется надежностью в питающих узлах ЭЭС, обеспечиваемой системным оператором, и надежностью схемы внешнего электроснабжения (распределительной электрической сети). В общем случае электроснабжающая организация предлагает потребителю "меню надежности", представляющее собой перечень различных уровней надежности электроснабжения по различной цене (выше надежность – выше цена электроэнергии).
На основании указанной информации потребитель должен спроектировать схему внутреннего электроснабжения своих электроприемников. Схема формируется с учетом нормативных требований по надежности электроснабжения электроприемников различных категорий (см. п. 6.3). Как правило, разрабатываются и споставляются несколько вариантов схем внутреннего электроснабжения, их сопоставление производится по критериям затрат и надежности (см. п. 6.2). Могут рассматриваться и другие критерии. Для получения оценки надежности схем применяются методы, представленные в п. 6.4.
В процессе сопоставления схем внутреннего электроснабжения потребитель должен сравнивать свои затраты, вкладываемые в проектируемую схему для обеспечения требуемой ее надежности, с затратами на покупку электроэнергии у электроснабжающей организации с более высокой надежностью в соответствии с "меню надежности", предлагаемым электроснабжающей организацией. Следовательно, обеспечение требуемой надежности электроснабжения потребителя осуществляется как за счет собственных средств (надежность элементов, структурные решения и резервирование, управление в схеме внутреннего электроснабжения – см. п. 7.2), так и за счет уровня надежности, предоставляемого электроснабжающей организацией.
Группа задач, относящаяся к схемам внешнего электроснабжения, аналогична предыдущей. Отличия заключаются в содержании задач, специфика которых определяется тем, что, во-первых, на "выходах" этих схем требования по надежности являются обобщенными и характеризуются частотой, длительностью и глубиной перерывов электроснабжения в "выходных" узлах, а во-вторых – необходимо обеспечить независимость питания "выходных" узлов как источников электроснабжения потребителей, содержащих электроприемники I-й и II-й категорий. Такая независимость обеспечивается тем, что распределительная электрическая сеть этого уровня может выполняться замкнутой, при этом определяются наиболее рациональные с точки зрения надежности места размыкания этой сети.
Одним из средств обеспечения требуемой надежности электроснабжения потребителей при формировании схемы внешнего электроснабжения могут быть установки распределенной генерации.
Таким образом, задачи надежности при развитии систем электроснабжения включают следующие:
- анализ состава электроприемников потребителя и определение параметров электроприемников различных категорий по надежности;
- формирование вариантов схем внутреннего электроснабжения потребителя с учетом требований по надежности;
- оценка показателей надежности вариантов схем внутреннего электроснабжения потребителя;
- выбор наиболее рациональной схемы внутреннего электроснабжения потребителя при использовании заданных средств обеспечения надежности;
- формирование вариантов схем внешнего электроснабжения потребителей с учетом требований по надежности;
- оценка показателей надежности вариантов схем внешнего электроснабжения потребителей;
- выбор наиболее рациональной схемы внешнего электроснабжения потребителей при использовании заданных средств обеспечения надежности;
- выбор средств релейной защиты, автоматики и управления для обеспечения надежности систем электроснабжения;
- определение требований по надежности к поставляемому в системы электроснабжения оборудованию (коммутационная аппаратура, трансформаторы, изоляция и др.).
7.4.2.2. Задачи функционирования. Основной смысл задач надежности при функционировании систем электроснабжения потребителей заключается в поддержании уровня надежности электроснабжения, заложенного при проектировании этих систем. Состав решаемых задач надежности включает следующие:
- планирование технического обслуживания и ремонтов оборудования;
- диагностика состояния оборудования;
- планирование работ по обнаружению и ликвидации отказов и повреждений оборудования;
- анализ эксплуатационных схем и режимов системы электроснабжения с точки зрения требований по обеспечению надежности электроснабжения потребителей (реконфигурация схемы системы электроснабжения в различных нормальных и послеаварийных режимах, выделение установок распределенной генерации в аварийных режимах на питание наиболее ответственных потребителей и др.);
- оценка надежности системы электроснабжения при различных ее эксплуатационных схемах и режимах;
- выбор уставок релейной защиты, управляющих воздействий автоматики, уставок устройств управления для обеспечения надежности системы электроснабжения потребителей;
- формирование договорных отношений между электроснабжающими организациями и потребителями, включающих экономические механизмы взаимной ответственности за обеспечение надежности электроснабжения.
