Предотвращение развития аварийных ситуаций в электроэнергетической системе за счет гибкого регулирования потребления электроэнергии

Page 1

Page 2

Предотвращение развития
аварийных ситуаций
в электроэнергетической системе
за счет гибкого регулирования
потребления электроэнергии

УДК 621.316.7

настоящее

время

существует

большое

количество

предпосылок

возникновения

ава

рийных

ситуаций

электроэнергетической

системе

имеющих

как

прогнозируемый

так

случайный

характер

статье

рассмотрены

актуальные

причины

возникновения

аварийных

ситуаций

электроэнергетической

системе

предложен

метод

гибкого

регулирования

потребления

электроэнергии

как

возможный

способ

предотвращения

их

развития

Представлены

предложения

по

реализации

данного

метода

посредством

разработанного

комплекса

технических

средств

состоящих

из

нескольких

комплектов

устройств

пример

их

практического

применения

Удинцев

д.т.н., доцент, доцент кафедры

ЭЭС ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Шведов

к.т.н., доцент, доцент кафедры

ЭЭС ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Милованов

аспирант кафедры ЭЭС

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Ключевые

слова

электроэнергетическая система,

надежность электроснабжения,

электропотребление, график

нагрузки, гибкое регулирование,

аварийная ситуация, технические

устройства

УПРАВЛЕНИЕ

СЕТЯМИ

современной России

электроэнергетическая

система показывает вы-

сокую стабильность ра-

боты в штатных режимах. Про-

ектирование и эксплуатация

электрических сетей осущест-

вляется с учетом возможных

прогнозируемых аварийных си-

туаций. Тем не менее существу-

ет большое количество пред-

посылок возникновения аварий

в электрических сетях, вызван-

ных воздействием чрезвычайных

ситуаций, имеющих случайный

характер и способных негативно

повлиять на надежность элек-

троснабжения

потребителей.

Территория Российской Феде-

рации подвержена воздействию

практически всего спектра опас-

ных природных явлений и про-

цессов [1]. Климат стремительно

меняется, приводя к широкомас-

штабным природным катаклиз-

мам. Современный уровень раз-

вития промышленности должен

предполагать серьезный подход

к оценке тех техногенных опасно-

стей, которые могут возникнуть

при эксплуатации сложных про-

изводств и технологий. Кроме

того, к категории предпосылок

возникновения аварийных си-

туаций можно отнести высокую

концентрацию электрогенериру-

ющего оборудования большой

мощности вдали от конечных

потребителей электроэнергии,

а также недопустимо высокий

износ оборудования в распре-

делительных

электрических

сетях [2].

Существует сезонное изме-

нение количества аварийных

ситуаций на объектах электро-

энергетики различного класса

напряжения в разрезе года [3].

Аварийные ситуации, имеющие

сезонный характер, поддают-

ся прогнозированию, что спо-

собствует минимизации их по-

следствий, путем проведения

электросетевыми организация-

ми и коммунальными службами

профилактических мероприятий

и приведению сил и средств ре-

монтных бригад в полную готов-

ность.

Особый случай — аварийные

ситуации, имеющие случайный

характер и не поддающиеся про-

гнозированию. Причинами таких

аварий могут служить:

– воздействия чрезвычайных си-

туаций природного характера,

нетипичных для данного ре-

гиона или ранее не происхо -

Page 3

На прав

ах рек

ламы

дивших с такой интенсивнос-

тью;

– ошибки персонала при обслу-

живании и эксплуатации обору-

дования на объектах генерации

электроэнергии, невыполнение

команд диспетчера Системного

оператора о загрузке и разгруз-

ке генерирующего оборудова-

ния;

– ошибки персонала при обслу-

живании и оперативных пе ре-

ключениях на распределитель-

ных устройствах (РУ) подстан-

ций различного класса напря-

жения;

– несоблюдение вертикальных

габаритов строительной и тяже-

лой техники при прохождении

под воздушной линией (ВЛ)

электропередачи;

– ведение несанкционированных

строительных работ вблизи

электроэнергетической инфра-

структуры;

– падение на ВЛ легкомоторных

самолетов,

квадрокоптеров,

дронов и воздушных шаров;

– вандализм и преднамеренное

выведение элементов электри-

ческой сети из строя и т.д.

Аварийные ситуации на гене-

рирующем оборудовании приво-

дят к необходимости введения

в работу резервных агрегатов

(при их наличии) или увеличению

загрузки работающих машин.

