книги из ГПНТБ / Мельников, Н. А. Проектирование электрической части воздушных линий электропередачи 330-500 кВ

Глава третья

УСЛОВИЯ РАБОТЫ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ В СЛОЖНОЙ СЕТИ

Электрические сети энергосисте­ мы напряжением 330 и 500 кВ должны обеспечивать несколько функций — передачу и распределение электроэнергии электриче­ ских станций энергосистемы; обеспечение внутрисистемных пе­ ретоков электроэнергии и мощности, обусловленных параллель­ ной работой электростанций данной энергосистемы; обеспечение параллельной работы районных энергосистем в рамках данной объединенной энергосистемы и, наконец, обеспечение парал­ лельной работы объединенной энергосистемы в рамках Единой энергосистемы европейской части страны или Единой энергети­ ческой системы Союза. В зависимости от структуры электросе­ тей того или иного энергетического объединения, от коммутации сетей различного напряжения, наличия замкнутых или разомк­ нутых сетей перечисленные функции могут выполняться сетями различных напряжений или сочетаться в той или другой комби­ нации. Это усложняет анализ работы сложной сети высокого напряжения.

3-1 РАЗВИТИЕ ЭНЕРГОСНАБЖАЮЩИХ СЕТЕЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Развитие электрической сети для выдачи мощности электро-

•станций в современной мощной энергосистеме определяется еди­ ничной мощностью электростанций, территориальным размеще­ нием электростанций и узлов потребления и плотностью элек­ трической нагрузки. Питающие современную энергосистему теп­

64

ловые электростанций-'на каменном угле, мазуте и природном газе, атомные электростанции и приемные подстанции мощных дальних электропередач должны размещаться вблизи от цен­ тров электрической нагрузки.

Плотность электрической нагрузки в наших энергосистемах за 10 лет увеличивается в 2—2,5 раза. Единичная мощность теп­ ловых и атомных электростанций за тот же период увеличится также вдвое. В связи с этим дальность передачи энергии от мощных электростанций по сетям 330—500 кВ в перспективе не увеличивается.

По расчетам Энергосетьпроекта в среднем дальность элек­ тропередачи от тепловых электростанций в ближайшие годы со­ ставит 100—300 км и только в отдельных случаях достигнет 500 км. С увеличением мощности энергосистемы и питающих

ееэлектростанций увеличиваются перетоки по сети 330—500 кВ. Для выявления основных направлений в развитии электриче­

ских сетей для выдачи мощности крупных электростанций Энергосетьпроектом был выполнен технико-экономический анализ

электроэнергии внутри объединенной энергосистемы.

На рис. 3-1 показаны зависимости расчетных затрат на пе­

Рис. 3-1. Зависимость расчетных затрат на передачу электроэнергии для различных соче­ таний напряжений.

а — при напряжении существующей сети 330 кВ; б — при напряжении существующей се­ ти 500 кВ.

В системах с напряжением сети 330 кВ введение более вы­

ности свыше 800—1400 МВт на расстояние соответственно

500—300 км.

В системе с напряжением сети 500 кВ введение более высо­ кого напряжения (750 или 1 000 кВ) для выдачи энергии нецеле­ сообразно даже при необходимости обеспечения потоков мощ­ ности в одном направлении около 3 000 МВт и на расстояние до

500 км.

Эти цифры, конечно, являются ориентировочными и должны проверяться при проектировании. Более ранний переход к элект­ рическим сетям повышенного напряжения может быть связан с проблемой отвода трасс для линий электропередач в условиях тесно застроенных промышленных или пригородных районов.

Напряжение 330 кВ достаточно для выдачи электроэнергии от электростанций 2000-=-2500 МВт, сооружаемых в тех объеди­ нениях, где оно является основным (ОЭС Юга, ОЭС Северо-За­ пада). Для станций большей мощности, сооружаемых в этих объединениях, часть генераторов придется коммутировать на на­ пряжении 750 кВ. Напряжение 500 кВ достаточно и экономически оправдано для выдачи электроэнергии от электрических станций мощностью до 5—6 млн. кВт. Для передачи энергии электриче­ ских станций и приемных подстанций дальних передач мощно­ стью 10—12 млн. кВт должны быть использованы линии 750 или

энергосистем, совместная работа которых обусловлена наличием межсистемных линий электропередачи высокого напряжения с достаточной пропускной способностью, имеющих единый топ­ ливно-энергетический баланс, общий резерв мощности, общее диспетчерское управление и обслуживающих территорию опре­ деленного экономического района.

