Ю. Н. Балаков, М. Ш. Мисриханов, А. В. Шунтов. Схемы выдачи мощности электростанций: Методологические аспекты формирования - Москва: Энергоатомиздат.
Представлена общая методология формирования схем электрических соединений электроустановок в виде последовательной и взаимоувязанной совокупности решений о целесообразности вводов генерирующей мощности, обосновании и выборе схемы присоединения к энергосистеме, схем коммутации и средств общесистемного управления. Исследованы причинно-следственные связи основных влияющих факторов. Выявлены закономерности формирования схем. Даны рекомендации по построению электрической части электроустановок при проектировании их развития.
Для инженерно-технических работников проектных организаций, энергетических систем, а также для студентов вузов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Схемы повышенных напряжений* электроустановок приоритетно выделяют среди прочих схем. На то имеется веская причина. Электростанции и крупные подстанции, являясь опорными коммутационными узлами внутриистемных и межсистемных связей, пунктами по поддержанию требуемого качества электроэнергии, регуляторами параметров графиков нагрузки энергосистем, оказывают заметное влияние на надежность и экономичность функционирования последних.
*Далее по тексту термин «повышенных напряжений» опускается, но под схемами, как правило, подразумеваются схемы электрических соединений повышенных напряжений.
Схемы электрических соединений отражают внутреннюю структуру и взаимосвязь элементов электроустановок. Различают схемы первичных и вторичных соединений. Первичными являются силовые и осветительные сети, вторичными - цепи измерительные, релейной защиты, управления, автоматики, сигнализации. Силовые цепи делят на главные схемы и схемы собственных нужд (СН). Под главными схемами понимают электрические цепи, по которым на рассматриваемом объекте обеспечивается передача электроэнергии от источников к потребителям. Часть главной схемы, определяющая пути передачи энергии от источников к распределительным устройствам (РУ) и связи между ними, называется структурной схемой. Приведенная традиционная градация схем не является исчерпывающей. Сложившаяся практика такова, что исходные положения по электрической части электростанций принимаются при формировании их схем выдачи мощности. Под схемами выдачи мощности будем понимать не только отражение внутренней структуры и взаимосвязи элементов, но и последовательную, взаимоувязанную применительно к рассматриваемой электростанции совокупность решений о целесообразности вводов генерирующей мощности, обосновании и выборе схемы присоединения электростанции к энергосистеме, схем коммутации пристанционных узлов и средств общесистемного управления. Для подстанций круг решаемых вопросов сужен. В нем отсутствует раздел, связанный с обоснованием целесообразности вводов генерирующей мощности.
Электроустановки повышенных напряжений - неотъемлемая часть электрической сети. Их схемы должны быть согласованными с принципами построения и тенденциями ее развития. В свою очередь требуется принимать во внимание и обратную связь. Так, схемы выдачи мощности электростанций нередко формируют структуру прилегающих сетей обширных регионов. Выбором тех или иных, часто альтернативных схем коммутации подстанций определяется желаемая конфигурация распределительной сети.
Формирование схем электрических соединений - часть более общей задачи проектирования развития энергосистем. Это сложная в научном и инженерном плане проблема, так как требует учета существенной неопределенности исходной информации, большого числа трудно формализуемых и противоречивых функциональных связей. Отчетливее всего это проявляется при обосновании и выборе схем электростанций.
Основные параметры вновь сооружаемых или расширяемых электростанций (мощность, состав агрегатов, очередность их ввода в эксплуатацию, возможные режимы работы и т. д.) вносят в схему развития отрасли, а затем устанавливают для схем объединенных и региональных энергосистем (ОЭС и РЭС) раз в 5 лет при перспективе в 10-15 лет. Для перечисленных работ характерно решение общих вопросов развития электроэнергетики, например, определение балансов мощности и электроэнергии, структуры генерирующих мощностей, эффективности транспорта энергии из одного региона в другой. Поэтому для принятия решений по схемам электрических соединений требуются самостоятельные проработки. Они выполняются в технико-экономических обоснованиях (ТЭО) к сооружению объектов. Схемы выдачи мощности электростанций - их составная часть. Рассматриваемая перспектива здесь как и для схем развития не менее 10-15 лет. Однако часто реальный выход электростанции на проектную мощность не укладывается даже в такие сроки.