При невозможности оперативно-

го введения резерва (находится

в плановом ремонте или состо-

янии холодного резерва) или же

дополнительной загрузки рабо-

тающих агрегатов, появляется

дефицит мощности, последстви-

ем которого является нестабиль-

ная работа системы и необходи-

мость отключения потребителей

устройствами

автоматической

частотной разгрузки (АЧР).

Выход в случае аварии из

строя одного элемента системы

передачи и распределения элек-

троэнергии приводит к работе

электрической системы в после-

аварийном режиме, характеризу-

ющимся повышенной загрузкой,

оставшихся в работе элементов

сети, и каждое любое наруше-

ние их функционирования может

привести к каскадному развитию

аварии и массовому нарушению

питания потребителей.

Согласно правилам устрой-

ства электроустановок (ПУЭ,

изд. 6–7), в зависимости от

категории надежности потре-

бителя

электроэнергии,

его

электроснабжение должно осу-

ществляться от одного источни-

ка для III категории надежности

или двух и более независимых

источников для I и II категорий

надежности. Причем требование

о наличии двух независимых вза-

иморезервирующих источников

питания должно выполняться на

всем протяжении условного пути

«генерация — конечный потреби-

тель».

Современные стандарты про-

ектирования и построения то-

пологии электрических сетей

предполагают работу взаимо-

резервирующих элементов сети

в нормальном режиме в недогру-

женном состоянии, чтобы иметь

возможность принять на себя

нагрузку вышедшего из строя

элемента. Настройка автомати-

ки и релейной защиты в электри-

ческих сетях выполнена таким

образом, чтобы не допустить

превышения нагрузки, протека-

ющей через элемент сети сверх

длительно допустимой. Одна-

ко рост энерговооруженности

личных хозяйств и рост потре-

бления электроэнергии в целом

превышает существующую про-

пускную способность электри-

ческих сетей, а модернизация

и развитие электросетевой ин-

фраструктуры не успевает за

постоянно возрастающей по-

требностью в электроэнергии.

В данной ситуации часть эле-

ментов электрической сети уже

в нормальном режиме работают

с загрузкой, близкой к номиналь-

ным значениям, и в послеава-

рийном режиме не могут принять

на себя всю необходимую на-

грузку и подлежат отключению

средствами защиты.

Исходя их этого, имеют место

частые случаи, когда локальное

кратковременное (обусловлен-

ное климатическими или су-

точно-временными факторами)

повышенное потребление элек-

троэнергии, сопровождающееся

повышением нагрузки на элемен-

тах сети, приводит к отключению

всей питающей линии или под-

№

5 (56) 2019

Page 4

УПРАВЛЕНИЕ

СЕТЯМИ

станции при наличии в целом до-

статочной свободной мощности

в системе.

Возможным путем предотвра-

щения развития указанных выше

аварийных ситуаций в элек тро-

энер ге ти чес кой системе может

служить гибкое регулирование

потребления

электроэнергии.

Основная суть данного метода

заключается в возможности фор-

мирования графика нагрузки,

в зависимости от наличия свобод-

ной мощности в системе с учетом

пропускной способности элемен-

тов электрической сети.

Возможность формирования

графика достигается за счет:

– временного повышения про-

пускной способности системы

передачи и распределения

электроэнергии за счет уче-

та суммарной термической

нагрузки отдельных элемен-

тов сетей (трансформаторов,

воздушных и кабельных ли-

ний);

– перехода от дискретного регу-

лирования (включение/выклю -

чение

отдельных

линий)

к плавному (изменение зна-

чения уставок аппаратов

защиты и реле приоритетных

нагрузок) на неприоритетных

потребителях электроэнергии

в периоды отсутствия свобод-

ной мощности в системе;

– заблаговременного запуска

резервных источников элек-

троэнергии потребителей I ка-

тегории надежности особой

группы и перевода на них, как

на основной источник элек-

троэнергии, указанных потре-

бителей.

Таким образом, осуществля-

ется адаптация параметров на-

грузки к возможностям генерации

и пропускной способности элек-

трической сети.

Для реализации предложен-

ного метода в настоящее время

специалистами кафедры «Элек-

троэнергетические

системы»

Национального исследователь-

ского университета «МЭИ» [4]

проводятся исследования, це-

лью которых является предот-

вращение развития аварийных

ситуаций в электроэнергетиче-

ской системе за счет применения

комплекса технических средств,

обеспечивающих гибкое регули-

рование потребления электро-

энергии.