Экономической основой создания энергосистем и их объеди­ нения являются:

1)уменьшение величины суммарного резерва мощности;

2)улучшение использования мощности и энергии гидроэлек­ тростанций, улучшение их экономичности;

66

3) увеличение мощности агрегатов тепловых электростан­ ций, увеличение мощности тепловых электростанций в целом и в связи с этим снижение удельного расхода топлива и сниже­ ние капитальных затрат;

4)улучшение использования энергетических ресурсов рай­ она, обслуживаемого энергосистемой;

5)уменьшение суммарного максимума нагрузки;

6) взаимопомощь в случае неодинакового сезонного измене­ ния мощности электростанций;

7) взаимопомощь при неодинаковых сезонных изменениях нагрузок;

8 ) взаимопомощь при проведении ремонтов оборудова­ ния и ликвидации аварий на электростанциях и в электриче­ ских сетях.

Межсистемные энергетические связи должны обеспечивать: 1 ) передачу мощности и электроэнергии из районов,- более обеспеченных энергетическими ресурсами, в районы, менее обес­

печенные; 2 ) выдачу в другие объединенные энергосистемы мощности

и электроэнергии крупных межсистемных электростанций, что позволит ускорить освоение мощности этих электростанций;

3)реализацию эффекта объединения — совмещение графи­ ков нагрузки и объединение резервов;

4)увеличение экономичности строительства электростанций за счет их укрупнения и увеличения мощности и параметров агрегатов;

5)увеличение экономичности работы энергосистем за счет улучшения режимов работы электростанций.

Все эти функции межсистемных энергетических связей повы­ шают требования к их пропускной способности и надежности действия.

Объединение энергосистем должно быть оправдано сопостав­ лением экономического эффекта, реализуемого в течение неко­ торого промежутка времени за счет сооружения одной или не­ скольких межсистемных связей, с соответствующими расчетны­ ми затратами на сооружение и эксплуатацию этих межсистем­ ных связей, отнесенных к тому же промежутку времени.

Условно межсистемные связи можно разделить на энергети­ ческие связи и маневренные связи, поскольку межсистемные связи могут в процессе развития энергосистем выполнять ту или иную функцию, или обе функции одновременно.

Энергетическая межсистемная связь характеризуется, глав­ ным образом, постоянной или почти постоянной передачей элек­ троэнергии из одной энергосистемы с более дешевой электро­ энергией в другую.

Экономический эффект от сооружения такой энергетической связи реализуется прежде всего за счет разницы в стоимости электроэнергии передающей и приемной энергосистем. Манев-

репные межсистемные связи реализуют межсистемный эф­ фект— уменьшение величины резерва в объединенной энергоси­ стеме, использование сезонных ресурсов энергии, улучшение ре­ жимов работы параллельно работающих станций, улучшение условий проведения ремонтов и т. д.

Графики нагрузки маневренных межсистемных электропере­ дач обычно реверсивиы и характеризуются относительно малым числом часов использования максимума (до 2 ,5— 3 тыс. ч).

Экономическая целесообразность сооружения межсистемных связей должна быть обоснована за счет уменьшения установ­ ленной мощности электростанций в объединенной энергосистеме, использования сезонных излишков электроэнергии, экономим за счет улучшения режимов работы электростанций, их укруп­ нения и т. д.

При определении пропускной способности проектируемой межсистемной связи необходимо рассчитать прежде всего энер­ гетические потоки между объединяемыми системами, определя­ емые энергетическим балансом данного объединения и разни­ цей в стоимости электроэнергии в объединяемых энерго­ системах.

Необходимо обеспечить наиболее полное использование рас­ полагаемой мощности гидроэлектростанций, тепловых электро­ станций с наиболее низкой стоимостью энергии и атомных элек­ тростанций. Эти энергетические потоки должны быть определе­ ны во времени в соответствии с условиями оптимального нара­ щивания мощности электростанций, условиями роста нагрузок в отдельных частях объединения и с учетом возможной неравно­ мерности развития станций и нагрузок.

