Функционирование дефицитной энергосистемы на примере Ливана




Page 1


background image







Page 2


background image

48

Функционирование дефицитной 
энергосистемы на примере Ливана

УДК 621.311.1

Основная

 

задача

 

любой

 

энергосистемы

 — 

обеспечение

 

спроса

 

на

 

электроэнергию

 

всех

 

потребителей

Возможность

 

энергосистемы

 

осуществлять

 

бездефицитное

 

электроснаб

жение

 

потребителей

 

характеризуется

 

балансовой

 

надежностью

В

 

большинстве

 

стран

 

допустимый

 

уровень

 

балансовой

 

надежности

 

составляет

 

от

 3 

до

 35 

дефицитных

 

часов

 

в

 

год

При

 

этом

 

существуют

 

дефицитные

 

энергосистемы

в

 

которых

 

балансовая

 

надеж

ность

 

не

 

обеспечивается

В

 

статье

 

приведен

 

анализ

 

работы

 

электроэнергетической

 

системы

 

в

 

условиях

 

дефицита

 

мощности

Данная

 

проблема

 

рассматривается

 

на

 

примере

 

Ливана

который

 

находится

 

в

 

таких

 

условиях

 

несколько

 

десятилетий

В

 

статье

 

показано

 

техническое

 

состояние

 

энергосистемы

климатические

географические

 

и

 

социальные

 

условия

в

 

которых

 

она

 

работает

Выполнен

 

анализ

 

составляющих

 

баланса

 

мощности

а

 

именно

 

генерации

потребления

 

и

 

потерь

 

электроэнергии

В

 

обобщенной

 

форме

 

по

казан

 

годовой

 

график

 

нагрузки

На

 

основе

 

этих

 

данных

 

проведен

 

анализ

 

балансовой

 

надежности

 

ливанской

 

энергосистемы

Показан

 

и

 

проанализирован

 

применяемый

 

в

 

на

стоящее

 

время

 

способ

 

электроснабжения

 

потребителей

На

 

примере

 

одной

 

подстанции

 

показан

 

график

 

включения

 

и

 

отключения

 

фидеров

что

 

позволяет

 

ограничить

 

суммар

ную

 

потребляемую

 

мощность

 

и

 

обеспечить

 

баланс

 

мощности

 

во

 

включенной

 

части

 

энер

госистемы

В

 

конце

 

статьи

 

приведены

 

перспективные

 

планы

 

по

 

развитию

 

ливанской

 

энергосистемы

 

и

 

обеспечению

 

балансовой

 

надежности

.

Ключевые

 

слова

:

балансовая надежность, 

Ливан, дефицит мощности, 

электроэнергетическая 

система

Рамзи

Ел

 

Добейсси

,

аспирант кафедры ЭЭС 

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Ванин

 

А

.

С

.,

к.т.н., доцент кафедры ЭЭС 

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Насыров

 

Р

.

Р

.,

к.т.н., доцент кафедры ЭЭС 

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Шаров

 

Ю

.

В

.,

к.т.н., профессор, заве-

дующий кафедрой ЭЭС 

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Ц

елью функционирования лю-

бой  электроэнергетической 

сис темы в мире является без-

дефицитное электроснабже-

 

ние  потребителей.  Во  всех 

странах    эта  цель  достигается  по-

разному.  Есть  два  способа  обеспече-

ния спроса на электроэнергию внутри 

страны — строительство достаточного 

количества  собственных  источников 

электроэнергии и покупка электроэнер-

гии  у  соседних  стран.  В  большинстве 

стран стремятся обеспечить основной 

спрос на электроэнергию за счет соб-

ственной  генерации,  а  межсистемные 

связи  использовать  для  покрытия  пи-

кового потребления и обеспечения ре-

зерва на случай аварийного снижения 

мощности генерации.

Критерием  бездефицитности  ра-

боты  электроэнергетических  систем 

во всем мире приняты показатели ба-

лансовой надежности. Они позволяют 

в  вероятностном  выражении  охарак-

теризовать  возможность  возникнове-

ния дефицита мощности в энергетиче-

ской  системе  и  тяжесть  последствий 

таких  событий  [1].  В  различных  стра-

нах  применяются  разные  показатели 

балансовой  надежности.  Самые  рас-

пространенные  из  них:  LOLE  (Loss 

of  Load  Expectation)  —  среднее  чис-

ло  дефицитных  часов  в  году,  EENS 

(Expected  Energy  Not  Served)  —  ма-

тематическое  ожидание  недоотпуска 

элек тро энер гии  в  год,  LOLP  (Loss  of 

Load Probability) — вероятность дефи-

цита мощности [2]. В России основным 

показателем  балансовой  надежности 

является 

J

  —  вероятность  бездефи-

цитной работы [3]. 