Обычно в ТЭО сооружения электростанции несколько (две, три, четыре) альтернативных площадок сооружения. Окончательное решение о выборе места строительства принимается с учетом технических и экономических характеристик технологической части (экология, топливо- и водоснабжение, геология, сопутствующие производства) и схемы выдачи мощности.
Типовая разработка схемы выдачи мощности электростанции содержит следующие положения:
- Обоснование необходимости, сроков ввода, типа, мощности и режимов работы электростанции. Применительно к зоне сооружения (влияния) электростанции анализу подвергается существующее состояние сетей. Зоной влияния может быть как региональная, так и объединенные энергосистемы. Составляются балансы мощности и электроэнергии. Строятся графики нагрузки для характерных периодов, в том числе на перспективу в 10-15 лет.
- Обоснование и выбор схемы присоединения к энергосистеме. Принимаются решения по направлениям, номинальному напряжению и количеству линий выдачи мощности, распределению генераторов между РУ повышенных напряжений, пропускной способности связей между сетями различного напряжения на сборных шинах электростанции, предельным токам короткого замыкания (КЗ) в ее РУ и прилегающей сети. Выполняются расчеты потокораспределения в нормальном и послеаварийных режимах, статической и динамической устойчивости, токов КЗ. Даются рекомендации по регулированию уровней напряжения и компенсации реактивной мощности. Формулируются требования к коммутационной аппаратуре. Оценивается объем электросетевого строительства, финансовые затраты.
- Рекомендации по выбору схем коммутации. Формируются варианты схем с учетом преимущественно одного из наиболее жестких технических ограничений. Оно заключается в том, что при расчетных авариях критерием допустимости значения одновременного сброса генерирующей мощности на электростанции является сохранение устойчивости параллельной работы энергосистем по линиям системообразующей сети. В ряде случаев даются соображения по резервному питанию СН.
- Определение коридоров воздушных линий (ВЛ). Рассматриваются административная принадлежность, топографические, гидрологические, геологические и метеорологические условия по трассам коридоров.
- Обоснование и выбор средств общесистемного управления - релейной защиты и автоматики (РЗА), противоаварийной автоматики (ПА), автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП), телемеханики, диспетчерского управления, связи. Даются рекомендации по комплексу технических средств РЗА, обеспечению ее быстродействия по критерию динамической устойчивости, выполнению требований дальнего и ближнего резервирования. Оценивается чувствительность основных и резервных защит. Формируется структурная схема ПА. Выбираются технические средства ее реализации. Анализируются принципы взаимодействия ПА с другими системами управления. Определяются требования к структуре и способам передачи информации для формирования воздействий ПА. Намечается архитектура общестанционной части АСУ ТП, включающая автоматическое регулирование частоты и активной мощности (АРЧМ), напряжения и реактивной мощности (АРН). Приводятся требования к каналам связи средств диспетчерского и технологического управления.
Как видно, формирование схем выдачи мощности выполняется не столько в плоскости данной электростанции и снабжаемых ею потребителей, сколько с позиции всей системы в целом. Поэтому одним из важнейших факторов, влияющих на выбор схем, является сеть, ее структура и параметры. Проектирование схем выдачи мощности жестко связано с организацией схем коммутации и управления энергосистемы.
В целом, схемы развития энергосистем и ТЭО сооружения - основание для разработки проектов электростанций и подстанций. От разработки ТЭО до начала выполнения проекта проходит около двух лет. За это время проверяется приемлемость принятых ранее решений. Иногда формируются дополнительные варианты схемы выдачи мощности. Выбираются схемы коммутации. Уточняются сроки ввода первой очереди электростанции и поэтапность развития ее схем. При необходимости более углубленных проработок выполняются дополнительные исследования в зависимости от влияния на энергосистему подключения электростанции. Последующий анализ схем выдачи мощности осуществляют в проектах других очередей электростанции и в ТЭО сооружения подстанций и линий выдачи мощности. Так, для линий 220 кВ и выше заблаговременность разработки ТЭО не менее двух-пяти лет. Наконец, схемы выдачи мощности корректируют при дальнейшем выполнении схем развития отрасли и энергосистем раз в пять лет. При необходимости производят уточнения. Обычно они связаны с погрешностью в прогнозах баланса мощности и энергии.