В результате решения указанных задач, помимо обеспечения надежности электроснабжения потребителей, вырабатываются также правила, инструкции для деятельности эксплуатационного персонала в возможных ситуациях.
С учетом изложенного структурируем общую задачу надежности в электроэнергетике, как показано на рис. 7.5. Цифрами обозначены номера задач, которые раскрываются далее в п. 7.5.2. Стрелками показана последовательность решения задач, которая в общем случае является итеративной, при этом используется подразделение задач на предварительные и окончательные. Предварительные решения задачи – это решения, которые, с одной стороны, получены в условиях повышенной неопределенности, а с другой – реализация которых еще не требуется (имеется временной запас). Вместе с тем решение таких задач обычно необходимо для обеспечения информацией других задач, связанных с данной.
На рис. 7.5 задачи надежности разделены на внутренние (определение внутренних параметров самой электроэнергетики) и внешние (определение параметров взаимодействия электроэнергетики с другими отраслями); представлены
 Задачи надежности субъектов электроэнергетических рынков
| ||||
| Субъекты | Параметры | |||
| внутренние | внешние | |||
| структурные | элементов | режимные | ||
| Генерирующие компании | 1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.4 |
| Системообразующая электрическая сеть | 2.1 | 2.2 | 2.3 | 2.4 |
| Распределительные электрические сети | 3.1 | 3.2 | 3.3 | 3.4 |
| Сбытовые компании | 4.1 | 4.2 | 4.3 | 4.4 |
| Потребители электроэнергии | 5.1 | 5.2 | 5.3 | 5.4 |
 |
Рис. 7.5.
задачи всех групп субъектов электроэнергетических рынков. С точки зрения надежности систем электроснабжения наиболее важными являются задачи надежности, связанные с распределительными электрическими сетями, сбытовыми компаниями и потребителями. Однако далее для полноты представления о задачах надежности в электроэнергетике в целом описываются также типовые задачи надежности для генерирующих компаний и системообразующей электрической сети. Как уже было отмечено, эти субъекты определяют надежность поставки электроэнергии "на вход" систем электроснабжения.
Характеристика задач
Задачи законодательных органов власти. Разработка, принятие законов и законодательных актов (закон "Об электроэнергетике", Гражданский кодекс РФ, указы президента и др.), и последующее улучшение, которые во многом определяют организацию электроэнергетики, отношения между субъектами, права и ответственность, нормы и стандарты по надежности, ограничения на использование тех или иных энергоресурсов, энергетическую безопасность страны, регионов и т.д.
Решают эти задачи на основе экономических, политических, экологических и других критериев. В результате решения определяются параметры нормативно-правовой среды, в которой функционирует и развивается электроэнергетика, формируются требования к ее надежности.
Задачи исполнительных органов власти. Разработка и реализация энергетических стратегий (политик) страны, регионов, установление льгот и ограничений на использование энергетических ресурсов, их квотирование, установление норм, контроль и регулирование уровня надежности электроснабжения, уровня энергетической безопасности и т.п.
Решают эти задачи преимущественно на основе экономических и экологических критериев. В результате их решения уточняются и конкретизируются требования к электроэнергетике, ее надежности, выявляются параметры для мониторинга и определяются правила и законы регулирования электроэнергетики по надежности.
Задачи администратора торговой системы. Определение состава и объемов необходимых резервов мощности и организация рынка резервов. Определение состава и объема других услуг по обеспечению надежности, организация рынков этих услуг.
Решение этих задач осуществляется на основе ценовых критериев (закона спроса – предложения). В результате их решения определяются ценовые сигналы по резервам мощности, другие экономические механизмы, побуждающие субъектов электроэнергетических рынков поддерживать необходимый уровень услуг по обеспечению надежности, уточняются структура этих услуг, размеры, размещение в системе и др.
Задачи системного оператора. Определение рациональных правил, алгоритмов использования выделенных резервов мощности, пропускной способности электрических сетей, в том числе рациональной величины включенного резерва мощности, других услуг по обеспечению надежности; выявление рациональных масштабов привлечения отключаемых потребителей для обеспечения надежности электроснабжения, разработка систем противоаварийной автоматики, законов управления автоматических устройств и систем и др.
Решение этих задач осуществляется на основе экономических критериев и нормативов надежности. В результате их решения определяется уровень надежности, который системный оператор обеспечивает в электроэнергетической системе.
Необходимо отметить, что задачи администратора торговой системы и системного оператора решаются взаимосвязанно, поскольку реализация рыночных взаимоотношений между субъектами электроэнергетических рынков по обеспечению надежности, отслеживаемых АТС, в существенной мере определяется техническими и технологическими возможностями системы, которые отслеживает системный оператор.