Полностью  исключить  возникнове-

ние дефицита электроэнергии в энер-

госистеме  невозможно,  поскольку 

в  мире  происходят  форс-мажорные 

события  природного  или  техногенно-

го  характера,  которые  сложно  спрог-

нозировать  и  от  которых  практически 

невозможно  защититься.  Кроме  того, 

избыточное  резервирование  эконо-

мически  не  целесообразно,  посколь-

ку  резервное  оборудование  исполь-

зуется  крайне  редко.  В  связи  с  этим, 

каждая страна или межнациональная 

энергосистема  определяет  для  себя 

оптимальный  уровень  балансовой 

надежности.  Он  определяется  на  ос-

нове  соотношения  между  величиной 

ущерба  от  ограничения  потребления 

электроэнергии и затратами на строи-

тельство и ввод дополнительной гене-

рирующей  мощности.  В  большинстве 

стран  допустимый  уровень  балансо-

вой  надежности  составляет  от  3  до 

35 дефицитных часов в год [2]. 

Обеспечение  высокого  уровня  ба-

лансовой надежности требует наличия 

достаточной располагаемой мощности 

генерации для покрытия пикового спро-

са на электроэнергию с учетом потерь 

УПРАВЛЕНИЕ

СЕТЯМИ







Page 3


background image

49

электроэнергии в сети и оперативного резерва на слу-

чай планового или аварийного ремонта части обору-

дования.  Если  располагаемая  мощность  генерации 

энергосистемы  меньше,  чем  спрос  на  электроэнер-

гию, то такая энергосистема работает в дефицитном 

режиме.  Примером  такой  энергосистемы  является 

энергосистема  Ливана,  функционирование  которой 

будет рассмотрено в этой статье. 

ЭНЕРГОСИСТЕМА

 

ЛИВАНА

Ливан  расположен  на  территории  площадью 

10  452  км

2

,  имеющей  практически  прямоугольную 

форму  на  восточном  берегу  Средиземного  моря. 

Страна граничит с Сирией на севере, востоке и юго-

востоке и с Палестиной на юге. С запада Ливан омы-

вается Средиземным морем. Протяженность Ливана 

с севера на юг составляет около 220 км, с запада на 

восток — 56 км. Ливан является горной страной со 

средиземноморским климатом. 

Среднегодовая  температура  составляет  20,2°С 

и колеблется в течение года от 14°С до 27°С. Эконо-

мика Ливана относится к развивающимся. Государ-

ственный  сектор  составляет  около  25%  от  общего 

потребления, в то время как частный сектор — остав-

шиеся  75%.  Экономика  и  инфраструктура  Ливана 

были  существенно  разрушены  во  время  граждан-

ской войны 1975–1990 годов [4]. 

Ливан  не  добывает  традиционные  источники 

энергии, такие как нефть или уголь. Большая часть 

электроэнергии  производится  из  импортируемого 

топ лива.  

Общая  номинальная  установленная  мощность 

генерации  энергосистемы  Ливана  составляет 

2993 МВт, при этом средняя фактическая мощность 

генерации — 2334 МВт. Энергосистема Ливана вклю-

чает  12  тепловых  электростанций  (номинальная 

установленная мощность — 2711 МВт, средняя фак-

тическая  генерирующая  мощность  —  2246  МВт), 

5  гидроэлектростанций  (номинальная  установлен-

ная  мощность  —  282  МВт,  сред-

няя  фактическая  генерирующая 

мощность — 88 МВт) и внешнюю 

связь  с  энергосистемой  Сирии 

(номинальная 

установленная 

мощность  —  276  МВт,  средняя 

фактическая используемая мощ-

ность  —  69  МВт)  [5].  Большая 

часть  электроэнергии  вырабаты-

вается на тепловых электростан-

циях  на  мазуте  или  дизельном 

топливе. 