Для планируемого отрезка времени должны быть определе­ ны размеры и направления перетоков мощности, определяемых эффектом совмещения максимумов нагрузок в отдельных частях

Объединение энергосистем позволяет значительно сократить величину необходимого вращающегося резерва на электростан­ циях. Для Единой энергосистемы европейской части СССР

общий аварийный резерв втрое меньше суммы необходимых резервов отдельных объединений при их изолированной работе.

Сокращение резервов в объединенной энергосистеме приво­ дит к появлению значительных перетоков внутри ОЭС и по меж­ системным связям, связанных с переброской резервных мощно­ стей из одной части объединений в другую при авариях на элек­ тростанциях или в электрических сетях.

Особо тщательно следует учитывать требования к межси­ стемным связям внутри единой энергосистемы при потере крупного источника электроэнергии, электростанции мощно­

68

стью 5—10 млн. кВт, дальней передачи мощностью 6— 10 млн. кВт.

Аналогичная проблема возникает при рассмотрении пропуск­ ной способности внутрисистемной связи какого-либо объедине­ ния при потере внутри него крупной электрической связи или питающей дальней передачи.

Значительные перетоки по межсистемным связям возникают в течение суток при рациональном планировании суточных гра­ фиков нагрузок электростанций объединенных энергосистем в связи с неоднородным характером графиков нагрузки и раз­ личием в составе оборудования электростанций отдельных объ­ единений.

Наконец, при определении пропускной способности межси­ стемных связей необходимо учитывать нерегулируемые потоки мощности, связанные с быстрым изменением нагрузки и мощно­ сти электростанций. Величина этих нерегулируемых перетоков может достигнуть 1 —2 % мощности меньшей из объединяемых энергосистем. Вопрос о нерегулируемых перетоках мощности по межсистемным связям изучен еще недостаточно. Но даже принимая меньшие значения этих перетоков, полученные при за­ мерах в объединенной системе, равные 1 % мощности меньшей системы, получим абсолютное значение этих перетоков на от­ дельных направлениях равным 500—800 МВт, т. е. близкое к пропускной способности одной цепи линии 500 кВ.

Следует иметь в виду, что некоторые межсистемные перетоки не являются постоянно действующими (аварийные, сезонные, внеплановые перетоки) и задача определения суммарной про­ пускной способности данной межсистемной связи носит вероят­ ностный характер и требует весьма тщательного анализа опыта эксплуатации объединенных энергосистем и перспектив их раз­ вития и выявления возможности возникновения целого ряда слу­ чайных событий.

К таким случайным событиям, до сих пор не учитывавшимся при проектировании энергосистем, относятся: запоздание против плана ввода мощности на электростанциях, запоздание или опе­ режение роста нагрузок по сравнению с планом, затруднения в освоении нового оборудования на электростанциях или на участ­ ках потребителей, увеличение аварийности в первый период освоения нового оборудования электростанций и в сетях.

Трудности учета этих случайных событий и получения их ве­ роятностных характеристик весьма велики ввиду ограниченно­ сти статистических данных.

Исследования развития крупных объединенных энергосистем показывают, что требования к пропускной способности межси­ стемных энергетических связей систематически увеличиваются, примерно удваиваясь за каждые 10 лет, и на важнейших на­ правлениях достигают 4—5, а затем 8—10 млн. кВт.

69

3-3 МЕТОДЫ ПРОРАБОТОК СЛОЖНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ

При разработке перспективного проекта сложной электрической сети мощ­ ной районной и тем более объединенной энергосистемы необходимо учитывать большое количество исходных данных о потребности в электроэнергии различ­ ных потребителей, о располагаемых энергоресурсах, об эксплуатационных ха­ рактеристиках, экономических и технических параметрах действующих и про­ ектируемых энергосистем.

С математической точки зрения задача оптимизации развития энергетики является очень трудоемкой в связи с огромным числом искомых величин, что обусловлено динамическим характером задачи, нелинейностью оптимизируемой функции приведенных затрат и уравнений ограничений, а также дискретностью отдельных искомых величин.

Основой перспективного планирования должны быть изучение энергетики как сложной совокупности больших развивающихся систем и широкое приме­ нение современных методов математического моделирования и средств вычи­ слительной техники как инструмента для исследования и планирования.

Оптимизация развития энергосистем требует решения оптимизационной за­ дачи с большим числом неизвестных, задачи нелинейной, частично дискретной, частично целочисленной. В настоящее время нет разработанных математиче­ ских методов для решения подобных задач.