Комплекс технических средств

(рисунок 1), разрабатываемый

в рамках данного исследования,

состоит из нескольких комплек-

тов устройств, в основе которых

лежат уникальные технические

предложения по предотвраще-

нию развития аварий.

Комплект

устройств

повышающих

пропускную

способность

системы

передачи

распределения

электроэнергии

за

счет

учета

суммарной

терми

ческой

нагрузки

отдельных

элементов

сетей

Включает в себя:

– устройство защиты кабельной

линии [5];

– устройство повышения про-

пускной способности воздуш-

ной линии;

– устройство защиты трансфор-

матора (данные устройства

целесообразно интегрировать

в существующие аппараты

защиты оборудования и прово-

дников).

Позволяет наиболее эффек-

тивно использовать элементы

электрической сети за счет по-

вышения их пропускной способ-

ности; повысить надежность

электроснабжения потребителей

в условиях аварийных ситуаций,

в результате возможности рабо-

ты элементов электрической сети

в режиме перегрузки дополни-

тельный отрезок времени, необ-

ходимый для ликвидации аварии

или восстановления работоспо-

собности поврежденных элемен-

тов; минимизировать ущерб у по-

требителей при нарушении элек-

троснабжения.

Комплект

устройств

регулирования

передава

емой

мощности

распре

делительных

сетях

при

дефиците

мощности

энергосистеме

Включает в себя:

– устройство регулирования пе-

редаваемой мощности в рас-

пределительных сетях при

дефиците мощности в энерго-

системе [6];

– устройство заблаговременного

включения резервного источ-

ника питания [7].

Позволяет осуществить огра-

ничение потребления мощно-

сти в условиях ее дефицита за

счет: перехода от дискретно-

го регулирования (включение/

выключение отдельных линий)

к плавному (изменение значе-

ния уставок аппаратов защиты

и реле приоритетных нагрузок)

на неприоритетных потреби-

телях электроэнергии, а также

перевода потребителей I катего-

рии надежности особой группы

на собственный локальный ис-

точник электроэнергии.

Практическое

применение

предлагаемого метода можно рас-

смотреть на примере простейше-

го потребителя — коттеджного по-

селка.

Характеристики поселка:

– численность домовладений —

200;

– выделенная

(разрешенная)

мощность на одно домовладе-

ние — 15 кВт;

– категория надежности электро-

снабжения — III;

– мощность трансформаторной

подстанции — 630 кВА;

– газовое отопление отсутствует.

Упрощенный график нагрузки,

характерный для данного потре-

бителя, и планируемые резуль-

таты применения предлагаемых

комплектов, представлены на

рисунке 2. Рассмотрен вариант

работы системы электроснаб-

жения поселка в зимний период

в условиях низких температур.

Из данного рисунка видно, что

в усло виях постоянного про-

живания ограниченного коли-

чества жителей в будние дни

дефицит мощности в системе

не наблюдается. В пятницу по-

степенно прибывают отдыхаю-

щие и, учитывая низкую темпе-

ратуру, включают электрическое

отопление для прогрева домов,

в которых не проживают по-

стоянно. Реализуется это в том

числе с помощью автоматиче-

ских средств, управляемых дис-

танционно. При одновременном

прогреве электрическим отопле-

нием более 21% домовладений

и использовании ими всей вы-

деленной на дом мощности, фак-

Page 5

Энергосистема

Тр-р

110/10 кВ

ВЛ1

Тр-р

110/10 кВ

Потребитель

электроэнергии

УППС

УЗВР

Г2

РУ 110кВ

УППС

ВЛ2

УЗТ

РУ 10кВ

УРПМ

УППС

УРПМ

УППС

ВЛ1

ВЛ2

УЗТ

Тр-р

10/0,4 кВ

Тр-р

10/0,4 кВ

Г1

РУ 0,4кВ

УРПМ

УЗКЛ

УРПМ

УЗКЛ

КЛ1

КЛ2

Потребитель

электроэнергии

ДЭС

Рис

. 1.