Задачи надежности субъектов электроэнергетических рынков (номера задач соответствуют рис. 7.5).
1.1. Определение:
– структуры и размещения в системе генерирующих мощностей с учетом их надежности;
– структуры резервов генерирующих мощностей по виду резервов, их размерам, размещению по энергоузлам системы и т.п.
1.2. Определение:
– единичной мощности агрегатов электростанций с учетом надежности;
– схем коммутации оборудования электростанций с учетом надежности;
– системы организации ремонтного обслуживания оборудования электростанций.
1.3. Планирование:
– режимов использования оборудования электростанций с учетом его надежности;
– рационального включенного резерва мощности;
– сроков и объемов проведения ремонтов оборудования электростанций;
– объемов топлива на складах электростанций.
1.4. Определение требований:
– к оборудованию, поставляемому на электростанции, в том числе по надежности;
– к ремонтному обслуживанию, осуществляемому внешними организациями.
2.1. Определение структуры системообразующей электрической сети с учетом надежности ее оборудования, требований по надежности к структуре сети, степени реализации системных эффектов, в том числе и по надежности (взаиморезервирование и сокращение резервов и др.).
2.2. Определение:
– параметров ЛЭП (пропускная способность с учетом необходимых запасов, материалы и конструкции с учетом климатических и географических условий прохождения и др.), подстанций и коммутационных пунктов (схем коммутаций, управляемости, резервирования аппаратуры, трансформаторов и т.д.);
– системы ремонтно-эксплуатационного обслуживания электрических сетей (количество и размещение ремонтно-производ-ственных баз, количество подстанций с обслуживающим персоналом на подстанции, на дому, количество оперативно-выездных бригад и т.п.).
2.3. Планирование:
– режимов использования сети с учетом ее надежности, ограничений по пропускной способности;
– ремонтных воздействий (объемов, сроков и т.д.).
2.4. Определение требований по надежности к поставляемому в электрические сети оборудованию (к коммутационной аппаратуре: выключателям, разъединителям, отделителям; трансформаторам; компенсирующим устройствам; арматуре; изоляции и т.д.).
3.1–3.4. Данные задачи по форме подобны задачам 2.1–2.4. Отличие их определяется функциональным назначением распределительных электрических сетей. Кроме того, следует ожидать отличие еще и в том, что за надежность на выходе генерирующей подсистемы и системообразующей электрической сети в конечном счете отвечает системный оператор, а за надежность на выходе распределительной электрической сети опосредованно отвечает сбытовая компания, а непосредственно – само предприятие электрических сетей.
4.1–4.4. Задачи этого субъекта в настоящее время наименее ясны. Можно предполагать, что одна из главных общих задач здесь – переупаковка порций электроэнергии, закупаемых сбытовой компанией на оптовом рынке (по долгосрочным контрактам, на спотовом и балансирующем рынках и т.д.) или прямо у производителей в свои обязательства перед розничными потребителями. В итоге решения должны быть получены в виде "меню", в котором розничному потребителю предлагается электроэнергия с разными параметрами: одно, двухставочными тарифами и др., в том числе с различной надежностью.
5.1–5.4. Суть этих задач будет заключаться в выборе сбытовых компаний и выработке решений по установлению договорных отношений с ними, в том числе и по надежности электроснабжения. Далее на основе этих оговоренных условий – выработка решений о степени технологического резервирования, размеров запасов и других мероприятий по снижению ущербов от ненадежности на самом предприятии потребителя электроэнергии.
Решение всех задач 1.1–5.4 осуществляется на основе экономических и нормативных критериев, на основе функций полезностей соответствующих субъектов. В результате их решения, помимо указанного, вырабатываются также правила, инструкции для деятельности персонала в возможных ситуациях.
Приведенный перечень задач охватывает практически все проблемы обеспечения надежности при определенных условиях: использование типовых решений, типового оборудования и т.п. Имеется еще неограниченный круг исследовательских задач. Например, если рассмотренные выше задачи по выбору параметров электропередачи основывались на использовании типовых решений по конструкциям ЛЭП, то могут быть поставлены задачи по разработке новых конструкций линий. Тогда линия может рассматриваться как система, состоящая из конструкций фаз, изоляции, конструкций опор, различных защитных устройств. Определение параметров каждого из этих элементов и ЛЭП в целом – уже новая задача, решаемая с учетом фактора надежности.
Аналогична ситуация и с другими нетиповыми решениями. Так что в общем случае множество задач надежности является открытым.