Пиковый  спрос  на  мощность 

составляет на 2018 год 3562 МВт 

[5]. На основе отмасштабирован-

ного  годового  графика  нагруз-

ки  за  2016  г.  из  внутреннего  от-

чета  об  исследовании  тарифов 

были  получены  значения  мини-

мального  спроса  на  мощность 

и  годового  спроса  на  электро-

энергию. Минимальный спрос на 

мощность  составил  1777  МВт. 

Годовой  спрос  на  электроэнер-

Рис

. 1. 

Карта

 

электрических

 

сетей

 220 

кВ

 

и

 

выше

 

Ливана

 

и

 

части

 

Сирии

гию — 25 000 ГВт∙ч. Годовые потери электроэнергии 

составляют 34% от произведенного объема, причем 

13% относится к техническим потерям и 21% — к ком-

мерческим (неоплаченные счета за электроэнергию 

и  несанкционированные  подключения  к  электриче-

ским сетям).

Отдельные потребители электроэнергии устанав-

ливают  собственные  источники  электроэнергии  ма-

лой  мощности.  При  этом  используются  дизельные 

генераторы и солнечные энергетические панели. 

Несмотря на хорошие географические и климати-

ческие условия для использования солнечных пане-

лей, этот источник электроэнергии слабо распростра-

нен. Ливан не использует возобновляемые источники, 

даже в условиях дефицита электроэнергии, в основ-

ном из-за отсутствия государственной поддержки, от-

сутствия четких правил их подключения к сети, общей 

культуры  людей  и  высокой  стоимости  их  установки 

при  низкой  цене  на  электроэнергию  из  системы  об-

щего  электроснабжения  [4].  Фиксированный  тариф 

на  электроэнергию  был  установлен  в  1994  году  на 

уровне 138 ливанских фунтов (0,091 долларов США) 

за киловатт-час (стоимость барреля нефти на тот мо-

мент составлял 20 долларов США). Данный тариф со-

храняется по настоящее время. 

Системообразующая сеть энергосистемы Ливана 

представляет собой двухцепное кольцо 220 кВ в се-

верной и центральной частях страны и двухцепную 

магистральную  линию  на  юге.  Эта  сеть  связывает 

все крупные энергоузлы системы, так что ограниче-

ния на передачу электроэнергии на системном уров-

не в Ливане отсутствуют.

Энергосистема  Ливана  имеет  внешнюю  связь 

только с энергосистемой Сирии. Эта связь осущест-

вляется  посредством  трех  межсистемных  линий 

электропередачи  напряжением  400,  220  и  66  кВ. 

Фрагмент карты ENTSO-E для электрических сетей 

220 кВ и выше территории Ливана и части Сирии по-

казан на рисунке 1 [6]. 

 2 (65) 2021







Page 4


background image

50

Ливан  импортирует  электроэнергию  из  Сирии, 

при  этом  две  энергосистемы  работают  раздель-

но. На текущий момент они не могут быть синхро-

низированы  из-за  сильных  отклонений  частоты 

в сирийской энергосистеме. В этих условиях един-

ственный  экономически  целесообразный  способ 

импорта  электроэнергии  заключается  в  подклю-

чении  части  ливанской  нагрузки  к  энергосистеме 

Сирии напрямую.

БАЛАНС

 

МОЩНОСТИ

 

И

 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Как было сказано ранее, степень обеспеченности 

энергосистемы  электроэнергией  характеризует-

ся  показателями  балансовой  надежности.  Для 

их  расчета  составляется  энергетическая  модель 

энергосистемы, которая представляет энергосис-

тему в виде энергозон. Внутри энергозон передача 

электроэнергии от узлов генерации к узлам нагруз-

ки  осуществляется  беспрепятственно.  Ливанская 

электрическая сеть 220 кВ обеспечивает беспре-

пятственную передачу электроэнергии между все-

ми  узлами  энергосистемы,  поэтому  вся  энерго-

система  страны  может  быть  представлена  одной 

энергозоной. Это означает, что баланс мощности 

внутри  энергосистемы  определяется  только  со-

отношением нагрузки и генерации и не зависит от 

пропускной способности линий и коммутационной 

схемы  сети.  Поскольку  энергосистема  постоянно 

работает в дефицитном режиме, нет необходимо-

сти учитывать аварийные отключения генерирую-

щих агрегатов. В дефицитных энергосистемах эти 

состояния вносят малый вклад в итоговые значе-

ния показателей балансовой надежности. В этом 

случае  располагаемая  мощность  энергосистемы 

на уровне генерации может быть задана постоян-

ным значением 2403 МВт.