Комплекс

технических

средств

предотвращения

разви

тия

аварийных

ситуаций

элек

троэнергетической

системе

Устройство

защиты

трансформатора

Устройство

заблаговременного

включения

резервного

источника питания

(Патент на полезную

модель № 168255,

Российская

Федерация, МПК

H02J3/24)

Устройство

регулирования

передаваемой

мощности в рас-

пределительных

сетях при дефиците

мощности

в энергосистеме

(Патент на полезную

модель № 151734,

Российская

Федерация, МПК

H02J 3/06)

Устройство

защиты

кабельной

линии

(Патент на по-

лез ную модель

№ 155967,

Российская

Федерация,

МПК H02H3/00)

Устройство

повышения

пропускной

способности

воздушной

линии за счет

учета суммарной

термической

нагрузки

№

5 (56) 2019

Page 6

УПРАВЛЕНИЕ

СЕТЯМИ

, кВт

, дни недели

Пн

Вт

Ср

Чт

Пт

Сб

Вс

1000

500

1500

Пн

ср. защ

Изменение графика

потребления при при-

менении

комплекта

устройств регулиро-

вания передаваемой

мощности

за счет

изменения значений

уставок аппаратов

защиты и реле при-

оритетных нагрузок

и плавного ограниче-

ния потребления.

Изменение графика

потребления при со-

вместном применении

комплекта устройств,

повышающих про-

пускную способность

системы передачи

и распределения

электроэнергии,

и комплекта устройств

регулирования пере-

даваемой мощности.

Срабатывание защиты при превышении длительно

допустимых значений нагрузки и отключение потреби-

телей в

существующей сис теме электроснабжения

Перебой в электроснабжении на период работы опера-

тивной бригады. При непринятии организационных мер

по снижению нагрузки — повторение отключений.

Срабатывание защиты при превы-

шении критических значений нагруз-

ки и отключение потребителей при

применении

комплекта устройств,

повышающих пропускную способ-

ность системы передачи и распре-

деления электроэнергии за счет

учета суммарной термической

нагрузки

. В ряде случаев при

непревышении суммарной термиче-

ской нагрузки возможна работа без

отключений.

Возможность допол-

нительного времени

работы системы пере-

дачи и распределения

электроэнергии за счет

временного

повыше-

ния ее пропускной

способности

Рис

. 2.

Упрощенный

график

нагрузки

коттеджного

поселка

зимний

период

планируемые

результаты

применения

предлагаемого

метода

Усредненное потребление электроэнергии

постоянно проживающими жителями поселка

Резкий рост по-

требления электро-

энергии в связи

с увеличением числа

проживающих в вы-

ходные дни

Постепенное сни-

жение потребления

электро энергии в связи

с отъездом лиц, про-

живающих только

в выходные дни

тическая нагрузка становится

равной номинальной мощности

трансформаторной подстанции:

200 × 0,21 × 15 кВт = 630 кВт. При

дальнейшем увеличении нагруз-

ки и в зависимости от значений

уставок защит произойдет от-

ключение

трансформаторной

подстанции поселка и нарушение

электроснабжения всех его жите-

лей. Создастся ситуация, заклю-

чающаяся в том, что при наличии

в целом свободной мощности

в системе, использование ее не-

возможно из-за наличия ограни-

ченного по времени локального

максимума в графике нагрузок.

После прогрева домовладений

нагрузка снижается и достигает

значения расчетной мощности.

В данных условиях избежать

возможности возникновения ава-

рийной ситуации позволит из-

менение графика потребления

электроэнергии посредством со-

вместного применения комплек-

тов устройств регулирования

передаваемой мощности и повы-

шающих пропускную способность

электрической сети за счет учета

суммарной термической нагрузки.

Комплект устройств повышения

пропускной способности элек-

трической сети дает возможность

дополнительного ограниченного

времени работы системы в режи-

ме перегрузок, не превышающих

критического значения, в то вре-

мя как комплект устройств регу-

лирования передаваемой мощ-

ности позволит стабилизировать

график нагрузок и привести его

к расчетным значениям до сра-

батывания устройств защиты, от-

ключающих трансформаторную

подстанцию.

Предлагаемый метод гиб-

кого регулирования потребле-

ния электроэнергии может быть

использован не только для

предотвращения развития ава-

рийных ситуаций в существу-

ющей энергосистеме, но и для

изолированных

энергосистем

и энергосистем, содержащих

распределенную генерацию для

приведения графика нагрузки

в соответствие с имеющейся

в сис теме свободной мощно-

стью.

Page 7

ЛИТЕРАТУРА

1. МЧС России: Оперативная информация. URL: http://

www.mchs.gov.ru/operationalpage.

2. РОСТЕХНАДЗОР: Энергетическое оборудование. URL:

http://www.gosnadzor.ru/activity/analiz/energy/.

3. ФГБУ «Ситуационно-аналитический центр Минэнерго

России»: Деятельность. Чрезвычайные ситуации. URL:

http://www.сацминэнерго.рф/map/Pages/emergency_

situations.aspx.