В связи с этим работа по созданию математических моделей оптимизации начата с более простых моделей, при постепенном усложнении их по мере раз­ вития необходимых математических методов.

Определение перспективных режимов электропотребления. Для различных расчетных уровней и разных периодов года эта задача является часто повто­ ряющейся и весьма трудоемкой, поэтому для решения ее в институте Энергосетьпроект была разработана программа расчетов на ЦВМ. Алгоритм этой программы основан на методических положениях, разработанных институтом совместно с Энергетическим институтом имени Г. М. Кржижановского (ЭНИН) и позволяющих учитывать как регулярно действующие, так и случайные фак­ торы, влияющие на формирование графика нагрузки. Программа позволяет (при заданном уровне и структуре электропотребления) определять характер­ ные суточные графики зимнего и летнего рабочего дня, величину годового максимума нагрузки, а также годовые графики месячных максимумов и месяч­ ного электропотребления.

Определение необходимой величины аварийного резерва. Из всех видов энергетических резервов, необходимых в энергосистемах (ремонтный, частот­ ный, аварийный), наиболее сложным является определение оптимальной вели­ чины аварийного резерва, которая является сложной функцией аварийности оборудования, единичной мощности агрегатов, плотности графиков нагрузки, а для объединенных энергосистем— также пропускной способности и надеж­ ности межсистемных линий электропередачи.

Для определения оптимальной величины аварийного резерва в настоящее время также используется программа для ЦВМ. Эта программа базируется на методических положениях, разработанных совместно с ЭНИН имени Г. М. Кржижановского применительно к концентрированным теплоэнергети­ ческим системам.

Выбор оптимальной структуры генерирующих мощностей. Для получения решений, соответствующих общему народнохозяйственному оптимуму, выбор структуры энергосистемы должен производиться с учетом внешних связей про­ ектируемой ОЭС со всеми другими системами, входящими в общеэнергетиче­ скую систему страны.

70

Технико-экономическое сопоставление вариантов развития современной мощной энергосистемы является чрезвычайно трудоемкой задачей, решение которой в полном объеме с необходимой степенью детализации невозможно без применения так называемых оценочных математических моделей, реализуе­ мых в виде программ для ЭЦВМ.

Оценочные модели представляют собой совокупность частных математи­ ческих моделей, при помощи которых могут выполняться различные элементы разработки и производиться оценка каждого из рассмотренных вариантов раз­ вития энергосистемы. Указанные модели в зависимости от конкретных условий могут использоваться как в увязке друг с другом, так и раздельно.

В настоящее время в институте Энергосетьпроект и его отделениях, Сибир­ ском энергетическом институте СО АН СССР и ЭНИН имени Г. М. Кржижа­ новского ведется интенсивная работа по созданию и отработке систем оценоч­ ных моделей. Ответственным моментом при оптимизации структуры энергоси­ стем с помощью оценочных моделей является выбор подлежащих сравнению вариантов. Сложность этой задачи объясняется возможностью существования множества планов развития рассматриваемой энергосистемы, различающихся составом сооружаемых энергетических объектов, а также временем и местом ввода их в эксплуатацию. Перебор и оценка всего множества вариантов даже с применением наиболее совершенной вычислительной техники на современном этапе не представляется возможным. Поэтому при реальном проектировании задача выбора оптимальной структуры ОЭС должна решаться рассмотрением ограниченного числа вариантов, намеченных на основе предварительного тех­ нико-экономического анализа.

Эффективным методом такого анализа является применение так называе­ мых «оптимизационных моделей», с помощью которых оптимальные решения находятся не сопоставлением заранее намеченных вариантов, а нахождением наивыгоднейшего сочетания заданного набора энергетических объектов (элек­ тростанций и основных линий электропередачи). Вследствие того что в опти­ мизационных моделях используются приближенные методы, получаемые ре­ зультаты должны рассматриваться как общее направление развития энерго­ системы, подлежащее уточнению с помощью более точных оценочных моделей.

Оптимизационные модели могут быть основаны на принципах линейного и нелинейного программирования. В настоящее время наибольшее развитие получили линейные оптимизационные модели, которые используются в прак­ тике проектирования для определения оптимальных направлений развития энергосистем для исследования влияния изменения различных факторов (уров­ ней электропотребления, технико-экономических показателей и электростанций и т. п.) на результаты оптимизации.