Доступная для потребителей мощность или рас-

полагаемая  мощность  энергосистемы  на  уровне 

потребителей определяется с учетом потерь элек-

троэнергии в магистральных и распределительных 

сетях.  Ранее  было  сказано,  что  средний  уровень 

потерь в ливанской энергосистеме составляет 34%, 

поэтому  располагаемая  мощность  энергосистемы 

на уровне потребителей составляет:

2400 ∙ (1 – 0,34) = 1586 МВт.

Спрос на электроэнергию зависит от большого 

количества  разнообразных  факторов.  Действуя 

совместно,  они  формируют  графики  нагрузки, 

включающие  в  себя  повторяющиеся  закономер-

ности  и  случайные  составляющие.  При  модели-

ровании  нагрузки  используются  среднесуточные 

почасовые  графики  для  каждого  месяца  года. 

Данные  графики  в  относительных  единицах  для 

энергосис темы Ливана приведены на рисунке 2. 

Наибольший  спрос  на  электроэнергию  прихо-

дится на июль, август и сентябрь, наименьший — 

на  март,  апрель  и  май.  При  этом  наименьшая 

суточная пиковая нагрузка составляет 80% от го-

дового максимума. Это говорит о том, что сезон-

ное  изменение  нагрузки  в  энергосистеме  Ливана 

относительно небольшое. Во многом это связано 

с равномерностью климата в течение года. 

На  основе  среднесуточных  графиков  нагрузки 

для  всех  месяцев  года  формируется  вероятност-

ное  распределение  спроса  на  электроэнергию. 

График  распределения  спроса  на  электроэнер-

гию для энергосистемы Ливана на 2018 год пока-

зан  на  рисунке  3.  Этот  график  показывает  число 

часов  в  год,  в  течение  которых  нагрузка  превы-

шает  заданное  значение.  Также  на  этом  графике 

отмечена  располагаемая  мощность  энергосис-

темы  на  уровне  генерации  (генерируемая  мощ-

ность) и располагаемая мощность энергосистемы 

на уровне потребителей (отпускаемая мощность). 

Из рисунка видно, что в течение всего года спрос 

на  электроэнергию  выше  располагаемой  мощ-

ности  энергосистемы  на  уровне  потребителей. 

Другими  словами,  в  течение  всего  года  энерго-

система  находится  в  дефицитном  режиме.  Пока-

затели  LOLP  и  LOLE  составляют  соответственно

1 и 8760 ч/год, вероятность бездефицитной рабо-

ты равна 0. В данном случае эти показатели лише-

ны смысла и не требуют рассмотрения. При таком 

уровне дефицита мощности для оценки балансо-

вой  надежности  применяется  показатель  EENS 

в  относительных  единицах  и  отношение  распо-

лагаемой мощности к пиковому спросу на электро-

энергию.   

Для  рассматриваемого  случая  относительный 

недоотпуск  электроэнергии  (EENS)  составляет 

0,44.  Другими  словами,  в  энергосистеме  обеспе-

чивается  только  56%  спроса  на  электроэнергию. 

Пиковый спрос на электроэнергию в 2,24 раза пре-

восходит  располагаемую  мощность  энергосисте-

мы на уровне потребителей. 

Рис

. 2. 

Среднесуточные

 

месячные

 

графики

 

нагрузки

P

, о.е.

t

, ч

Рис

. 3. 

Распределение

 

спроса

 

на

 

электроэнергию

 

в

 

течение

 

года

P

, МВт

Час года

Cпрос на электроэнергию
Генерируемая мощность
Отпускаемая мощность

УПРАВЛЕНИЕ

СЕТЯМИ







Page 5


background image

51

ОБЕСПЕЧЕНИЕ

 

БАЛАНСА

 

МОЩНОСТИ

 

В

 

УСЛОВИЯХ

 

ДЕФИЦИТА

 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В  существующих  условиях  отсутствует  возмож-

ность одновременно обеспечить электроэнергией 

всех потребителей, поскольку спрос на электро-

энергию значительно превышает располагаемую 

мощность. Нормальное функционирование энер-

госистемы возможно только при балансе мощно-

сти (то есть при значении подключенной нагрузки, 

равной  или  меньшей,  чем  располагаемая  мощ-

ность  энергосистемы).  Снижение  подключенной 

нагрузки  достигается  отключением  части  потре-

бителей от электрической сети.