4. Милованов П.К., Удинцев Д.Н. Повышение надежно-

сти систем электроснабжения в условиях негативных

внешних воздействий // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача

и распределение, 2016, № 1(34). С. 34–40.

5. Патент на полезную модель № 155967, РФ, МПК

H02H3/00. Устройство защиты кабельной линии. Удин-

цев Д.Н., Тульский В.Н., Милованов П.К., Пешков А.А.;

заявитель и патентообладатель — ФГБОУ ВП «НИУ

«МЭИ» (RU). № 2014141761/07; заявл. 16.10.2014;

опубл. 27.10.2015, бюл. № 30.

6. Патент на полезную модель № 168255, РФ, МПК

H02J3/24. Устройство регулирования передаваемой

мощности в распределительных сетях при дефици-

те мощности в энергосистеме. Удинцев Д.Н., Туль-

ский В.Н., Милованов П.К., Хомичев Д.А., Король-

ков Д.А.; заявитель и патентообладатель — ФГБОУ ВПО

«НИУ «МЭИ» (RU). № 2016128513; заявл. 13.07.2016;

опубл. 25.01.2017, бюл. № 3.

7. Патент на полезную модель №1 51734, РФ, МПК

H02J3/06. Устройство регулирования передаваемой

мощности в распределительных сетях при дефици-

те мощности в энергосистеме. Удинцев Д.Н., Туль-

ский В.Н., Купцова М.Д., Александров С.С.; заявитель

и патентообладатель — ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» (RU).

№ 2014114890/07; заявл. 16.04.2014; опубл. 10.04.2015.

REFERENCES

1. Ministry of Emergency Situations of Russia: Operative in-

formation. URL: http://www.mchs.gov.ru/operationalpage.

(in Russian)

2. ROSTEKHNADZOR [Federal Environmental, Indus-

trial and Nuclear Supervision Service of Russia]: Power

equipment. URL: http://www.gosnadzor.ru/activity/analiz/

energy/. (in Russian)

3. Federal State Budgetary Institute “Situational-Analytical

Center of Ministry of Power of Russia”: Activities. Emer-

gencies. URL: http://www.сацминэнерго.рф/map/Pages/

emergency_situations.aspx. (in Russian)

4. Milovanov P.K., Udintsev D.N. Improvement of reliability

of power supply systems in negative external conditions //

ELECTRIC POWER. Transmission and Distribution, 2016,

№1(34). pp.34–40. (in Russian)

5. Useful model patent №155967, RF, MPK H02H3/00. Cable

line protection device. Udintsev D.N., Tulskiy V.N., Milova-

nov P.K., Peshkov A.A.; applicant and patentee — NRU

“MPEI” (RU). № 2014141761/07; dated 16.10.2014; pub-

lished 27.10.2015, bulletine № 30. (in Russian)

6. Useful model patent №168255, RF, MPK H02J3/24. Trans-

mission capacity adjustment device for distribution net-

works operating in conditions of power deﬁ ciency in the

power system. Udintsev D.N., Tulskiy V.N., Milovanov P.K.,

Khomitchev D.A., Korolkov D.A.; applicant and patentee —

NRU “MPEI” (RU). № 2016128513; applied 13.07.2016;

published 25.01.2017, bulletine №3. (in Russian)

7. Useful model patent №151734, RF, MPK H02J3/06.

Transmission capacity adjustment device for distribution

networks operating in conditions of power deﬁ ciency in

the power system. Udintsev D.N., Tulskiy V.N., Kuptsova

M.D., Alexandrov C.C.; applicant and patentee — NRU

“MPEI” (RU). № 2014114890/07; applied 16.04.2014; pub-

lished 10.04.2015. (in Russian)

На прав

ах рек

ламы

№

5 (56) 2019

Оригинал статьи: Предотвращение развития аварийных ситуаций в электроэнергетической системе за счет гибкого регулирования потребления электроэнергии

Ключевые слова: электроэнергетическая система, надежность электроснабжения, электропотребление, график нагрузки, гибкое регулирование, аварийная ситуация, технические устройства

Читать онлайн

В настоящее время существует большое количество предпосылок возникновения аварийных ситуаций в электроэнергетической системе, имеющих как прогнозируемый, так и случайный характер. В статье рассмотрены актуальные причины возникновения аварийных ситуаций в электроэнергетической системе и предложен метод гибкого регулирования потребления электроэнергии как возможный способ предотвращения их развития. Представлены предложения по реализации данного метода посредством разработанного комплекса технических средств, состоящих из нескольких комплектов устройств, и пример их практического применения.