Следует подчеркнуть, что обоснование вводов мощности многофакторная балансовая задача регионального или федерального уровня, в первую очередь подвергаемая анализу в схеме развития отрасли. Поэтому решения по вводам мощности на рассматриваемых электростанциях, при формировании их схем выдачи мощности являются традиционным итерационным уточнением решений, принятых на более высоких уровнях отраслевой, технологической, территориальной, стадийной и временной иерархий. Это главный принцип проектирования развития энергосистем, позволяющий смягчить влияние неопределенности исходных данных и многофакторности задач.
В целом, принятие решений принадлежит проектировщику, сравнивающему, как правило, не более двух-трех вариантов схемы выдачи мощности применительно к местным условиям в рамках локальных технических ограничений, зафиксированных отраслевыми нормативами. При этом не учитываются в полной мере общие принципы построения больших технических систем. Последнее положение приводит к негативным последствиям, в частности, к формированию схем выдачи с запиранием генерирующей мощности или к использованию нерациональных схем коммутации.
За предшествующие десятилетия в стране создана [1] общая методология изучения больших систем энергетики, именуемая системным подходом. Его направленность - в создании общих методов исследования и конструирования сложно организованных объектов. Одним из важнейших направлений подхода являются приложения системных исследований и решение фундаментальных проблем энергетики. Их составная часть - выбор параметров элементов и схем систем (объектов), к которым относят и энергетические предприятия. Системный подход исходит из рассмотрения объектов как целостного множества элементов, обладающим свойствами, несводимыми к сумме свойств, входящих в него элементов. При этом во главу ставится постулат, что развитие систем (объектов) определяется в основном причинно- следственными связями, выражающимися совокупностью объективных тенденций, закономерностей.
Как отмечалось ранее, исходные положения по электрической части электростанций принимают при формировании их схем выдачи мощности в виде последовательной совокупности решений о целесообразности вводов мощности, обосновании и выборе схемы присоединения к энергосистеме, схем коммутации пристанционных узлов и средств общесистемного управления. Несмотря на важность этого направления системным исследованиям в области формирования электрической части электростанций, т. е. в плоскости категории «причинно-следственные связи - закономерности», внимания до сих пор уделялось недостаточно. В представленной работе авторы попытались до некоторой степени устранить указанный пробел в рассматриваемой области знаний.
Структура изложения книги сохранила принятую в практике проектирования последовательность обоснования и выбора схем электроустановок. Основное внимание сконцентрировано на четырех глобальных направлениях: обосновании вводов генерирующей мощности, формировании схем присоединения к энергосистеме, схем коммутации, систем контроля и управления.
Авторы скорбят о безвременно ушедшем из жизни докторе техн, наук Анатолии Тарасовиче Шевченко, неординарном талантливом человеке, с которым исследовано немало вопросов, нашедших свое отражение в этой книге.
Авторы благодарны рецензентам книги доктору техн. наук, проф. В. В. Жукову (Московский энергетический институт) и доктору техн. наук, проф. В. А.Семенову (ЦДУ ЕЭС России), а также коллективу кафедры автоматического управления электроэнергетических систем Ивановского государственного энергетического университета (заведующий кафедрой доктор техн. наук, проф. В. А. Шуин) за внимательный просмотр рукописи и замечания, которые были учтены при ее подготовке к изданию. Особенная благодарность доктору техн. наук, проф. Б. Н. Неклепаеву, канд. техн. наук С. В. Хомицкому, а также инженерам М. М. Полюгаеву и К. В. Мозгалеву за активное участие в совместных исследованиях, результаты которых использованы в книге.