Для  того  чтобы  все  потребители  имели  до-

ступ  к  электроэнергии,  а  также  для  возможно-

сти планировать свою деятельность, связанную 

с  потреб лением  электроэнергии,  вводится  рас-

писание  электроснабжения.  Расписание  фор-

мируется  для  фидеров  питающих  подстанций. 

В  определенные  часы  суток  фидер  включен, 

в  остальные  —  отключен.  Это  расписание  из-

вестно  потребителям  и  позволяет  им  планиро-

вать свою деятельность. На рисунке 4 показаны 

суточные графики тока фидеров одной из питаю-

щих подстанций 66/11 кВ. На рисунке 5 показано 

количество  включенных  фидеров  в  течение  су-

ток для этой же подстанции.

Видно, что при низких нагрузках в ночные часы 

включены  все  фидеры.  В  дневные  часы  фиде-

ры  включаются  поочередно.  В  период  пиковой 

нагрузки  с  15  до  18  часов  отключена  почти  по-

ловина  фидеров  (9  из  20),  при  этом  каждый  час 

состав  включенных  фидеров  разный.  Такой  под-

ход  позволяет  ограничить  потребление  мощно-

сти  подстанцией  в  целом.  На  рисунке  6  показан 

суммарный  ток  всех  фидеров  рассматриваемой 

подстанции.  Видно,  что  суммарный  ток  практи-

чески  не  превышает  2000  А.  Работа  по  заранее 

установленному  графику  позволяет  потребите-

лям планировать использование электроэнергии, 

но  при  этом  приводит  к  избыточным  ограниче-

ниям. К примеру, в 16 часов суммарная нагрузка 

подстанции составляет 1300 А, и есть достаточ-

ный запас мощности для включения еще несколь-

ких фидеров. 

ПЕРСПЕКТИВНОЕ

 

РАЗВИТИЕ

 

ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

Существующий  план  развития  Ливанской  энерго-

системы [5] подразумевает повышение балансовой 

надежности за счет снижения потерь и строитель-

ства  генерирующих  мощностей.  Повышение  эф-

фективности  работы  энергосистемы  планируется 

за счет постепенной реконструкции существующих 

электростанций с высокой степенью износа, пере-

вода электростанций с мазутного и дизельного топ-

лива на газ, снижения технических и коммерческих 

потерь электроэнергии, регулирования тарифов на 

электроэнергию,  внедрения  возобновляемых  ис-

точников энергии. 

Ввод  новых  генерирующих  мощностей  пла-

нируется  осуществлять  в  два  этапа.  На  первом 

этапе в энергосистеме устанавливается времен-

ная  генерация  на  основе  плавучих  и  передвиж-

ных  электростанций.  Эти  станции  арендуются 

на срок от 3 до 5 лет. Суммарная установленная 

мощность  планируемой  временной  генерации 

составляет  1,5  ГВт.  За  это  время  осуществляет-

ся  строительство  стационарных  электростанций 

суммарной  мощностью  до  3  ГВт.  На  втором  эта-

пе  осуществляется  ввод  в  работу  стационарных 

станций,  при  этом  временные  электростанции 

и  электростанции,  выработавшие  свой  ресурс, 

выводятся из работы.  

Помимо тепловой генерации планируется ввод 

крупных  ветровых  и  солнечных  энергетических 

парков.  Данные  всемирного  атласа  ветровой 

энергетики,  а  также  исследование  всемирного 

банка и ESMAP свидетельствуют о низком потен-

циале использования ветроэнергетических уста-

Рис

. 4. 

Суточные

 

графики

 

нагрузки

 

фидеров

 

подстан

ции

 66/11 

кВ

I

, А

t

, ч

Рис

. 5. 

Количество

 

включенных

 

фидеров

 

подстанции

 

66/11 

кВ

 

в

 

течение

 

суток

t

, ч

Рис

. 6. 

Суточный

 

график

 

нагрузки

 

подстанции

 66/11 

кВ

I

, А

t

, ч

 2 (65) 2021







Page 6