Параллельно с дальнейшим усовершенствованием линейных моделей в ин­ ституте Энергосетьпроект, Сибирском энергетическом институте АН СССР

и в ЭНИН ведутся исследования по созданию нелинейных оптимизационных моделей, более точно Отражающих реальные экономические и энергетические зависимости в моделируемой энергосистеме.

Анализ режимов работы электростанций. Определение экономически целе­ сообразных режимов работы электростанций является одним из важнейших элементов перспективного проектирования. Расчет характерных режимов рабо­ ты энергосистемы необходим для оценки годовых издержек по рассматривав-, мым вариантам структуры генерирующих мощностей, выявления перетоков мощности и энергии между отдельными энергосистемами, а также для обосно­ вания требований к оборудованию.

Сразвитием энергосистем рассмотрение режимов работы электростанций

сучетом сетевых связей становится все более трудоемким и требует исполь­ зования ЭЦВМ.

Для определения экономических режимов энергосистемы рядом авторов предложены алгоритмы и разработаны соответствующие программы, но боль­ шая часть разработок выполнена для условий эксплуатируемых энергосистем и требует очень подробной информации о характеристиках электростанций и о параметрах сети. Трудоемкость подготовки исходной информации для использования этих методов несоизмерима с имеющимися объемами н точ­

71

ностью исходной информации при перспективном проектировании энерго­ систем.

В настоящее время в практике проектирования для определения целесооб­ разных суточных режимов электростанций используется упрощенный алгоритм и программа, разработанная в институте Энергосетьпроект в, 1962—1965 гг.

Недостатком использованного метода является невозможность строго ог­ раничить межсистемные перетоки пропускной способностью связей, предель­ ной по условиям устойчивости работы энергосистем. В настоящее время в СЭИ АН СССР, институтах Энергосетьпроект и ЭНИН имени Г. М. Кржи­ жановского ведутся работы по устранению этого недостатка режимной модели.

Годовой режим электростанций в настоящее время определяется распро­ странением на определенное число дней характерных суточных режимов для зимы, лета и паводка.

Разработка схем развития электрических сетей. При отыскании целесооб­ разного пути развития электрической сети необходимо осуществлять выбор оптимального варианта по экономическим и техническим показателям.

Наибольшие затруднения возникают при проектировании схем основных сетей сложных комплексов, у которых электрические сети, являясь системо­ образующими, должны удовлетворять целям распределения и обеспечивать межсистемные обмены в размерах, удовлетворяющих условиям повышения эко­ номичности и обеспечения надежности объединения.

Величина целесообразной пропускной способности основной сети объеди­ нения определяется совокупностью межснстемных перетоков мощности, свя­ занных с особенностями структуры размещения электростанций в объедине­ ниях и режимов их работы, с реализацией эффекта объединения (за счет сов­ мещения максимумов нагрузки и сокращения суммарного резерва мощности), с выравниванием балансов мощности при отклонениях фактического роста на­ грузок или генерирующих мощностей в отдельных частях объединения от пла­ нируемого.

В практике проектирования задача развития сети решается поэтапно. На первоначальном этапе выбора схемы сети определяются близкие по приведен­ ным затратам варианты схемы, удовлетворяющие целям распределения и транспортирования мощности, затем в результате технических исследований схема должна быть дополнена линиями электропередач, обеспечивающими не­ обходимую пропускную способность и надежность в аварийных ситуациях с учетом возможностей противоаварийной системной автоматики. Первона­ чальные варианты схемы основной электрической сети намечаются, как пра­ вило, на основе общего анализа балансов мощности отдельных узлов и расче­ тов потокораспределения активной мощности.

Выбор вариантов схемы, подлежащих дальнейшему исследованию, может быть также произведен с использованием программы «покоординатной опти­ мизации сети», разработанной Институтом физико-технических проблем энер­ гетики АН Литовской ССР. С помощью этой программы оптимизация сети осуществляется для одного периода в результате перебора возможных вари­ антов развития сети и размещения варьируемых электростанций. Критерием оптимизации является минимум суммы приведенных затрат на строительство и эксплуатацию всех элементов рассматриваемой системы (как существующих, так и вновь сооружаемых). Использование метода «покоординатной оптими­ зации» позволяет более точно и объективно наметить варианты схем.

В настоящее время ведется экспериментальная проверка нового варианта программы оптимизации сети, позволяющей учитывать динамику развития II изменение нагрузок в узлах.

72